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Opto-electronic Device

Opto-electronic Device. 광전자소자 LED LD. 광전자 (Optoelectronics). The alliance of optics & electronics The most exciting and dynamic industries of the information age Industry : computing, communication, entertainment, energy,

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  1. Opto-electronic Device • 광전자소자 • LED • LD

  2. 광전자 (Optoelectronics) • The alliance of optics & electronics • The most exciting and dynamic industries of the information age • Industry : computing, communication, entertainment, energy, • electronic commerce, health care and transportation, • defense (control, imaging, radar, aviation sensors …) • Components : • LED, lasers (LD), waveguide, optical fibers, optical discs, • image sensors, photodetectors, solar cells…

  3. 반도체 분류 반도체 유기물반도체 단원소반도체(Si, Ge) 화합물반도체(GaAs, InP, GaN) • 전자소자 • HEMT • HBT • MMIC • FET • 수광소자 • PD • Solar Cell • 전자소자 • DRAM • SRAM • ASIC • Microprocessor • Flash • DSP • 수광소자 • PD • Solar Cell • 발광소자 • LED • LD 광반도체소자 반도체광원 OLED

  4. 광통신망의 형성 요구 : • 1990년대 후반의 인터넷 열풍 • 이동통신 서비스의 폭발적인 성장 • 국내인터넷 이용자수 증가추이 (단위:천명) • 세계 이동통신 서비스 가입자 현황 및 전망 (단위:천명) (국내: 1995년 (164만)  2002.8 (3,132만)

  5. 인터넷의 폭발적인 성장에 따라 광통신도 급속한 기술발전

  6. IT산업의 거품 제거에 따라서 2000년도 초반에 market 감소.

  7. 세계 광통신 산업 Market 광통신산업 369억$ 699억$ 11.4% Year 2000 2006 연성장률 광통신부품 53억$ 112억$ 13.5% 광통신시스템/장치 316억$ 586억$ 11.1% • 우리나라 광통신 산업 Market 광통신산업 9500억₩ 2조9000억₩ 20.5% 광통신산업 2500억₩ 7600억₩ 21.0% Year 2000 2006 연성장률 광통신시스템/장치 7000억₩ 2조1400억₩ 20.4%

  8. Indirect • Direct E = Eg = hv = hc/λ λ (nm) = 1277 Eg(eV) • Direct Transition : 운동량변화가 없음. • ex) GaAs, Ga1-xAlxAs • Indirect Transition : 운동량 변화, 즉 격자진동을 수반함. • ex) Si, Ge, GaP

  9. Preparation of Optical Fiber I OVP (Outside Vapor Deposition) • OVP법에 의한 모재(preform) 제작. • SiCl4, GeCl4등의 gas flow를 control 하면서 굴절률 조절가능. • ~1700C furnace sintering에 의해 preform 완성.

  10. Preparation of Optical Fiber II (Fiber Drawing) 10-30mm Glass rod Viscous melt

  11. LED (Light Emitting Diode) Red Green Blue White Light Emitting Diode (발광 다이오드)란 다수 캐리어가 전자인 n-type 반도체 결정과, 다수 캐리어가 정공인 p-type 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기신호를 원하는 파장 대역을(적외선- 가시광선-자외선) 갖는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용된다.

  12. 21세기 빛 21st Century LED 조명시대 미래형 LED 휴대용 LED 프로젝터 LED 환경조명 LED 가정용 조명 LED 가로등 LED 조명을 이용한 통신 (Visible Light Communication)

  13. 기술적 측면 LED 산업의 특징 I • 제품의 소형화, 슬림화 가능 : 칩사이즈 0.3 ~ 2 mm • 고속응답 : ~ 10-8초 on-off 스위칭 (백열등 = 0.15초) • 장수명 : 5만 ~ 100만 시간 (@30% degradation) • 고효율 : Up to 55% 외부양자효율 • 변조 가능 : Up to 500 Mbps (w/ GI POF @650 nm) • 온도에 따른 광특성 변화 (주로 적색 LED) • 저전력 소자 : 백열등 대비 15% 소비전력 • Cold light : No Infrared radiation

  14. 경제/사회적 측면 LED 산업의 특징 II • 전방위 산업에 응용 (자동차, 휴대용 가전, LCD 모니터..) • 친 환경 산업 (무수은) • 고성장 산업 (GAGR 47%) • 높은 초기 구매가격 : $200/klm (형광등 $2/klm) • 표준화 규격이 전무하여 제품의 규격이 매우 다양함 • 산업의 팽창에 따른 잦은 특허분쟁 • 각국의 주요 국가 전략사업

  15. 전통조명의 발전 Narrow band emission from gas Electrically fueled black body emission Chemically fueled black body emission 3 10 2 10 Fluorescence/HID Incandescence 1 10 Tungsten Filtered Filament Luminous Efficacy (lm/W) Incande- Carbon scence Filament 0 10 Gas Mantle Tungsten halogen Fire Gas -1 Kerosene 10 • Compiled by JY Tsao (Sandia Labs) using data from: • A Bergh, et al, Physics Today 54, 42-47 (DEC 2001); • JY Tsao, Ed., Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumination Update 2002 (OIDA, Sep 2002); Oil • N Nakayama, et al, Optical Review 2, 167-170 (1995); JA Edmond, et al, Physica B185, 453 (1993); • R Haitz, et al, The Case for a National Research Program on Semiconductor Lighting (OIDA, Oct 1999); -2 • WD Nordhaus, in The Economics of New Goods, TF Breshnahan and RJ Gordon, Eds. (U of Chicago Press, 1997), pp. 29-70 10 1850 1900 1950 2000 2050 Year Courtesy of J.Y. Tsao at Sandia Lab

  16. 반도체 광원의 발전 Narrow band emission from solid Narrow band emission from gas Electrically fueled black body emission Chemically fueled black body emission Courtesy of J.Y. Tsao @ Sandia Lab and Prof. Jung Han @ Yale Univ.

  17. 정공(h+) 전자(e-) +3 +5 정공(h+) +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 전자(e-) +3 +5 N형 반도체 (Negative 운반자) P형 반도체 (Positive 운반자) 반도체의 전기전도 반도체 (부도체)

  18. ~ ~ LED (Light Emitting Diode, 발광다이오드) * Diode : 전류가 한쪽 방향으로만 흐르는 2 단자 소자 LED 칩 QW 활성층 + 전기에너지 e- e- e- Ec e- P N QW P 빛에너지 (g) N h+ Ev h+ h+ h+ Vcc - Hetero Junction R IF g 발광스펙트럼 IR UV 380nm 460nm 520nm 590nm 660nm 760nm

  19. LED 재료 He VI IV III V Al N B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar II Ga Si P Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ag Cd In Sn Sb Te I Xe As In Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn • 현재 상용화된 LED 재료는 모두 화합물반도체 • 대부분 III-V족, III-III-V족, III-III-III-V족 또는 III-III-V-V족 결합 적색 LED : AlGaAs, InGaAlP 녹색 LED : InGaN 청색 LED : InGaN UV LED : GaN, InAlGaN IR LED : GaAs, InGaAs, InGaAsN

  20. Materials of LEDs (Blue-Green-UV) AlN 200 6.0 5.5 5.0 4.5 300 4.0 UV GaN 3.5 Wavelength l (nm) Bandgap Energy Eg (eV) 400 3.0 2.5 500 2.0 IR 1.5 InN 1000 1.0 InN (x) + GaN (1-x) = InxGa1-xN Binary + Binary = Ternary (Line) 2000 0.5 5000 0.0 3.0 3.1 3.2 3.6 3.3 3.4 3.5 Lattice constant ao (Angstoms)

  21. Materials of LEDs (Red-Orange-Yellow) 3 x Binary = Quaternary (Plane) (AlxIn1-xP)y + (GaxIn1-xP)(1-y) = (AlyGa1-y)xIn1-xP Lattice matching to GaAs @ x=0.5

  22. LED product chain LED 모듈/시스템 자동차용램프, BLU, 간접조명… 광학기구, 시스템제어기 백색 LED RGB-UV LED 패키징 패키징 RGBOY 형광체 LED 칩 칩 공정(fabrication) 에피웨이퍼 (In,Al)GaN (청, 녹, UV), InAlGaP(적, 황), AlGaAs (적, IR) GaN/sapphire GaN/SiC 에피성장 (Epitaxy) 기판 (웨이퍼) Sapphire, GaN, SiC, Si, GaAs

  23. LED의 장점 • 발광효율이 높고 저전류에서 고출력을 얻을 수 있다 • 응답속도가 빠르고 펄스동작 고주파에 의한 변조가 가능하다 • 광출력을 전류제어로 용이하게 변화시킬 수 있다 • 소형경량, 낮은 열방출, 장수명이며 소비전력이 적다 • 대량생산 가능하며, 가격이 낮다.

  24. 에피성장 (Epitaxy) * 에피탁시 (Epitaxy) : 결정방위가 유사한 분자구조를 기판 위에 화학적(MOCVD) 또는 물리적(MBE) 방법으로 p-n 접합층을 형성. 그리이스어로 on (epi) + arrangement (taxy)를 의미 n형 dopant (Si2H6) (CH3)3Ga NH3 p형 dopant (Cp2Mg) (CH3)3In p-GaN InGaN QW n-GaN 기판 기판 ~ 1080 oC (CH3)3Ga + NH3 = GaN + 3CH4 (byproduct) MOCVD 방법에 의한 박막성장 MO gas

  25. 칩 제작공정 (Nitride LED) 1. 전극/절연막 증착 4. Oxide etching (RIE) SiO2 (절연막) Metal(투명전극) LED 구조 LED 구조 기판 기판 5. PR 제거 후 GaN etching (ICP) 2. 노광 (photolithography) Mask PR LED 구조 LED 구조 기판 기판 3. Development 절연막 제거후 RTA LED 구조 LED 구조 기판 기판

  26. 6. PR coating 8. Metallization 기판 기판 9. Lift-off 7. 노광 (photolithography) 기판 기판 10. Lapping/Polishing 기판 기판 11. Scribing/Breaking

  27. LED 칩 (Nitride LED) 투명전극 (금속박막 또는 금속산화물) (+) (-) p-GaN (0.2 um) QW’s n-GaN (3 um) GaN buffer Sapphire Substrate Chip dimension = 0.3 x 0.3 x 0.1 mm3

  28. LED의 Application • Visible (가시광선파장) : 주로 Display용 • Ultra-Violet (자외선파장) : 다양한 여기광원용 • Infrared (적외선파장) : 기계간의 정보전달용 소자로 사용 가전제품이나 각종 기계의 표시용소자, 차의 조명이나 내부의 기기, 전광판, 교통신호, 휴대폰의 backlight, 백색조명($40B), 프린터, 복사기, 광메모리, 공통신용 광원 등에 다양하게 사용될 것으로 기대.

  29. 자동차용 LED Position light Fog lamp Lexus LF-C Lexus LF-X Jaguar R-D6

  30. LED backlight unit (BLU) Back-lighting by CCFL Back-lighting by LED (Lumileds) • RGB 보상회로에 의한 높은 연색성 유지 (자연색 연출) • 친환경 제품 (무수은 광원) • No blurring (빠른 응답속도) • No color filter • High contrast ratio

  31. Illumination • 좋은 색 순도에 의한 깔끔한 조명미관 • 수명이 길어서 유지보수가 힘든 극한지역에 적합 (도로, 터널, 교량, 산악) • 인간의 심리와 어우러진 조명 연출 가능 (의료조명에 적합)

  32. LED 시장예측 * LED 조명 10% 대치 * 효율 100lm/W 달성 140 백색조명 LED 120 100 Market size (억$) 80 고휘도 LED 60 40 백색 LED 조명 상용화 중저휘도 LED 20 0 Year 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 근거: OIDA 백서(2002), Strategies unlimited (2003), 넓은띠간격반도체연구회(2003)

  33. Laser Diode (LD) • Laser • (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) • Laser • -. Gas laser : CO2, He-Ne … • -. Liquid laser • -. Solid laser : ruby, Nd:YAG, • -. Semiconductor laser = laser diode

  34. The Principle of LASER

  35. 반도체 레이저란? 빛을 내는 반도체(주로 화합물 반도체) 다이오드를 이용하여 만든 레이저를 말한다. • 반도체 레이저는 어디에 사용되나? 광통신 정보저장기기(CD, DVD) 레이저 프린터, 바코드 스케너 등 일반 가전 제품 정밀 측정 용접, 절단, 장난감등 대부분의 레이저 응용 분야 • 기체/고체 레이저 vs. 반도체 레이저

  36. 반도체 레이저 원리 PIN 다이오드에 전류를 흘리면 전자와 전공이 진성영역에 모이면서 전하 밀도 반전이 일어나는데, 이때 양쪽에 반사경을 만들어 주면 공진기가 형성되어 레이저 발진이 일어난다. 전류주입 전도대 - - - - - - + + + + + + 가전자대 반사경 n 형 p 형 I 형 진성영역 광 출력

  37. 레이저 원리 앞서 반도체 레이저의 동작 원리를 간단하게 기술하였다. 그러나 좀 더 자세한 이해를 위해서는 레이저의 동작원리를 아는 것이 중요하다. 레이저는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자로 이 정의를 잘 이해하고 있다면 레이저를 이해하고 있다고 볼 수 있다. 가장 중요한 개념은 Stimulated Emission으로 원자와 빛의 상호작용에 의한 현상이다. 먼저 원자와 빛의 상호 작용은 분류하면 다음과 같다. • 빛과 원자의 상호 작용 Resonance : 빛의 주파수와 원자의 전자 에너지 공진 주파수가 같은 경우 Non-resonance : 빛의 주파수와 원자의 전자 에너지 공진 주파수가 다른 경우

  38. 빛 빛 • 빛의 흡수와 방출 빛과 원자의 상호작용을 구분함에 있어 공진 현상과 비공진 현상으로 구분하였다. 공진 현상에는 흡수와 방출이 있는데, 흡수는 원자가 빛 에너지를 흡수하여 전자를 높은 에너지 상태로 보내는 것이고, 방출은 원자 내 전자가 낮은 에너지 상태로 천이하면서 빛을 발생하는 것을 말한다. 흡수 방출

  39. 2 2 Ec Ec 2 Ev Ec v-f Ev 1 1 Ev 1 R12 R21 Rsp Spontaneous Emisson Stimulated Emisson Absorption • 유도 방출 빛의 방출을 좀 더 자세히 들여다 보면 높은 에너지 상태에 있는 전자가 시간이 지나면 스스로 빛을 방출하는 자발 방출(spontaneous emission)과 외부에서 전자 에너지 준위 차이에 해당하는 빛이 입사하여 빛과 상호 작용 즉시 원자가 빛을 방출하는 유도 방출(stimulated emission)이 있다. 이때 발생하는 빛은 입사한 빛과 같은 주파수와 위상을 가지는 것으로 원래 광자(photon)의 복사본(copy)이라고 할 수 있다. 현대 광학에서는 흡수의 정확한 역과정은 자발 방출이 아닌 유도 방출이라고 보고 있으며, 자발 방출을 vacuum-field가 매개하는 유도 방출의 특수한 경우로 생각한다.

  40. Population inversion 2 Ec Ev 1 • 광 이득(optical gain) 광 이득은 광 증폭이라고도 하며, 유도 방출의 결과이다 광 이득을 얻기 위해서는 여기된 전자와 비어 있는 낮은 에너지 준위들이 있어야 한다. 이를 밀도 반전(population inversion)이라고 하며, 레이저에서 유도 방출을 일으키기 위한 가장 중요한 두 가지 조건 중 하나이다. 반도체 레이저의 경우, 광 이득은 대략 전하 운반자 밀도 N에 비례하고, 좀더 엄밀하게 기술하면 오프셋 Nth를 가진다.

  41. P N Ef • 반도체 레이저의 밀도 반전 반도체 레이저에서 밀도 반전을 얻는 것은 매우 간단하다. PN 다이오드 구조에 순 반향 전압을 걸어 주면 전류가 흐르면서 반도체 정션(junction)부위에 전자와 정공(hole)이 모이게 된다. 이때 전자는 높은 에너지 상태에 있으며, 정공은 전자의 비어있는 낮은 에너지 준위를 의미한다. 아래 그림에는 평형 상태에 있는 PN 다이오드 내의 전자와 정공을 보여 주고 있다. 전자는 에너지 장벽으로 인해 P형 쪽으로 가지 못하고 정공도 마찬가지로 N형 쪽으로 가지 못한다. 이때는 두 운반자가 결합하지 않아 전류가 흐르지 않는다.

  42. P N Efc Vbias Efv 반도체 레이저에 순방향 전압을 걸어 주면, 에너지 장벽이 낮아지며, 전자와 정공이 정션으로 모이며 같은 공간상에 존재하기 때문에 두 전하 운반자가 결합하여 에너지 천이가 일어날 수 있다. 결국 정션 부근에 밀도 반전이 일어나서, 빛이 진행하면 유도 방출을 일으킬 수 있는 조건을 형성한다. 보통 기체 또는 고체 레이저들이 밀도 반전을 일으키기 위해 램프/방전기 를 사용하는데 이를 광 펌핑(optical pumping)이라고 부른다. 이러한 간접적 밀도 반전 과정은 전력의 광 전환 효율을 떨어뜨리는 주 원인이고 냉각 장치와 부피를 크게한다. 이에 반해 반도체 레이저는 전류를 흘려주기만 하면 되기 때문에 효율이 매우 높아서, 고체 레이저의 광 펌핑에도 자주 사용된다.

  43. L I0 (ai, g) 1-R1 1-R2 R1 R2 • 레이저 공진기 앞서 배운 밀도 반전과 더불어 또 하나의 가장 중요한 레이저 요소는 공진기 이다. 밀도 반전이 광 이득 값을 일으키는 증폭기 역할을 한다면, 공진기는 이 증폭기를 입력과 출력을 서로 연결하여 양 피드백 (positive feedback) 회로를 완성함으로써 계속 위상과 파장이 같은 빛을 생성할 수 있게 해준다. 광학에서 피드백 회로를 만들기 위해서는 단순히 반사경 두개를 서로 마주 보게 만들면 빛이 계속 반사하며 무한 루프(loop)를 돌게 된다.

  44. Bandgap이 큰 물질 사이에 낮은 bandgap의 박막층(활성층, active layer) • 삽입시킨 이중 heterostructure를 가짐. • Bandgap이 작고, 굴절률(n)이 큰 활성층은 광자를 구속시키는 광도파관 • 역할을 함.

  45. History • 1962년, R. H. Hall : Si, Ge을 이용한 최초의 반도체 LD 개발 • 1968년, Zh. I. Alferov (Ioffe PTI) : 상온 pulse 발진 • - GaAsP/GaAs heterojunction 사용 • 1970년, Zh. I. Alferov (Ioffe PTI) : 상온 연속 발진 • - AlGaAs/GaAs heterojunction 사용 • 1980년 전후: 양자구조의 도입 • - Quantum well, VCSEL, QCL …. • - 고출력, 고효율, 신개념 LD의 개발 • - MBE, MOCVD의 성장기술 발달 • 1994년: S. Nakamura (Nichia) : 최초의 blue LED 개발, GaN • 1996년: S. Nakamura (Nichia) : 최초의 blue LD 개발, GaN

  46. The Application of LD Material Peak Power Wavelength Application GaInAsP 20mW 1300nm Fiber Communication AlGaAs 50mW 760nm Laser Printer GaAs 5mW 840nm CD Player InGaP, AlGaAs ~650nm DVD InGaN 400~500nm Disc의 용량증가를 위한 상용화 개발중 Etc: Bar-code scanner, pointer, 의료용 기기…

  47. Optical Storage Telecommunication Solid-state laser pumping 2003 2004 Image recording Medical therapeutics Inspection, measurement & control Barcode scanning Entertainment Materials processing Basic research Sensing Other Sales ($ millions) Tranceiver LD Market Optical Storage

  48. LD와 LED의 차이점 • 걸어준 전류에 대하여 output이 • 다른 특성을 보인다. • LD가 line width Δλ가 작다. • LD의 빛의 직진성 Example) 1300nm LED vs. LD LED LD Structure Material Output radiation Typical spectral linewidth Rise time Double heterostructure InGaAsP, InP Incoherent (Spontaneous emission) 100nm 5-20ns Double heterostructure InGaAsP, InP Coherent (Stimulated emission) 2-4nm (multimode) < 0.1nm (single mode) < 1ns

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