JP2009518846A - 光の放出効率を向上させることができるシリコン発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
下部に下部電極層の形成された基板と、基板上に形成されて発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層と、下部ドーピング層上に形成され、シリコン半導体層にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層と、発光層上に形成され、発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層と、上部ドーピング層上に形成された上部電極層とを備え、さらに上部電極層上に形成された表面パターンや、上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして設けられた上部電極パターン及び上部ドーピングパターンや、表面パターン、上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを表面構造物として利用し、幾何光学的に発光層から放出される光の放出効率を向上させるシリコン発光素子である。
Description
本発明は、発光素子及びその製造方法に係り、さらに詳細には、シリコン発光素子（silicon-based light emitting diode）及びその製造方法に関する。
一般的に、発光素子は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＧａＮのような化合物半導体を利用して信号灯（traffic signal）、外部広告ディスプレイ、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や電話機キーボードの背面光源（rear light source）として広く使われている。前記化合物半導体を利用した発光素子は、シリコン半導体を基盤にしては、他の光電素子と互換されない。これにより、化合物半導体を利用せずにシリコン半導体を基盤とするシリコン発光素子が提案されている。シリコン発光素子は、製作コストが低く、ＣＭＯＳ技術を利用でき、効率的に集積化をなすことができる。
しかし、シリコン発光素子は、シリコン半導体の間接遷移（indirect transition）特性のために、光の放出効率（light extraction efficiency）が化合物半導体を利用した発光素子に比べて相対的に低い。従って、これまで公知のシリコン発光素子は、低い光放出効率のために、応用化ないし商用化し難かった。
本発明がなそうとする技術的課題は、光の放出効率を向上させることができるシリコン発光素子を提供するところにある。
また、本発明がなそうとする技術的課題は、光の放出効率を向上させることができるシリコン発光素子を容易に製造する製造方法を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために、本発明の一例によるシリコン発光素子は、下部に下部電極層の形成された基板と、前記基板上に形成されて発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層と、前記下部ドーピング層上に形成され、シリコン半導体層にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層と、前記発光層上に形成され、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層と、前記上部ドーピング層上に形成された上部電極層とを備える。
前記本発明のシリコン発光素子は、前記上部電極層上に形成された表面パターンや、前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして設けられた上部電極パターン及び上部ドーピングパターンや、前記表面パターン、上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを表面構造物として利用し、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させる。
前記表面パターンは、複数個の円柱または多角柱で構成されうる。前記表面パターンを構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配されうる。前記表面パターンは、伝導性または非伝導性の透明非晶質膜によって構成できる。
また、本発明の他の例によるシリコン発光素子は、下部に下部電極層の形成された基板と、前記基板上に形成されて発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層と、前記下部ドーピング層上に形成され、シリコン半導体層にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層と、前記発光層上に形成され、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層と、前記上部ドーピング層上に形成された上部電極層とを備える。
前記本発明のシリコン発光素子は、前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして設けられた上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを表面構造物として利用し、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させる。前記表面構造物は、複数個の円柱または多角柱で構成できる。前記表面構造物を構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配されうる。
前記他の技術的課題を達成するために、本発明の一例によるシリコン発光素子の製造方法は、基板の下部に下部電極層を形成した後、前記基板上部に、発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層を形成する。前記下部ドーピング層上に、シリコン半導体膜にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層を形成する。前記発光層上に、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層を形成した後、前記上部ドーピング層上に上部電極層を形成する。
さらに、本発明は、表面構造物として、前記上部電極層上に表面パターンを形成したり、前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを形成したり、前記表面パターン、上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを利用して、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させる。
前記表面パターンは、前記上部電極層上に表面層を形成し、前記表面層上にフォトレジストパターンを形成し、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記表面層をドライエッチングして形成できる。
前記上部電極パターン及び上部ドーピングパターンは、前記上部電極層上にフォトレジストパターンを形成した後、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記上部電極層及び上部ドーピング層をドライエッチングして形成できる。前記表面パターン、上部ドーピング層及び上部電極層は、非晶質膜によって形成できる。
また、本発明の他の例によるシリコン発光素子の製造方法は、基板の下部に下部電極層を形成した後、前記基板上部に、発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層を形成する。前記下部ドーピング層上に、シリコン半導体膜にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層を形成する。前記発光層上に、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層を形成した後、前記上部ドーピング層上に上部電極層を形成する。
前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングし、上部電極パターン及び上部ドーピングパターンで表面構造物を形成するが、前記表面構造物は、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させる。
前記上部電極パターン及び上部ドーピングパターンの形成は、前記上部電極層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記上部電極層及び上部ドーピング層をドライエッチングする段階とを含む。前記表面構造物は、複数個の円柱または多角柱によって形成できる。前記表面構造物を構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配して形成できる。前記上部ドーピング層及び上部電極層は、非晶質膜によって形成できる。
本発明のシリコン発光素子は、化合物半導体を利用せずにシリコン半導体を基盤とするために製作コストが低く、ＣＭＯＳ技術を利用でき、効率的に集積化をなすことができる。
本発明のシリコン発光素子は、発光層上部に幾何光学的に光の放出効率を向上させるために、ミクロンスケール（micron scale）に表面構造物が形成されている。前記表面構造物は、上部電極層上に表面パターンを形成して構成した、上部電極層及び上部ドーピング層をドライエッチングして構成することも可能である。
さらに、本発明のシリコン発光素子は、発光層上部に形成される上部ドーピング層、上部電極層及び表面層を非晶質膜によって形成し、ドライエッチングを利用してパターニングして表面構造物を形成し、光の放出効率を向上させる。
換言すれば、本発明のシリコン発光素子は、発光層上部に結晶質膜ではない非晶質膜が形成されても、ドライエッチング工程を利用して光の放出効率を向上させることができる。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。しかし、以下に例示する本発明の実施例は、さまざまな異なる形態に変形され、本発明の範囲が後述の実施例にのみ限定されるものではなく、互い異なる多様な形態に具現されうる。本発明の実施例は、当業界で当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。図面で膜または領域の大きさまたは厚さは、明細書の明確性のために誇張されている。
図１は、本発明の第１実施例によるシリコン発光素子の構造を表した斜視図である。
具体的に、下部電極層１０２の形成された基板１００上に、下部ドーピング層１０４が形成されている。前記基板１００は、ｐ型シリコン基板、ｎ型シリコン基板またはガラス基板から構成する。前記下部電極層１０２は、金属膜によって構成する。前記下部電極層１０２を構成する金属膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＰｔのうちいずれか一つからなる単一膜またはそれらの合金膜によって構成する。
具体的に、下部電極層１０２の形成された基板１００上に、下部ドーピング層１０４が形成されている。前記基板１００は、ｐ型シリコン基板、ｎ型シリコン基板またはガラス基板から構成する。前記下部電極層１０２は、金属膜によって構成する。前記下部電極層１０２を構成する金属膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＰｔのうちいずれか一つからなる単一膜またはそれらの合金膜によって構成する。
前記下部ドーピング層１０４は、前記下部電極層１０２と電気的に連結される。前記下部ドーピング層１０４は、ｐ型またはｎ型シリコンドーピング膜によって構成する。前記下部ドーピング層１０４は、シリコンカーボン膜（ＳｉＣ）またはシリコンカーボンナイトライド膜（ＳｉＣＮ）によって形成する。前記下部ドーピング層１０４は、発光層１０６にキャリア、例えば電子やホールを均一に供給して発光効率を高めるための層である。前記基板１００は、ｐ型シリコンドーピング層やｎ型シリコンドーピング層を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から構成する場合、下部ドーピング層１０４を別途に形成しなくともよい。
前記下部ドーピング層１０４上に、発光特性を示す発光層１０６が形成されている。前記発光層１０６は、シリコン半導体膜、例えば非晶質シリコンナイトライド基質内に、シリコン量子点やナノドットを有するもので構成する。前記発光層１０６は、非晶質膜によって構成する。前記発光層１０６上に、発光層１０６にキャリア、例えば電子やホールを均一に供給して発光効率を高めるための層として、上部ドーピング層１０８が形成されている。
前記上部ドーピング層１０８は、ｐ型またはｎ型シリコンドーピング膜によって構成する。前記上部ドーピング層１０８は、シリコンカーボン膜（ＳｉＣ）またはシリコンカーボンナイトライド膜（ＳｉＣＮ）のような非晶質膜によって構成する。前記発光層１０６を基準に、両側の下部ドーピング層１０４及び上部ドーピング層１０８は、互いに導電型が反対に構成する。
前記上部ドーピング層１０８上に、非晶質膜で上部電極層１１０が形成されている。前記上部電極層１１０は、透明電極膜によって構成する。前記上部電極層１１０は、前記上部ドーピング層１０８と電気的に連結される。前記上部電極層１１０は、ＩｎＳｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＮｉＯまたはＣｕ2ＳｒＯ2のような酸化物電極、またはＣｕＩｎＯ2：ＣａやＩｎＯ：Ｍｏのように、ｎ型またはｐ型をドーピングした酸化物電極によって構成する。
前記上部電極層１１０上に、幾何光学的（geometric optics）、すなわちスネル法則（Snell's law）によって、光の放出効率を向上させるためにミクロンスケール（micron scale）、例えば１ないし２０μｍ以下の大きさに表面パターン１１２ａが形成されている。前記表面パターン１１２ａは、光の放出効率を向上させるための表面構造物であり、上部電極層１１０上で凸凹状に屈曲をなすように形成されている。前記表面パターン１１２ａによる光の放出効率向上については、詳細に後述する。
前記表面パターン１１２ａは、多様な形態によって構成され、複数個の円柱または多角柱から構成できる。前記表面パターン１１２ａの大きさ（横サイズ）は、ミクロンスケール、例えば１ないし２０μｍ以下に構成する。前記表面パターン１１２ａの配置は、図１のように縦横の方向に整列された形態に構成されるし、非整列形態に構成されもする。
前記表面パターン１１２ａは、透明膜によって構成する。前記表面パターン１１２ａは、シリコンナイトライド層（ＳｉＮ）のような非晶質膜によって構成する。前記表面パターン１１２ａは、伝導性または非伝導性の薄膜によって構成できる。前記表面パターン１１２ａは、前記上部ドーピング層１０８及び上部電極層１１０と屈折率が類似しているか（実質的に同じであるか）、またはさらに小さな物質から構成して光の放出効率を向上させる。
図１のようなシリコン発光素子の構成において、前記下部電極層１０２及び上部電極層１１０に電流を加えれば、電子または正孔からなるキャリアは、前記下部ドーピング層１０４及び上部ドーピング層１０８を経て、前記発光層１０４に安定的に注入される。キャリアが安定的に注入された前記発光層１０４は、シリコンナノドットや量子点によって自体発光する。このように発光した光は、前記表面パターン１１２ａによって放出効率が上昇する。前記表面パターン１１２ａによる放出効率上昇については、さらに詳細に後述する。
図２は、本発明の第２実施例によるシリコン発光素子の構造を示した斜視図である。
図２で、図１と同じ参照番号は、同じ部材を示す。本発明の第２実施例によるシリコン発光素子は、第１実施例と比較して、表面パターン１１２ａ、上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａを表面構造物２２２ａとして形成し、発光する光の放出効率を向上させることを除いては、同一である。
図２で、図１と同じ参照番号は、同じ部材を示す。本発明の第２実施例によるシリコン発光素子は、第１実施例と比較して、表面パターン１１２ａ、上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａを表面構造物２２２ａとして形成し、発光する光の放出効率を向上させることを除いては、同一である。
本発明の第２実施例によるシリコン発光素子は、下面に下部電極層１０２の形成された基板１００上に、下部ドーピング層１０４及び発光層１０６が形成されている。前記下部ドーピング層１０４及び発光層１０６の構成は、第１実施例と同一である。前記発光層１０６上に、上部ドーピングパターン１０８ａ、上部電極パターン１１０ａ及び表面パターン１１２ａが順次に形成されている。
これにより、本発明の第２実施例によるシリコン発光素子は、上部ドーピングパターン１０８ａ、上部電極パターン１１０ａ及び表面パターン１１２ａを表面構造物２２２ａとして構成し、前記表面構造物２２２ａが幾何光学的に発光する光の放出効率を上昇させる。換言すれば、本発明の第２実施例によるシリコン発光素子は、複数個の柱状に構成された表面構造物２２２ａによって、幾何光学的に発光する光の放出効率を上昇させる。
図３は、本発明の第３実施例によるシリコン発光素子の構造を示した斜視図である。
具体的に、図３で、図１及び図２と同じ参照番号は、同じ部材を示す。本発明の第３実施例によるシリコン発光素子は、第２実施例と比較して、表面パターン１１２ａを形成しないことを除いては、同一である。
具体的に、図３で、図１及び図２と同じ参照番号は、同じ部材を示す。本発明の第３実施例によるシリコン発光素子は、第２実施例と比較して、表面パターン１１２ａを形成しないことを除いては、同一である。
本発明の第３実施例によるシリコン発光素子は、下面に下部電極層１０２の形成された基板１００上に、下部ドーピング層１０４及び発光層１０６が形成されている。前記下部ドーピング層１０４及び発光層１０６の構成は、第１実施例と同一である。前記発光層１０６上に、上部ドーピングパターン１０８ａ及び上部電極パターン１１０ａが順次に形成されている。
これにより、本発明の第３実施例によるシリコン発光素子は、上部ドーピングパターン１０８ａ及び上部電極パターン１１０ａを表面構造物３２２ａとして構成し、前記表面構造物３２２ａが幾何光学的に発光する光の放出効率を上昇させる。換言すれば、本発明の第３実施例によるシリコン発光素子は、複数個の柱状に構成された表面構造物３２２ａによって、幾何光学的に発光する光の放出効率を上昇させる。
図４ないし図７は、図１の第１実施例によるシリコン発光素子の製造方法について説明するための断面図である。
具体的に、基板１００の下部に、下部電極層１０２を形成する。前記基板１００は、ｐ型シリコン基板、ｎ型シリコン基板またはガラス基板を利用する。前記下部電極層１０２は、金属膜を蒸着して形成する。前記下部電極層１０２を構成する金属膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＰｔのうち、いずれか一つからなる単一膜またはそれらの合金膜によって形成する。前記下部電極層１０２は、約１５０Åの厚さに形成する。
次に、下部電極層１０２の形成された基板１００上に、下部ドーピング層１０４を形成する。前記下部ドーピング層１０４は、前記下部電極層１０２と電気的に連結される。前記下部ドーピング層１０４は、シリコンカーボン膜（ＳｉＣ）またはシリコンカーボンナイトライド膜（ＳｉＣＮ）によって形成する。前記下部ドーピング層１０４は、ｐ型またはｎ型シリコンドーピング膜によって形成する。前記基板１００は、ｐ型シリコンドーピング膜やｎ型シリコンドーピング膜を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板によって構成する場合、下部ドーピング層１０４を別途に形成しなくともよい。
前記下部ドーピング層１０４上に、発光特性を示す発光層１０６を形成する。前記発光層１０６は、シリコン半導体層、例えば非晶質シリコンナイトライド層内に、シリコン量子点やナノドットを有するように形成する。前記発光層１０６は、非晶質膜によって形成する。
図５を参照すれば、前記発光層１０６上に、上部ドーピング層１０８を形成する。前記上部ドーピング層１０８は、ｐ型またはｎ型シリコンドーピング膜によって形成する。前記上部ドーピング層１０８は、前記発光層１０６上にドーピング物質を含有した物質層を形成した後、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）工程でドーピング物質を活性化させて形成する。前記上部ドーピング層１０８用の物質層は、シリコンカーボン層（ＳｉＣ）またはシリコンカーボンナイトライド層（ＳｉＣＮ）のような非晶質膜によって形成する。前記発光層１０６を基準に、両側の下部ドーピング層１０４及び上部ドーピング層１０８は、互いに導電型が反対に形成する。
次に、前記上部ドーピング層１０８上に、非晶質の上部電極層１１０を形成する。前記上部電極層１１０は、上部ドーピング層に注入されるキャリアの移動と光の放出とを妨害しないように、透明電極膜をＰＬＤ（Pulse Laser Deposition）法で１５０℃で蒸着した後、真空雰囲気の５００℃で３０分間熱処理して形成する。前記上部電極層１１０は、前記上部ドーピング層１０８と電気的に連結される。前記上部電極層１１０は、ＩｎＳｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＮｉＯまたはＣｕ2ＳｒＯ2の酸化物電極、またはＣｕＩｎＯ2：ＣａやＩｎＯ：Ｍｏのようにｎ型またはｐ型不純物のドーピングされた酸化物電極によって形成する。
前記上部電極層１１０上に、後工程でフォトリソグラフィ工程及びドライエッチング工程によって、光の放出効率を向上させることのできる表面層１１２を形成する。前記表面層１１２は、シリコンナイトライド膜（ＳｉＮ）のような非晶質膜によって形成する。前記表面層１１２は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法で２５０℃で形成する。前記表面層１１２は、前記上部ドーピング層１０８及び上部電極層１１０と屈折率が類似しているか、またはさらに小さい物質によって構成し、光の放出効率を向上させる。
図６及び図７を参照すれば、図６に図示されているように、前記表面層１１２上に、フォトリソグラフィ工程を利用し、ミクロンスケールの幅と間隔とを有するフォトレジストパターン１１４を形成する。前記フォトレジストパターン１１４の幅とその間の間隔は、ユーザによって多様に調節する。
次に、図７に図示されているように、前記フォトレジストパターン１１４をエッチングマスクとして表面層１１２をドライエッチングし、幾何光学的に光の放出効率を向上させるためのミクロンスケールでの表面パターン１１２ａを形成する。換言すれば、前記上部電極層１１０上に、光の放出効率を向上させるための表面構造物として、前記表面パターン１１２ａを形成する。
前記表面層１１２のドライエッチングは、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）法やＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を利用して行う。前記表面層１１２のドライエッチング時に、Ｎ2、Ｏ2、Ａｒ、ＣＦ4、ＳＦ6、ＮＦ3及びＣＨＦ3の単一ガスまたは混合ガスによるプラズマを利用する。一例として、前記ドライエッチング時でのエッチング条件は、エッチングパワー１００Ｗ、セルフバイアス電圧２３０Ｖ、エッチングガス：ＣＦ4：Ａｒ＝２０：５ｓｃｃｍ、工程圧力３０ｍＴｏｒｒ、エッチング速度２０ｎｍ／分で行う。
本発明のシリコン発光素子で、前記表面層１１２がシリコンナイトライド膜（ＳｉＮ）のように結晶質膜ではない非晶質膜によって構成しても、本発明は、ドライエッチングによって所望の様子と形態とに自由に表面パターン１１２ａを形成できる。前記表面層１１２のドライエッチング後に、フォトレジストパターン１１４を除去して図１のシリコン発光素子を形成する。
図８は、図２の第２実施例によるシリコン発光素子の製造方法について説明するための断面図である。
具体的に、図８で、図４ないし図７と同じ参照番号は、同じ部材を示す。図２の第２実施例によるシリコン発光素子の製造方法は、図１の第１実施例によるシリコン発光素子の製造方法と比較して、表面パターン１１２ａ、上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａを表面構造物２２２ａとして形成することを除いては、同一である。
さらに詳細に、図４ないし図６の製造工程を行う。これにより、図６に図示されているように、表面層１１２上にミクロンスケールの幅と間隔とを有するフォトレジストパターン１１４が形成される。
次に、図８に図示されているように、前記フォトレジストパターン１１４をエッチングマスクとして、表面層１１２、上部電極層１１０及び上部ドーピング層１０８を順次にエッチングし、光の放出効率を向上させるためのミクロンスケールでの表面パターン１１２ａ、上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａを形成する。これにより、図８のシリコン発光素子は、表面パターン１１２ａ、上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａからなる表面構造物２２２ａによって、光の放出効率を向上させる。
図８の表面層１１２、上部電極層１１０及び上部ドーピング層１０８のドライエッチングは、図７と同様に、ＩＣＰ法やＲＩＥ法を利用して行う。
特に、本発明のシリコン発光素子で、図８の表面層１１２、上部電極層１１０及び上部ドーピング層１０８は、結晶質膜ではない非晶質膜によって構成しても、ドライエッチングでもって所望の様子と形態に自由に表面構造物２２２ａに形成できる。前記表面構造物２２２ａの形成後に、フォトレジストパターン１１４を除去して図２のシリコン発光素子を形成する。
図９及び図１０は、図３の第３実施例によるシリコン発光素子の製造方法について説明するための断面図である。
具体的に、図９及び１０で、図４ないし図７と同じ参照番号は、同じ部材を示す。図３の第３実施例によるシリコン発光素子の製造方法は、図２の第２実施例によるシリコン発光素子の製造方法と比較して、表面パターン１１２ａの形成なしに上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａを表面構造物３２２ａとして形成することを除いては、同一である。
さらに詳細に、図５の製造工程のうち、表面層１１２の形成を除いて同じ工程を行う。換言すれば、図９に図示されているように、下部電極層１０２の形成された基板１００上に、下部ドーピング層１０４、発光層１０６、上部ドーピング層１０８及び上部電極層１１０を形成する。次に、前記上部電極層１１０上に、フォトリソグラフィ工程を利用してミクロンスケールの幅と間隔とを有するフォトレジストパターン１１４を形成する。前記フォトレジストパターン１１４の幅と間隔は、ユーザによって多様に調節する。
次に、図１０に図示されているように、前記フォトレジストパターン１１４をエッチングマスクとして上部電極層１１０及び上部ドーピング層１０８を順次にドライエッチングし、光の放出効率を向上させるためにミクロンスケールに上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａを形成する。これにより、図１０のシリコン発光素子は、上部電極パターン１１０ａ及び上部ドーピングパターン１０８ａからなる表面構造物３２２ａによって光の放出効率を向上させる。
図１０の上部電極層１１０及び上部ドーピング層１０８のエッチングは、図７及び図８と同様に、ＩＣＰ法やＲＩＥ法を利用して行う。
特に、本発明のシリコン発光素子で、図１０の上部電極層１１０及び上部ドーピング層１０８は、結晶質膜ではない非晶質膜によって構成しても、所望の様子と形態とに自由に表面構造物３２２ａとして形成できる。前記表面構造物３２２ａのエッチング後に、フォトレジストパターン１１４を除去して図３のシリコン発光素子を形成する。
図１１は、本発明によるシリコン発光素子の光放出を説明するための概略図である。
具体的に、便宜上一次元モデルを利用して本発明によるシリコン発光素子の光放出について説明する。発光層１０６に該当する光源ソース４００が本発明の表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの底面からｈ２ほどの距離ほど離れていると仮定する。そして、本発明の表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの高さは、ｈ１、周期はＰ、大きさはＳであると仮定する。これにより、前記表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａは、凸凹状の屈曲パターンによって構成される。それにより、光源ソース４００から表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａを介して外部に光が伝えられるが、表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａと外部との屈折率差によって、幾何光学、すなわちスネルの法則が適用される。
具体的に、便宜上一次元モデルを利用して本発明によるシリコン発光素子の光放出について説明する。発光層１０６に該当する光源ソース４００が本発明の表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの底面からｈ２ほどの距離ほど離れていると仮定する。そして、本発明の表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの高さは、ｈ１、周期はＰ、大きさはＳであると仮定する。これにより、前記表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａは、凸凹状の屈曲パターンによって構成される。それにより、光源ソース４００から表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａを介して外部に光が伝えられるが、表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａと外部との屈折率差によって、幾何光学、すなわちスネルの法則が適用される。
すなわち、光源ソース４００から外部に伝えられる光は、本発明のように表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａのある場合、参照番号４０４で表示してあるように、幾何光学によって光の経路がさらに存在し、外部に放出される放出効率が上昇する。
換言すれば、光源ソース４００から外部に伝えられる光は、表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａのない場合、幾何光学によって参照番号４０２で表示したような光の経路のみ存在し、外部に放出される放出効率が低い。しかし、本発明のように、表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａのある場合、幾何光学によって、光の経路が参照番号４０２及び４０４のようにさらに多く存在し、外部に放出される光の放出効率を上昇させることができる。
図１２は、図１１のような一次元モデルを利用し、本発明のシリコン発光素子の表面構造物の屈折率に対する光放出の検出確率をシミュレーションして図示したグラフである。
具体的に、図１１のような一次元モデルを利用するとき、周期Ｐ及び大きさＳは、それぞれ４μｍ及び２．４μｍ、光源ソース４００から光が放出される放出角は８°、光源ソース４００及び表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの底までの距離ｈ２は０．５μｍ、及び表面構造物の高さｈ１は、０μｍ（□）、０．５μｍ（○）、１μｍ（△）及び１．５μｍ（▽）である。図１２に図示されているように、一定の屈折率、例えば屈折率２で、表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの高さが高いほど、検出確率が高いということが分かる。
図１３は、図１１のような一次元モデルを利用し、本発明のシリコン発光素子の表面構造物の大きさ／周期比に対する光放出の検出確率をシミュレーションして図示したグラフである。
具体的に、図１１と同じ一次元モデルを利用するとき、表面構造物の屈折率は２、光源ソース４００から光が放出される放出角は８°、光源ソース４００及び表面構造物１１２ａ，２２２ａ，３２２ａの底までの距離ｈ２は１μｍ、及び表面構造物の高さｈ１は１μｍであり、周期Ｐは、４μｍ（□）、８μｍ（○）、１６μｍ（△）、３２μｍ（▽）及び６４μｍ（◇）である。図１３に図示されているように、表面構造物の周期Ｐが４μｍであり、大きさ／周期比が０．６である場合、検出確率が最も高いということが分かる。
このように、図１２及び図１３から、図１ないし図３のシリコン発光素子を構成したり、または製造するとき、表面構造物の底及び光源ソース、例えば発光層の表面までの距離並びに表面構造物の周期、大きさ及び高さを最適化できる。
図１４は、実際に本発明による構成されたシリコン発光素子の発光効率を説明するためのグラフである。
具体的に、○は、図１ないし図３のように表面構造物の形成された本発明のシリコン発光素子の発光効率を示し、□は、図１ないし図３のようなシリコン発光素子で、表面構造物のない場合の発光効率を示す。図１４から分かるように、本発明のように表面構造物の形成されたシリコン発光素子は、そうではない場合に比べて、電界発光の強度が最高約２．８倍であるということが分かる。
図１５は、本発明のシリコン発光素子の電界発光強度を測定しつつ撮影した写真である。
具体的に、本発明のシリコン発光素子の電界発光強度を測定しつつ、発光イメージを撮影してみれば、発光面３００の内部に網状の表面構造物を明確に確認することができる。そして、表面構造物の形成された発光面３００の内部を境界面３０２と比較してみれば、肉眼で見ても発光面３００内部の明るさが境界面３０２より大きいということを確認することができる。図１５で、参照番号３０４は、電圧を印加するためのピンを示す。
Claims (20)
- 下部に下部電極層の形成された基板と、
前記基板上に形成されて発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層と、
前記下部ドーピング層上に形成され、シリコン半導体層にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層と、
前記発光層上に形成され、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層と、
前記上部ドーピング層上に形成された上部電極層とを備え、
前記上部電極層上に形成された表面パターンや、前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして設けられた上部電極パターン及び上部ドーピングパターンや、前記表面パターン、上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを表面構造物として利用し、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させることを特徴とするシリコン発光素子。 - 前記表面パターンは、複数個の円柱または多角柱で構成することを特徴とする請求項１に記載のシリコン発光素子。
- 前記表面パターンを構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配されていることを特徴とする請求項２に記載のシリコン発光素子。
- 前記表面パターンは、伝導性または非伝導性の透明非晶質膜によって構成することを特徴とする請求項１に記載のシリコン発光素子。
- 前記上部ドーピング層は、シリコンカーボン層（ＳｉＣ）またはシリコンカーボンナイトライド層（ＳｉＣＮ）のような非晶質膜によって構成し、前記上部電極層は、ＩｎＳｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＮｉＯまたはＣｕ2ＳｒＯ2の酸化物電極、またはｐ型またはｎ型不純物がドーピングされたＣｕＩｎＯ2：ＣａやＩｎＯ：Ｍｏの酸化物電極によって構成することを特徴とする請求項１に記載のシリコン発光素子。
- 基板の下部に下部電極層を形成する段階と、
前記基板上部に、発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層を形成する段階と、
前記下部ドーピング層上に、シリコン半導体膜にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層を形成する段階と、
前記発光層上に、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層を形成する段階と、
前記上部ドーピング層上に上部電極層を形成する段階と、
表面構造物として、前記上部電極層上に表面パターンを形成したり、前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを形成したり、前記表面パターン、上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを利用して、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させる段階とを含むことを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。 - 前記表面パターンの形成は、
前記上部電極層上に表面層を形成する段階と、前記表面層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記表面層をドライエッチングする段階とを含むことを特徴とする請求項６に記載のシリコン発光素子の製造方法。 - 前記上部電極パターン及び上部ドーピングパターンによる表面構造物の形成は、
前記上部電極層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記上部電極層及び上部ドーピング層をドライエッチングする段階とを含むことを特徴とする請求項６に記載のシリコン発光素子の製造方法。 - 前記表面パターンは、複数個の円柱または多角柱によって形成することを特徴とする請求項７に記載のシリコン発光素子の製造方法。
- 前記表面パターンを構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配して形成することを特徴とする請求項９に記載のシリコン発光素子の製造方法。
- 前記表面パターン、上部ドーピング層及び上部電極層は、非晶質膜によって形成することを特徴とする請求項６に記載のシリコン発光素子の製造方法。
- 下部に下部電極層の形成された基板と、
前記基板上に形成されて発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層と、
前記下部ドーピング層上に形成され、シリコン半導体層にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層と、
前記発光層上に形成され、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層と、
前記上部ドーピング層上に形成された上部電極層とを備え、
前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして設けられた上部電極パターン及び上部ドーピングパターンを表面構造物として利用し、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させることを特徴とするシリコン発光素子。 - 前記表面構造物は、複数個の円柱または多角柱で構成することを特徴とする請求項１２に記載のシリコン発光素子。
- 前記表面構造物を構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配されていることを特徴とする請求項１３に記載のシリコン発光素子。
- 前記上部ドーピング層は、シリコンカーボン層（ＳｉＣ）またはシリコンカーボンナイトライド層（ＳｉＣＮ）のような非晶質膜によって構成し、
前記上部電極層は、ＩｎＳｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＮｉＯまたはＣｕ2ＳｒＯ2の酸化物電極、またはｐ型またはｎ型不純物がドーピングされたＣｕＩｎＯ2：ＣａやＩｎＯ：Ｍｏの酸化物電極によって構成することを特徴とする請求項１２に記載のシリコン発光素子。 - 基板の下部に下部電極層を形成する段階と、
前記基板上部に、発光層にキャリアを供給する下部ドーピング層を形成する段階と、
前記下部ドーピング層上に、シリコン半導体膜にシリコン量子点やナノドットを有して発光特性を示す発光層を形成する段階と、
前記発光層上に、前記発光層にキャリアを供給する上部ドーピング層を形成する段階と、
前記上部ドーピング層上に上部電極層を形成する段階と、
前記上部電極層及び上部ドーピング層をパターニングして上部電極パターン及び上部ドーピングパターンで表面構造物を形成する段階とを含むが、前記表面構造物は、幾何光学的に前記発光層から放出される光の放出効率を向上させることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。 - 前記上部電極パターン及び上部ドーピングパターンの形成は、
前記上部電極層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記上部電極層及び上部ドーピング層をドライエッチングする段階とを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシリコン発光素子の製造方法。 - 前記表面構造物は、複数個の円柱または多角柱によって形成することを特徴とする請求項１６に記載のシリコン発光素子の製造方法。
- 前記表面構造物を構成する複数個の円形または多角形柱は、整列か非整列形態に配して形成することを特徴とする請求項１８に記載のシリコン発光素子の製造方法。
- 前記上部ドーピング層及び上部電極層は、非晶質膜によって形成することを特徴とする請求項１６に記載のシリコン発光素子の製造方法。
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