The metal-dielectric (MD) multilayer structures have gained much interest in the area of optoelectronic and photonic devices, such as light emitting diodes (LEDs), photodetectors (PDs), optical filters, photovoltaic (PV) cells. In particular, an MDM structure, an ultra-thin dielectric slab surrounded by metal layers, has been of growing interest, because it can directly couple waveguide modes to free space modes, provided a metal layer is thin enough to allow the coupling. For light absorber applications, it is desired to possess polarization- and angle-insensitive resonances to maximize the efficiency. To achieve this performance, previous works require complex patterns on the top of the metal layer which cause significant fabrication challenges. To remove the need of having complex structures, the unpatterned metal-dielectric-metal (MDM) structure is proposed to effectively achieve polarization-insensitive omnidirectional multiband absorber in the visible and near-infrared light. To understand material dependent absorption characteristics, highly efficient light absorption properties in metal-semiconductor planar multilayers are studied. The present work numerically investigate the dispersion curves and the absorption spectra in a MDM structure based on the transfer matrix method (TMM). The multiband absorption based on the radiative waveguide modes (RWMs) can support strong light absorption and weak dependence on the angle of incident light and its polarization state. Multiple resonant-modes can maintain high absorptivity (> 0.9) and cross-polarization coupling (> 0.85) from normal incidence angle ($0^\circ$) to high grazing angle ($70^\circ$). The presented work is expected to provide a cost-effective solution to applications in optical sensing and optical communications.
광 흡수체는 광검출기, 태양광전지 등 광전자공학의 필수적인 소자이다. 광 흡수체는 가능한 소량의 물질을 사용하여 박막구조를 형성하고 광 흡수대역을 효과적으로 조절하며 동일 파장대의 빛을 넓은 수용각에서 흡수하여야 한다. 이를 위해서 유전체/금속 혹은 금속/유전체/금속 구조를 사용하고 금속 표면에 패턴을 식각하여 흡수 효율을 높이는 등의 다양한 해결책이 제시되고 있다. 우리는 비싸고 복잡한 식각 공정이 요구되는 흡수체 대신에 금속/반도체 복합 구조를 이용하여 편광에 의존하지 않는 전방향 다중대역 흡수체를 제안하였다. 광학적으로 두껍고 밀한 유전율이 높은 반도체를 사용함으로써 흡수율이 편광에 의존하지 않고 입사각에 영향을 적게 받도록 설계하였다. 넓은 대역에서 편광 무의존성을 얻기 위해 식각 된 금속층을 사용하는 광 흡수체는 공정 과정이 복잡하며 수율이 낮으므로 대량 생산용으로 부적합하다. 식각 된 금속층을 사용하는 대신 유전율이 높은 반도체 물질을 금속 박막으로 감싼 금속/반도체 복합 다층 박막구조를 사용하면 비교적 단순한 구조로도 흡수율을 증가할 수 있다. 본 논문에서 제시된 광 흡수체는 금속/반도체의 단순한 구조로써 싼 가격에 대량 생산이 가능하고 전기가 통하지 않는 유전체 대신 반도체를 사용함으로써 태양광전지로도 활용할 가능성을 높였다. 본 연구에서 제안하는 박막 광학 기술은 광검출기 및 태양광전지의 효율성을 높이는 하나의 대안으로 기대된다.
