나노포토닉스 소자 기술 -...

물리학과 첨단기술 June 2007 45

나노포토닉스 소자 기술

김종수․변지수․정문석․기철식

저자약력

김종수 박사는 영남대학교 물리학과 이학박사(2002)로서 일본 物質材

料硏具幾構(NIMS) 나노디바이스 연구그룹 COE 연구원(2002-2005)을

거쳐 현재 광주과학기술원 고등광기술연구소 나노광학연구실 선임연구

원으로 재직 중이다. ([email protected])

변지수 박사(Clare C. Byeon)는 미국 University of Alabama at

Birmingham 물리학과에서 이학박사(2002)를 취득하고 동 대학에서 박

사후 연구원을 거쳐 한국전자통신연구원 창의연구사업단 선임연구원

(2002-2003)으로 근무 후 현재 광주과학기술원 고등광기술연구소 레이

저분광학연구실 선임연구원으로 재직 중이다. ([email protected])

정문석 박사는 전북대학교 반도체과학기술학과 이학박사(2000)로서

University of Illinois at Urbana-Champaign 박사 후 연구원(2000-2001)

과 한국전자통신연구원 선임연구원(2001-2003)을 거쳐 현재 광주과학

기술원 고등광기술연구소 나노광학연구실 선임연구원으로 재직 중이다.

([email protected])

기철식 박사는 KAIST 물리학과 이학박사(2000)로서 UCLA 박사 후 연

구원(2000-2001)과 아주대학교 연구조교수(2001-2003), 한국전자통신

연구원 선임연구원(2003-2004)을 거쳐 현재 광주과학기술원 고등광기술

연구소 나노광학연구실 선임연구원으로 재직 중이다. ([email protected])

머리말

나노포토닉스기술은 수 나노미터 (10-9 m)에서 수백 나노미

터의 크기를 갖는 물질 내에서 원자 혹은 자와 자간의

강한 상호작용으로 인한 학 특성이나 나노구조물의 배열

에 의한 학 특성을 이용하여 새로운 나노 소자

소재를 개발하는 것으로 요약할 수 있다. 양자 (quantum dot)과 결정(photonic crystal) 등을 이용한 소자들이

표 들이라 하겠다. 기의 양자 소자 연구는 부분 양

자 의 앙상블을 이용하는 것이었지만, 최근에는 단일 양자

제작이 가능해져 이를 이용한 나노 자소자 나노 소자들

을 연구하고 있다. 단 자 방출기(single photon emitter; SPE)는 단일 양자 으로 제작될 수 있는 표 인 원으로

해킹이 불가능한 양자암호나 양자컴퓨터 구 에 핵심 인 요

소이다. 결정을 이용하면 기존의 이론으로는 실 이 불가

능한 여러 가지 새로운 기능을 가진 소자 개발이 가능하여

결정은 차세 신개념 소자 시스템의 구 을 한

획기 기를 마련할 것으로 기 된다. 이러한 나노 소자

의 특성을 제 로 측정하고 분석하기 해서는 나노스 일의

분해능을 갖는 측정기술이 필요하다. 근 장 미경(near-field scanning optical mcroscopy; NSOM) 기술은 양자 과

결정 나노 소자의 특성을 측정하는데 매우 유용하게 사용

되고 있다.고등 기술연구소에서는 나노포토닉스기술과 련하여 크

게 양자 , 근 장 미경, 그리고 결정 분야를 연구하고

있다. 최근에는 시분해(time-resolved) 분 장치를 근 장

미경에 목하여 양자 에 구속된 자의 동역학 특성도

연구하고 있다. 주요 실험 장치로는 원자 힘 미경(atomic force microscopy: AFM)을 이용한 나노패턴 양자

치제어 장치, 상온 NSOM을 포함한 자외선 NSOM과 온

NSOM, 그리고, µ-PL(micro-photoluminescence), 시분해(time- resolved) 분 장치 등이 있다. 결정의 경우는 산모사를

한 다양한 로그램들을 갖추고 있으며 최근에 laser mi-cro-machining technique을 이용해 결정 제작을 시도하고

있다. 주요 연구내용과 최근 연구결과들은 아래에서 소개한

다.

양자

양자 은 물질의 조합과 그 구조 등을 이용하여 양자역학

상태를 조 할 수 있는 인공원자로서 양자역학 특성을

이용하여 원자수 에서 일어나던 상을 인간이 제어할 수

있는 실세계로 도입하기 해 태동된 개념 구조이다. 인공 인 원자를 구 하기 한 인류의 노력은 1980년 반

리소그래피 기술을 이용하여 sub-micron 수 의 반도체 양

자 개발 연구가 시작되었다. 1990년 반 자발형성 방법

을 이용한 수십 나노미터 수 의 반도체 양자 제작기술이

도입되어 양자 의 질 향상이 이루어졌다. 양질의 양자 은

이론 으로 연구되어왔던 양자소자의 연구를 실험 으로 가

능 하 다. 양자소자의 기 연구단계에서는 양자 이 가지

는 고유한 특성인 양자구속효과를 이용하여 입력 비 출력

을 획기 으로 개선할 수 있는 이 다이오드와 외선검출

기(quantum dot infrared photo detector; QDIP) 등에 응


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그림 1. AlGaAs (a) (001)과 (b) (111)A 면상의 Ga 방울의 AFM 이미지.[5]

그림 2. 기판온도에 따른 Ga 방울의 밀도변화와 크기 변화.[5]

그림 3. 결정화 조건에 따른 GaAs 나노구조의 형태변화.[4,5]

용되었다. 차 양자터 링을 이용한 단 자트랜지스터(single electron transistor; SET) 등이 연구되었으며, 2000년

반 양자 을 이용한 신개념 양자소자에 한 연구가 시작되

어 단일 양자 에서 방출되는 자를 이용한 단 자 방출기, 터 링을 이용한 양자로직소자(quantum dot cellular autom-ata; QCA), 양자커 링을 이용한 큐빗(Q-bit) 생성기 등에 응

용되기 시작했다.주과학기술원 고등 기술연구소 나노 학연구실 양자

연구 분야에서는 양자 이 가지는 물리 특성과 이를 이용

한 응용기술개발에 박차를 가하고 있다. 연구 분야는

양자커 링을 구 할 수 있는 (1) 신개념 양자구조 형성기술

개발과 (2) QCA SPE 구 을 한 양자 치제어기술

개발, (3) 큐빗 생성 물성연구를 한 양자 의 양자상태

제어기술 개발이다. 아래 본론에서는 나노 학 연구실에서

수행하고 있는 연구 황과 기술수 에 하여 소개하고자 한

다.

1. 신개념 양자구조 형성기술

반도체 양자 은 1980년 반 리소그래피를 이용한 양

자우물구조의 변형에서 출발하여 1990년 반 자발형성

방식인 격자부정합을 이용한 Stranski-Krastanow(S-K)[1] 방식과 III-V족 화합물반도체에서 용된 droplet(방울) 방식으

로 구 되어왔다.[2] 그 방법이 간단하고 양질의 양자 형

성이 가능한 S-K 방식을 이용한 InAs/GaAs 계열이 양자

상 연구 소자응용에 주도 인 재료로 사용되어왔다.[3] 그러나 S-K 방식에 의한 양자 의 형성은 크기와 구조, 치, 도 등을 인 으로 조 하기 어려워 이론 으로 소개된

신개념 소자 응용에 어려운 을 가지고 있어 재에도 이를

극복하기 해 많은 연구가 진행 에 있다.이러한 문제 을 해결하기 해 나노 학연구실에서는 양

자 의 구조와 도, 크기 등을 인 으로 조 할 수 있는

droplet 방식을 이용한 GaAs/AlGaAs 계열 양자나노구조 개

발에 역 을 두고 있다.[2] Droplet 방식의 장 으로는 성장

조건을 조 함으로써 도 조 (107 ~ 1011/cm2)이 가능하여

SPE 등 도가 필요한 소자에서부터 이 나 검출기 등

의 고 도가 필요한 소자에까지 응용가능하다. 그리고 V족의

양을 조 함으로서 다양한 크기와 구조를 가지는 양자 , 결


참고문헌

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그림 5. (a) AFM 팁 산화공정과 (b) 산화물 선택식각 및 (c) 양자점 성

장의 개념도[8] 및 AFM 리소그래피 시스템.

그림 4. (a) QCA 셀과 (b) 구동의 개념도 및 (c) 전자터널링 속도의 이

론계산 치.

그림 6. (a) 양극산화된 GaAs 나노산화물 패턴과 (b) 선택 식각 후의

나노구멍 및 (c) 정렬된 InAs 양자점의 AFM 이미지와 (d) 정렬된 InAs

양자점의 PL 스펙트럼.[8]

함된 양자 , 양자링, 결합된 양자링 등을 형성할 수 있어 터

링이나 커 링을 이용한 소자인 QCA, 큐빗 생성기 등에

응용 가능하다.[4,5]

그림 1은 나노 학연구실에서 연구 인 AlGaAs (001)과

(111)A 에 도포한 Ga 방울의 AFM 이미지이다. 동일한 양

의 Ga을 같은 기 온도에서 도포하여도 기 의 면 방향에 따

라 도를 조 할 수 있음을 보여주고 있다. 기 의 면을

(001), (111)A, (111)B으로 선택함으로써 다양한 도의 나노

구조를 얻을 수 있는 기술을 확보하고 있다.그림 2의 (a)는 기 의 온도에 따른 (111)A 상에서의 Ga

droplet의 도변화를 나타내었다. InAs와 달리 기 의 온도

만을 조 함으로써 다양한 도의 나노구조를 형성할 수 있

음을 보여 다. 그림 3은 Ga droplet에 As의 분압을 10-4 ~ 10-7 Torr까지

조 하면서 결정화하 을 때 형성되는 양자구조의 AFM 이미

지이다. As의 양을 조 하여 (a) 양자 , (b) 측면결합 양자

, (c) 이 양자링, (d) 양자링-디스크 결합 구조 등을 형성시

킬 수 있음을 보여주고 있다.

2. 양자 치제어기술

최근 양자 을 이용한 새로운 응용인 QCA와 SPE에 한

연구는 많은 이론 모델과 실험 결과가 도출되고 있다.[6,7] QCA는 양자 4개를 정사각형으로 수십 나노메타 간격으로

배열한 것으로 (그림 4(a)) 여기에 두 개의 자를 주입하면

두 개의 자가 양자 에 유되는 방식은 쿨롱힘에 의해 각

각선 방향으로 배치될 때가 가장 안정 인 상태가 된다. 그러면 “우측상단과 좌측하단”과 “좌측상단과 우측하단”이 가장

안정 이 두 상태가 될 것이며 각각 “0”과 “1” 상태라고 한

다.두 상태는 그림 4의 (b)에서와 같이 외부 기장을 이용하

여 조 할 수 있으며, 이것은 자 터 링에 의해 이루어진

다. 셀의 상태변환 속도를 높이기 해 터 링 속도를 높여

주어야 하며 이것은 그림 4의 (c)에서와 같이 양자 간의 거

리 “d ”를 조 하여 실 할 수 있다. 를 들면 InAs 양자

에서 양자 간의 간격이 16 nm인 경우 터 링 속도가 1 THz에 도달할 수 있어 고속 정보처리가 가능하다. 이러한

소자의 실 을 해 우선되어야 할 것은 양자 을 원하는 곳

에 치시킬 수 있는 기술이 필요하다.나노 학연구실에서는 AFM 의 치제어기술과 시료의

양극산화 선택 식각방법을 통하여 GaAs 기 에 나노

구멍을 원하는 치에 형성하여 양자 의 치제어용으로 사


그림 8. 1 μm 간격으로 위치제어된 (a) 산화물 닷과 (b) 산화물 닷 분

자의 AFM 이미지.

참고문헌

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그림 7. (a) 저밀도 InAs 양자점의 AFM 이미자와 (b) 포토닉크리스탈

캐비티.[10,11]

용하는 연구를 진행하고 있다.그림 5는 AFM 을 이용한 (a) 양극산화, (b) 선택 식각,

(c) 치제어 양자 성장의 개념도와 나노 학연구실에 설치

되어 있는 AFM 리소그래피 장비의 사진이다.AFM은 우수한 치제어능력을 가지고 있어, sub-nm 으

로 치제어가 가능함으로 QCA 소자에서 필요한 수십 나노

미터 이하의 거리간격으로 양자 을 치시킬 수 있는 패턴

을 기 에 형성할 수 있다. AFM 리소그래피는 (a) 양극산

화를 이용한 산화물 나노 패턴 형성과 (b) 수소계를 이용하여

선택 식각을 이용한 나노구멍을 형성, 그리고 (c) 형성된 나

노구멍이 양자 을 형성하는 공정으로 이루어진다. (그림 5)이러한 공정은 자빔 리소그래피로도 가능하나 AFM 리소

그래피 공정이 우수한 양자 의 질을 보장하기 때문에[8,9] 본

연구실에서는 AFM 리소그래피를 이용한 치제어 연구를 추

진하고 있다.그림 6은 그림 5의 방법을 이용하여 GaAs 기 에 (a) 나노

산화물 dot을 100 nm 간격으로 형성하여 (b) H계 선택식각

을 통하여 나노구멍을 형성하고 (c) 나노구멍에 InAs 양자

을 성장시켜 치제어된 양자 을 형성하 다. 치제어된 양

자 의 발 특성을 그림 6의 (d)에 나타내었다. 이러한 결과

로 볼 때 그림 5에 제안된 방식이 치제어 뿐만 아니라 양

자 의 질을 보장해주는 우수한 방식임을 보여 다.앞으로 나노 학연구실에서는 양자 의 치를 50 nm 이

하로 형성하는 기술을 발 시켜 양자커 링에 의한 특성을

평가하고 최종 으로 QCA 소자를 실 하여 양자컴퓨터 구

에 일익을 담당하고자 한다.치제어 양자 을 이용한 다른 응용분야는 단일 양자

을 이용한 SPE의 연구이다. SPE는 단일 양자 에서 나오

는 단 자를 양자 학에 응용하는 분야로써 새로운 개념의

원으로 평가되고 있다. SPE는 한 개의 양자 만을 소자내

부에 어떻게 치시키느냐 하는 것이다. 이것에 한 많은 연

구는 물질성장을 다루는 연구진에 의해 그림 7의 (a)와 같은

도 양자 을 형성하는 기술개발 쪽으로 진행되고 있다.[10] 최근 그림 7의 (b)에서 보는 바와 같이 결정 공진기 내부에

단일 양자 을 치시켜 단 자 방출의 효율을 높인 연구결

과가 발표되었다.[11] 하지만 여 히 공진기 앙에 양자 을

치시키는 것에 많은 문제 을 안고 있어 이것이 자발형성

방법의 단 이라 하겠다.이러한 문제 을 극복하기 해 나노 학연구실에서는 그

림 5의 개념과 그림 6의 결과를 바탕으로 원하는 치에 한

개의 양자 을 치시키는 연구를 진행 이다. 그림 8은

AFM 양극산화 방식을 이용하여 1 µm 간격을 가진 산화물

dot과 결합된 나노구조 응용을 한 50 nm 간격의 산화물

dot 분자이다.이러한 결과로 볼 때 결정 공진기 내의 원하는 치에 1

개의 양자 을 치시켜 안정 인 SPE 소자에 응용할 수 있

으리라 상된다. 특히 하나의 결합된 양자구조(quantum dot molecule; QDM)의 특성연구에 획기 인 진 을 일으킬

수 있을 것이다.

3. 큐빗 생성 물성연구를 한 양자 양자상태 제어기술

최근 커 링된 양자 을 이용한 양자상태제어 큐빗 생

성에 한 이론 실험 연구가 활발히 진행되고 있다.[12,13] 그림 9는 일본산업기술연구소가 제안한 커 링된 양자 을

이용한 큐빗 생성의 개념이다.[13] 당한 크기의 두 양자 의


그림 11. PL 및 TCSPC를 이용한 시분해 PL 장치 개념도.

그림 9. (a) 커플링된 양자점의 전자상태 개념도와 (b) 큐빗 발생의 개

념도.[13]

그림 10. [1‾0]방향으로 측면 커플링된 GaAs QDM그림 10. [110] 방향으로 측면 커플링된 GaAs QDM.

그림 12. 커플링된 QDM의 여기광의 편광에 따른 의존성 PL.

그림 13. 커플링된 QDM의 여기편광에 따른 케리어 수명시간.

간격을 조 하여 구속상태의 커 링이 이루어지게 하는 것이

다. 그림 9의 (a)는 양자 에 구속된 자 상태의 커 링을

나타낸 개념도이다. 이러한 커 링 상태를 이용하여 그림 9의

(b)에서처럼 “00”, “01”, “10”, “11”의 큐빗을 생성시킬 수 있

다.[13]

그림 10은 방향으로 측면 커 링된 GaAs/AlGaAs QDM 구조의 AFM 이미지이다. Ga droplet 형성 후 As을

1.5×10-5 Torr를 조사하여 결정화하면 결정화 당시의 Ga migration의 비등방성에 의해 측면 커 링구조가 가능해지는

것이다. 측면 커 링구조는 수직 커 링구조보다 학 필드를

인가하기가 수월하여 커 링된 양자 의 학 필드 효과를

측하는데 매우 유리하고 새로운 물리탐구에 유용하기 때문

에 고등 기술연구소 나노 학연구실은 한국과학기술연구원

나노소자연구센터와 공동연구를 통하여 droplet 방식을 이용

하여 형성된 측면 커 링된 GaAs QDM의 학 특성을 평

가하고 있다.최근 나노 학 연구실에서는 측면 커 링된 QDM에 펨토

이 를 이용하여 강한 학 필드를 인가하 을 때 나타

나는 상과 리어 동력학에 한 연구를 하고 있다. 아울러

인 으로 커 링을 조 할 수 있는 양자구조 개발과 모델

에 한 연구를 수행하고 있다.그림 11은 고등 기술연구소 이 분 학연구실에 보유하

고 있는 펨토 이 기반 PL과 시간상 단일 자계수법

(TCSPC)을 이용한 시분해 PL 시스템의 개념도이다. PL 측정

을 해 200 ~ 900 nm 역을 검출할 수 있는 PMT와 850~ 17000 nm까지 검출가능한 InGaAs 검출기를 보유하고 있

으며 TCSPC 방식 시분해 PL을 해서 200 ~ 1200 nm까지


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그림 15. 실온 근접장 현미경의 Main Head.그림 14. 저온 근접장 현미경 Main chamber.

검출 가능한 MCP-PMT 검출기를 사용하고 있다. 온의 물

성을 연구하기 하여 8 ~ 300 K까지 온도 조 이 가능한

온 챔버와 냉각장치를 보유하고 있다.그림 12는 측면 커 링된 양자 의 커 링방향에 평행하거

나 수직되게 polarization을 가진 펨토 이 를 조사하

을 때 나타나는 PL이다. 커 링방향에 수직하거나 수평일 때

QDM이 느끼는 학 필드에 의해 방출되는 의 장이 변

화함을 볼 수 있다. 나노 학연구실은 이러한 연구를 통해

학 필드와 QDM의 이 계를 연구하고 있다

그림 13은 QDM에 학 필드를 커 링된 방향에 수직

는 수평하게 인가했을 때 리어 동력학 실험의 일례이다. 이러한 리어동력학을 연구함으로 커 링된 구조에서의

리어의 움직임과 소자 응용에 한 아이디어를 제공받을 수

있을 것으로 사료된다.

근 장 미경

벤후크가 미경을 발견한 이래, 작은 미세구조를 학

으로 측하기 한 장비의 개발은 계속 이어져 왔다. 하지만

학 미경의 분해능 한계는 빛의 장에 계하며, 이 한계

를 회 한계라고 부른다. 따라서 가시 선(400 ~ 700 nm)을

이용하는 학 미경으로는 수백 나노미터 이하의 구조를

찰할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 해, 많은 학자들

이 장이 훨씬 짧은 자선에 주목하 다. 이를 이용한 자

미경은 미세구조를 측할 수 있는 방법으로 각 받게 되

었다. 여기서 더 나아가, 물질의 자기 마당과 미세하게 가

공된 탐침의 상호작용력을 이용하여 표면의 굴곡을 조사하는

주사 터 링 미경(STM)이나 AFM 등의 기술이 개발되어, 이제는 원자 하나까지도 볼 수 있는 놀라운 분해능이 가능해

졌다.

하지만, 자 미경이나 STM, AFM 등은 학 방법으

로 시료를 찰하는 방식이 아니므로, 시료의 학 특성을

찰할 수 없다는 한계를 가지고 있다. 즉, 발 상이나, 투과 반사 스펙트럼 등에 한 정보는 제공해주지

못한다. 이러한 문제인식을 바탕으로, 많은 학자들이 학

방법으로 높은 분해능을 얻기 한 노력을 기울여왔다. 1928년 Synge는 작은 구멍을 가진 스크린을 시료에 매우 가깝게

근시켜, 이 구멍을 통과한 빛을 분석함으로써 높은 분해능

을 얻자는 제안을 하 으나, 기술 인 문제 등으로 인하여 주

목을 받지 못하 다.[14] 1950년 이와 비슷한 아이디어가

다시 제시되어, 일부 연구그룹에서는 음 를 이용하여 동의

장 이하의 분해능을 구 하 다.[15] 1972년에 이르러서는

근 장 주사 방식을 이용하여 3 cm의 장을 가지는 마이크로

를 속 회 격자에 입사시켜 상을 얻음으로써, 장의 60분의 1의 분해능을 구 하 다.[16] 마침내 1982년, 최 의 근 장

나노 학 미경(Nearfield Scanning Optical Microscope, NSOM)이 개발되었다.[17]

최근 근 장 나노 학 미경은 다른 학 장비가 따라

올 수 없을 정도로 매우 높은 공간분해능을 가지고 있다. 이

분해능은 보통 50 nm 정도로서, STM이나 AFM에 비해서는

낮지만, 일반 학 미경의 분해능 한계인 λ /2(가시 역

에서는 300 ~ 400 nm)를 훨씬 뛰어넘는 분해능을 보인다. 한, 시료의 표면 이미지(topography)와 학 이미지를 동

시에 보여 으로써, 시료에 한 더욱 입체 이고 다양한 정


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Phys. Rev. B 65, 201104(R) (2002).

[32] Myeong-Woo Kim, Sun-Goo Lee, Teun-Teun Kim, Jae-Eun Kim,

Hae Yong Park, and Chul-Sik Kee, Appl. Phys. Lett. 90, 113121

(2007).

25 um

0 25 um

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0 25 um

그림 16. GaN 기판(a)과 Sapphire 기판(b)에 성장된 녹색발광 InGaN/GaN

양자우물구조의 근접장 발광이미지.

보를 얻을 수 있다.박막 3차원 나노구조 등의 학 특성 연구를 하여 본

연구실에서는 근 장 미경을 이용하여 하고 있으며, 보유 장비

로는 온 근 장 미경 1기, 실온 근 장 미경 1기, UV 근장 미경 1기 등이 있으며, 원으로는 Nanosecond Pulse

laser 1기, 10 fs Ti:Sapphire Pulse laser 1기 다수의

He-Ne laser를 보유하고 있다. 한 측정 장비로는 Micro-pho-toluminescence, Micro-Raman spectrometer, Micro-Triple Raman Spectrometer, Photon Counter, TE-Cooled CCD 등을 보유하고 있다.

온 근 장 미경은 재 15~300 K까지의 온도 범 내

에서 동작이 가능하며, UV~NIR까지의 장범 에서 실험이

가능하다. 실험 목 에 따라 Tip illumination-tip collection, Free space illumination-tip collection, Free space illu-mination-Tip scattering 등 NSOM에서 사용할 수 있는 거

의 모든 실험 geometry를 지원한다. 공간 분해능은 탐침의

선택에 따라 달라지나 최소 30 nm까지의 공간 분해능을 달

성할 수 있으며 단일 양자 의 발 특성 실험을 해 사용

정이다.실온 근 장 미경은 온이 필요 없는 다양한 시료에서

의 실험을 해 제작되었다. 온 근 장 미경과 달리 진공

챔버에 의한 제약이 없으므로, 더욱 다양한 원 사용이 가능

하고, 실험 목 에 따라 다양한 beam geometry가 가능하다. 재는 apertured type 탐침을 사용하여 50 nm의 공간 분

해능을 달성하고 있으며, 10 fs Ti:Sapphire laser 시스템과

연동 운용을 하고 있으므로, 실험 목 에 따라 10 fs의 시간

분해능도 동시에 달성할 계획이다.UV 근 장 미경은 GaN나 ZnO 같은 wide bandgap 물

질들의 발 특성을 찰하기 해 제작하 다. 그림 16은

UV-NSOM을 이용하여 측정한 InGaN/GaN 양자우물구조의

발 분포이미지이다. 그림에서 볼 수 있듯이 국소 인 발 인

자나 부포 등을 찰할 수 있어 GaN LED 구조의 효율개선

을 해 매우 필요하고 효과 인 연구방법이다.[18-21]

결정

결정에 한 연구는 1987년부터 시작되어 20여 년 정도

진행되고 있다.[22] 결정 나노 소자에 한 연구내용을 살

펴보면 2000년까지는 주로 결정의 포토닉밴드갭(photonic band gap)을 이용해 고효율 반도체 이 와 LED, 그리고

소형 도 로, 필터, 공진기 등을 구 하는 것이 다.[22-28] 최근에는 결정의 특이한 분산특성으로 인한 리즘(su- perprism) 상, 음의 굴 (negative refraction) 상, 자기

조 빔 (self-collimated beam propagation) 상, 결

정 도 로에서의 느린 빛(slow light) 상 등에 한 연구가

활발하다.[29-32] 국내에도 결정 연구는 KAIST, 서울 , 아주

, 포항공 , GIST, ETRI, KIST, LG 자기술원, 삼성종합

기술원, 등 학, 출연(연) 기업 등에서 꾸 히 진행되고 있

(a) (b)


참고문헌

[33] http://apri.gist.ac.kr/new_home/Member/Researcher/cskee_researc

her.html.

[34] Chul-Sik Kee, Do-Kyeong Ko and Jongmin Lee, J. of Phys.

D: Appl. Phys. 38, 3850 (2005).

[35] Chul-Sik Kee, Do-Kyeong Ko and Jongmin Lee, Solid State

Comm. 142, 195 (2007).

그림 17. 2차원적으로 주기적으로 배열된 나노와이어의 예. (b)는 위에

서 본 사진.

그림 18. 2차원 ZnO 나노와이어 광결정의 포토닉 밴드구조 (a)와 포토

닉 밴드갭의 ZnO 나노와이어 반지름 의존성 (b).

그림 19. ZnO 나노와이어의 발광파장이 광밴드갭내에 있을 때의 발광

특성 (a)과 광밴드갭 밖에 있을 때의 발광특성 (b).

다.본 연구실에서는 Si, GaAs 등 반도체와 Ag, Au와 같은

속, 자기(magnetic) 물질인 ferrite, 라즈마 등 다양한 물질

로 이루어진 결정에 한 특성을 평면 개(plane wave expansion) 방법과 유한요소시간 역(finite difference time domain) 방법을 이용해 산모사로 연구를 수행해 왔다.[33] 산모사 로그램으로는 직 로그래 한 home-made

로그램과 BandSolve, FullWave, CONSOL 등 상용 로그램

등도 갖추고 있다. 계산 컴퓨터로는 Intel Xeon Dual CPU에 8GB RAM이 장착된 Window 기반의 PC와 4 의 Pentium PC를 클러스터한 Linux 기반의 서버를 보유하고 있다. 최근

에는 ZnO 나노와이어로 이루어진 나노 결정과 자기조 빔

결정 소자에 해 연구하고 있다.[32,34,35] 본 고에서는 주

로 최근에 연구를 시작한 ZnO 나노와이어(nanowire)로 이루

어진 2차원 나노 결정에 한 연구결과를 소개한다.

1. ZnO 나노와이어 결정

양자 , 나노와이어 등은 자의 양자 구속 상을 이용하는

표 인 차원 나노구조물들이다. 이러한 차원 나노구조

물들을 결정에 응용하면 결정의 독특한 특성과 융합되어

새로운 기능성 나노 소자를 구 할 수 있는 가능성이 있다. 최근 자외선 발 소자로 많은 심을 받고 있는 ZnO 나노와

이어를 주기 배열로 성장시키는 제작방법이 소개되었다. 하지만, 아직까지 그러한 주기 으로 배열된 나노구조물의 학

특성, 를 들면 밴드갭, 모드의 변형, 독특한 분산특

성 등이 ZnO 나노와이어의 발 특성에 어떠한 향을 미치

는지는 연구된 바가 없다.2차원 으로 주기 으로 배열된 ZnO 나노와이어, 즉 2차

원 ZnO 나노와이어 결정의 포토닉밴드구조(photonic band structure)와 포토닉밴드갭 등을 이론 으로 연구하기 해서

는 주 수에 따라 변하는 ZnO 나노와이어의 굴 률을 반드

시 고려하여야 한다. 그래서 굴 률이 모든 주 수에서 일정

한 유 체로 이루어진 결정의 학 특성을 조사하는 기

존의 평면 개 방법은 이러한 연구에 합하지 않다. 장

에 따라 변하는 굴 률을 고려하기 해서는 기존의 평면

개방법에서 주어진 주 수에서 각 k값에서의 행렬값을 일

일이 조사하여 행렬값의 부호가 바 는 k값을 알아내는 방식

을 목하면 가능하다. 이러한 수치 방법을 이용하여 2차원

ZnO 나노와이어 결정의 특성을 조사하 다.그림 20은 ZnO 나노와이어 결정이 밴드갭을 가질 수

있음을 보여 다. ZnO 나노와이어의 직경과 배열 주기를 조

하므로 밴드갭을 조 할 수 있어 ZnO 나노와이어의 발

장이 포토닉 밴드갭안에 존재하도록 할 수도 있다. ZnO 나노와이어의 발 장이 포토닉 밴드갭안에 있는 경우, 결

정을 이루고 있는 ZnO 나노와이어의 발 특성은 원래의

ZnO 나노와이어의 발 특성과는 상당히 다르다. 를 들면, ZnO 나노와이어 안에서 생성된 빛의 주 수가 포토닉 밴드

갭 내에 있을 경우, 그 빛은 밖으로 되지 못하고 발 하


그림 20. 2차원 ZnO 나노와이어 triangular 광결정의 포토닉 밴드구조

와 포토닉 밴드갭의 Mg doping 농도의존성.그림 21. 발광하는 ZnO 나노와이어 주위에 국소화된 빛(a) 광결정 도파

로와의 거리 d에 따라 도파로로 전달되는 빛 분포 (b),(c). 거리 d 에

따른 도파로로 전달되는 빛의 세기의 변화.는 ZnO 나노와이어 주변에 강하게 국소화 되어 새로운 빛과

물질간의 상호작용을 유발시킬 수 있다. 주목할 것은 기존의

결정 내에서의 빛의 국소화는 결정 내부에 국소 인 결

함(local defect)을 만들어 실 하지만, 발 물질인 ZnO 나노

와이어의 경우는 국소 결함 없이 빛을 국소화할 수 있다. 한, ZnO 나노와이어의 발 장이 포토닉 밴드갭 양끝에

있으면 모드의 증가로 생성된 빛이 많이 밖으로 나올 수도

있다.ZnO 나노와이어의 기 밴드갭을 조 하기 해 ZnO에

Mg을 도핑(doping)한다. Mg이 도핑된 Zn1-xMgxO 나노와이

어의 굴 률은 Mg 도핑농도에 따라 변한다. 그래서 Zn1-xMgxO 나노와이어로 이루어진 결정의 특성은 Mg 도핑농도에 따라

달라질 것이다. 그림 20은 Zn1-xMgxO 나노와이어로 이루어

진 2차원 삼각격자(triangular) 결정의 포토닉 밴드갭이

Mg 도핑농도에 따라 어떻게 달라지는지를 보여 다. 주목할

것은 도핑농도에 계없는 포토닉 밴드갭 역이 존재한다는

것이다.차원 나노구조물로 이루어진 나노구조 결정은 기존의

유 체 결정과는 달리, 나노구조물 자체가 빛을 내는 발

물질이므로, 독특한 발 특성을 갖는 새로운 나노 발 소자로

발 할 가능이 있다. 를 들면, 앞에서 언 한 것처럼, ZnO 나노와이어에서 나오는 빛의 주 수가 포토닉 밴드갭에 포함

되는 경우, 빛은 밖으로 되지 못하고 나노와이어 주변에

강하게 구속된다. 이 구속된 빛을 원하는 방향으로 시킬

수 있는 방법 에 하나는 결정 도 로를 빛이 강하게 구

속되어 있는 Zno 나노와이어 주 에 두는 것이다. 구속된 빛

과 결정 도 로의 도 모드와의 결합(optical coupling)으로 인해 구속된 빛 에 지의 일부가 결정 도 로로 달

될 수 있기 때문이다. 그림 21은 빛이 국소화된 ZnO 나노와

이어와 결정 도 로의 거리에 따라 도 로로 빠져나가는

빛의 세기를 보여 다. 거리가 가까울수록, 도 로로 빠져나

가는 의 세기가 큰 것은 구속된 빛과 결정 도 로의 도

모드간의 결합이 커지기 때문이다.

맺음말

고등 기술연구소에서 진행하고 있는 나노포토닉스 분야의

연구 황을 양자 , 시분해 분 장치, 근 장 미경, 결정

을 심으로 소개했다. 그 외에도 한국과학기술연구원, 한국

과학기술원, 북 학교, 서울 학교, 성균 학교 등 국내

의 여러 학 연구기 들과 양자 나노구조체 제작과

NSOM 분야 등의 공동연구를 수행 이며, 국제 으로는 R. Friend 교수가 이끄는 국 Cavendish 연구소 Optoelec- tronics Group과 Cavendish-KAIST 공동연구 력센터(CKC)를 통해 고분자 반도체 물질의 시분해 분 특성 연구를 수행

이며, 한 국 Manchester 학의 Photon Science Institute와도 양자 이 첨가된 굴 폴리머의 시분해 특

성 연구 등을 수행하고 있다. 나노구조를 만드는 장비와 나노

구조의 특성을 공간 -시간 으로 분석하고 응용할 수 있는

시설과 연구원이 모두 갖추어져 있는 연구실은 국내에서 드

물 것이다. 앞으로는 나노구조에서 아주 빠른 시간에 일어나

는 상을 연구하는 펨토-나노포토닉스 융합분야를 극 으

로 연구할 계획이다.

나노포토닉스 소자 기술 -...

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