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日 교토대, 3차원 포토닉 결정을 일괄적으로 형성하는 데 성공 Inven.Discov.Tech.


빛을 자유자재로 조절하는 3차원 포토닉결정의 제조 프로세스 간략화

 

일본의 쿄토대학, 노다 스스무(野田 進) 교수의 연구그룹은 빛을 자유자재로 조작하는 것이 가능한 광재료 [3차원 포토닉결정]의 새로운 제조방법을 개발하고, 제작 공정의 대폭적인 간략화에 성공했다고 밝혔다.

3차원 포토닉결정은 미세한 투명반사경을 3차원으로 규칙적으로 배열한 구조체로서 이들 미세 반사경의 협동작용에 의해 빛이 어떤 방향에서 결정 안으로 들어오더라도 모두 반사하여 결정 내부에 빛이 들어오는 것을 허용하지 않는 특징을 가진다. 이 결정에 발광 물체를 도입하면 이 물체가 발광하는 것을 막을 수 있다[참고자료1].

또한 반사경의 배치 방법의 규칙성을 깨뜨리면, 규칙성이 깨진 부분에서 발광을 매우 강하게 하는 것도 가능하다[참고자료1]. 아울러 발광체를 도입하지 않는 경우에도 규칙성을 깨뜨리는 것만으로 그 부분에 빛을 차폐하는 것이 가능하다[참고자료2]. 최근에는 결정 표면에 빛을 차폐하는 것이 가능하다는 사실이 밝혀진 상태이다.

그러나 이러한 3차원 나노 구조체를 어떤 방법으로 제작할 것인가가 매우 중요한 과제로 지적되어 왔다. 가령, 미세구(미세 투명반사경)을 물 속에 넣어 교반한 후, 자연스럽게 침전한 것을 굳힌 [오팔]이라고 명명된 결정이 있다. 이 방법은 간단한 방법이기는 하지만, 제어하지 않고 자연현상만을 이용하여 제작하기 때문에 의도하지 않은 규칙성의 깨짐 현상이 나타난다는 결점이 있다.

한편, 반도체 미세 공정에 의해 얇은 줄무늬(스트라이프) 형태의 구조를 제작하여 이를 바둑판 모양으로 조립해 가는 제조방법이 있다. 이 방법은 현재 3차원 포토닉결정을 제작하는 데 있어서 가장 신뢰성이 있는 방법으로 인식되고 있으나, 나노미터 스케일의 위치정합과 적층공정을 반복적으로 수행해야 할 필요가 있기 때문에 제조방법이 복잡해져, 앞으로 이를 실용화 해 나갈 경우를 생각하면 제조방법의 기술적인 혁신이 요망되는 상황이다.

이번 연구개발 과정에서는 실리콘 반도체를 대각선의 두 방향에서 에칭하는 매우 간단한 제조 방법을 고안하는 한편, 매우 정밀한 [경사에칭기술]을 개발하여 3차원 포토닉 결정을 일괄적으로 형성하는 데 성공하였다. 이 방법의 특징은 바둑판 모양의 결정 스트라이프를 조립하는 과정에서 플라즈마 에칭기술을 이용하여 경사에칭 공정에 의해 일괄적으로 제조하는 것이다. 대각선 방향의 플라즈마 에칭을 실현하기 위해 에칭공정 시뮬레이션 및 에칭 공정시 웨이퍼 표면에 형성되는 얇은 정전하층을 제어하기 위한 금속판 구조를 고안하여 수백 나노미터 간격으로 45도의 경사 구멍구조를 형성하는 방법을 개발하였다. 이에 따라 3차원 포토닉결정을 일괄 제작할 수 있는 수율이 매우 높은 제조방법을 실현한 셈이다.

또한 실리콘 3차원 포토닉결정에 발광체(InGaAsP)를 도입하여 40배의 발광이 가능하다는 점과 두 가지 3차원 포토닉결정에 발광체를 삽입하는 구조를 이용하여 역으로 발광을 1/40로 억제하는 것이 가능하다는 것을 실증하였다. 즉 3차원 포토닉 결정에 의해 광의 방출과 억제를 효과적으로 제어할 수 있게 된 셈이다. 이번 연구에 의해 3차원 포토닉 결정구조를 일괄적으로 제조할 수 있게 되어 양산공정을 염두에 둔 산업계에서의 응용을 기대할 수 있게 되었다. 또한 이번에 개발한 플라즈마 에칭 기술은 LSI나 메모리, MEMS 등의 디바이스 분야에서도 폭넓게 적용될 수 있을 전망이다.

한편, 이번 연구는 일본과학기술진흥기구(JST) 전략적창조연구추진사업 [신기능 창출을 위한 광, 양자과학기술] 분야에서 [포토닉결정을 이용한 궁극적 광 발생기술 개발] 프로젝트의 일환으로 수행되었다. 이번 연구성과는 2009년 8월 9일자 [Nature Materials] 온라인판으로 공개되었다[참고자료3].

(그림1) 3차원 포토닉결정으로 가장 뛰어난 성능을 가지는 것으로 알려진 스트라이프 적층형 3차원 포토닉 결정의 구조 모식도이다.

(그림2) 3차원 포토닉결정 일괄 제작법과 포토닉 밴드갭 폭의 구조 파라미터 의존성이다.

(a) 3차원 포토닉결정 일괄 제작법의 모식도. (b) 결정구조를 규정하는 제조 파라미터. (c) 포토닉 밴드갭 폭의 에칭 각도 의존성. (d) 포토닉 밴드갭 폭의 구멍 크기 의존성.

(그림3) 제작된 3차원 포토닉결정. 실리콘 웨이퍼에 대해 경사에칭을 수행한 결과의 상면 및 단면 전자현미경 사진이다.

[참고자료1] 완전 3차원 포토닉결정을 이용한 궁극적 발광제어 [http://www.jst.go.jp/pr/info/info77/index.html]

[참고자료2] 3차원 포토닉결정의 표면에서의 광제어 성공. [http://www.jst.go.jp/pr/announce/20090716/index.html]

[참고자료3] Shigeki Takahashi, Katsuyoshi Suzuki, Makoto Okano, Masahiro Imada, Takeshi Nakamori, Yuji Ota, Kenji Ishizaki & Susumu Noda, “Direct creation of three-dimensional photonic crystals by a top-down approach,” Nature Materials, doi:10.1038/nmat2507.

光を自在に操る3次元フォトニック結晶の作製プロセスの大幅な簡略化に成功―実用化に向けた大きな一歩―.pdf





Source
: KISTI,
jst.go.jp





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