KR100271494B1 - Crt용 반도체 레이저 스크린 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔에 의해 펌핑되는 CRT용 반도체 레이저 스크린에 관한 것이다. 본 발명에 따른 CRT용 반도체 레이저 스크린은 반도체 부재의 활성 영역으로 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물을 1~10μm 범위의 두께로 형성하고, 그 피동 영역은 Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, TiN 등의 2.8eV 에너지를 갖는 유전체를 1~100μm 범위의 두께로 형성함으로써, 활성 영역에서 생성된 광이 피동 영역에서 흡수되는 것을 최대한 줄인다.

Description

ＣＲＴ용 반도체 레이저 스크린

본 발명은, 투사형 텔리비젼 시스템, 광 스캐닝 소자, 포토리소그래피, 커뮤터 엔지니어링 및 지시 소자가 사용되는 분야에서 사용될 수 있으며, 전자빔에 의해 펌핑되는 CRT용 반도체 레이저 스크린에 관한 것이다.

도 1은 미국 특허 US 4,539,687호에 기재된 CRT 레이저의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, CRT 레이저는 기본적으로 일측 끝단에 탑재된 타겟(12)과 타측 끝단 가까이에 위치한 전자총(14)을 갖는 진공 튜브(10)를 구비한다. 전자 빔 집속 및 편향 수단(16), 즉 자기 배열은 전자빔(11)이 집속되어 타켓(12)를 가로질러 스캐닝되도록 전자총 근처의 튜브를 둘러싼다. 고 전압원(18)에 의하여 높은 양의 포텐셜에서 유지되는 타겟(12)은 튜브(10)의 끝에 봉해진 투명기판(20) 및 기판(20)의 내부표면에 탑재된 반도체 구조체(22)를 구비한다. 반도체 구조체(22)는 발광의 자극 방출을 유지하기 위한 기존의 Fabry-Perot 형태의 공진기를 형성하는 수단을 포함한다. 즉, 공진기는 도 2에 도시된 바와 같이 한쌍의 금속층(24, 26)에 의해 형성된다.

동작에 있어서, 타겟에 인가된 높은 양의 포텐셜은 전자빔이 반도체 쪽으로끌어당겨져 흡수된다. 이 반도체내에서 전자빔은 전자-정공 쌍을 발생시킨다. 전자들 및 정공들이 방사적으로 재결합할 때, 그들은 광 방사를 발생시키는데, 이 광사는 공진기 내의 순수 이득으로 자극 방출을 야기하여 기본적으로 타겟 면에 수직하게 방출되는 광 빔(13)을 생성한다. 전자빔은 타겟의 내측면에 거의 90도 각도를 만들기 때문에, 광 빔 및 전자빔은 근본적으로 평행으로 생각될 수 있다. 광 빔(13)은 전자빔(11)을 스캐닝함으로써 스캐닝될 수 있다.

도 2는 도 1의 타겟(12)의 단면도이다. 타겟(12)은 투명 기판(20), 반도체 구조체(22) 및 공진기의 미러를 형성하도록 구조체(22)의 주 대향면에 위치한 금속층들(24, 26)을 구비한다. 금속층(24)은 광 방사 파장에서 높은 반사율을 갖도록 만들어진다. 전자빔(11)은 균일한 전기적 포텐셜 면을 형성하는데 기여하고 정확하게 전자빔 착륙 에너지 형성하는데 기여하도록 금속층(24) 상에 직접적으로 투사된다. 그리하여 금속층(24)은 고전압원(18), 음극(전자총(14)에서), 전자빔(11) 및 양극(타겟(12))을 구비한 전기회로의 일부분이다. 반면에, 반도체 구조체(22)와 투명 기판(20) 사이에 위치하는 금속층(26)은 광 빔(13)의 탈출을 허용하도록 부분 투과적이도록 만들어진다. 이 출력 미러는 전기적 기능을 갖지 않기 때문에 다중층의 유전체일 수도 있다.

반도체 구조체(22)는 상대적으로 좁은 밴드갭의 활성층((22.1) 및 활성층(22.1)에 격자 결합되고 금속층(24)으로부터 활성층을 분리하는 얇고 넓은 밴드갭의 버퍼층(22.2)을 구비한다. 금속층(24), 버퍼층(22.2) 및 활성층(22.1)의 두께는 전자빔 에너지와 함께 서로 조정되며, 그래서 전자빔 에너지 흡수의 피크는 도 3에 도시된 바와 같이 활성층(22.1)에서 일어난다.

활성층(22.1)의 타측면 상에는 제2격자 결합되고 넓은 밴드갭의 층(22.3)이 있는데, 이는 회절 손실과 공간 결합을 제어하도록 공진기의 길이를 조절하는데 기여한다. 이하 공진기 길이 조절층(22.3)이라 한다.

이상과 같은 구조의 타겟(12)은 GaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기판(미도시)에 n-AlGaAs 버퍼층(22.2), n-GaAs 활성층(22.1), n-AlGaAs 공진기 길이 조절층(22.3)을 순차로 적층하고, 이를 투명 기판(20) 즉 사파이어(Al₂O₃) 디스크에 접착한 다음 반도체 기판을 에칭하여 제거함으로써 제조된다. 이와 같이 각 적층들은 GaAs/AlGaAs 와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 외에도 InP/InGaAsP 와 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물이 사용되기도 한다.

한편, 도 4는 미국 특허 U.S 5,317,583호에 기재된 CRT용 레이저 스크린의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 반도체 레이저 부재는 반사 미러(1)와 부분 투명 미러(3)로 사이에 위치하여 1μm~150μm 두께를 갖는 층(2)으로 형성된다. 지지부재(5)는 접착층(4)에 의해 부분 투명 미러(3)에 접속된다. 예리하게 집속된 전자빔이 통상적으로 사용된다. 이 경우에 여기(excitation)는 공진기 축을 따라서나 이 축을 따라서나 균일하지 않다. 이득은 여기 중에 나타나고, 전자기적 방출은 여기 영역(13)에서 발생된다. 도핑된 반도체 부재(2)를 이용하여 피동 영역(여기되지 않거나 부분적으로 여기됨)(34) 내부에서의 방출광의 손실을 줄일 수 있다. 전자빔의 직경 및 에너지는 각각 보통 10μm ~ 200μm 및 20 keV ~ 100 keV 의 범위를 갖는다.

여기서, 반도체 부재(2)는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물의 고용체로부터 선택된다. 반도체 레이저 부재(2)의 적어도 일부분은 도너 불순물로 도핑된 물질로 구성된다. 반도체 부재(2)는 CdSSe, ZnSSe, CdZnS, CdZnSe, CdZnSSe, ZnMgO, ZnMgS, CdHgTe 등과 같은 화합물 고용체로부터 형성된 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO와 같은 2원 혼정계 화합물일 수도 있다. 반도체 부재(2)는 Cd_xZn_1-xS_ySe_1-y와 같은 가변 농도 화합물로부터 구성될 수도 있다. 여기서, x와 y는 각각 0보다 크거나 같고, 1 보다 작거나 같다(가변 밴드갭과 함께). x, y의 값에 따라 관심있는 특별한 파장으로 제작될 수 있다. 이 경우 보다 작은 밴드갭을 갖는 반도체 부재(2)의 일부분은 여기된 영역에 위치하는 것이 바람직하다. 이 것은 공진기 내부에서의 방출 광 손실을 줄이고 출력광 파워의 증가를 허용한다.

반도체 부재(2)의 두께는 적어도 전자빔의 침투 깊이이고 이 깊이의 10배를 넘지않는 것이 바람직하다. 반도체 부재(2)의 두께는 20 keV 전자빔의 침투 깊이가 약 1μm 이기 때문에 적어도 1μm 이고, 100 keV 전자빔의 침투깊이가 약 15μm 이기 때문에 최고 150μm 이다. 반도체 부재(2)의 두께가 침투 깊이 보다 작다면, 레이저의 효율성은 감소한다. 반도체 부재(2)의 두께가 침투 깊이 보다 10배를 넘는다면 레이저의 효율성은 역시 감소한다.

반도체 부재가 도핑되지 않거나 반도체 층의 두께가 침투깊이의 10배라면 실온에서 동작하는 반도체 레이저의 효율성은 공진기의 피동 영역 내부에서 방출광의 흠수가 강하기 때문에 작다. 그러므로, 침투 깊이와 거의 동일한 두께를 갖는 반도체층을 이용하는 것은 레이저 스크린의 수명을 줄일 것이다.

부가적으로 공진기 내부에서 방출광의 흡수를 줄이기 위하여, 반도체 부재의 여기된 부분 만을 도핑하는 것이 바람직한데, 이러한 실시예가 도 5에 도시되어 있다.

반도체 부재(35)는 도핑된 부분(36)과 비도핑 부분(37)으로 구성된다. 도핑된 부분의 두께 h₁은 20~100keV의 전자 에너지를 갖는 전자빔의 여기 중에 1~15μm범위를 가지며, 비도핑 부분(37)의 두께 h₂는 0~약0.5mm의 범위를 갖는다.

이 경우에 피동 영역(34)은 비도핑되고, 여기된 영역(33)은 도핑된다. 비도핑된 피동 역역과 도핑된(여기된) 활성 영역은 도핑된 층에서 일어나는 자유 캐리어의 흡수가 소멸되기 때문에 공진기 내부에서 방출광 흡수의 감소를 허용한다. 비도핑 부분(37)은 대략적으로 반도체 부재(35)의 전체 두께와 같고, o.5mm 까지 증가될 수 있다. 이 한계는 큰 공진기 길이와 함께 나타나는 회절 손실들을 증가시키는데 기인한다.

가변 밴드갭은 도핑된 층(33)으로부터 미러(2) 까지 증가하며, 이 가변 밴드갭과 함께 비도핑 부분(37)을 이용하는 것이 바람직하다는 것은 역시 주목되어야 한다. 가변 밴드갭을 가지는 전체 반도체 부재를 이용하는 것은 가능하다. 그러나, 여기된 영역의 밴드갭 변화는 균일한 반도체의 이득 라인의 폭을 넘지 않아야하며, 이것은 단지 0.1keV이다. 그렇지 않으면, 광 방출의 임계치는 증가할 것이다.

이와 같이, 반도체 부재(2, 35)가 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물의 활성 영역에 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물의 피동 영역이 성장된 구조의 레이저 스크린은 피동 영역에서의 광흡수가 심하여 레이저로서의 효율이 저하된다. 예를 들어, 활성 영역의 에너지 밴드갭이 피동 영역의 에너지 밴드갭 보다 작은 동시에 피동 영역에서의 광흡수율을 줄이기 위하여 활성 영역을 8μm 두께의 CdSe로 형성하고 피동 영역을 12~22μm 두께의 CdS로 형성하면, 레이저로서의 효율을 2배 증가시킬 수 있으나, MBE법으로 단결정을 성장시키기가 어렵고, 또한 활성 영역과 피동 영역을 각각 다른 방법으로 성장시켜 접합시키는 방법을 사용한다 하더라도 접합이 어려워 제작상의 난점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 반도체 레이저 부재의 활성 영역을 Ⅱ-Ⅵ족 화합물을 사용하고, 피동 영역을 유전체로 형성하여 제작상의 난점을 해결하는 동시에 피동 영역에서의 광흡수율을 획기적으로 줄여 광효율을 높인 CRT용 레이저 스크린을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 레이저 CRT의 개략적 구성을 보여주는 단면도,

도 2는 도 1의 레이저 CRT에 장착된 레이저 스크린의 확대 단면도,

도 3은 도 2의 레이저 스크린에서의 전자빔 흡수량을 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 또 다른 CRT용 레이저 스크린의 확대 단면도,

도 5는 종래의 또 다른 CRT용 레이저 스크린의 확대 단면도,

그리고 도 6은 본 발명에 따른 CRT용 레이저 스크린의 확대 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 반사 미러 2. 반도체 부재

3. 부분 투명 미러 4. 접착층

5. 지지부재

10. 진공 튜브 11. 전자빔

12. 타겟 13. 광 빔

14. 전자총 16. 전자빔 집속 및 편향 수단

18. 고 전압원 20. 투명기판(사파이어 디스크)

22. 반도체 구조체 22.1. 활성층

22.2. 버퍼층 22.3. 공진기 길이 조절층

24. 26. 금속층

33. 여기 영역 34. 피동 영역

35. 반도체 부재 36. 도핑된 부분

37. 비도핑 부분 100. 부분 투과 미러

120. 활성 영역 125. 반도체 부재

130. 반사 미러 200. 투명 기판

300. 접착층

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 CRT용 레이저 스크린은, 레이저를 생성하기 위한 반도체 부재, 상기 반도체 부재의 양면에 각각 코팅된 부분 투과 미러 및 반사 미러 및 상기 두 미러가 각각 코팅된 반도체 부재를 부착한 투명 기판;을 구비한 CRT용 레이저 스크린에 있어서, 상기 반도체 부재의 활성 영역은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물로 형성되고, 상기 반도체 부재의 피동 영역은 유전체로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 활성 영역은 1~10μm 두께로 형성되고, 상기 활성 영역은 ZnSe, ZnCdS, ZnCdSe, ZnCdSSe, ZnMgS, ZnMgSSe, ZnSSe, MgO, ZnO 계열의 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물 혹은 AlGaAs/GaAs 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 형성되며, 상기 피동 영역은 2.8eV 이상의 에너지 밴드갭를 갖는 유전체를 1~100μm의 두께로 증착하여 형성된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 CRT용 레이저 스크린을 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 CRT용 레이저 스크린의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CRT용 레이저 스크린은 부분 투과 미러(100), 유전체로 형성된 피동 영역과 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물로 형성된 활성 영역(120)으로 형성된 반도체 부재(125) 및 반사 미러(130)로 구성된 레이저 공진기 구조체가 투명 기판(200) 상에 접착층(300)에 의해 부착된 구조로 형성된다.

여기서, 반도체 부재(125)의 활성 영역(120)은 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물이 단결정 형태로 성장되어 다중층 양자 우물(MQW; Multi-Quantum Well) 구조 혹은 초격자(Super Lattice) 구조로 형성된다. 활성 영역(120)으로 사용되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로는 AlGaAs/GaAs 와 같은 화합물이 있으며, Ⅱ-Ⅵ족 화합물로는 InP/InGaAsP 와 같은 화합물이나 ZnSe, ZnCdS, ZnCdSe, ZnCdSSe, ZnMgS, ZnMgSSe, ZnSSe, MgO, ZnO 와 같은 화합물이 있다. 이와 같은 물질들로는 청색 및 녹색계통의 레이저 스크린을 구성할 수 있으며, 적색광을 발하는 것일 경우에는 ZnTe, CdSSe, CdS, CdSe, CdTe 등의 화합물이 사용될 수 있다. 그리고 활성 영역(120)의 두께는 1~10μm 범위 내로 제한하는 것이 바람직하다.

반도체 부재(125)의 피동 영역(110)은 Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, TiN 등의 유전체로 형성된다. 이들 유전체는 2.8eV 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 그리고 피동 영역(110)의 두께는 1~100μm 범위 내로 제한하는 것이 바람직하며, 에너지 밴드갭이 활성 영역의 에너지 밴드갭 보다 커도록 형성된다.

부분 투과 미러(100) 및 반사 미러(130)는 각각 반사율 95%와 반사율 100%인 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)이다.

그리고 투명 기판(200)은 사파이어 혹은 유리(석영) 디스크를 사용한다.

이상과 같은 구조의 레이저 스크린을 제작함에 있어서, 활성 영역은 에피택시 성장법으로 단결정을 성장시키며, 성장 물질에 따라 적절한 기판을 선택한다. 그리고 유전체 물질은 스퍼터링법이나 화학 기상 증착(CVD)법 혹은 전자빔 증착법으로 형성한다. 이러한 방법으로 제작된 반도체 부재(125)의 양면에 각각 부분 투과 다이크로익 미러 및 반사 다이크로익 미러를 코팅하고, 부분 투과 다이크로익 미러를 접착층을 이용하여 사파이어 디스크에 부착함으로써 레이저 스크린이 완성된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CRT용 반도체 레이저 스크린은 반도체 부재의 활성 영역으로 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물을 1~10μm 범위의 두께로 형성하고, 그 피동 영역은 Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, TiN 등의 2.8eV 에너지를 갖는 유전체를 1~100μm 범위의 두께로 형성함으로써, 활성 영역에서 생성된 광이 피동 영역에서 흡수되는 것을 최대한 줄여 최대의 광효율을 얻을 수 있다.

Claims (11)

1. 레이저를 생성하기 위한 반도체 부재;

   상기 반도체 부재의 양면에 각각 코팅된 부분 투과 미러 및 반사 미러; 및

   상기 두 미러가 각각 코팅된 반도체 부재를 부착한 투명 기판;을 구비한 CRT용 레이저 스크린에 있어서,

   상기 반도체 부재의 활성 영역은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물로 형성되고, 상기 반도체 부재의 피동 영역은 유전체로 형성된 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
2. 제1항에 있어서,

   상기 활성 영역은 1~10μm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물은 ZnSe, ZnCdS, ZnCdSe, ZnCdSSe, ZnMgS, ZnMgSSe, ZnSSe, MgO, ZnO 중 적어도 어느 한 화합물인 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물은 ZnTe, CdSSe, CdS, CdSe, CdTe 중 어느 한 화합물인 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물은 InP/InGaAsP 인 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 활성 영역은 AlGaAs/GaAs 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
7. 제1항에 있어서,

   상기 피동 영역은 1~100μm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서,

   상기 유전체는 2.8eV 이상의 에너지 밴드갭를 갖는 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
9. 제8항에 있어서,

   상기 유전체는 Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, TiN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
10. 제1항에 있어서,

    상기 부분 투과 미러 및 반사 미러는 각각 반사율 95% 및 반사율 100%의 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.
11. 제1항에 있어서,

    상기 투명 기판은 사파이어 혹은 유리 디스크인 것을 특징으로 하는 CRT용 레이저 스크린.