KR102026072B1 - 광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빛을 한 방향으로만 통과시키는 광 다이오드 장치 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 광 다이오드 장치는 제1 바(bar)를 포함하는 제1 메타물질 구조체 및 제1 바와 수직 방향으로 배치된 제2 바(bar)를 포함하는 제2 메타물질 구조체를 포함하고, 제1 바 및 제2 바는 빛의 진행 방향으로 이격되어 있고, 제1 바 및 제2 바는 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 적어도 일부가 중첩된다.

Description

광 다이오드 및 그 제조 방법{Photonic Diode And Method of Manufacturing the Same}
본 발명은 빛을 한 방향으로만 통과시키는 광 다이오드 장치 및 관련 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 3차원 전자빔 패터닝을 이용하여 선형 편광에 대해 비대칭적으로 한쪽 방향으로만 빛이 통과할 수 있는 광 다이오드를 제조하는 기술에 관한 것이다.
반도체 다이오드의 경우 순방향 바이어스(forward bias)가 걸리는 경우 전류가 흐르게 되고, 역방향 바이어스(backward bias)가 걸리는 경우 전류가 흐르지 않게 되어, 전류가 한 방향으로만 흐르는 성질을 갖게 된다.
그러나, 빛의 경우 상반성(reciprocity)을 가지고 있어 빛의 흐름을 특정 방향 또는 일방향으로 제한하는 것은 쉽지 않다. 빛의 상반성이란 공간상의 두 점간 전달되는 파동의 대칭성을 말하며, 이동하는 방향에 상관없이 같은 매체를 통과하는 동일한 파동은 똑같이 움직인다. 따라서 단방향 거울 같이 상반성이 없는, 혹은 일방성(一方性) 시스템을 개발하기 위해서는 상반성을 극복해야 한다.
이와 같이, 빛의 상반성을 극복한 빛을 한 방향으로만 통과시키는 장치를 광다이오드(Photonic Diode)로 지칭할 수 있을 것이다. 원형 편광의 경우 2차원 구조로 제작가능하나, 선형 편광의 경우 3차원 구조가 아니면 불가능하여 그 제작이 쉽지 않았다.
또한, 국내외에서 나노기술 분야의 연구가 활발히 진행되면서, 다양한 분야에서 나노기술의 실용화를 위한 응용연구가 반도체, 디스플레이, 광학소자 및 기능성소자 등 다양한 분야에서 이루어지고 있다. 나노 수준의 물질 제조에 관한 나노패터닝(nanopatterning) 기술은 나노기술의 상업화라는 현실적인 요구조건을 충족시키기 위한 선결과제이며, 나노패터닝의 주요수단으로 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography) 기술이 활발히 연구되고 있다. 전자빔 리소그래피 기술을 이용하면 3차원 전자빔 패터닝이 가능하다.
본 발명은 빛을 한 방향으로만 통과시키는 광 다이오드 장치 및 관련 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 3차원 전자빔 패터닝을 이용하여 선형 편광에 대해 한쪽 방향으로만 빛이 통과할 수 있는 광 다이오드를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 3차원 전자빔 패터닝을 이용하여 3차원 나노 구조를 갖는 비대칭 광투과를 위한 광 다이오드를 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 바(bar)를 포함하는 제1 메타물질 구조체, 및 상기 제1 바와 수직 방향으로 배치된 제2 바(bar)를 포함하는 제2 메타물질 구조체를 포함하고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 이격되어 있고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 적어도 일부가 중첩되는 것인, 광 다이오드를 제공한다.
여기서, 상기 제1 바는 양측 단부에서 연장되는 제1 암 및 제2 암을 포함하며, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되고, 상기 제2 바는 양측 단부에서 연장되는 제3 암 및 제4 암을 포함하며, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바에 수직으로 형성되고, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바에 수직으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체는 금(Au)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체는 실리콘 육면체 안에 내장되어 있을 수 있다. 또한, 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 상기 제1 메타물질 구조체의 상기 제1 바의 중심과 상기 제2 메타물질 구조체의 상기 제2 바의 중심이 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm일 수 있다. 또한, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm이고, 상기 제1 암 및 제2 암의 길이는 100nm 내지 200nm이고, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체 각각의 폭(width)은 40nm 내지 60nm이며, 상기 제1 암, 상기 제2암, 상기 제3 암 및 상기 제4 암 단면의 긴 길이 방향인 세로 길이는 50nm 내지 70nm일 수 있다. 또한, 상기 실리콘 육면체는 정육면체의 형상을 가지며, 상기 실리콘 육면체의 한 변의 길이는 400nm 내지 600nm일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 실리콘 기판 위에 메타물질 하부 구조체를 제작하는 단계, 상기 메타물질 하부 구조체 상에 2차 실리콘을 채워넣는 단계, 및 상기 2차 실리콘 상에 메타물질 상부 구조체를 제작하는 단계를 포함하며, 상기 메타물질 하부 구조체 및 상기 메타물질 상부 구조체의 제작은 각각 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography)를 이용하는 것인, 광 다이오드 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 메타물질 하부 구조체는 제1 바(bar)를 포함하고, 상기 메타물질 상부 구조체는 제2 바(bar)를 포함하며, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 서로 수직 방향으로 배치될 수 있다. 상기 메타물질 하부 구조체의 제1 바는 양측 단부에서 연장되는 제1 암 및 제2 암을 포함하며, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되고, 상기 메타물질 상부 구조체의 제2 바는 양측 단부에서 연장되는 제3 암 및 제4 암을 포함하며, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바에 수직으로 형성되고, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바에 수직으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 메타물질 하부 구조체 및 상기 메타물질 상부 구조체는 금(Au)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 메타물질 하부 구조체 및 상기 메타물질 상부 구조체는 실리콘 육면체 안에 내장되어 있을 수 있다. 또한, 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 상기 메타물질 하부 구조체의 상기 제1 바의 중심과 상기 메타물질 상부 구조체의 상기 제2 바의 중심이 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm일 수 있다. 또한, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm이고, 상기 제1 암 및 제2 암의 길이는 100nm 내지 200nm이고, 상기 하부 메타물질 구조체 및 상기 상부 메타물질 구조체 각각의 폭(width)은 40nm 내지 60nm이며, 상기 제1 암, 상기 제2암, 상기 제3 암 및 상기 제4 암 단면의 긴 길이 방향인 세로 길이는 50nm 내지 70nm일 수 있다. 또한, 상기 실리콘 육면체는 정육면체의 형상을 가지며, 상기 실리콘 육면체의 한 변의 길이는 400nm 내지 600nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 바(bar)를 포함하는 제1 메타물질 구조체, 및 상기 제1 바와 수직 방향으로 배치된 제2 바(bar)를 포함하는 제2 메타물질 구조체를 포함하고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 이격되어 있고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 적어도 일부가 중첩되는 것인, 3차원 메타물질 구조체를 제공한다. 여기서, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체는 금을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 빛을 한 방향으로만 통과시키는 광 다이오드 장치 및 관련 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 3차원 전자빔 패터닝을 이용하여 선형 편광에 대해 한쪽 방향으로만 빛이 통과할 수 있는 광 다이오드를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 3차원 전자빔 패터닝을 이용하여 3차원 나노 구조를 갖는 비대칭 광투과를 위한 광 다이오드를 제조할 수 있다.
도 1은 PN 접합 반도체 다이오드의 개념도이다.
도 2는 빛의 상반성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 빛의 두 전파 방향에 대한 존스 행렬(Jones matrix)을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 메타물질에서 대칭 종속적인(symmetry-dependent) T 행렬과 그 예시 구조들을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 투과를 위한 3D 광 다이오드 구조체를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-편광된 빛의 비대칭 투과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 편광에 대한 비대칭 투과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편광에 대한 대칭 투과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 메타물질 구조체를 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 PN 접합 반도체 다이오드의 개념도이다. 여기서, 반도체 다이오드는 p형(p type) 반도체와 n형(n type) 반도체가 접합된 구조를 가지며, 전류-전압 특성이 옴의 법칙에 따르지 않고 전극에 인가하는 전압의 방향에 따라 비대칭적인 동작 특성을 가지며, 이와 같은 특성을 이용하여 전자장치가 제조된다.
반도체 다이오드에서 p형 반도체의 정공(hole)이 n형 반도체쪽으로 확산하게 되고, 반대로 n형 반도체의 전자는 p형 반도체쪽으로 확산하게 된다. 즉, 정공이 PN 접합을 넘어 -극으로 가고, 전자가 PN 접합을 넘어 +극으로 가는 것은 다이오드의 +극에서 -극으로 전류가 흐르는 것을 의미한다.
구체적으로, 다이오드의 +극 전압이 -극 전압보다 문턱 전압(threshold voltage) 이상 높아야 전류가 흐르는데, 예컨대 문턱 전압이 0.7V인 경우 다이오드의 +극에 -극보다 0.7V 이상 높은 전압이 걸리면 전류가 흐르며, 이 때와 같이 +극에 +전압을, -극 에 -전압을 가하는 상태를 순방향 바이어스(forward bias) 상태로 칭한다. 이와 같이, 반도체 다이오드에서 순방향 바이어스 상태인 경우 +극에서 -극으로 전류가 흐르게 된다.
반대로, 다이오드의 +극에 -전압을, -극에 +전압을 가하는 상태를 역방향 바이어스(reverse bias)라고 하며, 이 상태에서는 다이오드의 +극에서 보면 전지의 -전압이 걸려 있어 p형 반도체의 다수 캐리어인 정공이 몰려들고, 반대로 다이오드의 -극에서 보면 전지의 +전압이 걸려 있어 n형 반도체의 다수 캐리어인 전자가 몰려 들게 된다. 따라서, PN 접합 반도체 다이오드의 가운데는 전자나 정공이 존재하지 않게 되고 전류가 흐르지 못한다. 따라서, 반도체 다이오드에서 역방향 바이어스 상태인 경우 전기가 통하지 않는 일방성을 갖는다.
도 2는 빛의 상반성을 나타내는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 빛은 양쪽 방향, 즉 순방향과 역방향 모두 빛이 통과되며, 빛의 경우 이와 같은 상반성(reciprocity)을 가지고 있어 빛의 흐름을 특정 방향 또는 일방향으로 제한하는 것은 쉽지 않다. 빛의 상반성이란 공간상의 두 점간 전달되는 파동의 대칭성을 말하며, 이동하는 방향에 상관없이 같은 매체를 통과하는 동일한 파동은 똑같이 움직인다. 따라서 단방향 거울 같이 상반성이 없는, 혹은 일방성(一方性) 시스템을 개발하기 위해서는 상반성을 극복해야 한다.
이와 같이, 빛의 상반성을 극복한 빛을 한 방향으로만 통과시키는 장치를 본 발명에서는 광 다이오드(Light Diode)로 지칭한다. 광 다이오드 구조 관련하여, 원형 편광의 경우 2차원 구조로 제작가능하나, 선형 편광의 경우 3차원 구조가 아니면 불가능하다. 선형 편광 다이오드를 만들기 위해서는 3차원 나노 구조가 필수적이며, 후술될 본 발명의 실시예에 의하면 전자빔 리소그래피를 이용하여 3차원 나노 구조를 제작 가능하다.
도 3은 빛의 두 전파 방향에 대한 존스 행렬(Jones matrix)을 설명하기 위한 개념도이다. 빛의 입사 필드(incident field)와 투과 필드(transmitted field) 사이의 관계식은 아래와 같이 존스 행렬식으로 표현할 수 있다.
선형 편광이고 순방향(forward direction)일 때, 존스 행렬이
Figure 112017084794442-pat00001
라고 하면,
Figure 112017084794442-pat00002
이 된다. (i: 입사, t: 투과)
Figure 112017084794442-pat00003
가 편광을 변환하는 완전 투과(perfect transmission)의 경우 아래와 같은 식이 성립한다.
Figure 112017084794442-pat00004
선형 편광이고 역방향(backward direction)일 때, 존스 행렬은 빛의 상반이론(reciprocity theorem)에 의해
Figure 112017084794442-pat00005
이 되고,
Figure 112017084794442-pat00006
이 된다. (i: 입사, t: 투과)
완전 반사(perfect reflection)의 경우 아래와 같은 식이 성립한다.
Figure 112017084794442-pat00007
선형 편광을 위한 비대칭 투과(asymmetric transmission)에서,
Figure 112017084794442-pat00008
,
Figure 112017084794442-pat00009
이고, Δ 파라미터는 두 반대 방향에서의 투과의 차이를 나타내는 값으로 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017084794442-pat00010
따라서, 비대칭 투과를 달성하기 위해서는
Figure 112017084794442-pat00011
이면 된다. (K. Wang et al., Optics Express, 19, 8347 (2011); C. Huang et al., PRB 85, 195131 (2012))
도 4는 종래의 메타물질에서 대칭 종속적인(symmetry-dependent) T 행렬과 그 예시 구조들을 나타낸다. (C. Menzel et al., PRA 82, 053811 (2010)) 대칭 투과를 위한 메타물질 구조는 z축 대칭성을 가지며, 비대칭 투과를 위해서는 z 축에 대한 대칭성이 깨져야 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 투과를 위한 3D 광 다이오드 구조체를 나타내고, 구체적으로 도 5a는 3D 광 다이오드 구조체의 사시도이며, 도 5b는 3D 광 다이오드 구조체의 정면도이다.
일 실시예에 따른 3D 광 다이오드 구조체의 제조 방법에 의하면, 2단계 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography)를 이용할 수 있다. 먼저, 예컨대 SiO2 와 같은 실리콘 기판 위에 메타물질로 된 하부 구조체를 제작한다. 여기서, 메타물질 구조체의 재료는 예컨대 금(Au)일 수 있다. 메타물질 하부 구조체 위에 다시 SiO2로 채워넣고, 다시 그 위에 전자빔 리소그래피를 통해서 정교하게 위치 정렬(align)된 위치를 지정하고 거기에 다시 메타물질로 된 상부 구조체를 제작할 수 있다. 이와 같이 형성된 메타물질 하부 구조체 및 메타물질 상부 구조체는 중간에 채워진 SiO2의 두께만큼 이격되며, SiO2 안에 내장될 수 있다.
이와 같이 형성된 메타물질 하부 구조체 및 메타물질 상부 구조체는 제조 후에 90도 회전시켜 세로로 세워놓으면 도 5a에 도시된 바와 같이 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)와 같이 배치될 수 있으며, 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)가 서로 이격되어 SiO2 정육면체(530) 안에 내장될 수 있다. 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)가 위치하는 SiO2 정육면체(530)는 필요에 따라 직육면체 또는 이와 유사한 형상의 구조를 가질 수도 있을 것이다.
이와 같은 3D 메타물질 구조체의 일 실시예로, 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)에서 몸통 부분에 긴 모양을 갖는 제1 바(bar)(511) 및 제2 바(521)의 길이 L1은 약 300nm 내지 400nm, 또는 약 350nm 일 수 있다.
제1 메타물질 구조체(510)는 제1 바(bar)(511)의 양 단부에서 길이 방향과 수직 방향으로 형성된 제1 암(arm)(512) 및 제2 암(513)을 포함할 수 있다. 제1 암(512) 및 제2 암(513)은 제1 바(511)를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되어 있으며, 제1 암(512) 및 제2 암(513)의 길이 L2는 약 100nm 내지 200nm, 또는 약 150nm 일 수 있다.
위와 유사하게, 제2 메타물질 구조체(520)는 제2 바(bar)(521)의 양 단부에서 길이 방향과 수직 방향으로 형성된 제3 암(522) 및 제4 암(523)을 포함할 수 있다. 제3 암(522) 및 제4 암(523)은 제2 바(521)를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되어 있으며, 제3 암(522) 및 제4 암(523)의 길이 L2는 약 100nm 내지 200nm, 또는 약 150nm 일 수 있다.
본 실시예에서 제1 바(511) 및 제2 바(521)의 양 단부에 형성된 암들(512,513,522,523)은 각각 제1 바(511) 및 제2 바(521)에 수직 방향으로 형성될 수 있지만, 바의 양 단부에 형성된 암들이 서로 대칭적으로 반대방향으로 형성되어 있으면 양 단부의 암들(512,513,522,523)이 바(511,521)와 이루는 각도가 90도가 아닌 각으로 형성하는 것도 가능할 것이다.
또한, 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520) 각각의 폭(width)은 약 40nm 내지 60nm, 또는 약 50nm 이며, L2 길이를 갖는 암에서 단면으로 봤을 때 긴 길이 방향인 세로 길이(또는 높이) w는 약 50nm 내지 70nm, 또는 약 60nm일 수 있다.
제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)은 서로 일정 거리 이격되어 있으며, 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)의 중심 사이의 이격 거리 s는 예컨대 약 180nm 내지 220nm, 또는 약 200nm 일 수 있고, SiO2 육면체의 한 변의 길이는 예컨대 약 400nm 내지 600nm, 또는 약 500nm일 수 있다.
도 5b를 참조하면 정면, 즉 빛의 진행 방향 또는 이의 역방향에 바라본 제1 메타물질 구조체(510) 및 제2 메타물질 구조체(520)의 구조를 살펴볼 수 있다. 제1 메타물질 구조체(510)의 제1 바(511)는 제2 메타물질 구조체(520)의 제2 바(521)와 서로 수직 방향으로 배치되어 있으며, 빛의 진행 방향 또는 이의 역방향에서 바라봤을 때 중심 부분의 적어도 일부가 중첩되어 배치되어 있다.
이와 같은 메타물질 구조체의 3차원 나노 구조 제작은 전술한 전자빔 리소그래피를 이용한 패터닝으로 가능하며, 일반 포토리소그래피나 3D 프린팅 등을 통한 제작은 불가능할 것이다. 다만, 마이크로미터 사이즈 크기의 구조면 일반 포토리소그래피나 3D 프린팅 등을 이용한 제작도 가능할 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 x-편광된 빛의 비대칭 투과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 6a는 순방향(forward direction)에서 x-편광된 빛의 |txx|2 및 |tyx|2 값을 나타내며, 도 6b는 역방향(backward direction)에서 x-편광된 빛의 |txx|2 및 |tyx|2 값을 나타낸다.
|txx|2 값은 순방향 및 역방향에서 동일함을 확인할 수 있으며, |tyx|2 값은 150 THz 근방에서 순방향의 경우 약 0.5 ~ 0.6 사이의 값을 가지나, 역방향의 경우 거의 0에 가까운 값을 가지고 있어, x-편광된 빛의 비대칭 투과 특성이 발생함을 알 수 있다.
비대칭 투과(Asymmetric transmission) 특성이 발생하는 대역의 주파수인 150THz를 작동 주파수(working frequency)로 지칭할 수 있으며, 비대칭 투과가 발생하는 150THz 근처의 주파수 영역대 너비가 약 30THz를 넘는 것을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 편광에 대한 비대칭 투과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 7a는 x-편광에 대한
Figure 112017084794442-pat00012
값에 대한 그래프이고, 도 7b는 y-편광에 대한
Figure 112017084794442-pat00013
값에 대한 그래프이다. 여기서,
Figure 112017084794442-pat00014
값은 아래와 같이 계산된다.
Figure 112017084794442-pat00015
Tforward 는
Figure 112017084794442-pat00016
의 크기, Tbackward는
Figure 112017084794442-pat00017
의 크기이므로,
Figure 112017084794442-pat00018
값은 아래와 같은 행렬식으로 계산될 수 있으며, 여기서 행렬의 각 요소인 A,B,C,D의 값은 메타물질의 구조, 예컨대 기하하적 형상 또는 재료 등에 의해 결정된다.
Figure 112017084794442-pat00019
본 실시예에서, 도 7a를 참조하면 150THz의 작동 주파수에서
Figure 112017084794442-pat00020
은 약 0.5 ~ 0.6 사이의 값을 가지며, 작동 주파수 근방 이외의 대역, 예컨대 100THz 이하 또는 200THz 이상의 주파수 대역에서는 거의 0의 값을 가진다. 또한, 도 7b를 참조하면, 150THz의 작동 주파수에서
Figure 112017084794442-pat00021
은 약 -0.5 ~ -0.6 사이의 값을 가지며, 작동 주파수 근방 이외의 대역, 예컨대 100THz 이하 또는 200THz 이상의 주파수 대역에서는 거의 0의 값을 가진다. 따라서, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, x-편광 및 y-편광 모두에 대해 150THz의 작동 주파수에서 선형 편광에 대한 비대칭 투과 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 편광에 대한 대칭 투과를 나타내는 그래프이다. 도 8a는 우-원형 편광(right-circular polarization)에 대한
Figure 112017084794442-pat00022
값을 나타내고, 도 8b는 좌-원형 편광(left-circular polarization)에 대한
Figure 112017084794442-pat00023
값을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b의 그래프를 각각 살펴보면, 우-원형 편광 및 좌-원형 편광에 대해 모든 주파수 범위에서 대칭적 투과 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 이를 아래와 같이 수식으로 검토할 수 있다.
Figure 112017084794442-pat00024
예컨대, 도 5에 도시된 본 발명의 일 예시에 의한 3D 메타물질 구조에서는 A=D 이므로,
Figure 112017084794442-pat00025
가 성립하고, 따라서 원형 편광에 대해서는 선형 편광과 달리 대칭 투과 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3D 광 다이오드 구조체 샘플들의 형상을 보여주는 사진이다.
도 9에 도시된 구조체는 도 5를 참조하여 설명한 2-단계 전자빔 리소그래피를 이용하여 제조된 3차원 메타물질 구조체의 평면도를 나타낸다. 오정렬(misalignment)로 인한 20nm 미만의 약간의 옵셋(offset)이 발생했지만, 이는 허용 범위(tolerance range) 이내이다.
이와 같이 제조된 3차원 메타물질 구조체는 빛을 한 방향으로 통과시키는 광 비대칭 투과 장치, 즉 광 다이오드로서 사용될 수 있다. 또한, 이 광 다이오드는 근적외선 영역에서 작동할 수 있다. 또한, 이와 같은 광 다이오드는 전술한 3차원 전자빔 리소그래피 패터닝을 통해 제조될 수 있다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
510 제1 메타물질 구조체 511 제1 바
512 제1 암 513 제2 암
520 제2 메타물질 구조체 511 제2 바
512 제3 암 513 제4 암
530 SiO2 정육면체

Claims (21)

  1. 광 다이오드에 있어서,
    제1 바(bar)를 포함하는 제1 메타물질 구조체; 및
    상기 제1 바와 수직 방향으로 배치된 제2 바(bar)를 포함하는 제2 메타물질 구조체를 포함하고,
    상기 제1 바 및 상기 제2 바는 이격되어 있고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 적어도 일부가 중첩되며,
    상기 제1 바는 양측 단부에서 연장되는 제1 암 및 제2 암을 포함하며, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되고,
    상기 제2 바는 양측 단부에서 연장되는 제3 암 및 제4 암을 포함하며, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되는 것인, 광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바에 수직으로 형성되고, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바에 수직으로 형성되는 것인, 광 다이오드.
  4. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체는 금(Au)을 포함하는 것인, 광 다이오드.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체는 실리콘 육면체 안에 내장되어 있는 것인, 광 다이오드.
  6. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 상기 제1 메타물질 구조체의 상기 제1 바의 중심과 상기 제2 메타물질 구조체의 상기 제2 바의 중심이 중첩되는 것인, 광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm인 것인, 광 다이오드.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm이고, 상기 제1 암 및 제2 암의 길이는 100nm 내지 200nm이고, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체 각각의 폭(width)은 40nm 내지 60nm이며, 상기 제1 암, 상기 제2암, 상기 제3 암 및 상기 제4 암 단면의 긴 길이 방향인 세로 길이는 50nm 내지 70nm인 것인, 광 다이오드.
  9. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 육면체는 정육면체의 형상을 가지며, 상기 실리콘 육면체의 한 변의 길이는 400nm 내지 600nm 인 것인, 광 다이오드.
  10. 광 다이오드 제조 방법에 있어서,
    실리콘 기판 위에 메타물질 하부 구조체를 제작하는 단계;
    상기 메타물질 하부 구조체 상에 2차 실리콘을 채워넣는 단계; 및
    상기 2차 실리콘 상에 메타물질 상부 구조체를 제작하는 단계
    를 포함하며, 상기 메타물질 하부 구조체 및 상기 메타물질 상부 구조체의 제작은 각각 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography)를 이용하며,
    상기 메타물질 하부 구조체는 제1 바(bar)를 포함하고, 상기 메타물질 상부 구조체는 제2 바(bar)를 포함하며, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 서로 수직 방향으로 배치되고,
    상기 메타물질 하부 구조체의 제1 바는 양측 단부에서 연장되는 제1 암 및 제2 암을 포함하며, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되고,
    상기 메타물질 상부 구조체의 제2 바는 양측 단부에서 연장되는 제3 암 및 제4 암을 포함하며, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되는 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바에 수직으로 형성되고, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바에 수직으로 형성되는 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 메타물질 하부 구조체 및 상기 메타물질 상부 구조체는 금(Au)을 포함하는 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 메타물질 하부 구조체 및 상기 메타물질 상부 구조체는 실리콘 육면체 안에 내장되어 있는 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서, 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 상기 메타물질 하부 구조체의 상기 제1 바의 중심과 상기 메타물질 상부 구조체의 상기 제2 바의 중심이 중첩되는 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm인 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 길이는 300nm 내지 400nm이고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바의 이격 거리는 180nm 내지 220nm이고, 상기 제1 암 및 제2 암의 길이는 100nm 내지 200nm이고, 상기 하부 메타물질 구조체 및 상기 상부 메타물질 구조체 각각의 폭(width)은 40nm 내지 60nm이며, 상기 제1 암, 상기 제2암, 상기 제3 암 및 상기 제4 암 단면의 긴 길이 방향인 세로 길이는 50nm 내지 70nm인 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 실리콘 육면체는 정육면체의 형상을 가지며, 상기 실리콘 육면체의 한 변의 길이는 400nm 내지 600nm 인 것인, 광 다이오드 제조 방법.
  20. 3차원 메타물질 구조체에 있어서,
    제1 바(bar)를 포함하는 제1 메타물질 구조체; 및
    상기 제1 바와 수직 방향으로 배치된 제2 바(bar)를 포함하는 제2 메타물질 구조체를 포함하고,
    상기 제1 바 및 상기 제2 바는 이격되어 있고, 상기 제1 바 및 상기 제2 바는 빛의 진행 방향에서 바라보았을 때 적어도 일부가 중첩되며,
    상기 제1 바는 양측 단부에서 연장되는 제1 암 및 제2 암을 포함하며, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 상기 제1 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되고,
    상기 제2 바는 양측 단부에서 연장되는 제3 암 및 제4 암을 포함하며, 상기 제3 암 및 상기 제4 암은 상기 제2 바를 기준으로 서로 반대방향으로 형성되는 것인, 3차원 메타물질 구조체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 메타물질 구조체 및 상기 제2 메타물질 구조체는 금을 포함하는 것인, 3차원 메타물질 구조체.
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