KR101022568B1 - 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색광원 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 디스플레이 구현을 위한 고출력 녹색광원에 관한 것으로서, 특히, 공진파장을 결정하는 브라그 반사판(distributed Bragg reflector, DBR)과 광학이득물질로 구성된 반도체 칩, 상기 반도체 칩에 조사되어 광자방출에 필요한 전자와 정공을 생성시키는 펌프레이저, 상기 펌프레이저를 반도체 칩에 집적시키는 볼록렌즈, 외부 레이저 공진기를 형성하는 평면 및 오목거울, 이차조화 광주파수생성 현상을 일으키는 비선형 크리스탈로 구성된 vertical-external-cavity surface-emitting-laser(VECSEL) 구조에서 광학이득 물질로서 서브모노레이어(submonolayer) 양자점을 사용한 레이저 광원을 사용함으로써 레이저 디스플레이 시스템이 요구하는 고출력과 높은 온도안정성을 동시에 만족시킬 수 있고, 반도체 칩의 온도를 안정시키기 위한 고가의 온도조절기의 사용이 필요하지 않으므로, 제조 원가 감소되며 구조가 보다 간단해진다.
레이저 디스플레이, 고출력 광원, 반도체 양자점
Description
본 발명은 서브모노레이어 양자점을 이용하여 레이저 디스플레이 시스템에 사용되는 고출력, 고효율 녹색광원에 관한 것으로, 특히, 공진파장을 결정하는 브라그 반사판(distributed Bragg reflector, DBR)과 광학이득물질로 구성된 반도체 칩, 상기 반도체 칩에 조사되어 광자방출에 필요한 전자와 정공을 생성시키는 펌프레이저, 상기 펌프레이저를 능동반도체 칩에 집적시키는 볼록렌즈, 외부 레이저 공진기를 형성하는 평면 및 오목거울, 이차조화 광주파수생성 현상을 일으키는 비선형 크리스탈로 구성된 vertical-external-cavity surface-emitting-laser(VECSEL) 구조에서 광학이득 물질로서 서브모노레이어(submonolayer) 양자점을 사용한 레이저 광원을 제공한다.
레이저 디스플레이는 LCD(liquid crystal display)나 PDP(plasma display panel) 디스플레이에 비해 색재현성이 2-3배 뛰어나고 휘도와 같은 영상의 질이 좋아서 차세대 고화질 대형 디스플레이 기술로서 많이 연구되고 있다.
상기 레이저 디스플레이를 구현하기 위해서는 고출력의 빨간색, 녹색, 파랑색의 레이저 광원이 필요하다. 빨간색과 파란색의 레이저광원의 경우 InGaP와 GaN 등의 물질을 이용하여 고출력의 레이저 광원이 구현되고 있는데, 녹색의 경우 InGaN 박막의 특성의 한계로 인하여 아직까지 레이저 디스플레이에 적용될 수 있을 정도의 고출력 레이저를 생산하지 못한다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로, 도1에 도시된 바와 같은 VECSEL 구조의 녹색광원이 연구되고 있다.
상기 VECSEL 구조의 녹색광원은 능동소자로서 기능을 하는 반도체 칩(11)과; 상기 반도체 칩(11)에 조사되어 광자방출에 필요한 전자와 정공을 생성시키는 펌프레이저를 방출하는 펌프레이저 방출기(12)와; 상기 펌프레이저 방출기(12)에서 방출된 펌프레이저를 반도체 칩(11)에 집적시키는 볼록렌즈(13)와; 상기 펌프레이저 방출기(12)에서 방출된 펌프레이저에 의해 상기 반도체 칩(11)에서 생성된 적외선 광자의 편광을 제어하는 복굴절필터(birefringence filter, BRF)(14)와 상기 복굴절필터에서 나오는 적외선 광자를 이용하여 녹색광을 방출하는 평면거울(15a) 및 오목거울(15b)과 비선형 크리스탈(15c)로 구성된 녹색광 출력부(15)로 구성된다. 이때, 상기 반도체 칩(11)은 GaAs 기판(11a) 상부에 AlGaAs-AlAs 박막을 증착하여 형성된 브라그반사판(11b) 위에 양자우물 구조를 가지는 광학이득영역(11c)를 형성하고, 상기 광학이득영역 상부에 열방출을 위한 다이아몬드(11d)를 순차적으로 증착하였다.
상기 InGaAs 박막의 양자우물 광학이득 물질에 볼록렌즈에 의해 집적된 펌프 레이저를 조사하면 광학이득 물질 내에 전자와 정공이 생성되어 1100 nm 파장대역의 광자가 방출된다. 녹색광 출력부의 비선형 크리스탈(15c)에서 이차조화 광주파수생성에 의해 1100 nm 파장대역의 광자가 540 nm 파장대역의 녹색 가시광 광자로 변환된다.
그러나 도2에 도시된 바와 같이, 상기 VECSEL 구조의 녹색광원에서 레이저 발진이 일어나기 위해서는 브라그 반사판에 의해 결정되는 공진파장(resonance wavelength)에서 InGaAs 양자우물에 의한 광학이득이 외부공진에 의한 광손실보다 커야 한다. 이때, 상기 펌프 레이저의 파워를 증가시켜서 540 nm 대역의 출력 광파워를 증가시키는 경우, 광학이득 영역에서 전하가 광자로 변환되는 효율인 양자효율이 100%가 되지 못하므로, 열방출에 의한 손실이 증가하여 반도체 칩의 온도가 증가한다.
또한, 반도체 물질의 온도가 증가하면, 물질의 굴절률이 증가하므로 브라그 거울에 의한 외부공진 파장이 증가하며, 상기 온도의 증가는 반도체 물질의 에너지 밴드갭을 감소시켜서 InGaAs 양자우물로 만들어진 광학이득영역의 파장영역도 장파장쪽으로 이동시킨다. 이때, 상기 브라그 반사판의 굴절률 변화에 의한 공진파장 이동의 크기는 InGaAs 양자우물의 에너지 밴드갭 감소로 인한 광학이득 파장영역의 이동의 크기와 다르게 된다.
따라서, 도1과 같은 VECSEL 구조를 이용한 고출력 녹색광원은 공진파장에서의 광학이득이 광학손실보다 작아져서 레이저 발진이 멈추게 되는 등 출력되는 광 파워가 증가함에 따라 레이저의 동작이 불안정해지고, 이로 인해 광학이득 물질로서 양자우물 InGaAs를 사용한 VECSEL의 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원은 최대 출력 광세기에 한계가 존재한다는 문제점이 있었다.
또한, 도3은 반도체 양자점(semiconductor quantum dot)을 나타낸 것으로, 내부 캐리어들이 삼차원으로 속박되어 있는 나노미터 크기의 구조물이다. 상기 반도체 양자점은 연속적인 에너지 준위를 가지는 벌크(bulk) 반도체와는 다르게 내부의 에너지 준위가 원자(atom)처럼 양자화되어 있다.
일반적으로 반도체 기판위에 많은 수의 양자점들을 결점(defect)없이 성장시키기 위한 방법으로 도4에 도시된 바와 같이 Stranski-Krastanov 성장법이 사용되고 있다. 상기 Stranski-Krastanov 성장법은 GaAs 기판(21) 물질과 격자상수가 많이 다른 InAs와 같은 물질로 이루어진 박막(22)을 계속 성장시키는 방법이다.
상기와 같이 기판과 그 상부에 성장한 박막 물질간의 격자상수 차이에서 발생하는 스트레인에 의해 InAs 박막이 더 이상 성장하지 못하고 고립된 섬 모양의 구조물이 형성되는데, 이러한 섬 모양의 구조물 하나하나가 양자점으로서 작동한다.
그러나, 상기 Stranski-Krastanov 성장법으로 형성된 양자점들은 각각의 크기와 모양이 모두 다르기 때문에 발생하는 불균일 분포(inhomogeneous broadening)를 가지며, 이러한 불균일 분포는 반도체 양자점이 양자우물 구조보다 평평한 광학이득 스펙트럼을 가지게 한다.
또한, VECSEL 구조와 비슷한 vertical-cavity surface-emitting-laser(VCSEL) 구조에서 광학이득 물질로서 Stranski-Krastanov 양자점을 사용하여 높은 온도 안정성을 보이는 1100 nm 레이저 광원에 관한 연구결과가 2008년 Electronics Letters 지에 발표된 바 있다.
도5는 InGaAs Stranski-Krastanov 양자점에서 측정된 광발광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 1000-1100 nm의 넓은 파장대역에서 평평한 광학이득을 보이고 있다.
또한, 도6은 외부공진 파장을 결정하는 브라그 반사판 위에 InGaAs Stranski-Krastanov 양자점 광학이득 물질을 적층했을 때, 섭씨 27도(300K)에서 107도(380K)로의 온도변화에 따른 브파그 반사판의 반사 스펙트럼과 광발광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 온도가 섭씨 27도에서 107도로 증가함에도 불구하고, 광발광 스펙트럼은 공진파장 근처에서 높은 방출효율을 보이고 있다.
상기와 같은 실험결과는 Stranski-Krastanov 성장법에 의한 반도체 양자점의 넓은 광학이득 스펙트럼의 도움으로 온도증가에 따른 공진파장과 광학이득 물질의 파장의 이동도의 차이에 무관하게, VCSEL 구조가 안정적으로 발진하며 동작할 수 있음을 나타내었다.
그러나, 상기 Stranski-Krastanov 성장법에 의한 반도체 양자점은 불균일한 분포로 인하여 넓은 광학이득 스펙트럼을 가질 수 있으나, 특정파장에서의 광학이득의 크기가 작다는 문제점이 있었다.
따라서, 상기 Stranski-Krastanov 양자점을 이용한 VCSEL 구조의 레이저 광원은 온도 안정성은 높으나 최대 출력파워는 낮다는 문제점이 있었다.
또한, 레이저 디스플레이에 적용될 수 있을 정도의 고출력 레이저를 제조하기 위한 종래의 다른 방법으로, 반도체 양자점의 성장을 위하여 서브모노레이어 증착을 이용하는 방법도 있다.
도7의 (a) 내지 (d)는 서브모노레이어 증착 방법에 의한 반도체 양자점이 형성된 것을 순차적으로 나타낸 것으로, 서브 모노레이어 이하의 두께를 가지는 아주 얇은 박막을 격자상수가 다른 기판(31) 물질위에 증착하면 스트레인의 불균한 분포에 의하여 이차원 섬모양의 양자점(32)이 형성되며, 그 위로 두 층의 모노레이어 두께의 기판 물질을 커버층으로서 증착한다. 다음에, 상기 커버층 위에 동일한 두께의 박막과 커버층을 주기적으로 증착시킬 경우, 하층부 양자점에서 발생하는 스트레인 분포가 상층부 양자점들의 형성에 영향을 미친다.
따라서, 상기 서브모노레이어 증착방법에 의해 형성되는 반도체 양자점들은 Stranski-Krastanov 양자점들에 비해 크기나 모양의 불균일성이 감소하여, 넓은 파장영역의 광학이득 스펙트럼을 보이면서도 단위 파장에서 광학이득이 크다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 높은 온도 안정성을 보이면서도 고출력파워를 낼 수 있는 VECSEL 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 VECSEL 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원을 구성하는 반도체 칩에 서브모노레이어 증착 양자점을 광학이득물질로 사용하여, 반도체 칩의 온도를 안정시키고, 제조비용을 절감하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판과, 공진파장을 결정하는 브라그 반사판 구조와 서브모노레이어 양자점으로 구성된 반도체 칩과; 반도체 칩에 조사되어 광자방출에 필요한 전자와 정공을 생성시키는 펌프레이저 방출기와; 상기 펌프레이저를 반도체 칩에 집적시키는 볼록렌즈와; 상기 반도체 칩에서 생성된 전자와 정공을 이용하여 녹색광을 방출하는 녹색광 출력부을 포함하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색 광원을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 VECSEL 구조에서 광학이득물질로서 서브모노레이어 증착 양자점을 이용한 녹색광원을 제공하여 레이저 디스플레이 시스템이 요구하는 고출력과 온도안정성의 특성을 동시에 만족시킬 수 있다.
또한, 서브모노레이어 증착 양자점을 광학이득물질로 사용할 경우, 반도체 칩의 온도를 안정시키기 위해 고가의 온도조절기의 사용이 필요하지 않으므로, 제조 원가가 감소되며 구조를 보다 단순화시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도8은 본 발명에 따른 VECSEL 구조의 양자점을 이용한 레이저 디스플 레이용 녹색광원의 구조를 나타낸 것이다.
상기 VECSEL 구조의 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색광원은 기판과, 공진파장을 결정하는 브라그 반사판 구조와 광자를 방출하는 광학이득 영역을 포함하는 반도체 칩(110)과; 상기 반도체 칩(110)에 조사되어 광자방출에 필요한 전자와 정공을 생성시키는 펌프레이저를 방출하는 펌프레이저 방출기(120)와; 상기 펌프레이저 방출기(120)에서 방출된 펌프레이저를 반도체 칩(110)에 집적시키는 볼록렌즈(130)와; 상기 펌프레이저방출기(120)에서 방출된 펌프레이저에 의해 상기 반도체 칩(110)에서 생성된 전자와 정공을 이용하여 녹색광을 방출하는 녹색광 출력부(140)로 구성된다.
상기 반도체 칩(110)은 도8에 예시된 바와 같이 맨 밑에 기판(111)이 위치하고, 그 기판의 상부에 브라그 반사판(112)을 형성하고, 그리고 그 브라그 반사판(112) 상부에는 높은 광학이득의 크기와 넓은 파장대역을 갖는 서브모노레이어 양자점(113)을 형성한다. 이때, 상기 기판(111)은 앞서 종래기술에서 언급한 바와 같이 GaAs 또는 InP 재질을 포함한다. 그리고 상기 서브모노레이어 양자점(113)은 도4에 도시된 바와 같이 Stranski-Krastanov 성장법을 이용하여 GaAs 기판 상부에서는 격자상수가 다른 양자점 물질로 Inp, InAs, InGaAs 박막 중 어느 하나를 증착하여 형성하고, InP 기판 상부에서는 격자상수가 다른 양자점 물질로 InAs, InGaAs, InGaAsP, InGaAlAs 박막 중 어느 하나를 증착하여 형성한다.
또한, 상기 녹색광 출력부(140)는 상기 반도체 칩(110)으로부터 방출된 전자와 정공을 이용하여 레이저를 공진시키기 위한 외부 레이저 공진기를 형성하기 위한 평면거울(141) 및 오목거울(142)과; 상기 평면거울(141)과 오목거울(142) 사이에 설치되며 이차조화 광주파수생성 현상을 일으키는 비선형 이차조화주파수 생성 크리스탈(143)로 구성된다. 이때, 상기 평면거울(141)은 적외선 1100nm 파장대역과 녹색 가시광 540nm 파장대역에서 동시에 100%에 가까운 반사율을 가지는 반면에, 상기 오목거울(142)은 적외선 파장대역에서는 거의 100%에 가까운 반사율을 갖지만, 녹색 가시광 파장대역에서는 반사가 거의 되지 않고 투과된다. 또한, 상기 크리스탈(143)은 이차조화 광주파수생성 현상에 의해 두 개의 1100nm 파장대역의 광자를 한 개의 540nm 파장대역의 광자로 변화시킨다.
상기와 같은 양자점을 이용한 레이저 디스프레이용 녹색광원으로부터 녹색광이 출력되는 과정은, 상기 펌프레이저 방출기(120)에서 방출된 펌프레이저는 상기 볼록렌즈(130)에 의해 광세기가 집중되어서 반도체 칩(110)으로 조사되어 광학이득 영역에서 흡수되어 수많은 전자와 정공을 생성시킨다.
상기와 같이 생성된 전자와 정공의 쌍들은 광학이득영역에서 밀도반전(population inversion)을 일으켜서 광학이득 영역이 1100nm 파장대역의 광자를 방출한다. 상기 광학이득 영역에서 방출되는 광자들은 녹색광 출력부(140)의 평면거울(141) 및 오목거울(142)과 상기 반도체 칩(110)을 구성하는 브라그 반사판(112)에 의해 레이저 발진을 위한 외부 공진기를 형성한다. 이때, 상기 브라그 반사판 적층구조의 경우 브라그 반사 현상에 의해 특정 파장에서만 높은 반사율을 보이므로 외부 공진기의 공진파장을 결정하는 역할을 수행한다.
또한, 상기 펌프레이저 주입에 의한 전자 정공의 생성증가에 따른 광학이득 의 크기가 외부공진기에 의한 광손실의 크기와 같아지게 되면, 1100nm 파장에서 레이저 발진이 일어난다. 이때, 평면거울과 오목거울 사이에 비선형 이차조화주파수생성 크리스탈을 위치시키면, 이차조화 광주파수생성 현상에 의해 두 개의 1100 nm 파장대역의 광자가 한 개의 540 nm 파장대역의 광자로 변환된다. 즉 두 개의 적외선 파장의 광자가 하나의 녹색의 빛을 갖는 광자로 변환되는 것이다. 이렇게 생성된 녹색 파장의 광자는 540 nm 파장대역에서 반사율이 낮은 오목거울을 통해 방출된다.
상기와 같이 광학이득영역 물질로서 서브모노레이어 증착법에 의해 형성한 양자점을 사용하게 되면 높은 광학이득과 넓은 광학이득 스펙트럼 영역을 가진다.
도9는 본 발명에 따른 서브모노레이어 양자점이 사용된 반도체 칩에서 온도 증가에 따른 공진파장과 광학이득 영역의 스펙트럼을 나타낸 것으로, 고출력 동작에서의 열방출 증가에 따라 반도체 칩의 온도가 상승하여도, 굴절률 변화에 의해 증가된 브라그 반사판의 공진파장은 서브모노레이어 양자점의 높은 광학이득 파장영역 내에 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 VECSEL 구조의 녹색광원에서 서브모노레이어 양자점을 이용한 녹색 레이저광원은 레이저 디스플레이 시스템의 구현을 위해 필요한 고출력과 온도안정성의 특성을 만족시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이 는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
도1은 종래의 VECSEL 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도2는 종래의 VECSEL 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원에서 온도의 증가에 따른 공진파장과 광학이득 영역 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면.
도3은 반도체 양자점의 에너지 준위를 벌크 및 원자의 에너지 준위와 비교하여 나타낸 도면.
도4는 Stranski-Krastanov 성장법에 의한 반도체 양자점의 생성과정을 나타낸 도면.
도5는 Stranski-Krastanov 양자점에서 측정된 광발광(photoluminance) 스펙트럼을 나타낸 도면.
도6은 외부공진 파장을 결정하는 브라그 반사판 위에 Stranski-Krastanov 양자점 광학이득 물질을 적층했을 때, 온도변화에 따른 브파그 반사판의 반사 스펙트럼과 광발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면.
도7은 서브모노레이어 증착에 의한 반도체 양자점의 생성과정을 나타낸 도면.
도8은 본 발명에 따른 VECSEL 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원의 한 실시예를 나타낸 도면.
도9는 본 발명에 따른 VECSEL 구조의 레이저 디스플레이용 녹색광원의 온도의 증가에 따른 공진파장과 광학이득 영역 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11,110: 반도체 칩 11a,21,31,111: 기판
11b,112: 브라그 반사판 11c: 광학이득영역
11d: 다이아몬드 12,120 : 펌프레이저 방출기
13,130: 볼록렌즈 14 : 복굴절필터
15,140 : 녹색광 방출부 15a,141: 평면거울
15b,142: 오목거울 15c,143: 비선형 크리스탈
22,32: 박막
Claims (6)
- 공진파장을 결정하는 브라그 반사판 구조와 서브모노레이어 양자점으로 구성된 반도체 칩과;반도체 칩에 조사되어 광자방출에 필요한 전자와 정공을 생성시키는 펌프레이저 방출기와;상기 펌프레이저에서 방출된 펌프레이저를 반도체 칩에 집적시키는 볼록렌즈와;상기 반도체 칩에서 생성된 전자와 정공을 이용하여 녹색광을 방출하는 녹색광 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색광원.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 칩은,맨 밑에 위치한 기판과;상기 기판 상부에 형성된 브라그 반사판과;상기 브라그 반사판 상부에 형성된 서브모노레이어 양자점으로 구성된 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색 광원.
- 제 2 항에 있어서,상기 기판은 GaAs 기판으로 구성되고,상기 서브모노레이어 양자점은 상기 GaAs 기판 상부에 InAs 또는 InGaAs 박막을 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색 광원.
- 제 2 항에 있어서,상기 기판은 GaAs 기판으로 구성되고,상기 서브모노레이어 양자점은 상기 GaAs 기판 상부에 InP 박막을 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색 광원.
- 제 2 항에 있어서,상기 기판은 InP 기판으로 구성되고,상기 서브모노레이어 양자점은 상기 InP 기판 상부에 InAs 또는 InGaAs 박막을 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색 광원.
- 제 2 항에 있어서,상기 기판은 InP 기판으로 구성되고,상기 서브모노레이어 양자점은 상기 InP 기판 상부에 InGaAsP 또는 InGaAlAs 박막을 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 레이저 디스플레이용 녹색 광원.
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- 2008-12-24 KR KR1020080132865A patent/KR101022568B1/ko not_active IP Right Cessation
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