반도체의 주요 응용 분야: optoelectronics

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1 반도체의 주요 응용 분야: optoelectronics
Lecture 14 반도체의 주요 응용 분야: optoelectronics 전북대학교 홍창희

2 광전자 공학 이란? “광전자 공학”이란 : “빛”을 이용한 정보 처리 관련 기술을 통칭 함.
광전자 소자는 물질에 빛이 흡수될 때 전자를 발생시키거나, 전자를 주입 시켰을 때 빛이 발생되는 현상을 이용한 소자, 즉, 빛(光, photon) 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있거나 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시킬 수 있는 소자를 통칭 함. -종류 광원: 레이저 다이오드(LD), 발광 소자(LED), 수광소자: 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, CCD 등 기타: E-O modulators, Liquid crystal cells.

3 광전자 소자 응용 분야 Optical Communications (광통신) Defence Data Optoelectronic
Applications (군수) Data Communications (광 정보처리기기) Optoelectronic Devices Consumer Electronics Applications (가전)

4 (Lighting Emitting Diode)
반도체에서의 빛 천이 현상 발광 소자 (Lighting Emitting Diode) 수광 소자 (Detector) 레이저 다이오드 (Laser Diode)

5 빛의 성질 “빛”은 전자기파이고, 빛에는 눈에 보이는 가시광선(400 nm~700 nm) 외에 자외선, 적외선, 또한 X 선 등도 포함됨. “빛”은 파동으로서 성질과 입자로서의 성질의 이중성을 가짐. E = hn, l= c/n ( n = 진동수, c = 빛 속도)

6 시감도 곡선 인간의 눈에 보이는 파장대역은 380 nm ~ 700nm
인간의 색에 대한 감도는 일정하지 않고 이른바 시감도 특성을 가짐. 시감도는 녹색(555 nm)에서 가장 높고 청자색, 적색에서 시감도가 낮음.

7 에너지 갭과 격자 상수

8 LED 소자 개발 역사 1923년 SiC 에서 발광 현상 관측 (O.W. Lossev)
1952년 Si, Ge pn junction에서 발광 현상 관측 1952년 III-V semiconductor 제안됨 ( GaP, H. Welker) 1955년 GaP orange 발광 관측 (G.A. Wolff) 1965년 GaAsP on GaAs wafer 1968년 GaAsP Red LED 양산 1973년 Yellow-Green light LED 1975년 Yellow light LED 1978년 High brightness red AlGaAs LED 1983년 High brightness red AlInGaP LED 1993년 Blue GaN LED 1997년 White LED ( blue LED + phosphor) 2000년 lm/W orange AlInGaP LED

9 LED 성능 지수

10 AlGaInP LEDs의 종류 Absorbing substrate(AS) LED
Transparent substrate (TS) LED with two to three times the AS flux High-power LED with five times the TS flux Truncated inverted pyramid (TIP) LED with eight times the TS flux

11 Photopic vision eye sensitivity
Radiometry and Photometry Photopic vision eye sensitivity Luminous flux W/nm Wavelength (nm) Luminous intensity (Candela = lm/sr – SI unit) Luminous efficiency:power into actuation of vision (lm/W) 1/60 of the luminous intensity per square centimeter of a blackbody radiation at the temperature of 2,046 degrees Kelvin Watt

12 LED 응용 시장 120 80 40 20 조명 효율 (lm/W) 200 자동차 LCD Backlight 전광판 신호등 전자기기
* 실외 조명 * 실내용 LCD Backlight 자동차 전광판 * LCD TV * Head Lamp * Note PC * Stop lamp 신호등 전자기기 * Flash * Interior * LCD Backlight * Key Pad

13 건축조명에의 응용 진열장 조명 -- > 다양한 연출성, 기구의 소형화, 발열량으로 인한 상품의 변형 최소화

14 건축조명에의 응용 Architectural Lighting ? 장 수명으로 인한 보수성 개선 ? 저 전력으로 인한 유지비용
절감 ? 다양한 연출 ? 기구의 소형화

15 CCFL 백라이트 유니트 Vs. LED 백라이트 유니트
TFT LCD 모니터 혹은 LCD-TV 에서 LED 백 라이트 유니트가 색 표현 개수 및 색 연색성이 형광등 백 라이트 유니트보다 매우 우수함. LED Back light Unit (Color Rendering이 뛰어남) CCFL Back light Unit

16 Blue LED Technology (Osram)

17 White LED technologies
White Light InGaN LED RGB Light UV Light Downconversion (Phosphor) 1. UV LED & RGB Phosphor White Light Yellow Light Downconversion (Phosphor) Blue Light InGaN LED 2. Blue LED & Yellow Phosphor White Light Amber LED Aqua 3. Binary Complementary White Light Red LED Blue 4. Multichip Solution Green

18 고출력 LED High flux: > 1 W

19 1000 lumen급 white LED lamp Module (2003.10)
할로겐램프 백열전구 1200 lumen, 6000 K, 32 lm/W: 2 X Incandescent Efficiency Larger wafer diameter  Flux per wafer  low cost

20 Laser Diode(LD) 전자와 정공이 결합해 발생한 빛이 나머지 전자와 정공의 결합을
유도하여 발광하는 유도방출현상을 일으켜 코히런트한 빛을 증폭 시킴. 좁은 선폭, 고속변조, 고출력, 편광 광원이 특징임. 단파장 레이저 다이오드( 400~780 nm): 정보기기용, 일부 단거리 통신용 광원 장파장 레이저 다이오드( 980 nm, 1.3 mm, 1.55 mm): 통신용 광원

21 LD 개발 역사 1960년 레이저 발명 (미국) 1968년 광섬유통신 가능성 예견 (영국)
1960년 레이저 발명 (미국) 1968년 광섬유통신 가능성 예견 (영국) 1970년 dB/㎞ 광섬유 개발 (미국) 1970년 단파장반도체레이저 개발 (미,일,소) 1974년 MCVD 제조기술 발명 (미국) 1976년 ㎛ 반도체 레이저 개발 (미,일) 1977년 VAD 제조기술 발명 (일본) 1977년 단파장시스템 현장시험 (미,일) 1979년 장파장시스템 현장시험 (일본) 1980년 단파장시스템 상용개시 (미국) 1981년 장파장시스템 상용개시 (미,일) 1983년 단일모드시스템 상용시험 (미국) 1984년 LA Olympic 광 통신망 운영 1988년 태평양, 대서양횡단 해저 광섬유케이블 (미,일)

22 LD 광원 응용 – 광통신- 광통신 개요 발광소자 광파이버 수광소자 레이저 다이오드(LD) 발광 다이오드 (LED)
싱글모드 파이버(SMF) 멀티모드 파이버(MMF) PIN 포토다이오드 애벌랜치 포토다이오드(APD)

23 Graded index mulltimode fiber
광 파이버의 종류 Graded index mulltimode fiber Singlemode fiber 모드 분산의 양을 줄이기 위해 설계 포물선 형태의 굴절 - 코어에서 클래딩 쪽으로 굴절률이 점진적으로 변함 광섬유의 모드 분산이 감소 - 긴 모드의 빛이 짧은 모드의 빛보다 더 빠른 속도로 진행 모드수를 하나로 줄임으로써 모드분산 제거 매우 작은 코어직경을 갖음 모드분산은 0 이지만 도파로 분산이 나타남. 상당히 정교한 광원이 요구됨 장거리 전화선과 다른 장거리 응용

24 LD 광원 응용 – 광통신- Optical fiber의 전파 손실 및 재료 분산의 파장 의존성 발광소자 LD,LED
AlGaAS InGaAsP Ge Si 수광소자 APD,PIN InGaAS

25 LD 광원 응용 – 광통신- 광통신 시스템의 적용 구분과 적용소자 발광소자 수광소자 전송속도 전송속도 중계간격 (km)
1200 1200 InlGaAsP-LED Ge, InlGaAs-APD 발광소자 400 400 수광소자 AlGaAs-LED (MM) (SM) Si-APD 100 100 전송속도 전송속도 32 32 InlGaAsP-LED Si-APD Ge, InlGaAs-APD 6.3 6.3 AlGaAs-LED Si-pin-PD Mbit/sec 1.5 1.5 (가시광 LED) 2 5 10 15 100 2 5 10 15 100 중계간격 (km) 중계간격 (km) 1200 SMF 장거리 기간 전송 국제통신(해저중계) 400 광통신시스템 광섬유 400 100 전송속도 MMF(GI) 100 전송속도 시내외중계 국간 전송 32 32 가입작계 테이터전송 6.3 6.3 1.5 MMF(SI) 1.5 국내전송 2 5 10 15 100 2 5 10 15 100 중계간격 (km) 중계간격 (km)

26 LD 광원 응용 – 광통신- 광통신 시스템에서의 LD 모듈

27 E-O Modulator E-O Modulator(electro-optic Modulator) :전기광학 변조기
전기장을 가해주면 굴절률이 전압에 비례하여 변하는 현상(Δn ∝ 전기장)을 이용 광경로가 변함에 따라 파장이 λ인 빛이 결정매질 내에서 어떤 거리(l)를 전파한 후에는 전압에 비례하는 위상차(Δφ＝2πΔnl/λ)가 발생전압신호가 광의 위상차로 바뀌는 위상변조는 다시 적절한 편광자나 간섭법을 쓰면 휘도변조로 간단히 전환 제한된 회선의 광섬유에 빠른 Modulator를 이용 10 GHz 정도의 대역폭을 갖는 빠른 광스위치를 만들어 광통신에 이용가능 LiNbO3 광도파로 근적외선 파장에서 높은 전기광학 계수와 높은 광학적 투명도 높은 curie온도(1100~1180℃) => 금속의 내부 확산을 통한 저손실 광도파로 제작 가능 열적, 화학적, 기계적으로 안정, 집적회로 공정 기술과 호환성 반도체 광도파로 LiNbO3에 비하여, 광원과 광검출기의 단일기판 집적가능, 낮은 구동전압의 고속변조기, 스위치, Etching을 통한 정교한 제작가능 => 전파손실이 큰 단점 Polymer 광도파로(acrylates, polyimid, oelfin etc.) 상용 LiNbO3의 문제점( 40GHz의 대역폭, High Cost ) => 100GHz 이상의 대역폭, Low Cost, 제작의 용이성, 큰 전기광학적 특성, 반도체 공정기술을 이용 한 제작이 가능, 최근에는 온도에 따른 굴절률 변화를 이용하여 열광학 스위치로도 연구중

28 수광소자 P-N Photo Diode ▶역방향 바이어스를 걸어 공핍층을 증가시킴
▶공핍층에 들어간 광자가 전자-정공 쌍 생성하여 전도도변화 ▶20~40V이상의 동작 전압 필요. PIN-Photo Diode ▶중간에 intrinsic 삽입⇒공핍층 증가 ⇒P-N에 비해 효율증가 ▶넓은 공핍층⇒적은 캐패시터, 고속 응답 ▶저 전압작동: 광전모드( 8~10V ), 광기전력모드( 0V ) Avalanche Photo Diode (APD) ▶광자에 의해 생성된 전자가 가속되면서 원자들과 충돌하여 새 전자들을 생성  자유전자가 수백배 증가 ▶고감도의 검출기 가능 ▶40~400V의 역 바이어스 전압 필요, 온도 변화에 민감.

29 LD 광원 응용의 예 -광 정보처리기기- CD 방식의 기본 구성 (기록) (우) (좌) A/D 오류정정부호 EFM 변조
레이저 기입 피트검출 복조 오류정정 D/A (재생) CD 플레이어 우 (R) 좌 (L) 증폭

30 LD 광원 응용의 예 -광 정보처리기기- CD용 광 디스크 광기록의 원리 광디스크의 재생원리 광자기 기록의 원리

31 LD 광원 응용의 예 -광 정보처리기기- DVD용 광 디스크
DVD 는 직경 12cm 의 디스크에 4.7 부터 최대 20 기가 바이트의 디지털 정보를 수록할 수 있는 새로운 매체이다. 이 거대한 크기의 데이터 저장능력은(CD는 0.65 기가 바이트) 9시간동안 스튜디오급의(방송국에서 사용하는 수준의 화질을 갖는) 비디오와 멀티채널 디지털 서라운드 사운드를 저장이 가능하다. 뿐만 아니라 Interactive한 멀티미디어와 30시간 재생이 가능한 CD 오디오로 사용할 수도 있으며 디지털 데이터라면 어떤 것이라도 저장할 수 있음. DVD layer DVD용 광 픽업

32 LD 광원 응용의 예 -광 정보처리기기- DVD 와 CD 의 차이점
DVD는 CD와 동일한 규격(지름 12Cm, 두께 1.2mm)의 저장매체로 대용량의 데이터 저장이 가능함. DVD의 속도는 CD와 같이 배속개념을 사용하는데, 1배속은 CD 8배속과 동일한 속도를 나타냄. CD와 마찬가지로 랜드와 피트의 개념을 사용한다. 단, 랜드와 피트의 거리가 짧아지고 트랙사이의 거리를 조밀하게 하여 저장용량을 높임.

33 LD 광원 응용의 예 -광 정보처리기기- 레이저 프린터의 기본 구성

34 바코드 리더 (bar code reader)
바코드 리더(바코드판독기) 광학적으로 표현된 바코드 심볼을 컴퓨터가 수용할 수 있는 디지털 데이터로 변환 하는 기능을 가진 장비                                                                                                                                                                         

35 광전 효과를 이용한 수광 소자 광전효과란: 물질이 광자를 흡수하면 그 결과 전자를 방출하는 일반적
현상으로 아래와 같이 크게 두가지 효과로 나뉨. 광기전력 효과 (photovoltatic effect): 광전효과 결과 반도체의 접합부에 전압이 나타나는 현상. 예) 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 태양전지. 광도전 효과 (photoconductive effect): 조사 에너지에 따라 캐리어가 발생하여 물질의 도전성을 좋게 하는 효과를 말함. 예) CdS cell, CdSe cell, PbS cell. 자 청 녹 황 황적 적 적외선 20 40 60 80 100 400 500 600 700 800 900 1000 CdSe Cd(s.Se) 비시 감도 Cds 상 대 감 도 (%) 파 장(nm) Cds 분광 감도 특성

36 광전 효과를 이용한 수광 소자 포토 다이오드는 반도체의 PN접합 부분에 광 에너지를 쪼여서 이루어 진 것 으로 그 소재로는 실리콘이 이용되고 있다. 내부 구조는 반도체의 PN접합을 기본으로 여러 가지 물성적인 연구가 되어 있 어 응답 특성이나 검출 파악 대역을 적절히 구분해서 사용 종류 특징 주요용도 Si PN 포토 다이오드 자외선 부터 적외선까지 넓은 파장 감도 검출 감도 우수 응답 특성 나쁨 조도계, 카메라 노출계, 오포 스트로브이 광센서, 화재 센서, 분광 광도계 Si PIN 포토 다이오드 고속 응답성 온도 특성 나쁨 광통신, 레이저 디스크, 광리모콘 APD (애벌런시형) (Si, InGaAsP, Ge) 광전류 증폭작용 낮은 암전류 초고속 응답 Optical fiber에 의한 광통신 GaAsP or GaP 포토 다이오드 시감도에 가까운 파장 가시광용 카메라 노출계, 분광광도계 복합형 포토 다이오드 PSD (위치 검출용 포토 다이오드) 광 spot의 위치 검출 입사광의 광축합 메카트로닉스 각종 광학계

37 포토 트랜지스터 포토 트랜지스터란 트랜지스터의 베이스에 포토 다이오드를 접속한 것으로 광전류가 매우 큼.
접속한 것으로 광전류가 매우 큼. 광 신호에 의한 스위칭 회로에의 응용 베이스(B) 이미터(E) 빛 Al SiO2 p n 에피택시얼층 컬렉터(C) 이면 적극 + - 구 조 -

38 CdS cell CdS cell은 조사 광 에너지에 대응하여 내부 저항이 변화하는 광도전 소자임.
분광 감도에 따라 CdS, CdSSe, CdSe등이 사용 됨 CdS가 시감도에 가장 가까워 카메라 자동조리개, 조도계 등에 사용함. 또한 카메라의 자동 셔터, 어두워지면 점멸하는 표시등 혹은 점등하는 조명 장치에 응용 CdS광도전체 전극A 전극B(In,Sn,Al) 빗형 전극A CdS광도전체 (소결체에서는 10~20㎛) 수 광 면 투명 플라스틱 창(수지도표) 광 빗형 전극B 플라스틱 케이스 세라믹판(기판) (Al2O3) 불투명 플라스틱 케이스 리드선 (주석 도금 동선) 리드선(B) 리드선(A) (a) CdS셀의 외관 모양 (c) 기 호 (b) CdS셀의 단면 구조 (플라스틱 케이스형) ※ CdS 광도전 셀 구조

39 태양전지 실리콘을 이용한 태양전지는 p-n 동종 접합을 이용한 것으로서
결정질 실리콘 태양 전지와 비결정질 실리콘 태양전지로 나뉠 수가 있음. 효율은 결정질 실리콘 태양전지가 높으나 (약 35%) 상업적으로 성공한 것은 비결정질 실리콘 태양전지로 효율이 대략 10~12% 정도 임. 화합물 반도체를 이용한 태양전지는 효율은 높으나 고가임. 사용재료는 III-V족 화합물계는 GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등 이고 II-VI족 화합물계는 CuInSe2, CdS, CdTe, ZnS등 임. 비정질 실리콘 태양전지 화합물 반도체 태양전지 태양전지의 원리

40 태양전지

41 적외선 검출기-1 적외선 검출기는 가시광 보다 파장이 긴 영역의 적외선 검출에 이용되는 센서이다. 적외선은 물체가 연소시 발생하는 경우가 많아 적외선 온도센서, 적외선을이용한 화상처리, 물체인식 등에 많이 이용된다. 1) 양자형 센서 적외선 중에서도 3[㎛] 이상의 긴 파장을 검출하는 것으로 동작원리에 EK라 광도전형과 광 기전력형으로 나누어진다. 고감도, 고속응답을 얻을 수 있는데 반해 항온항습을 유지 적외선 카메라, 방사 온도계, 적외선 현미경에 이용 2) 초전형 센서 물체에서 나오는 열 방사 에너지(적외선)를 이용해 각종 물체의 유,무 식별, 형상인식, 자동제어 계통에서의 이물질 검출 등 많은 분야에 널리 이용되는 센서.

42 적외선 검출기-2

43 적외선 검출기-3