양자점 기반 단파장 초고속 양자광원 개발(07.22)

KAIST 조용훈 교수팀, '나노 오벨리스크' 구조위 양자점 형성
실용적인 양자광원 개발 기여 기대…네이처 자매지 게재

양자점 기반의 단파장 초고속 양자 광원이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST(한국과학기술원·총장 강성모)는 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 뾰족한 팁모양의 오벨리스크 나노 구조물 꼭대기에 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자를 방출하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

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

반도체 양자점은 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 장점을 지녀 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.

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

연구진은 단파장의 빛을 내는 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작, 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는 데 성공했다.

또 양자점에서 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.

이와 함께 연구진은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상도 밝혀냈다.

이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400m) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 연구진은 설명했다.

조용훈 교수는 "기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성해 제어할 수 있는 이를 통해 매우 바른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

또 "오벨리스크 형태 나노구조의 특성상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자광소자 제작에도 활용될 수 있다"고 말했다.

한편 이번 연구결과는 네이처가 발행하는 '사이언티픽 리포트' 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.

KISTory