KR100590775B1

KR100590775B1 - 실리콘 발광 소자

Info

Publication number: KR100590775B1
Application number: KR1020050037623A
Authority: KR
Inventors: 김태엽; 박래만; 김경현; 성건용
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2006-06-19
Anticipated expiration: 2025-05-04
Also published as: US7671377B2; US20090242913A1; JP4612053B2; KR20060064460A; JP2008523608A

Abstract

DBR (Distributed Bragg Reflector)과 n형 도핑층, p형 기판 구조물을 채용한 고효율의 실리콘 발광 소자에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 메사(mesa)형 p형 기판 구조물이 형성된 기판을 구비한다. 기판상에는 활성층이 형성된다. 활성층은 상호 반대 방향의 제1 면 및 제2 면을 가진다. 활성층의 제1 면에는 제1 반사층이 대향하고 있다. 활성층의 제2 면에는 제2 반사층이 대향하고 있다. 제2 반사층은 p형 기판 구조물을 사이에 두고 그 양측에 위치되어 있다. 활성층과 제1 반사층과의 사이에는 n형 도핑층이 개재되어 있다. 제1 전극이 n형 도핑층에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있다. 그리고, 제2 전극이 p형 기판 구조물에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있다.

실리콘 발광 소자, DBR, n형 도핑층, p형 기판 구조물, 실리콘 나노점

Description

실리콘 발광 소자{Silicon-based light emitting diode}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 발광 소자의 요부 구성을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 실리콘 발광 소자의 요부 구성을 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 예에 따른 실리콘 발광 소자의 요부 구성을 도시한 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: p형 기판, 104: 활성층, 104a: 제1 면, 104b: 제2 면, 106: n형 도핑층, 108: p형 기판 구조물, 110: 제1 반사층, 120: 제2 반사층, 122, 122': 제1 전극, 124: 제2 전극, 130: 절연막, 200: 발광 영역, 210: 고효율 발광 영역.

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 분포 브래그 반사경 (DBR: Distributed Bragg Reflector)을 구비한 실리콘 발광 소자에 관한 것이다.

실리콘 나노점 (silicon nano-size dots)을 이용한 실리콘 발광 소자는 다른 실리콘 기반 광전자 소자와 호환이 용이하고 제작 비용이 낮으므로 많은 연구가 되어오고 있다. 그러나, 지금까지 알려진 실리콘 발광 소자는 낮은 발광 효율과 넓은 발광 스펙트럼 때문에 응용화하는데 어려움이 있었다.

발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 광 소자에서는 높은 반사율을 갖는 DBR이 이용되고 있다. DBR은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 재료를 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 반사경이다.

화합물 반도체 발광 소자에서는 DBR에 도핑 물질을 주입하여 높은 발광 효율과 좁은 발광 스펙트럼을 얻는다. 그러나, 실리콘 나노점을 이용한 실리콘 발광 소자는 활성층을 포함하는 기저체의 종류에 따라 DBR로서 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같은 절연체 물질을 사용해야 하기 때문에 DBR에 직접 도핑 하는데 문제가 있다. 또한, 밴드갭(band-gap)이 큰 화합물 반도체 도핑층은 항시 n형으로 형성되며, p형 형성에는 많은 어려움이 있다. 따라서, 전자와 정공을 효과적으로 주입하기 위한 도핑층과 소자 구조가 필요하다.

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, DBR에 직접 도핑할 필요 없이 n형 도핑층과 DBR을 사용하여 높은 발광 효율 및 좁은 발광 스펙트럼을 구현할 수 있는 새로운 구조를 가지는 실리콘 발광 소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 메사(mesa)형 p형 기판 구조물이 형성된 기판을 구비한다. 상기 기판상에는 활성층이 형성된다. 상기 활성층은 상호 반대 방향의 제1 면 및 제2 면을 가진다. 상기 활성층의 제1 면에는 제1 반사층이 대향하고 있다. 그리고, 상기 활성층의 제2 면에는 제2 반사층이 대향하고 있다. 상기 제2 반사층은 상기 p형 기판 구조물을 사이에 두고 그 양측에 위치되어 있다. 상기 활성층과 상기 제1 반사층과의 사이에는 n형 도핑층이 개재되어 있다. 제1 전극이 상기 n형 도핑층에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있다. 그리고, 제2 전극이 상기 p형 기판 구조물에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있다.

상기 p형 기판 구조물은 상기 제2 반사층을 관통하여 상기 활성층의 제2 면에 접해 있다.

바람직하게는, 상기 제1 전극은 상기 제1 반사층 주위에서 상기 제1 반사층을 포위하는 형상을 가지고, 상기 p형 기판 구조물은 상기 제1 반사층 중 상기 제1 전극에 의하여 포위되는 영역의 아래에 위치하도록 형성된다. 예들 들면, 상기 제1 전극은 링형 또는 다각형의 평면 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 전극으로 포위되는 영역 내에는 발광 영역이 한정된다.

상기 제1 반사층 및 제2 반사층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR(Distributed Bragg Deflector)로 구성될 수 있다. 또한, 상기 n형 도핑층은 n형 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점으로 이루어진다.

본 발명에 따른 실리콘 발광 소자에 의하면, n형 도핑층만을 사용하여 활성층 양면에 반사층을 적용할 수 있다. 따라서, 소자의 발광 효율을 높이고 발광 스펙트럼의 폭을 좁혀 소자의 전계 발광 (electroluminescence) 특성을 향상시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

발광 소자의 성능 향상을 위하여서는 빛을 생산하는 활성층 뿐 만 아니라 캐리어를 주입하는 도핑층과 빛을 효과적으로 방출시키기 위한 반사층, 그리고 이들의 구조적 배치가 중요하다. 특히, 실리콘 나노점을 이용한 실리콘 발광 소자에서는 자체 발광이 상대적으로 약하기 때문에 도핑층과 반사층, 그리고 효과적인 구조적 배치가 더욱 중요하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 발광 소자의 요부 구성을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 구성 중 일부 만을 도시한 예시적인 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 기판(100), 예를 들면 p형의 실리콘 기판상에 상호 반대 방향의 제1 면(104a) 및 제2 면(104b)을 가지는 활성층(104)이 형성되어 있다. 상기 기판(100)에는 메사(mesa)형 p형 기판 구조물(108)이 형성되어 있다. 상기 활성층(104)은 결정질 또는 비정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots)으로 이루어진다. 바람직하게는, 상기 활성층(104)은 100 ㎛ ∼ 10 nm 두께를 가진다.

상기 활성층(104)의 제1 면(104a)에는 제1 반사층(110)이 대향하고 있고, 상기 활성층(104)의 제2 면(104a)에는 제2 반사층(120)이 대향하고 있다. 상기 제2 반사층(120)은 상기 p형 기판 구조물(108)을 사이에 두고 그 양측에 위치되어 있다. 상기 p형 기판 구조물(108)은 상기 활성층(104)으로 정공을 이동시키기 위하여 상기 제2 반사층(120)을 관통하여 상기 활성층(104)의 제2 면(104b)에 접해 있는 상면을 구비한다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제1 전극(122)은 상기 제1 반사층(110) 주위에서 상기 제1 반사층(110)을 완전히 포위하는 형상을 가질 수 있다. 도 2에는 상기 제1 전극(122)이 원형의 평면 형상을 가지는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제1 전극(122)은 원 또는 타원과 같은 링(ring) 형, 또는 다각형의 평면 형상을 가질 수 있다. 도 3에는 사각형의 평면 형상을 가지는 제1 전극(122')의 경우를 예시하였다. 도 3에 있어서, 도 2에서와 동일 또는 유사한 참조 부호는 도 2에서와 동일 부재를 나타낸다. 따라서, 설명의 중복을 피하기 위하여 이들에 대한 상세한 설명은 생략하며, 도 2에 대한 설명은 특별한 기재가 없는 한 도 3에 대하여도 마참가지로 적용될 수 있다.

상기 p형 기판 구조물(108)은 상기 제1 반사층(110) 중 상기 제1 전극(122)에 의하여 포위되는 영역의 아래에 위치하도록 형성된다. 바람직하게는, 상기 p형 기판 구조물(108)은 약 0.01 ∼ 10 mm의 폭(W)을 가진다.

상기 제1 반사층(110) 중 상기 제1 전극(122)에 의하여 포위되는 영역은 발 광 영역(200)이 된다. 그리고, 상기 발광 영역(200) 내에서 상기 제1 전극(122) 측에 인접한 일부 영역(210)은 고효율 발광 영역(210)이 될 수 있다. 바람직한 경우에 있어서, 상기 고효율 발광 영역(210)은 상기 발광 영역(200) 내에서 약 1 ㎛ ∼ 10 nm의 폭으로 형성될 수 있다.

상기 활성층(104)과 제1 반사층(110)과의 사이에는 n형 도핑층(106)이 개재되어 있다. 상기 n형 도핑층(106)은 n형 화합물 반도체, 예를 들면 ZnO, InSnO, NiO, SiC 또는 SnO₂ 로 이루어질 수 있다. 도 1에서, 도면 참조부호 "130"은 절연막을 나타낸다.

상기 활성층(104)의 제2 면(104a)에 대향하도록 위치되어 있는 상기 제2 반사층(120)은 상기 활성층(104)의 제2 면(104a)에 직접 접해있다.

제1 전극(122)은 상기 n형 도핑층(106)에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있고, 제2 전극(124)은 상기 p형 기판 구조물(108)에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있다. 바람직하게는, 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)은 금속으로 이루어진다. 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)은 각각 약 100 ㎛ ∼ 5 mm의 두께를 가질 수 있다.

도 1의 구성에 있어서, 상기 제1 반사층(110) 및 제2 반사층(120)은 각각 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR (Distributed Bragg Deflector)로 구성되어 있다. 상기 DBR을 각각 구성하는 2종의 실리콘함유 절연층 사이에는 약 0.1 ∼ 1.5의 굴절율 차이가 있는 것이 바람직하 다. 특히 바람직하게는, 상기 DBR은 각각 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막이 차례로 복수 회 적층된 적층 구조로 이루어진다. 예를 들면, 상기 제1 반사층(110) 및 제2 반사층(120)을 구성하는 DBR은 상기 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 적층 구조를 약 2 ∼ 20 쌍 포함할 수 있다.

상기 제1 반사층(110)의 주위를 포위하고 있는 상기 제1 전극(122)은 전자를 상기 n형 도핑층(106)으로 이동시키는 역할을 한다. 또한, 상기 제2 전극(124)을 통하여 주입된 정공은 p형 기판(100)을 통하여 p형 기판 구조물(108)로 이동하게 된다.

도 1의 구성에 있어서, 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)에 전류을 가하면, 전자 또는 정공으로 이루어지는 캐리어는 상기 제1 반사층(110) 및 p형 기판(100)을 통하여 상기 n형 도핑층(106) 및 p형 기판 구조물(108)에 도달한다. 여기서, 상기 제1 반사층(110) 및 제2 반사층(120)을 구성하는 각각의 DBR은 절연체, 예를 들면 실리콘 산화막과 실리콘 질화막과의 적층 구조로 이루어지는 절연체이므로 도 1에 도시된 바와 같이 메사형 p형 기판 구조물(108)이 형성된 상기 p형 기판(100)을 사용함으로써 항시 n형 도핑층(106) 만을 사용하여 캐리어가 상기 활성층(104)에 효과적으로 주입될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(122)을 통하여 주입된 전자는 상기 제1 반사층(110)을 관통하여 n형 도핑층(106)에 도달되고, 상기 n형 도핑층(106)에 도달된 전자는 도핑층에 의하여 상기 활성층(104)의 제1 면(104a)에 안정적로 공급되다. 또한, 전공은 상기 제2 전극(124)을 통하여 p형 기판(100) 및 p형 기판 구조물(108)에 도달되고, 여기에 도달된 전공은 바로 상기 활성층(104)의 제2 면(104b)에 주입된다. 캐리어가 안정적으로 주입된 상기 활성층(104)은 실리콘 나노점에 의하여 자체 발광한다. 이렇게 발광한 빛은 상기 활성층(104) 및 n형 도핑층(106)을 사이에 두고 그 상부 및 하부에 각각 위치된 상기 제1 반사층(110) 및 제2 반사층(120) 사이에 갇히어 진동하면서 좁은 영역의 스펙트럼을 선택적으로 증폭하고 방출하게 된다.

도 2 및 도 3의 평면도에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자의 발광 영역(200)은 상기 제1 전극(122) 또는 제1 전극(122')에 의하여 포위되는 영역 내에 한정될 수 있다. 실제로, 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자를 제작하여 실제 소자를 작동시키면 상기 제1 전극(122) 또는 제1 전극(122')으로 포위되는 영역 전체가 발광 영역(200)이 되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 상기 발광 영역(200) 중 상기 제1 전극(122) 또는 제1 전극(122')에 인접한 외측 일부에서 고효율 발광 영역(210)을 관찰할 수 있다.

본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 실리콘 나노점을 활성층으로 이용한 발광 소자에서의 성능 향상을 위하여 제작이 용이한 n형 도핑층과 DBR로 구성되는 반사층을 채용하는 구성을 가진다. 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자에 의하면, 발광 효율이 높고 발광 스펙트럼이 좁으며, 안정된 동작 특성을 얻을 수 있으며, 따라서 소자의 전계 발광 (electroluminescence) 특성을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims

메사(mesa)형 p형 기판 구조물이 형성된 기판과,

상기 기판상에 형성되고 상호 반대 방향의 제1 면 및 제2 면을 가지는 활성층과,

상기 활성층의 제1 면에 대향하고 있는 제1 반사층과,

상기 p형 기판 구조물을 사이에 두고 그 양측에서 상기 활성층의 제2 면에 대향하도록 형성되어 있는 제2 반사층과,

상기 활성층과 상기 제1 반사층과의 사이에 개재되어 있는 n형 도핑층과,

상기 n형 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제1 전극과,

상기 p형 기판 구조물에 전기적으로 연결 가능한 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 p형 기판 구조물은 상기 제2 반사층을 관통하여 상기 활성층의 제2 면에 접해 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제2항에 있어서,

상기 제1 전극은 상기 제1 반사층 주위에서 상기 제1 반사층을 포위하는 형상을 가지고,

상기 p형 기판 구조물은 상기 제1 반사층 중 상기 제1 전극에 의하여 포위되는 영역의 아래에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극은 상기 n형 도핑층 위에서 상기 제1 반사층을 완전히 포위하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제4항에 있어서,

상기 제1 전극은 링형 또는 다각형의 평면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제4항에 있어서,

상기 제1 전극으로 포위되는 영역 내에 한정되는 발광 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 p형 기판 구조물은 0.01 ∼ 10 mm의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 반사층 및 제2 반사층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR(Distributed Bragg Deflector)로 구성되어있는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제8항에 있어서,

상기 제1 반사층 및 제2 반사층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 제1 절연층 및 제2 절연층으로 구성되고, 상기 제1 절연층과 제2 절연층과의 사이의 굴절율 차이는 0.1 ∼ 1.5인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제9항에 있어서,

상기 제1 반사층 및 제2 반사층은 각각 상기 제1 절연층 및 제2 절연층의 적층 구조를 2 ∼ 20 쌍 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제8항에 있어서,

상기 제1 반사층 및 제1 반사층은 각각 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 차례로 복수회 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 도핑층은 n형 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제12항에 있어서,

상기 n형 도핑층은 ZnO, InSnO, NiO, SiC 또는 SnO₂ 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 100 ㎛ ∼ 10 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 100 ㎛ ∼ 5 mm의 두께를 가지는 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.