Ⅲ-nitride semiconductors have a wide range of emission spectrum from ultraviolet to infrared regime, and are promising materials for photonics research at room temperature due to their high exciton binding energy. As a representative optical resonator platforms based on Ⅲ-nitride semiconductors, microdisks and microrings have been studied in advance and new structures are also being carried out. In this work, a free-standing microtube structure consisting of Ⅲ-nitride semiconductors was realized and was demonstrated to be used as an optical resonator. After growing n-type GaN/InGaN/GaN/AlGaN on a sapphire substrate, removing GaN through photoelectrochemical etching turns the heterojunction layer of AlGaN/GaN into microtube structure by strain-induced self-rolling mechanism. The resonant modes (whispering gallery modes, WGMs) which is formed by total internal reflection along the circular shape of sidewall were observed through the photoluminescence measurement. Furthermore, it was experimentally confirmed that the polarization of WGMs was predominantly parallel to the tube axis. Also, lasing property was observed from the microtube using pulsed pumping laser. Additionally, InGaN/GaN single quantum well microtube was achieved and the resonant modes were observed, either. The group Ⅲ-nitride semiconductor-based microtube presented in this study are expected to be used as a new type of optical resonator in the field of photonics and further applied as a bio/chemical sensor.
질화물 반도체는 자외선 영역에서 적외선 영역까지 폭넓은 발광대역을 가지며, 높은 엑시톤 결합 에너지 때문에 상온 포토닉스 연구에 유망한 물질이다. 대표적인 광학 공진기 플랫폼으로 질화물 반도체 기반의 마이크로디스크, 마이크로링 등이 선행적으로 연구되었으며, 이후 새로운 구조들에 대한 연구도 함께 진행되고 있다. 본 석사 학위논문에서는 기판으로부터 독립된 형태의 질화물 반도체 기반 마이크로튜브 구조를 제작하였고, 이것이 광학공진기로 사용될 수 있음을 보이고자 하였다. 사파이어 기판 위에 n형 GaN/InGaN/GaN/AlGaN을 성장해서 광전기화학적 식각법을 통해 InGaN을 제거하면 평면 구조의 GaN/AlGaN 이종접합층이 스트레인 풀림현상에 의해 마이크로튜브를 형성한다. 광 발광 실험을 통해서 마이크로튜브의 단면인 원형 고리 모양을 따라 내부 전반사를 통해 형성되는 공진 모드 (위스퍼링갤러리 모드)를 관측하는데 성공했다. 또한, 형성된 위스퍼링 갤러리 모드의 주된 편광 방향이 마이크로튜브의 축과 평행한 방향임을 실험적으로 확인했다. 또한 펄스 레이저로 여기된 마이크로튜브로부터 발진 현상을 관찰하였다. 마지막으로 InGaN/GaN 단일 양자우물을 포함하여 제작한 마이크로튜브에서 위스퍼링 갤러리 모드를 관찰함으로써 질화물 반도체 기반 마이크로튜브가 포토닉스 분야의 새로운 형태의 광학공진기로 이용되고, 더 나아가 바이오 및 화학 센서로 응용될 것으로 기대된다.
