조용훈 KAIST 교수팀, 양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발

나노 오벨리스크 구조물 형성 통해 성공

조용훈 교수.

아주경제 이한선 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 조용훈 물리학과 교수팀이 뾰족한 팁 모양의 오벨리스크 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

연구결과는 네이처가 발행하는 사이언티픽 리포트 5일자 온라인판에 게재됐다.

반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타내 이를 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.

반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 장점이 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.

기존의 자발 형성 양자점은 평면 구조 안에 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 제한돼 있는 한계가 있다.

구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과로 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.

프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진(왼쪽)과 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 사진.

조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태 나노 구조를 제작했다.

그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.

이같은 나노 구조를 활용하면 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있는 장점이 있다.

연구팀은 오벨리스크 형태의 나노구조가 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.

이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광 대역이어서 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.

조 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.

조 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성해 제어할 수 있고 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 밝혔다.