KR101921825B1 - 질화물 기반 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용한 광통신파장에서 상온 동작 가능한 결정적 양자광원과 그 제작 방법 및 동작 방법 - Google Patents

질화물 기반 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용한 광통신파장에서 상온 동작 가능한 결정적 양자광원과 그 제작 방법 및 동작 방법 Download PDF

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Abstract

질화물 기반 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용한 광통신파장에서 상온 동작 가능한 결정적 양자광원과 그 제작 방법 및 동작 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계; 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계; 상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계; 및 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계를 포함하고, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며 상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.

Description

질화물 기반 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용한 광통신파장에서 상온 동작 가능한 결정적 양자광원과 그 제작 방법 및 동작 방법{ROOM TEMPERATURE DETERMINISTIC QUANTUM EMITTER OPERATING AT OPTICAL COMMUNICATION WAVELENGTH USING III-NITRIDE QUANTUM DOT INTERSUBBAND TRANSITION AND MANUFACTURING AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 질화물 기반 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용한 광통신파장에서 상온 동작 가능한 결정적 양자광원과 그 제작 방법 및 동작 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 질화물반도체 기반 양자점의 하위밴드 전이를 이용한 1.55 μm 주변의 통신파장대역을 가지면서, 상온(300 K) 및 그 이상의 온도에서 동작 가능한 결정적(deterministic) 양자광원과 그 제작 및 동작 기술에 관한 것이다.
정보통신 기술이 고도화됨에 따라 보안에 대한 중요도가 증가하고 있으며, 양자광원의 특성인 양자의 복제 불가능 원리(No cloning theorem)와 분리 불가능성(indivisible)에 의하여 해킹이 불가능한 양자정보통신 개발의 필요성이 증대되고 있다.
기존의 전류신호를 이용한 정보처리 및 계산은 공정기술의 발달로 인해 높은 집적도 및 계산속도를 구현하였으나, 정보 처리량이 늘어남에 따라 전자 소자의 발열 문제와 나노미터 수준에서의 양자역학적 효과에 의해 한계를 보이고 있다. 따라서 정보 처리과정에서 발열 문제를 해결하기 위해 빛을 이용한 정보 처리방식에 대한 개발이 진행되고 있으며, 고전적 물리현상을 기반으로 한 정보통신분야의 한계를 극복하기 위한 하나의 방법으로써 광통신에서 양자물리현상을 구현할 수 있는 양자광원의 수요가 증가하고 있다.
현재 여러 양자광원 중 일 예로, 자발 매개 하향 변환(Spontaneous Parametric Down Conversion, SPDC) 방식이 사용되고 있으며, 주로 양자 광학 연구 또는 양자 정보 실험에 널리 사용되고 있다. 이 방식은 빛이 비선형 수정(crystal)을 통과하면서 양자적으로 얽힘 관계를 지닌 두 개 이상의 단일광자들을 동시에 생성하여, 양자 얽힘(Quantum entanglement) 현상을 기반으로 한 양자논리 연산에 사용될 수 있다. 하지만 비선형 과정을 기반으로 확률적(probabilistic)으로 광자를 생성하기 때문에 시간 기반 연산시스템(Clock-based system)에 사용하기 위해서는 단일광자가 발생되었음을 확인하는 과정(Heralded single photon)이 추가적으로 필요하다. 따라서 시스템이 복잡하고, 이를 확인하는데 광자를 소비하기 때문에 상대적으로 연산 횟수가 작아진다. 또한 단일광자의 양자적 상태(single photon state)에 대한 순도(purity)와 밝기(brightness) 사이에 트레이드 오프(trade off)가 있기 때문에, 연산의 정확성을 위해서는 연산 횟수를 작게 해야 하는 원리적 한계를 가지고 있다. 따라서 이 양자광원은 상온 동작 가능하면서 1.55 μm의 파장을 갖지만 광자의 확률적 생산이라는 원리 때문에 연산속도에 있어 한계를 갖는다.
현재 여러 양자광원 중 일 예로, 시간 상에서 펄스형태를 지닌 레이저의 세기를 매우 작게 하여, 원래 레이저의 광자상태가 단일 광자상태에 근사 가능한 물리적 상태를 갖게 하여 양자정보통신 관련 연구가 진행되고 있다. 하지만 이러한 양자광원 또한 펄스 하나당 낮은 확률로 광자 하나가 존재하기 때문에 상기한 SPDC의 경우와 같은 문제를 갖는다. 따라서 확률적으로 광자가 형성되는 문제를 해결할 수 있는 후보로써 박막증착 방식을 이용한 반도체 양자점이 개발되고 있다.
반도체 양자점은 삼차원 양자구속효과를 받는 반도체 시스템을 의미하며, 삼차원 양자구속효과에 의하여 에너지준위가 불연속한 특징을 갖고 있어 양자광원으로써 사용될 수 있다.
박막증착 방식을 이용한 반도체 양자점은 이상적인 경우 에너지 여기에 대하여 광자의 자발방출과정이 결정적(deterministic)이기 때문에 시간 기반 양자시스템에 사용 가능하다. 또한, 반도체이기 때문에 원리적으로 도핑(doping)이 가능하여 전극형성을 통해 전류구동이 가능하다는 장점이 있다. 이를 이용하여 양자광원을 소자화 할 수 있고, 상용화까지 나아갈 수 있다. 또한, 반도체 양자점의 크기는 일반적으로 대략 20 nm 이하로, 박막증착 방식을 이용하여 균질하게 제작하면 웨이퍼 스케일에서 양자광원을 대량생산 가능하다.
현재 통신파장영역에서 발광하는 반도체 양자점을 제작하기 위해서 박막증착 방식 중 하나인 MBE(Molecular Beam Epitaxy)를 주로 사용하여, III-As 반도체 화합물을 이용하여 결정구조의 당기는 힘의 풀림(strain relaxation) 메커니즘을 이용하고 있다. 한편, 2016년 3월에 상기된 형태의 반도체 양자점을 이용하여 기존에 양자광원으로 사용되고 있는 자발 매개 하향 변환(Spontaneous Parametric Down Conversion, SPDC) 방식의 수행능력을 뛰어넘었음이 보고된 바 있다. 또한, 상기된 형태의 반도체 양자점을 이용하여 120 km까지 양자암호의 일종인 양자키 분포(quantum key distribution)를 구현한 바 있다. 하지만 반도체 양자점이 양자광원으로써 동작하기 위해서는 액체헬륨 냉각온도인 4 K의 극저온을 필요로 하기 때문에 양자광원의 대량화에 한계가 있다. 또한 발광 가능한 에너지 레벨 간 전이로써 띠간 전이를 이용하는 III-As 물질 특성상 원자가 띠 오프셋이 높지 않아 온도가 상온에 가까워짐에 따라 정공의 양자구속효과를 구현할 수 없는 바, 상온 동작의 문제가 개선될 여지가 없다.
현재 광통신파장대역에서 광손실이 가장 작은 1.55 μm를 갖는 양자광원 중 상온 동작 이슈를 해결한 사례는 보고되지 않았다. 앞으로의 양자광통신이 발달하기 위해서는 다수의 광채널(즉, 양자광원)을 사용해서 기존에 잘 갖추어진 광통신 네트워크를 이용할 것으로 예상되는 바, 광통신 파장대역에서 상온 동작 가능한 양자광원을 다량으로 제작 가능한 기술의 필요성이 증대되고 있다.
한국등록특허 10-1012265호는 이러한 상온 동작 단전자 소자의 제작방법에 관한 것으로, 다수개의 실리사이드 금속점을 직렬로 형성하고 금속점을 다중 양자점으로 이용하여 상온에서 동작하는 단전자 소자 및 그 제작방법에 관한 기술을 기재하고 있다. 그러나, 단전자 포획 전후를 0과 1의 전기신호로 사용하는 전기소자에 관한 기술로, 질화물 기반 반도체 양자점을 광학신호 발생기로 사용하는 기술과 차이가 있다.
본 발명은 박막증착 방식을 이용한 반도체 양자점의 양자광원으로써 문제점을 해결하기 위한 것으로, 질화물 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 발광과정으로써 사용 가능하게 하여 상온 및 그 이상의 온도에서 작동 가능하면서 동시에 통신파장 영역을 만족할 수 있는 양자광원의 원리를 제시한다.
본 발명은 상기 상온 동작 가능한 통신파장 영역의 양자광원의 제작 방법을 제시한다.
본 발명은 양자점의 발광에서 비발광 전이확률을 작게 하기 위하여 높은 결정품질의 삼차원 구조체를 구성하고, 삼차원 구조체의 기하학적 형태를 이용하여 상온에서 양자점의 하위밴드 에너지 레벨이 불연속적으로 정의되는 통신파장대역의 상온 동작 가능한 양자광원 및 그 제작과 동작 방법을 제공한다.
본 발명은 전압 인가를 상기한 질화물 기반 반도체 양자점의 하위밴드의 기저준위에 단일 전자 또는 두 개의 전자를 양자 터널링(quantum tunneling)을 통해 주입할 수 있는 구조를 제공한다. 이로써 질화물 반도체 양자점의 하위밴드 전이에서 일어날 수 있는 비발광 과정을 제거하여 통신파장대역의 상온 동작 가능한 양자광원 및 그 제작과 동작 방법을 제공한다.
본 발명은 삼차원 구조체를 광학적 구조로써 이용하여 광 추출 효율을 증가시키고, 발광 방향성을 제어함으로써 효율적으로 광섬유 기반 광통신 인프라와 결합 가능한 통신파장대역의 상온 동작 가능한 양자광원 및 그 제작과 동작 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은, 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계; 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계; 상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계; 및 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계를 포함하고, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획될 수 있다.
여기에서, 상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.
상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며, 전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 할 수 있다.
상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는, 상기 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층을 형성하는 단계; 상기 n 타입으로 도핑된 층의 상부에 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 상기 삼차원 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 삼차원 구조체는, 육각 피라미드, 삼각 피라미드, 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 및 육각 피라미드의 반전된 형태(inverted pyramid) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 육각 피라미드의 반전된 형태의 삼차원 구조체는, 상향식(bottom-up) 방식에서 고리모양의 패턴 또는 원형의 패턴이 삼각형을 조합된 형태에 의한 선택적 영역 성장으로부터 콘케이브 모드 성장(concave mode growth)에 의해 반전된 피라미드 형태이거나, 하향식(top-down) 방식에서 원형의 패턴을 습식 식각에 의한 반전된 피라미드 형태일 수 있다.
상기 기판은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 탄화 규소(SiC) 및 산화갈륨리튬(LiGaO3) 중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 상기 기판에 증착되는 상기 n 타입으로 도핑된 층은 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 - xN) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는, 상기 n 타입으로 도핑된 영역이 상기 기판 또는 상기 기판에 층착되는 n 타입으로 도핑된 층인 경우, 상기 삼차원 구조체를 형성하는 코어는 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 - xN) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 삼차원 구조체를 형성하는 코어가 n 타입으로 도핑된 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN)로 이루어지는 경우, 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN)에서 알루미늄의 함량에 따라 n 타입 도핑 수준이 결정되며, n 타입 도핑 후 도펀트(dopant)를 활성화(activation)시켜 과잉 전자(Excess carrier)를 생성할 수 있다.
상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계는, 상기 삼차원 구조체에 의해 상기 금속박막이 끊어지지 않게 하기 위하여 폴리머층을 스핀코팅으로 쌓아 단차를 줄일 수 있다.
다른 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은, 기판에 선택적 영역 성장방식을 이용하여 삼차원 구조체를 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체를 n 타입으로 도핑하거나, 상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계; n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계; 및 상기 n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막으로 이루어진 n 타입으로 도핑된 영역에 전극을 연결하는 단계를 포함하고, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며 상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.
여기에서, 상기 n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계는, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며, 전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 양자광원의 동작 방법은, 기판 측에 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 기판의 상부에 형성된 구조체 측에 증착된 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계; 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 구조체의 상부에 형성된 양자점에 전자를 포획하는 단계; 및 상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기에서, 상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계; 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계; 상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계; 및 상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며, 전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 할 수 있다.
상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는, 상기 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층을 형성하는 단계; 상기 n 타입으로 도핑된 층의 상부에 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 상기 삼차원 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계는, n 타입 도핑 후 도펀트(dopant)를 활성화(activation)시켜 과잉 전자(Excess carrier)를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 과잉 전자를 생성하는 방식은 열적 활성화(thermal activation) 방식이고, 상기 삼차원 구조체의 상부에 형성된 상기 n 타입으로 도핑된 박막은, 상기 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하는 경우, 전자를 제공하는 저장소(Reservoir) 역할을 할 수 있다.
상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는, 상기 헤테로 구조(heterostructure)에서 상기 AlN 또는 AlGaN가 양자 배리어의 역할을 하고, 상기 GaN가 활성영역으로 상기 삼차원 구조체의 기하학적 형태에 따라 삼차원 양자구속효과를 받도록 하며, 상기 양자 배리어의 물질은 하위밴드를 2 개 이상 형성할 수 있다.
상기 양자 배리어는, 두께가 수 nm에서 수십 nm이며, 상기 양자 배리어의 두께의 최적 조건은 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하기 이전에 양자 터널링에 의해 상기 양자점에 포획되지 않을 두께로 이루어지되, 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하는 경우 특정 전압에서 양자 터널링이 가능한 두께일 수 있다.
상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는, 질화물 반도체 성장 시 상기 삼차원 구조체의 결정방향에 따른 성장속도의 차이를 이용하여 상기 양자점을 성장하도록 할 수 있다.
상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계는, 상기 양자점으로부터 방출된 빛의 먼 장(far field) 패턴을 제어하며, 상기 삼차원 구조체의 외부로의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획하는 단계는, 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용하기 위해 하위밴드의 기저준위에 전자가 존재해야 하므로 전압 인가를 통해 상기 양자점의 외부에 존재하는 과잉전자를 상기 하위밴드 기저준위에 양자 터널링(quantum tunneling)을 이용하여 상기 양자점에 전자를 포획할 수 있다.
상기 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획하는 단계는, 상기 인가 전압에 따라 상기 양자점의 전도 띠 내 하위밴드의 기저준위에 단일 전자 또는 2개의 전자를 포획할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 양자광원은, 기판; 상기 기판에 형성되는 삼차원 구조체; 및 상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시킨 후, 상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 증착되는 금속박막을 포함하고, 상기 삼차원 구조체는, 내부에 n 타입으로 도핑된 박막; 및 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부의 활성영역에 형성되는 양자점을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기에서, 상기 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층; 및 상기 n 타입으로 도핑된 층의 상부에 형성되는 마스크를 더 포함하고, 상기 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 상기 삼차원 구조체가 형성되며, n 타입으로 도핑된 층과 상기 금속박막에 각각 전극을 연결하고, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하며, 상기 양자점을 광 여기시킬 수 있다.
상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점의 형성 시, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며, 전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따르면 질화물 기반 헤테로 구조(heterostructure)의 높은 전도대 오프셋을 이용하여 전도대 띠 내에서 하위밴드 전이를 이용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면 기존의 힘의 풀림(strain relaxation) 메커니즘을 이용하여 임의의 크기 및 형태 분포를 갖고 무작위로 생성되는 반도체 양자점과 달리, 피라미드와 같은 삼차원 구조체의 꼭지점의 기하학적 형태와 같게 제작 가능하다. 이는 단일 반도체 양자점의 에너지 구조에 대한 엔지니어링을 가능하게 하여 하위밴드 전이의 발광파장을 통신파장인 1.55 μm로 튜닝 가능하며 사용목적에 따라 파장 변경이 용이하다.
본 발명에 따르면 구조체 변형을 통한 힘의 프로파일(strain profile) 변형이 가능하므로, 질화물 기반의 강한 압전 효과에 의한 전기장의 변형이 가능하므로, 전자가 띠에 존재하는 전자 파동함수의 조절(modulation)로부터 파동함수 사이의 높은 공간적 겹침(overlap)을 구현함으로써 높은 전이확률(transition probability)을 얻을 수 있다. 이로부터 작동 속도의 조절이 가능하며 사용 목적에 따라 변경이 용이하다.
본 발명에 따르면 선택적 영역 성장을 기반으로 하여 단일 삼차원 구조체에 단일 양자점을 형성하기 때문에, 선택적 영역의 디자인을 통하여 단일 웨이퍼에 대면적으로 다수의 양자광원을 균일하게 한 번에 제작할 수 있다.
본 발명에 따르면 선택적 영역 성장을 기반으로 하여 단일 삼차원 구조체에 단일 양자점을 형성하기 때문에, 양자점의 위치가 삼차원 구조체에 의해 정해지므로 단일 양자점에 대하여 광 도파로와 같은 추후 공정에 용이하다.
본 발명에 따르면 선택적 영역 성장을 기반으로 하여 단일 삼차원 구조체에 단일 양자점을 형성하기 때문에, 성장 방식의 특성상 관통 전위(threading dislocation)을 일부 차단하고 결함의 진행방향을 변화시켜, 삼차원 구조체의 꼭지점에 고품질의 결정구조를 가져 고품질 반도체 양자점을 제작할 수 있다.
본 발명에 따르면 하위밴드 전이를 발광원으로 이용하기 때문에, 삼차원 구조체에 쌓인 2차원 박막형태의 헤테로 구조(heterostructure)의 띠간 전이와 발광 파장이 다르게 되어, 삼차원 구조체에 박막을 형성을 기반으로 반도체 양자점을 형성하는 방식임에도 불구하고 높은 순도의 양자광을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 삼차원 구조체의 광학적인 효과를 받기 때문에, 일반적인 2차원 필름형태에 비하여 광 추출 효율이 높이며, 광 방출 방향성을 조절 가능하여 칩 내에서 광도파로와의 커플링 또는 칩 외부의 광섬유와의 커플링에서 손실을 크게 줄일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 삼차원 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 삼차원 구조체의 끝의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 선택적 영역 성장에 사용되는 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 삼차원 구조체의 코어 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 양자광원 제작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 양자광원의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 양자점의 발광에서 비발광 전이확률을 작게 하기 위하여 높은 결정품질의 삼차원 구조체를 구성하고, 일반적인 당김힘 완화 과정이 아닌 삼차원 구조체의 기하학적 형태를 이용하여 상온에서 양자점의 하위밴드 에너지 레벨이 불연속적으로 정의되는 통신파장대역의 상온 동작 가능한 양자광원 제작 방법을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고 도 2는 일 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 양자광원(100)은 기판(111), 삼차원 구조체(120) 및 금속박막(114)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에서 삼차원 구조체(120)는 박막(122) 및 양자점(124)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라 양자광원(100)은 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층(112)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
더 구체적으로, 일 실시예에 따른 양자광원(100)은 기판(111)에 삼차원 구조체(120)가 형성되며, 삼차원 구조체(120)는 n 타입으로 도핑된 코어(121)의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막(122)이 형성될 수 있다. 그리고, n 타입으로 도핑된 박막(122)의 상부의 활성영역에 양자점(124)이 형성될 수 있다. 삼차원 구조체(120)를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체(120)를 재성장시킨 후(116), 삼차원 구조체(120)의 꼭지점에 증착되는 금속박막(114)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기에서 기판(111)의 상부에 n 타입으로 도핑된 층(112)을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 n 타입으로 도핑된 층(112)의 상부에 삼차원 구조체(120)가 형성될 수 있다.
더 구체적으로, 기판(111)의 상부 또는 n 타입으로 도핑된 층(112)의 상부에는 마스크(113)가 형성될 수 있으며, 삼차원 구조체(120)는 패턴된 영역의 마스크(113) 부분만 제거하여 성장시키는 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용할 수 있다.
삼차원 구조체(120)는 패턴된 영역의 마스크(113) 부분만 제거하여 n 타입으로 도핑된 코어(121)를 중심으로 성장시킬 수 있으며, n 타입으로 도핑된 코어(121)의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막(122)이 형성되고, n 타입으로 도핑된 박막(122)의 상부에 양자점(124)이 형성될 수 있다. 이 때 n 타입으로 도핑된 박막(122)의 상부에 양자점(124)을 형성 시, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 이루어질 수 있다. 여기에서 AlN 또는 AlGaN가 양자 배리어(125) 역할을 하고 GaN(123)이 활성영역으로 삼차원 구조체의 기하학적 형태에 따라 삼차원 양자구속효과 받도록 할 수 있다.
n 타입으로 도핑된 영역과 금속박막(114)에 각각 전극을 연결하고, 연결된 전극에 전압 인가를 통해 양자점(124)에 전자를 포획하며, 양자점(124)을 광 여기시킬 수 있다. 여기에서 n 타입으로 도핑된 영역은 n 타입으로 도핑된 층(112) 측의 전극(115)이 될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 양자광원(100)의 구성 요소는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같으며, 삼차원 구조체(120)의 형상에 차이가 있다. 여기에서 삼차원 구조체(120)는 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 형태를 나타낸다. 이와 같이 삼차원 구조체(120)는 다양한 형상이 가능하며, 이에 대해 아래에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 양자광원을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 양자광원(100)의 구성 요소는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같으며, 삼차원 구조체(120)의 꼭지점에 증착되는 금속박막(114)이 재성장된 삼차원 구조체(120) 전체에 증착되지 않고, 각각의 삼차원 구조체(120)의 꼭지점에 증착될 수 있다. 이와 같이 금속박막(114)은 각각의 삼차원 구조체(120)의 꼭지점에 증착될 수 있으며, 이 때 각각의 금속박막(114)은 n 타입으로 도핑된 영역 측의 전극(115)과 각각 연결되어 전압을 인가할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 양자광원에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
상온 동작 가능한 통신파장 영역의 양자광원은 반도체 물질 중 전도대 오프셋(conductionband offset)이 가장 큰 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN과 같은 헤테로 구조(heterostructure)로 형성하며, 전도 띠(Conduction band)에서의 하위밴드 전이(Intersubband transition)를 양자광원의 발광 전이과정으로써 사용할 수 있다.
양자광원은 삼차원 구조체의 기하학적 구조를 이용하여 상기의 헤테로 구조(heterostructure)를 박막증착 방식으로 제작하며, 박막증착 방식은 유기금속 기상증착법(Metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD), MBE 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 삼차원 구조체는 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 성장하는 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 제작하며, 삼차원 양자구속효과를 갖는 양자점을 가질 기하학적 형태를 제공할 수 있다.
예를 들어, 육각 피라미드의 반전된 형태의 삼차원 구조체는 상향식(bottom-up) 방식에서, 고리모양의 패턴, 원형의 패턴이 삼각형을 조합된 형태에 의한 선택적 영역 성장으로부터 콘케이브 모드 성장(concave mode growth)에 의해 반전된 피라미드 형태를 포함할 수 있다. 또한, 하향식(top-down) 방식에서, 원형의 패턴을 습식 식각에 의한 반전된 피라미드 형태를 포함할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 삼차원 구조체를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 6은 일 실시예에 따른 삼차원 구조체의 끝의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
예를 들어, 삼차원 구조체는 육각 피라미드, 삼각 피라미드, 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥, 육각 피라미드의 반전된 형태(inverted pyramid) 등으로 이루어질 수 있으며, 상기된 모든 형태를 조합한 형태도 포함할 수 있다.
다시 말하면, 삼차원 구조체는 도 5a에 도시된 바와 같이 육각 피라미드 형태일 수 있으며, 도 5b에 도시된 바와 같이 삼각 피라미드 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 도 5c에 도시된 바와 같이 육각 피라미드의 반전된 형태로 이루어지거나 도 5d에 도시된 바와 같이 감각 피라미드의 반전된 형태로 이루어질 수 있다. 또한 삼차원 구조체는 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 형태 또는 상부가 삼각 피라미드인 삼각 기둥 형태 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 그 형상에 제한은 없다.
또한, 도 6a에 도시된 바와 같이 삼차원 구조체는 상기된 구조체에 대하여 끝이 잘린 형태(truncated structure)를 포함하여 이루어질 수 있다. 한편 도 6b에 도시된 바와 같이 삼차원 구조체는 끝이 잘린 형태(truncated structure)가 아닌 하나의 꼭지점을 가지는 형태로 이루어질 수 있다. 이와 같이 동일한 형태의 구조체에서도 캡핑(capping) 형태가 달라질 수 있다.
그리고, 기판의 물질은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 탄화 규소(SiC), 산화갈륨리튬(LiGaO3) 등이 가능하며, 결정 방향에 제한이 없으며, 상기된 기판에 증착될 물질로써 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화 알루미늄(AlN), 그리고 둘의 화합물인 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN)이 가능하다.
여기에서 선택적 영역 성장방식을 위한 마스크의 물질은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4)가 될 수 있으며, 증착 방식은 플라즈마 향상된 화학적 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 저압 화학적 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD), 스퍼터링 증착(sputtering deposition) 등 일 수 있으며, 그 두께는 수 nm에서 200 nm 이내일 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 선택적 영역 성장에 사용되는 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층을 형성하고, n 타입으로 도핑된 층의 상부에 마스크를 형성할 수 있다. 그리고 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 삼차원 구조체를 형성할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 기판에 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 이용하여 삼차원 구조체의 형성 시, 선택적 영역의 형태는 예컨대 원형(a), 고리형(b), 3개 이상의 원형이 조합된 형태(c), 삼각형 이상의 다각형(d)일 수 있으며, 형태의 조합된 형태도 포함할 수 있다.
여기에서, 단일 구조체를 위한 선택적 영역의 크기는 수 십 nm 내지 수 ㎛일 수 있다. 고리형태의 경우 바깥 원의 크기는 수백 nm 내지 20 ㎛, 안쪽 원의 크기는 수십 nm 내지 20 ㎛일 수 있으며, 상기한 크기 범위 내에서 임의로 조합된 형태를 포함할 수 있다.
또한, 단일 양자광원의 동작을 위하여 선택적 영역 사이의 간격은 통신파장인 1.55 ㎛에서 측정용 렌즈의 회절한계 이상이어야 하며, 그 크기는 대략 1 ㎛ 이상일 수 있다.
기판에서 선택적 영역 성장방법을 이용하여 n 타입으로 도핑된 삼차원 구조체를 형성하는 경우, 삼차원 구조체의 물질이 GaN 뿐만 아니라 AlGaN, AlN 일 수 있다.
또한, 삼차원 구조체 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 경우, 박막의 물질은 AlGaN 또는 AlN일 수 있으며, 크기는 수 nm 내지 수백 nm일 수 있으며, 도핑 수준이 1018/cm3부터 1020/cm3 이내일 수 있다.
삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 구조체를 재성장시키는 경우, 물질은 GaN, AlGaN, AlN일 수 있으며, 그 두께는 수십 nm 내지 수 ㎛일 수 있다.
삼차원 구조체의 윗면에 금속박막을 증착하는 경우, 금속박막의 증착 방식으로써 전자빔 증발 증착(electron beam evaporation deposition), 스퍼터링 증착(sputtering deposition), 화학적 기상 증착(Chemical vapor deposition), 열증발 진공증착(Thermal evaporation deposition) 등을 사용할 수 있으며, 금속박막의 두께는 수십 nm일 수 있다.
여기에서, 삼차원 구조체에 의해 금속박막이 끊어지지 않게 하기 위하여 폴리머층을 스핀코팅으로 쌓아 단차를 줄일 수 있으며, 이 때 폴리머의 두께는 삼차원 구조체의 크기에 따라 결정되며 수십 nm에서 수 ㎛일 수 있다. 또한, 폴리머의 종류로써 Hydrogen silsesquioxane, polymethyl methacrylate, SU-8, photoresist(MaN 2407, 추가) 등이 사용될 수 있다.
하위밴드 전이를 위한 준비과정으로, 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용하기 위해서는 하위밴드의 기저준위에 전자가 존재해야 하므로, 전압 인가를 통해 양자점 외부에 존재하는 과잉전자를 GaN 하위밴드 기저준위에 양자 터널링(quantum tunneling) 메커니즘을 이용하여 전자를 포획하는 원리를 포함한다.
또한, 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획하는 경우, 인가하는 전압에 따라 양자점 전도 띠 내 하위밴드의 기저준위에 단일 전자 또는 2개의 전자를 포획할 수 있다. 전압 인가하는 과정에서, 연속적으로 전압 인가하는 과정과 펄스 형태로 전압 인가하는 상황일 수 있다.
하위밴드 전이를 위한 방법으로, 기저준위에 존재하는 전자를 첫 번째 들뜬 에너지준위로 광 여기할 수 있다. 또한 양자점의 기하학적 형태의 변형을 통해 두 번째 들뜬 에너지준위로 광 여기할 수 있다.
그리고 양자점을 광 여기하는 경우, 여기광원이 연속적인 레이저 또는 펄스레이저일 수 있다. 이 때, 펄스레이저의 단일 펄스의 시간폭은 수백 펨토초(femtosecond)에서 수십 피코초(picoseconds)일 수 있으며, 단일 펄스 사이의 시간간격은 하위밴드 전이의 자발방출 생존시간(lifetime)보다 길 수 있다.
여기에서, 여기광 에너지가 전도띠 하위밴드의 기저준위와 첫 번째 들뜬 상태 사이의 에너지 차이와 같거나 첫 번째 들뜬 상태 사이의 에너지 차이에 GaN의 가로 광(longitudinal optical) 포논(phonon) 에너지만큼을 더한 것과 같을 수 있다. 또한, 두 번째 들뜬 상태로 여기할 수 있다.
이 때 단일 양자점만 광 여기하기 위하여 대물렌즈 또는 매크로 렌즈를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 광학적 구조층에 의해 평면구조 대비하여 향상된 여기 효율을 기대할 수 있다.
이러한 일 실시예에 따른 양자광원은 아래에서 설명되는 양자광원 제작 방법에 의해 형성될 수 있다. 이하에서 일 실시예에 따른 양자광원의 구성요소 및 양자광원 제작 방법과 양자광원의 동작 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 8은 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계(S110), 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계(S120), n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계(S130), 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계(S140), 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계(S150) 및 n 타입으로 도핑된 영역과 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계(S160)를 포함하고, 연결된 전극에 전압 인가를 통해 양자점에 전자가 포획될 수 있다. 여기에서, 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 상온 동작 가능한 광통신파장대역인 1.55 μm에서 양자광원 제작 방법을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 기반 양자광원을 제작하는 방법은 질화물 기반 헤테로 구조(heterostructure)의 높은 전도대 오프셋을 이용하여 전도대 띠 내에서 하위밴드 전이를 이용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 한다.
또한, 기존의 힘의 풀림(strain relaxation) 메커니즘을 이용하여 임의의 크기 및 형태 분포를 갖고 무작위로 생성되는 반도체 양자점과 달리, 피라미드와 같은 삼차원 구조체의 꼭지점의 기하학적 형태와 같게 제작 가능하다. 이는 단일 반도체 양자점의 에너지 구조에 대한 엔지니어링을 가능하게 하여 하위밴드 전이의 발광파장을 통신파장인 1.55 μm로 튜닝 가능하며 사용목적에 따라 파장 변경이 용이하다.
아래에서 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법의 각 단계를 예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
단계(S110)에서, 기판에 삼차원 구조체를 형성할 수 있다.
기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층을 형성한 후, n 타입으로 도핑된 층의 상부에 마스크를 형성할 수 있다. 그리고 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거한 후 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 삼차원 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어 삼차원 구조체는 육각 피라미드, 삼각 피라미드, 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 및 육각 피라미드의 반전된 형태(inverted pyramid) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
특히, 육각 피라미드의 반전된 형태의 삼차원 구조체는 상향식(bottom-up) 방식에서 고리모양의 패턴 또는 원형의 패턴이 삼각형을 조합된 형태에 의한 선택적 영역 성장으로부터 콘케이브 모드 성장(concave mode growth)에 의해 반전된 피라미드 형태이거나, 하향식(top-down) 방식에서 원형의 패턴을 습식 식각에 의한 반전된 피라미드 형태일 수 있다.
기판은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 탄화 규소(SiC) 및 산화갈륨리튬(LiGaO3) 중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 기판에 증착되는 n 타입으로 도핑된 층은 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 - xN) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고 n 타입으로 도핑된 영역이 기판 또는 기판에 증착되는 n 타입으로 도핑된 층인 경우, 삼차원 구조체를 형성하는 코어는 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 - xN) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
삼차원 구조체를 형성하는 코어가 n 타입으로 도핑된 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 -xN)로 이루어지는 경우, 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN)에서 알루미늄의 함량에 따라 n 타입 도핑 수준이 결정되며, n 타입 도핑 후 도펀트(dopant)를 활성화(activation)시켜 과잉 전자(Excess carrier)를 생성할 수 있다. 이 때, 과잉 전자를 생성하는 방식은 열적 활성화(thermal activation)일 수 있다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 삼차원 구조체의 코어 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일 예로, 도 9 및 도 10을 참조하면, 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계(S110)는 삼차원 고품위(high quality)의 결정구조를 가지기 위하여, 시드(seed) 성장 단계, 기상상태 성장률(vapor phase growth rate)과 표면이동 성장률(surface migration growth rate) 조절 단계, 그리고 가로 과성장(lateral overgrowth) 단계, 자기 제한 성장(Self-limited growth)를 포함할 수 있다.
아래에서는 각 단계에 대해 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
예를 들어, 시드(seed) 성장 단계는, 메인 삼차원 구조체의 성장온도 대비 같거나 낮을 수 있으며, 성장 시 3족 원소 대비 5족 원소 소스량이 삼차원 구조체 코어와 다를 수 있다. 또한, 선택적 성장 방법에서 효율적인 성장 지역(growth site)를 제공함으로써 질화물 기반 기판에서 발생한 결함구조를 일부 제거할 수 있고, 패턴된 영역 내에서 구조체의 균질함(uniformity)의 향상을 가져올 수 있다. 예를 들어, 기상상태 성장률(vapor phase growth rate)과 표면이동 성장률(surface migration growth rate) 조절단계는, 선택적 영역 성장 방식은 일반적으로 기상상태 성장률(vapor phase growth rate) 대비 표면이동 성장(surface migration growth)의 속도가 매우 빠르기 때문에 표면이동(surface migration)에 의해 오픈된 영역 경계면에서 먼저 결정화가 이루어진다. 이 경우 경계부분의 결정들이 합병으로부터 삼차원 구조체를 형성되어 결정결함을 발생시킬 수 있으므로, 기상상태 성장률(vapor phase growth rate)와 표면이동 성장(surface migration growth)의 속도 비를 선택적 영역 사이즈와 간격의 비율 조절을 통해 제어함으로써 오픈된 영역 전체에서 균질하게 성장시켜 삼차원 구조체의 결함구조를 제거할 수 있다.
가로 과성장 단계는, 선택적 영역 성장 방식에서 마스크의 오픈된 영역에 대하여 측면방향의 결정 성장이 이루어지는 것을 의미한다. 이 때 n 타입 기판으로부터 발생한 결함구조가 측면방향의 결정 성장방향으로 전환되어 삼차원 구조체의 윗부분은 결함구조로부터 자유롭게 된다.
자기 제한 성장 단계는, 삼차원 구조체가 양자점을 형성할 수 있도록 열역학적 안정성에 의해 기하학적 구조를 제한하는 단계로써, 피라미드 구조체의 경우 꼭지점 부분의 영역을 양자점의 크기 수준(20 nm)으로 만드는 역할을 한다.
예컨대 육각 피라미드의 경우 자기 제한 성장단계는, 피라미드의 꼭지점 부분의 영역은 Ga 흡착원자(adatom)의 확산 거리(diffusion length)에 비례하는 변수이므로, 변화시킬 방법으로써 유기금속 기상증착법(MOCVD)을 사용하는 경우 압력, 온도, 캐리어 가스(carrier gas)의 수소 및 질소의 조성비, 3족 및 5족 소스의 비율 조절 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계(S110)는 결정 형성방향을 3차원으로 확장하는 것이므로, 기판으로부터 발생한 힘(strain)을 완화하는 역할을 하여, n 타입으로 도핑된 박막 상부에 고품위 양자점을 형성하는 경우 격자상수 불일치에 따른 압전 효과에 의한 강한 내부 전기장의 효과를 완화시킬 수 있다.
일례로, 육각 피라미드의 꼭지점에 양자점을 형성하는 경우는, GaN의 (0001)방향의 높은 압전 효과에 의한 전기장이 강함에도 힘(strain) 완화과정에 의해 전기장의 영향이 줄어들 수 있다.
다른 예로, 육각 피라미드가 반전된 경우에 대하여 양자점을 형성하는 경우, 상향식(bottom-up) 방식에서 자기 제한 단계에서 (0001) 영역이 형성되지 않게 하여, GaN의 결정구조에서 압전 효과가 작은 {101-1}, {112-2}를 포함하는 반극성 패싯(semi-polar facet)를 기반으로 하는 양자점을 형성할 수 있다.
단계(S120)에서, 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성할 수 있다. 여기에서 n 타입 도핑 후 도펀트(dopant)를 활성화(activation)시켜 과잉 전자(Excess carrier)를 생성하며, 이 때 과잉 전자를 생성하는 방식은 열적 활성화(thermal activation) 방식일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계(S120)는, 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계(S110)에서 삼차원 구조체가 n 타입 도핑이 된 경우 생략할 수 있으나, 일부 경우에 한 해 생략할 수 없다. 예컨대, 일부 경우는 n 타입 GaN의 경우에 전압 인가를 통해 양자점에 전자의 포획 시 양자 터널링이 일어나지 않을 수 있기 때문에 생략할 수 없다.
본 발명의 일 예로, 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계(S120)는 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획할 때 전자를 제공하는 저장소(Reservoir) 역할을 할 수 있다.
단계(S130)에서, n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성할 수 있다. n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성 시, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며, 전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 할 수 있다. 여기에서
기본적으로 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN 형태의 헤테로 구조(heterostructure)를 바탕으로 하여, AlN 또는 AlGaN가 양자 배리어 역할을 하고 GaN이 활성영역으로 삼차원 구조체의 기하학적 형태에 따라 삼차원 양자구속효과 받도록 한다. 헤테로 구조(heterostructure)에서 양자 배리어의 물질은 하위밴드를 2 개 이상 형성하며 하위밴드 전이를 통한 발광파장이 통신파장대역인 경우에 한해서 AlGaN을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기한 양자 배리어의 두께는 수 nm에서 수십 nm일 수 있으며, 두께의 최적 조건은 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획하기 전에 양자 터널링에 의해 GaN 양자점에 포획되지 않을 두께이다. 또한, 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획할 때 특정 전압에서 양자 터널링이 가능한 두께이다.
예를 들어, 상기한 GaN 양자점의 성장단계는, 질화물 반도체 성장 시 삼차원 구조체의 결정방향에 따른 성장속도의 차이를 이용하여 성장한다. 피라미드 구조체의 경우 (0001)의 z 결정방향의 성장속도와 반극성 패싯(semi-polar facet) 옆면의 성장속도가 느리기 때문에, 삼차원 구조체에 박막을 형성할 때 피라미드 꼭지점은 z 방향이기 때문에 성장속도가 빨라 GaN 박막층이 성장되지만 옆면은 얇게 성장되어 효과적으로(effective) 피라미드 꼭지점에 삼차원 양자구속효과를 받도록 한다.
예를 들어, 상기한 GaN 양자점의 성장단계는, 반극성 패싯(semi-polar facet)의 성장속도를 극단적으로 제한하는 과정이므로, 삼차원 구조체 형성과정에 사용되는 성장조건과 다를 수 있으며, 삼차원 구조체 형성과정에 기술된 모든 변수를 포함한다.
n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점의 형성 시, 질화물 반도체 성장 시 삼차원 구조체의 결정방향에 따른 성장속도의 차이를 이용하여 양자점을 성장하도록 할 수 있다.
단계(S140)에서, 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장할 수 있다. 이 때, 양자점으로부터 방출된 빛의 먼 장(far field) 패턴을 제어하며, 삼차원 구조체의 외부로의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
단계(S150)에서, 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착할 수 있다. 이 때, 삼차원 구조체에 의해 금속박막이 끊어지지 않게 하기 위하여 폴리머층을 스핀코팅으로 쌓아 단차를 줄일 수 있다.
단계(S160)에서, n 타입으로 도핑된 영역과 금속박막에 각각 전극을 연결할 수 있다.
이후, 연결된 전극에 전압 인가함에 따라 양자점에 전자가 포획될 수 있다. 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용하기 위해 하위밴드의 기저준위에 전자가 존재해야 하므로 전압 인가를 통해 양자점의 외부에 존재하는 과잉전자를 하위밴드 기저준위에 양자 터널링(quantum tunneling)을 이용하여 양자점에 전자를 포획할 수 있다. 이 때, 인가 전압에 따라 양자점의 전도 띠 내 하위밴드의 기저준위에 단일 전자 또는 2개의 전자를 포획할 수 있다.
이와 같이, 제작된 양작광원의 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 양자광원 제작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 다른 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은 기판에 선택적 영역 성장방법을 이용하여 삼차원 구조체를 형성하는 단계(S210), 삼차원 구조체를 n 타입으로 도핑하거나, 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계(S220), n 타입으로 도핑된 삼차원 구조체 또는 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계(S230), 및 n 타입으로 도핑된 삼차원 구조체 또는 n 타입으로 도핑된 박막으로 이루어진 n 타입으로 도핑된 영역에 전극을 연결하는 단계(S240)를 포함하고, 연결된 전극에 전압 인가를 통해 양자점에 전자가 포획될 수 있다. 여기에서, 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.
n 타입으로 도핑된 삼차원 구조체 또는 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계는, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며, 전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 할 수 있다.
다른 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은 도 8에서 설명한 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법과 동일 구성을 포함할 수 있으며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다른 실시예에 따른 양자광원 제작 방법은 기판 대신 도핑을 하지 않은 기판에 대해서도 본 발명의 상온 동작 가능한 광통신파장대역인 1.55 μm에서 양자광원 제작이 가능하며, 이 때 삼차원 구조체를 n 타입으로 도핑하거나, 도핑되지 않은 삼차원 구조체 형성 후 삼차원 구조체 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성 후, 전극 연결을 n 타입 박막에 직접 연결하여 제작할 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 양자광원의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 12를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 양자광원의 동작 방법은 기판 측에 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 기판의 상부에 형성된 구조체 측에 증착된 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계(S360), 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 구조체의 상부에 형성된 양자점에 전자를 포획하는 단계(S370), 및 상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는 단계(S380)를 포함하여 이루어질 수 있다.
아래에서 또 다른 실시예에 따른 양자광원의 동작 방법의 각 단계를 예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 여기에서, 또 다른 실시예에 따른 양자광원의 동작 방법의 각 단계는 도 8에서 설명한 일 실시예에 따른 양자광원 제작 방법과 동일한 구성 요소를 포함할 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.
단계(S360)에서, 기판 측에 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 기판의 상부에 형성된 구조체 측에 증착된 금속박막에 각각 전극을 연결할 수 있다.
단계(S370)에서, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 구조체의 상부에 형성된 양자점에 전자를 포획할 수 있다. 반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용하기 위해 하위밴드의 기저준위에 전자가 존재해야 하므로 전압 인가를 통해 양자점의 외부에 존재하는 과잉전자를 하위밴드 기저준위에 양자 터널링(quantum tunneling)을 이용하여 양자점에 전자를 포획할 수 있다. 이 때, 인가 전압에 따라 양자점의 전도 띠 내 하위밴드의 기저준위에 단일 전자 또는 2개의 전자를 포획할 수 있다.
단계(S380)에서, 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시킬 수 있다.
한편, 단계(S360) 이전에, 상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계(S310), 상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계(S320), 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계(S330), 상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계(S340), 및 상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계(S350)가 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면 선택적 영역 성장을 기반으로 하여 단일 삼차원 구조체에 단일 양자점을 형성함으로써 선택적 영역의 디자인을 통하여 단일 웨이퍼에 대면적으로 다수의 양자광원을 균일하게 한 번에 제작할 수 있고, 양자점의 위치가 삼차원 구조체에 의해 정해지므로 단일 양자점에 대하여 광 도파로와 같은 추후 공정에 용이하다.
더욱이, 본 발명에 따르면 하위밴드 전이를 발광원으로 이용하기 때문에, 삼차원 구조체에 쌓인 2차원 박막형태의 헤테로 구조(heterostructure)의 띠간 전이와 발광 파장이 다르게 되어, 삼차원 구조체에 박막을 형성을 기반으로 반도체 양자점을 형성하는 방식임에도 불구하고 높은 순도의 양자광을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 반도체 양자점을 이용해 광통신파장대역의 상온동작 가능한 양자광원의 제작 및 소자의 동작 방법에 관한 것으로, 구체적으로 질화물 반도체 기반 삼차원 구조체를 이용한 양자점 제작 방법을 통해 광통신파장대역의 하위밴드를 형성하고, 단일 전자포획 기술을 접목하여　하위밴드 전이를 발광과정으로써 구현하여 상온 및 그 이상의 온도에서 동작 가능한 결정적 양자광원의 제작 및 동작 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 반도체 양자점 제작 방식의 차별성, 질화물 반도체만이 갖는 고유한 물질 특성을 이용하는 것, 광통신파장을 갖는 양자점 하위밴드 전이의 발광과정을 가능하게 하는 원리, 삼차원 구조체 사용을 통해　양자광원의 높은 추출효율 등을 구현하여 기존에 구현되지 못한 상온 동작 가능한　광통신파장대역의　결정적 양자광원을 제작할 수 있다.
먼저, 반도체 양자점 제작 방식의 차별성은　기존의 박막증착 방식에서 당김힘 완화로 랜덤성을 갖게 제작된 양자점들과는 다르게, 구조체를 이용한 양자점 제작방식은 자기제한원리를 적용하여 선택영역 성장하기 때문에 웨이퍼 스케일에서 위치선택적으로 양자점 제작이 가능하여, 추후 양자광원 소자를 제작함에 있어 공정 측면에 큰 장점을 갖는다. 또한 광통신파장을 정확히 맞추기 위해 양자점의 하위밴드 발광파장의 조절이 가능해야 하는데, 본 발명의 자기제한원리를 이용한 양자점 제작방식은 양자점 크기를 미세하게 튜닝 가능하므로, 웨이퍼 스케일에서 대부분의 양자점에 대하여 광통신 파장을 맞출 수 있다.
그리고, 질화물 반도체만이 갖는 높은 밴드 오프셋이라는 고유한 물질 특성을 사용하면,　다른 화합물 반도체군에서는 물질 특성 자체로 불가능한　양자점 하위밴드 전이에서 상온에도 높은 열적 안정성과 광통신파장을 동시에 갖는 양자광원을 제작할 수 있다.
또한,　광통신파장을 갖는 양자점 하위밴드 전이의 발광과정을 가능하게 하는 원리로써 단전자 포획을 사용하게 되면, 기존에 하위밴드 전이의 발광과정을 하기 위하여 높은 수준의 도핑을 통해 랜덤하게 전자가 포획되는 것에 비하여, 양자 터널링을 통해 능동적으로 단일 전자 포획을 수행할 수 있다. 이렇게 포획된 단일 전자는 양자점 내에서 긴 수명시간을 갖게 되기 때문에 기존의 방식과 다르게 광원으로써 안정성을 갖게 된다. 또한 하위밴드 에너지 준위에만 전자가 있기 때문에 하위밴드 전이에서 비발광 과정을 억제하여 발광효율을 증가시킬 수 있게 된다.
그리고,　기존의 당김힘 완화 방식으로 제작된 양자점에 비해　삼차원 구조체의 광학적 효과를 통해　양자광원의 높은 추출효율을 갖는 양자광원을 제작할 수 있다.
이에 따라 본 발명을 통해 제작되는 상온 동작 가능한 광통신파장대역의 양자광원은 양자암호로써 보안분야, 선형광학을 기반으로 한 양자컴퓨터 분야 등에 사용될 수 있다.　
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (26)

  1. 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계; 및
    n 타입으로 도핑된 영역과 상기 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계
    를 포함하고,
    연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며,
    상기 삼차원 구조체는,
    육각 피라미드, 삼각 피라미드, 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 및 육각 피라미드의 반전된 형태(inverted pyramid) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 육각 피라미드의 반전된 형태의 삼차원 구조체는,
    상향식(bottom-up) 방식에서 고리모양의 패턴 또는 원형의 패턴이 삼각형을 조합된 형태에 의한 선택적 영역 성장으로부터 콘케이브 모드 성장(concave mode growth)에 의해 반전된 피라미드 형태이거나, 하향식(top-down) 방식에서 원형의 패턴을 습식 식각에 의한 반전된 피라미드 형태인 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는,
    질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며,
    전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 층의 상부에 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 상기 삼차원 구조체를 형성하는 단계
    를 포함하는 양자광원 제작 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 탄화 규소(SiC) 및 산화갈륨리튬(LiGaO3) 중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 상기 기판에 증착되는 상기 n 타입으로 도핑된 층은 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 - xN) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 n 타입으로 도핑된 영역이 상기 기판 또는 상기 기판에 증착되는 n 타입으로 도핑된 층인 경우, 상기 삼차원 구조체를 형성하는 코어는 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1 - xN) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  9. 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계; 및
    n 타입으로 도핑된 영역과 상기 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계
    를 포함하고,
    연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 n 타입으로 도핑된 영역이 상기 기판 또는 상기 기판에 증착되는 n 타입으로 도핑된 층인 경우, 상기 삼차원 구조체를 형성하는 코어는 n 타입으로 도핑된 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 및 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지고,
    상기 삼차원 구조체를 형성하는 코어가 n 타입으로 도핑된 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN)로 이루어지는 경우, 질화갈륨알루미늄(AlxGa1-xN)에서 알루미늄의 함량에 따라 n 타입 도핑 수준이 결정되며, n 타입 도핑 후 도펀트(dopant)를 활성화(activation)시켜 과잉 전자(Excess carrier)를 생성하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계는,
    상기 삼차원 구조체에 의해 상기 금속박막이 끊어지지 않게 하기 위하여 폴리머층을 스핀코팅으로 쌓아 단차를 줄이는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  11. 기판에 선택적 영역 성장방법을 이용하여 삼차원 구조체를 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체를 n 타입으로 도핑하거나, 상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계;
    n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계; 및
    상기 n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막으로 이루어진 n 타입으로 도핑된 영역에 전극을 연결하는 단계
    를 포함하고,
    연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며,
    상기 삼차원 구조체는,
    육각 피라미드, 삼각 피라미드, 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 및 육각 피라미드의 반전된 형태(inverted pyramid) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 육각 피라미드의 반전된 형태의 삼차원 구조체는,
    상향식(bottom-up) 방식에서 고리모양의 패턴 또는 원형의 패턴이 삼각형을 조합된 형태에 의한 선택적 영역 성장으로부터 콘케이브 모드 성장(concave mode growth)에 의해 반전된 피라미드 형태이거나, 하향식(top-down) 방식에서 원형의 패턴을 습식 식각에 의한 반전된 피라미드 형태인 것
    을 특징으로 하는 상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는, 양자광원 제작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계는,
    질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며,
    전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원 제작 방법.
  13. 기판 측에 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 기판의 상부에 형성된 구조체 측에 증착된 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계;
    연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 구조체의 상부에 형성된 양자점에 전자를 포획하는 단계; 및
    상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계; 및
    상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계는,
    n 타입 도핑 후 도펀트(dopant)를 활성화(activation)시켜 과잉 전자(Excess carrier)를 생성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 과잉 전자를 생성하는 방식은 열적 활성화(thermal activation) 방식이고,
    상기 삼차원 구조체의 상부에 형성된 상기 n 타입으로 도핑된 박막은,
    상기 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하는 경우, 전자를 제공하는 저장소(Reservoir) 역할을 하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는,
    질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며,
    전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 층의 상부에 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 상기 삼차원 구조체를 형성하는 단계
    를 포함하는 양자광원의 동작 방법.
  17. 삭제
  18. 기판 측에 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 기판의 상부에 형성된 구조체 측에 증착된 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계;
    연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 구조체의 상부에 형성된 양자점에 전자를 포획하는 단계; 및
    상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계; 및
    상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는,
    질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며,
    전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 하고,
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는,
    상기 헤테로 구조(heterostructure)에서 상기 AlN 또는 상기 AlGaN가 양자 배리어의 역할을 하고, 상기 GaN이 활성영역으로 상기 삼차원 구조체의 기하학적 형태에 따라 삼차원 양자구속효과를 받도록 하며, 상기 양자 배리어의 물질은 하위밴드를 2 개 이상 형성하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 양자 배리어는,
    두께가 수 nm에서 수십 nm이며, 상기 양자 배리어의 두께의 최적 조건은 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하기 이전에 양자 터널링에 의해 상기 양자점에 포획되지 않을 두께로 이루어지되, 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자를 포획하는 경우 특정 전압에서 양자 터널링이 가능한 두께인 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점을 형성하는 단계는,
    질화물 반도체 성장 시 상기 삼차원 구조체의 결정방향에 따른 성장속도의 차이를 이용하여 상기 양자점을 성장하도록 하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  21. 기판 측에 n 타입으로 도핑된 영역과 상기 기판의 상부에 형성된 구조체 측에 증착된 금속박막에 각각 전극을 연결하는 단계;
    연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 구조체의 상부에 형성된 양자점에 전자를 포획하는 단계; 및
    상기 양자점을 광 여기시켜 양자광원을 동작시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 기판에 삼차원 구조체를 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체의 상부에 n 타입으로 도핑된 박막을 형성하는 단계;
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 양자점을 형성하는 단계;
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계; 및
    상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 금속박막을 증착하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시키는 단계는,
    상기 양자점으로부터 방출된 빛의 먼 장(far field) 패턴을 제어하며, 상기 삼차원 구조체의 외부로의 추출 효율을 증가시키는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획하는 단계는,
    반도체 양자점의 하위밴드 전이를 이용하기 위해 하위밴드의 기저준위에 전자가 존재해야 하므로 전압 인가를 통해 상기 양자점의 외부에 존재하는 과잉전자를 상기 하위밴드 기저준위에 양자 터널링(quantum tunneling)을 이용하여 상기 양자점에 전자를 포획하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 양자점에 전자를 포획하는 단계는,
    상기 인가 전압에 따라 상기 양자점의 전도 띠 내 하위밴드의 기저준위에 단일 전자 또는 2개의 전자를 포획하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원의 동작 방법.
  24. 기판;
    상기 기판에 형성되는 삼차원 구조체; 및
    상기 삼차원 구조체를 광학적 구조로 사용하기 위해 삼차원 구조체를 재성장시킨 후, 상기 삼차원 구조체의 꼭지점에 증착되는 금속박막
    을 포함하고,
    상기 삼차원 구조체는,
    내부에 n 타입으로 도핑된 박막; 및
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부의 활성영역에 형성되는 양자점
    을 포함하며,
    상기 n 타입으로 도핑된 상기 삼차원 구조체 또는 상기 n 타입으로 도핑된 박막으로 이루어진 n 타입으로 도핑된 영역에 전극이 연결되고, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며,
    상기 삼차원 구조체는,
    육각 피라미드, 삼각 피라미드, 상부가 육각 피라미드인 육각 기둥 및 육각 피라미드의 반전된 형태(inverted pyramid) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 육각 피라미드의 반전된 형태의 삼차원 구조체는,
    상향식(bottom-up) 방식에서 고리모양의 패턴 또는 원형의 패턴이 삼각형을 조합된 형태에 의한 선택적 영역 성장으로부터 콘케이브 모드 성장(concave mode growth)에 의해 반전된 피라미드 형태이거나, 하향식(top-down) 방식에서 원형의 패턴을 습식 식각에 의한 반전된 피라미드 형태인 것
    을 특징으로 하는 양자광원.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 기판의 상부에 n 타입으로 도핑된 층; 및
    상기 n 타입으로 도핑된 층의 상부에 형성되는 마스크
    를 더 포함하고,
    상기 마스크에서 패턴된 영역의 마스크 부분만 제거하여 선택적 영역 성장방법(Selective area growth)을 사용하여 상기 삼차원 구조체가 형성되며,
    상기 n 타입으로 도핑된 층과 상기 금속박막에 각각 전극을 연결하고, 연결된 상기 전극에 전압 인가를 통해 상기 양자점에 전자가 포획되며, 상기 양자점을 광 여기시키는 것
    을 특징으로 하는 양자광원.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 n 타입으로 도핑된 박막의 상부에 상기 양자점의 형성 시, 질화물 반도체를 사용하여 질화갈륨(GaN)을 활성영역으로 하는 AlN/GaN/AlN 또는 AlGaN/GaN/AlGaN의 헤테로 구조(heterostructure)로 형성되며,
    전도 띠(conduction band)에서의 하위밴드 전이(intersubband transition)를 상기 양자광원의 발광 전이과정으로 사용하여 상온 및 그 이상의 온도에서 통신파장대역의 양자광 방출을 가능하게 하는 것
    을 특징으로 하는 양자광원.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11594656B2 (en) 2019-10-21 2023-02-28 Electronics And Telecommunications Research Institute Quantum light source device and optical communication apparatus including the same

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11101418B1 (en) 2019-09-10 2021-08-24 Facebook Technologies, Llc Spacer for self-aligned mesa
US11164995B2 (en) 2020-02-20 2021-11-02 Facebook Technologies, Llc 3-D structure for increasing contact surface area for LEDs
WO2022178580A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 University Of Technology Sydney Scalable and deterministic fabrication of quantum emitter arrays

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003218395A (ja) * 2002-01-18 2003-07-31 Sony Corp 半導体発光素子、半導体レーザ素子及びこれを用いた発光装置
KR101481722B1 (ko) * 2013-07-09 2015-01-12 전북대학교산학협력단 발광소자 및 그 제조방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2380605B (en) * 2001-10-02 2004-01-14 Toshiba Res Europ Ltd A photon source and method of its fabrication and operation
GB2420908B (en) * 2004-12-03 2008-01-23 Toshiba Res Europ Ltd Photon source
FR2898434B1 (fr) 2006-03-13 2008-05-23 Centre Nat Rech Scient Diode electroluminescente blanche monolithique
KR101012265B1 (ko) 2008-08-27 2011-02-07 충북대학교 산학협력단 상온동작 단전자 소자의 제작방법
US10026912B1 (en) * 2017-01-17 2018-07-17 International Business Machines Corporation Vertically integrated nanotube and quantum dot LED for active matrix display

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003218395A (ja) * 2002-01-18 2003-07-31 Sony Corp 半導体発光素子、半導体レーザ素子及びこれを用いた発光装置
KR101481722B1 (ko) * 2013-07-09 2015-01-12 전북대학교산학협력단 발광소자 및 그 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11594656B2 (en) 2019-10-21 2023-02-28 Electronics And Telecommunications Research Institute Quantum light source device and optical communication apparatus including the same

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