양자정보통신이나 양자 암호의 핵심구성요소인 양자광원이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST(총장 강성모) 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 뾰족한 팁모양의 오벨리스크 나노 구조물을 만들고 꼭대기에 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자를 방출하는데 성공했다고 22일 밝혔다. 이 연구결과는 네이처가 발행하는 `사이언티픽 리포트` 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
양자점은 나노미터 크기의 반도체 결정체다. 전자가 수 나노미터 크기에서 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타내 인공원자라고도 불린다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다. 반도체 양자점은 높은 구동 온도와 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 등이 가능해 차세대 반도체 핵심 기술로 꼽히고 있다.
연구진은 단파장 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장시켜 나노 팁 끝에 단일 양자점을 형성하는데 성공했다. 이 양자점에서 연구진은 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 주로 발생하는 초고속 단광자 특성도 확인했다.
이 특성을 활용하면 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 쉽게 얻을 수 있다. 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점도 있다. 연구진은 또 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조가 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄해 내부 양자 효율을 크게 증가시킨다는 것도 새로 규명했다.
이번에 개발한 양자광원은 통신에서 사용이 가능한 단파장 가시광(400㎚) 대역이다. 조용훈 물리학과 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성, 제어할 수 있다”며 “매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것”으로 기대했다.
이 연구 논문은 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 연구원(박사과정)이 주도하고 조용훈 교수가 지도했다. 예산은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원을 받았다.
대전=박희범기자 hbpark@etnews.com
