KR102294478B1 - Quantum light source manufacturing method and quantum light transmission appratus using quantum light source - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 의한 양자 광원 제조 방법은 제1 반도체층, 희생층 및 제2 반도체층이 순서대로 위치하는 반도체 기판에 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 복수의 홀들을 포함하는 홀 그룹을 복수개 형성하는 패턴 마스크를 형성하는 단계와, 이방성 식각을 수행하여 제2 반도체 층에 복수의 홀 그룹에 상응하는 복수의 홀들을 형성하는 단계 및 희생층을 제거하는 단계를 포함한다.The quantum light source manufacturing method according to this embodiment is a pattern for forming a plurality of hole groups including a plurality of holes spaced apart from the center by the same distance in a semiconductor substrate on which the first semiconductor layer, the sacrificial layer, and the second semiconductor layer are sequentially positioned The method includes forming a mask, performing anisotropic etching to form a plurality of holes corresponding to a plurality of hole groups in the second semiconductor layer, and removing the sacrificial layer.

Figure R1020200003355
Figure R1020200003355

Description

양자 광원 제조 방법 및 양자 광원을 이용한 양자 광 전송 장치{QUANTUM LIGHT SOURCE MANUFACTURING METHOD AND QUANTUM LIGHT TRANSMISSION APPRATUS USING QUANTUM LIGHT SOURCE} Quantum light source manufacturing method and quantum light transmission device using quantum light source

본 기술은 양자 광원 제조 방법 및 양자 광원을 이용한 양자 광 전송 장치와 관련된다.The present technology relates to a quantum light source manufacturing method and a quantum light transmission device using a quantum light source.

양자정보는 1과 0로 구분되는 비트(Bit) 대신 중첩 원리를 이용하여 1과 0을 동시에 표현하는 것이 가능한 "양자 비트(Quantum Bit)"를 이용한다. 양자정보 처리에는 원자나 빛, 슈퍼 컨덕팅 소자 등 다양한 접근 방식이 존재하며, 빛, 즉 광자(光子)를 이용한 양자 정보 처리에 관심이 집중되고 있다. 빛의 편광이나 시간, 경로 정보 등을 이용하면 전자의 스핀(Spin)처럼 양자 비트를 구현할 수 있기 때문이다.Quantum information uses "quantum bits" that can express 1 and 0 at the same time using the superposition principle instead of bits that are divided into 1 and 0. There are various approaches to quantum information processing, such as atoms, light, and super-conducting devices, and attention is focused on quantum information processing using light, that is, photons. This is because quantum bits can be implemented like the spin of electrons by using the polarization, time, and path information of light.

최근에는 양자 물리의 특징인 중첩성, 양자 얽힘, 복사 불가능성을 나타내는 양자광원(Quantum light source)이 개발돼 이를 이용한 양자 시뮬레이터나 양자전송, 양자 암호와 같은 응용기술이 활발히 연구되고 있다. 양자 광원이란, 고전 광원과는 차별화된 단일 또는 얽힘 광자를 생성하는 광원을 의미하며, 단일 원자 또는 단일 양자점과 같은 단일 양자구조에서 빛이 생성된다. Recently, a quantum light source that exhibits superimposition, quantum entanglement, and non-radiability, which are characteristics of quantum physics, has been developed, and applied technologies such as quantum simulators, quantum transmission, and quantum cryptography are being actively studied. A quantum light source means a light source that generates single or entangled photons that are differentiated from a classical light source, and light is generated from a single quantum structure such as a single atom or a single quantum dot.

기존 고체 기반 양자 광원은 다양한 광학구조와 결합을 통한 고효율 양자 광원을 생성한다. 이 중 양자 광원을 좁은 각도의 수직 방출이 가능한 구조는 불스 아이 구조(Bull's eye)가 대표적이다. 기존 불스 아이 구조는 동심원 형태의 격자(circular grating)형태의 다수 링(ring) 구조를 가진다. 기존 불스 아이 구조에서 방사된 광은 방출광의 각도가 개구수(NA, numerical aperture) 작은 광섬유와 결합하기에는 충분히 작지 않아 고효율의 광자 신호 전달을 위해서는 추가적인 광학 시스템이 요구된다. 따라서 광섬유와 결합이 용이하면서도 높은 효율을 유지하기 위해서는 좁은 각도에서의 수직 광 방사가 가능한 광학구조와 결합된 양자 광원 개발이 선행되어야 한다. Existing solid-state-based quantum light sources create high-efficiency quantum light sources through various optical structures and combinations. Among these, a structure capable of vertically emitting a quantum light source at a narrow angle is representative of the Bull's eye structure. The existing bull's eye structure has a multi-ring structure in the form of a circular grating. The light emitted from the existing bull's eye structure is not small enough to couple with the optical fiber having a small numerical aperture (NA), so an additional optical system is required for high-efficiency photon signal transmission. Therefore, in order to maintain high efficiency while being easy to combine with optical fibers, it is necessary to develop a quantum light source combined with an optical structure capable of vertical light emission at a narrow angle.

본 실시예에 의한 양자 광원 제조 방법은 제1 반도체층, 희생층 및 제2 반도체층이 순서대로 위치하는 반도체 기판에 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 복수의 홀들을 포함하는 홀 그룹을 복수개 형성하는 패턴 마스크를 형성하는 단계와, 이방성 식각을 수행하여 제2 반도체 층에 복수의 홀 그룹에 상응하는 복수의 홀들을 형성하는 단계 및 희생층을 제거하는 단계를 포함한다.The quantum light source manufacturing method according to this embodiment is a pattern for forming a plurality of hole groups including a plurality of holes spaced apart from the center by the same distance in a semiconductor substrate on which the first semiconductor layer, the sacrificial layer, and the second semiconductor layer are sequentially positioned The method includes forming a mask, performing anisotropic etching to form a plurality of holes corresponding to a plurality of hole groups in the second semiconductor layer, and removing the sacrificial layer.

본 실시예에 의한 양자 광 전송 장치는 광 섬유(optical fiber)와, 반도체 양자 구조와 광학구조를 포함하는 베이스(base)와, 반도체 베이스를 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole) 들을 포함하는 그룹을 복수개 포함하며, 광 섬유의 일 단부에 위치하는 양자 광원과 양자 광원이 광섬유를 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대면인 제2 면에 각각 위치하여 양자 광원에 에너지를 전달하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다.The quantum light transmission device according to the present embodiment includes an optical fiber, a base including a semiconductor quantum structure and an optical structure, and a plurality of holes passing through the semiconductor base and spaced apart from the center. A quantum light source located at one end of the optical fiber and the quantum light source are located on a first surface facing the optical fiber and a second surface opposite to the first surface, respectively, to transfer energy to the quantum light source It includes a first electrode and a second electrode.

본 실시예에 의한 양자 광원 제조 방법에 의하면, 개구율이 낮은 광 섬유에 대하여 높은 광결합 효율을 얻을 수 있으며, 높은 광 추출 효율을 가지고, 좁은 각도로 광방출이 가능한 양자 광원을 제조할 수 있다는 장점이 제공된다.According to the method for manufacturing a quantum light source according to the present embodiment, it is possible to obtain a high light coupling efficiency for an optical fiber having a low aperture ratio, to have a high light extraction efficiency, and to manufacture a quantum light source capable of emitting light at a narrow angle. this is provided

도 1 내지 도 4는 본 실시예에 의한 양자 광원 제조 방법의 각 단계를 개요적으로 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 5는 희생층이 제거되어 단일한 양자 광원이 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 양자 광원 어레이를 예시한 현미경 (SEM) 사진이다.
도 7은 본 실시예에 의한 양자광 전송 장치를 개요적으로 예시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 의한 양자광 전송 장치를 개요적으로 예시한 도면이다.
도 9은 일 실시예에 의한 양자광 전송 어레이를 예시한 개요도 이다.
도 10(a)는 양자 광원의 현미경(SEM) 사진이고, 도 10(b)는 방출하는 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 종래 불스 아이 구조의 양자 광원과 본 실시예에 의한 양자 광원이 발산하는 전기장의 광학 모드를 도시한 도면들이다.
도 12는 시료의 빛을 포집하는 포집 각도와 관련된 광학계의 개구율에 따른 구조별 광포집 효율(collection efficiency)을 비교한 그래프이다.
1 to 4 are process cross-sectional views for schematically explaining each step of the method for manufacturing a quantum light source according to the present embodiment.
5 is a view illustrating a state in which a single quantum light source is formed by removing the sacrificial layer.
6 is a microscope (SEM) photograph illustrating an array of quantum light sources.
7 is a diagram schematically illustrating a quantum light transmission device according to the present embodiment.
8 is a diagram schematically illustrating a quantum light transmission apparatus according to an embodiment.
9 is a schematic diagram illustrating a quantum light transmission array according to an embodiment.
FIG. 10(a) is a microscope (SEM) photograph of a quantum light source, and FIG. 10(b) is a graph illustrating a spectrum of emitted light.
11(a) and 11(b) are diagrams illustrating optical modes of an electric field emitted by a quantum light source having a conventional bull's eye structure and a quantum light source according to the present embodiment.
12 is a graph comparing light collection efficiencies for each structure according to an aperture ratio of an optical system related to a collection angle for collecting light from a sample.

이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 실시예에 의한 양자광원 제조 방법의 개요를 설명한다. 도 1 내지 도 4는 본 실시예에 의한 양자 광원 제조 방법의 각 단계를 개요적으로 설명하기 위한 공정 단면도들이다. 도 1을 참조하면, 양자 광원 제조 방법은 반도체 기판(100)에 하드 마스크층(200)과 e 빔 레지스트 층(300)을 순서대로 형성하는 단계를 포함한다. Hereinafter, an outline of a method for manufacturing a quantum light source according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4 . 1 to 4 are process cross-sectional views for schematically explaining each step of the method for manufacturing a quantum light source according to the present embodiment. Referring to FIG. 1 , a method of manufacturing a quantum light source includes sequentially forming a hard mask layer 200 and an e-beam resist layer 300 on a semiconductor substrate 100 .

일 실시예로, 반도체 기판(100)은 제1 반도체층(110), 희생층(120) 및 제2 반도체층(130)이 순서대로 위치하는 반도체 기판일 수 있다. 일 예로, 제1 반도체 층(110), 제2 반도체 층(130)은 InP,GaAs, GaN 중 어느 하나인 III-V 반도체 재질일 수 있다. 다른 예로, 제1 반도체층(110), 제2 반도체층(130)은 ZnO, CdSe 중 어느 하나의 II-VI 반도체 재질일 수 있다. 이외에도 양자 구조를 포함하는 다이아몬드, SiC 등의 물질일 수 있다. 일 실시예로, 희생층(120)은 AlInAs 층, AlGaAs, SiO2, Si 중 어느 한 물질층일 수 있다. In an embodiment, the semiconductor substrate 100 may be a semiconductor substrate in which the first semiconductor layer 110 , the sacrificial layer 120 , and the second semiconductor layer 130 are sequentially positioned. For example, the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 130 may be made of a III-V semiconductor material of any one of InP, GaAs, and GaN. As another example, the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 130 may be made of any one of ZnO and CdSe II-VI semiconductor materials. In addition, it may be a material such as diamond or SiC having a quantum structure. In an embodiment, the sacrificial layer 120 may be an AlInAs layer, an AlGaAs, SiO2, or any one material layer of Si.

일 실시예로, 제2 반도체층(130)에는 양자 광원을 생성하는 양자 구조(132)가 형성될 수 있다. 일 예로, 양자 구조는 (quantum emitter)은 양자점(quantum dot), 고체 점 결함(defect center), 도핑 이온 및 이차원 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 양자점은 InAs, InGaAs, InGaN, GaN 양자점일 수 있다. 도핑 이온은 어븀(Er) 이온 일 수 있고, 이차원 물질은 텅스텐다이셀레나이드(WSe2) 및 육방정 질화 불소(hBN, hexagonal boron nitride) 중 어느 하나일 수 있다.In an embodiment, a quantum structure 132 for generating a quantum light source may be formed on the second semiconductor layer 130 . For example, the quantum structure (quantum emitter) may include any one or more of a quantum dot, a solid dot defect (defect center), doping ions, and a two-dimensional material. The quantum dots may be InAs, InGaAs, InGaN, or GaN quantum dots. The doping ion may be an erbium (Er) ion, and the two-dimensional material may be any one of tungsten diselenide (WSe2) and hexagonal boron nitride (hBN).

반도체 기판에 하드 마스크층(200)과 e 빔 레지스트 층(300)을 순서대로 형성한다. 일 실시예로, 하드 마스크층(200)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막일 수 있다. 다른 실시예로 하드 마스크층은 금(gold), 은(silver) 등의 높은 반사율을 가지는 금속막일 수 있다. 하드 마스크 층이 패턴된 하드 마스크 패턴은 양자광을 반사하는 미러층으로 사용될 수 있다. 일 예로, e 빔 레지스트층(300)은 전자빔 리소그래피가 수행되어 패터닝된다.A hard mask layer 200 and an e-beam resist layer 300 are sequentially formed on a semiconductor substrate. In an embodiment, the hard mask layer 200 may be a silicon nitride film or a silicon oxide film. In another embodiment, the hard mask layer may be a metal film having a high reflectance such as gold or silver. The hard mask pattern with the hard mask layer patterned may be used as a mirror layer that reflects quantum light. For example, the e-beam resist layer 300 is patterned by performing electron beam lithography.

도 2를 참조하면, e 빔 리소그래피로 e 빔 레지스트층(300)을 패터닝하여 중심으로부터 동일한 거리에 있는 복수의 홀(h)들을 포함하는 홀 그룹(HG1, HG2, ...HGK, 도 5 참조)이 복수개 형성된 e 빔 레지스트 패턴(310)을 형성한다. 이어서 e 빔 레지스트 패턴(310)을 식각 마스크로 이방성 식각을 수행하여 하드 마스크 패턴(210)을 형성한다. 일 실시예로, e 빔 레지스트 패턴(310)을 형성하는 과정과 하드 마스크 패턴(210)을 형성하는 과정은 이방성 식각(anisotropic etch)으로 수행될 수 있으며, 플라즈마를 이용한 이방성 식각으로 수행될 수 있다. 이러한 과정을 수행하여 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 복수의 홀(h)들을 포함하는 홀 그룹(HG1, HG2, ...HGK, 도 5 참조)을 복수개 형성하는 패턴 마스크를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 2 , hole groups HG1 , HG2 , ... HGK including a plurality of holes h at the same distance from the center by patterning the e-beam resist layer 300 by e-beam lithography, see FIG. 5 . ) to form a plurality of e-beam resist patterns 310 . Then, anisotropic etching is performed using the e-beam resist pattern 310 as an etch mask to form a hard mask pattern 210 . In an embodiment, the process of forming the e-beam resist pattern 310 and the process of forming the hard mask pattern 210 may be performed by anisotropic etching, and may be performed by anisotropic etching using plasma. . By performing this process, a pattern mask for forming a plurality of hole groups HG1 , HG2 , ... HGK (refer to FIG. 5 ) including a plurality of holes h spaced apart from the center by the same distance may be formed.

도 3을 참조하면, 패턴 마스크를 식각 마스크로 하여 제2 반도체 층(130)을 식각하여 제2 반도체 층(130)에 복수의 홀 그룹(HG1, HG2, ...HGK, 도 5 참조)에 상응하는 복수의 홀(h)들을 형성한다. 제2 반도체 층(130)에 복수의 홀 그룹(HG1, HG2, ...HGK, 도 5 참조)에 상응하는 복수의 홀(h)들을 형성하는 단계는, 이방성 식각으로 수행될 수 있다. 이방성 식각에 의하여 제2 반도체 패턴(130')과 양자 구조 패턴(132')이 형성되며, e 빔 레지스트 패턴(310)에 형성된 복수의 홀(h)들이 제1 반도체 패턴(130')로 전사된다.Referring to FIG. 3 , the second semiconductor layer 130 is etched using the pattern mask as an etch mask to form a plurality of hole groups HG1 , HG2 , ... HGK in the second semiconductor layer 130 , see FIG. 5 ). A corresponding plurality of holes (h) are formed. The forming of the plurality of holes h corresponding to the plurality of hole groups HG1 , HG2 , ... HGK (refer to FIG. 5 ) in the second semiconductor layer 130 may be performed by anisotropic etching. A second semiconductor pattern 130 ′ and a quantum structure pattern 132 ′ are formed by anisotropic etching, and a plurality of holes h formed in the e-beam resist pattern 310 are transferred to the first semiconductor pattern 130 ′. do.

일 실시예로, 이방성 식각은 유도 결합된 플라즈마(inductively coupled plasma)를 이용하여 수행될 수 있으며, 이로부터 높은 종횡비를 가지는 홀(h)들을 형성할 수 있다. In an embodiment, the anisotropic etching may be performed using an inductively coupled plasma, and holes h having a high aspect ratio may be formed therefrom.

일 실시예로, 제2 반도체 층(130)을 식각하여 제2 반도체 층(130)에 복수의 홀 그룹에 상응하는 복수의 홀(h)들을 형성하는 단계는 희생층(sacrificial layer, 120)이 노출될 때 까지 수행될 수 있다.In an embodiment, the etching of the second semiconductor layer 130 to form a plurality of holes h corresponding to a plurality of hole groups in the second semiconductor layer 130 may include forming the sacrificial layer 120 in the second semiconductor layer 130 . This can be done until exposure.

도 4를 참조하면, 등방성 식각(isotropic etch)을 수행하여 희생층(120)을 제거한다. 일 실시예로, 희생층(120)을 제거하는 과정은 에쳔트(etchant)가 복수의 홀(h)들과 홀들이 형성된 베이스(base, 도 5 참조)와 기판(100) 사이를 통해 제공되어 희생층을 식각하여 수행될 수 있다. 일 실시예로, 희생층(120)을 제거하는 과정은 습식각(wet etch)로 수행될 수 있다. 다른 실시예로, 희생층(120)을 제거하는 과정은 플라즈마를 이용한 등방성 식각으로 수행될 수 있다. Referring to FIG. 4 , the sacrificial layer 120 is removed by performing an isotropic etch. In one embodiment, in the process of removing the sacrificial layer 120 , an etchant is provided between a plurality of holes h and a base (see FIG. 5 ) in which the holes are formed and the substrate 100 . This may be performed by etching the sacrificial layer. In an embodiment, the process of removing the sacrificial layer 120 may be performed by wet etch. In another embodiment, the process of removing the sacrificial layer 120 may be performed by isotropic etching using plasma.

희생층(120)을 제거하는 과정은, 홀(h) 들이 형성된 베이스(base, 도 5 참조) 하부의 희생층(120)과 브릿지(B, 도 5 참조) 하부의 희생층(120)이 식각되도록 공정 조건을 제어하여야 한다. In the process of removing the sacrificial layer 120 , the sacrificial layer 120 under the base (see FIG. 5 ) in which the holes h are formed and the sacrificial layer 120 under the bridge (B, see FIG. 5 ) are etched. Process conditions should be controlled as much as possible.

희생층(120)이 제거됨에 따라 복수의 홀 그룹(HG1, HG2, ...HGK)들이 형성된 베이스(base)는 브릿지(B, 도 5 참조)에 의하여 반도체 기판(100)과 연결되되, 희생층(120)이 제거되어 제1 반도체층(110)과 이격된다. 또한, 도 4로 예시된 것과 같이 하드 마스크 패턴(210)은 희생층(120)을 제거한 후에도 잔존할 수 있다. As the sacrificial layer 120 is removed, a base on which a plurality of hole groups HG1 , HG2 , ... HGK are formed is connected to the semiconductor substrate 100 by a bridge B (refer to FIG. 5 ), and the sacrificial The layer 120 is removed to be spaced apart from the first semiconductor layer 110 . Also, as illustrated in FIG. 4 , the hard mask pattern 210 may remain after the sacrificial layer 120 is removed.

일 예로, 하드 마스크층(200, 도 1 참조)을 금(gold) 혹은 은(silver)으로 형성한 경우에는 하드 마스크 패턴(210)은 양자 광원(10)에 전력을 전달하는 전극으로 기능할 수 있고, 양자 광원이 발생하는 광을 목적하는 방향으로 반사하는 미러 패턴(mirror patter)으로 기능할 수 있다. For example, when the hard mask layer 200 (refer to FIG. 1 ) is formed of gold or silver, the hard mask pattern 210 may function as an electrode that transmits power to the quantum light source 10 . and may function as a mirror pattern that reflects the light generated by the quantum light source in a desired direction.

도 5는 희생층이 제거되어 단일한 양자 광원(10)이 형성된 상태를 도시한 도면이고, 도 6은 양자 광원 어레이를 예시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 양자 광원(10)은 중심으로부터 동일한 거리를 가지도록 이격된 복수의 홀(h)들을 포함하는 홀 그룹들(HG1, HG2, ...HGK)을 포함한다. 상술한 바와 같이 복수의 홀 그룹(HG1, HG2, ...HGK)들이 형성된 베이스(base)는 브릿지(B)를 통하여 반도체 기판(100)에 연결되어 지지된다. 5 is a diagram illustrating a state in which a single quantum light source 10 is formed by removing the sacrificial layer, and FIG. 6 is a diagram illustrating a quantum light source array. Referring to FIG. 5 , the quantum light source 10 includes hole groups HG1 , HG2 , ... HGK including a plurality of holes h spaced apart from the center to have the same distance. As described above, the base on which the plurality of hole groups HG1 , HG2 , ... HGK are formed is connected to and supported by the semiconductor substrate 100 through the bridge B .

일 실시예에서, 양자 광원(10)이 방출하는 양자광의 파장은 중심으로부터 각 홀 그룹에 속하는 홀들이 이격된 거리, 각 홀의 반지름, 홀들이 이격된 거리에 따라 조절될 수 있다. 반도체 기판(100)에는 도 6으로 도시된 것과 같이 복수 개의 단위 양자 광원(10)이 어레이 형태로 배치될 수 있다. In an embodiment, the wavelength of the quantum light emitted by the quantum light source 10 may be adjusted according to a distance from the center of holes belonging to each hole group, a radius of each hole, and a distance from which the holes are spaced apart. As shown in FIG. 6 , a plurality of unit quantum light sources 10 may be disposed on the semiconductor substrate 100 in an array form.

이하에서는 양자 광원(10)을 이용한 양자 광 전송 장치(1)를 도 7을 참조하여 설명한다. 다만, 위에서 설명된 실시예와 동일하거나 유사한 내용은 간결하고 명확한 설명을 위하여 생략할 수 있다. 도 7은 본 실시예에 의한 양자광 전송 장치(1)를 개요적으로 예시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 양자광 전송 장치(1)는 광 섬유(optical fiber, 500)와, 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 복수의 홀들을 포함하는 홀 그룹을 복수개 포함하며, 광 섬유의 일 단부에 위치하는 양자 광원(10)과 양자 광원이 광섬유를 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대면인 제2 면에 각각 위치하여 양자 광원에 에너지를 전달하는 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)을 포함한다. 일 실시예로, 양자 광원(10)은 광 섬유의 일 단부의 중심에 위치할 수 있다. Hereinafter, the quantum light transmission device 1 using the quantum light source 10 will be described with reference to FIG. 7 . However, the same or similar content to the above-described embodiment may be omitted for concise and clear description. 7 is a diagram schematically illustrating the quantum light transmission device 1 according to the present embodiment. Referring to FIG. 7 , the quantum light transmission device 1 includes an optical fiber 500 and a plurality of hole groups including a plurality of holes spaced apart from the center by the same distance, and is formed at one end of the optical fiber. The quantum light source 10 and the quantum light source are located on the first surface facing the optical fiber and the second surface opposite to the first surface, respectively, the first electrode E1 and the second electrode to transmit energy to the quantum light source (E2). In one embodiment, the quantum light source 10 may be located at the center of one end of the optical fiber.

일 실시예로, 광 섬유(500)는 코어(core) 및 클래드(cladding)을 포함한다. 광은 코어를 통하여 전달된다. 코어(core)의 굴절률 값은 클래딩(cladding)의 굴절율 값보다 높은 굴절율 값을 가진다. 따라서, 코어(core)로 입사된 빛은 코어(core)와 클래딩(cladding)의 경계면에서 전반사를 반복하면서 전파된다. In one embodiment, the optical fiber 500 includes a core and a cladding. Light is transmitted through the core. The refractive index value of the core has a higher refractive index value than that of the cladding. Accordingly, the light incident on the core is propagated while repeating total reflection at the interface between the core and the cladding.

양자 광원(10)은 광섬유(500)의 일 단부에 위치한다. 양자 광원(10)의 제1 면은 제1 전극(E1)과 전기적으로 연결되고, 제2 면은 제2 전극(E2)와 연결된다. 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)에는 전압원이 연결되어 양자 광원(100)에 구동 전력을 제공한다. 도 6으로 예시된 실시예는 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)은 전압원이 연결되나, 도시되지 않은 실시예에서, 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)은 전류원이 연결된다. 일 실시예로, 광섬유와 결합하지 않는 면으로 양자가 방출되는 것을 방지하기 위하여 제1 면에 형성된 제1 전극(E1)은 금, 은 등의 높은 반사율을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이 제1 전극(E1)이 금, 은 등의 높은 반사율을 가지는 물질인 경우에, 제1 전극(E1)은 목적하지 않는 방향으로 방출되는 광자를 반사하여 코어(core)로 제공하는 미러(mirror)로 기능한다.The quantum light source 10 is located at one end of the optical fiber 500 . A first surface of the quantum light source 10 is electrically connected to the first electrode E1 , and a second surface thereof is connected to the second electrode E2 . A voltage source is connected to the first electrode E1 and the second electrode E2 to provide driving power to the quantum light source 100 . In the embodiment illustrated in FIG. 6 , the first electrode E1 and the second electrode E2 are connected to a voltage source, but in an embodiment not shown, the first electrode E1 and the second electrode E2 are a current source Connected. In an embodiment, the first electrode E1 formed on the first surface may be formed of a material having a high reflectance, such as gold or silver, in order to prevent emission of protons to the surface that is not coupled to the optical fiber. As described above, when the first electrode E1 is made of a material having a high reflectivity such as gold or silver, the first electrode E1 reflects photons emitted in an undesired direction to provide a core. It functions as a mirror.

양자 광원(10)은 점착성 전사 기판(미도시, adhesive transfer substrate)로 전사된다. 일 실시예로, 반도체 기판(100)에 형성된 양자 광원(10)이 점착성 전사 기판과 접촉하면 베이스(base)와 기판(100)을 연결하는 브릿지(B)가 파괴되고, 양자 광원(10)은 점착성 전사 기판으로 전사된다. 일 실시예로, 점착성 전사 기판은 점착성 표면을 가지는 폴리머 기판일 수 있으며, 일 예로, 점착성 전사 기판은 투명한 PDMS 기판일 수 있다. 점착성 전사 기판에 점사된 양자 광원(10)은 광섬유(500)의 코어(core)와 정렬되어 부착된다.The quantum light source 10 is transferred to an adhesive transfer substrate (not shown, adhesive transfer substrate). In one embodiment, when the quantum light source 10 formed on the semiconductor substrate 100 comes into contact with the adhesive transfer substrate, the bridge B connecting the base and the substrate 100 is destroyed, and the quantum light source 10 is It is transferred to an adhesive transfer substrate. In one embodiment, the adhesive transfer substrate may be a polymer substrate having an adhesive surface, for example, the adhesive transfer substrate may be a transparent PDMS substrate. The quantum light source 10 irradiated onto the adhesive transfer substrate is aligned with the core of the optical fiber 500 and attached thereto.

전사과정은 광학 현미경을 통해 진행 될 수 있으며, 광섬유 반대쪽에서 가이드 레이저를 입사시켜 광섬유 코어의 위치를 확인할 수 있다. 고배율의 현미경과 정밀 위치 제어 스테이지를 통해 양자광원 광학구조와 광섬유 코어간 정밀 얼라인 및 결합이 가능하다. The transfer process can be performed through an optical microscope, and the position of the optical fiber core can be confirmed by irradiating a guide laser from the opposite side of the optical fiber. The high-magnification microscope and precise positioning stage enable precise alignment and coupling between the quantum light source optical structure and the optical fiber core.

전사 과정 후 부착된 양자 광원은 광섬유 코어에 위치하며 낮은 개구율을 가지는 광섬유(500)에 효율적으로 광학 결합한다. 양자 광원 베이스에서 광섬유와 반대방향으로 방사되는 광자를 반사시키기 위하여 금을 코팅하여 반사시킬 수 있다. After the transfer process, the attached quantum light source is positioned on the optical fiber core and optically coupled to the optical fiber 500 having a low aperture ratio. In order to reflect photons emitted in the opposite direction to the optical fiber from the quantum light source base, it may be reflected by coating gold.

전압원 및 전류원 등의 전원에 의하여 양자 광원(100)에 에너지가 제공됨에 따라 양자 광원(100)은 단일 또는 얽힘 광자를 광섬유를 통하여 제공하며 낮은 개구율을 가지는 광섬유에 효율적인 광학 결합이 가능하다.As energy is provided to the quantum light source 100 by power sources such as a voltage source and a current source, the quantum light source 100 provides single or entangled photons through an optical fiber, and efficient optical coupling is possible to an optical fiber having a low aperture ratio.

도 8은 본 실시예에 의한 양자 광원(10 동작의 다른 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 레이저 소스(Laser Source)는 커플러(coupler)를 거쳐 양자 광원(10)에 레이저를 조사한다. 양자 광원(10)에 조사된 레이저의 에너지에 의하여 양자 광원(10)은 단일 또는 얽힘 광자를 생성하여 출력한다. 일 실시예로, 양자 광원(10에는 목적하지 않는 방향으로 양자가 방출되는 것을 방지하기 위하여 미러(M)가 형성될 수 있다. Figure 8 is a diagram schematically showing another embodiment of the operation of the quantum light source 10 according to the present embodiment. Referring to Figure 8, the laser source (Laser Source) is the quantum light source 10 through a coupler (coupler) The quantum light source 10 generates and outputs single or entangled photons by the energy of the laser irradiated to the quantum light source 10. In one embodiment, the quantum light source 10 is directed in an undesirable direction. A mirror M may be formed to prevent protons from being emitted.

양자 광원(10)에서 방출된 단일 또는 얽힘 광자는 광 섬유(500)를 거쳐 광섬유 커플러(fiber coupler) 제공된다. 광섬유 커플러(fiber coupler)를 거친 양자 광은 광 섬유를 통해 유도된다. 도시되지 않은 실시 예에서 광 섬유에 양자 광원외 일부 레이저가 일부 포함되는 것을 막기 위해서 광 섬유 파장 필터 또는 편광 필터가 포함될 수 있다. 도시된 양자 광원(10)은 낮은 개구율을 가지는 광섬유와 효율적인 광학 결합이 가능하다는 장점이 제공된다. Single or entangled photons emitted from the quantum light source 10 are provided via an optical fiber 500 to a fiber coupler. Quantum light passing through a fiber coupler is guided through an optical fiber. In an embodiment not shown, an optical fiber wavelength filter or a polarizing filter may be included to prevent a partial laser other than the quantum light source from being partially included in the optical fiber. The illustrated quantum light source 10 is provided with the advantage that efficient optical coupling is possible with an optical fiber having a low aperture ratio.

도 9은 일 실시예에 의한 양자광 전송 어레이(1000)를 예시한 개요도 이다. 도 9을 참조하면, 본 실시예에 의한 양자광 전송 어레이(1000)는 양자광 제공 장치(1)들이 기판(sub) 상에 어레이로 배치된다. 일 실시예로, 기판(sub)은 반도체 기판일 수 있으며, 단일한 칩(chip)을 형성할 수 있다. 9 is a schematic diagram illustrating a quantum light transmission array 1000 according to an embodiment. Referring to FIG. 9 , in the quantum light transmission array 1000 according to the present embodiment, quantum light providing devices 1 are disposed in an array on a substrate sub. In one embodiment, the substrate (sub) may be a semiconductor substrate, and may form a single chip (chip).

기판(sub)에는 양자광 제공 장치의 제1 전극(E1)과 각각 연결되어 양자광 제공 장치에 에너지를 전달하는 복수의 패드들(P1a, ..., P1d)과, 양자광 제공 장치의 제2 전극(E2)와 공통 연결되어 양자광 제공 장치에 접지 전압을 전달하는 패드(P2common)가 위치한다.The substrate sub includes a plurality of pads P1a, ..., P1d respectively connected to the first electrode E1 of the quantum light providing device to transfer energy to the quantum light providing device, and the second electrode of the quantum light providing device. A pad P2common that is commonly connected to the second electrode E2 and transmits a ground voltage to the quantum light providing device is positioned.

도시된 실시예에서, 양자광 전송 어레이가 형성된 칩은 전원들(Vsa, Vsb, Vsc, Vsd)을 포함하며, 전원들은 각각 전송하고자 하는 신호에 상응하는 전압, 전류를 제공한다. 각각의 양자광 제공 장치(1)들은 복수의 패드들(P1a, ..., P1d)과, 양자광 제공 장치의 제2 전극(E2)와 공통 연결되어 양자광 제공 장치에 접지 전압을 전달하는 패드(P2common)로부터 전달된 전압, 전류에 상응하는 양자광을 형성하여 각각의 광섬유(500a, 500b, 500c, 500d)에 전달한다. In the illustrated embodiment, the chip on which the quantum light transmission array is formed includes power supplies Vs a , Vs b , Vs c , and Vs d , and the power supplies provide voltages and currents corresponding to signals to be transmitted, respectively. Each quantum light providing device 1 is connected to a plurality of pads P1a, ..., P1d and the second electrode E2 of the quantum light providing device in common to transmit a ground voltage to the quantum light providing device. Quantum light corresponding to the voltage and current transmitted from the pad P2common is formed and transmitted to each of the optical fibers 500a, 500b, 500c, and 500d.

모의 실험예simulation example

이하에서는 도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하여 본 실시예에 의한 양자 광원의 실험 결과를 살펴본다. 도 10(a)는 양자 광원(100)의 현미경(SEM) 사진이고, 도 7(b)는 방출하는 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 10(a)를 참조하면, 양자 광원은, 중심과 인접한 홀 그룹 사이의 거리가 1000nm, 양자 광원에 포함된 복수의 홀들의 반지름이 52.5nm, 이웃하는 홀 그룹 사이의 이격 거리가 500nm, 동일한 홀 그룹에 속하는 홀 들 사이의 중심과 중심 사이의 거리가 300nm로 설계 되어 방출하는 파장이 1300nm가 되도록 설계되었다. 이와 같이 설계된 양자 광원은 방출하는 광의 파장이 1300nm 임을 도 10(b)로 확인할 수 있다.Hereinafter, the experimental results of the quantum light source according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 10A and 10B . FIG. 10(a) is a microscope (SEM) photograph of the quantum light source 100, and FIG. 7(b) is a graph illustrating a spectrum of emitted light. Referring to FIG. 10( a ), in the quantum light source, the distance between the center and the adjacent hole group is 1000 nm, the radius of a plurality of holes included in the quantum light source is 52.5 nm, the spacing between the neighboring hole groups is 500 nm, the same The center-to-center distance between the holes belonging to the hole group is designed to be 300 nm, and the emission wavelength is designed to be 1300 nm. The quantum light source designed in this way can be confirmed from FIG. 10(b) that the wavelength of the emitted light is 1300 nm.

도 11(a) 및 도 11(b)는 종래의 양자 광원과 본 실시예에 의한 양자 광원이 발산하는 전기장의 광학 모드를 도시한 도면들이다. 도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 종래의 양자 광원은 전기장을 널리 퍼지게 발산하는 것을 위에서 확인한 광학 모드 및 옆에서 확인한 광학 모드로부터 확인할 수 있다. 그러나, 본 실시예에 의한 양자 광원은 전기장을 더 좁은 각도로 발산하는 것을 도 11(b)로부터 확인할 수 있다.11(a) and 11(b) are diagrams illustrating optical modes of electric fields emitted by the conventional quantum light source and the quantum light source according to the present embodiment. Referring to FIGS. 11( a ) and 11 ( b ), it can be confirmed from the optical mode confirmed above and the optical mode confirmed from the side that the conventional quantum light source widely radiates an electric field. However, it can be seen from FIG. 11( b ) that the quantum light source according to the present embodiment radiates the electric field at a narrower angle.

도 12는 시료의 빛을 포집하는 포집 각도와 관련된 광학계의 개구율에 따른 구조별 광포집 효율(collection efficiency)을 비교한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 광 섬유에 해당하는 광 포집 각도(collection angle)인 NA= 0.1일 때 종래 기술의 효율에 비하여 2배 이상의 효율을 가지는 것을 알 수 있다. 나아가, NA=0.35, NA = 0.7인 경우에도 종래 기술에 비하여 높은 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다.12 is a graph comparing light collection efficiencies for each structure according to an aperture ratio of an optical system related to a collection angle for collecting light from a sample. Referring to FIG. 12 , it can be seen that when NA=0.1, which is a light collection angle corresponding to an optical fiber, the efficiency is more than twice that of the prior art. Furthermore, even when NA=0.35 and NA=0.7, it can be confirmed that the efficiency is higher than that of the prior art.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. Although it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings in order to help the understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation, it is merely an example, and those of ordinary skill in the art have various modifications and equivalents therefrom. It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

1: 양자광 제공 장치 10: 양자 광원
100: 반도체 기판 110: 제1 반도체 층
120: 희생층 122: 희생층 패턴
130: 제2 반도체 층 132: 양자 구조층
200: 하드 마스크층 210: 하드 마스크 패턴
300: E 빔 레지스트층 310: E 빔 레지스트 패턴
1000: 양자광 전송 어레이
B: 브릿지 base: 베이스
h: 홀 HG1, HG2, ..., HKK: 홀 그룹
E1: 제1 전극 E2: 제2 전극
1: quantum light providing device 10: quantum light source
100: semiconductor substrate 110: first semiconductor layer
120: sacrificial layer 122: sacrificial layer pattern
130: second semiconductor layer 132: quantum structure layer
200: hard mask layer 210: hard mask pattern
300: E-beam resist layer 310: E-beam resist pattern
1000: quantum light transmission array
B: bridge base: base
h: Hall HG1, HG2, ..., HKK: Hall group
E1: first electrode E2: second electrode

Claims (14)

제1 반도체층, 희생층 및 제2 반도체층이 순서대로 위치하는 반도체 기판에 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 복수의 홀들을 포함하는 홀 그룹을 복수개 형성하는 패턴 마스크를 형성하는 단계와,
이방성 식각을 수행하여 상기 제2 반도체 층에 상기 복수의 홀 그룹에 상응하는 복수의 홀들을 형성하는 단계 및
상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하며,
단일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 서로 동일한 거리만큼 이격된 양자 광원 제조 방법.
Forming a pattern mask for forming a plurality of hole groups including a plurality of holes spaced apart from the center by the same distance from the center on a semiconductor substrate in which the first semiconductor layer, the sacrificial layer, and the second semiconductor layer are sequentially positioned;
forming a plurality of holes corresponding to the plurality of hole groups in the second semiconductor layer by performing anisotropic etching; and
removing the sacrificial layer;
The plurality of holes included in the single hole group are spaced apart from each other by the same distance.
제1항에 있어서,
상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 III-V 반도체 및 II-VI 반도체 중 어느 하나인 양자 광원 제조 방법.
According to claim 1,
wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are any one of a III-V semiconductor and a II-VI semiconductor.
제2항에 있어서,
상기 III-V 반도체는 InP, GaAs, GaN 중 어느 하나이며, 상기 II-VI 반도체는 ZnO, CdSe 중 어느 하나인 양자 광원 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The III-V semiconductor is InP, GaAs, GaN Any one, wherein the II-VI semiconductor is any one of ZnO, CdSe quantum light source manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 층은
양자점(quantum dot), 고체 점 결함(defect center structure), 도핑 이온 및 이차원 물질 중 어느 하나 이상을 포함하는 양자 광원 제조 방법.
According to claim 1,
The second semiconductor layer is
A method of manufacturing a quantum light source comprising at least one of a quantum dot, a solid dot defect, a doping ion, and a two-dimensional material.
제4항에 있어서,
상기 양자점은 InAs,InGaAs, GaN, InGaN 양자점 중 어느 하나이고,
상기 도핑 이온은 어븀(Er) 이온이며,
상기 이차원 물질은 텅스텐다이셀레나이드(WSe2) 및 육방정 질화 불소(hBN, hexagonal boron nitride) 중 어느 하나인 양자 광원 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The quantum dot is any one of InAs, InGaAs, GaN, InGaN quantum dots,
The doping ion is an erbium (Er) ion,
The two-dimensional material is a quantum light source manufacturing method of any one of tungsten diselenide (WSe2) and hexagonal fluorine nitride (hBN, hexagonal boron nitride).
제1항에 있어서,
상기 패턴 마스크를 형성하는 단계는,
상기 반도체 기판에 하드 마스크층과 e 빔 레지스트 층을 순서대로 형성하는 단계와,
e 빔 리소그래피를 수행하여 상기 복수의 홀 그룹이 형성된 e 빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계와,
상기 e 빔 레지스트 패턴으로 상기 복수의 홀 그룹이 형성된 하드 마스크 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 양자 광원 제조 방법.
According to claim 1,
Forming the pattern mask comprises:
forming a hard mask layer and an e-beam resist layer on the semiconductor substrate in order;
performing e-beam lithography to form an e-beam resist pattern in which the plurality of hole groups are formed;
and forming a hard mask pattern in which the plurality of hole groups are formed using the e-beam resist pattern.
제6항에 있어서,
상기 하드 마스크 층을 형성하는 단계는,
실리콘 질화막층, 실리콘 산화막층, 금(gold)층 및 은(silver) 층 중 어느 하나로 형성하는 양자 광원 제조 방법.
7. The method of claim 6,
Forming the hard mask layer comprises:
A method of manufacturing a quantum light source comprising any one of a silicon nitride layer, a silicon oxide layer, a gold layer, and a silver layer.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 층에 상기 복수의 홀들을 형성하는 단계는,
플라즈마를 이용한 이방성 식각으로 수행되는 양자 광원 제조 방법.
According to claim 1,
The forming of the plurality of holes in the second semiconductor layer may include:
A method of manufacturing a quantum light source performed by anisotropic etching using plasma.
제1항에 있어서,
상기 희생층을 제거하는 단계는,
습식각(wet etch) 및 플라즈마를 이용한 등방성 식각(isotropic etch) 중 어느 하나로 수행되는 양자 광원 제조 방법.
According to claim 1,
The step of removing the sacrificial layer,
A method of manufacturing a quantum light source performed by any one of wet etching and isotropic etching using plasma.
제1항에 있어서,
상기 희생층은,
AlInAs 층, AlGaAs, SiO2, Si 중 어느 한 층인 양자 광원 제조 방법.
According to claim 1,
The sacrificial layer is
An AlInAs layer, AlGaAs, SiO2, a method of manufacturing a quantum light source of any one of Si.
광 섬유(optical fiber);
반도체 베이스의 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 복수의 홀들을 포함하는 홀 그룹을 복수개 포함하며, 상기 광 섬유의 일 단부에 위치하는 양자 광원;
상기 양자 광원이 상기 광섬유를 마주보는 제1 면과 상기 제1 면과 반대면인 제2 면에 각각 위치하여 상기 양자 광원에 에너지를 전달하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며,
단일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 서로 동일한 거리만큼 이격된 양자광 전송 장치.
optical fiber;
a quantum light source including a plurality of hole groups including a plurality of holes spaced apart from the center of the semiconductor base by the same distance, and positioned at one end of the optical fiber;
and a first electrode and a second electrode in which the quantum light source is positioned on a first surface facing the optical fiber and a second surface opposite to the first surface to transmit energy to the quantum light source,
The plurality of holes included in the single hole group are spaced apart from each other by the same distance.
제11항에 있어서,
상기 제2 면에 위치하는 제2 전극은 금으로 이루어진 양자 광 전송 장치.
12. The method of claim 11,
The second electrode positioned on the second surface is a quantum light transmission device made of gold.
제11항에 있어서,
상기 제2 면에 위치하는 제2 전극은 방출된 양자 광을 반사하는 양자광 전송 장치.
12. The method of claim 11,
A second electrode positioned on the second surface reflects the emitted quantum light.
제11항에 있어서,
상기 양자광 전송 장치는
단일한 칩에 복수의 양자광 전송장치가 결합된 양자광 전송 장치.

12. The method of claim 11,
The quantum light transmission device is
A quantum light transmission device in which a plurality of quantum light transmission devices are combined on a single chip.

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