KR102176582B1 - 위상 절연체를 이용한 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자와 그 제조방법 및 표면 플라즈몬과 편광 검출방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 실시예에 의한 위상 절연체를 이용한 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자와 그 제조방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 일 실시예에 의한 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자는 기판 상에 구비된 위상 절연층과, 상기 위상 절연층 상에 구비된 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 상기 위상 절연층에 연결된 도파관을 포함한다. 상기 위상 절연층은 채널층으로써, Bi2Se3층 또는 Bi2Te3층일 수 있으나, 이러한 물질로 한정되지 않는다. 상기 도파관은 표면 플라즈마 폴라리톤(SPP) 도파관일 수 있다. 상기 도파관은 이격된 복수의 도파관을 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 표면 플라즈몬 검출 관련분야의 소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 위상 절연체를 이용한 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자와 그 제조방법에 관한 것이다.
파장의 회절 제한(diffraction limit) 때문에, 광소자 크기를 줄이는데 한계가 있다. 이를 극복하기 위하여 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton, SPP)을 이용하기도 한다. SPP로 전달된 에너지는 광으로 재추출하여 검출한다. 하지만, SPP로 전달된 에너지를 전기적으로 검출할 경우, 소자 응용 가능성이 더 넓어질 수 있다.
SPP를 전기적으로 검출하는 방법으로 게르마늄(Ge) 나노선 채널을 이용하여 단파장 SPP를 전기적으로 검출하는 방법이 소개된 바 있고, 더 발전된 방법으로는 그래핀 채널을 이용하는 방법이 소개된 바 있다.
기존 반도체(예를 들면, 나노선)에 비해 고이동도(≤200,000 cm2 V-1s-1)를 갖는 그래핀(graphene)과 SPP를 결합하면, 초고속이면서 광대역의 집적광소자를 구현할 수 있다.
본 개시의 일 실시예는 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자를 제공함에 있다.
본 개시의 일 실시예는 이러한 검출소자의 제조방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시예는 이러한 검출소자를 이용한 표면 플라즈몬과 광의 편광상태 검출방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 의한 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자는 기판 상에 구비된 위상 절연층과, 상기 위상 절연층 상에 구비된 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 상기 위상 절연층에 연결된 도파관을 포함한다.
이러한 검출소자에서, 상기 위상 절연층은 채널층으로써, Bi2Se3층 또는 Bi2Te3층일 수 있다.
상기 도파관은 표면 플라즈마 폴라리톤(SPP) 도파관일 수 있다.
상기 도파관은 이격된 복수의 도파관을 포함할 수 있다.
상기 도파관은 상기 위상 절연층으로부터 이격된 확장된 부분을 가질 수 있다.
상기 도파관의 단면은 원형, 비원형, 사각형 및 사다리꼴 중 어느 하나일 수 있다.
상기 복수의 도파관들은 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 검출소자 제조방법은 기판 상에 위상 절연층을 형성하고, 상기 위상 절연층 상에 제1 및 제2 전극과 도파관을 서로 이격되게 형성한다.
이러한 제조방법에서, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 도파관을 형성하는 과정은 상기 제1 및 제2 전극과 상기 도파관을 동시에 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 도파관을 형성하는 과정은 상기 제1 및 제2 전극은 상기 도파관을 형성하기 전이나 형성한 후에 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 도파관을 형성하는 과정은 상기 도파관의 일부를 상기 위상 절연층으로부터 이격되게 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 도파관을 형성하는 과정은 상기 위상 절연층 상에 서로 이격된 복수의 도파관을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 복수의 도파관은 서로 다른 사이즈로 형성할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 검출방법은 상술한 검출소자를 이용한 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법에 있어서, 상기 위상 절연층에 캐리어를 생성시키고, 상기 생성된 캐리어를 측정하는 과정을 포함한다.
이러한 검출방법에서, 상기 위상 절연층에 캐리어를 생성시키는 과정은 상기 도파관에 광을 조사하는 과정을 포함한다.
상기 검출방법은 상기 캐리어를 측정하는 과정 다음에, 상기 측정된 캐리어의 흐름 방향을 판단하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 위상 절연층에 캐리어를 생성시키는 과정은
상기 도파관에 원편광의 광을 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 광은 파장이 1mm 이하일 수 있다. 상기 광은 연속파형 레이저, 가우시안 파형, 사각파형 및 임의 파형 중 어느 하나일 수 있다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 검출소자는 전극들 사이에 위상 절연층 채널을 구비한다. 위상 절연층에 연결된 플라즈몬 폴라리톤 도파관을 통해서 위상 절연층에 전달되는 SPP는 위상 절연체에 캐리어(전자, 홀)를 발생시킨다. 이렇게 발생된 캐리어는 전극으로 이동되어 검출될 수 있는 바, 상기 SPP를 전기적으로 검출할 수 있다. 그래핀과 마찬가지로 위상 절연층은 상대론적 디랙(Dirac) 방정식을 따른다. 따라서 상기 캐리어의 초고속 광대역 검출이 가능하다.
또한, 상기 위상 절연층은 표면의 에지 상태(edge state) 특성은 스핀 의존성을 갖는다. 따라서 상기 플라즈몬 폴라리톤 도파관을 통해 전달되는 입사광의 편광상태에 따라 위상 절연층에 흐르는 전류의 방향이 달라진다. 그러므로 위상 절연층에 흐르는 전류 방향을 측정함으로써, 입사광의 편광상태를 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 SPP 및 광 편광상태 검출소자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 검출소자를 2-2' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 SPP 및 광 편광상태 검출소자의 평면도이다.
도 4는 도 3의 검출소자를 4-4' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 검출소자의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 제조방법에서 멀티모드 구현을 위해 복수의 SPP 도파관이 형성되는 경우를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 검출소자를 2-2' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 SPP 및 광 편광상태 검출소자의 평면도이다.
도 4는 도 3의 검출소자를 4-4' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 검출소자의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 제조방법에서 멀티모드 구현을 위해 복수의 SPP 도파관이 형성되는 경우를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 개시의 일 실시예에 의한 표면 플라즈몬 및 광 편광상태를 검출할 수 있는 소자와 그 제조방법과 SPP와 광 편광상태 검출방법을 제공한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 의한 표면 플라즈몬의 전기적 검출 및 광 편광상태를 검출할 수 있는 소자를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
표면 플라즈몬 혹은 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 검출 및 광 편광상태 검출과정은 검출소자의 설명과정에서 함께 설명된다.
도 1을 참조하면, 기판(30)에 이격된 제1 및 제2 전극(42, 44)이 마련되어 있다. 제1 및 제2 전극(42, 44) 주 하나는 양전극(예컨대, 제1 전극(42))이고, 나머지 하나는 음전극일 수 있다. 제1 및 제2 전극(42)은, 예를 들면 금(Au)으로 형성된 전극일 수 있다. 제1 및 제2 전극(42, 44)은 전도성이 우수한 단일 금속, 합금 또는 실리사이드 등으로 형성된 것일 수 있고, 이외에도 전극으로 사용될 수 있는 다양한 도전성 물질로 형성된 것일 수 있다. 제1 및 제2 전극(42, 44) 사이에 위상 절연층(40)이 존재한다. 위상 절연층(40)는 채널층일 수 있다. 위상 절연층(40)에 SPP 도파관(46)이 연결되어 있다. SPP 도파관(46)의 일부는 위상 채널층(40)으로부터 이격되도록 확장되어 있다. SPP 도파관(46)은 표면 플라즈몬을 갖는 금속선(metal line)일 수 있다. 이때, 상기 금속선은 나노선일 수 있다. SPP 도파관(46)은, 예를 들면 은(Ag), 금(Au) 또는 구리(Cu) 등과 같은 도전성 물질로 형성된 도파관일 수 있다. 위상 절연층(40)은 그래핀과 마찬가지로 상대론적인 디랙 방정식을 따른다. 따라서 위상 절연층(40)에서 캐리어는 그래핀에서처럼 고이동도로 이동될 수 있다. 또한, 위상 절연층(40)은 여러 파장을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있다. 따라서 위상 절연층(40)은 그래핀과 마찬가지로 초고속/광대역에서 SPP 검출이 가능하다. 위상 절연층(40)의 표면의 에지 상태(edge state)는 스핀 의존성을 갖는다. 곧, 위상 절연층(40)의 표면에는 스핀 업 전자와 스핀 다운 전자가 공존하면서 서로 반대 방향으로 이동할 수 있다. 그러므로 위상 절연층(40)에 연결된 SPP 전달 도파관(46)을 통해서 위상 절연층(40)에 전달되는 SPP(50)에 포함된 입사광(L1)의 편광상태에 따라 위상 절연층(40)에서 전자의 이동방향은 달라질 수 있다. 예컨대, SPP 도파관(46)의 위상 절연층(40)으로부터 이격된 영역(A1)에 입사되는 입사광(L1)이 좌선성 원편광(σ-)인 경우, 이 정보는 SPP(50)에 포함되어 위상 절연층(40)으로 전달된다. 위상 절연층(40)의 표면의 에지 상태 특성에 따라 위상 절연층(40)에 좌선성 원편광(σ-)이 전달되는 경우, 전류는 오른쪽으로 흐른다. 반대로 SPP 도파관(46)의 영역(A1)에 입사되는 입사광(L1)이 우선성 원편광(σ+)인 경우, 위상 절연층(40)에서 전류는 왼쪽으로 흐른다. 이러한 전류는 제1 전극(42)에 연결된 전류계(A)로 측정될 수 있다. 따라서 SPP 도파관(46)에 입사광(L1)이 조사된 후, 위상 절연층(40)에 흐르는 전류의 방향을 측정함으로써, 입사광(L1)의 편광상태, 곧 입사광(L1)이 우선성 원편광인지, 좌선성 원편광인지 알 수 있다.
한편, SPP 도파관(46)에 조사되는 입사광(L1)의 편광상태가 선편광인 경우, 원편광일 때와 달리 위상 절연층(40)에서 전류의 방향은 달라지지 않는다. SPP 도파관(46)을 통해서 위상 절연층(40)에 전달된 광은 위상 절연층(40)에서 전자(e)와 홀(hole)(h)을 생성한다. 생성된 전자(e)와 홀(h)은 서로 반대 방향으로 이동된다. 위상 절연층(40)에서 생성된 전자(e)와 홀(h)은 SPP 도파관(46)을 통해 SPP(50)가 위상 절연층(40)에 전달된 결과이므로, 상기 생성된 전자(e)와 홀(h)을 측정하는 것, 곧 전류를 측정하는 것은 SPP(50)를 전기적으로 측정하는 것이다.
이와 같이 위상 절연층(40)을 채널로 이용하면, SPP(50)를 전기적으로 측정하되, 초고속 광대역으로 측정할 수 있고, SPP(50)에 포함된 광의 편광정보까지 알 수 있다.
SPP 도파관(46)의 영역(A1)에 입사되는 광(L1)은, 예를 들면 선편광이나 원편광을 갖는 광일 수 있고, 편광을 갖지 않는 광일 수도 있다. 광(L1)은, 예를 들면 연속파형 레이저일 수 있다. 광(L1)은 다양한 파형을 갖는 펄스광일 수 있는데, 예를 들면 가우시안(Gaussian) 파형, 사각파형 또는 임의 형태의 파형을 갖는 광일 수도 있다. 광(L1)의 밴드폭(bandwidth)은, 예를 들면 600GHz일 수 있다. 광(L1)은 코히어런트 단일 광자(coherent single photon)일 수 있다. 광(L1)의 파장은, 예를 들면 1mm이하일 수 있는데, 자외선, 가시광 또는 적외선일 수 있고, 진동수가 테라헬쯔(THz)인 광일 수도 있다.
도 1을 2-2' 방향으로 절개한 도 2를 참조하면, 기판(30) 상에 위상 절연체(40)가 존재한다. 위상 절연체(40) 상에 제1 및 제2 전극(42, 44)과 SPP 도파관(46)이 구비되어 있다. SPP 도파관(46)은 제1 및 제2 전극(42, 44) 사이에 위치하고, 제1 및 제2 전극(42, 44)과 이격되어 있다. SPP 도파관(46)의 직경(W1)은, 예를 들면 1nm~100㎛ 정도일 수 있다. 도면에서 SPP 도파관(46)의 단면은 직사각형이다. 그러나 도파관(46)의 단면은 원형, 비원형, 사각형, 사다리꼴 등 다양한 형태일 수 있다. 도파관(46)의 단면 형태, 사이즈 혹은 비율에 따라 결맞는 파장이 결정될 수 있고, 표면 플라즈몬의 공진 효과는 증가할 수 있다.
도 1에 도시한 검출소자의 사이즈는, 예를 들면 수 nm~1mm 정도일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 SPP의 전기적 검출 및 광 편광상태 검출을 위한 멀티모드 검출소자의 평면도이다.
도 1의 검출소자와 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 3을 참조하면, 위상 절연층(40)에 제1 및 제2 도파관(56, 66)이 연결되어 있다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)은 SPP 도파관이다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)의 직경은 다를 수 있다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)의 직경은 1nm~100㎛ 범위에서 서로 다를 수 있다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)에 서로 다른 파장의 광이 입사될 수 있고, 제1 및 제2 도파관(56, 66)은 서로 다른 SPP를 위상 절연층(40)에 전달한다. 위상 절연층(40)은 선형 에너지-운동량 분산(linear energy-momentum dispersion) 특성을 갖는 바, 제1 및 제2 도파관(56, 66)을 통해 전달된 서로 다른 SPP를 흡수하여 전자-홀을 생성한다. 이와 같이 위상 절연층(40)을 이용할 경우, 멀티 모드 검출도 가능하다. 위상 절연층(40)에 제1 및 제2 도파관(56, 66)외에 더 많은 도파관이 연결될 수 있다.
도 4는 도 3을 4-4' 방향으로 절개한 단면을 보여준다. 도 2와 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 4를 참조하면, 제1 및 제2 전극(42, 44) 사이의 위상 절연층(40) 상에 제1 및 제2 도파관(56, 66)이 구비되어 있다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)의 각각의 단면 형태는 SSP 도파관(46)과 동일할 수 있다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)의 단면 형태는 동일할 수 있으나, 서로 다를 수도 있다.
다음, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 검출소자의 제조방법을 설명한다.
도 5를 참조하면, 기판(30) 상에 위상 절연층(40)을 형성한다. 위상 절연층(40)은, 예를 들면 Bi2Se3층, Bi2Te3층일 수 있으나, 위상 절연층(40)은 이러한 물질로 한정되지 않는다.
도 6을 참조하면, 위상 절연층(40) 상에 제1 및 제2 전극(42, 44)과 SPP 도파관(46)을 형성한다. 제1 및 제2 전극(42, 44)과 SPP 도파관(46)은 동일한 물질을 사용해서 동시에 형성할 수 있다. 제1 및 제2 전극(42, 44)과 SPP 도파관(46)은 서로 다른 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들면 제1 및 제2 전극(42, 44)은 Au, Ag 및 Cu로 이루어진 군중 어느 하나로 형성하고, SPP 도파관(46)은 상기 군중 다른 하나로 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 전극(42, 44)은 동시에 형성하되, SPP 도파관(46)보다 먼저 형성하거나 후에 형성할 수 있다.
한편, SPP 도파관(46)을 형성하는 단계에서, SPP 도파관(46)의 위치에 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 도파관(56, 66)을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 도파관(56, 66)을 형성할 때, 더 많은 도파관을 형성할 수도 있다.
상술한 제조방법에서 SPP 도파관(46), 제1 및 제2 도파관(56, 66)의 제원은 검출소자에서 설명한 바와 같다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
30:기판 40:위상 절연층
42, 44:제1 및 제2 전극 46:SPP 도파관
50:SPP 56, 66:제1 및 제2 도파관
A1:도파관의 광이 조사되는 영역 L1:입사광
e:전자 h:홀(hole)
W1:도파관(46)의 직경
42, 44:제1 및 제2 전극 46:SPP 도파관
50:SPP 56, 66:제1 및 제2 도파관
A1:도파관의 광이 조사되는 영역 L1:입사광
e:전자 h:홀(hole)
W1:도파관(46)의 직경
Claims (20)
- 기판 상에 구비된 위상 절연층;
상기 위상 절연층 상에 구비된 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 및 제2 전극 사이의 상기 위상 절연층에 연결된 도파관;을 포함하고,
상기 도파관의 일부는 상기 위상 절연층의 측방향으로 상기 위상 절연층 밖으로 돌출된 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 위상 절연층은 채널층으로써, Bi2Se3층 또는 Bi2Te3층인 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도파관은 표면 플라즈마 폴라리톤(SPP) 도파관인 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도파관은 이격된 복수의 도파관을 포함하는, 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 도파관의 단면은 원형, 비원형, 사각형 및 사다리꼴 중 어느 하나인 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 복수의 도파관들은 서로 다른 사이즈를 갖는 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자. - 기판 상에 위상 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 위상 절연층 상에 제1 및 제2 전극과 도파관을 서로 이격되게 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 도파관의 일부는 상기 위상 절연층의 측방향으로 상기 위상 절연층 밖으로 돌출된 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 위상 절연층은 Bi2Se3층 또는 Bi2Te3층인, 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극과 상기 도파관을 형성하는 단계는,
상기 제1 및 제2 전극과 상기 도파관을 동시에 형성하는 단계를 포함하는 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극과 상기 도파관을 형성하는 단계는,
상기 제1 및 제2 전극은 상기 도파관을 형성하기 전이나 형성한 후에 형성하는 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자의 제조방법. - 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 도파관을 형성하는 단계는,
상기 위상 절연층 상에 서로 이격된 복수의 도파관을 형성하는 단계를 포함하는, 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자의 제조방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 복수의 도파관은 서로 다른 사이즈로 형성하는, 표면 플라즈몬 및 편광 검출소자의 제조방법. - 청구항 1의 검출소자를 이용한 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법에 있어서,
상기 위상 절연층에 캐리어를 생성시키는 단계; 및
상기 생성된 캐리어를 측정하는 단계;를 포함하는, 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 위상 절연층에 캐리어를 생성시키는 단계는,
상기 도파관에 광을 조사하는 단계를 포함하는 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 측정된 캐리어의 흐름 방향을 판단하는 단계를 더 포함하는 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 위상 절연층에 캐리어를 생성시키는 단계는,
상기 도파관에 원편광의 광을 조사하는 단계를 포함하는 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법. - 제 16 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 광은 파장이 1mm 이하인, 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법. - 제 16 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 광은 연속파형 레이저, 가우시안 파형, 사각파형 및 임의 파형 중 어느 하나인 표면 플라즈몬 및 편광 검출방법.
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