KR101401920B1 - 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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박홍규
김윤호
황민수
권순홍
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Abstract

본 발명은 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 마이크로디스크 공진기, 마이크로디스크 공진기의 경계면 상면에 마이크로디스크 공진기를 둘러쌓도록 구비되는 유전체 링 및 마이크로디스크 공진기와및 유전체 링의 상면에 구비되는 투명한 그래핀 전극을 포함함으로써, 종래에 비하여 나노레이저를 발생시키는 공정을 반으로 줄일 수 있으며 미세한 전류로도 나노레이저를 발생시킬 수 있다.

Description

그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치 및 이의 제조방법{Nanolaser generator using graphene electrode and method for manufacturing thereof}
본 발명은 투명한 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치, 이의 제조방법 및 단일 나노필러 LED에 관한 것이다.
반도체를 기반으로 하는 나노레이저는 제1세대를 대표하는 1차원 광결정의 수직공진 표면광 레이저를 지나서, 제2세대의 2차원 광결정 레이저로 발전한 후에, 제3세대에 와서는 다시 1차원으로 보이는 나노사다리 레이저로 순환하며 진화해가고 있다.
구체적으로, 1989년 미국의 벨연구소에서 반도체 레이저의 새로운 모습인 수직공진 표면광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)를 실험적으로 성공하여 제1세대 나노레이저를 제조하였다. 셋 방향 모두 수 마이크론 정도의 길이를 가지는 VCSEL은 현재 단거리 광연결용 광소자로 산업계에서 널리 사용되고 있을 뿐 아니라, 공진기 양자동역학연구의 대표적인 반도체 미세구조로 받아들여져서 현재도 많은 연구가 수행되고 있다.
또한, 1999년에는 California Institute of Technology의 Scherer교수 연구팀이 화합물 반도체인 InP 박막형의 2차원 광결정 공진기로부터 레이저 발진을 최초로 관찰하여 제2세대 나노레이저를 제조하였다. 이는 반도체 기반의 광결정 공진기를 사용하여 큰 Q/V(Quality factor를 모드체적(V)으로 나눈값) 값을 비교적 쉽게 실현시킬 수 있었다.
또한, 2008-2009년에는 공진모드의 체적은 더욱 작으면서 Q값도 아주 큰 나노 사다리 공진기가 제안되고 구현하여 제3세대 나노레이저를 제조하였다.
이 중에서 VCSEL은 단거리 광통신용 광원, PC용 레이저 마우스 등 산업적으로 받아들여져서 널리 사용되고 있다.
2차원 광결정 공진기를 양자 정보통신에 적용될 수 있는 ‘사용 가능한’ 단광자 발생기로 만들기 위해서는 앞으로도 많은 문제들을 해결하여야 한다. 즉, 최적의 양자점을 최적의 장소에 위치시키는 것이 어렵다.
이렇게 아주 작은 레이저로부터 방출되는 빛을 효율적으로 수집하여 광섬유나 광검출기로 보내는 일들은 매우 중요하며 많은 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제1146560호
Optics express Vol. 15, No. 12 7506~7514
본 발명의 목적은 종래에 비하여 전기로 구동하여 나노레이저를 발생시키는 나노레이저 발생장치의 공정을 반으로 줄일 수 있으며 미세한 전류로도 나노레이저를 발생시킬 수 있는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 나노레이저 발생장치를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치는 마이크로디스크 공진기; 상기 마이크로디스크 공진기의 경계면을 둘러쌓도록 구비되는 돌출 유전체 링; 상기 마이크로디스크 공진기의 외측에 구비되는 외부 유전체 링; 및 상기 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면에 구비되는 투명한 그래핀 전극;을 포함할 수 있다.
상기 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금속층이 더 구비될 수 있다.
상기 금속층은 금, 금/게르마늄 합금, 금/아연 합금 및 니켈/금/게르마늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.
상기 그래핀 전극은 5 내지 10층으로 이루어진 것일 수 있으며, 그래핀 전극은 전계발광 1550 nm에서 91.9%이상의 투과율을 보일 수 있다.
상기 유전체 링의 물질은 폴리메틸메타크릴레이트일 수 있다.
상기 마이크로디스크 공진기는 n-i-p층의 InGaAsP 양자샘을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치는 투명한 그래핀 전극에 300 ㎂이하의 미세한 전류를 인가 시에도 나노레이저가 발생될 수 있다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나노레이저 발생장치의 제조방법은 InGaAsP층/InP희생층/InP기질층으로 이루어진 웨이퍼로 제조된 InGaAsP 마이크로디스크 공진기의 경계면에 마이크로디스크 공진기를 둘러쌓도록 링 구조로 유전체 물질을 가공하여 돌출 유전체 링을 형성하는 단계; 습식 에칭에 의하여 InP 기둥을 남기고 마이크로디스크 공진기 아래에 있는 InP희생층을 제거하는 단계; 마이크로디스크 공진기의 외측에 링 구조로 유전체 물질을 다시 가공하여 외부 유전체 링을 형성하는 단계; 및 상기 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면에 투명한 그래핀 전극을 구비하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 마이크로디스크 공진기에 돌출 유전체 링을 형성하는 단계와 InP희생층을 제거하는 단계 사이에, 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금속층을 구비하는 단계를 추가할 수 있다.
상기 그래핀 전극은 5 내지 10층으로 이루어질 수 있으며, 그래핀 전극은 전계발광 1550 nm에서 91.9%이상의 투과율을 보일 수 있다.
상기 유전체 물질은 폴리메틸메타크릴레이트일 수 있다.
상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED는 나노필러; 상기 나노필러의 외측에 구비되는 외부 유전체 링; 및 상기 나노필러 및 외부 유전체 링 상면에 구비되는 투명한 그래핀 전극;을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 전극은 전계발광 1550 nm에서 91.9%이상의 투과율을 보일 수 있다.
상기 유전체 링의 물질은 폴리메틸메타크릴레이트일 수 있다.
종래 금속을 이용한 나노레이저 발생장치는 금속을 레이저 가까이 놓으면 레이저 빛이 금속전극에 의해 흡수되거나 산란되어 레이저 빛의 발생이 어려웠다. 따라서 종래 나노레이저는 전기에너지가 아닌 또 다른 레이저를 이용해 에너지를 주입하는 광펌핑 방법으로 나노레이저를 발생시키고 있다. 종래 전기적으로 구동하는 나노레이저는 나노공동(nanocavity)과 잘 정렬되는 측면 p-i-n 접합을 구성하거나, 서브파장규모의 정확도로 바람직한 위치에 서브마이크론 크기의 전극을 배치하는 복잡한 제조기술을 필요로 했다.
그러나 본 발명의 나노레이저 발생장치는 전기가 잘 흐르고, 빛이 잘 투과되어 그래핀 전극을 레이저 가까이에 놓더라도 빛을 흡수하거나 산란하는 현상이 거의 없으며, 휴지처럼 부드러워 변형이 용이한 그래핀 전극을 이용해 전기를 주입함으로써 나노레이저를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 나노레이저 발생장치는 종래 전기 구동 나노레이저 발생장치에 비하여 나노레이저를 발생시키는 공정을 반으로 줄일 수 있으며 미세한 전류로도 나노레이저를 발생시킬 수 있으므로 전기로 구동되는 나노레이저의 실용화와 대량생산이 가능하다. 뿐만 아니라, 나노레이저 발생장치로 방출되는 나노레이저를 사용하면 광소자(빛의 움직임을 제어하는 장치, 레이저 또는 LED)를 전기로 쉽게 움직일 수 있어 광컴퓨터 개발을 앞당길 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치의 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치의 SEM사진이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 금층을 추가로 구비한 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 위에서 촬영한 SEM사진이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 금층을 추가로 구비한 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 기울여서 촬영한 SEM사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제조하는 과정을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 대형 면적에서 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 재현한 SEM 사진이다.
도 6a는 본 발명에 사용된 그래핀 전극의 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 6b는 본 발명에 사용된 그래핀 전극을 라만 분광법으로 측정한 그래프이다.
도 7a는 돌출 유전체 링 없이 마이크로디스크 공진기 상면에 그래핀 시트가 증착된 나노레이저 발생장치의 Q펙터이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 돌출 유전체 링이 가공된 마이크로디스크 공진기 상면에 그래핀 전극이 증착된 나노레이저 발생장치의 Q펙터이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치에 전류를 주입하는 것을 IR카메라로 촬영한 사진이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치에서 발생한 레이저 빛의 파장에 따른 세기(스펙트럼)를 측정한 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치에 주입되는 전류에 따른 발생 빛의 출력강도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치에서 발생되는 접촉 저항을 TLM으로 측정한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치에 주입되는 전류 펄스의 비율(듀티 사이클)에 따라 발생되는 빛의 스펙트럼 변화를 측정한 그래프이다.
도 12a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED를 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED의 전계발광그래프이다.
본 발명은 종래에 비하여 전기로 구동하여 나노레이저를 발생시키는 나노레이저 발생장치의 공정을 반으로 줄일 수 있으며 미세한 전류로도 나노레이저를 발생시킬 수 있는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치, 이의 제조방법 및 단일 나노필러 LED에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치의 단면도이며, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치의 SEM사진이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치는 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링, 외부 유전체 링 및 투명한 그래핀 전극을 포함한다. 이때 유전체 링은 유전체 물질로 형성되는 것으로서, 상기 마이크로디스크 공진기의 경계면에 마이크로디스크 공진기를 둘러쌓도록 구비되어 마이크로디스크 공진기로부터 돌출되도록 형성된 돌출 유전체 링과, 마이크로디스크 공진기와 약간 이격된 거리의 외측으로 마이크로디스크 공진기를 감싸도록 구비되는 외부 유전체링으로 구분할 수 있다. 또한, 그래핀 전극은 상기 마이크로디스크 공진기, 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면을 덮도록 구비된다.
상기 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링은 마이크로디스크 공진기의 형상이 원형인 경우에 원형 링으로 형성되는 것으로서, 그 모양이 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 나노레이저 발생장치는 그래핀 전극에 전기를 넣으면 빛은 둥근 모양의 마이크로디스크 공진기(레이저를 구동시키기 위해 필요한 구조체) 내부를 빙빙 돌면서 빠져나가지 못하고 나노레이저를 발생시킨다.
이렇게 발생된 나노레이저는 간섭성 광원을 제공하며, 울트라컴팩트(ultra­compact) 광집적 회로에 사용하기 위하여 도파관 및 탐지기와 같은 다른 나노광자 장치와 효율적으로 결합될 수 있다. 나노레이저를 최대한 활용하기 위해서는 전기주입에 의해 작동되는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 마이크로디스크 공진기는 (260 nm 두께 n-i-p InGaAsP 슬래브)/(1 ㎛ 두께 p-InP 희생층)/(p-InP 기질) 웨이퍼 구조를 이용하여 반도체 공정방법으로 제조된다. 상기 InGaAsP 양자샘의 세층은 슬래브에 포함되어 있으며, n-i-p InGaAsP 슬래브가 마이크로디스크 공진기로 이용된다.
본 발명에 사용되는 그래핀은 매우 높은 캐리어 이동성을 보이며 가시성과 적외선 파장 스펙트럼의 넓은 범위에 걸쳐 높은 광 투과율을 보이므로 그래핀을 투명전극으로 이용할 수 있다.
이러한 그래핀으로 제조된 그래핀 전극은 시각적으로 얇으며, 공동(cavity)에서 광 손실을 최소화하도록 디자인된 공동과 결합되며, 강력한 전류 경로를 제공한다. 또한 효율적인 캐리어 확산층뿐만 아니라, n-형 접촉을 위한 전극으로 중요한 역할을 한다(도 1a).
그래핀 전극은 n-i-p층의 InGaAsP 양자샘으로 이루어진 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면을 덮도록 면의 굴곡을 따라 잘 증착되며, 외부 유전체 링과 마이크로디스크 공진기 사이의 공기 중에 자유롭게 머물 수도 있다(도 1b). 이는 종래 금속 전극에서는 실현가능하지 않다.
또한, 그래핀 전극은 우수한 기계적 강도와 탄성을 보이므로 부서지기 쉽고 비싼 투명 산화물 전도체 또는 금속의 대안으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 돌출 유전체 링에서 마이크로디스크 공진기로 400 내지 600nm의 높이 차이가 있는 비평면 삼차원 나노구조의 복잡한 표면에 장착될 수 있다(도 1b).
그래핀 전극은 용이한 나노레이저의 발광을 위하여 5 내지 10층으로 이루어지는 것이 바람직하며, 두께가 얇기 때문에 빛이 잘 투과되어 그래핀 전극을 레이저 가까이에 놓더라도 빛을 흡수하거나 산란하는 현상이 거의 없어 레이저 특성에 크게 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 사용되는 외부 유전체 링은 p-도핑된 InP기판으로부터 전기 전도성 그래핀 전극을 분리하며, 돌출 유전체 링은 휘스퍼링화랑모드(whispering-gallery mode, WGM)가 매우 국한되어 있는 마이크로디스크 공진기 경계에서 광학적으로 그래핀 전극을 구분한다. 그래핀 전극은 광 흡수를 일으키며, 돌출 유전체 링은 그래핀 전극을 WGM가 형성되어 있는 마이크로디스크 공진기 경계로부터 분리시켜 WGM가 높은 Q(품질)를 유지하도록 만든다.
상기 마이크로디스크 공진기의 하면에는 InP 희생층이 제거됨으로써 형성된 p-도핑된 InP기둥이 p-형 전극을 대행한다.
전자와 정공은 각각 n-i-p 마이크로디스크의 상면과 하면에 구비된 그래핀 전극과 InP기둥을 통하여 주입되며, ~1,550 nm가 최고 파장인 전계발광(EL)은 마이크로디스크 공진기에서 방출된다.
또한, 본 발명은 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금층이 더 구비된 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제공한다.
마이크로디스크 공진기의 InGaAsP 물질과 그래핀 전극 사이에서는 높은 접촉 저항이 발생되는데 이러한 접촉 저항은 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금속층을 도입하여 줄일 수 있다. 상기 금속으로는 금, 금/게르마늄 합금, 금/아연 합금 및 니켈/금/게르마늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 들 수 있으며, 바람직하게는 보다 우수한 접촉 저항의 감소를 위하여 금을 들 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 금층을 추가로 구비한 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 위에서 촬영한 SEM사진이며, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 금층을 추가로 구비한 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 기울여서 촬영한 SEM사진이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 금속층은 경계면에 돌출 유전체 링이 구비된 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 구비되고, 그 상면에는 그래핀 전극이 증착된다.
또한, 본 발명은 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제조하는 방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제조하는 과정을 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명의 나노레이저 발생장치는 (a)InGaAsP층/InP희생층/InP기질층으로 이루어진 웨이퍼로 제조된 InGaAsP 마이크로디스크 공진기의 경계면에 마이크로디스크 공진기를 둘러쌓도록 링 구조로 유전체 물질을 가공하여 돌출 유전체 링을 형성하는 단계, (b)습식 에칭에 의하여 InP 기둥을 남기고 마이크로디스크 공진기 아래에 있는 InP희생층을 제거하는 단계, (c)마이크로디스크 공진기의 외측에 링 구조로 유전체 물질을 다시 가공하여 외부 유전체 링을 형성하는 단계, 및 (d)상기 마이크로디스크 공진기 및 유전체 링의 상면에 투명한 그래핀 전극을 구비하는 단계를 포함한다.
먼저, (a)단계에서는 InGaAsP층/InP희생층/InP기질층으로 이루어진 웨이퍼(도 4a)로 제조된 InGaAsP 마이크로디스크 공진기의 경계면을 둘러쌓도록(마이크로 공진기의 하면 제외) 링 구조로 유전체 물질을 가공하여 마이크로디스크 공진기의 상면에 비하여 돌출된 형태로 돌출 유전체 링을 형성한다(도 3a, 도 4b).
상기 InGaAsP 마이크로디스크 공진기는 지름이 5 ㎛이하, 바람직하게는 3 내지 5 ㎛로서, 전자-빔 리소그래피와 건식 식각을 통해 제조된다.
상기 유전체 물질로는 크로스 링크된 폴리메틸메타크릴레이트(cross-linked PMMA)를 사용하지만 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 (a)단계 이후에 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금속층을 구비하는 단계를 추가할 수 있다.
다음으로, (b)단계에서는 전류 경로를 형성하기 위하여 습식 에칭으로 상기 웨이퍼 구조 중에서 InP 희생층이 제거됨으로써 마이크로디스크 공진기 하면에 InP기둥이 형성된다(도 3b, 도 4c).
다음으로, (c)단계에서는 마이크로디스크 공진기와 약간 이격된 거리의 외측에 유전체 물질을 다시 가공하여 마이크로디스크 공진기를 감싸는 형태의 외부 유전체링을 형성한다(도 3c, 도 4d).
다음으로, (d)단계에서는 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면에 투명한 그래핀 전극이 증착된다. 대량으로 제작된 나노레이저 발생장치들을 개별적으로 작동시키기 위해서 그래핀 전극을 전자-빔 리소그래피와 O2 플라즈마를 사용하여 분리한다. 증착되는 그래핀 전극은 분리 과정 중에 그래핀 전극을 보호하기 위해 사용되는 유전체 물질로 코팅되어 있다. 분리 과정이 끝난 후 이 물질을 아세톤을 사용하여 제거하고(도 4f), 순수한 그래핀 전극에 금속 팁을 이용하여 전류가 공급된다(도 4g).
이와 같이 나노레이저 발생장치를 제조하는 과정은 간단하고 단순하며, 수율이 높을 뿐만 아니라, 나노레이저 발생장치의 대량 생산 또한 가능하다(도 5).
또한, 상기와 같은 제조공정으로 제조된 나노레이저 발생장치를 이용하면 실온에서(22 내지 28 ℃) 미세한 전류, 예컨대 300 ㎂이하의 전류를 인가 시에도 나노레이저를 발생시킬 수 있는데, 이는 종래의 복잡하고 까다로운 추가 공정이 필요한 방식의 전류량과 거의 유사한 수준이지만 공정단계는 절반가량 감소된 것이다.
또한, 본 발명에 사용된 그래핀 전극은 다음과 같은 제조방법으로 제조된다.
다층으로 이루어진 그래핀 전극은 수평 튜브 용광로로 구성된 홈-빌트(home-built) 화학 기상 증착 시스템을 이용하여 합성하였다.
먼저, 200 nm두께의 Ni필름은 열 증발기를 사용하여 200 nm 두께의 SiO2/Si 기판 상에 증착되며, 이 Ni/SiO2/Si 기판은 석영 튜브 반응기로 전송된다. 상기 석영 튜브 반응기를 100 mTorr이하의 압력을 이용하여 비운 후 압력이 대기압에 도달할 때까지 H2/Ar 혼합 가스(25% H2 in Ar)로 다시 채웠다.
다음으로, 상기 Ni/SiO2/Si 기판은 메탄가스(10 sccm) 흐름이 설정된 60 sccm 유량의 H2/Ar 혼합 가스 하에서 30분 동안 1,000 ℃에서 열처리되었다.
다음으로, 열처리된 상기 기판을 1분 동안 방치한 후 메탄가스의 공급을 종료하였으며, 상기 석영 튜브 반응기는 연속 H2와 Ar 분위기 하에서 ~10 °Cs-1의 냉각 속도로 빠르게 실온으로 냉각되었다. 냉각되는 동안, 니켈에 녹아 있던 탄소 원자가 니켈 표면으로 석출되면서 다층의 그래핀 층을 형성한다.
다음으로, 상기 합성된 다층의 그래핀 전극을 PMMA의 얇은 보호 층으로 코팅한 후 HF용액에 상기 PMMA/그래핀 전극을 침지하여 Ni과 SiO2층을 에칭함으로써, PMMA/그래핀 전극을 기판으로부터 분리하였다.
다음으로, PMMA/그래핀 전극 아래에 있는 나머지 Ni층은 Ni 에칭액인 TFG로 제거한 후 물로 수세한다.
그 후 소수성 PMMA/그래핀 전극은 광학 특성에 대한 TEM(transmission electron microscopy) 그리드 또는 유리와 같은 다양한 기판으로 이동될 수 있으며, 물에 뜬다.
그래핀 전극의 특성 측정
도 6a는 본 발명에 사용된 그래핀 전극의 투과율을 나타내는 그래프이며, 도 6b는 본 발명에 사용된 그래핀 전극의 층수를 식별하기 위하여 라만 분광법으로 측정된 그래프이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용된 그래핀 전극(5 내지 10층)은 전계발광(~1,550 nm)의 최고 파장에서 91.9%이상의 높은 투과율이 측정되었다. 이에 그래핀 전극은 근적외선(near-IR) 및 중간 정도의 적외선(IR) 파장 영역에서 투명전극으로 사용될 수 있다.
그래핀 전극 접촉 마이크로디스크 공동에서 광 손실을 양적으로 분석하기 위하여, 3D 유한 차분 시간 역(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 공동 모드의 광학 특성 및 그래핀 전극의 투과율을 계산하였다. 이는 5 내지 7층의 그래핀 전극에 해당하는 1.5 및 2.0 nm(빨간색 도트 라인)와 다른 두께를 보이는 그래핀 시트의 투과율이 계산된 것이 실험결과와 잘 일치하는지 기록된다(검정색 도트 라인).
그래핀 전극의 층수는 TEM으로 촬영하였으며(도 6a의 사진), 촬영에 사용된 그래핀 전극의 층수는 5층이었다.
도 6b에 도시된 바와 같이 본 발명에 사용된 그래핀 전극의 라만 분광법 측정 결과, G peak과 2D peak의 비율, 이들의 중심 Raman shift 값에 따라 상기 그래핀 전극이 5층 내지 10층으로 구성되어 있다는 것을 알 수 있었다.
도 7a는 돌출 유전체 링 없이 마이크로디스크 공진기 상면에 그래핀 시트가 증착된 나노레이저 발생장치의 Q펙터이며, 도 7b는 돌출 유전체 링이 가공된 마이크로디스크 공진기 상면에 그래핀 전극이 증착된 나노레이저 발생장치의 Q펙터이다.
FDTD시뮬레이션은 1.5 nm두께의 그래핀 전극의 사용으로 수행되었으며, 마이크로디스크 공진기의 꼭대기(TOP)의 Q팩터 및 모드 프로파일이 계산된다.
그래핀 전극 접촉 마이크로디스크 공진기에서 발생한 빛은 마이크로디스크 공진기의 경계에서 강하게 국한되는 휘스퍼링화랑모드(WGM)를 이룬다.
그래핀 전극에 의한 광 손실을 최소화한 마이크로디스크 공진기의 경계에 도입된 돌출 유전체 링 구조에서, ~2,100의 높은 Q팩터가 계산되었다(도 7b). 이 값은 170인 돌출 유전체 링 구조 없이 계산된 Q팩터(도 7a)에 비하여 12배 더 높았다. 따라서 돌출 유전체 링 구조를 포함한 공동(cavity) 디자인은 원치 않는 광 흡수 손실을 방지하고, 낮은 한계점에서의 나노레이저 발진(lasing) 작업을 설명하는데 매우 유용할 것이다.
나노레이저의 특성 측정
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노레이저 발생장치에 전류를 주입하는 것을 IR카메라로 촬영한 사진이다.
가공된 마이크로디스크 공동은 상온에서 1 ㎲(10% duty cycle)의 시간 동안 100 ns 전류 펄스를 사용하여 전기적으로 펌핑되었다. 전류는 외부 유전체 링 상면에 있는 그래핀 전극에 접촉된 금속 팁을 사용하여 주입되었다.
전류의 주입으로 인해 마이크로디스크 공진기에서 방출된 빛은 분광계 또는 IR카메라 중 하나에 초점을 맞춘 ×20 또는 ×50 긴 작업 거리 현미경(long-working-distance microscope) 대물렌즈에 의해 촬영되었다.
도 9a는 본 발명의 나노레이저 발생장치에서 발생한 레이저 빛의 파장에 따른 세기(스펙트럼)를 측정한 그래프이며, 도 9b는 본 발명의 나노레이저 발생장치에 주입되는 전류에 따른 발생 빛의 출력강도를 나타낸 그래프이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 증가된 전류에서 단일 모드 레이저(single-mode lasing)는 1,540.5 nm의 파장에서 관찰되었다. 또한, IR카메라에 의해 포착된 단일 모드 레이저 이미지는 마이크로디스크 공동(cavity)의 경계에서 강한 빛 방출을 보인다(도 9a의 사진).
도 9b에 도시된 바와 같이, 명확한 레이저 모드로의 전환을 측정하기 위하여 주입 전류를 변화시키며 발생 빛의 출력강도를 관찰하였다. 출력강도에서 초선형적 증가(superlinear increase)는 ~300 ㎂의 낮은 레이저 한계점에서 명확히 관찰되었다. 상기 한계 전류는 유사한 크기의 종래에 보고된 마이크로디스크 레이저의 것과 비교된다.
스펙트럼 분석 결과, 주입 전류를 증가시킴에 따라 발생 모드의 선폭이 점차 줄어들어, 레이저 한계점보다 큰 전류를 주입하면 분광기의 해상도 한계인 0.75 nm까지 감소하게 된다. 이 경우, 공동의 실험 Q 팩터는 도 7b에서 얻어진 시뮬레이션 결과에 동일한 2,100이상이 될 것으로 추정된다.
또한, 마이크로디스크 나노레이저의 전기적 특성은 공진기에 인가하는 전압을 변화시키면서 공진기에 흐르는 전류 변화를 관찰함으로써 측정할 수 있다(도 9b의 작은 그래프). 순방향 전압(turn-on voltage) 및 전기저항은 각각 ~1.2 V 및 ~5.8 kΩ이다.
도 10은 본 발명의 나노레이저 발생장치에서 발생되는 접촉 저항을 TLM으로 측정한 그래프이다.
접촉 저항이 신호전송선방법(transmission line method, TLM) 측정의 결과로 ~4.9 kΩ인 것으로 추정된다. 나노레이저 발생장치의 총 저항은 5.8 kΩ로 비교적 높게 나타났는데, 이 중 대부분이 주로 마이크로디스크 공진기의 InGaAsP 물질과 그래핀 전극 사이의 접촉 저항에 의해 발생된다.
상기 접촉 저항은 그래핀 전극과 마이크로디스크 공진기 사이에 금속층을 도입하여 크게 줄일 수 있다. 구체적으로 금속으로 금을 이용한 금층을 마이크로디스크 공진기의 중심부에 구비하면 2.3 kΩ이하의 낮은 장치 총 저항이 측정된다.
또한, 접촉 저항은 마이크로디스크 공진기 또는 그래핀 전극의 도핑을 증가시켜 감소시킬 수 있다.
다른 한편으로, 그래핀 전극 접촉이 그래핀 전극의 낮은 시트 저항으로 인해 마이크로디스크 공진기의 n-InGaAsP 에피레이어(epilayer)에 균일한 전류 주입 및 효율적인 전류 확산을 제공한다.
도 11은 본 발명의 나노레이저 발생장치에 주입하는 전류의 펄스 비율(듀티 사이클)을 변화시키면서 이때 방출되는 나노레이저의 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
연속파(continuous-wave, CW) 나노레이저 작업의 가능성을 검토하기 위하여 1 ㎲의 기간 동안 100 내지 500 ns로 주입된 전류 펄스 폭을 변화하였다. 나노레이저 작업은 ≤30% 듀티 사이클(duty cycle, 사용율)인 전류 펄스의 주입에 의해 달성되며, 각 펄스 폭에 대한 거의 동일한 한계 전류 및 나노레이저 파장을 보여준다.
그러나 50%의 비율로 전류 펄스를 주입했을 때 발생 모드는 심각한 적색 편이를 보였고 선폭도 넓어지는 등, 레이저 모드가 아닌 것으로 판명되었다. 이러한 관찰은 >50% 듀티 사이클인 폭이 넓은 펄스의 주입이 그래핀 전극과 마이크로디스크 공진기 사이의 중요한 열 문제를 일으킬 수 있음을 나타낸다.
CW 나노레이저 작업을 가능하게 하는 유사한 크기의 기둥 구조인 종래의 마이크로디스크 공동에 비하여, 비교적 높은 접촉 저항(그래핀 전극과 마이크로디스크 공진기 사이)은 나노레이저 발생장치에서 열적 문제의 주요 근원이 될 수 있다.
반면에, 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금층을 구비한 나노레이저 발생장치는 감소된 접촉 저항 때문에, 나노레이저 작업이 50% 듀티 사이클인 폭이 넓은 전류 펄스의 주입에 의해 성공적으로 달성되었다.
접촉 저항을 감소하기 위한 나노레이저 발생장치의 향상이 CW 나노레이저 작업을 설명할 수 있다고 본다.
그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED
그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED는 나노필러(nanopillar), 상기 나노필러의 외측에 구비되는 외부 유전체 링, 상기 나노필러 및 외부 유전체 링 상면에 구비되는 투명한 그래핀 전극을 포함한다.
상기 단일 나노필러 LED는 나노레이저 발생장치와 달리 돌출 유전체링 및 InP 기둥의 구조가 없다. 단일 나노필러 LED의 다른 구조는 나노레이저 발생장치에서 설명한 바와 동일하다.
도 12a는 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED를 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 12b는 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED의 전계발광그래프이다.
투명 그래핀 전극을 최대한 활용하기 위하여, 서브마이크로미터 크기의 단일 나노필러 LED에 전기 펌핑을 수행한다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 다층의 그래핀 전극은 돌출 유전체링 및 InP 기둥 구조 없이 500 nm이하의 직경인 나노필러 구조로 소개되며, 흰색 점선은 외부 유전체 링의 경계를 나타낸 것이다.
도 12b에 도시된 바와 같이, 모드 이미지에 관찰된 밝은 점(도 12b의 사진)은 나노필러로부터 중요한 빛 방출을 보여준다. 또한, ~1,600 nm의 최대 파장인 EL스펙트럼이 명확하게 측정된다. 이러한 측정은 그래핀 전극을 이용하여 파장보다 훨씬 작은 크기의 나노필러에 전류를 주입하여 전기 구동 나노필러 LED를 구현하는 것이 가능하다는 것을 보여준다.
전기 구동 단일 나노필러 LED의 놀라운 사실은 플라스모닉(plasmonic) 레이저, 나노와이어(nanowire lasers) 레이저 및 마이크로/나노필러 장치와 같은 다양한 나노광자 장치로 효율적인 전기 펌핑의 가능성을 제안한 것이다.
EL ( electroluminescence ) 측정
그래핀 접촉 마이크로디스크 공진기 또는 나노필러 공동에서 EL은 외부 유전체 링 위에 증착된 1 ㎛ 직경의 그래핀 전극에 텅스텐 팁을 접촉하여 실온에서 측정된다.
샘플은 전도성 실버 페이스트를 사용하여 알루미늄 판에 부착되었다. 순바이어스(forward bias)는 알루미늄 판에서 텅스텐 팁으로 적용되었다.
또한, 펄스 발생기(Agilent 33521A)를 사용하였으며, 1 ㎲의 주기로, 그 안에서 펄스 비율(듀티 사이클)을 바꾸어가며 측정하였다.
각각의 마이크로디스크 공진기 또는 나노필러에서 방출된 빛은 InGaAs IR 전하 결합 소자(charge-coupled device) 카메라 또는 ~0.75 nm의 해상한계가 있는 분석기 중 하나에 초점을 맞춘 ×20 긴 작업 거리(long-working-distance) 대물렌즈(0.4의 조리개 수치 포함)에 의해 수집된다.
도 9a에서의 모드 이미지는 0.42의 조리개 수치와 ×50 긴 작업 거리 대물렌즈를 사용하여 IR카메라에 의해 촬영되었다.
FDTD 산출방법
3D FDTD 시뮬레이션에서, 다층의 그래핀의 굴절률로 흑연의 굴절률을 사용하였다. 여기에서 사용된 흑연은 광범위한 파장대에 걸쳐 물질의 분산 특성 모델링이 가능한 Drude 임계점(D-CP) 모델에 의해 모델링되었다:
Figure 112013015852706-pat00001
Figure 112013015852706-pat00002
상기 식에서,
Figure 112013015852706-pat00003
는 무한 주파수에서 배경 유전체 값, ω은 각진동수, ωD 및 ωp는 전자 플라즈마 주파수, γD 및 γp는 효과적인 충돌 주파수, φp는 상(phase), Ap는 가중계수 및 p는 중요한 극(pole)의 수이다.
D-CP 모델은 근적외선(near-IR) 및 가시광선 영역(0.21.4 eV)에서 실험적으로 결정된 흑연의 유전체의 특성 상수들을 사용한다.
다음은 시뮬레이션에 사용된 파라미터이다:
Figure 112013015852706-pat00004
= 4.53, ωD = 8.31 eV, γD = 10.86 eV, ωp1 = 1.07, γp1 = 0.17 eV, Ap1= 0.53, φp1 = 0.078 rad, ωp2 = 0.30 eV, γp2 = 0.35 eV, Ap2= 10.28, φp2 = 0.99 rad, 두 중요한 극(poles)이 가정되었다.
흑연의 특성 상수들을 사용한 D-CP 모델을 통해 광범위한 파장대에 걸쳐 실험적으로 측정된 굴절률을 모델링할 수 있다.
나노미터 규모의 그래핀 전극을 나타내기 위하여, 0.5 nm의 버티칼 메쉬(vertical mesh) 크기가 사용되었다. 또한 마이크로디스크 공진기의 상대적으로 큰 수평 크기 때문에, 10 nm의 수평 메쉬 크기는 계산 메모리 사용을 줄이기 위해 도입되었다.
InGaAsP 마이크로디스크 공진기 및 유전체 링(PMMA 층)의 굴절률은 3D FDTD 시뮬레이션에서 각각 3.4 및 1.5로 설정되었다. Uniaxial PML(Perfectly Matched Layer)은 경계에서의 적절한 흡수 조건을 적용하기 위하여 사용되었다.
이상의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

Claims (16)

  1. 마이크로디스크 공진기;
    상기 마이크로디스크 공진기의 경계면을 둘러쌓도록 구비되는 돌출 유전체 링;
    상기 마이크로디스크 공진기의 외측에 구비되는 외부 유전체 링; 및
    상기 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면에 구비되는 투명한 그래핀 전극;을 포함하되,
    상기 투명한 그래핀 전극에 300 ㎂이하의 미세한 전류를 인가 시에도 나노레이저가 발생되는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금속층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속층은 금, 금/게르마늄 합금, 금/아연 합금 및 니켈/금/게르마늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 전극은 5 내지 10층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 전극은 전계발광 1550 nm에서 91.9%이상의 투과율을 보이는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전체 링의 물질은 폴리메틸메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로디스크 공진기는 n-i-p층의 InGaAsP 양자샘을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치.
  8. 삭제
  9. InGaAsP층/InP희생층/InP기질층으로 이루어진 웨이퍼로 제조된 InGaAsP 마이크로디스크 공진기의 경계면에 마이크로디스크 공진기를 둘러쌓도록 링 구조로 유전체 물질을 가공하여 돌출 유전체 링을 형성하는 단계;
    습식 에칭에 의하여 InP 기둥을 남기고 마이크로디스크 공진기 아래에 있는 InP희생층을 제거하는 단계;
    마이크로디스크 공진기의 외측에 링 구조로 유전체 물질을 다시 가공하여 외부 유전체 링을 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로디스크 공진기, 돌출 유전체 링 및 외부 유전체 링의 상면에 투명한 그래핀 전극을 구비하는 단계;를 포함하되,
    상기 투명한 그래핀 전극에 300 ㎂이하의 미세한 전류를 인가 시에도 나노레이저가 발생되는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 마이크로디스크 공진기에 돌출 유전체 링을 형성하는 단계와 InP희생층을 제거하는 단계 사이에, 마이크로디스크 공진기의 중앙부에 금속층을 구비하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 그래핀 전극은 5 내지 10층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 그래핀 전극은 전계발광 1550 nm에서 91.9%이상의 투과율을 보이는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 유전체 물질은 폴리메틸메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치의 제조방법.
  14. 나노필러;
    상기 나노필러의 외측에 구비되는 외부 유전체 링;
    상기 나노필러 및 외부 유전체 링 상면에 구비되는 투명한 그래핀 전극;을 포함하되,
    상기 투명한 그래핀 전극에 300 ㎂이하의 미세한 전류를 인가 시에도 나노레이저가 발생되는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED.
  15. 제14항에 있어서, 상기 그래핀 전극은 전계발광 1550 nm에서 91.9%이상의 투과율을 보이는 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED.
  16. 제14항에 있어서, 상기 유전체 링의 물질은 폴리메틸메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 그래핀 전극을 이용한 단일 나노필러 LED.
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