KR20220032373A - 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치 - Google Patents
편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220032373A KR20220032373A KR1020200114073A KR20200114073A KR20220032373A KR 20220032373 A KR20220032373 A KR 20220032373A KR 1020200114073 A KR1020200114073 A KR 1020200114073A KR 20200114073 A KR20200114073 A KR 20200114073A KR 20220032373 A KR20220032373 A KR 20220032373A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- polarized light
- light emitting
- polarization
- grating
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 187
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 55
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 8
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000001874 polarisation spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/58—Optical field-shaping elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/58—Optical field-shaping elements
- H01L33/60—Reflective elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
- G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/28—Interference filters
- G02B5/284—Interference filters of etalon type comprising a resonant cavity other than a thin solid film, e.g. gas, air, solid plates
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
- G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
- G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
- H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치가 개시된다. 편광 발광 소자는 제 1 방향으로 서로 마주하여 배치된 제 1 반사층과 제 2 반사층; 상기 제 1 반사층과 제 2 반사층 사이에 배치된 이득매질층; 상기 이득매질층의 상부 표면과 하부 표면에 각각 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 반사층과 제 1 전극 사이에 배치된 선편광자층;을 포함하며, 상기 선편광자층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소와 복수의 제 2 격자 요소를 포함하고, 각각의 제 1 격자 요소는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고, 각각의 제 2 격자 요소는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 편광 성분의 빛을 방출할 수 있는 초소형 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치에 관한 것이다.
자연계에 존재하는 많은 분자 구조는 키랄 대칭성(chiral symmetry)을 가지고 있다. 키랄 대칭성을 갖는 물질은 원편광 성분을 갖는 빛에 대해 다양한 응답 특성을 나타낸다. 따라서 새로운 물질이나 생체 물질을 연구하는 데 있어서 원편광 광원의 중요성이 증가하고 있다. 또한, 산업 장비, 자동차의 전장 부품 등의 분야에서 압력, 표면 결함, 긁힘 등과 같은 다양한 정보를 원편광 광원을 이용하여 얻을 수 있다.
온칩 분광계(on-chip spectrometer)를 이용한 물질 성분 분석에 사용될 수 있는 초소형 편광 발광 소자를 제공한다.
또한, 다양한 편광 성분을 갖는 빛을 방출할 수 있는 발광 소자 어레이를 제공한다.
또한, 발광 소자 어레이를 포함하는 편광 분석 장치 및 편분광 분석 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 편광 발광 소자는, 제 1 방향으로 서로 마주하여 배치된 제 1 반사층과 제 2 반사층; 상기 제 1 반사층과 제 2 반사층 사이에 배치되어 빛을 발생시키는 이득매질층; 상기 이득매질층의 상부 표면과 하부 표면에 각각 전기적으로 연결되도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 반사층과 제 1 전극 사이에 배치된 선편광자층;을 포함하며, 상기 선편광자층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소와 복수의 제 2 격자 요소를 포함하고, 각각의 제 1 격자 요소는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고, 각각의 제 2 격자 요소는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
각각의 제 1 격자 요소와 각각의 제 2 격자 요소는 막대 형태를 가지며, 상기 다수의 제 1 격자 요소와 상기 다수의 제 2 격자 요소가 1차원 배열될 수 있다.
다수의 제 1 격자 요소의 제 1 표면과 다수의 제 2 격자 요소의 제 1 표면은 상기 제 1 반사층에 접촉하고 다수의 제 1 격자 요소의 제 1 표면에 대향하는 제 1 격자 요소의 제 2 표면과 다수의 제 2 격자 요소의 제 1 표면에 대향하는 제 2 격자 요소의 제 2 표면은 상기 제 1 전극에 접촉하도록 상기 다수의 제 1 격자 요소와 상기 다수의 제 2 격자 요소가 배열될 수 있다.
예를 들어, 각각의 제 1 격자 요소와 각각의 제 2 격자 요소의 두께는 90 nm 내지 350 nm일 수 있다.
예를 들어, 다수의 제 1 격자 요소와 다수의 제 2 격자 요소의 배열 주기는 150 nm 내지 300 nm일 수 있다.
예를 들어, 다수의 제 2 격자 요소에 대한 다수의 제 1 격자 요소의 비율은 0.2 내지 0.7일 수 있다.
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 상기 이득매질층에서 발생한 빛이 투과할 수 있도록 투명한 도전성 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 유전체 재료와 상기 제 2 유전체 재료는 상기 이득매질층에서 발생한 빛에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 편광 발광 소자는 상기 제 2 반사층의 출광면에 배치되며 입사광의 위상을 지연시켜 입사광의 편광 상태를 변환하는 편광변환층을 더 포함할 수 있다.
상기 편광변환층은 상기 이득매질층에서 발생한 빛의 파장보다 작은 나노 스케일로 패터닝된 격자 구조를 포함할 수 있다.
상기 편광변환층은 입사광의 위상을 1/4 파장만큼 지연시키는 제 1 편광변환층 및 입사광의 위상을 3/4 파장만큼 지연시키는 제 2 편광변환층을 포함할 수 있다.
상기 제 1 편광변환층과 상기 제 2 편광변환층은 입사광의 진행 방향을 서로 다른 방향으로 바꾸도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 편광 발광 소자는, 제 1 반사층; 상기 제 1 반사층 위에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 위에 배치되어 빛을 발생시키는 이득매질층; 상기 이득매질층 위에 배치된 제 2 전극; 상기 제 2 전극 위에 배치된 반사 편광자층; 및 상기 반사 편광자층 위에 배치되며 입사광의 위상을 지연시켜 입사광의 편광 상태를 변환하는 편광변환층;을 포함할 수 있다.
상기 반사 편광자층은 특정한 방향의 선편광 성분을 갖는 빛에 대해 높은 반사율을 갖도록 상기 제 1 반사층과 마주하는 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소와 복수의 제 2 격자 요소를 포함하고, 각각의 제 1 격자 요소는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고, 각각의 제 2 격자 요소는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상술한 구성을 갖는 선편광 성분의 빛을 방출하는 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자; 및 상술한 구성을 갖는 원편광 성분의 빛을 방출하는 제 5 및 제 6 편광 발광 소자;를 포함하는 발광 소자 어레이가 제공될 수 있다.
상기 제 1 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 2 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분에 45도 경사진 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 3 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분에 대해 수직한 제 3 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 제 4 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분에 대해 135도 경사진 제 4 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 5 편광 발광 소자는 제 1 원편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 6 편광 발광 소자는 제 1 원편광 성분에 반대 방향으로 회전된 제 2 원편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상술한 구성을 갖는 발광 소자 어레이; 및 이미지 센서 및 상기 이미지 센서 위에 배치된 편광 필터 어레이를 포함하는 편광 센서;를 포함하는 편광 분석 장치가 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상술한 구성을 갖는 복수의 발광 소자 어레이; 및 이미지 센서 및 상기 이미지 센서 위에 배치된 편광 필터 어레이를 각각 포함하는 복수의 편광 센서;를 포함하는 편분광 분석 장치가 제공될 수 있다. 여기서, 상기 복수의 발광 소자 어레이는 서로 다른 파장의 빛을 방출하고, 상기 복수의 편광 센서는 서로 다른 파장의 빛을 감지할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 편광 발광 소자는 물질 기반이 아닌 구조 기반의 선편광자층과 편광변환층을 포함하기 때문에 기존의 반도체 제조 공정을 통해 쉽게 제조될 수 있다. 또한, 선편광자층과 편광변환층을 수백 nm의 두께로 매우 얇게 형성할 수 있기 때문에 편광 발광 소자를 소형화할 수 있다.
또한, 개시된 실시예에 따른 편광 발광 소자는 편광 센서 또는 편분광 센서와 함께 사용되어 소형화된 편광 분석 장치 또는 편분광 분석 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 선편광자층의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 발광 소자 어레이 내의 복수의 편광 발광 소자의 배열을 예시적으로 보인다.
도 7은 도 6에 도시된 발광 소자 어레이의 일부 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 편광 센서의 따른 편광 필터 어레이 내의 복수의 편광 필터의 배열을 예시적으로 보인다.
도 9는 이미지 센서 및 도 8에 도시된 편광 필터 어레이를 포함하는 편광 센서의 일부 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 발광 소자 어레이와 편광 센서를 포함하는 일 실시예에 따른 편광 분석 장치를 보인다.
도 11은 복수의 발광 소자 어레이와 복수의 편광 센서를 포함하는 일 실시예에 따른 편분광 분석 장치를 보인다.
도 2는 도 1에 도시된 선편광자층의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 발광 소자 어레이 내의 복수의 편광 발광 소자의 배열을 예시적으로 보인다.
도 7은 도 6에 도시된 발광 소자 어레이의 일부 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 편광 센서의 따른 편광 필터 어레이 내의 복수의 편광 필터의 배열을 예시적으로 보인다.
도 9는 이미지 센서 및 도 8에 도시된 편광 필터 어레이를 포함하는 편광 센서의 일부 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 발광 소자 어레이와 편광 센서를 포함하는 일 실시예에 따른 편광 분석 장치를 보인다.
도 11은 복수의 발광 소자 어레이와 복수의 편광 센서를 포함하는 일 실시예에 따른 편분광 분석 장치를 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 편광 발광 소자(10)는 기판(11), 기판(11) 위에 배치된 제 1 반사층(12), 제 1 반사층(12) 위에 배치된 선편광자층(13), 선편광자층(13) 위에 배치된 이득매질층(14), 이득매질층(14) 위에 배치된 제 2 반사층(15)을 포함할 수 있다. 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15)은 편광 발광 소자(10)의 두께 방향을 따라 서로 마주하여 배치되며, 선편광자층(13)과 이득매질층(14)은 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15) 사이에 배치된다. 또한, 편광 발광 소자(10)는 이득매질층(14)의 하부 표면에 전기적으로 연결되도록 배치된 제 1 전극(18) 및 이득매질층(14)의 상부 표면에 전기적으로 연결되도록 배치된 제 2 전극(19)을 더 포함할 수 있다.
이득매질층(14)은 장벽 사이에 양자우물이 배치된 양자우물 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 이득매질층(14)은 복수의 양자우물과 복수의 장벽이 번갈아 배치된 다중양자우물(MQW; multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 이득매질층(14) 내의 양자우물 내에서 전자와 정공이 재결합되면서 빛이 발생할 수 있다. 이득매질층(14) 내의 양자우물을 구성하는 반도체 재료의 밴드갭에 따라서 이득매질층(14)에서 발생하는 빛의 파장이 결정될 수 있다. 이득매질층(14)의 반도체 재료는, 예를 들어, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
이득매질층(14)의 하부 표면과 상부 표면에는 이득매질층(14)에 전류를 공급하는 제 1 전극(18)과 제 2 전극(19)이 각각 배치될 수 있다. 제 1 전극(18)과 제 2 전극(19)은 이득매질층(14)의 하부 표면과 상부 표면에 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 또는, 도시되지는 않았찌만, 이득매질층(14)과 제 1 전극(18) 사이에 접촉하여 오믹 컨택을 형성하는 컨택층 및 이득매질층(14)과 제 2 전극(19) 사이에 접촉하여 오믹 컨택을 형성하는 컨택층을 더 포함할 수도 있다. 또한, 이득매질층(14)은 양자우물에 전자를 공급하는 n-도핑된 반도체층 및 양자우물에 정공을 공급하는 p-도핑된 반도체층을 더 포함할 수도 있다.
제 1 전극(18)과 제 2 전극(19)은 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15) 사이에 배치된다. 따라서, 제 1 전극(18)과 제 2 전극(19)은 이득매질층(14)에서 발생한 빛이 투과할 수 있도록 투명한 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(18)과 제 2 전극(19)은 ITO, IZO, ZnO 등을 포함할 수 있다.
제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15)은, 예를 들어, 굴절률이 서로 다른 2개의 유전체층을 반복적으로 번갈아 적층하여 형성된 분산 브래그 반사기(DBR; distributed Bragg reflector)일 수 있다. 예컨대, 제 1 반사층(12)은 편광 발광 소자(10)의 두께 방향을 따라 번갈아 적층된 복수의 제 1 유전체층(12a)과 복수의 제 2 유전체층(12b)을 포함할 수 있다. 제 2 반사층(15)은 편광 발광 소자(10)의 두께 방향을 따라 번갈아 적층된 복수의 제 3 유전체층(15a)과 복수의 제 4 유전체층(15b)을 포함할 수 있다. 제 1 유전체층(12a)과 제 2 유전체층(12b)은 서로 다른 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 제 3 유전체층(15a)과 제 4 유전체층(15b)도 서로 다른 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 유전체층(12a)과 제 2 유전체층(12b)은 Si, TiO2, SiO2, Si2N3 중에서 선택된 서로 다른 2개의 유전체 재료로 이루어질 수 있고, 제 3 유전체층(15a)과 제 4 유전체층(15b)도 Si, TiO2, SiO2, Si2N3 중에서 선택된 서로 다른 2개의 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1 반사층(12)의 제 1 유전체층(12a)과 제 2 반사층(15)의 제 3 유전체층(15a)이 동일한 유전체 재료로 이루어지고, 제 1 반사층(12)의 제 2 유전체층(12b)과 제 2 반사층(15)의 제 4 유전체층(15b)이 동일한 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 제 1 반사층(12)의 제 1 유전체층(12a)과 제 2 반사층(15)의 제 4 유전체층(15b)이 동일한 유전체 재료로 이루어지고, 제 1 반사층(12)의 제 2 유전체층(12b)과 제 2 반사층(15)의 제 3 유전체층(15a)이 동일한 유전체 재료로 이루어질 수도 있다.
이러한 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15)의 구조에 의하면, 굴절률이 서로 다른 제 1 유전체층(12a)과 제 2 유전체층(12b) 사이의 계면 및 제 3 유전체층(15a)과 제 4 유전체층(15b) 사이의 계면에서 반사가 일어나는데, 반사되는 모든 광들의 위상을 일치시킴으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 이를 위하여, 제 1 내지 제 4 유전체층(12a, 12b, 15a, 15b) 각각의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절률을 곱한 값)를 대략적으로 편광 발광 소자(10)로부터 방출되는 빛의 파장 대역의 1/4로 선택할 수 있다.
서로 마주하여 배치된 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15)은 빛을 공진시키는 공진기를 형성한다. 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15)에 의해 형성되는 공진기 내에는 이득매질층(14)과 선편광자층(13)이 배치되어 있다. 이득매질층(14) 내에서 발생한 빛은 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15) 사이에서 공진하면서 제 2 반사층(15)의 상부 표면을 통해 출광될 수 있다. 이를 위하여, 제 1 반사층(12)은 90% 이상의 반사율을 갖도록 형성되며 제 2 반사층(15)은 약 50%의 반사율을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15) 사이에 형성된 공진기의 공진 파장이 이득매질층(14)에서 발생한 빛의 파장과 일치하도록 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15)이 형성될 수 있다.
제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15) 사이에서 공진하는 동안, 빛은 선편광자층(13)을 반복적으로 지나간다. 따라서, 제 2 반사층(15)의 상부 표면을 통해 출사하는 빛의 특성은 선편광자층(13)의 구조에 의해서도 결정될 수 있다. 개시된 실시예에서, 선편광자층(13)은 편광 의존적인 특성을 갖는 메타 구조로 형성될 수 있다. 이를 위해, 선편광자층(13)은 편광 발광 소자(10)의 두께 방향에 수직한 수평 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소(13a)와 복수의 제 2 격자 요소(13b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제 1 격자 요소(13a)의 하부 표면과 복수의 제 2 격자 요소(13b)의 하부 표면이 제 1 반사층(12)에 접촉하고 동일 평면 상에 위치하며 복수의 제 1 격자 요소(13a)의 상부 표면과 복수의 제 2 격자 요소(13b)의 상부 표면이 제 1 전극(18)에 접촉하고 동일 평면 상에 위치하도록, 복수의 제 1 격자 요소(13a)와 복수의 제 2 격자 요소(13b)가 배열될 수 있다.
도 1에는 선편광자층(13)이 제 1 반사층(12)과 제 1 전극(18) 사이에 배치된 것으로 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 대신에 선편광자층(13)은 제 2 전극(19)과 제 2 반사층(15) 사이에 배치될 수도 있다. 이 경우, 복수의 제 1 격자 요소(13a)의 하부 표면과 복수의 제 2 격자 요소(13b)의 하부 표면이 제 2 전극(19)에 접촉하고 동일 평면 상에 위치하며 복수의 제 1 격자 요소(13a)의 상부 표면과 복수의 제 2 격자 요소(13b)의 상부 표면이 제 2 반사층(15)에 접촉하고 동일 평면 상에 위치하도록, 복수의 제 1 격자 요소(13a)와 복수의 제 2 격자 요소(13b)가 배열될 수 있다.
제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)는 서로 다른 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 다시 말해, 각각의 제 1 격자 요소(13a)는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고, 각각의 제 2 격자 요소(13b)는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1 유전체 재료와 제 2 유전체 재료는 이득매질층(14)에서 발생한 빛에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)는 Si, TiO2, SiO2, Si2N3 중에서 선택된 서로 다른 2개의 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 위에서 예시한 재료 이외에도, 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)를 이루는 제 1 유전체 재료와 제 2 유전체 재료는, 편광 발광 소자(10)의 방출 파장 대역의 빛에 대해 투명한 다른 어떠한 재료도 포함할 수 있다.
또한, 제 1 격자 요소(13a)는 제 1 반사층(12)의 제 1 유전체층(12a) 및 제 2 반사층(15)의 제 3 유전체층(15a)과 동일한 유전체 재료로 이루어지고, 제 2 격자 요소(13b)는 제 1 반사층(12)의 제 2 유전체층(12b) 및 제 2 반사층(15)의 제 4 유전체층(15b)과 동일한 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 제 1 격자 요소(13a)는 제 1 반사층(12)의 제 1 유전체층(12a) 및 제 2 반사층(15)의 제 4 유전체층(15b)과 동일한 유전체 재료로 이루어지고, 제 2 격자 요소(13b)는 제 1 반사층(12)의 제 2 유전체층(12b) 및 제 2 반사층(15)의 제 3 유전체층(15a)과 동일한 유전체 재료로 이루어질 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 선편광자층(13)의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 선편광자층(13)의 각각의 제 1 격자 요소(13a)와 각각의 제 2 격자 요소(13b)는 일 방향으로 길게 연장된 막대의 형태를 가질 수 있다. 그리고, 다수의 제 1 격자 요소(13a)와 다수의 제 2 격자 요소(13b)는 그의 폭 방향을 따라 반복하여 번갈아 배열된다. 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)는 동일한 두께(T)를 갖는다. 또한, 다수의 제 1 격자 요소(13a)는 서로 동일한 폭(W1)을 가지며, 다수의 제 2 격자 요소(13b)는 서로 동일한 폭(W2)을 갖는다. 따라서, 다수의 제 1 격자 요소(13a)와 다수의 제 2 격자 요소(13b)는 일정한 주기(P)로 배열된다.
다수의 제 1 격자 요소(13a)와 다수의 제 2 격자 요소(13b)가 상술한 방식으로 1차원 배열되어 있기 때문에, 선편광자층(13) 및 편광 발광 소자(10)는 선편광 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 반사층(12)과 제 2 반사층(15) 사이에서 공진하는 빛 중에서, 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)의 길이 방향에 평행한 편광 성분을 갖는 빛에 대한 선편광자층(13)의 투과율과 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)의 길이 방향에 수직한 편광 성분을 갖는 빛에 대한 선편광자층(13)의 투과율이 상이할 수 있다.
선편광자층(13)의 구체적인 편광 특성은 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)의 각각의 두께(T), 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)의 배열 주기(P), 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b) 사이의 비율 등에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 각각의 제 1 격자 요소(13a)와 각각의 제 2 격자 요소(13b)의 두께는 약 90 nm 내지 약 350 nm의 범위를 가질 수 있다. 또한, 다수의 제 1 격자 요소(13a)와 다수의 제 2 격자 요소(13b)의 배열 주기(P)는 150 nm 내지 300 nm의 범위를 가질 수 있다.
따라서, 각각의 제 1 격자 요소(13a)와 각각의 제 2 격자 요소(13b)의 크기는 선편광자층(13)의 투과 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 각각의 제 1 격자 요소(13a)와 각각의 제 2 격자 요소(13b)의 두께는 선편광자층(13)의 투과 파장의 1/2 또는 1/3보다 작을 수 있다. 또한, 다수의 제 1 격자 요소(13a)와 다수의 제 2 격자 요소(13b)의 배열 주기(P)는 선편광자층(13)의 투과 파장의 1/2 또는 1/3보다 작을 수 있다.
제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)가 동일한 두께를 갖기 때문에, 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)의 비율은 제 1 격자 요소(13a)의 폭(W1)과 제 2 격자 요소(13b)의 폭(W2)의 비율과 같다. 예를 들어, 제 1 격자 요소(13a)를 이루는 제 1 유전체 재료의 제 1 굴절률이 제 2 격자 요소(13b)를 이루는 제 2 유전체 재료의 제 2 굴절률보다 낮은 경우, 제 2 격자 요소(13b)에 대한 제 1 격자 요소(13a)의 비율(W1/W2)은 약 0.2 내지 약 0.7의 범위를 가질 수 있다. 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)의 두께(T) 및 다수의 제 1 격자 요소(13a)와 다수의 제 2 격자 요소(13b)의 배열 주기(P)를 고정하여 두고, 제 2 격자 요소(13b)에 대한 제 1 격자 요소(13a)의 비율(W1/W2)을 조절하는 것만으로도 선편광자층(13)의 편광 특성을 조절할 수 있다.
지금까지 선편광자층(13)이 제 1 격자 요소(13a)와 제 2 격자 요소(13b)만을 포함하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 굴절률이 서로 다른 3개 또는 4개 이상의 다수의 격자 요소를 번갈아 배치하여 선편광자층(13)을 구성할 수도 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 3에 도시된 편광 발광 소자(20)는 도 1에 도시된 편광 발광 소자(10)와 동일한 구성을 포함하며, 또한 제 2 반사층(15)의 상부 표면, 다시 말해 제 2 반사층(15)의 출광면에 배치된 편광변환층(16)을 더 포함한다. 편광변환층(16)은 입사광의 위상을 지연시켜 입사광의 편광 상태를 변환하는 역할을 한다. 예를 들어, 편광변환층(16)은 입사광의 위상을 입사광의 파장의 1/4 파장만큼 지연시킬 수 있다. 이러한 편광변환층(16)은 굴절률이 비교적 높은 유전체 재료를 빛의 파장보다 작은 나노 스케일의 격자 구조로 패터닝하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 편광변환층(16)은 Si, TiO2, 또는 Si2N3으로 이루어진 메타 구조에 의해 형성될 수 있다.
입사광의 위상이 편광변환층(16)에 의해 입사광의 파장의 1/4 파장만큼 지연되면, 입사광의 선편광 성분은 원편광 성분으로 바뀌고 원편광 성분은 선편광 성분으로 바뀌게 된다. 다시 말해, 편광변환층(16)은 선편광을 원편광으로 바꾸고 원편광을 선편광으로 바꾸는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 선편광 성분은 편광변환층(16)에 의해 제 1 원편광 성분으로 바뀌고, 제 1 선편광 성분에 수직한 제 2 선편광 성분은 편광변환층(16)에 의해 제 1 원편광 성분에 대해 반대쪽 방향으로 회전된 제 2 원편광 성분으로 바뀌게 된다.
따라서, 도 1에 도시된 편광 발광 소자(10)는 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하며, 도 3에 도시된 편광 발광 소자(20)는 원편광 성분을 갖는 빛을 방출할 수 있다. 개시된 실시예에 따른 편광 발광 소자(10, 20)는 물질 기반이 아닌 구조 기반의 선편광자층(13) 및/또는 편광변환층(16)을 포함하기 때문에 기존의 반도체 제조 공정을 통해 쉽게 제조될 수 있다. 또한, 선편광자층(13)과 편광변환층(16)을 수백 nm의 두께로 매우 얇게 형성할 수 있기 때문에 편광 발광 소자(10, 20)를 소형화할 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 4에 도시된 편광 발광 소자(30)의 구성은 도 3에 도시된 편광 발광 소자(20)의 구성과 비교하여 편광변환층(16')만이 상이하다. 도 4에 도시된 편광 발광 소자(30)에서 편광변환층(16')은 제 2 반사층(15)의 상부 표면 위에 함께 배치된 서로 다른 제 1 편광변환층(16a) 및 제 2 편광변환층(16b)을 포함할 수 있다. 제 1 편광변환층(16a)과 제 2 편광변환층(16b)은 이득매질층(14)에서 발생한 빛의 파장보다 작은 나노 스케일의 격자 구조로 패터닝된 메타 구조로 형성되며, 제 1 편광변환층(16a)의 격자 구조와 제 2 편광변환층(16b)의 격자 구조가 서로 번갈아 배치되거나, 또는 서로 중첩적으로 배치될 수 있다.
제 1 편광변환층(16a)과 제 2 편광변환층(16b)은 서로 반대 방향의 원편광 성분을 갖는 빛을 만들 수 있다. 예를 들어, 제 1 편광변환층(16a)은 제 1 선편광 성분을 갖는 입사광의 위상을 1/4 파장만큼 지연시켜 제 1 원편광 성분의 빛을 만들며, 제 2 편광변환층(16b)은 제 1 선편광 성분을 갖는 입사광의 위상을 3/4 파장만큼 지연시켜 제 1 원편광 성분에 대해 반대쪽 방향으로 회전된 제 2 원편광 성분의 빛을 만들 수 있다. 또한, 제 1 원편광 성분의 빛과 제 2 원편광 성분의 빛을 분리하기 위하여 제 1 편광변환층(16a)과 제 2 편광변환층(16b)은 입사광의 진행 방향을 서로 다른 방향으로 바꾸도록 구성될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 편광 발광 소자의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 편광 발광 소자(40)는 기판(11), 기판(11) 위에 배치된 제 1 반사층(12), 제 1 반사층(12) 위에 배치된 제 1 전극(18), 제 1 전극(18) 위에 배치된 이득매질층(14), 이득매질층(14) 위에 배치된 제 2 전극(19), 제 2 전극(19) 위에 배치된 반사 편광자층(17), 및 반사 편광자층(17) 위에 배치된 편광변환층(16)을 포함할 수 있다.
반사 편광자층(17)은 선편광자층(13)과 제 2 반사층(15)의 역할을 함께 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반사 편광자층(17)은 특정한 방향의 선편광 성분을 갖는 빛에 대해 높은 반사율을 갖도록 구성될 수 있다. 그러면, 반사 편광자층(17)과 제 1 반사층(12) 사이에 형성되는 공진기 내에서 특정한 방향의 선편광 성분을 갖는 빛만이 공진할 수 있다. 이를 위해, 반사 편광자층(17)은 편광 발광 소자(40)의 두께 방향에 수직한 수평 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소(17a)와 복수의 제 2 격자 요소(17b)를 포함하는 편광 의존적인 특성을 갖는 메타 구조로 형성될 수 있다.
제 1 격자 요소(17a)와 복수의 제 2 격자 요소(17b)는 서로 다른 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 다시 말해, 각각의 제 1 격자 요소(17a)는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고, 각각의 제 2 격자 요소(17b)는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1 유전체 재료와 제 2 유전체 재료는 이득매질층(14)에서 발생한 빛에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 격자 요소(17a)와 제 2 격자 요소(17b)는 Si, TiO2, SiO2, Si2N3 중에서 선택된 서로 다른 2개의 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 위에서 예시한 재료 이외에도, 제 1 격자 요소(17a)와 제 2 격자 요소(17b)를 이루는 제 1 유전체 재료와 제 2 유전체 재료는, 편광 발광 소자(40)의 방출 파장 대역의 빛에 대해 투명한 다른 어떠한 재료도 포함할 수 있다.
이러한 편광 발광 소자들의 어레이를 이용하면 원하는 어떠한 형태의 편광 성분을 갖는 빛도 만들어 낼 수 있다. 도 6은 일 실시예에 따른 발광 소자 어레이 내의 복수의 편광 발광 소자의 배열을 예시적으로 보인다. 도 6을 참조하면, 발광 소자 어레이(100)는 2차원 배열된 복수의 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광 소자 어레이(100)는 2×3의 어레이의 형태로 배열된 제 1 내지 제 6 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b)를 포함할 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)는 서로 다른 방향의 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 편광 발광 소자(10a)는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 제 2 편광 발광 소자(10b)는 제 1 선편광 성분에 45도 경사진 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 제 3 편광 발광 소자(10c)는 제 1 선편광 성분에 대해 수직한 제 3 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 제 4 편광 발광 소자(10d)는 제 1 선편광 성분에 대해 135도 경사진 제 4 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)는 서로에 대해 상이한 방향으로 회전되어 배치된 선편광자층(13)을 포함할 수 있다.
제 5 편광 발광 소자(20a)는 제 1 원편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되며, 제 6 편광 발광 소자(20b)는 제 1 원편광 성분에 반대 방향으로 회전된 제 2 원편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성된다. 이를 위해, 제 5 및 제 6 편광 발광 소자(20a, 20b)는 서로에 대해 90도 회전되어 배치된 선편광자층(13)을 포함하며, 또한 편광변환층(16)을 포함할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 발광 소자 어레이(100)의 일부 구성을 개략적으로 보이는 단면도로서, 특히 도 7의 A-A' 선을 따라 절단한 단면을 보인다. 도 7을 참조하면, 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)의 각각은, 예를 들어, 도 1에 도시된 편광 발광 소자(10)의 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다. 다시 말해, 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)는 각각 기판(11), 제 1 반사층(12), 선편광자층(13), 제 1 전극(18), 이득매질층(14), 제 2 전극(19), 및 제 2 반사층(15)을 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)에서 기판(11), 제 1 반사층(12), 제 1 전극(18), 이득매질층(14), 제 2 전극(19), 및 제 2 반사층(15)은 공통된 구성으로서 서로 일체로 연장될 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)가 서로 다른 선편광 성분의 빛을 방출할 수 있도록, 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d) 내에서 선편광자층(13)들의 다수의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 서로 다른 방향을 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 2 편광 발광 소자(10b)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 제 1 편광 발광 소자(10a)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들에 대해 수평면 상에서 45도 회전되어 배열될 수 있다. 또한, 제 3 편광 발광 소자(10c)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 제 1 편광 발광 소자(10a)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들에 대해 수평면 상에서 90도 회전되어 배열될 수 있다. 또한, 제 4 편광 발광 소자(10d)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 제 1 편광 발광 소자(10a)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들에 대해 수평면 상에서 135도 회전되어 배열될 수 있다.
또한, 제 5 및 제 6 편광 발광 소자(20a, 20b)는 도 2에 도시된 편광 발광 소자(10)의 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 5 및 제 6 편광 발광 소자(20a, 20b)는 각각 기판(11), 제 1 반사층(12), 선편광자층(13), 제 1 전극(18), 이득매질층(14), 제 2 전극(19), 제 2 반사층(15), 및 편광변환층(16)을 포함할 수 있다. 제 5 및 제 6 편광 발광 소자(20a, 20b)의 기판(11), 제 1 반사층(12), 제 1 전극(18), 이득매질층(14), 제 2 전극(19), 및 제 2 반사층(15)은 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d)의 기판(11), 제 1 반사층(12), 제 1 전극(18), 이득매질층(14), 제 2 전극(19), 및 제 2 반사층(15)과 공통된 구성으로서 서로 일체로 연장될 수 있다.
제 5 편광 발광 소자(20a)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 제 1 편광 발광 소자(10a)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들과 평행하게 배열될 수 있다. 반면, 제 6 편광 발광 소자(20b)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 제 1 편광 발광 소자(10a)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들에 대해 수직하게 배열될 수 있다. 따라서, 제 6 편광 발광 소자(20b)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들은 제 3 편광 발광 소자(10c)의 선편광자층(13)의 제 1 및 제 2 격자 요소(13a, 13b)들과 평행하게 배열된다. 그러면, 제 5 편광 발광 소자(20a)로부터 방출된 빛과 제 6 편광 발광 소자(20b)로부터 방출된 빛은 서로 반대 방향으로 회전된 원편광 성분을 갖게 된다.
도 6 및 도 7에 도시된 구성을 갖는 발광 소자 어레이(100)에서, 제 1 내지 제 6 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b)들의 온/오프 및 제 1 내지 제 6 편광 발광 소자(10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b)들로부터 방출되는 빛의 세기를 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 그러면, 발광 소자 어레이(100)로부터 방출되는 빛의 편광 상태를 제어할 수 있다. 예를 들어, 선편광, 원편광, 타원편광과 같은 편광의 종류, 그리고 선편광인 경우에 선편광 성분의 방향, 원편광인 경우에 좌원편광인지 또는 우원편광인지, 타원편광인 경우에 타원편광의 방향 등을 제어하는 것이 가능하다. 도 6 및 도 7에는 도 1 및 도 2에 도시된 편광 발광 소자(10, 20)를 사용하는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 발광 소자 어레이(100)는 도 3에 도시된 편광 발광 소자(30) 또는 도 4에 도시된 편광 발광 소자(40)를 포함할 수도 있다. 이러한 발광 소자 어레이(100)는 편광 센서 또는 편분광 센서와 함께 사용되어 소형화된 편광 분석 장치 또는 편분광 분석 장치를 제공할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 편광 센서의 편광 필터 어레이 내의 복수의 편광 필터의 배열을 예시적으로 보이며, 도 9는 이미지 센서 및 도 8에 도시된 편광 필터 어레이를 포함하는 편광 센서의 일부 구성을 개략적으로 보이는 단면도로서, 특히 도 8의 B-B' 선을 따라 절단한 단면을 보인다.
먼저, 도 8을 참조하면, 편광 필터 어레이(PF)는 2×3의 어레이의 형태로 배열된 제 1 내지 제 6 편광 필터(PX1, PX2, PX3, PX4, PX5, PX6)를 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 편광 필터(PX1, PX2, PX3, PX4)는 서로 다른 방향의 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 편광 필터(PX1)는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 제 2 편광 필터(PX2)는 제 1 선편광 성분에 45도 경사진 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 제 3 편광 필터(PX3)는 제 1 선편광 성분에 대해 수직한 제 3 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 또한, 제 4 편광 필터(PX4)는 제 1 선편광 성분에 대해 135도 경사진 제 4 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 또한, 제 5 편광 필터(PX5)는 제 1 원편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성되며, 제 6 편광 필터(PX6)는 제 1 원편광 성분에 반대 방향으로 회전된 제 2 원편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성된다.
도 9를 참조하면, 편광 센서(200)는 이미지 센서(201), 및 이미지 센서(201) 위에 배치된 편광 필터 어레이(PF)를 포함할 수 있다. 편광 필터 어레이(PF)의 제 1 내지 제 6 편광 필터(PX1, PX2, PX3, PX4, PX5, PX6)는 제 1 반사층(211), 선편광자층(212), 제 2 반사층(213), 및 대역 통과 필터(214)를 포함할 수 있다. 또한, 제 5 편광 필터(PX5) 및 제 6 편광 필터(PX6)는 제 2 반사층(213)와 대역 통과 필터(214) 사이에 배치된 편광변환층(215)을 더 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 6 편광 필터(PX1, PX2, PX3, PX4, PX5, PX6)에서 제 1 반사층(211), 제 2 반사층(213), 및 대역 통과 필터(214)는 공통된 구성으로서 서로 일체로 연장될 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 4 편광 필터(PX1, PX2, PX3, PX4)는 대역 통과 필터(214)의 두께 방향 위치를 일정하기 유지하기 위하여 제 2 반사층(213) 위에 배치된 스페이서(216)를 더 포함할 수 있다. 스페이서(216)의 두께는 편광변환층(215)의 두께와 동일할 수 있다.
도 9에 도시된 선편광자층(212)은 앞서 설명한 선편광자층(13)과 동일한 구조 및 기능을 가질 수 있으며 편광변환층(215)은 앞서 설명한 편광변환층(16)과 동일한 구조 및 기능을 가질 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 6 편광 필터(PX1, PX2, PX3, PX4, PX5, PX6)의 선편광자층(212)들은 도 6에서 설명한 것과 동일하게 서로에 대해 회전되어 배치될 수 있다.
이러한 편광 센서(200)는 입사광의 편광 상태를 정밀하게 감지할 수 있다. 예를 들어, 편광 센서(200)는 입사광에 포함된 선편광 성분의 비율을 방향 별로 감지할 수 있으며, 또한 입사광에 포함된 좌원편광 성분의 비율 및 우원편광 성분의 비율을 감지할 수 있다.
도 10은 발광 소자 어레이(100)와 편광 센서(200)를 포함하는 일 실시예에 따른 편광 분석 장치를 보인다. 도 10을 참조하면, 편광 분석 장치(300)는 도 6 및 도 7에 도시된 발광 소자 어레이(100) 및 도 8 및 도 9에 도시된 편광 센서(200)를 포함할 수 있다. 발광 소자 어레이(100)는 다양한 편광 성분을 갖는 빛을 외부의 물체(OBJ)에 조사할 수 있다. 편광 센서(200)는 물체(OBJ)로부터 반사된 빛의 편광 성분을 분석할 수 있다. 따라서, 편광 분석 장치(300)는 발광 소자 어레이(100)로부터 방출된 빛의 편광 성분과 물체(OBJ)로부터 반사된 빛의 편광 성분을 비교하여 물체(OBJ)의 다양한 특성을 분석할 수 있다.
예를 들어, 편광 분석 장치(300)를 이용하여 물체(OBJ)의 재질과 표면 상태에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 편광 분석 장치(300)는 라이다(LiDAR)에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 편광 분석 장치(300)를 이용하면 전방의 물체에 대해 반사율이 가장 높은 편광 성분의 빛을 알아낼 수 있다. 그런 후, 발광 소자 어레이(100)를 이용하여 전방의 물체에 대해 반사율이 가장 높은 편광 성분의 빛을 방출함으로써 전방의 물체를 효율적으로 탐지할 수 있다.
또한, 발광 소자 어레이(100)는 이득매질층(14)의 구성, 제 1 및 제 2 반사층(12, 15)의 구성, 선편광자층(13)의 구성, 및 편광변환층(16)의 구성에 따라 특정 파장의 빛만을 방출할 수 있다. 편광 센서(200)도 제 1 및 제 2 반사층(211, 213)의 구성, 선편광자층(212)의 구성, 편광변환층(215), 및 대역 통과 필터(214)의 구성에 따라 특정 파장의 빛만을 감지할 수 있다. 따라서, 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 복수의 발광 소자 어레이(100)와 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 편광 센서(200)를 사용하여 편분광 분석 장치를 구성할 수 있다.
예를 들어, 도 11은 복수의 발광 소자 어레이와 복수의 편광 센서를 포함하는 일 실시예에 따른 편분광 분석 장치를 보인다. 도 11을 참조하면, 편분광 분석 장치(400)는 복수의 발광 소자 어레이(100a, 100b, 100c, 100d) 및 복수의 편광 센서(200a, 200b, 200c, 200d)를 포함할 수 있다. 복수의 발광 소자 어레이(100a, 100b, 100c, 100d)는 복수의 서로 다른 파장을 갖는 빛(λ1, λ2, λ3, λ4)을 방출할 수 있다. 복수의 편광 센서(200a, 200b, 200c, 200d)는 복수의 서로 다른 파장을 갖는 빛(λ1, λ2, λ3, λ4)의 편광 성분을 각각 감지할 수 있다.
상술한 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 20, 30, 40.....편광 발광 소자
11.....기판 12, 15.....반사층
13.....선편광자층 14.....이득매질층
16, 16'.....편광변환층 17.....반사 편광자층
18, 19.....전극 100.....발광 소자 어레이
200.....편광 센서 201....이미지 센서
211, 213.....반사층 212.....선편광자층
214.....대역 통과 필터 215.....편광변환층
300.....편광 분석 장치 400.....편분광 분석 장치
11.....기판 12, 15.....반사층
13.....선편광자층 14.....이득매질층
16, 16'.....편광변환층 17.....반사 편광자층
18, 19.....전극 100.....발광 소자 어레이
200.....편광 센서 201....이미지 센서
211, 213.....반사층 212.....선편광자층
214.....대역 통과 필터 215.....편광변환층
300.....편광 분석 장치 400.....편분광 분석 장치
Claims (18)
- 제 1 방향으로 서로 마주하여 배치된 제 1 반사층과 제 2 반사층;
상기 제 1 반사층과 제 2 반사층 사이에 배치되어 빛을 발생시키는 이득매질층;
상기 이득매질층의 상부 표면과 하부 표면에 각각 전기적으로 연결되도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극;
상기 제 1 반사층과 제 1 전극 사이에 배치된 선편광자층;을 포함하며,
상기 선편광자층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소와 복수의 제 2 격자 요소를 포함하고,
각각의 제 1 격자 요소는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고,
각각의 제 2 격자 요소는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어지는 편광 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
각각의 제 1 격자 요소와 각각의 제 2 격자 요소는 막대 형태를 가지며, 상기 다수의 제 1 격자 요소와 상기 다수의 제 2 격자 요소가 1차원 배열되어 있는 편광 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
다수의 제 1 격자 요소의 제 1 표면과 다수의 제 2 격자 요소의 제 1 표면은 상기 제 1 반사층에 접촉하고 다수의 제 1 격자 요소의 제 1 표면에 대향하는 제 1 격자 요소의 제 2 표면과 다수의 제 2 격자 요소의 제 1 표면에 대향하는 제 2 격자 요소의 제 2 표면은 상기 제 1 전극에 접촉하도록 상기 다수의 제 1 격자 요소와 상기 다수의 제 2 격자 요소가 배열되어 있는 편광 발광 소자. - 제 3 항에 있어서,
각각의 제 1 격자 요소와 각각의 제 2 격자 요소의 두께는 90 nm 내지 350 nm인 편광 발광 소자. - 제 3 항에 있어서,
다수의 제 1 격자 요소와 다수의 제 2 격자 요소의 배열 주기는 150 nm 내지 300 nm인 편광 발광 소자. - 제 3 항에 있어서,
다수의 제 2 격자 요소에 대한 다수의 제 1 격자 요소의 비율은 0.2 내지 0.7인 편광 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 상기 이득매질층에서 발생한 빛이 투과할 수 있도록 투명한 도전성 재료로 이루어지는 편광 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유전체 재료와 상기 제 2 유전체 재료는 상기 이득매질층에서 발생한 빛에 대해 투명한 재료로 이루어지는 편광 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 반사층의 출광면에 배치되며 입사광의 위상을 지연시켜 입사광의 편광 상태를 변환하는 편광변환층을 더 포함하는 편광 발광 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 편광변환층은 상기 이득매질층에서 발생한 빛의 파장보다 작은 나노 스케일로 패터닝된 격자 구조를 포함하는 편광 발광 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 편광변환층은 입사광의 위상을 1/4 파장만큼 지연시키는 제 1 편광변환층 및 입사광의 위상을 3/4 파장만큼 지연시키는 제 2 편광변환층을 포함하는 편광 발광 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 편광변환층과 상기 제 2 편광변환층은 입사광의 진행 방향을 서로 다른 방향으로 바꾸도록 구성되는 편광 발광 소자. - 제 1 반사층;
상기 제 1 반사층 위에 배치된 제 1 전극;
상기 제 1 전극 위에 배치되어 빛을 발생시키는 이득매질층;
상기 이득매질층 위에 배치된 제 2 전극;
상기 제 2 전극 위에 배치된 반사 편광자층; 및
상기 반사 편광자층 위에 배치되며 입사광의 위상을 지연시켜 입사광의 편광 상태를 변환하는 편광변환층;을 포함하는 편광 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 반사 편광자층은 특정한 방향의 선편광 성분을 갖는 빛에 대해 높은 반사율을 갖도록 상기 제 1 반사층과 마주하는 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열된 복수의 제 1 격자 요소와 복수의 제 2 격자 요소를 포함하고,
각각의 제 1 격자 요소는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 유전체 재료로 이루어지고,
각각의 제 2 격자 요소는 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 갖는 제 2 유전체 재료로 이루어지는 편광 발광 소자. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 선편광 성분의 빛을 방출하는 제 1 내지 제 4 편광 발광 소자; 및
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 원편광 성분의 빛을 방출하는 제 5 및 제 6 편광 발광 소자;를 포함하는 발광 소자 어레이. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 2 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분에 45도 경사진 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 3 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분에 대해 수직한 제 3 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 제 4 편광 발광 소자는 제 1 선편광 성분에 대해 135도 경사진 제 4 선편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 5 편광 발광 소자는 제 1 원편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되고, 상기 제 6 편광 발광 소자는 제 1 원편광 성분에 반대 방향으로 회전된 제 2 원편광 성분을 갖는 빛을 방출하도록 구성되는 발광 소자 어레이. - 제 15 항에 따른 발광 소자 어레이; 및
이미지 센서 및 상기 이미지 센서 위에 배치된 편광 필터 어레이를 포함하는 편광 센서;를 포함하는 편광 분석 장치. - 제 15 항에 따른 복수의 발광 소자 어레이; 및
이미지 센서 및 상기 이미지 센서 위에 배치된 편광 필터 어레이를 각각 포함하는 복수의 편광 센서;를 포함하며,
상기 복수의 발광 소자 어레이는 서로 다른 파장의 빛을 방출하고,
상기 복수의 편광 센서는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는, 편분광 분석 장치.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200114073A KR20220032373A (ko) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치 |
| US17/466,791 US20220077363A1 (en) | 2020-09-07 | 2021-09-03 | Polarized light emitting device and polarization analysis apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200114073A KR20220032373A (ko) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220032373A true KR20220032373A (ko) | 2022-03-15 |
Family
ID=80471007
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200114073A KR20220032373A (ko) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220077363A1 (ko) |
| KR (1) | KR20220032373A (ko) |
-
2020
- 2020-09-07 KR KR1020200114073A patent/KR20220032373A/ko active Search and Examination
-
2021
- 2021-09-03 US US17/466,791 patent/US20220077363A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220077363A1 (en) | 2022-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2413471C (fr) | Dispositif optoelectronique a filtrage de longueur d'onde integre | |
| CN108731806B (zh) | 光学滤波器、光谱仪和光学设备 | |
| US8189643B2 (en) | Sub-wavelength grating integrated VCSEL | |
| US9893493B2 (en) | Surface emitting quantum cascade laser | |
| KR101638973B1 (ko) | 광변조기 및 그 제조 방법 | |
| US10976477B2 (en) | Optical filter and spectrometer including sub-wavelength reflector, and electronic apparatus including the spectrometer | |
| KR101941170B1 (ko) | 다중 패브리-페로 공진 모드와 다중 흡수 모드를 이용한 투과형 이미지 변조기 | |
| US11719951B2 (en) | Polarization spectral filter, polarization spectral filter array, and polarization spectral sensor | |
| US20170059777A1 (en) | On-chip optical filter comprising fabri-perot resonator structure and spectrometer | |
| EP2550711A1 (en) | Surface emitting semiconductor laser and method of manufacture thereof | |
| US9008134B2 (en) | Resonator, variable wavelength optical filter, and variable wavelength laser diode | |
| KR20220032373A (ko) | 편광 발광 소자 및 이를 포함하는 편광 분석 장치 | |
| KR20190106646A (ko) | 광 필터 및 이를 포함하는 분광기 | |
| EP4280399A1 (en) | Vertical laser emitter and manufacturing method thereof | |
| KR102623516B1 (ko) | 메타물질 기반의 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저 | |
| WO2020100611A1 (ja) | ナノワイヤ光デバイス | |
| JP2563991B2 (ja) | 光フィルタ | |
| US10795174B1 (en) | Flat-top narrow bandpass filters based on cascaded resonant gratings | |
| Ju et al. | Recent approaches for broadening the spectral bandwidth in resonant cavity optoelectronic devices | |
| Yuan et al. | Design, Fabrication, and Characterizations of Novel Multispectral Photodetectors Using Postgrowth Fabry–Perot Optical Filters for Simultaneous Near Infrared/Short-Wave Infrared Detection | |
| KR20200025994A (ko) | 서브 파장 리플렉터를 포함하는 광학 필터, 분광기 및 이를 포함하는 전자 장치 | |
| KR101061803B1 (ko) | Ⅲ족 질화물 박막 격자 반사체 | |
| Huang et al. | Design of Ultra-Wide Continuously Tunable Optical Filter Using Sub-Wavelength Grating Reflectors | |
| JP2014531021A (ja) | スペクトロメータ | |
| Huang et al. | Large fabrication tolerance of ultrabroadband sub-wavelength grating reflector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |