밴드갭이 넓은 반도체 물질을 이용한 상온 폴라리톤 응축 현상 구현

반도체에서의 BEC(Bose-Einstein condensate)에 관련된 기초연구로 한 단계 도약하다

엑시톤 폴라리톤이란 반도체 안에 형성된 엑시톤(전자와 정공이 결

합된 준입자)과 공진기 안에 광자의 강한 상호작용의 결과로 생긴 제

3의 보즈 준입자이다. 엑시톤 폴라리톤의 밀도가 늘어나면 특정 임계

밀도에서 폴라리톤이 기저상태로 응축되는 현상을 폴라리톤 응축이

라 한다. 광자의 질량이 매우 작기 때문에 엑시톤 폴라리톤의 유효질

량도 엑시톤에 비해 상당히 작아질 수 있으며 이는 보즈-아인슈타인

응축 현상이 일어나는 임계 온도를 올려주는 역할을 한다. 엑시톤 폴

라리톤에서 보즈-아인슈타인 응축현상이 처음으로 관찰된 후, 선도

그룹에서는 이를 이용하여 주로 냉각 원자에서 연구되어 온 초유체,

양자소용돌이 등의 양자물리 현상들을 비교적 높은 온도에서 발견하

였다. 뿐만 아니라 폴라리톤 응축을 이용하면 기존 소자로는 도달할

수 없는 높은 효율로 비선형 현상을 달성할 수 있기 때문에 최근에는

차세대 신개념 광소자로 이용하려는 노력이 계속 되고 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 엑시톤 폴라리톤 연구 분야는 학문적인 측

면은 물론 응용연구 측면에서 매우 중요한 연구 분야이다. 하지만 대

부분 이 분야의 연구는 유럽, 미국 등 선진국에서 이끌어가고 있으며

국내에서의 연구는 미미한 수준이다. 국내의 경우 현재 반도체 기반

France 과제책임자

조용훈

한국과학기술원

교수

초빙과학자

Le Si Dang

Institut Neel, CNRS

Research Director

U N I V E R S I T YTechnology에 Liberal Art를 담는 캠퍼스의 기술 스토리텔링

광소자 연구가 세계적으로 매우 높은 수준에 있기

때문에, 이를 활용하면 본 연구 분야에 있어서 빠른

목표 달성 및 관련 연구 분야 선도가 가능할 것으로

보인다. 해당 결과물은 학문적으로 매우 가치가 있

을뿐더러 기존의 광전자 소자의 한계를 크게 뛰어

넘는 파급력이 매우 큰 연구 주제이다.

한편, 초빙과학자인 Le Si Dang 박사는 반도체 나

노포토닉스 분야의 세계적으로 저명한 과학자이

며, 최근 <Nature>, <Nature Physics>, <Phys.

Rev. Lett>, <Nano Letters>, <Small>, <Adv.

Funct. Mater> 등의 논문에 연구 결과를 출간하

는 등 영향력 있는 연구를 활발히 진행하고 있다.

특히, 반도체 엑시톤 폴라리톤 시스템에서의 보

즈-아인스타인 응축 현상을 처음으로 규명하여

<Nature>에 기재한 선구자로 본 과제를 통해 선도

기술 및 이론 확립에 큰 도움을 받을 수 있을 것이

라 생각돼 초빙하였다.

62 해외고급과학자초빙(Brain Pool)사업 우수성과 사례집

엑시톤 폴라리톤 관련 원천기술 확보

기존의 엑시톤 폴라리톤 연구는 주로 GaAs와 같은 밴드갭이

좁은 물질에서 연구되었으며 엑시톤 폴라리톤이 응축되는 온

도는 20K 미만이다. 이는 일반적으로 밴드갭의 좁은 물질은 엑

시톤 결합 에너지가 작기 때문에 열적 에너지가 엑시톤 결합

에너지보다 큰 경우에는 엑시톤이 해리가 되기 때문이다. 따라

서 본 연구는 엑시톤 결합 에너지가 상온의 열적 에너지보다

큰 GaN 물질을 이용하여, 상온에서도 폴라리톤 준입자를 연

구할 수 있는 시스템을 개발하는 것이 목표이다. 하지만 GaN

물질의 경우 이종기판인 사파이어 위에 성장되는데 격자상수

가 맞지 않아 부정합이 생겨 결정의 품질을 저하시키는 것이

문제점이다. 뿐만 아니라 Distributed Bragg Reflector (DBR)

을 이용한 공진기를 만들 때 이 격자 부정합이 큰 문제가 되

어 품질이 좋은 공진기를 만드는 것이 다른 물질에 비해 상당

히 어렵다. 따라서 본 연구팀에서는 이를 극복하기 위해 기존

의 Fabry-Perot 타입의 공진기 대신 전반사의 원리를 이용한

whispering gallery mode 타입의 공진기를 이용하여 접근하

였다. GaN을 마이크로 단위의 지름을 갖는 막대모양으로 성

장 시키면 GaN 물질의 결정학적인 특성에 따라 육각기둥이 만

들어지게 되는데, 식각 공정으로 인위적으로 만든 것이 아니기

때문에 공진기의 표면이 매끄러워 고품질의 공진기를 만들 수

있다. 그 결과 상온에서 높은 Rabi-splitting 에너지를 갖는 1차

원 엑시톤 폴라리톤 시스템을 얻는 데에 성공하였다.

Le Si Dang 박사의 전문성을 살려 매주 활발한 토론 및 논의를

통해 연구실의 성장팀과 특성분석팀이 연구를 추진하였다. 상

온에서 엑시톤과 공진기의 광자와의 강

한 상호작용으로 엑시톤 폴라리톤이 생

성되게 만들기 위해서는 우선 엑시톤의

에너지와 공진기의 광자의 에너지가 비

슷해야 하며 엑시톤의 파동함수와 공진

기의 파동함수가 공간적으로 잘 겹치는

구조가 필요하다. 이때 공진기의 품질

이 나쁘면 공진기의 손실이 커져 엑시

톤과 광자가 강한 상호작용을 하지 못

하기 때문에 공진기의 품질이 매우 중

요하다.

이를 만족하는 구조를 형성하기 위하

여, 성장팀이 MOCVD를 이용하여 고

품위 GaN 공진기를 성장하였다. 향후

엑시톤 폴라리톤 전기구동 소자를 만들

기 위해서는 공진기 안에 양자우물 구

조가 포함되어야 하는데, 본 연구에서

는 GaN 마이크로 막대 구조 안에 core-

shell 형태의 양자우물을 성장하였다.

특성분석팀은 성장팀이 제작한 공진기

안에서 형성되는 엑시톤 폴라리톤 현

상 분석을 위한 다차원 초고속 극미세

분광 시스템을 구축였다. GaN 물질 특

성을 조사하기 위하여 UV 대역에서도

엑시톤 폴라리톤 응축에 관련된

원천기술 확보와 함께 관련

연구를 상온과 가까운 환경에서

할 수 있는 기술을 개발하여

관련 기초연구 기반을 확립할 수

있을 것이다.

Part 3 UNIVERSITY 63

분석이 가능한 광학부품과 디텍터를 사용하여, 마이크로 스케

일 공간해상도를 가지는 2차원 ω-k dispersion 정보의 실시간

이미징이 가능한 푸리에 광학 시스템을 구축하여 엑시톤 폴라

리톤을 관찰하였다. 광학적으로 측정된 결과를 바탕으로 Le Si

Dang 박사와 활발한 논의를 통해 성장팀에게 피드백을 했다.

고품위 엑시톤 폴라리톤 시스템을 만들기 위해서는 고품질 공

진기는 물론 원하는 위치에 고품위 양자우물을 성장하는 조건

이 동시에 만족되어야 하므로 여러 번의 시도를 통해 고품위

엑시톤 폴라리톤 시스템을 얻을 수 있었다.

광산업 전반에 획기적인 결과 도출

Le Si Dang 박사는 반도체 광분석에 전반적으로 깊은 이해와

다양한 경험을 가지고 있어 연구자들이 각각 주 1회 이상 논의

및 자문을 가지는 시간을 가졌다. 엑시톤 폴라리톤 연구 뿐만

아니라 GaN 나노선 구조에 내재된 양자점 구조를 이용한 양자

포토닉스 연구, 표면 플라즈몬과 GaN 나노구조와의 상호작용

을 이용한 나노포토닉스 연구 등의 다양한 분야에서 많은 지식

과 훌륭한 조언을 얻을 수 있었다. 또한 연구실 내부뿐만 아니

라 학교 내부에 반도체 광학을 연구하는 여러 과학자와 의사소

통의 장을 만들기 위하여 공개 세미나를 개최하였다. ‘Exciton

polaritons: Review and outlook of strong light-matter

interaction in semiconductors’이라는 주제로 진행되었으며

반도체에서 엑시톤과 광자가 강한 결합으로 인해 생겨나는 엑

시톤 폴라리톤에 대해 기본 개념부터 최근 결과 소개까지 다루

었다. 엑시톤 폴라리톤 시스템과 기존

원자물리에서 연구하던 BEC 시스템에

대해서 면밀하게 비교하고, 마지막으

로 엑시톤 폴라리톤의 응용으로 폴라리

톤을 이용한 광학 네트워크 상용화 가

능성에 대해서 소개하였다. 뿐만 아니

라 학교 내부에서 주최한 국제 워크샵

에서도 ‘Photonics in wide band gap

마이크로 막대 공진기의 schematic

엑시톤 폴라리톤의 분산곡선

64 해외고급과학자초빙(Brain Pool)사업 우수성과 사례집

semiconductor nanowire: From fundamentals to device

applications’라는 주제로 밴드갭이 넓은 반도체 나노선에서

의 기본적인 물리적 특성과 그 활용 가능성에 대하여 소개하였

다. 특히, 반도체 나노선이 광자를 1차원으로 가두면서 생기는

흥미로운 물리적 현상과 최근 연구방향에 대하여 소개를 했다.

프로젝트를 진행하는 과정에서 Le Si Dang 박사는 학생들이

가지고 있는 오개념이 왜 틀렸는지, 어디서부터 잘못 생각하고

있는지 결과를 알려주기 보다 학생들이 스스로 깨달을 수 있도

록 유도할 수 있는 토론을 즐겨하였다. 처음에는 학생들이 당

황하였으나 이 덕분에 스스로 공부를 하고, 질문의 답을 찾아

나가며 명확한 개념을 성립하는 데 큰 도움이 되었다.

3달간의 짧은 연구기간에도 불구하고 Le Si Dang 박사의 배

경지식 및 실험적 노하우를 전수 받아 효과적으로 연구를 진행

할 수 있었다. 그 결과 특허 2건, 세미나 및 국제워크샵 개최 등

의 성과를 얻었다. Le Si Dang 박사가 프랑스에 돌아간 이후

에도 이메일 등을 이용하여 커뮤니케이션을 계속 하였고 그 결

과 현재 SCI 논문 1건이 게재되었으며, 1건은 투고 중이다. 엑

시톤 폴라리톤 분야는 학문적인 측면은 물론 응용연구 측면에

서 매우 중요한 연구 분야이다. 엑시톤 폴라리톤 응축에 관련

된 원천기술 확보와 함께 관련 연구를 상온과 가까운 환경에서

할 수 있는 기술을 개발하여 관련 기초연구 기반을 확립할 수

있을 것이다. 저온에서 주로 이뤄지고 있는 양자광학 실험 장

치의 상온 동작 실용화에 기여하고, 차세대 양자 통신 및 양자

전산의 실용화를 위한 양자 정보용 나노 포토닉스 소자 개발을

통해 광산업 전반에 새로운 개념의 변화를 가져올 것이라 기대

된다. 뿐만 아니라 현재 상용화된 광소자 기술로서는 얻기 어

려운 낮은 문턱전류로 비선형 현상을 관찰할 수 있어, 레이저,

광학 스위치 등 현재 사용하고 있는 광소자를 친환경적으로 대

체할 수 있을 것이다.

연구 후기

조용훈 | 한국과학기술원

Le Si Dang 박사는 반도체 광특성에 대한 전

문가로 다양한 분야에 큰 도움을 주었습니

다. 특히, 단일 양자점과 포톤모드(나노선 공

진기 또는 표면 플라즈몬 모드)의 상호작용

으로 인해 양자점의 자발방출 효과를 증진

시키는 연구에 대해 이론적 지식은 물론 실

험적 방향까지 조언을 하여 짧은 시간 안에

많은 연구진행을 할 수 있게 했습니다. 3달

간의 짧은 연구기간이었지만 프랑스에 돌아

간 이후에도 꾸준히 연구논의를 하고 있어

앞으로 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으

로 생각됩니다.

Le Si Dang | Institut Neel, CNRS

밴드갭이 큰 반도체 물질에서 빛과 물질의

상호작용에 대한 물리적인 이해를 넓히고

상온에서의 폴라리톤 형성과 관련된 새로운

물리적 현상을 연구할 수 있는 기회가 주어

진데 감사하게 생각합니다. 본 사업의 지원

에 깊이 감사드리며 향후에도 방문 기간 조

절이 좀 더 가능하다면 보다 자주 방문할 수

있게 되기를 기대합니다. 감사합니다.

Part 3 UNIVERSITY 65