Subwavelength dielectric silicon structure in terahertz and visible frequencies for imaging and sensing

Abstract

파장의 크기보다 작은 불균일성을 가지는 파장보다 작은 광학구조는 최근 많은 연구자의 관심을 받으며 활발히 연구가 되고 있다. 파장보다 작은 규모에서는 기존 고전광학 이론의 제한을 받지 않으며, 새로운 광학특성을 보인다. 이런 새로운 광학특성은 구조적 형태에 따라 변화되며, 구조물의 형상 및 모양, 크기, 배치 등을 조절함으로써 새로운 광학특성을 제어 및 설계 할 수 있다. 특히 최근 수치해석 및 공정, 광특성분석 기술의 발전에 힘입어 플라즈모닉 구조 및 메타물질과 같은 다양한 파장보다 작은 광학구조물들이 개발되고 있다. 하지만 기존의 파장보다 작은 구조물은 주로 금속구조물을 포함하는데, 금속이 가지는 본질적 특성인 저항손실 및 협대역 동작, 구조적 비대칭성으로 인한 광학비등성 등으로 인해 성능의 한계를 지니고 있다. 최근 이를 극복하고 저손실 및 광대역 동작을 위한 새로운 방법으로 파장보다 작은 전-유전체 (all dielectric) 구조물이 주목받고 있다. 이 연구에서는 파장보다 작은 유전체 실리콘 구조물을 이용한 테라헤르츠 또는 광학주파수에서 동작하는 이미징 및 바이오센싱 소자를 제안한다. 첫 번째로 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용해 테라헤르츠파 영역에서 굴절률을 재단하는 물질을 개발하였다. 테라헤르츠파 기술은 0.1-30THz 주파수 영역 대를 다루는 기술을 말하며, 국토보안에서부터 바이오분야까지 다양한 응용연구가 진행되고 있다. 특히 테라헤르츠파의 에너지 준위는 분자 간의 에너지 준위에 해당하기 때문에 생체분자의 풍부한 분광 정보를 제공할 수 있다. 하지만 기존 광학영역보다 광대역에서 투과성이 좋은 물질의 부족으로 다양한 테라헤르츠파 소자의 개발이 제한되고 있다. 이에 테라헤르츠 영역에서 가장 광대역 투과성이 좋은 실리콘의 굴절률을 파장보다 작은 구조물을 형성하여 재단하였다. 파장보다 작은 실리콘 구조물은 단결정 실리콘 기판에 6방 정계를 가지는 관통 홀 배열로 구성되었으며, 이 구조물은 관통 홀의 주기 및 단위 격자 당 실리콘이 차지하는 비율인 충전율을 통해 정의된다. 파장보다 작은 실리콘 구조물은 심도 반응성 이온 식각 및 포토 리소그래피의 단일공정으로 제작되었다. 파장보다 작은 실리콘 구조물의 유효굴절률은 0.4-1.6 THz 영역에서 5% 충전률당 0.1의 선형적인 변화를 보였으며, 정상 분산은 주기를 낮춤으로써 줄어들었다. 두 번째로 파장보다 작은 실리콘 구조물을 통한 굴절률 제단기술을 이용하여 광대역에서 동작하는 실리콘 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens)를 구현하였다. 굴절률 분포형 렌즈는 자유공간 렌즈와 고체잠입렌즈(solid immersion lens) 두 가지 형태로 설계되었으며, 굴절률제단 실리콘과 같은 공정과정을 통해 제작되었다. 파장보다 작은 실리콘 구조물의 충전율을 방사 축 방향으로 공간적으로 변화시킴으로써 포물선의 굴절률 경사를 형상하였다. 자유공간 실리콘 굴절룰 분포형 렌즈를 통해 0.3-1.6THz 영역에서 회절 한계의 광 집속을 구현하였으며, 고체잠입형 실리콘 굴절률 분포형 렌즈를 통해 테라헤르츠파를 생성하는 광전도 안테나에서 테라헤르츠파 추출효율을 증가시킬 수 있었다. 마지막으로 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용하여 가시광-근적외선 영역에서 무표지 바이오센서를 개발하였다. 파장보다 작은 실리콘 무표지 바이오센서는 실리콘 박막에 나노 홀로 이루어져 있으며, 이러한 구조물은 자기유도 공명(magnetic guided resonance)를 형성한다. 나노 홀 구조물은 전자빔 리소그래피와 실리콘 반응성 이온 식각을 통해 제작되었다. 파장보다 작은 실리콘 무표지 바이오센서의 자기유도 공명은 좁은 공명 선폭을 가지며, 주변 굴절률 변화에 민감하게 장파장 이동한다. 이를 이용하여 29의 높은 성능지수를 가지는 바이오센서를 구현하였다. 결론을 내리면, 이 연구는 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용하여 테라헤르츠 영역에서 동작하는 이미징 소자 및 근적외선 영역에서 동작하는 무표지 바이오센서를 개발하였다. 실리콘 구조물의 굴절률 제단기술은 간단한 공정으로 인한 높은 가격효율과 손쉬운 3차원 집적의 장점을 가지며, 실리콘 굴절률 분포형 렌즈뿐만 아니라 투명망토(cloaking) 및 초광각 렌즈등 다양한 변형광학이 적용된 다양한 광학 소자에 응용할 수 있을 것이다. 또한, 이를 통해 제작된 굴절률 분포형 렌즈는 초소형 테라헤르츠 광학시스템 및 다양한 생성검출 소자의 입출력 단에 적용이 될 수 있다. 그리고 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용한 무표지 바이오센서는 높은 성능지수와 재사용가능성으로 인해 실시간 생체물질 검출 및 세포 분석, 고속 대량 스크리닝에 폭넓게 응용될 수 있다.