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화합물반도체 양자점의 성장 및 응용

나노집중교육 , 08-1-30, 횡성. 화합물반도체 양자점의 성장 및 응용. KIST 나노소자연구센터 최 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.

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화합물반도체 양자점의 성장 및 응용

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Presentation Transcript


  1. 나노집중교육, 08-1-30, 횡성 화합물반도체 양자점의 성장 및 응용 KIST 나노소자연구센터 최 원준

  2. 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

  3. 목 차 • 양자점이란 ? • 화합물반도체 양자점의 응용 • 2-1. 양자정보처리를 위한 반도체 양자점 • 2-2. 화합물반도체 양자점 광소자 • 3. KIST 나노소자 연구센터의 양자점 관련 연구현황 • - 양자점 성장 • - 양자점 LD • - 양자점 SLD • - 양자점 원적외선 수광소자 • 4. 결 론

  4. Quantum Dot ? AFM images of SAQD * SAQD(Self-Assembled Quantum dot)

  5. Quantum Dot ?

  6. QD growth-SK method

  7. Electronic structure of QD

  8. PL of QD

  9. 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/mm2) • Focus on In(Ga)As/GaAs SAQD: Best developed

  10. 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)

  11. Coupled QD (QD molecule) for entanglements e-h pair configuration for entanglement Science, 291, 491(2001) Show coupled states at 60 K

  12. In(Ga)As/GaAs QD based SPS • 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 Electrically driven SPS Microdisk type SPS VCSEL type SPS Science 295, 102(2002) Science 290, 2282(2000) PRL 89, 233602(2002) Nature 432, 197(2004)

  13. In(Ga)As/GaAs QD based SPS QD in PC-based nanocavity, Nature 432, 200(2004)

  14. QD for Quantum Information Process Requirements ; • Low density QD ~ 1/mm2 : 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/mm2 byMBE 2. QD growing tech. on micron-size patterned substrate for real application of quantum information processes 3. Characterization of QD state by spectroscopic method

  15. Gain profile of QD ensemble 넓은 gain bandwidth  ECL, SOA Symmetric gain profile  Low chirp

  16. Material Gain of QD QW : 60 A/cm2 QD : ~ 20A/cm2 문턱전류 밀도 :

  17. Carrier confinement of QD 양자점 : - 활성층의 체적이 작음 Ntr (Nth)이 작음 - 운반자의 구속으로 lateral leakage 적음 - 전류주입에 따른 굴절율 변화가 적음 chirping이 적음 (QW의 1/100)  고속 직접변조에 유리  고출력 LD에 유리

  18. QD-LD • 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)

  19. History of LD

  20. Bandwidth Demand 100x Data Traffic 10x Voice traffic 1x Year Why 1300nm LD(VCSEL) on GaAs ? “Bandwidth growth will be 100-200 times over the next 4 years.” Nortel, Optical Network Division 1.3m VCSEL ? : - 광섬유의 가장 적은 분산영역 - 기존 포설된 광섬유 사용 - LAN/MAN 응용 Optical Internet working Forum(OIF)의 기술제안, CS 7 p69

  21. Fiber-To-The-Home(FTTH) Palo Alto 지역의 FTTH PON 시범예 (2001년시작, 2002 시 전체 확대) * FTTH (Fiber-To-The Home), PON (Passive Optical Network)

  22. 1.3m 파장 Why 1300nm LD(VCSEL) on GaAs ? Edge emitting LD VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser • 1300nm QDLD • 기존의 InP기반의 LD 대체가능 • uncooled 동작 가능 (~100oC) • 고속 동작 가능 ( ~ 2.5Gbps) • 저가형 FTTH용 LD VCSEL의 특징: - 낮은 동작전류(전력) - 원형 beam (fiber연결용이:저가 광실장) - 2D array 가능 (대용량 광통신가능) - Wafer scale test(대량생산)

  23. 장파장 VCSEL을 위한 DBR mirror의 주기수 Why 1300nm LD(VCSEL) on GaAs ? • 1.3m VCSEL: • 기판 : GaAs • - InP에 비해 열전달 특성 우수 • (적은 실장 비용) • - 적은 pair의 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) • - GaAs기판상에서 1~1.8m 파장 가능;파급효과 큼 • - 높은 양자효율(>95%) • - 고속동작시 동작파장 천이가 적음; 양자우물보다 100배 우수 • (고속 직접변조가능, WDM) • - 고출력 가능

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