플라즈모닉 파장 압축 기반의 적외선 실리콘 광검출기 개발 = Development of an Infrared Photodiode Based on Plasmonic wavelength squeezing

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The SWIR (Short-Wavelength Infrared) band corresponds to the wavelength range from approximately 1μm to 3μm and can be used in various industrial fields such as semiconductor inspection, soil moisture content and mineral identification, and multispectral imaging. This wavelength region exhibits relatively high transmittance and low scattering characteristics, along with high energy density and excellent phase stability of the waves, which provides favorable experimental conditions for wavelength conversion and resonance control studies compared to other wavelength bands. Thus, research converting incident light in the SWIR region to the near-infrared or visible light regions can help understand energy transfer characteristics and electromagnetic mode interactions across different wavelength bands. It also offers the potential to detect the SWIR band using silicon (Si), which facilitates near-infrared and visible light detection.
Surface plasmon polaritons (SPPs), formed at the interface between a metal and a dielectric, are surface waves arising from the coupling of electromagnetic waves with the vibrations of free electrons within the metal. They possess the characteristic of being able to localize light within a very narrow region. Also, SPP significantly amplifies the electric field at the metal-dielectric interface, and enables efficient control of energy flow at the nanoscale because the SPP wavelength is shorter than the incident light wavelength.
In this study, the characteristics of SPP generated at the Al-Si3N4, interface, when 1.5 μm light in the SWIR band is incident on a structure consisting of a Slit-shaped Al pattern covered with Si3N4, were analyzed using the FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method. This analysis examined the electromagnetic field distribution and wavelength conversion characteristics of the SPP resonance phenomenon occurring at the Al-Slit pattern/Si3N4 dielectric interface. To facilitate conversion to the near-infrared wavelength of 0.708μm, we adopted an Al-Slit structure with Wx = 0.75μm, Wy = 6.0μm, Lx = 1.2μm, and Ly = 6.6μm, H=0.55μm. As the spacing (Wx) between Al-Slits decreased from 1.0μm to 0.1μm, the SPP wavelength shifted from 0.75μm to 0.62μm with decreased transmittance from 64% to 10% and increased reflectance from 32% to 80%. Moreover, it was confirmed that the SPP wavelength remained stable at 708 nm regardless of the incident angle of the 1.5μm wavelength light incident on the proposed structure, even when the angle varied from 0° to 60°. Then, the current density distribution was analyzed in the upper region and side region of the Al pattern where the Al-Si3N4 interface was formed, and in the lower region of the Al pattern where the Al-Si interface was formed. The results showed that the current density in the Al-Si3N4 side region of the proposed structure varies with wavelength, exhibiting particularly high values at 1.3μm and 1.5–1.7μm. Based on this, the responsivity and I-V characteristics of the samples fabricated through photolithography process were measured to verify its performance. As a result, the devices exhibite a high optical responsivity of over 0.005 A/W and showe an approximately 12-fold difference between the photocurrent (7.32×10-8 A) and the dark current (5.8×10-9 A) at –1V.

국문 초록 (Abstract)

플라즈모닉 파장 압축 기반의 적외선 실리콘 광검출기 개발 청주대학교 대학원 반도체공학과 반도체공학전공 정 온 세 지도교수 : 이 종 권 SWIR(Short-Wavelength Infrared) 대역은 약 1μm에서 3μm에 해당하는 파 장 영역으로, 반도체 검사, 토양 수분 함량 및 미네랄 식별, 다중 분광 등 다양한 산업분야에 사용될 수 있다. 또한 이 영역은 상대적으로 높은 투과 율과 낮은 산란 특성을 가지며, 에너지 밀도가 높고 파동의 위상 안정성이 우수하여, 다른 파장대에 비해 파장 변환 및 공명 제어 연구에 유리한 실험 적 조건을 제공한다. 따라서 SWIR 영역의 입사광을 근적외선 또는 가시광 영역으로 변환하는 연구는 서로 다른 파장대에서의 에너지 전달 특성과 전 자기 모드의 상호작용을 이해할 수 있으며, 근적외선 및 가시광 검출이 용 이한 Si을 이용하여 SWIR대역을 감지할 수 있는 가능성을 제공할 수 있다. 금속과 유전체의 계면에서 형성되는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP)은 전자기파와 금속 내 자유전자의 진동이 결합되어 생기는 표면파로, 빛을 매우 좁은 영역에 국소화할 수 있는 특성을 가진다. 또한 이러한 SPP는 금속과 유전체 계면에서 전기장을 크게 증폭시키며, SPP 파장은 입사광의 파장보다 짧아지므로 나노 스케일에서 에너지 흐름을 효율적으로 제어할 수 있는 특성이 있다. 본 연구에서는 슬릿 형태의 Al 패턴 위에 Si3N4가 덮힌 구조로 SWIR 대역 인 1.5μm 빛이 입사하는 경우 Al-Si3N4 계면에 생성된 SPP의 특성을 FDTD (Finite-Difference Time-Domain) 방법을 이용하여 분석하였다. 이를 통 해 Al-Slit 패턴과 유전체인 Si3N4 계면에서 발생하는 SPP 공명 현상의 전자 기장 분포와 파장 변환 특성을 분석하여, 근적외선 대역인 0.708μm 파장으 로 변환이 용이하도록 Wx=0.75μm, Wy=6.0μm, Lx=1.2μm, Ly=6.6, H=0.55 μm인 Al-Slit 구조를 제시하였다. Al-Slit 사이의 간격(Wx)을 1.0μm에서 0.1 μm로 감소시킴에 따라 SPP 파장이 0.75μm에서 0.62μm까지 변환되며, 투 과도는 64%에서 10%로 감소하고 반사도는 32%에서 80%로 변화됨을 확인 하였다. 한편 제안된 구조로 입사하는 1.5μm 파장을 갖는 입사광의 입사각 이 0°에서 60°로 변화되어도 SPP 파장이 0.708μm로 유지되어 입사각 변화 에 무관한 특성의 보임을 확인하였다. 또한 제안된 구조에서 Al-Si3N4 계면 이 형성된 Al 패턴의 상부 영역 및 측면영역과 Al-Si 계면이 형성된 Al 패 턴의 하부영역에서 전류밀도 분포를 분석하였다. 그 결과 제안된 구조의 Al-Si3N4 측면영역에서의 전류밀도는 파장에 따라 변화하게 되며, 특히 1.3 μm 및 1.5~1.7μm 파장에서 높게 나타남을 알 수 있었다. 이를 토대로 Photolithography 공정을 통해 제작된 시편의 성능 평가를 위해 Responsivity 와 I-V 특성을 측정하였으며, 그 결과 0.005A/W 이상의 높은 광 응답성과 (–1V)에서 광전류(7.32×10-8)/암전류(5.8×10-9)로 약 12배 차이를 보였다. Keywords : 표면 플라즈몬 폴라리톤, 단파적외선, Si 광검출기, Al-Si3N4 구조, 파장 변환

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 이론적 배경 3
• A. Plasmonic 기술 3
• B. Wavelength Squeezing in metal Slit 5
• C. Surface Charge Density 8
• III. Plasmonic Slit 구조 설계 및 최적화 11
• A. Material 선정 11
• B. Plasmonic Slit 구조 설계 방안 13
• C. Plasmonic Slit 구조 최적화 17
• D. 상용 Si PIN PD 29
• IV. Plasmonic Slit 구조 공정 및 분석 35
• A. 구조 공정 및 Test 35
• B. 제작 및 분석 39
• V. 제작된 Plasmonic PD의 분석 42
• A. 제작된 Plasmonic PD의 파장 변환 42
• B. 제작된 Plasmonic PD의 흡수 출력밀도 43
• C. 제작된 Plasmonic PD의 Surface charge density 46
• VI. 광 응답성 측정 51
• A. 측정용 모듈 제작 51
• B. Responsivity & I-V 특성 53
• VII. 결론 58
• 참고문헌 60
• ABSTRACT 63