Silicon Nanostructures for Photonic and Photovoltaic Devices with Whispering Gallery Modes

Abstract

실리콘은 저가, 고품질의 결정질, 산화막과의 높은 굴절률 차로 인한 강한 광 밀폐 성능, 우수한 CMOS 호환 공정 기술 등 다양한 장점들로 광학 및 광전 소재로서 주목받고 있으며, 통신, 자율주행, 보안, 헬스케어 등 다양한 산업에서 그 수요가 증가하고 있다. 그러나 간접 전이형 반도체인 실리콘은 전자-홀의 생성 및 재결합 과정에서 결정결함 전이 (phonon transition)를 동반하기 때문에 밴드에너지와 비슷한 에너지를 갖는 광자의 흡수 및 방출에 효율적이지 않다. Whispering gallery 모드는 원의 표면을 따라 반복적인 전반사를 하며 형성되는 공진으로, 매우 작은 구조에서도 빛을 강하게 속박하는 특성이 있기 때문에 이를 활용하면 광학 및 광전 소재로서의 실리콘의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 우수한 파장 선택성 및 낮은 에너지 손실 특성을 보이는 high-Q whispering gallery 공진은 소형 나노 레이저의 발광 성능 향상에 활용될 수 있으며, 넓은 공진 폭을 가지며 입사광과의 강한 결합 특성을 보이는 low-Q whispering gallery 공진은 포토다이오드와 태양전지의 광대역 흡수에 활용될 수 있다. 본 연구에서는 효율적 공진 플랫폼으로서 high-Q 혹은 low-Q whispering gallery 공진을 형성하는 실리콘 나노 구조를 분석하였으며, 이를 기반으로 한 광학 및 광전 소자의 특성을 평가하였다. 제 2장에서는 반도체 레이저에 적합한 기울기가 작은 실리콘 나노기둥형 whispering gallery 공진 구조를 연구하였다. 제작한 구조에서는 공간적으로 잘 분리되며 중첩되지 않은 high-Q 공진이 넓은 근적외선 파장 대역에 걸쳐 분포하였으며, 실리콘 나노기둥의 지름과 기울기는 whispering gallery 공진의 형성 및 변조의 중요한 변수라는 결과가 실험과 시뮬레이션을 활용한 모드 분석을 통해 도출되었다. 기울기가 작은 나노기둥은 재현 가능한 파장 변조 및 선택성을 보였으며, 다목적의 소형 실리콘 기반의 반도체 레이저 개발에 우수한 공진구조로서 중요한 역할을 할 것이다. 제 3장에서는 low-Q whispering gallery 공진을 유발하여 광 흡수를 크게 증가시킬 수 있는 모래시계 형태의 실리콘 나노선을 설계하였으며, 이를 활용한 포토다이오드의 특성을 분석하였다. 제작한 포토다이오드는 근적외선 (700-1000 nm 파장 대역)에서 단파장 적외선 (1000-1700 nm 파장 대역)에 이르기까지 넓은 파장 영역에서 우수한 광응답 특성을 보였다. 모래시계 형태의 실리콘 나노선 상부 구조는 공진을 형성하여 광자의 흡수가능성을 크게 증가시켰으며, 낮은 반사율을 갖는 하부 구조는 주변 나노선에서 흡수되지 못하고 누설된 빛을 효율적으로 재흡수하였다. 제작한 소자는 700-1100 nm 파장 대역에서 상용 실리콘 포토다이오드보다 높은 감응도 (Responsivity)와 외부양자효율 (External quantum efficiency) 특성을 보였다. 특히 1000 nm 파장에서의 감응도는 상용 InGaAs 포토다이오드와 비견되는 수준으로 증가하였으며, 1400 nm 파장의 빛도 검출될 수 있음이 확인되었다. 모래시계 형태의 실리콘 나노선 포토다이오드를 활용한 심박 측정 센서는 상용 기기와 오차가 거의 없는 우수한 성능을 보였다. 제 4장에서는 앞서 분석한 모래시계 형태의 실리콘 나노선을 활용한 태양전지를 연구하였다. 전기적, 광학적 실험을 통해 개발 구조의 우수한 반사방지 특성을 확인하였으며, 광학 시뮬레이션을 통해 나노 구조 내부에서 형성된 whispering gallery 공진이 광대역 태양광 흡수율 향상에 결정적 역할을 함을 확인하였다. 제작한 모래시계 형태의 실리콘 나노선 태양전지는 대칭형 실리콘 나노선 소자 대비 단락전류 (short-circuit current)가 크게 증가하였고, 약 1.85배 증가한 효율을 보였다.

Silicon (Si) photonics and photovoltaics have been emerging as an important technology with the advantages of high crystal quality, cost-effective, CMOS-compatible mature fabrication technology, and strong optical confinement with high index contrast between Si and SiO2. The demand is increasing in many industries, including communications, automotive for self-driving, security and healthcare. However, optical properties of Si are very poor, because of its indirect bandgap, which is unfavorable for efficient light emission and absorption near the band edge. Indirect bandgap materials in which the momentum of the conduction band and the valence band do not match, must satisfy not only the law of conservation of energy but also momentum, leading a phonon transition. Non-radiative processes such as Auger recombination and free carrier absorption make light emission of indirect bandgap materials very difficult. In addition, indirect bandgap materials are very disadvantageous to light absorption because of very low absorption coefficient near the band edge. Whispering gallery modes (WGMs), a type of modes that can travel around a closed concave surface with repeated total internal reflection, can be a candidate to overcome the limitation of Si as a photonic and photovoltaic material. The modes confine the light strongly in small mode volumes. High quality factor (Q) WGM resonators are suitable as compact nanocavities for lasers with their superior wavelength selectivity and low energy leakage, and low-Q WGM resonators are suitable as broadband absorbers for photodiodes and solar cells due to their low wavelength selectivity and strong in-coupling property. In this study, we analyze Si nanostructures with a size comparable to the optical wavelength that have great potential to be an effective resonator platform, forming high-Q or low-Q WGMs. First, we propose a weakly tapered Si nanopillar WGM resonator as a wavelength-scale Si cavity platform, which is suitable for lasing. We observe spatially well-separated and nondegenerate modes in the wide near-infrared spectral regime while maintaining a high-Q. Mode analysis via experiments and simulations confirms spectrally and spatially well-separated resonant modes, suggesting that the diameter and slope of the Si nanopillar are crucial determinants for the formation and control of whispering gallery modes. Considering the versatile spectral tunability and selectivity with the high reproducibility, the proposed nanopillars can be a pathway that leads to compact Si-based lasers. Second, we introduce a novel design, hourglass-shaped Si nanowire to significantly increase the light-trapping path with low-Q WGM and report Si photodiodes based on the structure. The device enhances their photoresponse over broadband wavelength region, from the near-infrared (NIR, at wavelengths of 700-1000 nm) to short-wave infrared (SWIR, 1000-1700 nm). The upper part of hourglass-shaped Si nanowire increases absorption probability by extending the dwell time of NIR-SWIR photons with resonances, whereas the lower part effectively reabsorbs the light leaked from surrounding nanowires with low reflectance. Our devices exhibit a higher responsivity and external quantum efficiency than commercial silicon photodiodes at the wavelength range of 700-1100 nm. Furthermore, the responsivity at 1000 nm is similar to that of commercial InGaAs photodiodes and light at 1400 nm can also be detected. We demonstrate a heart rate sensor with hourglass-shaped Si nanowire photodiode that offers performance comparable to commercial device. Finally, we report Si solar cells with hourglass-shaped Si nanowire. Electrical and optical experiments show the superiority of the structures as an antireflective layer. In addition, WGM identified by optical simulations accounts for the greatly improved absorption at the broadband solar spectrum. The hourglass-shaped Si nanowire solar cells show an increase in short-circuit current and 1.85 times higher efficiency than cylindrical counterparts.