Optoelectronic Devices (광전자소자) Chapter 8. Optoelectronic Devices (광전자소자)

8.1 광다이오드 반도체 시료는 광학적 생성률에 비례하는 전도도의 변화를 줌으로써 광전도체(photoconductor)로 사용 가능. 광학적 또는 고에너지 방사 검출기의 응답속도와 감도를 개선하기 위하여 접합형 소자를 사용하여 광자 흡수에 응답하도록 설계된 단일 접합형 광다이오드 소자(photo diode) EHP의 광학적 생성에 대한 p-n접합의 응답에 대한 광다이오드 검출기(photo detector) 구조 흡수된 광에너지를 유용한 전력으로 바꾸어 주는 태양전지(solar cell) Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 광 전류 (photo current) 공핍영역 W내에서 생성된 캐리어들은 접합 전계에 의해 분리되어, 전자는 n형 영역에서 정공은 p형 영역에서 집속 접합 양쪽의 확산거리 내에서 열적으로 생성된 소수캐리어들은 공핍영역으로 확산되어, 전계에 의해 다른 쪽으로 쓸려가게 됨 접합에 의해 광학적으로 생성된 이들 캐리어의 집속으로 인해 생긴 전류(Iop) A : 단면적, W : 공핍영역 폭 gop: carrier 생성률 Lp : n형 쪽 전이영역의 정공 확산거리 Ln : p형 쪽 전이영역의 전자 확산거리 열적으로 생성된 전류를 Ith라 하면, 광학적 생성을 더하여 광조사에 따른 총 역방향 전류를 구할 수 있음. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 Chap. 8. Optoelectronic Devices p n Fig. 8-1 p-n 접합에서의 광학적 캐리어 생성: (a) 소자에 의한 빛의 흡수; (b) n 형 접합의 확산거리 내에서의 EHP 생성으로부터 생기는 전류 Iop; (c) 조사된 접합의 I-V 특성 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 소자의 양단을 개방시켰을 때의 전압 광기전력효과(photovoltaic effect) 대칭적 접합의 특수한 경우 (pn =np , τp = τn), W내에서의 재결합을 무시하면, gop≫gth 인 경우 gth = pn/τn 은 평형(equilibrium) 상태에서의 열적 생성-재결합률을 나타냄. 소수캐리어농도가 EHP의 광학적 생성으로써 증가함에 따라, 수명 τn 은 짧아지고 pn/τn은 커짐. Voc에 대한 한계는 평형상태에서의 접촉전위차 V0. 광기전력효과(photovoltaic effect) 조사된 접합을 가로질러서 순방향 전압이 나타나는 현상 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-2 접합의 개방회로 전압에 주는 빛 조사의 영향: (a) 평형상태에서의 접합; (b) 빛 조사 시의 전압 Voc의 출현 (제1사분면) (제3사분면) (제4사분면) (역방향 바이어스) Fig. 8-3 I-V 특성 곡선의 여러 사분면에서의 빛이 조사된 접합의 동작: (a)와 (b)에서 전력은 외부회로에 의해 이 소자로 공급된다; (c)에서는 이 소자가 부하에 전력을 공급한다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.2 태양전지 Chap. 8. Optoelectronic Devices 화성탐사로봇 패스파인더 태양전지의 구조 태양전지 패널 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.2 태양전지 플렉서블 유기태양전지의 응용분야 지난 2년여 동안 신규 재료의 개발과 함께 최근 8% 안팎의 에너지 변환 효율을 보여주고 있으며 2015년 안에 10%대의 소자가 구현될 수 있다는 예측이 지배적이다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.2 태양전지 태양전지의 설계 얻을 수 있는 광학적 에너지의 최대량을 이용하기 위해서는 소자의 표면 가까이 큰 면적의 접합을 갖는 태양전지를 설계할 필요가 있다. 이 평면형 접합은 확산이나 이온주입으로써 형성시키며, 표면에는 반사를 감소시키고 표면재결합을 적게 하기 위해 적당한 물질을 도포한다. (금속 접촉부) (무반사 코팅) Fig. 8-5 태양전지의 구성: (a) 평면 접합의 확대도; (b) “손가락” 모양의 금속접촉부를 보여주는 평면도 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.2 태양전지 채움지수(fill factor) 지상에서의 태양전지 응용 비용 절감과 크기의 축소 ImVm/IscVoc Fig. 8-6 빛이 조사된 태양전지의 I-V특성. 최대전력 직사각형이 빗금 그어져 있다. 지상에서의 태양전지 응용 태양전지의 응용은 외기권에 한정되는 것은 아님. 태양의 세기가 대기에 의해 감소된다고 하더라도, 지상에서 태양전지를 사용하는 응용에서는 태양으로부터 유용하게 전력을 얻을 수 있음. 비용 절감과 크기의 축소 현재 화석연료로 전력을 생산하는 데는 KWh당 불과 3센트밖에 들지 않지만, 비정질 Si 태양전지의 경우는 이의 약 10배가 들고 투자 회수에는 약 4년이 걸림. 효율 향상을 위한 연구 필요. Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Basic principle of solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 LED vs Photovoltaic Light-emitting diode (LED) Converts electrical input to light output: electron in → photon out Light source with long life, low power, compact design. Applications: traffic and pp car lights, large displays, solid-state lighting. Photovoltaic (PV) Converts light input to electrical output: photon in → electron out (generated electrons are “swept away” by E field of p-n junction). Renewable energy source. Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Energy Band of p-n Junction Solar Cell Dark Flux & 0 V Short Circuit Current (Jsc) Open Circuit Voltage (Voc) Maximum Power Point (Pmax) Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 The photodiode is usually operated in reverse bias mode. J-V Curve Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Equivalent circuit Equivalent circuit of a "real" solar cell showing both a shunt and series resistive loss. The series resistance, Rs, is a series loss due primarily to the ohmic loss in the surface of the solar cell. The shunt resistance, Rsh, is used to model leakage currents. A shunt resistance of a few hundred ohms does not reduce the output power of the solar cell appreciably. A series resistance of only 5 Ω can reduce output power by 30%. Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Short circuit current (Jsc) & open circuit voltage (Voc) The short circuit current is found by setting V = 0 The open circuit voltage is found by setting J = 0 by using the fact that JSC = Jgen, for JSC ≫ Jsat Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Fill factor (FF) neglecting the effects of Rsh and Rs (Rsh=∞, Rs=0) The fill factor (FF), is thus defined as (VmJm)/(VocJsc), where Jm and Vm represent the current density and voltage at the maximum power point, this point being obtained by varying the resistance in the circuit until JxV is at its greatest value. The ratio (given as percent) of the actual maximum obtainable power, (Vmp x Jmp) to the theoretical (not actually obtainable) power, (Jsc x Voc) FF is a key parameter in evaluating the performance of solar cells. Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Quantum efficiency IPCE (Incident Photon to electron Conversion Efficiency) EQE (External Quantum Efficiency) Short circuit 상태에서 전체 photon이 electron으로 변환되는 효율 IQE (Internal Quantum Efficiency) Short circuit 상태에서 흡수된 photon이 electron으로 변환되는 효율 PCE (Power Conversion Efficiency) or ECE (Energy Conversion Efficiency) Maximum FF Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Solar radiation Power reaching earth: 1.37 kW/m2 Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Air mass coefficient Air mass (AM) coefficient characterizes the solar spectrum after the solar radiation has travelled through the atmosphere. AM1.5 is almost universal when characterizing power-generating panels. Ozone, water, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, … absorb certain wavelength. solar radiation ~ black body radiator at 5,800 K earth At the earth surface, the spectrum is strongly confined between the far infrared and near ultraviolet. Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 AM coefficient earth l0 : thickness of the atmosphere l : path length through the atmosphere for solar radiation incident at angle θ AM0: the spectrum outside the atmosphere (5800 K black body) AM1: the spectrum to sea level with the sun directly overhead (θ ~ 0o) AM1.5 : almost universally used to characterize terrestrial solar panels (θ ~ 48.19o) Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Third-generation photovoltaics 1st generation - c-Si solar cells 2nd generation - thin film solar cells 3rd generation - high efficient, low cost, ecofriendly solar cells (DSSC, organic and nano solar cells) Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Crystalline Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 PERL Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Rear contact Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Edge-defined film-fed growth Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 a-Si:H/c-Si HIT Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 a-Si thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Compound semiconductor thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 High-efficiency: Tandem structures Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Low-cost process: Roll-to-Roll CIGS thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) 햇빛을 받으면 전자를 방출하는 특정 염료와 전해질을 이용해 전기를 만듦. 염료감응 전지를 구성하는 물질: 태양광 흡수용 고분자(염료분자) 넓은 밴드갭을 갖는 반도체 산화물 (N형 반도체 역할, TiO2) 전해질 (P형 반도체 역할) 촉매용 상대전극 (양극 / 백금, 탄소 나노 튜브 등) 태양광 투과용 투명전극(음극) Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) 가시광선 전 영역의 빛을 흡수 나노 산화물 표면과 견고한 화학결합 열 및 광화학적 안정성 염료의 LUMO가 나노산화물의 전도대 E보다 높아야 함 현재 가장 효율이 좋은 염료 분자 루테늄계 유기금속화합물 Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) DSSC – 동작원리 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-정공 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도대로 주입 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 염료분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성 Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) DSSC 작동 메커니즘 D + light →D* D2*+ TiO2→e-(TiO2) + D+: 전자주입 e-(TiO2) + C.E. →TiO2+ e-(C.E.) + 전기에너지 D++ 3/2 I-→D + ½I3- ½I3-+ e-(C.E.) →3/2 I-+ C.E. D: 염료(dye)분자 C.E.: 상대전극(counter electrode) Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) DSSC의 단점 대면적화 시 효율 감소 120도 이상 고온에서 효율이 급격 하락 ( ∵ 유기물질을 사용하는 경우 빛과 열에 불안정 ) DSSC의 장점 저가의 제조 설비 및 공정 기술 → 발전 단가를 실리콘계의 1/5까지 가능 플렉서블, 투명, 다양한 색상 구현이 가능 → 다양한 응용성이 기대됨 투명 제작으로 2~3장을 겹치는 다중 제작이 가능 → 같은 면적에서 효율을 2~3배 늘릴 수 있는 특징 빛의 조사각도가 10o로 좁아도 전기 생산이 가능 → 흐린 날씨 작동 가능 Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 DSSC 제조과정 Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Organic & hybrid solar cells Chap. 8. Optoelectronic Devices

태양전지에 대하여 Polymer-Fullerene solar cells TiOx layer connects the front cell and the back cell. Power conversion efficiency was 6% at illuminations of 200 mW/cm2. Chap. 8. Optoelectronic Devices

Overview Drawback with conventional solar cells Third generation solar cell concepts Implementing down conversion concepts in third generation solar cell concepts Third generation solar cell research at HYN

Sunlight Sunlight consists of a large number of photons distributed across a large wavelength and energy range The photon energy depends on the photon wavelength in the following manner Ephot= hc/λ The variation in photon energy makes efficient utilization of all sun light in one solar cell difficult. Conventional solar cells are made from one material exhibiting only electronic band gap Band gap energy Eg This makes it possible for such a solar cell to only utilize one photon energy optimally.

Drawback of conventional solar cell Conventional solar cells are made from one material exhibiting only electronic band gap Band gap energy Eg This makes it possible for such a solar cell to only utilize one photon energy optimally. A photon with sufficient energy can excite an electron across the band gap creating a mobile electron and a mobile hole. If the photogenerated electron and hole is collected at the external solar cell terminals, it will contribute to the current from the solar cell.

Drawback in conventional solar cell The voltage related to this process is determined by the energy difference at which the electron and hole can be extracted at the respective external terminals. Only photons with sufficient energy can excite e-across the band gap Eg Insufficiently energetic photons with Ephot < Eg will not contribute to the photocurrent generation Photons with Ephot > Eg will initially generate energetic excited charge carriers Any energy in excess of Eg will be wasted heating up the solar cell through thermalization

Solar Spectrum

Consequences Optimum one sun Eg = 0.76 eV Conservation of energy dictates that a photon must have a minimum energy Eph ≥ 2Eg in order to cause carrier multiplication Large current densities can be obtained by selecting a material with a low band gap energy Due to thermalization, the band gap puts an efficient upper limit to the extractable voltage Si bandgap:1.12 eV Good open circuit voltage:650 mV

The Shockley-Queisser limit The Shockley-Queisser limit is a measure of the upper obtainable efficiency of a perfect solar cell based on only one solar cell material with only one electronic band gap. Perfect solar cell All photons incident on cell captured Complete absorption of all photons with E > Eg Complete thermalization occurs Loss less transport and collection of charge carriers Ideal materials: Only Auger or radiative recombination The efficiency limit of a perfect, conventional Si solar cell is ~32%.

Third generation solar cell concepts

Third Generation Solar Cells Solar cells which use concepts that allow for a more efficient utilization of the sunlight than first generation and second generation solar cells Main approaches Modification of the photonic energy distribution prior to absorption in a solar cell Utilization of materials or cell structures incorporating several band gaps Reducing losses due to thermalisation Biggest challenge is reducing the cost/watt of delivered solar electricity Third generation solar cells pursue More efficiency More abundant materials Non-toxic material Durability

Efficiency and Cost Projections First Generation Second Generation Third Generation ARC Photovoltaics center of Excellence, University of New Soth Wales, Annual Report (2007)

Modifying the photon energy distribution Photon energy down-conversion One energetic photon creates two or more less energetic ones Nanocrystals/ Quantum dots Photon energy up-conversion Two or more low energetic photons create one suffieciently energetic one Nanocrystals/quantum dots Phosphors Thermophotovoltaics The sunlight heats a thermally radiating object which again powers a suitable solar cell

c-Si Solar cell operation

Loss mechanism of Photovoltaics (single p/n junction) usable photo-voltage (qV) Energy n-type p-type 1 e- - h+ pair/photon ηmax = 32% heat loss hν 1 2 4 3 Loss mechanisms Thermalization loss Junction voltage drop Contact voltage drop Recombination loss Non absorbed photons

Factors affecting the energy conversion efficiency of solar cell Dark and light I-V curves Vopen-circuit Ishort-circuit Maximum power Pm Fill factor (squareness) FF=Pm/(Vopen-circuit  Ishort-circuit) V I Pm=ImVm dark light Thermodynamic efficiency limit Quantum efficiency Maximum power point Fill factor Increasing the Rsh and decreasing Rs = High FF give high efficiency

Motivation exist to increase the efficiency limit of solar cell Solar cell powered by Sun's unconcentrated black body radiation has theoretical maximum efficiency is 43% Solar cell powered by the Sun's full concentrated radiation, the efficiency limit is up to 85%. Possibility of solar cell to attain high values of efficiencies by utilizing Radiative recombination  Carrier multiplication.

Proposed Device structure QD Metal contact Al p-Si n+-Si SiNx

Concept of proposed work Introducing Core shell Quantum Dots (QDs) layers in p-n junction c-Si solar cell QD extending the band gap of solar cells for harvesting more of the light in the solar spectrum generating more charges from a single photon. Down conversion Harvesting full range solar energy by utilizing narrow band gap core and wide band gap shell material Core shell QD materials harvest UV and IR waves Using down conversion process, higher energy excitons are extracted out from the core shell QDs Device efficiency depends on the down conversation process

Implementing down conversion concepts in third generation solar cell concepts

Down Conversion Objective: transforming small wavelength photons into large wavelength photons Suitable materials must efficiently absorb high energy photons and re-emit more than one photon with sufficient energies can be implemented by quantum dots and quantum wells Down conversion evidence: Multiple exciton generation Egap Eg 2 Eg

Need for down conversion ? The bandgap of a Si cell is close to the optimum bandgap for a Down Converter materials (eg: Quantum Dots) Modifying the front surface of a PV cell can increase carriers generated near the surface High energy (blue) light is absorbed very close to the surface, considerable recombination at the front surface will affect the blue portion of the quantum efficiency The Down converter (DC) is placed in front of a standard cell and can boost current by converting ultraviolet (UV) photons to a larger number of visible photons. DC does require that more visible photons are emitted than high-energy photons absorbed, i.e. its Quantum efficiency (QE) must be greater than unity

Why do we need QDs ? Quantum dots can have size-tunable emission wavelength (λ = 400 nm to 620 nm) covering whole visible spectrum wavelength at which they will absorb or emit radiation can be adjusted larger the size, the longer the wavelength of light absorbed and emitted greater the band gap of a solar cell semiconductor, the more energetic the photons absorbed, and the greater the output voltage. Lower band gap results in the capture of more photons including those in the red end of the solar spectrum resulting in a higher output of current but at a lower output voltage An optimum band gap that corresponds to the highest possible solar-electric energy conversion and this can also be achieved by using a mixture of quantum dots of different sizes for harvesting the maximum proportion of the incident light.

Significance of QDs Quantum dots in three-dimensional array will have strong electronic coupling between them and excitons will have a longer life Will facilitating the collection and transport of “hot carriers‟ to generate electricity at high voltage Additionally such an array makes it possible to generate multiple excitons from the absorption of a single photon Will increase the operation of a photovoltaic(PV) cell requires 3 basic attributes The absorption of light, generating either electron-hole pairs or excitons The separation of various types of charge carriers The separate extraction of those carriers to an external circuit

Advantage of Core Shell QD Over coating of a CdSe core with higher band gap compounds (e. g. ZnS) Nonradioactive transition is minimized More excitons are available Significantly enhances the quantum yield of luminescence Shell can alter the charge, functionality and reactivity of the surface Increases the absorption by reducing reflection , increasing absorption process or increased light trapping Use quantum confinement to change or optimize band gap Practical improvements such as increased radiation resistance Increased open circuit voltage, e.g., Photon recycling

How Can Quantum Dots improve the device efficiency? Quantum dots can generate multiple exciton (electron-hole pairs) after collision with one photon.

How QD can increase the efficiency of c-Si solar cell ? A strong indication of QD absorption and down-conversion process Most of electron–hole pairs generated in this UV regime are located near surface of device The surface defects consume most of the photo-generated carriers, which lead to inferior cell efficiency in UV wavelength range Addition of QDs layers on the c-Si Nanostructured array solar cell can produce photon down-conversion effect QD-originated photons with visible wavelengths can be absorbed in the depletion region and the power conversion efficiency is improved. The incident photons wavelength is longer than 425nm, the QDs layer is served more like an AR coating which can also enhance the light harvesting. Proc. of SPIE Vol. 8256 825609-1

Third generation solar cell research at HYN

Solar spectrum Energy [W/(m2.nm)] Wavelength (nm) 254 nm 365 nm 2400 2000 1600 1200 800 400 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Wavelength (nm) Energy [W/(m2.nm)] 254 nm 365 nm UV-light source W/O 563nm 565nm 578nm 595nm 602nm 600nm

CIE 색좌표 365 nm 254 nm W/O W/O 254 nm 365 nm 563nm x : 0.47125 y : 0.46233 254 nm 565nm x : 0.36586 y : 0.54232 W/O 578nm x : 0.36586 y : 0.54232 W/O x : 0.5704 y : 0.36942 595nm 254 nm 602nm x : 0.60302 y : 0.33446 365 nm x : 0.58004 y : 0.32201 600nm

Band Gap Conduction band Valence band 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 7.5 6.5 5.5 4.5 3.0 2.0 1.0 0.0 3.5 2.5 1.5 0.5 1.2eV ZnTe 3.6eV 2.8eV ZnSe 6.7eV 3.4eV ZnS 7.2eV 4.5eV CdSe 6.3eV CdS 6.6eV 3.35eV CdTe 5.04eV 4.1eV PbS 5.0eV 4.2eV PbSe 4.93V 4.3eV GaAs 5.73eV GaN 7.0eV Conduction band Valence band 3.48eV InP 4.82eV 0.72eV InAs 1.07eV 0.5eV GaSb 0.35eV InSb 0.53eV 1.06eV AlAs 3.22eV 1.35eV AlSb 2.95eV SiC 2.2eV Si 3.31eV 0.79eV Ge 1.46eV 3.0eV P3HT 5.2eV PCPD TBT 5.5eV

8.1.3 광검출기 광다이오드의 동작 광학적 검출의 응용에서는 검출기의 응답속도가 결정적임. 광다이오드를 다음의 사분면에서 동작시킬 때, 그 전류는 본질적으로 전압에는 무관하나 광학적 생성률에는 비례함. 광학적 검출의 응용에서는 검출기의 응답속도가 결정적임. 예를 들어 광다이오드가 1ns 떨어져 있는 광펄스(light pulse)에 감응한다면, 광학적으로 생성된 소수캐리어는 1ns보다 훨씬 적은 시간에 접합으로 확산하고 반대쪽으로 넘어서 쓸려가야 함. 공핍영역의 폭 W는 충분히 커서 대부분의 광자가 중성인 p와 n형 영역에서보다는 W내에서 흡수되는 것이 바람직함. 캐리어가 주로 공핍층 W내에서 생성될 때 공핍층형 광다이오드(depletion layer photodiode)라 함. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.3 광검출기 p-i-n 광검출기(p-i-n photodetector) 공핍영역의 폭을 제어하는 편리한 방법 중 하나 Fig. 8-7 p-i-n 광다이오드의 개요도 이 소자에 역방향으로 바이어스를 가해주면 인가전압은 전부 i 영역을 가로질러서 나타난다. i 영역 내의 캐리어 수명이 표동시간에 비하여 길다면, 광학적으로 생성된 캐리어의 대부분은 n 및 p 영역에 모아질 것이다. 광검출기를 평가하는 중요한 지수 중 하나는, 검출기에 입사되는 광자 하나당 생성되는 캐리어의 수로 표현되는 외부양자효율이다. Jop : 광전류밀도 Pop : 입사된 광전력 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.3 광검출기 애벌랜치 광다이오드(Avalanche Photodiode; APD) 빠른 속도와 내부 이득(internal gain) 때문에 광섬유 통신시스템에서 유용 Fig. 8-8 광다이오드 동작을 향상시키기 위해 사용한 다층 이종접합(multilayer heterojunction): (a) 좁은 간극 물질에서 넓은 간극 물질을 통과한 1.55μm 근처의 빛을 흡수하는 애벌랜치 광다이오드: 정공은 애벌랜치 증식이 일어나는 InAlAs 접합 쪽으로 쓸려간다. i 영역은 저농도로 도핑되어 있다. (b) 광전류, 암전류, 이득은 애번랜치 증식 때문에 바이어스의 함수로 증가한다. (c) SACM APD 등에서 볼 수 있는 전형적인 이득-대역폭 특성 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.4 광검출기에서의 이득, 대역폭 및 신호 대 잡음비 광통신시스템에서는 광검출기의 감도와 응답시간(대역폭)이 특히 중요 이득을 키우려고 설계하면 대역폭이 작아지고 그 반대도 성립함. 이득-대역폭 곱(gain-bandwidth product)을 광검출기에서 특성지수로 쓰는 경우가 많음. 검출기에서 중요한 또 하나는 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio) 검출기에서 사용할 수 있는 정보의 양과 배경잡음의 비 잡음전류는 온도와 물질의 암전도도에 따라 증가 광검출기의 비교 p-i-n 다이오드 : 광전도기에 비하여 암전류가 적고 암저항은 훨씬 큼. 애벌랜치 광다이오드 : 애벌랜치 증식효과로 광이득의 장점이 있지만, 잡음이 p-i-n에 비하여 증가하는 단점이 있음. 광전도기 : 여러가지 잡음원의 영향. 잡음등가전력(noise-equivalent-power; NEP)으로 정량화 광검출기의 검출도(detectivity) : D =1/NEP Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.1.4 광검출기에서의 이득, 대역폭 및 신호 대 잡음비 NEP는 광전도기의 대역폭과 면적에도 관계 특이성 검출도(specific detectivity) D*는 단위면적과 1Hz의 대역폭을 갖는 광검출기에 대하여 정의 대역폭 요구조건 내에서 가장 큰 D*를 갖는 광검출기가 유리 광도파로(waveguide) 구조 : 높은 감도와 대역폭을 동시에 성취 빛은 전류의 수송방향과 수직방향으로 광다이오드에 입사 Fig. 8-9 광도파로형 광다이오드. 광자는 협 에너지대역 InGaAs 영역 A에서 강하게 흡수되고 캐리어는 영역 M에서 애벌랜치 과정에 의하여 증식된다. 전하영역 C는 A와 M 사이의 전계 분포를 최적화시키기 위한 것이다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2 발광다이오드 캐리어가 순방향으로 바이어스된 접합을 가로질러서 주입될 때, 그 전류는 보통 전이영역에서와 접합 부근의 중성영역에서는 재결합에 의한 것으로 간주. Si나 Ge와 같은 간접형 재결합 반도체 : 격자에 열을 방출. 직접적인 재결합 반도체 : 순방향으로 바이어스된 접합으로부터 상당한 빛이 방출. 주입형 전계발광이라 하는 이 효과는 광발생소자로서의 다이오드의 중요한 응용을 이룸 V = 0 V < 0 V > 0 Eg Ev Ec p-type n-type hν Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2 발광다이오드 반도체 레이저(semiconductor laser) LED의 파장과 광효율 순방향으로 바이어스된 p-n 접합에서의 발광재결합을 이용 LED보다 훨씬 좁은 파장대역에서 간섭성이 있고 방향성이 큰 빛을 방출 광섬유 통신시스템에서 유용 LED의 파장과 광효율 파장(또는 주파수) 외부광자효율(external quantum efficiency) LED가 평탄형 표면을 갖고 있다면, 반도체-외부 계면에 도달한 광자 중 임계각보다 큰 각도를 갖는 광자는 전반사되어 궁극적으로는 반도체 내에서 흡수에 의해 소멸됨. 이 때문에 전형적인 LED는 돔 모양으로 캡슐화하여 외부광효율을 증대 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2 발광다이오드 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-10 LED 조명 강도(luminous intensity)의 시간적 향상 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2.1 LED 재료 가시광선과적외선 파장을 내는 반도체 레이저와 LED를 요구하는 넓은 적용분야를 볼 때, 사용 가능한 많은 종류의 Ⅲ-Ⅴ 물질들은 대단히 유용. AlGaAs와 GaAsP 시스템에 덧붙여, InAlGaP 시스템은 적색, 황색 및 오렌지색을, AlGaInN은 청색과 녹색을 강하게 냄. 많은 응용에 있어서 LED의 발광이 사람 눈에 꼭 보일 필요가 있는 것은 아님. GaAs, InP 및 이들 화합물의 혼합된 합금과 같은 적외선 방출체는 특히 광섬유 통신 시슽템이나 TV 리모콘에 잘 어울린다. Fig. 8-11 GaAs1-xPx에서 합금조성비의 함수로 주어진 전도대역 에너지 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2.2 광섬유 통신 광섬유(optical fiber) Chap. 8. Optoelectronic Devices 광원과 검출기 사이의 광학적 신호의 전송은 광원과 검출기 사이에 광섬유를 놓음으로써 크게 증대시킬 수 있다. → 광도관(light pipe) 광섬유의 한 형태는 비교적 순수한 용융 실리카(무수규산 : SiO2)의 외층에, 보다 큰 굴절률을 갖는 도핑 유리의 중심체가 들어 있는 것이다. 계단형 굴절률의 섬유는 그 표면에서의 손실이 거의 없이 주로 중앙의 핵심부에 광속이 유지 빛은 굴절률이 급변하는 계단부분에서의 내부 반사로 인해 섬유의 길이방향으로 빛이 전송 Fig. 8-12 다중모드 섬유의 두 가지 예: (a) 약간 큰 굴절률 n을 갖는 중심체가 있는 계단형 굴절률의 경우; (b) 중심체의 n이 포물선형으로 경사진 경사형 굴절률의 경우. 그림에서는 섬유의 단면(왼쪽), 굴절률 분포(중앙) 및 대표적인 동작양식의 모양(오른쪽)을 보이고 있다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2.2 광섬유 통신 광손실(optical loss) Chap. 8. Optoelectronic Devices 섬유의 길이방향으로 거리 x에서의 신호의 세기 레일리 산란(Rayleigh scattering) 파장의 증가에 따른 흡수의 전체적인 감소는 파장과 비교할 수 있는 크기의 작은 임의의 불균일성이 굴절률의 변동을 초래 적외선 흡수 유리를 이루는 원소의 진동 여기(vibrational excitation)에 기인 펄스 분산(pulse dispersion) 데이터 펄스가 섬유를 따라 전파되어 가면서 퍼지게 되는 현상 굴절률의 주파수 의존성으로 생길 수 있음. Fig. 8-13 응용 실리카 광섬유에 대한 감쇠상수 α대 파장 λ의 대표적 관계도. 피크는 주로 OH- 불순물에 의한 것으로 개선된 섬유제조로써 감소시킬 수 있다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2.2 광섬유 통신 레이저 광원 광원으로서 레이저를 사용하는 것은 기본적으로 단일 주파수로 이루어져 있고 매우 큰 정보대역폭을 갖기 때문. 초기 광전자시스템에서는 레이저나 LED를 제작하기 위해 이미 잘 발달된 GaAs-AlGaAs 시스템을 사용 최근 시스템들은 감쇠 최소점 1.3 또는 1.55μm 부근에서 동작 InP에 성장할 수 있는 InGaAs나 InGaAsP를 이용하여 제작 가능 다중모드(multi-mode)의 섬유는 단일모드(single-mode)의 섬유보다 크나 이것도 간섭성의 레이저 빔을 전송하는 데 사용될 수 있음. 섬유에서의 손실량에 따라 중계기(repeater station)가 일정한 간격마다 필요할 수 있음. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.2.2 광섬유 통신 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-14 광섬유 통신시스템의 개략도. 전화나 TV에서와 같은 아날로그 신호의 전송을 보이고 있다. 신호가 디지털화된 후 레이저 광출력을 변조하게 되고 이는 광섬유를 따라 전송되는데, 이때 섬유에서의 손실을 보상하기 위해서 중계기를 사용하여 주기적으로 증폭된다. 스위칭회로가 신호를 적합한 곳으로 보낸다(route). 광 검출기와 저잡음 전치증폭기(low-noise preamplifier; LNA)에 의해 고아신호가 전기신호로 바뀐 후에, 디지털신호로 광섬유를 진행하면서 생긴 왜곡(distortion)을 재생기(regenerator)를 이용하여 교정한 후에 신호는 아날로그 신호로 바뀐다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

Organic Light Emitting Devices (OLED) Promising alternative anode materials (Al-doped ZnO) High efficient cathode electrode (Mg:Ag) Red OLEDs with HBLs Blue and Green OLEDs with HBLs Yellow OLEDs with multiple heterostructures Green OLEDs with a stepwise doped HTL Yellow OLEDs with a mixed layer White OLED (R,G,B) Polymer OLED (PLED) OLEDs with combined inorganic nanocrystals and organic layers OLEDs with a nanoscale Inorganic buffer layer

OLED Displays …… Our main research area (OLEDs) End of the Semester DC Scan Driver Circuit Data Driver Circuit DC-DC Converter Video interface DC Power Pixel Controller Our main research area (OLEDs) Panel TFT End of the Semester

OLED Pixel Structure e h Light End of the Semester Cathode Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

1. Promising alternative anode materials (Al-doped ZnO) Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

ZnO Anode Material Properties Electrical, Optical, and Electronic Properties of Al-doped Zinc-oxide Thin Films Acting as Anode Electrodes in Organic Light-emitting Devices

Surface, Electrical, and Optical Properties of AZO Thin Films Deposition of Al-doped ZnO films on glass substrates by using a radio-frequency sputtering system. Electrical properties Film thickness 180 nm 220 nm 600 nm Resistivity ( cm) 4.085  10-2 2.611  10-2 1.215  10-2 Hall mobility (cm2/Vs) 6.507  10-1 1.637 1.605  102 Carrier concentration (cm-3) 2.348  1020 1.460  1019 3.201  1018 Surface properties (a) (b) Optical properties (c) Film thicknesses ; (a) 180, (b) 220, and (c) 600 nm. Root-mean-square average of roughness : (a) 4 nm, (b) 2.8 nm, (c) 10.5 nm End of the Semester

Electronic Properties of Al-doped ZnO Thin Films Secondary electron emission coefficients of the Al-doped ZnO thin film with film thicknesses of (a) 180, (b) 220, and (c) 600 nm as functions of the acceleration voltage for He, Ne, Ar, and Xe ions. Secondary electron emission coefficients of the Al-doped ZnO films with film thicknesses of (a) 180, (b) 220, and (c) 600 nm as functions of the ionization energy. Work functions (a) 180 nm: 4.62 eV (low barrier height) → best anode (b) 220 nm: 3.67 eV (c) 600 nm: 3.38 eV Al-doped ZnO thin films an alternative anode in a high-efficiency and long lifetime OLEDs End of the Semester

2. High efficient cathode electrode (Mg:Ag) Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

유기발광소자에서 Mg-Ag 단일박막층을 사용한 음극 전극형성방법 Mg:Ag Thin Films Mg:Ag Thin Films with a Low Effective Barrier Height and a Low Work Function Acting as High-Efficiency Cathodes in Organic Light-emitting Devices 한국특허출원 유기발광소자에서 Mg-Ag 단일박막층을 사용한 음극 전극형성방법 (출원번호:10-2005-0055852, 2005/6/27)

Mg:Ag Thin Films with a Low Effective Barrier Height & a Low Work Function Total current = tunneling current + thermionic current Fowler-Nordheim Tunneling theory Work function of the Mg:Ag thin film : 4.12 eV Mg:Ag/Alq3/ITO/Glass Ag/Alq3/ITO/Glass Mg:Ag thin films with a low Mg concentration potential applications as cathodes in high-efficiency and long lifetime OLEDs End of the Semester

3. Red OLEDs with HBLs e h Light End of the Semester Cathode Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

Electroluminescence Mechanisms Electroluminescence Mechanisms for the Optical and Electrical Properties of Red Organic Light-emitting Devices Utilizing a Hole-blocking Layers between an Electron Transport Layer and an Emission Layer

(a) with a 30-Å BAlq HBL and (b) without a HBL. End of the Semester

Energy Band Diagrams and Carrier Distributions 2.3 eV NPB (HTL) Alq3: DCJTB (EML) BAlq (HBL) Alq3 (ETL) 4.8 eV ITO 5.4 eV 5.6 eV Al:Li 2.9 eV NPB (HTL) Alq3: DCJTB (EML) Alq3 (ETL) 4.8 eV ITO 5.4 eV 5.6 eV 2.3 eV Al:Li 2.9 eV CARRIER DISTRIBUTION (arb. units) Hole Electron DISTANCE DISTANCE Optical and electrical properties of the red OLEDs using an Alq3:DCJTB EML were affected by the existence of the HBL Color chromaticities were not significantly affected. End of the Semester

4. Blue and Green OLEDs with HBLs Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

Luminescence Mechanisms Luminescence Mechanisms of Green and Blue Organic Light-emitting Devices Utilizing Hole-blocking Layers Solid State Communications Vol. 134, issue 5, pp367-372 (May, 2005)

EL spectra and energy band diagrams for blue OLEDs 2.3eV 2.3eV 2.9eV 2.9eV (-) (-) NPB (HTL) NPB (HTL) BAlq (HBL) Al:Li Al:Li DPVBi (EML) Alq3 (ETL) DPVBi (EML) Alq3 (ETL) (+) ITO (+) ITO 4.8eV 4.8eV 5.4eV 5.4eV 5.4eV 5.6eV 5.6eV 5.9eV 5.9eV Schematic Diagram of Electron-hole Distribution Function under an applied Electric Field electron hole electron hole (a) ITO/α-NPD/DPVBi/BAlq/Alq3/Al:Li and (b) ITO/α-NPD/DPVBi/Alq3/Al:Li End of the Semester

Electroluminescence spectra of green OLEDs (-) (-) electron hole (+) NPB (HTL) Alq3 (EML) Alq3 (ETL) BAlq (HBL) (+) Carrier density distributions; taking into account the electronic parameters and the layer thicknesses. Color chromaticities were significantly affected by the existence and the condition of the HBLs. End of the Semester

5. Yellow OLEDs with multiple heterostructures Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

Rubrene/NPB MQW Color-stabilized organic light-emitting devices with narrower spectral and color-stabilized emission by using N, N′-bis-(1-naphthyl)-N, N′-diphenyl-1,1-biphenyl-4,4′-diamine/5,6,11,12 - tetraphenylnaphthacene multiple heterostructures End of the Semester

Schematic energy band diagram ENERGY (eV) -5.0 -6.0 -4.0 -3.0 -2.0 ITO Alq3 Al Liq Rubrene NPB ETL and EML HTL and EML End of the Semester

Electroluminescence spectra End of the Semester

Commission Internationale de l’Eclairage coordinates Al/Liq/Alq3/NPB/ITO/glass Al/Liq/Alq3/3 periods of MQW/NPB/ITO/glass Al/Liq/Alq3/5 periods of MQW/NPB/ITO/glass Color stabilized Yellow OLEDs The enhancement of the efficiency and the luminance of OLEDs with 5-periods of multiple heterostructures The CIE chromaticity coordinates ▶ stabilized with increasing the number of heterostructures End of the Semester

6. Green OLEDs with a stepwise doped HTL Luminescence mechanisms of highly efficient organic light-emitting devices fabricated utilizing stepwise doped hole transport layers End of the Semester

OLEDs fabricated utilizing stepwise doped hole transport layers Device I ITO Alq3 (60 nm) Al (100 nm) 1.5% rubrene 1.0% rubrene 0.5% rubrene Device II ITO NPB (50 nm) Al (100 nm) Alq3 (60 nm) 1.0% rubrene Current density vs. applied voltage Luminance vs. applied voltage The turn-on voltage of the OLEDs fabricated with a stepwise doped HTL ▶ smaller Luminance ▶ higher than that with an uniformly doped HTL. End of the Semester

7. Yellow OLEDs with a mixed layer Enhancement of efficiency and lifetime in organic light-emitting devices fabricated by using a mixed layer acting as a hole transport layer and an emitting/electron transport layer End of the Semester

OLEDs with various mixed layers Al 100 nm/Liq 2 nm DEVICE I Alq3 (60 nm) NPB (50 nm) ITO 100nm Glass substrate ITO 100nm Alq3 (50 nm) Al 100 nm/Liq 2 nm NPB (50 nm) DCM1(3%)-doped Alq3 (10 nm) Glass substrate DEVICE II ITO 100nm Alq3 (50 nm) Al 100 nm/Liq 2 nm NPB (50 nm) DCM1(3%)-doped Alq3:NPB (1:1)(10 nm) Glass substrate DEVICE III ITO 100nm Alq3 (50 nm) Al 100 nm/Liq 2 nm NPB (40 nm) DCM1(3%)-doped Alq3:NPB (1:1)(10 nm) Alq3:NPB (1:1)(10 nm) Glass substrate DEVICE IV End of the Semester

High Efficiency and long lifetime OLEDs → device IV Efficiencies as functions of current density Normalized intensities as functions of time OLEDs with a doped layer inserted into a mixed HTL and an EML/ETL ▶ the highest efficiency and the longest lifetime The emitting color of the OLEDs ▶ deeply pure yellow. End of the Semester

8. White OLED (R,G,B) e h Light End of the Semester Cathode Glass Substrate Anode HTL(Hole Transport Layer) EML(Emitting Layer) ETL(Electron Transport Layer) Cathode HBL(Hole Blocking Layer) Light e h End of the Semester

Optical Properties of White OLED Optical Properties of White Organic Light-emitting Devices Fabricated with Three Primary-color Emitters by Using Organic Molecular-beam Deposition Solid State Communications Vol. 135, issue 6, pp. 400-404 (August, 2005) End of the Semester

Unit Cells of White OLEDs Glass ITO NPB (40 nm) DPVBi (6 nm) Alq3 (12 nm) DPVBi:DCJTB (7nm, 3%) Alq3 (35nm) MgAg (150 nm) B G R End of the Semester

Schematic Energy Band Diagrams of White OLEDs ITO NPB (HTL) 2.45 2.8 3.1 3.11 5.26 5.8 5.9 DPVBi Alq3 (ETL) Mg:Ag Alq3 + DCJTB (3%) 5.46 Energy (eV) DPVBi + DCJTB (3%) (a) (b) (a) Mg:Ag/Alq3/Alq3:DCJTB /Alq3/DPVBi/NPB/ITO (b) Mg:Ag/Alq3/DPVBi:DCJTB/Alq3/DPVBi/NPB/ITO R G B End of the Semester

Current Efficiencies WOLED with a red host DPVBi ▶ stable WOLEDs (a) Mg : Ag / Alq3 / Alq3 : DCJTB / Alq3 / DPVBi / NPB / ITO (b) Mg : Ag / Alq3 / DPVBi : DCJTB / Alq3 / DPVBi / NPB / ITO WOLED with a red host DPVBi ▶ stable WOLEDs End of the Semester

Electroluminescence Spectra NPB (HTL) 3.11 5.26 DPVBi Alq3 (ETL) Mg:Ag DPVBi + DCJTB (3%) ITO B G R Complete white OLEDs 3 nm 6 nm 9 nm End of the Semester

9. Polymer OLED (PLED) Electronic Structures of p-phenylene Biphenyltetracarboximide Polyimide/ Indium-tin Oxide Heterostructures Grown on Glass Substrates for Organic Light-emitting Diodes Solid State Communications Vol. 135, issue 1-2, pp. 129-132 (2005) BPDA-PDA (Polyimide) End of the Semester

Electronic Structure of BPDA-PDA/ITO Heterostructure Vacuum Level Eg = 3.51 eV HOMO LUMO 4.7 eV 4.77 eV BPDA-PDA polyamic acid layer (b) BPDA-PDA polyimide layer The ionization energy of the PI: 4.77 eV Optical energy gap : 3.51 eV. End of the Semester

High Efficiency OLEDs High efficiency OLEDs with hybrid nanoscale semiconductors and organic layers

10. OLEDs with combined inorganic nanocrystals and organic layers Effect of Thermal Annealing on the Interband Transitions and Activation Energies of CdTe/ZnTe Quantum Dots Journal of Applied Physics vol. 98, 023702 (July, 2005) (selected August 1, 2005 issue of Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology) End of the Semester

Effect of Thermal Annealing on the Interband Transitions and Activation Energies of CdTe/ZnTe Quantum Dots AFM image of CdTe/ZnTe quantum dots Annealed at 300 ℃ 1 mm 330 ℃ 360 ℃ 390 ℃ Photoluminescence spectra at 14 K Photoluminescence spectra measured at several temperatures for CdTe/ZnTe annealed at 330℃ Integrated photoluminescence intensities as functions of the reciprocal temperature Highest activation energy and improvement of the size uniformity of the CdTe/ZnTe QDs : Ta = 330 ℃ End of the Semester

11. OLEDs with combined inorganic nanocrystals and organic layers Interband Transitions and Electronic Properties of InAs/GaAs Quantum Dots Embedded in AlxGa1-xAs/GaAs Modulation-doped Heterostructures End of the Semester

InAs/GaAs Quantum Dots Embedded in AlxGa1-xAs/GaAs Modulation-doped Heterostructures AFM image of InAs/GaAs quantum dots The activation energy of the electrons confined in the InAs/GaAs QDs was 115 meV. Electronic subband structures for the InAs quantum-dot arrays embedded in GaAs barriers Photoluminescence spectra at several temperatures for the InAs quantum-dot arrays embedded in GaAs barriers End of the Semester

Beautiful combination between inorganic nanocrystals and organic layers HOMO LUMO workfunction anode cathode E1 EC EV HH1 Organic layer Nanocrystal Structure of QD OLEDs Structure of QD (a) zero bias electron hole (a) forward bias Emission colors of QD OLEDs dependent on QD sizes Electronic structure of combined nanocrystal semiconductors and organic layers End of the Semester

12. OLEDs with a nanoscale Inorganic buffer layer Highly efficient organic light-emitting diodes fabricated utilizing NiO buffer layers between anodes and hole transport layers End of the Semester

Surface, optical, and electrical properties of OLEDs with a NiO buffer layer Transmittance spectra for the NiO films oxidized at 500oC for (a) 0, (b) 1, (c) 2, (d) 3, and (e) 4 h. Atomic force microscopy images of the NiO films oxidized at 500oC (a) 1, (b) 2, and (c) 3 h. (a) Current density vs. voltage (b) luminance vs. voltage Enhancement of the luminous efficiency and the power efficiency for the OLEDs with NiO buffer layers ▶ an increase of the thickness of the NiO buffer layer. End of the Semester

8.3 레이저 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 복사선의 유도방출에 의한 빛의 증폭 특성 : 강한 방향성, 단색성 및 간섭성 발광 : 자연방출(spontaneous emission) + 유도방출(stimulated emission) 전하 분포와 볼츠만 계수에 대한 검토로부터, 열적 평형(thermal equilibrium) 상태에서의 상대적 분포는 Fig. 8-15 상위 상태에서 하위 상태로 광자 방출을 동반하는 전자의 유도천이 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.3 레이저 2 Level System 3 Level System 4 Level System Meta Stable State Optical Pumping E3 E4 E2 E1 Meta Stable State Optical Pumping E3 3 Level System 4 Level System Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.3 레이저 열적 평형 상태 자연방출에 대한 유도방출의 비율은 일반적으로 매우 작으며 유도방출의 기여는 무시가능. Fig. 8-16 정상상태에서의 흡수와 방출의 평형: (a) 유도방출; (b) 흡수; (c) 자연방출 B12,A21,B21 : Einstein Coefficient 열적 평형 상태 자연방출에 대한 유도방출의 비율은 일반적으로 매우 작으며 유도방출의 기여는 무시가능. 광자전계(photon field)가 존재할 때, 광학적 공진공동(optical resonant cavity)를 만들어 줌으로써 촉진 흡수 이상 유도방출을 얻으려면, 밀도반전(population inversion) : n2 > n1 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.3 레이저 광자의 밀도가 유도방출로 증가되기 위한 조건 광자전계가 증진되는 것을 촉진하기 위한 광학적 공진공동 밀도반전을 얻는 방법을 제공 유도방출이 일어나기 위한 공동의 길이 대기에서 출력광의 파장 λ0를 이용하고자 할 때는 레이저 물질의 굴절률 n을 고려 Fig. 8-17 레이저공동 내에서의 공진양식 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4 반도체 레이저 p-n junction LASER Hetero junction LASER The condition of Population inversion The nature of the coherent light Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.1 접합에서의 분포반전 반전영역(inversion region) 축퇴(degenerate)된 물질 사이에 p-n접합을 형성 순방향 바이어스가 충분히 크면 전자와 정공은 상당한 농도로 전이영역을 넘어서 주입 이 영역은 전도대에는 고농도 전자를, 가전자대에는 고농도 정공을 포함 이들 분포의 농도가 충분히 크면 밀도반전의 상태를 형성 의사 페르미준위(quasi-Fermi level)의 개념으로 설명 Fig. 8-18 순방향 바이어스가 인가되었을 때 p-n 접합 레이저의 에너지대역도. 빗금친 부분은 접합에서의 반전영역을 나타낸다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.1 접합에서의 분포반전 밀도반전에 대한 조건 반도체에서 임의의 주어진 천이에너지 hν에 대하여 분포반전 Fig. 8-19 반전영역 확대도 Fig. 8-20 순방향 바이어스에 따른 반전영역폭의 변화: V(a) < V(b) Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.2 p-n접합 레이저의 방출 스펙트럼 유도방출에 관여하는 광자의 파장 인가해주는 전류 준위가 커짐에 따라 자연방출에서 유도방출로 주도됨. 레이저 동작에서는 유도방출로 중첩된 거의 단색광에 가까운 복사로 형성 Fig. 8-21 접합 레이저에 대한 빛의 세기 대 광자 에너지 hν 의 관계 : (a) 문턱값 이하에서의 비간섭성 빛의 방출; (b) 문턱값에서의 레이저 (동작)양식; (c) 문턱값 이상에서의 주된 레이저 (동작)양식. 세기의 눈금은 (a), (b), (c)의 순으로 크게 압축되어 있다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.2 p-n접합 레이저의 방출 스펙트럼 Fig. 8-21(b)에서 각 양식들의 분리 GaAs의 굴절률 n이 파장 λ에 의존한다는 사실로 말미암아 복잡함. 만약 m(L에서 반파장의 수)이 크면 도함수를 이용하여 λ0에 대한 m의 변화율을 구할 수 있다. 이제 m과 λ0에서의 불연속적 변화 형식으로 바꾸면 로 쓸 수 있다. Δm = -1로 놓으면 인접한 양식 사이에서의 파장의 변화 Δλ0를 계산할 수 있다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.3 기본적인 반도체 레이저 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-22 간단한 접합 레이저의 제작: (a) 축퇴상태의 n형 시료; (b) p형 쪽 확산; (c) 절단 또는 식각에 의한 접합의 분리; (d) 개개의 접합을 소자로 절단 또는 쪼갬; (e) 장착된 레이저 구조 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.4 이종접합 레이저 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-23 레이저 다이오드에서 캐리어를 전송하기 위해 이종접합을 이용: (a) 얇은 p형 GaAs층 위에 성장된 AlGaAs 이종접합; (b) 바이어스하에서 얇은 p형 영역에 전자가 집속됨을 보이는 (a)의 구조에 대한 에너지대역도. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.4 이종접합 레이저 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-24 이중 이종접합 레이저 구조: (a) 주입된 캐리어와 발생된 빛을 집속하기 위하여 사용한 다중층; (b) 레이저 동작이 발생되는 방향에 따라 좁고 가느다란 부분으로 전류주입이 제한되도록 설계된 띠의 기하학적 구조. 이 띠의 기하학적 구조를 얻는 여러 방법 중의 하나로서 이 예는 (b)의 흐린 영역을 양자(photon) 폭격하여 얻는 것이며, 이로써 GaAs와 AlGaAs는 반 절연성으로 바뀐다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.4 이종접합 레이저 Chap. 8. Optoelectronic Devices Fig. 8-25 캐리어 집속과 광도파 집속의 분리: (a) 가장 작은 대역간극을 갖는 영역(d)에서 캐리어를 제한하고 보다 넓은 영역에서 굴절계수의 계단을 이용하여 도파관(w)을 얻기 위해서 AlGaAs 합금 조성의 분리된 변화를 이용한다; (b) 보다 좋은 도파관과 캐리어 집속을 얻기 위한 합금의 조성비. 따라서 굴절률을 경사지게 한다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

8.4.4 이종접합 레이저 Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) 공진기 거울 대신에 MBE나 OMVPE로 성장시킨 Distributed Bragg Reflector (DBR) 반사기를 포함. DBR 거울은 두께가 각 물질에서의 파장의 1/4 이 되는 AlAs와 GaAs의 여러 교차층으로 구성. Fig. 8-26 수직공동을 갖는 표면방출형 레이저 다이오드의 모식적인 단면도 Chap. 8. Optoelectronic Devices

고체전자공학 제 7판 Homework #8 Chapter 8.연습문제 문제 2, 문제 8, 문제 16, 문제 18 Chap. 3. Energy Bands and Charge Carriers in Semiconductors