화합물반도체 양자점의 성장 및 응용

나노집중교육 , 08-1-30, 횡성

KIST 나노소자연구센터최 원준

Group members :

Staff ; 이 정일 박사 한 일기 박사 송 진동 박사 박 용주 박사

Students ; 황 성호 박사 (former std, 삼성 ) 조 남기 , 유 성필 , 임 주영 , 박 성준 김 광웅 , 남 형도 , 정 경욱 , 임 아람

목 차

1. 양자점이란 ?

2. 화합물반도체 양자점의 응용

2-1. 양자정보처리를 위한 반도체 양자점

2-2. 화합물반도체 양자점 광소자3. KIST 나노소자 연구센터의 양자점 관련 연구현황 - 양자점 성장 - 양자점 LD - 양자점 SLD - 양자점 원적외선 수광소자4. 결 론

Quantum Dot ?

AFM images of SAQD

* SAQD(Self-Assembled Quantum dot)

Quantum Dot ?

QD growth-SK method

Electronic structure of QD

PL of QD

Quantum Dot ?

- Important for both physics and application- Strong carrier confinement and high radiative efficiency- Quasi-0D system in the solid state : “Atom-like”, artificial atom- Embedded in semiconductor matrix : Many applications - Strong Coulomb interaction- Two level system, long coherence :good material for quantum optics- Separate advantages for ensemble and single dot application Ensemble : Optical devices(LD, VCSEL, QDIP, SOA, SLD) Uniform QDs for LD, VCSEL, QDIP Non-uniform QD for SOA and SLD Single dot : Quantum information processes (quantum cryptography) Low density QD ( 1 ~ 2 QD/m2)- Focus on In(Ga)As/GaAs SAQD: Best developed

QD(>10000 atoms) : An artificial atom

Artificial atom; - 0-D degree of freedom of e- and h+

- 2 allowed states (up, down) ; s orbital-like behavior (quite different from QW) ; single photon emitter

Nature, 405, 923(2000)

Coupled QD (QD molecule) for entanglements

e-h pair configuration for entanglement

Science, 291, 491(2001)

Show coupled states at 60 K

Why In(Ga)As/GaAs QD ?

- relatively mature growing tech. & Device Tech.(ex. 1300nm QD-LD)- Wavelength ~ 1500nm (optical comm.) on GaAs- High Q-cavity (VCSEL, PC) possible for single photon emitter- coupled QDs supply entanglement of quantum states

Science 295, 102(2002)

Electrically driven SPS Microdisk type SPS

Science 290, 2282(2000)

VCSEL type SPS

PRL 89, 233602(2002)Nature 432, 197(2004)

In(Ga)As/GaAs QD based SPS

In(Ga)As/GaAs QD based SPS

QD in PC-based nanocavity, Nature 432, 200(2004)

QD for Quantum Information Process

Requirements ; Low density QD ~ 1/m2 : for real applications Location control : for real applications Control of QD energy by shape, size and composition Determination of QD energy : Spectroscopic method

Objectives of project; 1. Growing tech. of low density QD ~ 1/m2 by MBE 2. QD growing tech. on micron-size patterned substrate for real application of quantum information processes 3. Characterization of QD state by spectroscopic method

넓은 gain bandwidth ECL, SOASymmetric gain profile Low chirp

Gain profile of QD ensemble

Material Gain of QD

문턱전류 밀도 :QW : 60 A/cm2

QD : ~ 20A/cm2

Carrier confinement of QD

양자점 :

- 활성층의 체적이 작음 Ntr (Nth) 이 작음 - 운반자의 구속으로 lateral leakage 적음 - 전류주입에 따른 굴절율 변화가 적음 chirping 이 적음 (QW 의 1/100) 고속 직접변조에 유리 고출력 LD 에 유리

QD LD - low Ith ~ 20 A/cm2

- Temperature stability : high T0 ~ 385 K

- High differential gain ~ 10 times that of QW LD

- Long wavelength operation on GaAs to 1.8 um

1.3 um is especially important because of optical comm. (VCSEL)

- High frequency modulation with negligible chirp

- High quantum efficiency(95%) and wall-plug efficiency(51%)

even for high power laser

- High power CW laser (carrier localization, low Auger process)

QD-LD

History of LD

Why 1300nm LD(VCSEL) on GaAs ?

Year

Ban

dw

idth

D

em

and

100x

10x

1xVoice traffic

Data Traffic

“Bandwidth growth will be 100-200 times over the next 4 years.”Nortel, Optical Network Division

Optical Internet working Forum(OIF) 의 기술제안 , CS 7 p69

1.3m VCSEL ? : - 광섬유의 가장 적은 분산영역 - 기존 포설된 광섬유 사용 - LAN/MAN 응용

Fiber-To-The-Home(FTTH)

Palo Alto 지역의 FTTH PON 시범예 (2001 년시작 , 2002 시 전체 확대 )

* FTTH (Fiber-To-The Home), PON (Passive Optical Network)

Why 1300nm LD(VCSEL) on GaAs ?

1.3m 파장

Edge emitting LD VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser

VCSEL 의 특징 : - 낮은 동작전류 ( 전력 ) - 원형 beam (fiber 연결용이 : 저가 광실장 ) - 2D array 가능 ( 대용량 광통신가능 ) - Wafer scale test( 대량생산 )

1300nm QDLD-기존의 InP 기반의 LD 대체가능- uncooled 동작 가능 (~100oC)- 고속 동작 가능 ( ~ 2.5Gbps)

- 저가형 FTTH 용 LD

Why 1300nm LD(VCSEL) on GaAs ?

장파장 VCSEL 을 위한 DBR mirror 의 주기수

1.3m VCSEL: 기판 : GaAs - InP 에 비해 열전달 특성 우수 ( 적은 실장 비용 ) - 적은 pair 의 GaAs/AlAs DBR mirror stack 사용 ( 낮은 손실 , 성장 용이 )

활성층 : In(Ga)As 양자점 - 양자우물에 비해 열특성 우수 ( 낮은 실장 비용 ) - 물질 이득이 큼 ( 낮은 동작전류 ) - GaAs 기판상에서 1~1.8m 파장 가능 ; 파급효과 큼 - 높은 양자효율 (>95%) - 고속동작시 동작파장 천이가 적음 ; 양자우물보다 100 배 우수 ( 고속 직접변조가능 , WDM) - 고출력 가능