KR102825062B1 - Entangled-photon pair emitting device - Google Patents
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Abstract
본 발명의 개념에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치는 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 압전 구조체, 상기 압전 구조체는 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면을 향하여 상기 압전 구조체를 관통하는 개구를 포함하고, 상기 개구를 채우는 응력 전달 매개체, 상기 응력 전달 매개체 상에 배치되는 광원 생성부, 상기 압전 구조체의 상기 제1 면 상에 제공되는 상부 전극 및 상기 압전 구조체의 상기 제2 면 상에 제공되는 하부 전극을 포함한다. 상기 광원 생성부는 반도체 박막 및 상기 반도체 박막 내부의 양자점을 포함한다.An entangled photon pair generating device according to the concept of the present invention comprises a piezoelectric structure including first and second faces facing each other, the piezoelectric structure including an opening penetrating the piezoelectric structure from the first face toward the second face, a stress transmitting medium filling the opening, a light generating unit disposed on the stress transmitting medium, an upper electrode provided on the first face of the piezoelectric structure, and a lower electrode provided on the second face of the piezoelectric structure. The light generating unit includes a semiconductor thin film and a quantum dot inside the semiconductor thin film.
Description
본 발명은 얽힘 광자쌍을 생성 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 압전 구조체를 이용하는 얽힘 광자쌍 생성 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for generating entangled photon pairs, and more particularly, to a device for generating entangled photon pairs using a piezoelectric structure.
양자점이란 10 nm 미만 크기의 반도체 결정체를 말한다. 양자점은 Excitonic Bohr radius 보다 작은 크기를 갖는 경우 강한 양자 제한 효과(Quantum Confinement Effect)에 의해 다양한 발광 파장을 갖는 광자를 발생시킬 수 있다. 특히, 양자 전송이나 양자 이미징 등에 사용되는 얽힘 광자쌍(Entangled-photon pair)을 확률적이 아닌 확정적으로 생성할 수 있는 물질로는 양자점이 거의 유일한 것으로 알려져 있다.Quantum dots are semiconductor crystals with a size of less than 10 nm. Quantum dots can generate photons with various emission wavelengths due to the strong quantum confinement effect when they have a size smaller than the excitonic Bohr radius. In particular, quantum dots are known to be almost the only material that can deterministically, rather than probabilistically, generate entangled photon pairs used in quantum transport or quantum imaging.
한편, 양자점으로부터 얽힘 광자쌍을 생성하기 위해서는 양자점의 구조가 완벽한 원형인 것과 같은 이상적인 상황이 아니라면, 양자점 외부에서 인위적으로 전기장을 인가하거나 국소적인 응력을 인가하는 방법이 사용될 수 있다. 특히, 국소적인 응력을 가하는 경우 응력의 세기에 따라 발생되는 얽힘 광자쌍의 파장이 크게 변할 수 있다. 즉, 양자점에 강한 응력을 가할 수 있는 경우, 생성되는 얽힘 광자쌍의 파장 범위가 넓게 제어될 수 있다. 따라서 양자점으로부터 생성되는 얽힘 광자쌍의 파장 범위를 넓게 제어하기 위하여, 양자점에 강한 응력을 가할 수 있는 방법들이 활발히 연구되고 있다.Meanwhile, in order to generate entangled photon pairs from quantum dots, if the structure of the quantum dot is not ideal, such as a perfect circle, a method of artificially applying an electric field from the outside of the quantum dot or applying local stress can be used. In particular, when applying local stress, the wavelength of the generated entangled photon pair can vary greatly depending on the intensity of the stress. In other words, if a strong stress can be applied to the quantum dot, the wavelength range of the generated entangled photon pair can be widely controlled. Therefore, methods of applying a strong stress to the quantum dot are being actively studied in order to widely control the wavelength range of the generated entangled photon pair.
본 발명의 기술적 과제는 양자점으로부터 생성되는 얽힘 광자쌍의 파장을 넓게 제어하기 위하여 양자점에 강한 응력을 가할 수 있는 얽힘 광자쌍 생성 장치를 제공하는데 있다.The technical problem of the present invention is to provide an entangled photon pair generation device capable of applying strong stress to a quantum dot in order to widely control the wavelength of an entangled photon pair generated from a quantum dot.
본 발명의 개념에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치는 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 압전 구조체, 상기 압전 구조체는 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면을 향하여 상기 압전 구조체를 관통하는 개구를 포함하고, 상기 개구를 채우는 응력 전달 매개체, 상기 응력 전달 매개체 상에 배치되는 광원 생성부, 상기 압전 구조체의 상기 제1 면 상에 제공되는 상부 전극 및 상기 압전 구조체의 상기 제2 면 상에 제공되는 하부 전극을 포함하고, 상기 광원 생성부는 반도체 박막 및 상기 반도체 박막 내부의 양자점을 포함한다.An entangled photon pair generating device according to the concept of the present invention comprises a piezoelectric structure including first and second faces facing each other, the piezoelectric structure including an opening penetrating the piezoelectric structure from the first face toward the second face, a stress transmitting medium filling the opening, a light generating unit disposed on the stress transmitting medium, an upper electrode provided on the first face of the piezoelectric structure, and a lower electrode provided on the second face of the piezoelectric structure, and the light generating unit includes a semiconductor thin film and a quantum dot inside the semiconductor thin film.
일 실시예에 따르면, 상기 개구는 평면적 관점에서 원형 또는 다각형의 모양이고, 상기 개구의 직경 또는 폭은 10 μm 내지 200 μm 일 수 있다.In one embodiment, the opening has a circular or polygonal shape in a planar view, and the diameter or width of the opening can be from 10 μm to 200 μm.
일 실시예에 따르면, 상기 압전 구조체는 상기 압전 구조체의 상기 제1 면에 제공되고 상기 개구와 연결되는 복수개의 리세스들을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the piezoelectric structure may further include a plurality of recesses provided on the first surface of the piezoelectric structure and connected to the opening.
일 실시예에 따르면, 상기 응력 전달 매개체는 폴리머, 유전체, 또는 금속을 포함할 수 있다.In one embodiment, the stress transmitting medium may comprise a polymer, a dielectric, or a metal.
일 실시예에 따르면, 상기 폴리머는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 벤조시클로부텐(Benzocyclobutene, BCB), 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen silsesquioxane, HSQ), 폴리이미드(Polyimide, PI) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the polymer may include at least one of polydimethylsiloxane (PDMS), benzocyclobutene (BCB), hydrogen silsesquioxane (HSQ), and polyimide (PI).
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 박막은 GaAs, InP, InGaAsP, GaN 또는 InAlAs 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 양자점은 InAs, InGaN 또는 InGaAs 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 반도체 박막의 두께는 100 nm 내지 500 nm 일 수 있다.In one embodiment, the semiconductor thin film comprises at least one of GaAs, InP, InGaAsP, GaN or InAlAs, the quantum dot comprises at least one of InAs, InGaN or InGaAs, and the thickness of the semiconductor thin film can be from 100 nm to 500 nm.
일 실시예에 따르면, 상기 광원 생성부는 제1 패턴과 제2 패턴들을 포함하고, 상기 제2 패턴들은 상기 제1 패턴을 가운데에 두고 동심원을 그리며 배치될 수 있다.According to one embodiment, the light source generating unit includes first patterns and second patterns, and the second patterns can be arranged in a concentric circle with the first pattern at the center.
일 실시예에 따르면, 상기 압전 구조체는 티탄산 지르콘산 연(PZT) 또는 PMN-PT 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 압전 구조체의 두께는 10 μm 내지 500 μm 일 수 있다.According to one embodiment, the piezoelectric structure comprises at least one of lead zirconate titanate (PZT) or PMN-PT, and the thickness of the piezoelectric structure can be from 10 μm to 500 μm.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 박막의 상면의 레벨은 상기 압전 물질의 상기 제1 면의 레벨보다 낮을 수 있다.In one embodiment, the level of the upper surface of the semiconductor thin film may be lower than the level of the first surface of the piezoelectric material.
일 실시예에 따르면, 상기 광원 생성부는 상기 개구와 수직으로 중첩할 수 있다.In one embodiment, the light generating unit may vertically overlap the opening.
본 발명의 개념에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치는 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 압전 구조체, 상기 압전 구조체는 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면을 향하여 상기 압전 구조체를 관통하는 개구를 포함하고, 상기 개구를 채우는 응력 전달 매개체, 상기 응력 전달 매개체 상에 배치되는 광원 생성부, 상기 압전 구조체의 상기 제1 면 상에 제공되는 상부 전극 및 상기 압전 구조체의 상기 제2 면 상에 제공되는 하부 전극을 포함하고, 상기 광원 생성부는 반도체 박막 및 상기 반도체 박막 내부의 양자점을 포함하고, 상기 압전 구조체는 상기 응력 전달 매개체와 접촉하되, 상기 반도체 박막과 이격하고, 상기 반도체 박막은 상기 응력 전달 매개체와 접촉할 수 있다.An entangled photon pair generating device according to the concept of the present invention comprises a piezoelectric structure including first and second faces facing each other, the piezoelectric structure including an opening penetrating the piezoelectric structure from the first face toward the second face, a stress transmitting medium filling the opening, a light generating unit disposed on the stress transmitting medium, an upper electrode provided on the first face of the piezoelectric structure, and a lower electrode provided on the second face of the piezoelectric structure, the light generating unit including a semiconductor thin film and a quantum dot inside the semiconductor thin film, the piezoelectric structure contacts the stress transmitting medium but is spaced apart from the semiconductor thin film, and the semiconductor thin film can contact the stress transmitting medium.
본 발명의 개념에 따르면, 양자점을 포함하고 있는 광원 생성부가 압전 구조체의 개구 내에 제공됨으로써, 압전 구조체로부터 광원 생성부에 전달되는 응력의 세기가 강해질 수 있다. 이로 인해 얽힘 광자쌍 생성 효율이 증대될 수 있고, 얽힘 광자쌍의 파장 제어 범위가 넓어질 수 있다.According to the concept of the present invention, since a light source generating unit including quantum dots is provided within an aperture of a piezoelectric structure, the intensity of stress transmitted from the piezoelectric structure to the light source generating unit can be strengthened. As a result, the efficiency of generating entangled photon pairs can be increased, and the wavelength control range of the entangled photon pairs can be widened.
한편, 광원 생성부의 원형 광학 격자 구조로 인하여 평면 방향으로의 광 손실을 줄일 수 있어 광 추출 효율이 증대될 수 있다.Meanwhile, the circular optical grating structure of the light source generation unit can reduce light loss in the planar direction, thereby increasing light extraction efficiency.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2a는 도 1의 얽힘 광자쌍 생성 장치를 위에서 바라본 평면도이다.
도 2b는 도 1의 얽힘 광자쌍 생성 장치를 아래에서 바라본 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 A-A' 선을 따라 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 2d는 도 2c의 B 부분을 확대한 도면이다.
도 3a 및 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치를 제조하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 3b 및 도 4b는 각각 도 3a 및 도 4a의 I-I' 선을 따라 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 비교예에 따른 파장 변화 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 6은 비교예 및 본 발명에 따른 스트레인 변화 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a perspective view showing an entangled photon pair generating device according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2a is a plan view from above of the entangled photon pair generator of Fig. 1.
Fig. 2b is a plan view of the entangled photon pair generator of Fig. 1 from below.
Figure 2c is a drawing showing a cross-section taken along line AA' of Figure 2a.
Figure 2d is an enlarged view of part B of Figure 2c.
FIGS. 3A and 4A are cross-sectional views showing a method for manufacturing an entangled photon pair generating device according to an embodiment of the present invention.
Figures 3b and 4b are drawings showing cross sections taken along line II' of Figures 3a and 4a, respectively.
Figure 5 is a diagram showing the results of a wavelength change experiment according to a comparative example.
Figure 6 is a drawing showing the results of a strain change simulation according to a comparative example and the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clearer with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the present embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless the context clearly dictates otherwise. The words "comprises" and/or "comprising" as used herein do not exclude the presence or addition of one or more other components, steps, operations and/or elements.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal examples of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of the technical contents. Accordingly, the shape of the examples may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances, etc. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific shapes illustrated, but also include changes in shapes produced according to the manufacturing process. For example, an etched region illustrated at a right angle may be rounded or have a shape having a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have schematic properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and are not intended to limit the scope of the invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광 정렬 장치에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, an optical alignment device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치를 나타내는 사시도이다. 도 2a는 도 1의 얽힘 광자쌍 생성 장치를 위에서 바라본 평면도이다. 도 2b는 도 1의 얽힘 광자쌍 생성 장치를 아래에서 바라본 평면도이다. 도 2c는 도 2a의 A-A' 선을 따라 자른 단면을 나타내는 도면이다. 도 2d는 도 2c의 B 부분을 확대한 도면이다.FIG. 1 is a perspective view showing an entangled photon pair generating device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2a is a plan view of the entangled photon pair generating device of FIG. 1 as seen from above. FIG. 2b is a plan view of the entangled photon pair generating device of FIG. 1 as seen from below. FIG. 2c is a drawing showing a cross-section taken along the line A-A' of FIG. 2a. FIG. 2d is an enlarged drawing of part B of FIG. 2c.
도 1 내지 도 2d를 참조하면, 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)는 압전 구조체(10), 응력 전달 매개체(20), 광원 생성부(30), 상부 전극들(42) 및 하부 전극(44)을 포함할 수 있다. 압전 구조체(10)는 서로 마주하는 제1 면(10a) 및 제2 면(10b)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 to 2d, the entangled photon pair generation device (1) may include a piezoelectric structure (10), a stress transmission medium (20), a light source generation unit (30), upper electrodes (42), and a lower electrode (44). The piezoelectric structure (10) may include a first surface (10a) and a second surface (10b) facing each other.
본 명세서에서 제1 방향(D1)은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)과 평행한 방향을 의미한다. 제2 방향(D2)은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)과 평행하고 제1 방향(D1)과 교차하는 방향을 의미한다. 제3 방향(D3)은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)에 수직한 방향을 의미한다.In this specification, the first direction (D1) means a direction parallel to the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10). The second direction (D2) means a direction parallel to the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10) and intersecting the first direction (D1). The third direction (D3) means a direction perpendicular to the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10).
압전 구조체(10)는 제3 방향(D3)을 따라서, 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)으로부터 제2 면(10b)으로 상기 압전 구조체(10)를 관통하는 개구(12)를 포함할 수 있다. 개구(12)는 평면적 관점에서 다양한 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 개구(12)는 평면적 관점에서 원형 또는 다각형의 모양을 가질 수 있다. 개구(12)는 평면적 관점에서 일정한 직경 또는 제1 방향(D1)에 따른 폭(R)을 가질 수 있다. 예를 들어, 개구(12)의 직경 또는 제1 방향(D1)에 따른 폭(R)은 10 μm 내지 200 μm 일 수 있다.The piezoelectric structure (10) may include an opening (12) penetrating the piezoelectric structure (10) from a first surface (10a) of the piezoelectric structure (10) to a second surface (10b) along a third direction (D3). The opening (12) may have various shapes in a planar view. For example, the opening (12) may have a circular or polygonal shape in a planar view. The opening (12) may have a constant diameter or width (R) along the first direction (D1) in a planar view. For example, the diameter of the opening (12) or the width (R) along the first direction (D1) may be 10 μm to 200 μm.
압전 구조체(10)는 압전(piezoelectric) 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전 구조체(10)는 티탄산 지르콘산 연(PZT) 또는 PMN-PT 등을 포함할 수 있다. 압전 구조체(10)의 제3 방향(D3)으로의 두께는 10 μm 내지 500 μm 일 수 있다.The piezoelectric structure (10) may include a piezoelectric material. For example, the piezoelectric structure (10) may include lead zirconate titanate (PZT) or PMN-PT. The thickness of the piezoelectric structure (10) in the third direction (D3) may be 10 μm to 500 μm.
압전 구조체(10)는 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)에 제공되고, 개구(12)와 연결되는 복수개의 리세스들(14)을 포함할 수 있다. 평면적 관점에서 리세스들(14)은 라인(line) 형태를 가질 수 있다. 일 예로, 평면적 관점에서, 개구(12)는 사각형의 형상을 가지고 리세스들(14)의 각각은 상기 개구의 각 꼭지점에서 대각선 방향으로 연장될 수 있다. 리세스들(14)은 압전 구조체(10)를 완전히 관통하지 않을 수 있다.The piezoelectric structure (10) may include a plurality of recesses (14) provided on a first surface (10a) of the piezoelectric structure (10) and connected to an opening (12). In a planar view, the recesses (14) may have a line shape. For example, in a planar view, the opening (12) may have a rectangular shape and each of the recesses (14) may extend in a diagonal direction from each vertex of the opening. The recesses (14) may not completely penetrate the piezoelectric structure (10).
압전 구조체(10)의 개구(12)를 채우는 응력 전달 매개체(20)가 제공될 수 있다. 응력 전달 매개체(20)는 압전 구조체(10)의 내측면에 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 응력 전달 매개체(20)의 상면의 레벨은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)의 레벨보다 낮을 수 있다. 또 다른 일부 실시예들에 따르면, 응력 전달 매개체(20)의 상면의 레벨은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)의 레벨보다 높거나 같을 수도 있다. 응력 전달 매개체(20)의 하면의 레벨은 압전 구조체(10)의 제2 면(10b)의 레벨보다 높을 수 있다. 응력 전달 매개체(20)의 하면의 레벨은 압전 구조체(10)의 제2 면(10b)의 레벨보다 낮거나 같을 수도 있다.A stress transfer medium (20) filling the opening (12) of the piezoelectric structure (10) may be provided. The stress transfer medium (20) may contact an inner surface of the piezoelectric structure (10). According to some embodiments, a level of an upper surface of the stress transfer medium (20) may be lower than a level of a first surface (10a) of the piezoelectric structure (10). According to some other embodiments, a level of an upper surface of the stress transfer medium (20) may be higher than or equal to a level of a first surface (10a) of the piezoelectric structure (10). A level of a lower surface of the stress transfer medium (20) may be higher than a level of a second surface (10b) of the piezoelectric structure (10). A level of a lower surface of the stress transfer medium (20) may be lower than or equal to a level of a second surface (10b) of the piezoelectric structure (10).
응력 전달 매개체(20)는 압전 구조체(10)에서 발생한 변위(strain)를 후술할 광원 생성부(30)에 응력(stress)의 형태로 전달할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 응력 전달 매개체(20)는 폴리머, 유전체 또는 금속을 포함할 수 있다. 상기 폴리머는 예를 들어, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 벤조시클로부텐(Benzocyclobutene, BCB), 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen silsesquioxane, HSQ), 폴리이미드(Polyimide, PI)를 포함할 수 있다. 상기 유전체는 예를 들어, 다결정 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.The stress transfer medium (20) may include a material that can transfer the strain generated in the piezoelectric structure (10) to the light source generating unit (30) to be described later in the form of stress. For example, the stress transfer medium (20) may include a polymer, a dielectric, or a metal. The polymer may include, for example, polydimethylsiloxane (PDMS), benzocyclobutene (BCB), hydrogen silsesquioxane (HSQ), or polyimide (PI). The dielectric may include, for example, polycrystalline silicon (Si).
광원 생성부(30)가 응력 전달 매개체(20) 상에 제공될 수 있다. 광원 생성부(30)는 응력 전달 매개체(20)와 접촉할 수 있다. 광원 생성부(30)는 개구(12) 내에 제공되어 압전 구조체(10)의 개구(12)의 내측벽과 이격될 수 있다..A light source generating unit (30) may be provided on a stress transfer medium (20). The light source generating unit (30) may be in contact with the stress transfer medium (20). The light source generating unit (30) may be provided within the opening (12) and may be spaced apart from the inner wall of the opening (12) of the piezoelectric structure (10).
광원 생성부(30)는 제1 패턴(32) 및 제2 패턴들(34)을 포함할 수 있다. 평면적 관점에서 제2 패턴들(34)은 제1 패턴(32)을 가운데에 두고 동심원 또는 타원을 그리며 배치될 수 있다. 평면적 관점에서 제1 패턴(32)은 원형 또는 타원형의 모양의 가질 수 있다. 평면적 관점에서 제2 패턴들(34) 각각은 원형 링(ring) 또는 타원형 링(ring) 모양을 가질 수 있다. 광원 생성부(30)의 제1 패턴(32) 및 제2 패턴들(34)에 의하여 원형 광학 격자 구조가 형성될 수 있다. 광원 생성부(30)가 원형 광학 격자 구조를 가짐으로써, 광원 생성부(30)로부터 생성된 광원이 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 방사되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해 광 손실이 감소하여 광원 생성부(30)로부터 생성된 얽힘 광자쌍의 추출 효율이 증대될 수 있다.The light source generating unit (30) may include a first pattern (32) and second patterns (34). In a planar view, the second patterns (34) may be arranged in a concentric circle or an ellipse with the first pattern (32) in the center. In a planar view, the first pattern (32) may have a circular or elliptical shape. In a planar view, each of the second patterns (34) may have a circular ring shape or an elliptical ring shape. A circular optical lattice structure may be formed by the first pattern (32) and the second patterns (34) of the light source generating unit (30). Since the light source generating unit (30) has a circular optical lattice structure, the light generated from the light source generating unit (30) may be prevented from being radiated in the first direction (D1) and the second direction (D2). As a result, light loss may be reduced, and the extraction efficiency of entangled photon pairs generated from the light source generating unit (30) may be increased.
일부 실시예들에 따르면, 광원 생성부(30)의 상면의 레벨은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)의 레벨보다 낮을 수 있다. 또 다른 일부 실시예들에 따르면, 광원 생성부(30)의 상면의 레벨은 압전 구조체(10)의 제1 면(10a)의 레벨보다 높거나 같을 수 있다.According to some embodiments, the level of the upper surface of the light source generating unit (30) may be lower than the level of the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10). According to some other embodiments, the level of the upper surface of the light source generating unit (30) may be higher than or equal to the level of the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10).
광원 생성부(30)의 제1 패턴(32) 및 제2 패턴들(34)은 광자를 생성할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 도 2d와 같이, 제1 패턴(32) 및 제2 패턴들(34) 각각은 반도체 박막(36) 및 상기 반도체 박막(36) 내부의 양자점(38)을 포함할 수 있다. 반도체 박막(36)은 GaAs, InP, InGaAsP, GaN 또는 InAlAs 등을 포함할 수 있다. 양자점(38)은 InAs, InGaN 또는 InGaAs 등을 포함할 수 있다. The first pattern (32) and the second patterns (34) of the light source generating unit (30) may include a material capable of generating photons. As shown in FIG. 2d, each of the first pattern (32) and the second patterns (34) may include a semiconductor thin film (36) and a quantum dot (38) inside the semiconductor thin film (36). The semiconductor thin film (36) may include GaAs, InP, InGaAsP, GaN, or InAlAs. The quantum dot (38) may include InAs, InGaN, or InGaAs.
또 다른 일부 실시예들에 따르면, 도 2d와 다르게, 제1 패턴(32) 및 제2 패턴들(34) 각각은 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 및/또는 이황화 텅스텐(WS2)을 포함할 수 있다. 광원 생성부(30)의 제3 방향으로의 두께는 100 nm 내지 500 nm 일 수 있다.According to some other embodiments, unlike FIG. 2d, each of the first pattern (32) and the second patterns (34) may include tungsten diselenide (WSe 2 ) and/or tungsten disulfide (WS 2 ). The thickness of the light source generating unit (30) in the third direction may be 100 nm to 500 nm.
압전 구조체(10)의 제1 면(10a) 상에 상부 전극들(42)이 제공될 수 있다. 평면적 관점에서 상부 전극들(42)은 개구(12) 및 응력 전달 매개체(20)를 둘러싸며 배치될 수 있다. 상부 전극들(42)은 개구(12) 및 응력 전달 매개체(20)와 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 이격될 수 있다. 평면적 관점에서 상부 전극들(42) 각각은 리세스들(14)을 사이에 두고 서로 이격될 수 있다. Upper electrodes (42) may be provided on the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10). In a planar view, the upper electrodes (42) may be arranged to surround the opening (12) and the stress transmission medium (20). The upper electrodes (42) may be spaced apart from the opening (12) and the stress transmission medium (20) in a first direction (D1) and a second direction (D2). In a planar view, each of the upper electrodes (42) may be spaced apart from each other with recesses (14) therebetween.
상부 전극들(42)의 각각은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극들(42) 각각은 티타튬(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 게르마늄(Ge) 또는/및 금(Au) 등을 포함할 수 있다.Each of the upper electrodes (42) may include a metal. For example, each of the upper electrodes (42) may include titanium (Ti), chromium (Cr), platinum (Pt), germanium (Ge), or/and gold (Au).
압전 구조체(10)의 제2 면(10b) 상에 하부 전극(44)이 제공될 수 있다. 하부 전극(44)은 압전 구조체(10)의 개구(12) 및 응력 전달 매개체(20)와 수직으로 중첩되지 않을 수 있다. 하부 전극(44)은 상부 전극들(42)과 수직으로 중첩될 수 있다. 하부 전극(44)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(44)은 티타튬(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 게르마늄(Ge) 또는/및 금(Au) 등을 포함할 수 있다.A lower electrode (44) may be provided on the second surface (10b) of the piezoelectric structure (10). The lower electrode (44) may not vertically overlap with the opening (12) of the piezoelectric structure (10) and the stress transmission medium (20). The lower electrode (44) may vertically overlap with the upper electrodes (42). The lower electrode (44) may include a metal. For example, the lower electrode (44) may include titanium (Ti), chromium (Cr), platinum (Pt), germanium (Ge), or/and gold (Au).
상부 전극들(42) 및 하부 전극(44)에 전압을 가하여 압전 구조체(10)에 전기장을 가할 수 있다. 압전 구조체(10)는 전기장에 의해서 변위가 발생할 수 있다. 한편, 상부 전극들(42)이 복수개로 제공됨으로써, 압전 구조체(10)에 발생되는 변위의 방향을 용이하게 조절할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 한 개의 상부 전극(42)만이 제공될 수도 있다. 압전 구조체(10)의 리세스들(14)은 압전 구조체(10)에 발생한 서로 다른 방향으로의 변위들이 서로 중첩되지 않게 할 수 있다. An electric field can be applied to the piezoelectric structure (10) by applying a voltage to the upper electrodes (42) and the lower electrode (44). The piezoelectric structure (10) can be displaced by the electric field. Meanwhile, since the upper electrodes (42) are provided in multiple numbers, the direction of the displacement occurring in the piezoelectric structure (10) can be easily controlled. According to some embodiments, only one upper electrode (42) may be provided. The recesses (14) of the piezoelectric structure (10) can prevent displacements occurring in different directions in the piezoelectric structure (10) from overlapping each other.
상기 압전 구조체(10)의 변위는 응력 전달 매개체(20)에 응력을 가하고, 이로 인해서 응력 전달 매개체(20)의 변위가 발생될 수 있다. 상기 응력 전달 매개체(20)의 변위로 인해 광원 생성부(30)에 응력(stress)이 가해지고, 광원 생성부(30)에서 얽힘 광자쌍이 생성될 수 있다. 광원 생성부(30)가 압전 구조체(10) 내부, 즉 개구(12) 내에 위치함으로써 광원 생성부(30)로 가해지는 응력이 증대될 수 있다. 특히, 압전 구조체(10)의 개구(12)의 직경 또는 제1 방향(D1)에 따른 폭(R)이 작을수록 가해지는 응력이 증대될 수 있다. 광원 생성부(30)에 가해지는 응력이 증대됨에 따라 얽힘 광자쌍 생성 효율이 증대될 수 있고, 얽힘 광자쌍의 파장 제어 범위가 넓어질 수 있다.The displacement of the piezoelectric structure (10) applies stress to the stress transfer medium (20), which may cause displacement of the stress transfer medium (20). Due to the displacement of the stress transfer medium (20), stress is applied to the light source generation unit (30), and entangled photon pairs may be generated in the light source generation unit (30). Since the light source generation unit (30) is located inside the piezoelectric structure (10), i.e., within the opening (12), the stress applied to the light source generation unit (30) may increase. In particular, the smaller the diameter of the opening (12) of the piezoelectric structure (10) or the width (R) along the first direction (D1), the more the stress applied may increase. As the stress applied to the light source generation unit (30) increases, the efficiency of generating entangled photon pairs may increase, and the wavelength control range of the entangled photon pairs may widen.
도 3a 및 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 얽힘 광자쌍 생성 장치를 제조하는 방법을 나타내는 단면도이다. 도 3b 및 도 4b는 각각 도 3a 및 도 4a의 I-I' 선을 따라 자른 단면을 나타내는 도면이다.FIGS. 3A and 4A are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an entangled photon pair generating device according to an embodiment of the present invention. FIGS. 3B and 4B are cross-sectional views taken along the line I-I' of FIGS. 3A and 4A, respectively.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 압전 구조체(10)가 형성될 수 있다. 압전 물질에 레이저 식각(laser etching)을 통하여 개구(12) 및 리세스들(14)이 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 3a and 3b, a piezoelectric structure (10) can be formed. Openings (12) and recesses (14) can be formed in a piezoelectric material through laser etching.
압전 구조체(10)의 제1 면(10a) 상에 상부 전극들(42)이 형성될 수 있다. 압전 구조체(10)의 제2 면(10b) 상에 하부 전극(44)이 형성될 수 있다. 상부 전극들(42)과 하부 전극(44)은 각각 제1 면(10a)및 제2 면(10b) 상에서 포토(photo) 공정 및 증착(deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 증착(deposition) 공정 대신 도금(plating) 공정이 진행될 수도 있다.Upper electrodes (42) may be formed on the first surface (10a) of the piezoelectric structure (10). Lower electrodes (44) may be formed on the second surface (10b) of the piezoelectric structure (10). The upper electrodes (42) and the lower electrodes (44) may be formed on the first surface (10a) and the second surface (10b) through a photo process and a deposition process, respectively. Instead of the deposition process, a plating process may be performed.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 응력 전달 매개체(20)가 개구(12) 내에 형성될 수 있다. 응력 전달 매개체(20)가 폴리머인 경우, 폴리머를 개구(12) 내에 채운 후 가열하여 경화시켜 응력 전달 매개체(20)를 형성할 수 있다. 응력 전달 매개체(20)가 유전체나 금속인 경우, 개구(12)의 형태에 맞는 응력 전달 매개체(20)를 외부에서 제작한 뒤 개구(12)에 넣는 방식을 이용할 수도 있다.Referring to FIGS. 4A and 4B, a stress transfer medium (20) can be formed within the opening (12). If the stress transfer medium (20) is a polymer, the polymer can be filled within the opening (12) and then heated to harden to form the stress transfer medium (20). If the stress transfer medium (20) is a dielectric or a metal, a method of manufacturing a stress transfer medium (20) that fits the shape of the opening (12) externally and then inserting it into the opening (12) can also be used.
다시 도 2a, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 광원 생성부(30)가 형성될 수 있다. 내부에 양자점(38)을 포함하는 반도체 박막(36)에 포토 공정 및 식각 공정을 진행함으로써 제1 패턴(32) 및 제2 패턴들(34)을 포함하는 광원 생성부(30)를 형성할 수 있다. 외부에서 광원 생성부(30)를 별도로 제작하여 응력 전달 매개체(20) 상에 옮겨 부착할 수 있다. 또는, 외부가 아닌 응력 전달 매개체(20) 상에서 광원 생성부(30)를 바로 제작할 수도 있다. 이로써 얽힘 광자쌍 생성 장치(1)가 제작될 수 있다.Referring again to FIGS. 2A, 2C, and 2D, a light source generation unit (30) can be formed. By performing a photo process and an etching process on a semiconductor thin film (36) including quantum dots (38) therein, a light source generation unit (30) including a first pattern (32) and second patterns (34) can be formed. The light source generation unit (30) can be separately manufactured externally and transferred and attached onto a stress transfer medium (20). Alternatively, the light source generation unit (30) can be manufactured directly on the stress transfer medium (20) instead of externally. In this way, an entangled photon pair generation device (1) can be manufactured.
도 5는 비교예에 따른 파장 변화 실험 결과를 보여주는 도면이다. 도 6은 비교예 및 본 발명에 따른 스트레인 변화 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.Fig. 5 is a drawing showing the results of a wavelength change experiment according to a comparative example. Fig. 6 is a drawing showing the results of a strain change simulation according to a comparative example and the present invention.
비교예는 개구가 없는 압전 물질 상에 양자점을 위치시키고, 압전 물질의 제1 면 상에 그리고 제2 면 상에 각각 상부 전극들과 하부 전극이 배치 되어있는 얽힘 광자쌍 생성 장치이다. A comparative example is an entangled photon pair generation device in which quantum dots are positioned on a piezoelectric material without an aperture, and upper electrodes and lower electrodes are arranged on the first side and the second side, respectively, of the piezoelectric material.
도 5를 참조하면, 비교예의 압전 물질에 -200 V 내지 200 V 의 범위에서 전압을 인가하였을 때 생성되는 광원들 간 파장의 차이는 불과 0.2 nm 이하였다.Referring to Fig. 5, when a voltage in the range of -200 V to 200 V was applied to the piezoelectric material of the comparative example, the difference in wavelength between the generated light sources was only 0.2 nm or less.
도 6을 참조하면, 시뮬레이션의 우측 3개 점들(가로축의 Square 100 μm, Square 50 μm, Square 20 μm 에 대응되는 점들)은 본 발명에 200 V의 전압을 가했을 때, 개구(12)의 직경 또는 폭에 따라 광원 생성부(30)에 발생한 스트레인의 계산 값을 보여준다. 시뮬레이션의 좌측 1개 점(가로축의 Normal 에 대응되는 점)은 비교예에 200 V의 전압을 가했을 때 양자점에 발생한 스트레인의 계산 값을 보여준다. 본 발명의 개념에 따른 스트레인의 계산 값은 개구(12)의 직경 또는 폭이 100 μm, 50 μm, 20 μm 일 때 각각 5%, 10%, 25% 였다. 비교예에 따른 스트레인의 계산 값은 0.05% 였다. 이로써, 본 발명에 따른 스트레인 값이 비교예에 따른 스트레인의 값보다 크다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, the three points on the right side of the simulation (points corresponding to Square 100 μm, Square 50 μm, and
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 형태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.The detailed description of the invention above is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments, but it can be used in various other combinations, modifications, and environments without departing from the scope of the invention. It is intended that the appended claims be construed to include other embodiments as well.
Claims (11)
상기 개구를 채우는 응력 전달 매개체;
상기 응력 전달 매개체 상에 배치되는 광원 생성부;
상기 압전 구조체의 상기 제1 면 상에 제공되는 상부 전극들; 및
상기 압전 구조체의 상기 제2 면 상에 제공되는 하부 전극을 포함하고,
상기 광원 생성부는 반도체 박막 및 상기 반도체 박막 내부의 양자점을 포함하고,
상기 압전 구조체는 상기 개구와 연결되고 상기 상부 전극들 사이에 제공되는 복수개의 리세스들을 더 포함하는 얽힘 광자쌍 생성 장치.A piezoelectric structure comprising first and second faces facing each other, the piezoelectric structure including an opening penetrating the piezoelectric structure from the first face toward the second face;
A stress transmitting medium filling the above opening;
A light source generating unit disposed on the above stress transmission medium;
Upper electrodes provided on the first surface of the piezoelectric structure; and
Including a lower electrode provided on the second surface of the piezoelectric structure,
The above light source generating unit includes a semiconductor thin film and quantum dots inside the semiconductor thin film,
An entangled photon pair generating device, wherein the piezoelectric structure further includes a plurality of recesses connected to the opening and provided between the upper electrodes.
상기 개구는 평면적 관점에서 원형 또는 다각형의 모양이고,
상기 개구의 직경 또는 폭은 10 μm 내지 200 μm 인 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above opening is circular or polygonal in shape in plan view,
An entangled photon pair generating device wherein the diameter or width of the above aperture is 10 μm to 200 μm.
상기 리세스들은 상기 압전 구조체의 상기 제1 면에 제공되는 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above recesses are entangled photon pair generating devices provided on the first surface of the piezoelectric structure.
상기 응력 전달 매개체는 폴리머, 유전체, 또는 금속을 포함하는 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above stress transmitting medium is an entangled photon pair generating device including a polymer, a dielectric, or a metal.
상기 폴리머는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 벤조시클로부텐(Benzocyclobutene, BCB), 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen silsesquioxane, HSQ), 폴리이미드(Polyimide, PI) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 4,
An entangled photon pair generating device, wherein the polymer comprises at least one of polydimethylsiloxane (PDMS), benzocyclobutene (BCB), hydrogen silsesquioxane (HSQ), and polyimide (PI).
상기 반도체 박막은 GaAs, InP, InGaAsP, GaN 또는 InAlAs 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 양자점은 InAs, InGaN 또는 InGaAs 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 반도체 박막의 두께는 100 nm 내지 500 nm 인 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above semiconductor thin film comprises at least one of GaAs, InP, InGaAsP, GaN or InAlAs,
The quantum dot comprises at least one of InAs, InGaN or InGaAs,
An entangled photon pair generating device wherein the thickness of the semiconductor thin film is 100 nm to 500 nm.
상기 광원 생성부는 제1 패턴과 제2 패턴들을 포함하고,
상기 제2 패턴들은 상기 제1 패턴을 가운데에 두고 동심원을 그리며 배치되는 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above light source generating unit includes first patterns and second patterns,
An entangled photon pair generating device in which the second patterns are arranged in a concentric circle with the first pattern in the center.
상기 압전 구조체는 티탄산 지르콘산 연(PZT) 또는 PMN-PT 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 압전 구조체의 두께는 10 μm 내지 500 μm 인 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above piezoelectric structure comprises at least one of lead zirconate titanate (PZT) or PMN-PT,
Entangled photon pair generating device wherein the thickness of the above piezoelectric structure is 10 μm to 500 μm.
상기 반도체 박막의 상면의 레벨은 상기 압전 구조체의 상기 제1 면의 레벨보다 낮은 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
An entangled photon pair generating device wherein the level of the upper surface of the semiconductor thin film is lower than the level of the first surface of the piezoelectric structure.
상기 광원 생성부는 상기 개구와 수직으로 중첩하는 얽힘 광자쌍 생성 장치.In paragraph 1,
The above light source generating unit is an entangled photon pair generating device that vertically overlaps the aperture.
상기 개구를 채우는 응력 전달 매개체;
상기 응력 전달 매개체 상에 배치되는 광원 생성부;
상기 압전 구조체의 상기 제1 면 상에 제공되는 상부 전극; 및
상기 압전 구조체의 상기 제2 면 상에 제공되는 하부 전극을 포함하고,
상기 광원 생성부는 반도체 박막 및 상기 반도체 박막 내부의 양자점을 포함하고,
상기 압전 구조체는 상기 응력 전달 매개체와 접촉하되, 상기 반도체 박막과 이격하고,
상기 반도체 박막은 상기 응력 전달 매개체와 접촉하는 얽힘 광자쌍 생성 장치.
A piezoelectric structure comprising first and second faces facing each other, the piezoelectric structure including an opening penetrating the piezoelectric structure from the first face toward the second face;
A stress transmitting medium filling the above opening;
A light source generating unit disposed on the above stress transmission medium;
an upper electrode provided on the first surface of the piezoelectric structure; and
Including a lower electrode provided on the second surface of the piezoelectric structure,
The above light source generating unit includes a semiconductor thin film and quantum dots inside the semiconductor thin film,
The above piezoelectric structure is in contact with the stress transmission medium, but is separated from the semiconductor thin film,
The above semiconductor thin film is an entangled photon pair generating device in contact with the stress transmitting medium.
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Legal Events
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20240809 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20250402 |
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| PG1601 | Publication of registration |