Optical properties of GaP photonic crystal nanobeam cavity with WSe2 active monolayer

국문 초록 (Abstract)

인화 갈륨 나노빔 공진기와 이차원 반도체의 광특성

이 호성
고려대학교 KU-KIST 융합대학원
지도교수: 박 홍규

국문 초록
이차원 반도체의 새로운 물리적 특성은 저차원 물리 및 장치 응용분야의 새로운 장을 열었습니다. 이 물질들이 하나의 전이금속 원자가 양쪽에 할로겐 원자에 갇혀있는 X-M-X 구조를 가집니다. 이 물질들은 같은 평면방향으로 강한 결합을 하고 있으며, 매우 얇고, 유연합니다. 그리고 가장 큰 특징은 원자 두께 정도지만, 반도체의 특성인 직접적인 밴드갭을 갖고 있습니다 [38,39]. 또한, 이차원 물질은 강한 여기방출을 하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서, 이차원 물질은 광결정 공진기에서 이득 매질로 사용될 수 있습니다 [36,37]. 나노 크기의 높은 품위값을 갖는 나노빔과 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 단층과의 통합은 광 집적 회로에 기여할 수 있습니다.
인화 갈륨은 가시광선 영역에서 가장 높은 굴절률( 555 nm 에서 3.44)을 가지는 물질입니다. 인화 갈륨으로 나노빔 공진기를 만들어 텅스텐 디셀레나이드와 결합시키려고 합니다. 하지만, 인화 갈륨은 박막 형태로 기르기 힘들기 때문에, 베어 웨이퍼에 집속 이온빔 (FIB) 장비를 이용해서 삼각형 형태의 나노빔 공진기를 만들 것입니다. 그리고, 유한 차분 시간 시뮬레이션(FDTD)을 통해 삼각형 나노빔 공진기를 설계하였습니다. 삼각형 형태지만, 인화갈륨의 굴절률이 높기 때문에 〖10〗^6 의 높은 품위값을 가집니다. 희생층이 없기 때문에 두 번의 건조 식각 공정을 거칩니다. 나노빔 공진기의 위, 아래 부분과 구멍들을 일차적으로 식각합니다. 그 다음, 집속 이온 빔으로 기울여서 밀링 공정을 통해 제조될 것입니다.
제작된 나노빔 공진기 위에 텅스텐 디셀레나이드 단층을 옮긴 뒤, 측정을 진행할 것입니다. 이차원 반도체 물질의 광발광의 두께가 얇아지거나, 공동과 결합될 것으로 예상됩니다

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. GaP photonic crystal cavity 4
• 2.1 Photonic crystal 4
• 2.2 Nanobeam cavity 8
• 2.3 Fabrication 11
• 3. 2D emitter 18
• 3.1 Introduction 18
• 3.2 Monolayer exfoliation 22
• 3.3 Photoluminesence 30
• 4. Integration of GaP photonic crystal cavity and WSe2 33
• 4.1 Introduction 33
• 4.2 Fabrication 34
• 4.3 Measurement 37
• 5. Summary 42
• 6. Reference 43