- 조용훈 교수팀, 양자점의 발광 신호와 구조를 유지한 채 배경 잡음만 제거하는 기술 개발
- 다양한 반도체 양자점 기반 양자 광소자 및 광 집적회로에 응용 기대
▲(왼쪽부터)KAIST 물리학과 조용훈 교수 / KAIST 물리학과 최민호 박사 / KAIST 물리학과 전성문 박사
KAIST(총장 이광형)는 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 집속 이온빔을 이용해 반도체 피라미드 구조의 꼭짓점에 형성된 단일 양자점(퀀텀닷)의 단광자 순도를 높이는 기술을 개발하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 기술은 향후 피라미드 꼭짓점 같이 위치를 정확히 제어하여 형성된 양자 광원뿐만 아니라 고밀도 양자점 기반 양자 광원, 전기 구동 양자점 기반 양자 광원 등 다양한 양자 광소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
양자 광원은 동시에 두 개 이상의 광자를 방출하지 않고 한 개의 광자씩만 방출하는 광원으로, 양자역학의 비복제 원리(no-cloning theorem)에 의해 단일 양자 정보를 복사할 수 없다는 점에서 해킹에 대해 안전한 양자 통신에 쓰일 수 있다. 특히 반도체 기반 양자점은 칩 상에 집적할 수 있고 전기 구동 또한 가능하다는 점에서 실용성이 높은 양자 광원으로써 널리 연구되고 있다.
하지만 반도체 양자점 기반 양자 광원에는 양자점 주변 구조에서 발생하는 배경 잡음(background signal)이 공존하게 되는데, 이러한 배경 잡음은 양자광으로서의 성질을 약하게 만들어 양자광이 해킹당할 가능성이 생기게 된다. 따라서 반도체 양자점을 실질적인 양자 광원으로 사용하기 위해서는 배경 잡음을 줄여 양자광의 신호 대 잡음비를 크게 만드는 것이 중요한 요소라 할 수 있다.
기존의 연구들에서는 양자 광원 주변의 배경 잡음을 줄여 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 배경 잡음 신호가 나오는 부분을 에칭으로 제거하거나, 금속으로 막아버리는 등의 방법을 사용했다. 하지만, 이러한 방법들은 양자점의 양자광 신호를 감소시키거나, 양자점 주변의 구조를 파괴한다는 약점이 있었다.
조용훈 교수 연구팀은 집속 이온빔을 이용해 양자점 주변의 구조를 물리적으로 파괴하지 않고, 양자광 신호도 약화시키지 않은 채 배경 잡음 신호만을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했고, 이를 반도체 피라미드 구조의 꼭짓점에 정교하게 형성된 양자점에 적용했다.
집속 이온빔 기술은 반도체 기술이나 생물학 등의 분야에서 에칭을 통한 나노 구조 제작이나 이미징 테스트를 위한 시료 제작 등에 널리 쓰여 왔다. 하지만 집속 이온빔을 빛을 내는 반도체 광소자나 광 집적회로를 제작하는 데 이용하게 되면, 이온 빔을 맞은 곳보다 훨씬 넓은 주변 영역에 이르기까지 결함 구조를 생성해 원하는 발광 신호를 크게 약화하는 문제가 있었다. 하지만 조용훈 교수 연구팀은 집속 이온빔의 종류와 조건을 정밀하게 조절하면 반도체 구조를 파괴하지 않으면서 배경 잡음 신호 만을 나노스케일의 공간해상도로 선택적으로 소광(luminescence quenching) 할 수 있다는 점에 착안했다.
이를 이용해 반도체 피라미드 구조의 꼭짓점에 있는 양자점 주변의 배경 잡음 신호를 나노스케일로 소광하는 데 성공했고, 이에 따라 나오는 발광 신호가 얼마나 양자광에 가까운지를 나타내는 지표인 단광자 순도를 크게 개선시켰다.
이는 양자점의 발광 신호와 구조체를 파괴하지 않고 배경 잡음만을 나노스케일로 소광할 수 있는 기술을 최초로 개발해, 피라미드 꼭짓점과 같이 위치가 제어된 양자점 뿐만 아니라 다양한 반도체 양자점 기반의 양자 광소자나 광 집적회로에서 원하지 않는 신호를 선택적으로 제거하여 소자의 성능을 높이는데 활용될 수 있는 결과라는 점에서 의미가 있다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 "집속 이온빔을 이용해 원하지 않는 주변 배경 잡음 신호를 선택적으로 소광할 수 있는 고분해능 기법을 개발했고, 이는 다양한 양자 광소자와 광 집적회로, 그리고 디스플레이 분야에도 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것ˮ이라고 말했다.
KAIST 물리학과 최민호 박사과정과 전성문 박사과정이 공동 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 나노 과학 분야의 세계적 학술지인 `ACS 나노 (ACS Nano)' 7월 27일 字에 정식 출간됐다. (논문명: Nanoscale focus pinspot for high purity quantum emitters via focused-ion-beam induced luminescence quenching)
□ 용어설명
양자점 (Quantum Dot)
양자점은 내부에 형성되는 엑시톤이 3차원적인 양자 구속 효과(quantum confinement effect)에 의해 원자나 이온과 같은 이산 에너지 준위를 갖는다. 이로 인해 엑시톤이 재결합하면서 방출하는 빛은 특정 에너지를 갖게 되며 하나의 엑시톤이 재결합할 때 하나의 빛, 즉 단광자가 방출된다.
단광자원 (Single-photon source)
양자역학적으로 빛의 기본 단위를 광자라고 하는데, 하나의 광자만으로 구성된 빛을 방출하는 장치를 단광자원이라 한다. 일반적으로 일상생활에서 볼 수 있는 빛은 굉장히 많은 광자로 구성되어 있기 때문에 단광자를 검출하기 위해서는 굉장히 높은 효율의 검출장치가 필요하다. 광자는 더 이상 쪼개질 수 없기 때문에 두 개의 검출기에서 동시에 측정될 수 없고, 이를 이용해 단광자인지 여부를 확인할 수 있다.
단광자 순도 (Single-photon purity)
완벽한 단광자는 한 시점과 위치에 단 하나의 광자로만 이루어져있다. 하지만 때로는 두 개, 또는 세 개 이상의 광자가 있을 수 있는데, 이를 기술하는 수치가 단광자 순도이다. 단광자 순도가 1이면 완벽하게 하나의 광자로만 이루어져 있다는 의미이고, 0.5이면 약 두 개의 광자로 이루어졌다는 의미이다.
양자통신 (Quantum communication)
양자광원을 활용한 광통신을 양자통신 혹은 양자광통신이라 한다. 기존의 광통신의 경우 다양한 빛의 상태에 정보를 저장하여 빠른 속도로 전달할 수 있는데, 전송되고 있는 빛의 일부를 받아봄으로써 정보의 해킹이 일어날 수 있다. 하지만 단광자를 광통신에 이용하게 되면, 해킹이 일어나는 경우 전달되는 정보가 소실되기 때문에 해킹이 일어났는지 여부가 즉시 발각되어 높은 보안성의 통신을 기대할 수 있다는 장점이 있다.
□ 그림 설명
그림 1. 집속 이온빔을 이용한 소광기법을 육각 피라미드 꼭짓점 구조 위에 형성된 양자점에 적용한 예시 모식도
[그림 상세 설명]
(좌측) 육각 피라미드 꼭짓점에 형성된 단일 양자점에서 발생하는 단광자 발광 신호와 함께 피라미드 옆면에서 원하지 않는 배경발광이 동시에 발생하는 상태. (중앙) 피라미드 옆면에 집속 이온빔을 선택적으로 조사함으로써 원하지 않는 배경발광 신호를 위치 선택적으로 소광시켜 억제하는 과정. (우측) 최종적으로 피라미드 옆면에서의 배경발광 신호가 대부분 제거된 상태로서 꼭짓점에 있는 단일 양자점에서의 단광자 발광 만이 높은 단광자 순도로 방출하는 상태.
그림 2. 육각 피라미드 구조체에서 꼭짓점을 제외한 나머지 영역에 집속 이온빔을 선택적으로 조사하여 소광시킨 결과.
[그림 상세 설명]
육각 피라미드 반도체 구조체를 따라 형성된 발광구조는 그 기저 구조의 면, 경계선, 꼭짓점을 따라 양자우물 (quantum well), 양자선 (quantm wire), 양자점 (quantum dot)이 형성됨. 이 중 양자점 만이 단광자원으로써의 역할을 할 수 있으며 양자우물과 양자선에서의 발광은 배경잡음으로 단광자원의 순도를 낮추게 함. 집속 이온빔을 위치 선택적으로 조사함으로써 피라미드 꼭짓점에서의 원하는 발광을 제외한 나머지 부분의 배경신호를 높은 공간해상도로 소광시킬 수 있음. 집속 이온빔을 조사하는 면적을 바꾸어 감에 따라 겉보기 구조적 변화는 없는 반면 빛을 내는 면적이 달라지고 있음을 보여주는 이미지 사진. [위쪽은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지이며, 아래쪽은 음극 발광 (cathodoluminescence) 이미지임.]
