KR102318555B1 - 광소자용 역나노콘과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 역나노콘은 제1 면과, 제1 면을 기준으로 소정 거리 이격되고, 상기 제1 면 보다 넓은 면적을 가지는 제2 면, 그리고 제1 면과 제2 면 사이에는 역전된 원추 형태의 바디를 포함하여 구성되고, 바디 내부에는 적어도 하나의 활성화된 점결함센터를 구비한다.

Description

광소자용 역나노콘과 그 제조방법 {Inverted nano-cone structure for photonic device and the method for manufacturing the same}

본 발명은 광소자에 이용되는 역나노콘에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 당일광자 광원으로 사용 가능한 역나노콘과 그 제조방법을 제공한다.

밝고 안정적인 단일 광자 광원은 양자 연산, 통신, 암호 등 양자정보통신 기술 실현에 필수적인 요소 중 하나이다.

반도체 공정 기술의 발달에 힘입어 양자점, 원자결함, 2-D물질과 같은 고체상태의 단일 광자 광원 소자 개발에 대한 연구가 많은 성과를 내고 있다. 고체상태의 광원은 원하는 곳에 만들 수 있고 도파로나 공진기 같은 다른 광소자와 결합 가능하기 때문에 광원 소자의 성능을 높일 수 있는 것은 물론 광양자 집적 소자에 적용할 수도 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 특히 질소 공극으로 대표되는 다이아몬드의 고체 점결함은 상온에서도 안정적으로 단일 광자 광원으로 동작이 가능하고, 무엇보다도 매우 긴 양자 얽힘 시간 특성을 가지고 있어 양자 컴퓨팅이나 양자 센서와 같은 양자 응용 분야로의 큰 포텐셜 때문에 각광받고 있다. 최근에는 실리콘 카바이드나, 징크옥사이드와 같은 넓은 에너지 밴드갭의 물질에도 단일 광자 광원으로 사용될 수 있는 점결함들이 보고되고 있다.

하지만 이러한 점결함 기반의 양자 광원은 다른 고체 상태 양자 광원과 비교해서 광 포집 효율을 높이기 위한 연구가 다소 정체되어 있었다. 넓은 에너지 밴드갭 물질 자체의 견고함 때문에 광 포집 효율을 높이기 위한 구조물 제작 공정이 어렵기 때문이다. 특히 다이아몬드는 물리적 화학적으로 매우 견고하기 때문에 재료를 가공하여 광 포집 효율을 높이는 구조물을 만든다는 것은 매우 도전 적인 일이다.

이를 해결하고자 상대적으로 공정이 용이한 실리콘과 같은 가공이 쉬운 이종 물질을 이용하여 나노구조물을 만들고 이를 점결함이 포함된 기판 위에 도입하는 방법들이 주로 사용된다. 하지만 외부 구조물을 이용할 경우, 점결함이 재료의 표면 근처에 있어야 하기 때문에 표면 strain에 의해 점결함의 광학적, 양자적 특성이 나빠진다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 재료를 직접 가공해서 나노 구조물을 만드는 것이 궁극적인 해결책이다. 나노 구조물을 제작하여 빛의 효율적으로 포집하기 위해서, 점결함으로부터 발생한 광자를 포집하고자 하는 방향으로 guiding하는 방법이 주로 사용되었다. 대표적인 구조물로는 상대적으로 제작이 간단한 Nanowire, Nanopillar, Waveguide, Bullseye grating, Solid immersion lens 등이 있다. 하지만 재료의 표면에 이러한 구조물을 만들면, 그 구조적 특성 때문에 광원으로부터 임의의 방향으로 방출되는 광자의 최대 50%까지 밖에 포집할 수 없는 근본적인 한계가 있었다.

또한 이러한 나노 구조들에서는 표면의 strain 및 표면 defect level로 인한 noise 때문에 스핀 coherence 시간이 줄어든다는 단점이 있었다. 추가적으로 이들 나노 구조는 기판으로부터 분리될 수 없기 때문에, 양자컴퓨팅 및 양자통신 분야로의 응용 시스템 구현을 위한 다른 광학 소자들과 집적화가 어려워 응용 분야 적용에 한계를 가지고 있었다.

본 발명의 목적은 광소자에 응용이 가능한 새로운 나노구조물을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 질소 공극에서 높은 광자 포집 효율을 갖는 역전 된 다이아몬드 역나노콘을 포함한다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 제1 면; 상기 제1 면을 기준으로 소정 거리 이격되고, 상기 제1 면 보다 넓은 면적을 가지는 제2 면; 및 상기 제1 면과 제2 면 사이에는 역전된 원추 형태의 바디를 포함하여 구성되고, 상기 바디 내부에는 적어도 하나의 활성화된 점결함 센터를 구비하는 광소자에 이용되는 역나노콘을 제공한다.

바람직하게는, 상기 바디의 재료(에너지 밴드갭)는 Diamond(5.5eV), SiC(3.2eV), GaN(3.45eV) 또는 ZnO(3.3eV)이고, 상기 점결함 센터는 질소 공극 센터 또는 실리콘 공극 센터이다.

바람직하게는, 상기 제1 면의 직경은 20 nm 내지 100nm이다

본 발명의 다른 측면은 역나노콘을 광원으로 포함하는 광부품으로서,

상기 역나노콘은, 제1 면; 상기 제1 면을 기준으로 소정 거리 이격되고, 상기 제1 면 보다 넓은 면적을 가지는 제2 면; 및 상기 제1 면과 제2 면 사이에는 역전된 원추 형태의 바디를 포함하여 구성되고, 상기 바디 내부에는 적어도 하나의 활성화된 점결함 센터를 구비한다.

본 발명의 또 다른 측면은 역나노콘의 제조방법에 있어서, 모재를 준비하는 단계; 상기 모재 내부에 질소 이온을 주입하고 어닐링하여 질소 공극을 형성하는 단계; 마스크를 원형으로 패터닝하고 비등방성 식각 공정을 이용하여 원기둥 형상의 나노구조물을 형성하는 단계; 및 상기 원기둥 형상이 상기 모재가 접촉된 제1면을 상기 원기둥 형상의 상부인 제2면 보다 많이 식각함으로써 역나노콘을 형성하는 단계를 포함하는 역나노콘 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 역나노콘을 형성하는 단계는, 역나노콘을 제조하기 위한 패러데이 케이지를 이용하여 건식식각하되, 상기 패러데이 케이지는, 상부와 하부에 각각 상부 오픈부와 하부 오픈부를 가지며, 하부 오픈부가 상부 오픈부 보다 더 넓은 면적을 가지는 소정 두께의 원추 형상이며. 둘레에는 다수의 홀들이 배열된 구조이다.

바람직하게는, 상기 역나노콘에 적어도 하나의 활성화된 질소공극이 존재하는 역나노콘을 선별하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 제조된 역나노콘을 상기 다이아몬드 모재에서 분리하여 광부품 구조물에 배치하는 단계를 더 포함한다.

본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 따르면, 광소자에 이용되는 새로운 역나노콘 구조물이 제공된다.

본 발명의 효과는 NV 센터에서 높은 광자 포집 효율을 갖는 역전된 다이아몬드 나노 콘을 제공한다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1a은 본 발명의 일실시예에 따른 역나노콘의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 측면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 역나노콘이 형성된 상황을 나타내는 모식도이고, 도 2b는 3D FDTD 시뮬레이션 (Lumerical Solutions Ltd.)을 사용하여 역나노콘 구조의 각도와 다이아몬드 밖으로 방출되는 파워비율의 상관 관계를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.
도 3a는 역나노콘 소소의 위치에 따라 다이아몬드 표면 외부로 방출되는 파워를 나타낸 도면이고, 도 3b는 소스의 깊이를 각각 A와 B와 변경하는 경우 전력 필드 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 4는 역나노콘 구조, 일반적인 벌크 구조, 나노기둥구조가 대물렌즈 개구수에 따라 수집효율이 변하는 정도를 시뮬레이션한 결과이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라서, 역나노콘을 제조하기 위한 역나노콘 제조용 마스크를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 역나노콘 제조방법의 흐름도이다.
도 7a는 역나노콘 어레이의 공 초점 현미경 검사 이미지 이고, 도 7b는 역나노콘에서 단일 NV 중심의 광 발광 스펙트럼을 나타내고 있고, 도 7c는 단일 광자 소스를 나타내는 역나노콘에서 NV 중심의 2 차 자기 상관 함수이고, 도 7d는 역나노콘에서 단일 NV의 전력 의존적 형광 포화 곡선이다.
도 8은 역나노콘의 20 개 IDNC (검은 색 원), 20 개의 DNP (빨간색 원) 및 대량 (파란색 원)의 NV 센터에 대한 포화 카운트 속도 및 포화 전력, IDNC의 NV 센터 세트, DNP, 벌크의 통계적 비교한 데이터이다.
도 9a는 역나노콘 내부의 NV 스핀의 광학적으로 검출 된 자기 공명 (ODMR) 스펙트럼이고, 도 9b는 Ramsey 펄스 시퀀스를 사용하여 측정 된 자유 유도 감쇠 (FID)를 나타내고, 도 9c는 한 에코 펄스 시퀀스를 사용하여 측정 된 디 파싱 시간을 나타내고, 도 9d는 4 개의 상이한 역나노콘에서 측정 된 스핀 일관성 시간을 나타내는 도면들이다.
도 10은 NV 중심 스핀 일관성 시간 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a는 본 발명의 역나노콘을 전송하기 위해 마이크로 프로브 팁을 사용한 조작 공정의 개략도이고, 도 11b는 마이크로 프로브 팁은 다이아몬드 벌크에서 역나노콘을 선택하는 단계고, 도 11c는 역나노콘이 금판 타겟으로 옮긴 후의 SEM사진을 나타낸다.
도 12는 역나노콘을 이용한 광소자의 제작 예를 도시한 도면들이다.

본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1a은 본 발명의 일실시예에 따른 역나노콘의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 측면도이다.

본 역나노콘(10)은 제1 면(100)과 제2 면(200), 그리고 제1 면(100)과 제2 면(200) 사이에는 역전된 원추 형태의 바디(300)를 포함하여 구성되고, 다이아몬드로 제조된다. 여기서 제2 면(200)은 제1 면(100)을 기준으로 소정 거리 이격되고, 제1 면(100) 보다 넓은 면적을 가진다.

한편, 역나노콘 구조 내부의 바디(300)에는 활성화된 점결함 센터가 적어도 하나 존재한다. 점결함 센터라 함은 단일 광자 광원의 소스가 가능하면 그 바디 재료와 점결함 종류에 한정되지 않는다. 바디의 재료가 가능한 물질들을 언급해 보면, 바디 재료는 에너지 밴드갭이 3eV이상의 비교적 넓은 에너지 밴드갭을 가지는 물질을 지칭하는 것으로 바람직하게는, Diamond(5.5eV), SiC(3.2eV), GaN(3.45eV), ZnO(3.3eV) 등이다. 한편, 단일광자 광원으로 이용될 수 있는 점결함의 종류로는 다이아몬드의 실리콘공극, 질소공극 그리고 SiC의 실리콘 공극 등등, 고체의 종류에 따라 수많은 결함이 있다. 역나노콘 구조는 이들 결함들에 범용적으로 적용 가능하다.

가장 바람직한 바디 재료는 다이아몬드이고, 점결함의 종류는 질소 공극이다. 이하, 상세한 설명 상에서는 설명의 편의상 다이아몬드 바디와 질소공극을 예로 들어 설명하지만 상술한 바디의 재료들과 점결함이 적용될 수 있음은 자명하다.

다이아몬드에 질소공극을 주입하는 경우, 역나노콘 구조에 질소 이온을 주입하여 어닐링 공정을 통해 활성화 시키면 일부는 질소공극 센터로서의 역할을 수행할 수 있게 된다.

이러한 역나노콘에 의하면 질소공극 센터 광원에서 생성된 빛을 대부분의 포집할 수 있는 구조가 가능해지는 효과로 단일 광자 광원에 이용되는 경우 그 밝기를 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

다이아몬드에 질소 공극 중심의 자발적 방출을 사용하여 이상적인 단일 광자 소스를 실현할 수 있는데, 질소 공극 센터를 이용한 단일 광자 소스에 대하여 다이아몬드 역나노콘 구조를 적용함으로써 센터 광원에서 생성된 빛을 대부분의 포집할 수 있게 된다.

재료의 굴절률과 단일 광자 광원의 파장에 따라 역나노콘 구조 크기를 조절하여 빛의 포집효율을 높이는 것이 가능하다. 따라서 실리콘 공극 (SiV)와 같은 다이아몬드의 다른 점결함이나, 실리콘 카바이드와 같은 바디 물질에 존재하는 단일 광자 광원을 밝게 하는데 역나노콘 구조가 사용될 수 있다.

역나노콘을 제작하기 위한 하나의 방법으로, 패러데이 케이지를 사용하여 다이아몬드 표면을 비스듬한 방향으로 건식 식각을 수행하는 방식을 이용할 수 있다. 역나노콘 구조와 다이아몬드 기판이 연결되는 영역을 최소화하면, 기판 방향으로의 손실을 줄이고 포집 효율을 높일 수 있다. 본 발명자들은 역나노콘 구조에서 질소 공극 센터의 스핀 coherence time을 측정하여 역나노콘 구조의 제작으로 인한 영향이 없음을 확인하였다. 이하 후술한다.

또한, 주사 전자 현미경 (SEM)에서의 pick and place 기술을 사용하여 다이아몬드 콘을 원하는 위치로 이동할 수 있음을 보여준다. 이러한 결과는 고체의 원자 결함 센터를 사용하여 고효율 단일 광자 소스를 실현하였을 뿐만 아니라 고품질 다이아몬드 단일 광자 소스를 양자 응용 시스템에 집적화 할 수 있는 가능성을 제시한다.

도 1b를 참조하여, 역나노콘 구조물에서는 아래면(100)의 직경은 a, 윗면(200)의 직경은 b로 명명되어 있고, 바디(300)가 아래면(100)가 이루는 각을 θ라고 하고, 점결함의 위치는 아랫면으로부터 c의 위치에 존재한다.

아래의 예는 하나의 실시예이며, 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다. 역나노콘의 크기는 단일 광자 광원의 파장, 역나노콘의 재료에 따라 변경될 수 있다.

600nm의 빛을 방출하는 광원의 포집 효율을 높이기 위해서는 콘 아래면(100)의 직경 a는 바람직하게는 20 nm 내지 100nm이다. 20nm 보다 작아지면 아래 기판과의 접촉면적이 너무 작아서 공정 진행 중에 역나노콘이 부러질 위험이 증가되고 100nm 보다 커지면 추출효율이 떨어지게 된다. 한편, 본 발명자들은 더욱 바람직한 범위가 40nm 내지 60nm 인 것을 발견하였다. 특히, 아래면(100)의 직경 a가 50nm 근처인 경우 공정상 부러질 위험이 거의 없었고 직경이 작을수록 추출효율이 우수한 점을 볼 때 아래면(100)의 직경 a의 최적치는 50nm 근처이다. 역나노콘의 길이는 500nm에서 2000nm정도가 적당하다. 500nm보다 짧으면 빛의 파장보다 콘의 길이가 짧아져서 광원에서 빛이 방출되는 것이 억제되어 광원의 밝기가 줄어든다. 2000nm보다 길면 필러가 공정 진행 중에 부러질 위험이 증가한다. 상부면의 직경은 광원의 파장에서 단일 모드가 생성될 수 있는 300nm~600nm로 한정한다. 이것은 방출되는 빛의 모드를 단순화하기 위함이다. θ는 상하부의 직경 및 콘의 길이에 따라 결정한다. 바람직하게는 아래 면의 직경의 바람직한 범위를 지키면서 가능한 가파른 각(θ가 작아짐)을 유지하는 것이 효과적이다. 도 2b를 참조하면 θ가 70도 후반에서 피크를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 바람직한 θ는 75도 내지 85 정도이고, 더욱 바람직하게는 . θ가 지나치게 크면 파워가 감소되어 효과가 반감될 수 있고, θ가 지나치게 작으면 공정상의 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 도 2b를 참조하면, 파워가 70%에 해당할 수 있는 θ가 77도 내지 81도 정도가 가장 효과적인 θ 일 수도 있다.

질소 공극은 콘과 기판의 접촉면에서의 반사되는 빛과 상부방향으로 방출되는 빛이 보강간섭을 할 수 있는 위치에 생성한다.

(시뮬레이션)

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 역나노콘이 형성된 상황을 나타내는 모식도이고, 도 2b는 3D FDTD 시뮬레이션 (Lumerical Solutions Ltd.)을 사용하여 역나노콘 구조의 각도와 다이아몬드 밖으로 방출되는 파워비율의 상관 관계를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.

다이아몬드 바디와 질소 공극 센터의 경우이다. 역나노콘 구조에서는 상대적으로 매우 작은 면적이 다이아몬드 기판에 접하는 구조를 가지고 있다.

광원의 파장, 광원의 깊이 및 광원의 깊이에서의 콘의 직경은 각각 637 nm, 300 nm 및 350 nm로 고정하였다. 일반적으로, 다이아몬드는 물리적 화학적으로 매우 안정된 물질이라, 종래의 건식식각 기술에 의해 제작된 다이아몬드 나노 기둥 구조는 약 93 내지 95 도의 약간 비스듬한 각도를 갖는다. 이 경우, 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 역나노콘 내부의 광원으로부터 다이아몬드 밖으로 방출되는 파워의 비율은 45 ~ 50% 정도이다. 이것은 소스에서 다이아몬드 기판 방향으로 방출되는 빛은 포집할 수 없기 때문이다.

그러나, 구조물의 경사 각도가 감소함에 따라, 더 많은 비율의 광이 다이아몬드 구조물로부터 방출된다. 기둥의 각도가 78.5도까지 감소하면 역나노콘 구조가 된다.

여기서 역나노콘과 다이아몬드 기판 간의 접촉 영역의 직경은 단지 50 nm 미만이며, 이때 다이아몬드 기판 방향으로 guiding하는 모드가 없기 때문에 기판 방향으로의 광 손실을 줄일 수 있다. 이와 같은 구조에서 이론적으로 광원에서 방출되는 빛의 80 % 이상을 추출할 수 있다.

다음으로, 역나노콘 구조 내 광원의 위치에 따른 수집 효율에 따라 다이아몬드에서 방출된 빛의 비율을 시뮬레이션 했다.

도 3a는 역나노콘 소소의 위치에 따라 다이아몬드 표면 외부로 방출되는 파워를 나타낸 도면이고, 도 3b는 소스의 깊이를 각각 A와 B와 변경하는 경우 전력 필드 프로파일을 나타낸 도면이다. 여기서, A = 300nm, B = 450nm이다.

계산 결과는 광원이 깊이 300nm, 구조물의 중앙 부분에 있을 때 포집 효율이 가장 높으며, 포집 효율은 구조물이 없을때 보다 20배 더 높고 다이아몬드 기둥 보다 2배 더 높다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 N.A.가 낮아도 상대적으로 많은 빛을 포집할 수 있다.

이온 주입 방법으로 질소공극 센터를 생성할 경우 역나노콘에서의 질소공극 중심의 위치는 무작위일 수 있다. 따라서, 질소공극 중심의 위치에 따라 다이아몬드 외부에서 추출된 빛의 비율을 확인할 필요가 있다. 도 3b와 같이, 78.5도의 각도인 역나노콘 구조에서 방출되는 빛의 양을 시뮬레이션 했다. 도 3a는 각 소스 위치에서 다이아몬드 표면에서 방출된 파워의 속도를 보여준다. 계산 결과는 다이아몬드 벌크 내부의 질소 공극 중심에서 방출된 총 파워로 정규화한다. 소스가 300 nm의 깊이에 있을 때, 가장 많은 양의 빛이 다이아몬드에서 방출되었다. 결과가 1보다 높은 이유는 원뿔 구조의 광 가둠으로 인한 Purcell 효과 때문이다. 시뮬레이션에 따르면, 원뿔의 Purcell 효과는 약 1.8이며 빛의 80 %를 수집할 수 있다. 도 3b는 광원의 위치에 따른 빛의 방사 패턴이다. 300nm 인 경우 벌크 방향으로 손실되는 빛의 양은 소스의 깊이가 400nm 인 경우보다 적음을 알 수 있다.

다음으로, 역나노콘 구조 내 대물 렌즈의 개구수(Numerical Aperture) 에 따른 수집 효율에 따라 다이아몬드에서 방출된 빛의 비율을 시뮬레이션 했다. 도 4는 역나노콘 구조, 일반적인 벌크 구조, 나노기둥구조가 대물렌즈 개구수에 따라 수집효율이 변하는 정도를 시뮬레이션한 결과이다. 대물 렌즈의 다양한 N.A.에 대해 계산된 포집 효율은 역나노콘 구조, 일반적인 벌크 구조, 나노기둥구조 각각 N.A.가 1로 결과를 정규화했다

나노 구조를 사용하면 개구 수 (N.A.)가 낮은 대물 렌즈에서도 높은 포집 효율을 얻을 수 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 역나노콘 구조는 나노 기둥 보다 더 높은 포집 효율을 갖는다. 본 시뮬레이션에서는 N.A. 0.95의 대물 렌즈를 사용하여 역나노콘 에서 방출된 거의 모든 빛을 포집할 수 있었다.

다음으로, 본 발명의 역나노콘을 제조하는 방법에 대해 설명한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라서, 역나노콘을 제조하기 위한 역나노콘 제조용 마스크를 도시한 도면이다.

도 5a를 참조하면, 하부에 하부 오픈부(600)를 가지며, 하부 오픈부(600)가 상부(500) 보다 더 넓은 면적을 가지는 소정 두께의 원추 형상이며, 둘레에는 홀들이 배열된 홀 어레이(700)를 적어도 2열 가지고 있다. 홀의 크기는 서로 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 또한, 상부는 소정 면적의 평판한 영역을 가지고 있으나 폐쇄된 구조를 가지고 있다.

도 5b를 참조하면, 재료는 알루미늄이고, 높이 H는 2.8mm이고, 각도 ()는 45도이며, 바닥 (R)의 반경은 3mm이며, 쉘 두께 (T)는 0.5mm이다. 우리는 마이크로 밀링으로 구조를 제작했기 때문에 알루미늄 메쉬를 사용한 기존 수제 케이지보다 더 정밀한 구조로 제작할 수 있었다. 건식 식각시, 다이아몬드는 케이지 바닥의 중앙에 배치된다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 역나노콘 제조방법을 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 역나노콘 제조방법의 흐름도이다. 다이아몬드 재료에 질소 공극센터를 제조하는 경우를 예로 들어 설명한다.

먼저, 다이아몬드 플레이트를 준비한다. 필요에 따라서는 일정 농도의 질소를 포함하는 다이아몬드를 준비하여 단일 광자 소스를 제조하기 위한 질소공극 센터 제조에 활용할 수 있다.

다음으로, 다이아몬드 플레이트에는 질소 이온을 주입한다(도 6의 a). 예를 들어, 질소 분자 이온 (14N+)을 역나노콘 구조를 만들 다이아몬드에는 200 내지 500keV의 에너지, 0.2 내지 8.0 10¹⁰/cm²의 밀도로 이온 주입을 실시한다. 그런 다음, 다이아몬드를 실질적으로 진공 상태에서 어닐링하여 질소공극 센터를 활성화한다(도 6의 b). 예를 들어, 600 내지 1000C에서 2 내지 12 시간, 1000 내지 1300 C 고진공 (<2 10-7 Torr)에서 1 내지 4 시간 어닐링하여 질소 공극 센터를 활성화했다

다음으로, 실리콘 질화물 (SiN)을 이용하여 원형 식각 마스크 패터닝한다(도 6의 c). 이 식각 마스크를 이용하여 역나노콘 구조를 형성할 것이다. SiN은 산소 플라즈마에 잘 견디고, HF 용액으로 쉽게 제거될 수 있기 때문에 다이아몬드 건식 식각을 위한 식각 마스크로 효과적이다.

다음으로, 역나노콘 구조를 제조하기 위한 식각은 2단계로 진행한다. 첫번째 단계는 실리콘 질화물 마스크를 이용하여 비등방성 식각을 수행한다(도 6의 d). 이러한 식각 공정에 의해 나노 기둥 어레이가 형성된다. 다음으로 두번째 식각공정에서는 도 5a의 패러데이 케이지를 이용하여 다이아몬드에서 비스듬한 방향으로 비등방성 건식 식각을 하거나 준 등방성 건식 식각을 한다. 건식 식각이 완료된 다음 실리콘 질화물 식각 마스크를 제거한다(도 6의 e). 이러한 과정에 의해 다이아몬드 플레이트 상에 형성된 역나노콘 어레이를 제조할 수 있다.

(실험예)

단일 광자 소스를 제조하기 위해, Element6^TM사의 <5 ppb 농도의 질소를 포함하고 있는 고순도 CVD 다이아몬드 500 m 플레이트를 사용했다. 질소 분자 이온 (14N+)을 역나노콘 구조를 만들 다이아몬드에는 340 keV의 에너지, 2.0 10¹⁰/cm²의 밀도로 이온 주입을 하였고, 대조군으로 벌크 다이아몬드에서의 질소 공극 센터 포집 효율을 측정하기 위해 같은 에너지에서 2.0 10⁹/cm²의 밀도로 주입하였다.

340 keV에 주입된 질소 분자 이온의 평균 깊이는 Stopping and Range of Ions in Matter simulations (SRIM, www.srim.org)의 계산 결과에 의하면 약 300nm 정도이다. 다이아몬드를 800 C에서 8 시간, 1100 C 고진공 (<2 10-7 Torr)에서 2 시간 어닐링하여 질소공극 센터를 활성화했다. 이어, 다이아몬드를 95 % 황산, 60 % 질산 및 70 % 과염소산 1 : 1 : 1 의 혼합산에 170 ?에서 1 시간 동안 세정하여 다이아몬드 표면의 graphite 및 다른 표면 오염물을 제거하였다. 주입된 N이온중에 NV센터로의 생성률이 대략 5%라고 가정한다면 우리의 CVD 다이아몬드 플레이트에는 200 nm 깊이에 10 NV centers/m²의 밀도의 NV센터 층이 생성되어 있다. 제작할 역나노콘 구조의 NV센터 층에서의 면적이 0.07 m²이므로 대략 70%의 확률로 NV센터가 포함된 역나노콘 구조를 발견할 수 있다.

다이아몬드에서 패러데이 케이지를 사용하여 비스듬한 방향으로 비등방성 식각을 하거나 준 등방성 식각을 하면 다이아몬드에서 역방향으로 경사진 구조를 제작할 수 있다.

일 예로 다이아몬드를 비스듬한 방향으로 건식 식각하였다. 패러데이 케이지 (Faraday cage)는 식각 장비 내부의 플라즈마의 전위구배가 케이지 표면에 평행하게 생성되게 한다. 플라즈마 식각 이온은 케이지 표면에 수직인 경로를 따라 가속된다. 모든 방향을 동시에 에칭하기 위해 원뿔 모양의 패러데이 케이지를 사용한다. 패러데이 케이지는 알루미늄 조각을 미세 가공하여 만들었다.

실리콘 질화물 (SiN)은 산소 플라즈마에 잘 견디고, HF 용액으로 쉽게 제거될 수 있기 때문에 다이아몬드 건식 식각을 위한 식각 마스크로 사용하였다. 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착에 의해 증착 된 350nm 두께의 SiN 박막에 전자 빔 리소그래피 (1차 빔 에너지 80 keV, 1000 C/cm² 밀도)로 직경 600 ~ 640 nm의 원형 실린더 패턴을 형성하였다. 사용한 레지스트는 네거티브 레지스트 (AR-N 7520.18, Allresist GmbH)였고, 레지스트 두께는 약 500 ~ 600 nm였다. 리소그래피 후, 패턴은 22? AR 300-47 (TMAH based)용액에서 80 초 동안 현상하였다.

Oxford Instruments RIE-100 ICP etcher를 사용하여 100 W RF 파워, SF₆ 40 sccm, O₂ 5 sccm 유량 및 7 mTorr 압력 분위기에서의 SiN 하드 마스크를 식각하여 레지스트의 패턴을 전사하였다. 역나노콘 구조를 만들기 위한 다이아몬드 식각은 STS 멀티 플렉스 유도 결합 플라즈마 시스템 장비에서 2단계로 진행되었다. 먼저, ICP 700 W, BIAS 50 W, O₂ 45 sccm, Cl₂ 5 sccm 및 10 mTorr 챔버 압력에서 구조의 높이를 제어하기 위한 다이아몬드를 수직 식각 공정을 진행했다. 식각된 다이아몬드 기둥의 두께는 500 nm였다.

이어서 원추형 패러데이 케이지에 샘플을 넣어, 첫 번째 단계와 동일한 조건으로 식각 프로세스를 수행했다. 식각 후, 남아있는 SiN 하드 마스크는 HF 용액으로 제거했다. 마지막으로, 다이아몬드 표면의 strain을 제거 하기 위해 고진공(<2 10-7 Torr)에서 1100 ?에서 2 시간 동안 열처리를 수행하였다. 완성된 구조의 SEM 이미지는 그림 1d에 나와있다. 구조물의 높이는 1100 nm이고, 상단 및 하단 직경은 각각 550 nm 및 50 nm였다. 구조의 테이퍼 각도는 앞서 설계했던 구조와 같은 78.5도다. 나노 스케일에서 다이아몬드는 고무 탄성과 같이 구부러지고 늘어날 수 있는데, 본 공정에서 제작한 역나노콘 다이아몬드 구조물은 직경이 50 nm 미만이었음에도 불구하고 습식 세정 중에 역나노콘 구조가 붕괴되지 않았다. 참고로, 나노 스케일 단결정 다이아몬드가 탄성 변형되며 89 ~ 98 GPa의 인장 응력에서 파괴된다고 알려져 있다.

역나노콘 구조의 효과를 확인하기 위해 질소 공극 센터가 있는 다른 다이아몬드에 나노기둥 구조도 제작했다. 제조 공정은 비스듬한 건식 에칭 공정을 제외하고 역나노콘 제조 공정과 동일하다. 필러의 테이퍼 각도는 약 93 도이다. 기둥의 높이는 1300nm이고, 상단 직경은 300nm였다.

(측정)

도 7a는 역나노콘 어레이의 공 초점 현미경 검사 이미지 (10 x 10 m²)이고, 도 7b는 637.8 nm에서 질소공극 중심 ZPL을 보여주는 역나노콘에서 단일 질소 공극 중심의 광 발광 스펙트럼 (그림 a의 빨간색 원)을 나타내고 있고, 도 7c는 g (2) (0) = 0.2 인 단일 광자 소스를 나타내는 역나노콘에서 질소 공극 중심의 2차 자기 상관 함수이고, 도 7d는 역나노콘에서 단일 질소공극의 전력 의존적 형광 포화 곡선이다.

공 초점 현미경 시스템을 사용하여 역나노콘 단일 광자 소스에서 초당 방출된 광자의 수를 측정했다. 광자 포집에는 개구 수 (N.A.) 0.95의 대물 렌즈가 사용되었다. 도 7a는 IDNC 배열의 공 초점 이미지이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 구조는 2m 주기로 만들어졌으며 구조로부터 방출되는 광자 수는 배경 보다 높다. 역나노콘은 0.3mW 입력 파워에서 1 ~ 2.5 Mcps의 속도로 단일 광자를 방출하고 있다. 앞서 계산 결과에서 알 수 있듯이 NV센터와 구조 사이의 커플링 효율의 정도에 따라 광자 방출 속도가 달라진다. NV센터가 없는 역나노콘 구조에서도 빛이 방출되고 있는데 노이즈 또한 한쪽으로 포집되기 때문이다.

질소 공극 센터의 광 발광 스펙트럼은 IDNC_A(그림 2a의 붉은 원)의 질소 공극 중심에서 측정하였다 (도 7b). 제로 포논 라인 (ZPL)은 스펙트럼에서 637 nm에서 확인되었고, 유사한 형태의 스펙트럼이 NV 센터를 갖는 모든 콘에서 확인되었다. 도 7c는 IDNC_A에서 NV 센터의 2 차 자기 상관 함수를 보여준다. 2 차 자기 상관 결과는 g ₍₂₎ () = 1 (1 g (2) (0)) exp ( | | / 0) 형식의 방정식으로 Fitting할 수 있었다. Anti-bunching dip값은 0.2였다. g (2) (0) 값이 0.5 미만이므로 역나노콘 구조에는 NV센터가 하나만 존재하는 단일광자 광원임을 확인할 수 있었다. 포화 카운트 속도는 2.7Mcps였다 (도 7d). 단결정 다이아몬드 도파관 (필러, 나노 와이어) 구조를 사용하는 단일 광자 소스 중에서 가장 높은 값이다.

도 8은 역나노콘의 20 개 IDNC (검은 색 원), 20 개의 DNP (빨간색 원) 및 대량 (파란색 원)의 질소 공극 센터에 대한 포화 카운트 속도 및 포화 전력, IDNC의 NV 센터 세트, DNP, 벌크의 통계적 비교한 데이터이다. 대시선은 중앙값을 나타낸다.

도 8과 같이 역나노콘 (IDNC)와 나노기둥(DNP)에서 각각 20 개의 밝은 NV 센터의 포화되는 카운트 속도를 측정했다. 역나노콘 구조는 나노기둥과 비슷한 입력 파워에서 포화되지만, 방출되는 포톤의 포화 카운트 속도는 나노기둥(DNP) 보다 2 배 더 높다. IDNC의 최고 값은 2.7 Mcps였고 DNP의 최고 값은 1.4 Mcps였다. 역나노콘 구조의 효과를 명확하기 확인하기 위해서 구조 없는 다이아몬드 벌크에서 20개의 NV센터의 포화 단일 광자 수를 확인했다. 평균 포화 카운트 율은 0.13 Mcps였다. 즉, 시간당 포집되는 단일 광자 수는 역나노콘 구조를 도입하면 20 배 증가시킬 수 있다. 벌크에서의 포집 효율이 약 4 % 인 것을 고려하면 역나노콘의 경우 질소공극 센터에서 약 80 %의 단일 광자를 포집할 수 있으며, 이는 앞서 시뮬레이션 결과와 일치한다.

도 9a는 광자 방출율이 2.7 Mpcs 인 역나노콘 내부의 NV 스핀의 광학적으로 검출 된 자기 공명 (ODMR) 스펙트럼이고, 단일 딥은 ms = 0과 ms = +1 사이의 공진 주파수를 나타낸다. 도 9b는 Ramsey 펄스 시퀀스를 사용하여 T2 * = 1.5 + 0.2 s로 측정된 자유 유도 감쇠 (FID)를 나타내고, 도 9c는 한 에코 펄스 시퀀스를 사용하여 T2 = 76 + 13 s의 측정 된 디 파싱 시간을 나타내고, 도 9d는 4 개의 상이한 역나노콘에서 측정 된 스핀 일관성 시간을 나타내는 도면들이다.

역나노콘 내부의 NV 스핀 일관성 시간을 측정한다. 도 9a는 연속 광학 및 마이크로파 장을 갖는 광학적으로 검출된 자기 공명 (ODMR) 스펙트럼을 도시한다. ms = + 1과 1 사이의 에너지 레벨을 나누기 위해 64G의 바이어스 자기장을 적용했다. Ramsey 간섭계 펄스 시퀀스를 사용하여 NV T2 * = 1.5 0.2 s를 측정했다. 적용된 마이크로 웨이브 주파수는 3 MHz만큼 조정 했으며 질소 원자 (¹⁴N) 핵 스핀으로부터의 초 미세 분할로 인한 비팅(Beating) 신호가 관찰되었다. 한 에코(Hahn Echo) 펄스 시퀀스는 NV 센터의 Decoherence 시간 T₂ 를 측정하는데 사용한다. 측정된 T₂ 는 76 13 s이다. 반향 신호의 갑작스런 감소와 증가는 NV 센터 스핀 주위의 고유 한 ¹³C 동위 원소 핵 스핀의 영향 때문으로 분석된다. 증가 시점에서 추출 된 바이어스 자기장은 ¹³C 핵 스핀의 자이로 마그네틱 비율로 나눈 68 4G이며 이는 ODMR 스펙트럼에서 측정 한 것과 일치한다. 마지막으로, 우리는 광자 방출 속도가 1 Mcps 이상인 4 개의 다른 IDNC에서 NV 센터 스핀 일관성 시간을 측정했다. IDNC의 300nm 이하의 지오메트리에도 불구하고, NV 센터 스핀의 대부분은 T2 *> 1 s 및 T2> 80 s를 나타 냈다. 스핀 측정은 이러한 전사 가능한 밝은 단일 광자 구조가 양호한 스핀 응집성 시간을 가지며, 이는 전형적인 나노 구조 다이아몬드의 그것보다 뛰어남을 확인시켜 준다.

도 10은 NV 중심 스핀 일관성 시간 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10a는 FID 측정을 위한 램지 펄스 시퀀스이다. 첫 번째 NV 스핀은 532nm 녹색 레이저를 조명하여 ms = 0으로 초기화된다. 그런 다음 ms = 0과 +1 사이의 공진에서 주파수가 3 MHz 인 마이크로파가 /2 하다마드게이트로 적용된다. 추가 녹색 레이저 펄스를 통해 최종 NV 스핀 상태를 판독한다. 도 9b의 측정데이터를 이론 함수에 잘 맞는다. 도 10b는 T2 측정을 위한 한 에코 펄스 시퀀스이다. 그림 9c의 측정 데이터는 이론 함수에 잘 맞는다.

(역나노콘의 응용)

본 발명의 역나노콘은 광범위하게 광소자에 응용될 수 있다. 그 예로, 고체상대 단일 광자 소스를 활용할 수 있는데, 소스를 다른 장치와 집적하는 것이 효과적일 수 있다. 양자점 및 2-D 물질의 경우, 다른 기능성 광학 장치로 소스를 전달하는 방법이 필요하다. 하지만 다이아몬드의 경우 매우 단단하기 때문에 구조를 옮기기 어려울 수 있다. 그러나, 본 발명의 역나노콘 구조는 바닥의 반경이 매우 작기 때문에 외력에 의해 쉽게 분리될 수 있는 점을 발견하였다.

도 11a는 본 발명의 역나노콘을 전송하기 위해 마이크로 프로브 팁을 사용한 조작 공정의 개략도이고, 도 11b는 마이크로 프로브 팁은 다이아몬드 벌크에서 역나노콘을 선택하는 단계고, 도 11c는 역나노콘이 금판 타겟으로 옮긴 후의 SEM사진을 나타낸다.

우리는 역나노콘 구조를 다른 위치로 옮겨 보았다. 우리는 SEM에서 pick and place 기술을 사용했다. 우리는 반데르발스 힘이있는 텅스텐 마이크로 프로브 팁으로 IDNC 구조를 때어내고 (도 11b), 두 개의 텅스텐 팁이 있는 금판 타겟에 쉽게 배치할 수 있었다(도 11c).

단일 방출 방향을 제어하기 위해 역나노콘의 방향을 제어할 수도 있다. 이러한 방식으로, 우수한 광학 및 양자 특성을 갖는 역나노콘 구조는 도파로 및 광 공진기와 같은 기능성 광학 장치와 선택적으로 통합될 수 있다.

다음으로 도 12는 역나노콘을 이용한 광소자의 제작 예를 도시한 도면들이다.

도 12를 참조하면, Pick and place기술을 사용하여 제작한 구조를 다른 곳으로 선택적으로 전송할 수 있음도 보여주었다. 본 발명의 구조는 양자 집적 회로를 위한 광원뿐만 아니라 양자 센싱을 위해서도 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 질소 공극을 콘의 접촉부분 가까이 만들고 상부를 다른 곳에 붙여 캔틸레버의 팁으로 사용하여, 나노 스케일의 자기장을 측정하는데 응용 가능하다. 뿐만 아니라 최근 주목받고 있는 나노 사이즈의 다이아몬드의 고탄성 특성을 이용하여 콘의 굽은 정도에 따른 유량 분석 등의 측정에도 사용할 수 있을 것이다. 콘이 휘어지는 정도에 따라 결함이 받는 스트레인 값도 변하기 때문에 결함에서 방출되는 빛의 특성 제어에도 응용 가능하다.

이 구조는 다이아몬드의 다른 점결함 및 실리콘 카바이드의 결함 관련 컬러 센터와 같은 다른 단일 광자 방출기에도 적용될 수 있기 때문에 제시된 구조는 양자를 포함한 다양한 응용 분야의 효율을 향상시키는 데 널리 사용될 것으로 기대한다.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 역나노콘의 제조방법에 있어서,
   모재를 준비하는 단계;
   상기 모재 내부에 질소 이온을 주입하고 어닐링하여 질소 공극을 형성하는 단계;
   마스크를 원형으로 패터닝하고 비등방성 식각 공정을 이용하여 원기둥 형상의 나노구조물을 형성하는 단계; 및
   상기 원기둥 형상이 상기 모재가 접촉된 제1면을 상기 원기둥 형상의 상부인 제2면 보다 많이 식각함으로써 역나노콘을 형성하는 단계를 포함하되,
   상기 역나노콘을 형성하는 단계는,
   역나노콘을 제조하기 위한 패러데이 케이지를 이용하여 건식식각하되,
   상기 패러데이 케이지는,
   상부와 하부에 각각 상부 오픈부와 하부 오픈부를 가지며, 하부 오픈부가 상부 오픈부 보다 더 넓은 면적을 가지는 소정 두께의 원추 형상이며. 둘레에는 다수의 홀들이 배열된 구조인 역나노콘 제조방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 역나노콘에 적어도 하나의 활성화된 점결함 센터가 존재하는 역나노콘을 선별하는 단계를 더 포함하는 역나노콘 제조방법.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 모재의 재료(에너지 밴드갭)는 Diamond(5.5eV), SiC(3.2eV), GaN(3.45eV) 또는 ZnO(3.3eV)인 광소자에 이용되는 역나노콘 제조방법.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 점결함 센터는 다이아몬드의 실리콘공 또는 질소공극, 그리고 SiC의 실리콘 공극인 광소자에 이용되는 역나노콘 제조방법.
11. 제7 항에 있어서,
    상기 제조된 역나노콘을 상기 모재에서 분리하여 광부품 구조물에 배치하는 단계를 더 포함하는 역나노콘 제조방법.
    
    

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