Since group III-nitride based semiconductors yield bright emission from the visible to UV range at room temperature, we can easily access as LED and laser in our life. However, conventional planar structures are limited to fabricate low dimensional quantum structures and cavity structures, which are essential factors for the research of quantum photonics. In this dissertation, we exploited a pencil-shaped hexagonal microwire structure to apply for the research of quantum photonics from Hermitian to non-Hermitian. Exploiting the pencil-shaped wire structures as a backbone for the subsequent growth, the well-controlled quantum wire structures are orthogonally arranged with dual-wavelength and applied for the polarization and wavelength entangled compact light sources. Using the cross-section of the hexagonal wire as a microcavity generating whispering gallery modes, we observed the hybrid nature of excitons and photons (exciton-polariton) and manipulated the polaritonic condensate at room temperature. Besides, employing the substrate engineering, we obtained non-Hermitian degeneracies in PT symmetry by the coupled upward- and downward-triangular whispering gallery polariton pair to exploit the reversing effect of loss as gain, counterintuitively. We expect our pencil-shaped hexagonal microwire structures can ignite a new platform for semiconductor-based quantum photonic operating at room temperature.
질화물 기반 반도체는 자외선 영역부터 가시광 영역까지 밝은 빛을 내기 때문에 LED나 레이저로서 쉽게 실생활에서 접할 수 있다. 하지만, 기존 평면 구조의 경우 양자 포토닉스 연구에 필수적인 요소인 저차원 반도체 구조와 공진기 구조의 제작이 제한되는 문제점이 있다. 본 박사 학위논문에서는 연필 모양을 닮은 육각형 반도체 막대 구조를 통해 허미시안 및 비-허미시안 양자 포토닉스를 연구하고자 하였다. 연필 모양을 닮은 육각형 막대 구조를 먼저 성장해서 이 구조를 기본 틀로 활용하여 양자 우물 구조를 성장하면, 막대 구조의 모서리 방향을 따라서 양자선 구조들이 자발적으로 직교 배열되면서 서로 다른 파장을 발광하게 된다는 것을 규명했다. 이를 이용해 파장과 편광이 얽혀져 있는 신개념 마이크로 광원을 개발하는데 성공했다. 또한, 마이크로 막대의 단면인 육각형 모양에서 내부 전반사를 통해 자발적으로 형성되는 공진 모드 (위스퍼링 갤러리 모드)를 이용하여 저온에서만 관측 되던 빛과 물질의 성질을 동시에 갖는 양자 입자 (엑시톤-폴라리톤)를 상온에서 응축하고 이를 제어하는데 성공했다. 마지막으로 엑시톤 폴라리톤 간의 커플링을 형성하고 기판 엔지니어링을 통해 시공간 대칭성 붕괴 상태에서 발생하는 비-허미시안 축퇴를 이용해서 에너지 손실을 이득으로 바꿔주는 독특한 특성을 관측하는데 성공했다. 본 논문에서 제안한 연필 모양을 닮은 육각형 반도체 막대 구조는 반도체 기반 상온 양자 포토닉스의 새로운 플랫폼으로 연구의 문턱을 낮출 수 있을 것으로 기대한다.
