KR101518242B1 - 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에서는 서로 이격되어 배치된 제1전극 및 제2전극, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 배치된 하나 이상의 나노 구조체를 포함하는 신호 전달부-상기 제1전극은 신호 발생부로부터 신호를 입력받음-, 광자를 수신하고, 수신된 광자를 상기 제1전극으로 유도하기 위한 광 도파로를 포함하는 광결정 격자 구조부-상기 광 도파로는 복수의 유전체 구조물에 의해 형성됨-, 및 상기 제2전극으로 출력되는 신호를 분석하여 광자를 검출하는 단일 광자 검출부를 포함하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치 및 이 단일 광자 검출장치를 이용한 단일 광자 검출방법이 개시된다.

Description

상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치 및 그 방법{DEVICE FOR DETECTING SINGLE PHOTON AVAILABLE AT ROOM TEMPERATURE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 단일 광자 검출장치에 관련된 것이고, 더욱 상세하게는 전극 사이에서 진자운동하는 나노 구조체 및 광결정 구조 기반의 도파로를 이용하여 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에 관련된 것이다.
일반적으로 단일 광자 검출장치는 검지 효율이 낮더라도, 입사하는 광자의 개수가 출력되는 전기신호와 비례하는 검출장치를 의미한다. 현재 연구되고 있는, 광자의 개수를 구분하는(Photon-Number resolution) 검출장치로는 Superconducting tunnel junction(STJ) 기반 검출기, Quantum-dot field-effect transistor 기반 검출기, Superconducting nanowire 기반 단일 광자 검출기, Superconducting transition edge 센서 등이 있다. 하지만 이러한 검출장치들은 상온에서 의도하지 않은 전류의 흐름을 피하기 위해 대부분 저온에서 작동하거나, 입사하는 빛이 없을 때 나오는 문제(dark count rate)가 있다. 또한 저온 환경 조성을 위해서 요구되는 저온 설비는 부피가 크고, 큰 유지 비용이 필요함에 따라 상용화에 큰 어려움이 된다.
미국등록특허 US 8378895
C. Weiss, W. Zwerger, Accuracy of a mechanical single electron shuttle, Europhys. Lett. 47, 97, (1999) A. Erbe, C. Weiss, W. Zwerger, R. H. Blick, Nanomechanical resonator shuttling single electrons at radio frequencies, Phys. Rev. Lett. 87, 096106, (2001) D. V. Scheible, R. H. Blick, Silicon nanopillars for mechanical single electron transport, Appl. Phys. Lett. 84, 4632, (2004) D. V. Scheible, C. Weiss, J. P. Kotthaus, R. H. Blick, Periodic field emission from an isolated nanoscale electron island, Phys. Rev. Lett. 93, 186801, (2004) H. S. Kim, H. Qin, R. H. Blick, Self-excitation of single nanomechanical pillars, New J. Phys. 12, 033008, (2010) C. Kim, J. Park, R. H. Blick, Spontaneous symmetry breaking in two coupled nanomechanical electron shuttles, Phys. Rev. Lett. 105, 067204, (2010) C. Kim, M. Prada, R. H. Blick, Coulomb blockade in a coupled nanomechanical electron shuttle, ACS Nano 6, 651, (2012)
위와 같은 문제점을 해결하기 위해서 상온에서 작동 가능하면서 입사되는 광이 없는 상태에서는 출력신호 (dark count rate)가 낮은 단일 광자 검출 장치가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치는, 서로 이격되어 배치된 제1전극 및 제2전극, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 배치된 하나 이상의 나노 구조체를 포함하는 신호 전달부-상기 제1전극은 신호 발생부로부터 신호를 입력받음-, 광자를 수신하고, 수신된 광자를 상기 제1전극으로 유도하기 위한 광 도파로를 포함하는 광결정 격자 구조부-상기 광 도파로는 복수의 유전체 구조물에 의해 형성됨-, 및 상기 제2전극으로 출력되는 신호를 분석하여 광자를 검출하는 단일 광자 검출부를 포함한다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 하나 이상의 나노 구조체는, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 이격되어 배치되고, 나노 구조체의 상부가 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이를 진자운동함으로써 상기 제1전극에서 상기 제2전극으로 전자를 이동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 하나 이상의 나노 구조체는, 두 개 이상의 나노 구조체로 구성되고, 상기 두 개 이상의 나노 구조체는 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 직렬로 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 두 개 이상의 나노 구조체는 제1나노 구조체 및 제2나노 구조체를 포함하고, 상기 제1나노 구조체의 상부는 상기 제1전극과 상기 제2나노 구조체 사이를 진자운동함으로써 상기 제1전극에서 상기 제2나노 구조체로 전자를 이동시키고, 상기 제2나노 구조체의 상부는 상기 제1나노 구조체와 상기 제2전극 또는 다른 나노 구조체 사이를 진자운동함으로써, 상기 제1나노 구조체로부터 이동된 전자를 상기 제2전극 또는 상기 다른 나노 구조체로 이동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 광 결정 격자 구조부는, 격자 형태로 배치된 복수의 유전체 구조물로 구성되며, 상기 복수의 유전체 구조물은 막대 형상이고, 상기 광 도파로는, 상기 복수의 유전체 구조물의 지름 및 간격을 조절하여 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 광 결정 격자 구조부는, 일정한 격자 형태로 배치된 복수의 유전체 구조물로 구성되며, 상기 복수의 유전체 구조물은 제1유전율을 가지는 하나 이상의 제1유전체 구조물 및 하나 이상의 제2유전율을 가지는 제2유전체 구조물을 포함하고, 소정의 위치에 배치된 상기 제1유전체 구조물 및 상기 제2유전체 구조물에 의해 입사되는 광의 파장대역이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 하나 이상의 나노 구조체는, SOI(Silicon On Insulator) 기판 및 상기 SOI기판 상에 형성된 금속 박막층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 하나 이상의 나노 구조체는, 10 내지 70 nm의 지름을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서의 상기 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치에서, 상기 단일 광자 검출부는, 상기 신호 발생부가 제공한 신호의 세기 및 상기 제2전극으로 출력되는 신호의 세기를 분석하여 수신된 광자의 유무 및 수신된 광자의 양을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법은, SOI(Silicon-On-Insulator) 기판을 형성하는 단계, 상기 SOI기판상에 금속 박막을 형성하는 단계 및 제1전극, 제2전극, 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 위치된 하나 이상의 나노 구조체 및 상기 제1전극을 일부를 둘러싸도록 위치된 광결정 격자 구조를 형성하도록 상기 금속 박막이 형성된 SOI기판을 패터닝하는 단계, 여기서 상기 광결정 격자 구조는 입사된 광자가 상기 제1전극으로 유도될 수 있도록 하는 광 도파로를 포함함, 를 포함한다.
일 실시예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법은 상기 광결정 격자 구조에 광자를 입사시키는 단계, 상기 제1전극에 신호를 입력함으로써 상기 제2전극에서 출력되는 신호의 세기를 측정하는 단계 및 상기 입력된 신호 및 상기 출력되는 신호의 세기를 분석하여 상기 입사된 광자의 양을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법에서 상기 패터닝하는 단계는, 상기 광결정 격자 구조에 형성된 금속 박막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법에서 상기 하나 이상의 나노 구조체는 막대형태이고, 하부가 고정된 상태에서 상부가 탄력적으로 진자운동하여 상기 제1전극의 신호를 상기 제2전극으로 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치는 상온에서 이용 가능하며, 단일 광자의 분해능을 가질 수 있어, 이미지 장치 내 광 센서 및 광 검출기로 적용되어 바이오 분야 등 다양한 분야에서의 고분해능 촬영이 가능하다.
또한 기존 반도체 시장에서는 전기장을 이용하여 전자의 이동을 제어하는 FET (Field Effect Transistor)를 사용하였으나 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치를 이용하면 광자의 에너지로 전자의 이동을 제어하는 새로운 개념의 트랜지스터가 개발 될 수 있다. 특히 반도체 물질 내에서 전자-전자의 상호작용에서 일어나는 열손실 및 전류손실을 단일광자-단일전자 간 상호작용으로 바꾸어 그 손실을 최소화 할 수 있다.
더불어, 최근 들어 양자정보 기술에 관한 관심이 커지면서 단일 광자 검출이기에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는바, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치는 국가 기관망 보안, 금융 및 개인 신용정보 통신 등의 보안에 새로운 패러다임을 제공할 보안 기술 및 특정 연산에 있어 기존 기술보다 월등한 연산 속도 구현이 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 요소 기술을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치의 개략적인 회로도이다.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 수신부(100)의 구성을 나타내는 구성도이다.
도3a-도3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 전달부의 전자 이동 매커니즘을 설명하기 위한 도이다.
도4는 제1전극과 제2전극 사이의 에너지 다이어그램이다.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광자 검출 결과를 설명하기 위한 I-V 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법의 공정 및 측정 순서도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치의 개략적인 회로도이다. 일 실시 예에 따른 상기 단일 광자 검출장치(1000)는 광 수신부(100), 신호 발생부(200) 및 단일 광자 검출부(300)를 포함한다.
도1을 참조하면, 신호 발생부(200)에서 발생시킨 신호는 광 수신부(100)로 전달된다. 광 수신부(100)는 상기 전달된 신호와 외부로부터 입사되는 입사광(P)을 수신하게 된다. 여기서, 광 수신부(100)는 광을 수신할 수 있는 수광부를 포함할 수 있다.
그리고 광 수신부(100)는 입사된 입사광의 크기를 기반으로 전달된 신호의 크기를 변화시켜서 출력할 수 있다. 출력된 신호는 단일 광자 검출부(300)로 전달된다. 단일 광자 검출부(300)는 전달받은 신호의 크기, 신호 발생부(200)에서 최초 발생된 신호의 크기, 및 광 수신부(100)를 구성하는 물질의 특성(예컨대, 에너지 밴드갭) 중 적어도 하나를 이용하여 입사된 광의 유무를 검출하고 이에 더하여 광자의 양을 산출할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 "신호"는 전류, 전압, 전력, 에너지값 중 적어도 하나를 표현할 수 있고, 입사광은 단일 광자 검출장치(1000)에 포함되는 광 조사부(미도시)로부터 전달되는 인공적인 광이거나 태양광과 같이 외부에서 입사되는 광일 수 있다. 상기 광은 다양한 파장대의 광일 수 있으며 그 범위가 제한되는 것은 아니다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신부(100)의 구성을 나타내는 구성도이다. 도2에 도시된 구조물은 나노 스케일을 가질 수 있으며, 경우에 따라서는 더 작은 규모로 형성될 수도 있다.
일 실시예에서 광 수신부(100)는 신호 전달부(110) 및 광 결정 격자 구조부(120)를 포함할 수 있다.
도2를 참조하여 설명하면, 신호 전달부(110)는 서로 이격되어 배치된 제1전극(11) 및 제2전극(12)을 포함한다. 또한 신호 전달부(110)는 제1전극(11) 및 제2전극(12) 사이에 배치된 하나 이상의 나노 구조체(21, 22)를 포함한다. 도2에서는 두 개의 나노 구조체(21,21)가 도시되었으나, 다른 실시예에서는 하나의 나노 구조체만이 배치될 수 있으며, 또 다른 실시예에서는 세 개 이상의 나노 구조체가 배치될 수 있다. 하나 이상의 나노 구조체(21,22)는 제1전극과 제2전극 사이에 직렬로 배치될 수 있다. 또한 지름은 10 내지 70nm일 수 있으며 바람직하게는 약 60nm일 수 있다.
도2에 나타난 바와 같이 제1전극, 제2전극 및 나노 구조체들은 접촉되지 않고 소정 거리만큼 이격된다. 또한 이 이격된 공간은 진공상태이다.
일 실시 예에서, 하나 이상의 나노 구조체는 SOI(silicon on insulator) 기판(1) 및 이 기판상에 형성된 금속 박막층(2)을 포함할 수 있다. 상기 금속 박막은 임의의 도전성 물질이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 금(Au)일 수 있다.
또한 일 실시 예에서 제1전극 및 제2전극도 이와 같이 SOI기판 및 금속 박막층 구조를 가질 수 있고 다른 실시 예에서는 도체로만 구성될 수도 있다.
도2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 광결정 격자 구조부(120)는 입사광(광자)을 수신하고, 수신된 광자를 상기 제1전극으로 유도하기 위한 광 도파로(121)를 포함한다. 여기서 상기 광 도파로는 복수의 유전체 구조물(31, 32, 33, 34)에 의해 형성될 수 있다. 이러한 유전체 구조물은 실리콘 일 수 있다.
예컨대, 광 도파로(121)는 나노 구조체(21)와 근접한 위치의 제1전극(11) 부분으로 상기 수신된 광자를 유도할 수 있다. 도2를 참조하면 입사광에 있어서, 광 도파로(121)부분을 따라서만 광자가 제1전극(11)에 도달하고 다른 입사광들은 차단되어 신호 전달부(110) 측으로 전달되지 않는다.
일 실시 예에서, 광 결정 격자 구조부(120)는 격자 형태로 배치된 복수의 유전체 구조물(31,32,33,34,35...)로 구성될 수 있다. 이러한 격자 형태의 유전체 구조물은 이를 통과하여 이동하는 전자기파(EM; electromagnetic wave)의 이동경로 및 통과 가능한 파장 대역에 영향을 준다. 이러한 특성에 기반하여, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 광결정 격자 구조부(120)는 복수의 유전체 구조물의 유전율의 차이 및 유전체 구조물의 배치구조를 이용하여 특수의 파장대역의 광자를 제1전극에 유도하는 광 도파로를 형성할 수 있다.
구체적으로 주기적으로 높은 유전상수와 낮은 유전상수의 유전체로 구성되어 있는 특정한 형태의 유전체 구조물의 경우, 일정한 파장 대역의 전자기파를 차단할 수 있다. 유전체 구조물의 형태는 매우 다양하며 1-D 구조로는 Bragg grating, 2-D 구조로는 Holey fiber와 photonic crystal fiber가 있으며, 3-D 구조로는 Yablonovite, The Woodpile structure, Inverse Colloidal Crystals, two-dimensional crystals 층 구조가 있다. 도2를 참조로 설명된 본 발명의 일 실시 예에서는 주기적으로 나열되어 있는 봉 구조의 The Woodpile structure가 이용되었으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 광 결정 격자 구조부(120)에서 차단되는 전자기파(입사광)는, 복수의 유전체 구조물 중 일부는 제1유전율을 갖고 다른 일부는 제2유전율을 갖도록 구성되어, 그 유전율(ε1, ε2)과 구조체 기둥 반지름(d/2), 구조체 기둥의 주기(a)로 결정된다. 차단된 전자기파의 파장 대역을 포토닉 밴드갭 (photonic band gap) 이라 하며 이러한 밴드갭과 유전체 구조물의 주기를 인위적으로 끊는 선 결함(defect)(도2에서 식별번호(121)부분)를 적절히 사용하면 전자기파는 이 결함 부분을 따라 이동하게 된다. 즉 상기 선 결함 부분은 손실이 매우 적은 광 도파로로 작동하게 된다.
구체적으로, 이 때 제1전극(11)에 입사되는 광에너지는 제1전극의 표면에 있는 국부적인 전자들과 상호작용을 해야 하는데, 이를 위해서 빛이 진행되는 경로에 대한 정밀한 제어가 요구된다. 이러한 정밀한 광 도파로 설계를 위해서 상기 광 결정 격자 구조부(120)는 특정 파장에서 포토닉 밴드갭을 형성하는 광결정을 설계한 뒤, 빛을 입사시키고자 하는 영역에 선결함(line defect)을 형성시켜 빛을 가이딩 하게 된다. 광 결정 격자 구조가 가지는 광밴드갭은 광 결정 격자 구조를 구성하는 유전체 구조물의 지름과 간격에 의해서 결정된다.
광 결정 격자 구조부(120)에서 광 밴드갭을 계산하기 위한 맥스웰 방정식은 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112014004555301-pat00001
H(r)은 광자의 전자기장, ω 는 주파수, c 는 빛의 속도, ∈(r)는 절연 함수를 나타낸다. 절연 함수가 완벽한 PhC의 물질처럼 일정한 주기성을 갖고 있으면 함수의 해는 파장 벡터 k와 밴드 인덱스 n 값으로 나타내어질 수 있다. 모든 파장 벡터가 허용되는 구간은 Brillouine zone이라 불리며 본 함수의 해는 밴드 구조로 나타내어 질 수 있다. 따라서 광결정을 형성하는 막대기들의 특정한 반지름(d/2), 주기 구조(a)와 구조물의 유전상수를 통해 특정한 밴드 구조가 형성 될 수 있다.
상술한 바와 같이 광결정 격자 구조부(120)는 광을 신호 전달부(110)에 제공하고, 신호 전달부(110)는 입사된 광을 기반하여 신호 발생부(200)로부터 제공받은 신호의 크기를 변화시켜 출력하게 된다. 이하에서는 신호 전달부(110)에 입사되는 광 및 신호 전달부(110)의 각 구성들의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도3a-도3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 전달부의 전자 이동 매커니즘을 설명하기 위한 도이다. 도3a-3c를 참조하면, 나노 구조체(21, 21)는 두 전극(11,12) 사이에 직류 또는 교류 전압이 가해지면, 역학적 진자운동 할 수 있다. 이러한 진자운동에 의해 제1전극(11)의 전자(e-)가 나노 구조체(21)로 전달되고(도3a), 나노 구조체(21)의 진자운동에의해 나노 구조체(22)로 전자가 전달되고(도3b), 최종적으로 제2전극(12)이 전자를 전달받는다. 이와 같은 전자 셔틀 메커니즘에 의해 광 수신부(100)는 입력 받은 신호를 출력할 수 있다. 도3a-도3c에서는 두 개의 나노 구조체가 직렬로 배치된 경우가 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 한 개 또는 세개 이상의 나노 구체작 위와 같이 진자운동하여 전자를 제1전극에서 제2전극으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 나노 구조체의 상기 진자운동은 전극 사이의 전위가 나노 구조체의 위치에 약하게 의존한다는 가정하에, 고전 역학에 의해서 수학식 2와 같이 기술된다.
[수학식 2]
Figure 112014004555301-pat00002
위의 식에서 x는 나노 구조체의 이동변위이고, γ는 감쇄상수, ω0은 나노 구조체가 고유진동수로 진동할 때의 각속도, q는 나노 구조체 위의 박막에 있는 전하량, m은 나노 구조체의 질량, L은 전극간 거리를 나타낸다. 각각의 나노 구조체의 정전 용량은
Figure 112014004555301-pat00003
이고, 직렬로 배치된 두 개의 전자셔틀로 이루어진 신호 전달부의 정전용량은
Figure 112014004555301-pat00004
에 의해 더 작은 값을 갖게 된다. 이렇게 더 작아진 정전용량은 충전에너지(Charging energy)
Figure 112014004555301-pat00005
를 더 커지게 한다. 나노 구조체에 문턱전압보다 큰 전압을 적용하면, 전자셔틀의 진동이 시작되고, 진폭이 최대가 되었을 때, 제1전극과 나노 구조체(21) 사이에 전자 터널링 현상이 일어날 확률이 커지게 된다.
이 때, 나노 구조체 내에 이미 존재하는 전자들과 소스에서 이동하게 될 전자가 상호작용에 의해 불연속적인 전자의 이동 현상이 가능하게 된다. 즉, Coulomb blockade 현상에 의해 단일전자의 이동이 제한 받게 된다. 나노 구조체 위에 증착된 금속박막에 존재하는 전하량 (q(t)=-en(t), n은 전자의 개수, e는 전자의 전하량, 1.6*10-19C)은 시간에 따라 변하는데, 그 변화율은 아래의 수학식 3에 의해 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112014004555301-pat00006
위의 식에서
Figure 112014004555301-pat00007
이고,
Figure 112014004555301-pat00008
는 Heaviside 함수이다. 또한 FL, FR, TL, TR은 from/to와 left/right을 의미한다. 일 실시예에 따른 단일 광자 검출장치는 입사되는 광자의 에너지가 Coulomb blockade에 의해서 터널링이 제한받는 단일전자에 충전 에너지(Charging energy)를 전달함으로써 단일전자의 터널링 현상을 도와 전류의 흐름으로 나타나게 된다.
하지만 하나 이상의 나노 구조체의 정전용량이 충분히 작아서 충전 에너지가 상온의 열에너지 보다 크게 되면, 전자간 상호작용에 의해 전자이동차단(Coulomb blockade) 현상이 나타나게 된다. 구체적으로, 전자간 척력 때문에, 전자 이동을 위해서는 이를 극복하기 위한 충전 에너지가 제1전극에 요구된다. 이러한 충전 에너지는 전극 사이의 전압 차이에 의해서 전달되거나, 게이트 전압에 의해 나노 구조체의 전위를 전극들의 페르미 레벨과 맞춤으로써 극복 될 수 있다.
예컨대 도2를 참조하면 제1전극(11)이 소스전극, 제2전극(12)이 드레인 전극, 제3전극(13)을 게이트 전극인 경우 상기 신호 전달부(110)는 이와 같은 트렌지스터로 동작할 수 있다.
또는 본 발명의 일 실시예에서와 같이 외부에서 입사된 광자의 에너지에 의해(특정 에너지를 갖는 빛 에너지를 흡수함으로써) 상기 척력을 극복하고 전자 전달을 위한 충전 에너지가 충족될 수 있다. 이와 같은 진자운동이 가능한 나노 구조체 기반의 전자 전달은 전자셔틀 주변 환경이 진공이기 때문에 유전상수가 작아서 상온에서 단일전자 제어가 가능하다.
구체적으로, 충전 에너지가 극복되지 못한 상태의 전압이 적용된 제1전극(11)의 상태에서 제1전극(11)에 부족한 충전에너지와 같은 크기의 에너지를 갖는 빛이 입사했을 때, 이를 흡수한 한 개의 전자는 근접한 나노 구조체(21)로 터널링 효과에 의해 이동하게 된다. 이러한 효과에 기반하여 도3에 도시된 바와 같이 전자가 이동하게 된다.
도4는 제1전극과 제2전극 사이의 에너지 다이어그램이다. 상온에서 제1전극에 존재하는 전자(e-)가 나노 구조체로 이동하기 위해서는 전가가 E1 이상의 에너지 상태에 있어야 한다. 또한, 상온 상태에서(상온에서 존재하는 열에너지(~26 meV)이다) 나노 구조체로의 전자의 이동이 일어나지 않도록 나노 구조체 위에 증착되는 금속 박막의 직경과 전극과의 간격이 결정될 수 있다. 이러한 조건에서 제1전극에 광 에너지를 전달함으로써 제1전극의 에너지 준위를 높이면 전자가 나노구조체로 이동 가능하게 된다. 여기서 상기 금속 박막(나노 구조체)의 직경 및 나노 구조체와 전극 사이의 거리는 적절히 조절될 수 있다. 일 예에서 이 금속 박막의 직경 및 나노 구조체와 전극사이의 거리는 (70)nm 이내 및 (20)nm 이내 가 각각 될 수 있다.
일 실시예에서 단일 광자 검출부(300)는 측정되는 전류의 크기는 입사한 광자의 개수에 비례하기 때문에 이러한 전자의 이동이 전류의 크기 변화로 나타나게 되는 점을 이용하여, 측정되는 전류의 크기로 입사된 광자의 개수(또는 입사되는 광의 상대적인 세기)를 산출할 수 있다.
하지만, 이 때 제1전극(11)에 입사되는 광에너지는 제1전극의 표면에 있는 국부적인 전자들과 상호작용을 해야 하는데, 이를 위해서 빛이 진행되는 경로에 대한 정밀한 제어가 요구된다. 이러한 정밀한 광 도파로 설계를 위해서 상기 광 결정 격자 구조부(120)는 특정 파장에서 포토닉 밴드갭을 형성하는 광결정을 설계한 뒤, 빛을 입사시키고자 하는 영역에 선결함(line defect)을 형성시켜 빛을 가이딩 하게 된다. 광 결정 격자 구조가 가지는 광밴드갭은 광 결정 격자 구조를 구성하는 유전체 구조물의 지름과 간격에 의해서 결정된다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 결과를 설명하기 위한 I-V 그래프이다. 도5에 있어서, 실선은 광 에너지가 제1전극에 전달되지 않은 경우(case 1)이고, 제1전극이 점선은 광 에너지를 전달받은 경우(case2)이다. 입력전압 VDC가 -5 내지 +5인 영역에서 case1에서 전류의 변화량은 거의 없다. 즉, 전자를 이동시킬 만큼의 충전 에너지가 제1전극에 존재하지 않아 전류의 변화가 없다. 그러나 case2에서는 광 에너지에 의해 전자의 이동이 발생하여 전류가 변화한다. 단일 광자 검출부(300)는 전류의 변화 형태를 기초로 광자가 수신되었는지 여부 및 추가적인 전류의 양(도5에서는 약 0.75)을 기초로 광자의 양을 산출할 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법의 순서도이다. 상기 단일 광자 검출방법은, SOI(Silicon-On-Insulator) 기판을 형성하는 단계(S1) 상기 SOI기판상에 금속 박막을 형성하는 단계(S2), 제1전극, 제2전극, 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 위치된 하나 이상의 나노 구조체 및 상기 제1전극을 일부를 둘러싸도록 위치된 광결정 격자 구조를 형성하도록 상기 금속 박막이 형성된 SOI기판을 패터닝하는 단계(S3), 여기서, 상기 광결정 격자 구조는 입사된 광자가 상기 제1전극으로 유도될 수 있도록 하는 광 도파로를 포함함, 상기 광결정 격자 구조에 광자를 입사시키는 단계(S4), 상기 제1전극에 신호를 입력함으로써 상기 제2전극에서 출력되는 신호의 세기를 측정하는 단계(S5), 상기 입력된 신호 및 상기 출력되는 신호의 세기를 분석하여 상기 입사된 광자의 양을 검출하는 단계(S6)를 포함한다.
다른 일 실시 예에서는 상기 단계(S1- S3)만을 포함하여 검출장치를 제조하는 방법이 설명될 수도 있다.
구체적으로, 금속 박막을 형성하는 단계(S2)는, SOI기판에 포토리소그라피 공정을 이용하여 프로빙 패드를 패터닝하고, 금속 박막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 패터닝하는 단계(S3)는, PMMA(PolyMethyMethAcrylate)층을 형성하고, 제1전극, 제2전극, 나노 구조체, 복수의 광결정 격자구조를 패터닝하는 단계 및 금속 박막을 증착하고, 증착된 금속 박막을 마스크로 하여 식각을 수행할 수 있다. 이에 따라서 광결정 격자 구조에 형성된 금속 박막을 제거할 수 있다. 예컨대, 금속 박막이 증착된 상기 소자를 RIE챔버에 넣고 전극과 나노 구조체 주변의 실리콘층을 식각한다. 이 경우 기판으로의 누수전류를 방지하기 위해 절연층(SiO2)까지 식각할 수 있다.
또한 상기 하나 이상의 나노 구조체는 막대형태이고, 하부가 고정된 상태에서 금속박막이 형성된 상부가 탄력적으로 진자운동하여 전자를 제1전극에서 제2전극으로 이동시킬 수 있다.
상기 단일 광자 검출방법은 상술한 단일 광자 검출장치에 대하여 설명한 구성들의 기능을 이용하여 수행될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시 예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 서로 이격되어 배치된 제1전극 및 제2전극, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 배치된 하나 이상의 나노 구조체를 포함하는 신호 전달부-상기 제1전극은 신호 발생부로부터 신호를 입력받음-;
    광자를 수신하고, 수신된 광자를 상기 제1전극으로 유도하기 위한 광 도파로를 포함하는 광결정 격자 구조부-상기 광 도파로는 복수의 유전체 구조물에 의해 형성됨-; 및
    상기 제2전극으로 출력되는 신호를 분석하여 광자를 검출하는 단일 광자 검출부를 포함하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 나노 구조체는,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극과 이격되어 배치되고,
    나노 구조체의 상부가 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이를 진자운동함으로써 상기 제1전극에서 상기 제2전극으로 전자를 이동시키는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 나노 구조체는,
    두 개 이상의 나노 구조체로 구성되고,
    상기 두 개 이상의 나노 구조체는 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 직렬로 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 나노 구조체는 제1나노 구조체 및 제2나노 구조체를 포함하고,
    상기 제1나노 구조체의 상부는 상기 제1전극과 상기 제2나노 구조체 사이를 진자운동함으로써 상기 제1전극에서 상기 제2나노 구조체로 전자를 이동시키고,
    상기 제2나노 구조체의 상부는 상기 제1나노 구조체와 상기 제2전극 또는 다른 나노 구조체 사이를 진자운동함으로써, 상기 제1나노 구조체로부터 이동된 전자를 상기 제2전극 또는 상기 다른 나노 구조체로 이동시키는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 결정 격자 구조부는,
    격자 형태로 배치된 복수의 유전체 구조물로 구성되며,
    상기 복수의 유전체 구조물은 막대 형상이고,
    상기 광 도파로는, 상기 복수의 유전체 구조물의 지름 및 간격을 조절하여 형성된 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 결정 격자 구조부는,
    일정한 격자 형태로 배치된 복수의 유전체 구조물로 구성되며,
    상기 복수의 유전체 구조물은 제1유전율을 가지는 하나 이상의 제1유전체 구조물 및 하나 이상의 제2유전율을 가지는 제2유전체 구조물을 포함하고,
    소정의 위치에 배치된 상기 제1유전체 구조물 및 상기 제2유전체 구조물에 의해 입사되는 광의 파장대역이 결정되는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 나노 구조체는,
    SOI(Silicon On Insulator) 기판 및 상기 SOI기판 상에 형성된 금속 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 나노 구조체는,
    10 내지 70 nm의 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단일 광자 검출부는,
    상기 신호 발생부가 제공한 신호의 세기 및 상기 제2전극으로 출력되는 신호의 세기를 분석하여 수신된 광자의 유무 및 수신된 광자의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출장치.
  10. SOI(Silicon-On-Insulator) 기판을 형성하는 단계;
    상기 SOI기판상에 금속 박막을 형성하는 단계; 및
    제1전극, 제2전극, 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 위치된 하나 이상의 나노 구조체 및 상기 제1전극을 일부를 둘러싸도록 위치된 광결정 격자 구조를 형성하도록 상기 금속 박막이 형성된 SOI기판을 패터닝하는 단계-상기 광결정 격자 구조는 입사된 광자가 상기 제1전극으로 유도될 수 있도록 하는 광 도파로를 포함함-;를 포함하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광결정 격자 구조에 광자를 입사시키는 단계;
    상기 제1전극에 신호를 입력함으로써 상기 제2전극에서 출력되는 신호의 세기를 측정하는 단계; 및
    상기 입력된 신호 및 상기 출력되는 신호의 세기를 분석하여 상기 입사된 광자의 양을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 패터닝하는 단계는,
    상기 광결정 격자 구조에 형성된 금속 박막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 나노 구조체는 막대형태이고, 하부가 고정된 상태에서 상부가 탄력적으로 진자운동하여 상기 제1전극의 신호를 상기 제2전극으로 전달하는 것을 특징으로 하는 상온에서 이용 가능한 단일 광자 검출방법.
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