As the rea of the 4th industrial revolution opens, optical convergence technology aims to increase the performance of existing products or create new produces by combining a various technologies. As technology development progresses, the fundamental products such as laser, LED, and photodetector should also be upgraded. The photodetectors plays an important role in converting the optical signal into an electrical signal in the field of optoelectronics including optical communication. High performance photodetector is essential for realizing the future optical technologies because photodetectors should be able to detect the rapidly changing light signals.
Silicon-based photodetector has widely used because of the easy fabrication, low cost and integrity with other electrical devices. However, silicon has intrinsically low photo-responsivity and detecting range is limited by the presence of bandgap. For this reason, graphene has attracted attention in the fields of photodetectors because of their unique properties of electrical, optical and mechanical. Despite these excellent properties, short carrier lifetime and low light absorption rate have limited application as an optical devices. Following a significant number of graphene studies, other two-dimensional semiconductors have opened a window for realizing novel optoelectronic devices. Similar to graphene, being atomically thin, these materials exhibit a wide range of unique properties which cannot be seen in three-dimensional bulk materials. These two-dimensional materials can overcome the drawbacks of short carrier lifetime of graphene, but still have limited by the low light absorption due to the atomically thin nature. In this thesis, we use plasmons as a way to overcome the limitation of absorption rate.
Plasmon can trap light on the surface of metallic materials, which can increase the absorption rate in the vicinity of metal. One effective ways to enhance the plasmonic field is to place two metal nanoparticles close together by trapping the light inside the spacer of separation. However, it is very difficult to place two nanoparticles close each other in nanoscale fabrication. So, we use two-dimensional material as a spacer to separate two closely packed nanoparticles. In general, the intensity of plasmon resonance increases as the distance between two nanoparticles decreases, so the two-dimensional material having an atomically thin thickness can be a good candidate for enhancing plasmonic resonance. This paper start with the method that enhancing the gap-mode plasmon and the plasmon tunneling phenomena which occurs in very thin thickness of spacer. Based on these prior studies, gap-mode plasmons are applied to photodetectors. By introducing the gap-mode plasmon, the performance of the photodetectors is significantly increased, and the proposed device structure has shown the possibility of overcoming the trade-off relationship between photoresponsvity and response time. Finally, the non-ideal phenomenon of the photodetector caused by photocarrier trapping in two-dimensional materials is analyzed.
제 4차 산업혁명 시대가 열림에 따라 광융합기술은 타분야의 기술과 결합하여 기존제품의 성능을 높이거나 신서비스를 창출하는 목표를 가지고 있다. 대표적인 예시로 미래자동차의 자율주행기능, 광의료기기의 최소침습 진단 및 치료, 디지털 홀로그램을 이용한 가상증강현실 등이 있다. 이렇듯 기술고도화가 진행됨에 따라 광기술의 근본적인 역할을 하는 레이저, LED, 광검출기 등의 기술도 함께 고성능화가 진행되어야 한다. 이중에서 광검출기는 광학신호를 전기신호로 바꿔주는 중요한 역할을 수행하며, 광통신을 포함하는 광전자공학 분야에서 필수요소 중 하나이다. 미래 광융합기술에 포함되는 자율주행자동차, 광바이오헬스 등은 시시각각으로 빠르게 변화하는 빛을 민감하게 검출할 수 있어야 하므로 광검출기의 고성능화가 필수적이다.
실리콘 기반의 광검출기들은 낮은 가격, 다른 전자소자와의 공정 호환성 및 편의성 때문에 넓게 사용되어왔지만 근본적으로 낮은 광반응도와 밴드갭으로 인해 검출영역이 제한되는 단점이 존재한다. 이러한 이유로, 최근 급부상하는 물질인 그래핀을 넘어 이차원 소재를 이용한 광검출기를 만드는 시도가 진행되어왔다. 이차원 소재는 매우 얇은 두께를 가지는 물질로 특수한 전기적, 광학적, 열적 특성을 가지고 있다. 하지만, 이런 우수한 특성에도 불구하고 이차원 소재 기반의 광검출기들은 빠른 응답속도와 높은 광반응도를 동시에 만족시키기 어려운 문제점을 가지고 있다. 본 학위 논문에서는 이러한 문제점을 극복하는 방법으로 플라즈몬 공명을 이용하고자 한다.
플라즈몬은 빛이 조사될 때 금속나노구조표면에서 일어나는 플라즈몬 공명을 통해 빛 흡수율을 증가시킬 수 있다. 이러한 플라즈몬 나노구조체를 이차원 소재들과 인접하게 위치시키면 이차원 소재의 부족한 흡수율을 보완해 줄 수 있다. 플라즈몬 공명의 세기를 증가시키는 효과적인 방법 중 하나는 두 금속 나노파티클을 가깝게 위치시켜 이 사이 공간에 빛을 가두는 방식이다. 두 나노파티클을 서로 붙지 않게 가깝게 위치시키는 것은 나노단위의 공정에서 매우 어려운 기술이므로 이러한 사이 공간을 이차원 소재를 분리막으로 사용하여 만들고자 하였다. 일반적으로 플라즈몬 공명의 세기는 두 나노파티클 사이의 간격이 작을수록 증가하기 때문에 원자단위의 얇은 두께를 가지는 이차원 소재는 강한 플라즈몬 공명을 만들기에 적합한 물질이다. 본 학위논문은 이러한 공간모드(gap-mode) 플라즈몬을 강하게 만드는 방법, 너무 얇은 두께에서 일어나는 플라즈몬 터널링 현상 등의 선행연구를 논문 초반부에 다루고 있으며, 이러한 선행연구를 바탕으로 공간모드 플라즈몬을 광검출기에 적용하는 연구로 확장된다. 공간모드 플라즈몬을 도입함에 따라 광검출기의 성능이 향상되며 제안된 소자의 구조는 이차원 소재 기반의 광검출기에서 나타나는 광반응도와 응답속도 사이의 트레이드오프 관계를 극복할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 마지막으로 이차원 소재의 광 트랩핑(photocarrier trapping)에 의해 일어나는 광검출기의 비이상적인 현상에 대한 분석이 진행되었다.
