Post on 08-Jan-2016
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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 ?
- 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
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
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
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