열 증착 공정을 통한 MgF2-MoO3 기반 브래그 반사체 연구 = A study of MgF2-MoO3 Bragg Reflector Fabricated via Thermal Depositon

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 열 증착 (Thermal Evaporation) 공정을 이용하여 MgF2-MoO3 다층 구조의 분산 브래그 반사경 (Distributed Bragg Reflector, DBR)을 설계 및 제작하였다. MgF2와 MoO3는 각각 낮은 광 흡수율과 높은 굴절률 차이를 갖는 재료로, 안정적인 증기압 특성과 상온에서 우수한 증착 재현성을 보여 DBR 제작에 적합하다. 이러한 MgF2-MoO3 DBR 구조는 목표 반사 파장을 중심으로 높은 반사율을 확보하기 위해 Transfer Matrix Method (TMM)에 기반한 광학 시뮬레이션과 분광 타원 측정 (Spectroscopic Ellipsometry)으로부터 정량화된 각 물질의 굴절률 (n)과 소광계수 (k)를 활용하여 설계 및 제작하였다. 구현된 DBR 구조에 대해 UV-Vis-NIR 분광분석기를 분석 결과, 제작된 DBR은 시뮬레이션 유사한 반사율 및 스탑 밴드 영역을 확보하였다. 이 DBR 바탕으로 InP 콜로이드 양자점 (Colloidal Quantum Dots)을 광활성층으로 적용한 마이크로캐비티 구조를 제작하였다. 이러한 마이크로캐비티는 InP 콜로이드 양자점의 발광 파장과 DBR 반사 중심 파장이 일치하도록 설계되어 우수한 파장 선택성을 확인하였고, 고품질의 광 공진 특성을 통해 효율적인 광-물질 상호작용을 구현하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a distributed Bragg reflector (DBR) featuring a MgF2-MoO3 multilayer structure was designed and fabricated using a thermal evaporation process. MgF2 and MoO3 are materials characterized by low absorption and high refractive index contrasts, respectively. They exhibit stable vapor pressure properties and excellent deposition reproducibility at room temperature, making them well-suited for distributed Bragg reflector fabrication. This MgF2-MoO3 DBR sturcture was designed and fabricated using the refractive index (n) and extinction coefficient (k) of each material, determined through optical simulation based on the Transfer Matrix Method (TMM) and spectral ellipsometry, to achieve high reflectance near the target reflection wavelength. Analysis of the UV-Vis-NIR spectrometer data for the fabricated DBR structure confirmed reflectance and stop band regions consistent with the simulation results. Based on this DBR, a microcavity structure was fabricated using InP colloidal quantum dots as the photoactive layer. These microcavities were designed to match the emission wavelength of InP colloidal quantum dots and the reflection center wavelengths of the DBR, demonstrating excellent wavelength selectivity and enabling efficient light-material interaction through high-quality light resonance characteristics.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 가. 연구 필요성 1
• 나. 연구 목적 2
• 2. Theoretical Background 3
• 가. 열 증착 공정 3
• 1) 물리적 기상 증착 (PVD) 공정의 정의 3
• 2) 열 증착 공정의 원리 5
• 나. 분산 브래그 반사체 (DBR) 7
• 1) 분산 브래그 반사체 구조 7
• 2) 다층 박막에서의 반사 원리 8
• 3) 반사 대역 (스탑 밴드) 9
• 다. Transfer Matrix Method (TMM) 11
• 1) 프레넬 방정식 11
• 2) Transfer Matrix Method 13
• 라. 마이크로캐비티 (Microcavity) 17
• 1) 마이크로캐비티 17
• 2) 마이크로캐비티의 성능 지표 18
• 3) 마이크로캐비티 캐비티 모드 20
• 3. Experimental Results 21
• 가. 단일 박막 성장 및 특성 분석 21
• 1) 박막 표면 및 단면 분석 21
• 2) 결정성 분석 23
• 3) 단일 박막의 광학적 특성 24
• 나. DBR 구조 디자인 28
• 1) Transfer Matrix Method 기반 python 코드 28
• 2) 시뮬레이션 결과 30
• 다. DBR 제작 및 특성 33
• 라. 양자점 마이크로캐비티 제작 35
• 1) 양자점 마이크로캐비티의 광발광 (PL) 및 각도 분해 광발광 (ARPL) 측정 36
• 2) 패턴된 DBR 구조 제작 40
• 4. Conclusion 41
• 참고문헌 43
• 영문초록 47