KR102227981B1 - 단일 광자 소자, 단일 광자 방출 전달 장치, 단일 광자 소자의 제조 및 동작 방법 - Google Patents

단일 광자 소자, 단일 광자 방출 전달 장치, 단일 광자 소자의 제조 및 동작 방법 Download PDF

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Abstract

단일 광자 소자, 단일 광자 방출 전달 장치, 단일 광자 소자의 제조 및 동작 방법에 관해 개시되어 있다. 단일 광자 소자는 기판 상에 구비된 캐리어 수송층과 상기 캐리어 수송층 상에 존재하는 적어도 하나의 양자점을 포함한다. 상기 캐리어 수송층은 홀 수송층일 수 있다. 상기 캐리어 수송층 상에 상기 적어도 하나의 양자점을 포함하는 양자점막이 구비될 수 있다. 단일 광자 방출 전달 장치는 단일 광자 소자와, 상기 단일 광자 소자에 단일 전하를 주입하는 수단과, 상기 단일 광자 소자로부터 방출되는 광을 집광하는 집광부와, 상기 집광부에 집광된 광을 상기 집광부 밖으로 전달하는 광 운반수단을 포함하고, 상기 단일 광자 소자는 상기한 바와 같을 수 있다.

Description

단일 광자 소자, 단일 광자 방출 전달 장치, 단일 광자 소자의 제조 및 동작 방법{Single photon device, apparatus of emitting and transferring single photon, and methodsof manufacturing and operating the same}
본 개시는 광자 소자와 관련된 관한 것으로써, 보다 자세하게는 단일 광자 소자, 단일 광자 방출 전달 장치, 단일 광자 소자의 제조 및 동작 방법에 관한 것이다.
화학적으로 합성되는 콜로이드 양자점(colloidal Quantum Dot)은 크기가 약 1.5~10nm로 양자 제한(quantum confinement) 효과에 의해 크기에 따라 밴드갭(band gap)이 변화하는 특징을 나타낸다.
콜로이드 양자점은 무기 물질로 구성된 코어(core) 부분과 유기 리간드(organic ligand)를 포함한다. 유기 리간드는 화학적 합성과 용액(solution)에 분산시에 필요하고, 코어 부분을 보호하는 역할도 한다.
양자점에 단일 전자(전하)가 주입되는 현상은 쿨롬 브라케이드(coulomb blockade) 현상으로 관측될 수 있다. 예컨대, 단일 양자점에 전하가 주입될 때, 전자 하나가 주입될 때마다 전류-전압 그래프에서 스태어케이스(staircase)라 불리는 계단형의 전류점프(current jump) 현상이 나타난다. 이 현상으로부터 양자점에 단일 전하가 주입된 것으로 알 수 있다.
단일 광자 소자는 빛을 이용한 양자 컴퓨팅(quantum computing)이나 양자정보(quantum information) 등의 연구와 관련 소자 제작에 이용될 수 있다. 기존의 단일 광자 소자는 주로 포토닉 결정(photonic crystal)이나 벌크(bulk) p-i-n 구조의 형태로 제작 되었다.
본 발명의 일 실시예는 하나의 양자점만을 전기적으로 여기시킬 수 있고, 전하의 주입과 광자 방출을 정밀하게 제어할 수 있으며, 보다 효율적인 단일 광자 소자를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예는 이러한 단일 광자 소자를 포함하는 단일 광자 방출 전달 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예는 단일 광자 소자의 제조 및 동작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 소자는 기판 상에 구비된 캐리어 수송층과 상기 캐리어 수송층 상에 존재하는 적어도 하나의 양자점을 포함한다.
상기 캐리어 수송층은 홀 수송층일 수 있다.
상기 캐리어 수송층 상에 상기 적어도 하나의 양자점을 포함하는 양자점막이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 방출 전달 장치는 단일 광자 소자와, 상기 단일 광자 소자에 단일 전하를 주입하는 수단과, 상기 단일 광자 소자로부터 방출되는 광을 집광하는 집광부와, 상기 집광부에 집광된 광을 상기 집광부 밖으로 전달하는 광 운반수단을 포함하고,
상기 단일 광자 소자는 기판 상에 구비된 캐리어 수송층과 상기 캐리어 수송층 상에 존재하는 적어도 하나의 양자점을 포함한다.
상기 단일 전하 주입 수단은 STM(Scanning Tunneling Microscope) 팁일 수 있다. 상기 광 운반수단은 광섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 소자의 제조방법은 전도성 기판 상에 캐리어 수송층을 형성하고, 상기 캐리어 수송층 상에 단일 광자를 방출하는 적어도 하나의 양자점을 형성하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 소자의 동작방법은 전도성 기판과 적어도 하나의 양자점을 포함하는 단일 광자 소자의 동작 방법에 있어서, 상기 전도성 기판과 상기 양자점 사이에 캐리어 수송층을 포함하고, 상기 양자점에 단일 전하를 주입하고, 상기 캐리어 수송층을 통해서 상기 양자점에 홀을 주입한다.
상기 양자점 위에 STM 팁을 구비하고, 상기 STM 팁과 상기 기판 사이에 전압을 인가하여 상기 양자점에 단일 전하 및 홀을 주입할 수 있다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 단일 광자 소자는 전도성 기판과 홀 수송층과 단일 콜로이드 양자점을 포함하고, STM 팁(tip)을 이용한다. 홀 수송층을 기판과 STM 팁 사이에 구비함으로써, 하나의 양자점에 단일 전자(전하)를 주입할 수 있고, 양자점에 대한 홀 수송(hole transport)이 용이하며, 양자점과 전극 사이의 에너지 밴드를 조절할 수 있는 바, 엑시톤(exciton)의 퀀칭(quenching)을 방지하여 단일 광자 방출의 효율을 높일 수 있다.
또한, 하나의 양자점에 단일 전자를 주입하여 하나의 양자점만 전기적으로 여기시킬 수 있는 등, 단일 광자 소자의 동작을 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, STM 팁을 이용하여 인-시츄(in-situ)로 단일 광자 소자의 동작(operation)에 필요한 국소 에너지 밴드의 정보와 단일 광자 소자의 최적화(optimization)를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 소자와 단일 광자 방출 및 전달 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단일 광자 소자와 단일 광자 방출 및 전달 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 3의 단일 광자 소자에서 캐리어 수송층 상에 양자점막이 형성된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 단일 광자 소자에서 캐리어 수송층 상에 위치한 양자점 둘레의 에너지 준위의 변화를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의한 단일 광자 소자, 단일 광자 방출 전달 장치, 단일 광자 소자의 제조 및 동작 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 소자와 이를 포함하는 단일 광자 방출 전달 장치를 설명한다.
도 1을 참조하면, 기판(30) 상에 캐리어 수송층(32)이 형성되어 있다. 기판(30)은 전도성 기판일 수 있는데, 예를 들면 금(gold) 또는 다른 금속을 사용한 기판일 수 있다. 또는 금속성분을 포함하는 전도성 기판일 수도 있다. 캐리어 수송층(32)은, 예를 들면 홀 수송층(hole transport)일 수 있다. 캐리어 수송층(32)의 두께는 1nm ~ 500nm 정도일 수 있다. 상기 홀 수송층은 TFB층, TPD층, PVK층, p-TPD층, 무기물 p형 산화물층 및 무기물 p형 반도체층 중 하나일 수 있다. 상기 무기물 p형 산화물층은, 예를 들면 NiO층일 수 있다. 상기 무기물 p형 반도체층은, 예를 들면 CuS층 또는 ZnTe층 등일 수 있다. 캐리어 수송층(32) 상에 하나의 양자점(34)이 존재한다. 양자점(34)은 콜로이드 양자점일 수 있다. 양자점(34)은, 예를 들면 CdSe, CdS, CdTe, InP, ZnSe, ZnS, PbS, PbSe, PbTe, CdSe/CdS 및 CdSe/CdS/ZnS 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 홀 수송층(32) 위에 집광부(40)가 구비되어 있다. 집광부(40)는 홀 수송층(32)과 이격되어 있다. 집광부(40)는 양자점(34)에서 방출된 광을 집광하여 광 운반수단(42)에 전달한다. 이를 위해 집광부(40)는 양자점(34)으로부터 방출되는 광을 집광하는 수단이나 광학요소(혹은 광학소자)(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 집광수단이나 광학요소는, 예를 들면 NSOM(Near-Field Scanning Optical Microscope)일 수 있다. 광 운반수단(42)은 상기 광학요소에 연결될 수 있다. 광 운반수단(42)은 집광부(40)에서 집광된 광은 광 운반수단(42)을 통해서 필요한 곳으로 전달된다. 광 운반수단(42)에는 광 신호처리를 위한 장치나 시스템이 연결될 수 있다. 광 운반수단(42)은, 광 도파관일 수 있는데, 예를 들면 광섬유(optical fiber)일 수 있다. 집광부(40)와 광 운반수단(42)을 합쳐서 편의 상, '집광 전달유닛'이라 한다.
한편, 집광부(40) 내에는 주사 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM) 팁(36)이 마련되어 있다. STM 팁(36)은 양자점(34)과 마주하는 위치에 구비될 수 있다. 예를 들면, STM 팁(36)은 양자점(34) 바로 위에 위치할 수 있다. 필요에 따라 STM 팁(36)은 양자점(34) 바로 위에 위치하지 않을 수도 있다. 예컨대, STM 팁(36)은 수평으로 양자점(34)과 마주하도록 구비될 수도 있다. 캐리어 수송층(32) 상에 양자점(34)이 존재할 경우, 도 4에 도시한 바와 같이, 양자점(34) 주위의 에너지 준위가 변한다. STM 팁(36)을 이용하여 이러한 에너지 준위의 변화를 감지함으로써, 단일 양자점(34)의 위치를 찾을 수 있고, 따라서 STM 팁(36)을 정확히 단일 양자점(34)에 접근시킬 수 있다. STM 팁(36)의 재질은, 예를 들면 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 은(Ag) 등일 수 있다.
계속해서, STM 팁(36)은 전원(38)의 일단에 연결되어 있다. 전원(38)은 집광부(40) 외부에 위치할 수 있다. 전원(38)의 타단은 기판(30)에 연결된다.
도 1에서 기판(30)과 캐리어 수송층(32)과 양자점(34)(도 3의 경우, 양자점막(60))을 포함하는 구성은 단일 광자를 방출하는 소자, 곧 단일 광자 소자의 구성일 수 있다. 여기에 STM 팁(36)과 집광부(40)와 광 운반수단(42)까지 포함하는 구성은 단일 광자 방출 전달 장치의 구성일 수 있다.
여기서, 양자점(34)에 대한 캐리어의 주입과 그 결과 양자점(34)으로부터 광이 방출되는 과정을 간략히 살펴본다.
전원(38)에 의해 STM 팁(36)과 기판(30) 사이에 전위차가 형성됨에 따라 STM 팁(36)에서 전하, 예컨대 전자가 방출되어 양자점(34)에 주입된다. 이때, 전류를 제어함으로써, 단일 전하(전자)가 양자점(34)에 주입될 수 있다.
이와 같이 STM 팁(36)으로부터 양자점(34)으로 전하가 주입되는 동안, 기판(30)에서 캐리어 수송층(32)을 통해 양자점(34)으로 홀이 동시에 주입된다. 이렇게 양자점(34)에 주입된 단일 전자와 홀은 양자점(34)에서 엑시톤(exciton)을 형성한다. 상기 엑시톤이 소멸되면서 양자점(34)으로부터 양자점(34)의 밴드갭에 해당하는 에너지를 갖는 광이 방출된다.
STM 팁(36)의 바이어스(bias)와 전류를 제어하여 양자점(34)에 단일 전하가 주입되는 경우, 하나의 양자점(34)에 단일 엑시톤이 형성된다. 결국, STM 팁(36)의 바이어스와 전류를 제어함으로써, 하나의 양자점(34)에서 단일 광자가 방출될 수 있다. STM 팁(36)은 양자점(34)에 단일 전하를 주입할 수 있는 여러 수단 중 하나에 불과할 수 있다. 따라서 양자점(34)에 단일 전하를 주입할 수 있는 수단(소자, 장치, 시스템 등)이라면, STM 팁(36)외에 사용할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단일 광자 소자를 보여준다. 도 1과 다른 부분만 설명한다.
도 2를 참조하면, 캐리어 수송층(32) 위에 복수의 집광 전달유닛(50)이 구비되어 있다. 복수의 집광 전달유닛(50)은 집광 전달 어레이(70)를 이룰 수 있다. 도 2에는 편의 상, 3개의 집광 전달유닛(50)을 도시하였으나, 집광 전달 어레이(70)는 3개 이상의 집광 전달유닛(50)을 포함할 수 있다. 각 집광 전달유닛(50)은 집광부(52)와 집광부(52)에 연결된 광 운반수단(54)을 포함한다. 광 운반수단(54)은 도 1의 광 운반수단(42)과 동일할 수 있다. 집광부(52)의 구성과 역할을 도 1의 집광부(40)와 동일할 수 있다. 각 집광부(52)에 도 1의 집광부(40)처럼 STM 팁이 포함될 수 있으나, 도시의 편의 상 도 2에는 도시하지 않았다. 캐리어 수송층(32) 상에 흡착된 복수의 양자점(34)이 존재한다. 각 집광부(52)는 양자점(34)과 일대 일로 대응한다. 곧, STM 팁은 양자점(34)과 일대 일로 대응한다. 따라서 각 양자점(34)에 STM 팁을 통해서 단일 전하가 주입되고 동시에 캐리어 수송층(32)을 통해서 홀이 주입될 수 있다. 이 결과 각 양자점(34)에 엑시톤이 형성되고, 형성된 엑시톤이 소멸되면서 각 양자점(34)의 에너지 밴드 갭에 해당하는 에너지를 갖는 광이 각 양자점(34)으로부터 방출된다. 이렇게 방출된 광은 집광 전달 어레이(70)에서 집광된 후, 광 운반수단(54)을 통해 광 신호 처리장치 또는 광 신호분석장치로 전달한다.
도 3은 캐리어 수송층(32) 상에 복수의 양자점(34)을 포함하는 양자점막(60)이 형성된 경우를 보여준다.
도 3을 참조하면, 양자점막(60)은 캐리어 수송층(32)의 상부면 전체를 덮는다. 이러한 양자점막(60)은 복수의 양자점(34)을 포함하는 물질을 캐리어 수송층(32) 상에 스핀 코팅 방식으로 도포한 다음, 베이크(bake)하여 형성할 수 있다. 양자점막(60) 상에 집광 전달유닛(50)이 구비되어 있다. 도 2의 집광 전달 어레이(70)가 양자점막(60) 상에 구비될 수도 있다.
다음에는 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 광자 방출 소자(단일 광자 소자)의 제조방법을 도 3을 참조하여 간략히 설명한다.
전도성 기판(30) 상에 캐리어 수송층(32)을 형성한다. 캐리어 수송층(32)은 홀 수송층(32)으로 형성할 수 있다. 캐리어 수송층(32) 상에 양자점막(60)을 형성한다. 양자점막(60)은 스핀 코팅 방식으로 형성할 수 있다. 양자점막(60) 대신 단일 양자점(34) 혹은 복수의 양자점(34)을 형성할 수도 있다.
다음에는 상술한 단일 광자 소자의 동작방법을 도 1을 참조하여 설명한다.
양자점(34) 위에 STM 칩(36)을 위치시킨다. STM 칩(36)과 기판(30) 사이에 전위차를 형성한다. 곧, STM 칩(36)과 기판(30)에 전압을 인가한다. 이때, STM 칩(36)에 인가되는 전류를 조절하여 STM 칩(36)으로부터 단일 전하가 양자점(34)에 주입될 수 있고, 기판으로부터 하나의 홀이 캐리어 수송층(32)을 통해 양자점(34)에 주입된다. 이 결과, 상술한 바와 같이 양자점(34)으로부터 단일 광자가 방출될 수 있다. 이렇게 방출된 광자는 집광부(40)와 광 운반수단(42)을 통해 외부로 전달된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
30:기판 32:캐리어 수송층
34:양자점 36:STM 팁
38:전원 40, 52:집광부
42, 54:광 운반수단(광섬유) 50:집광 전달유닛
60:양자점막 70:집광 전달 어레이

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 단일 광자 소자
    상기 단일 광자 소자에 단일 전하를 주입하는 수단
    상기 단일 광자 소자로부터 방출되는 광을 집광하는 집광부 및
    상기 집광부에 집광된 광을 상기 집광부 밖으로 전달하는 광 운반수단을 포함하고,
    상기 단일 광자 소자는,
    기판
    상기 기판 상에 구비된 캐리어 수송층 및
    상기 캐리어 수송층 상에 존재하는 적어도 하나의 양자점을 포함하고,
    상기 캐리어 수송층은 상기 기판과 상기 적어도 하나의 양자점 사이에 배치되어 있고, 상기 기판 및 상기 적어도 하나의 양자점과 직접 접촉되고,
    상기 단일 전하를 주입하는 수단과 상기 단일 광자 소자는 상기 단일 전하를 주입하는 수단으로부터 방출된 단일전하가 상기 적어도 하나의 양자점에 직접 주입되도록 정렬된 단일 광자 방출 전달 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단일 전하 주입 수단은 STM(Scanning Tunneling Microscope) 팁인 단일 광자 방출 전달 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 운반수단은 광섬유인 단일 광자 방출 전달 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 캐리어 수송층은 홀 수송층인 단일 광자 방출 전달 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 홀 수송층은 TFB층, TPD층, PVK층, p-TPD층, 무기물 p형 산화물층 및 무기물 p형 반도체층 중 어느 하나인 단일 광자 방출 전달 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 무기물 p형 산화물층은 NiO층인 단일 광자 방출 전달 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 무기물 p형 반도체층은 CuS층 또는 ZnTe층인 단일 광자 방출 전달 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 전도성 기판과 적어도 하나의 양자점을 포함하는 단일 광자 소자의 동작 방법에 있어서,
    상기 전도성 기판과 상기 양자점 사이에 캐리어 수송층을 포함하고,
    상기 양자점에 단일 전하를 주입하고,
    상기 캐리어 수송층을 통해서 상기 양자점에 홀을 주입하는 단일 광자 소자의 동작방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 양자점 위에 STM 팁을 구비하고,
    상기 STM 팁과 상기 기판 사이에 전압을 인가하여 상기 양자점에 단일 전하 및 홀을 주입하는 단일 광자 소자의 동작방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 캐리어 수송층은 TFB층, TPD층, PVK층, p-TPD층, 무기물 p형 산화물층 및 무기물 p형 반도체층 중 어느 하나인 단일 광자 소자의 동작방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점은 상기 캐리어 수송층 상에 형성된 양자점막인 단일 광자 소자의 동작방법.
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