양자정보통신 기술에 필수적인 양자광원을 구현하기 위한 플랫폼으로 반도체 양자점이 주목받고 있는데, 양자점을 이용하면 빛의 최소 알갱이인 광자를 정확히 원하는 시점에 하나씩 발생하는 단일광자 발생기를 만들 수 있기 때문이다. 다만, 양자점과 광학적 특성이 꼭 들어맞는 공진기 구조를 정밀하게 설계하고 결합해야만 발광 성능이 우수한 단일광자 발생기를 만들 수 있다.

 

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI) 고영호 박사 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 송진동 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 고성능의 단일 양자점 양자광원을 고밀도 양자점 기판 위에서 식각과 같은 파괴적인 공정없이 맞춤형으로 다량 만들 수 있는 원천 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

공동 연구팀은 우선 고밀도 양자점 중에서 단 하나의 양자점을 선별해 내는 비파괴적인 선택 방법을 고안하고, 이렇게 선택된 양자점의 광학적 특성을 분석하여 그 특성과 꼭 들어맞는 맞춤형 공진기를 양자점 위치에 맞추어 제작하는 방식으로 접근했다. 

 

조용훈 교수 연구팀은 최근 개발한 집속 이온빔을 이용한 초정밀 나노 소광 기법을 고밀도 양자점에 적용하였는데, 이는 집속 이온빔을 약하게 조사하면 시료가 깎여 나가지 않지만 이온빔을 맞은 부분에는 빛을 내지 못하게 되는 ‘소광(quenching)’이 일어나는 현상을 이용한 것이다. 

 

고밀도 양자점 시료 위에 집속 이온빔을 도넛 패턴으로 조사하면 이온빔을 맞은 도넛 패턴 위의 양자점들은 소광되는 것을 확인하였고, 도넛 패턴의 안쪽 지름을 더욱 줄여가면서 최종적으로 정중앙에 있는 단일 양자점에서만 선명한 빛을 내도록 조절하는 데 성공했다.

 

이렇게 의도한 위치에 남겨진 단일 양자점의 광학적 특성을 조사한 후에 그 특성에 꼭 맞게 설계한 공진기 구조를 양자점 위치에 정확히 맞추어 제작함으로써 단일 광자의 방출효율을 훨씬 높이고 빛의 방향성을 제어할 수 있었다. 

 

이는 초정밀 나노 소광 기술이 식각을 하지 않는 비파괴적인 방식이기에 시료 전체의 표면 상태를 그대로 유지할 수 있고, 맞춤형으로 설계된 공진기 구조를 표면 위에 직접 형성할 수 있었기에 가능한 일이었다.

 

연구를 주도한 조용훈 교수는 “기존에 단광자 순도가 낮거나 밀도를 조절하기 어려워 외면받던 고밀도 양자점 시료들에 대해서 고성능 양자광원을 맞춤형으로 구현할 수 있는 방법”이라며, “원하는 위치에 단일 양자점을 반복적으로 구현할 수 있기 때문에 대규모 양자 광학 플랫폼의 개발에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

 

KAIST 물리학과 최민호 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 정보통신기획평가원과 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행되었으며, 재료 과학 분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 3월 22일 字에 온라인 게재됐다 (논문명: Single Quantum Dot Selection and Tailor-made Photonic Device Integration Using Nanoscale Focus Pinspot).

 

 

 반도체 양자점을 이용한 양자 광원 제작

양자점은 수~수십 나노미터 크기로 이루어진 반도체로, 내부에 형성된 엑시톤(전자와 정공의 복합체)의 에너지 준위 특성이 원자와 비슷하여 인공 원자로도 불리는데, 단일 양자점의 엑시톤이 재결합하면서 방출하는 빛은 단 하나의 광자로 구성되어 있다. 이러한 단일 광자원은 서로 다른 양자 노드를 연결하는 양자 네트워크를 구현하거나 양자 통신을 구현하는 데 있어서 매우 필수적인 구성 요소이다.

 

반도체 양자점은 전기구동이 가능하고 광〮학소자와도 결합이 용이하며 다른 양자플랫폼 보다 고온에서 구동할 수 있기 때문에 상용화의 가능성이 높은 후보로 꼽힌다. 하지만 대부분의 양자점은 생성되는 과정에서 무질서한 위치에서 형성되기 때문에 여러 개의 양자점을 포함한 대규모의 양자소자를 제작하는데 장애물을 가지고 있었다.

 

특히, 고성능 양자 광원을 대면적 기판 위에 다량으로 제작하기 위해서는 양자점의 위치나 크기를 일정하게 제어해야 하는데, 일반적으로 양자점을 성장하는 과정에서 위치나 크기를 조절하기가 힘들고 간격도 매우 조밀해서, 식각과 같은 파괴적인 공정의 도움 없이는 기판 위의 양자점을 하나씩 구분해 내기가 어려웠다. 

 

더욱이 개별적인 양자점 특성과 꼭 들어맞는 맞춤형 공진기 구조를 고밀도의 양자점 시료에서 양자점마다 하나씩 맞춤형으로 결합시키는 것은 불가능한 일이었다.

 

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 고밀도 양자점 중에서 단 하나의 양자점을 선별해 내는 비파괴적인 선택 방법으로 ‘집속이온빔을 이용한 초정밀 나노 소광 기법’을 적용하였고, 이렇게 선택된 양자점의 광학적 특성을 분석하여 그 특성과 꼭 들어맞는 맞춤형 공진기를 양자점 위치에 맞추어 제작하는 방식으로 접근했다. 

 집속이온빔을 이용한 초정밀 나노 소광 기법

일반적으로 집속 이온빔은 전자현미경 측정을 위한 시료를 식각하여 제작하거나 주사전자현미경(SEM)을 뛰어넘는 해상도로 이미징을 하는데 쓰이는 기술이다. 그러나, 높은 운동에너지를 갖는 이온들이 물질과 충돌하게 되면 집속 이온빔이 조사된 부분의 결정성을 악화시켜 해당 물질의 발광 특성을 저해하는 문제점을 갖게 되어, 양자점과 같은 나노 발광 소자를 제작할 때는 이온빔 방식은 사용하지 않아야 하는 것으로 여겨져 왔다. 

 

하지만 연구팀은 발상의 전환을 통해 집속 이온빔을 조사하는 영역을 도넛 (또는 조리개) 형태로 만들면, 이온빔을 맞은 도넛 모양 자체 부분에는 빛을 내지 못하게 되는 반면 이온빔을 맞지 않은 도넛 모양의 정중앙 부분에는 빛을 그대로 유지할 수 있게 된다는 데 착안하였다. 

 

다시 말하면, 발광을 원치 않는 영역에는 선택적으로 집속 이온빔을 조사하여 비파괴적으로 소광시키고, 발광을 원하는 매우 작은 나노스케일의 영역에는 이온빔을 조사하지 않도록 하여 국소적으로만 빛을 내도록 하는 비파괴 초정밀 나노 소광 기술을 적용하였다. (연극 무대에서 주변은 어둡게 하면서 주인공이 있는 좁은 장소 만을 집속해서 밝히는 핀조명(핀스팟)을 비유하여“Nanoscale focus pinspot”이라고 명명하였다.) 

조용훈 교수 연구팀은 이러한 나노 소광 기술을 개발하여 2021년‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 紙에 보고된 바 있다 (논문명: Nanoscale focus pinspot for high-purity quantum emitters via focused-ion-beam induced luminescence quenching). 이번 연구는 이 나노 소광 기술을 고밀도 양자점에서 특정 단일 양자점 만을 발광하고 다른 양자점 부분은 표면 구조는 변형시키지 않으면서 비파괴적으로 소광만 되도록 하기 위하여 적용한 것이다.

 

연구팀은 집속 이온빔을 이용하여 높은 공간해상도를 가지고 선택적으로 양자점 주변에서의 발광을 소광시킴으로써 이 기술이 단일 광자의 신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)와 단광자 순도를 향상할 수 있음을 체계적으로 확인하였다. 

 

나아가 이렇게 정확한 위치에 남겨진 단일 양자점과 위치와 파장을 고려하여 맞춤형으로 제작된 광학 구조체를 결합하여 단일 광자의 방출효율과 방향성을 제어할 수 있었는데, 이는 본 나노 소광 기술이 식각을 하지 않도록 제어된 비파괴 방식이기에 가능한 일이었다.

 

이와 같은 위치 선택적인 나노 소광 기술은 빛을 소광하는 집속 이온빔의 부정적인 성질을 초고해상도의 단일 발광체를 만드는 유용한 방식으로 활용한 결과다. 이 기술을 이용하여 기존에 단광자 순도가 낮거나 밀도가 높아서 외면받던 양자 광원 플랫폼들의 한계를 극복할 수 있으며, 이미징이나 디스플레이 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.