KR100291456B1 - 광전자재료및그를이용한장치와,광전자재료의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제어가능한 전기적 특성을 가지는 균일 매질와, 100㎚이하의 평균 입자 크기를 가지며 상기 균일 매질 내에 분산된 반도체 초미립자를 갖는 광전자 재료와, 이를 사용한 응용 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 저압의 불활성 가스 분위기의 반응 챔버 내에 마련된 제 1 타겟의 반도체 물질과 상기 반응 챔버 내에 마련된 제어가능한 전기적 특성을 갖는 제 2 타겟 매질 물질에 레이저 빔을 조사하는 단계와, 100㎚이하의 평균 입자 크기를 갖는 초미립자로서 수집될 상기 제 1 타겟으로부터 애블레이트된 반도체 물질을 상기 반응 챔버 내에 마련된 기판 상에 농축 및 성장시키는 단계와, 상기 반응 챔버 내에 마련된 기판 상에 수집될 제 2 타겟으로부터 애블레이트된 매질 물질을 농축 및 성장시켜 매질 내에 분산된 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층을 기판 상에 형성하는 광전자 재료 제조 방법에 관한 것이다.
Description
종래의 발광 장치(light-emitting device)로는 발광 다이오드와 실용적으로 사용되는 일렉트로루미네슨스를 이용한 장치가 있다. 이러한 발광 장치에 사용되는 광전자 재료들로는 주기율표에서 Ⅲ족 원소와 Ⅴ족 원소가 주성분인 화합물 반도체(이하, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 지칭됨) 혹은 Ⅱ족 원소와 Ⅵ족 원소가 주성분인 화합물 반도체(이하, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로 지칭됨)가 있지만, 실리콘(Si)은 포함되지 않는다. 이러한 것은, 실리콘이 적외선 영역 근처에서 그 밴드갭이 1.1 eV인 간접 천이(indirect transition) 반도체로서 가시광선 영역에서는 발광 장치를 구현할 수 없는 것으로 여겨지기 때문이다.
1990년 상온에서 다공성 Si의 가시광선 방출에 관한 논문(가령, 1990년, L. T. Canham, Applied Physics letters Vol.57, No.10, 1046) 이후, 상온에서 기본 물질인 Si의 가시광선 방출 특성에 관한 연구가 열정적으로 행해져 왔다. 이러한 대부분의 연구는 다공성 SI에 관심이 모아지고 있다.
이러한 발광성 다공 Si은 기본적으로 플루오르화 수소가 주성분인 용액으로 단결정 Si 기판 표면을 양극 산화 처리함으로써 형성되고, 800nm(적색) 내지 425nm(청색) 범위에서 수개의 파장의 포토루미네슨스(PL)가 지금까지 관측되고 있다. 최근, 전류 주입 여기(일렉트로루미네슨스(electroluminescence;EL)를 이용한 발광이 시도되고 있다(가령, 공개되었지만 심사청구되지 않은 일본국 특허 출원 제 5-206514호를 참조).
이러한 다공성 Si의 EL은 다음과 같은 특성을 갖는다.
(1) EL 및 PL의 스펙트럼은 비록 세기에서 약간의 차이가 나지만 실질적으로 동일한 형태를 갖는다.
(2) EL 세기는 실제로 사용 가능하다고 추정되는 주입 전류 밀도 범위내의 주입 전류에 비례한다. 하지만, 주입 전류 밀도가 전술의 범위 보다 낮은 범위에서, EL 세기는 주입 전류의 제곱에 비례한다고 보고되고 있음을 주목해야 한다.
특성 (1)은 EL 및 PL이 대략 동일한 루미네슨스 레벨을 통한 캐리어(여기된전자-정공 쌍)의 재결합에 의해 야기됨을 나타내며, 특성 (2)는 EL에 대해 필수인 캐리어 생성은 대부분 p-n 접합의 근방에서 소수 캐리어의 주입에 의해 달성된다는 것을 나타낸다.
간접 천이 반도체인 Si의 방출 메카니즘과 관련하여, 광학 천이에 대한 파수(wave number) 선택 규정이 다공성 형상이 나노미터(nm) 정도인 삼차원 미세 구조 영역에서 완화되어 전자-정공 쌍의 방출 재결합을 보장한다고 하는 견해와, 다원 링 산화물(many-remembered ring oxide), 즉 폴리실록산이 다공성 실리콘 표면상에 형성되고 방출 재결합에 기여하는 새로운 에너지 레벨이 폴리실록산/실리콘 경계면에서 형성된다고 하는 견해가 있다. 여하튼, 광 여기와 관련하여 에너지 밴드 구조의 변화(밴드갭 에너지가 증가하는 현상)가 양자 구속 효과(quantum confinement effect)에 의해 발생된다고 하는 것이 확실한 것 같다.
또한, 다공성 Si로부터의 루미네슨스는 대략 0.3eV 혹은 그 이상의 광폭 스펙트럼을 갖는다. 이러한 점에 있어서, 최초 생성된 연속 스펙트럼에서 특정 파장 영역의 세기를 증대하기 위해, 상기 다공성 Si를 이용하여 공동 구조체를 형성할려는 시도가 몇번 있었다(가령, L. Pavesi et al., Applied Physics Letters Vol. 67, 3280(1995년)을 참조).
종래의 광전자 재료들은 직접 천이형(direct transition type)의 Ⅲ-Ⅴ족 원소 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 원소를 주성분으로 하는 화합물 반도체를 사용하고 있기 때문에, 양이 매우 작으며, 정제 비용이 높은 한편 방출 효율도 높은 원소(인듐, 등)를 함유하고 있다. 또한, 반도체 제조 기법인 화합물 반도체 미세 패터닝 기법은 Si에대한 미세 패터닝 기법과 비교할 때 아직 그 기술 수준이 낮아, 미크론(um) 혹은 그 이하 정도의 미세 패턴을 형성하기가 곤란하다. 또한, Ⅲ족 혹은 Ⅴ족 원소들은 Si의 도펀트(dopant)의 역할을 하여, 전기 전도성에 영향을 끼친다. 다시 말해서, 자연 발광 장치가 반도체 물질을 주성분으로 하는 반면, 전형적인 전자 장치인 Si-LSI에 대한 공정 및 장치 기술과의 정합성이 미약하며, 일체화된 Si 및 LSI를 갖는 장치를 거의 제조할 수 없다. 또한, 방출 파장을 조정하기 위해서는 광전자 재료의 종류가 변화되어야 하고(즉, 새로운 물질이 발견되어야 하고) 제조 방법이 완전히 재구성되어야 한다고 하는 필수불가결한 문제가 발생한다.
발광 다공성 Si에 대해, 용액의 양극산화 처리에 의해 단결정 Si 기판의 표면상에 다공성 층이 형성되어, 다공성 층의 결정이 우수한 결정성을 가지는 반면, 결정의 형상과 크기를 제어하는 것이 어렵다. 특히, 입자 크기가 5nm 혹은 그 이하의 구형 결정(spherical crystalline)을 효율적으로 제조하기가 어렵다. Si 기반의 Ⅵ족 물질의 가시광선 방출 메카니즘이 양자의 크기 효과(파수 선택 규정의 완화, 양자 구속 효과 등에 기인한 밴드 구조의 변화)에 있다면, nm 정도의 입자 크기를 갖는 구형 결정을 제조하는 것이 여전히 필수로 된다. 이러한 점에서, 상기 제조 기법은 최적화된 기법이라 할 수 없다.
또한, 다공성 Si 기반의 발광 소자들을 일정하게 배열하여 개별적으로 동작시킴으로써 디스플레이 장치의 성능을 기술하고자 할 때에 어려움이 있다. 특히, 다공성 Si가 Si 기판 상에 직접 형성되므로, 소자들간의 전기적 독립(분리)을 유지할 수 없다. 또한, 가시광선 영역에서 높은 투과도를 갖는 투과성 물질과 같이또다른 물질을 갖는 적층 구조체를 형성할 수 없다.
Ⅳ족 원소의 입자들 혹은 Ⅳ족 원소의 일부 산화 처리된 입자들을 발광 전극간에 배열하는 체계가 가령, 공개되어 심사된 일본국 특허 출원 제 7-52670호에 개시되고 있지만, 전기적 특성을 제어하는데 곤란성을 가지며, 다양한 종류의 발광 장치 및 광 검출기에는 적응될 수 없다. 따라서, 이러한 최신의 기술은 전기적 특성을 제어함으로써 다양한 발광 장치 및 광 검출기에 적응될 수 있는 광전자 재료를 제공할 수는 없다.
본 발명은 광전자 재료, 그 응용 장치, 광전자 재료를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 양이 제한되어 있지 않으며, 환경 오염이 없으며, Si-LSI 기법 정합성, 자연 광방출, 고속 응답, 화소 소형화, 저소비 전력, 환경에 대한 고저항성, 비조립 공정에 우수한 물질로서 입자 크기가 조절되는 반도체 초미립자가 핵심을 이루는 광전자 재료와, 이러한 광전자 재료의 응용 장치, 이러한 광전자 재료를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 장치의 단면 구조도이고,
도 2a 및 도 2b는 발광 장치의 전류 대 전압의 특성 곡선을 도시한 도면이고,
도 3은 발광 장치의 방출 세기 대 전류의 특성 곡선을 도시한 도면이고,
도 4는 발광 장치의 방출 세기 대 듀티 비의 특성 곡선을 도시한 도면이고,
도 5는 발광 장치의 PL 및 EL의 방출 세기 대 광자 에너지의 특성 곡선을 도시한 도면이고,
도 6a 내지 도 6b는 발광 장치의 초미립자 입자 크기와 밴드갭 에너지 사이의 관계를 나타내는 특성도이고,
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 장치의 단면도이고,
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 흑백 디스플레이 장치의구조도이고,
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 컬러 디스플레이 장치의 구조도이고,
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 포터블 디스플레이 장치의 필수 구조를 도시한 개념도이고,
도 11a 내지 도 11b는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 HMD의 구조를 도시한 단면도이고,
도 12는 안경형 HMD의 장착 사시도이고,
도 13은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 HMD의 단면 구조도이고,
도 14는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 광전 변환 장치의 단면 구조도이고,
도 15는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 광전 변환 장치의 단면 구조도이고,
도 16은 본 발명의 제 10 실시예에 따른 컬러 센서의 단면 구조도이고,
도 17은 컬러 센서의 각각의 광전 변환층의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이고,
도 18a 및 18b는 본 발명의 제 11 실시예에 따른 광전자 재료의 단면 구조도이고,
도 19a 및 도 19b는 도 18a 및 도 18b에 도시된 광전자 재료의 방출 스펙트럼을 도시한 도면이고,
도 20은 본 발명의 제 12 실시예에 따른 광전자 재료의 단면 구조도이고,
도 21a 내지 도 21c는 본 발명의 제 13 실시예에 따른 혼합 타겟을 형성하는 단계를 설명하는 도면이고,
도 22는 초미립자들을 마련하기 위한 장치의 개념도를 도시한 도면이고,
도 23은 초미립자들의 평균 입자 크기와 불활성 가스 압력 간의 관계를 도시한 특성도이고,
도 24는 초미립자들에 대한 입자 크기 제어 장치의 개념도이고,
도 25는 본 발명의 제 14 실시예에 따른 광전자 재료 제조 장치의 개념도이고,
도 26은 본 발명의 제 15 실시예에 따른 하이브리드 캐소드 장치(hybrid cathode apparatus)의 구조도이고,
도 27은 광전자 재료를 제조하기 위한 복합 증착 장치의 구조도이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 양이 무한정이며 환경 오염이 없는 물질로서, Si-LSI 기법 정합성, 자연 발광성, 고속 응답성, 화소 소형화, 저소비 전력, 환경에 대한 고저항성, 비조립 공정과 같은 특성들을 갖는 광전자 재료와, 이러한 광전자 재료의 응용 장치, 이러한 광전자 재료를 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광전자 재료는 도전율 혹은 유전 상수를 제어할 수 있는 거의 균일한 매질 내에 분산되어 있는 초미립자들을 갖는다. 이에 따라 초미립자내의 캐리어 주입 혹은 초미립자내의 캐리어의 양자 구속을 효율적이고 제어가능하게 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전자 재료는 임의의 한 층상에서 초미립자 분산층과 투과성 물질층이 교대로 적층된 주기적 구조(periodic structure)를 갖는다. 이러한 구조는 초미립자에 의해 검출되거나 생성되는 연속하는 스펙트럼에서 특정 파장 영역의 세기를 증대시키는 특성을 갖는 광전자 재료를 제공케 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전자 재료는 초미립자를 포함하는 활성층과, 이 활성층에 대해 샌드위치형으로 형성되는 고반사층과 일부 반사층을 갖는다. 이러한 것은 검출 및 방출된 광의 파장을 협소화할 수 있으며, 세기를 증대시킬 수 있다.
또한, 광전자 재료에 직접 접촉되는 방식으로 광전자 재료에 대해 샌드위치형 구성된 전극들의 쌍과 더불어, 발광 장치, 디스플레이 장치, 또는 광전 변환 장치를 형성하는 전술한 광전자 재료를 사용함으로써, 상기 전극들과 광전자 재료층 사이의 전기적 접촉을 적절히 제어하여 발광 혹은 광전 변환 기능을 효과적으로 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 포터블 디스플레이 장치(portable display apparatus)는 디스플레이 장치를 필수 구성요소로 하여 설계된다. 이러한 설계에 따라, 크기 및 무게 감소에 적합하며 저소비 전력 및 고해상도를 가지며 HMD 혹은 전자 사전으로 사용되기 위해 적절히 적응될 수 있는 포터블 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전자 재료를 제조하기 위한 방법은 제 1 타겟 물질을 저압의 불활성 가스 분위기의 진공 반응 챔버 내에 마련하는 제 1 타겟 물질 마련 단계와, 분위기 요소로서의 제 2 타겟 물질을 상기 제 1 타겟 물질 및 증착 기판과는 분리된 반응 챔버 내에 마련하는 제 2 타겟 물질 마련 단계와, 상기 제 1 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 제 1 타겟 물질에 레이저 빔을 조사하여 타겟 물질을 탈착(desorption) 및 주입시키는 애블레이션(ablation) 단계와, 상기 제 2 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 제 2 타겟 물질을 증발시키는 증발(evaporation) 단계를 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 증발 단계에서 생성된 물질은, 불활성 가스 분위기에서 애블레이션 단계에서 탈착 및 주입된 물질을 농축 및 성장시킴으로써 획득되는 초미립자들이 상기 증착 기판 상에 축적되는 것과 거의 동시에 상기 증착 기판 상에 축적되어, 제 2 타겟 물질로 이루어진 물질에 분산된 초미립자들을 갖는 광전자 재료를 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 광전자 재료는 제어가능한 전기 특성을 갖는 균일 매질와, 상기 매질 내에 분산되며 100nm 혹은 그 미만의 평균 입자 크기를 갖는 반도체 초미립자를 포함한다. 이러한 것은 초미립자의 양자 구속 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 광전자 재료 혹은 초미립자 분산층내의 반도체 초미립자의 입자 크기는 초미립자 반도체 물질의 드 브로이 파장(de Broglie wavelength) 보다 대략 2배 작거나 동일한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광전자 재료가 균일한 도전율을 갖는 매질 내에 분산된 초미립자들로 구성됨에 따라, 초미립자의 양자 구속 효과는 불균형없이 설명될 수 있다. 또한, 초미립자들이 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 갖는 거의 균일한매질에 분산되기 때문에, 초미립자들내의 캐리어의 양자 구속 효과가 제어될 수 있다.
상기 매질의 저항값은 초미립자들의 저항값보다 크거나 거의 동일한 특정 값을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 초미립자들내의 캐리어의 양자 구속 효과가 효율적으로 설명될 수 있다.
또한, 상기 매질 내에 분산된 초미립자들 사이의 거리는 초미립자들의 반경 보다 크거나 동일한 것이 바람직하다. 대안적으로, 상기 매질 내의 초미립자들의 충전율(packing fraction)은 30% 이거나 그 미만일 수 있다. 이에 따라, 초미립자들의 양자 트래핑(quantum trapping)이 효율적으로 설명될 수 있다.
상기 매질 형성의 표준 엔탈피가 상기 매질에 분산된 초미립자들의 산화물의 표준 엔탈피보다 낮다면, 초미립자들은 매질에서 안정하게 존재할 수 있다.
또한, 상기 매질에 분산된 초미립자들은 초미립자를 구성하는 원소의 산화물로 피복될 수 있다. 이러한 경우, 상기 매질 형성의 표준 엔탈피가 매질 내에 분산된 초미립자들의 산화물의 표준 엔탈피보다 높다고 하더라도, 초미립자들은 매질 내에서 안정적으로 존재할 수 있다.
전술한 광전자 재료내의 초미립자들은 Ⅳ족 반도체를 포함하는 것이 적절하다. 이러한 구성에 따르면, 초미립자들은, 양의 제한이 없으며 환경 오염이 없는 물질로 형성되며, Si-LSI기법 정합성 공정, 환경에 대한 저항성 및 비조립 공정에 우수하다. 초미립자는 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 매질은 바람직하게는 투과성 도전 물질 혹은 유전 물질의 박막이다.
본 발명에 따른 광전자 재료는, 제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100nm 혹은 그 미만으로 분산된 반도체 초미립자들을 갖는 초미립자 분산층과, 투과성 물질층이 또다른 층상에서 교대로 적층되는 구조에 특징이 있다. 이러한 것은 초미립자에 의해 본래 생성되는 연속 스펙트럼에서 특정 파장 영역의 세기를 증대시킬 수 있다.
투과성 층은 바람직하게는 투과성 도전 물질 혹은 유전 물질의 박막으로 형성된다. 바람직하게는 초미립자 분산층은 전술한 특성들을 갖는다.
본 발명을 구현하는 광전자 재료는 제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100nm 혹은 그 미만으로 분산된 반도체 초미립자들을 갖는 초미립자 분산층과, 상기 초미립자 분산층의 상부 및 하부에 형성된 일부 반사층 및 고반사층을 포함한다. 이러한 것은 초미립자에 의해 본래 생성되는 연속 스펙트럼에서 특정 파장 영역의 세기를 증대시킬 수 있다. 일부 반사층 및 고반사층 중 적어도 하나는 금속 박막으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 일부 반사층과 고반사층 중 적어도 하나는 서로 다른 굴절율을 갖는 적어도 두 종류의 층들이 다른 층상에서 교대로 적층된 주기적 구조의 다층 구조체를 가져야 한다. 이러한 것은 초미립자 분산층내에 포함된 초미립자들에 의해 본래 생성되는 연속 스펙트럼에서 특정 파장 영역의 세기를 증대시킬 수 있다.
대안적으로, 고반사층은 서로 다른 굴절율을 갖는 적어도 두 종류의 층이 다른 층상에서 교대로 적층된 다층 막과, 금속 박막으로 형성될 수 있다. 다층 막은 전술한 특성들을 갖는 초미립자 분산층을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전술한 광전자 재료내의 초미립자 분산층은 전술한 특성들을 가져야 한다. 이러한 경우, 초미립자 분산층의 광학 막 두께는 바람직하게는 방출된 광의 파장의 정수배이다.
본 발명에 따른 발광 장치는 제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100nm 혹은 그 미만으로 분산된 반도체 초미립자들을 갖는 초미립자 분산층과, 상기 초미립자 분산층을 샌드위치형으로 포개는 전극 쌍을 포함하여, 이 전극 쌍에 전압이 인가됨에 따라, 반도체 초미립자들내로 캐리어가 주입되고, 캐리어 주입에 의해 야기되는 전자-정공 쌍의 방출 재결합시에 광이 방출된다. 이러한 것은 상기 전극들과 광전자 재료층 사이의 전기적 접속을 제어가능하게 할 수 있다.
방출된 광자 에너지는 초미립자들의 입자 크기를 조정하거나 혹은 초미립자들의 표면 원자 배열을 조정함으로써 제어될 수 있다. 바람직하게는, 상기 전극 쌍은 외부 광에 대해 우수한 투과율을 제공할 수 있는 투과성 혹은 반투과성 전극이다.
또한, 박막의 금속 전극은 초미립자 분산층과 접촉할 수 있다. 이러한 경우, 바람직하게는 초미립자 분산층과 금속 전극은 쇼트키(Schottky) 접합형으로 접촉되어야 한다. 상기 박막의 금속 전극은 바람직하게는 마그네슘, 인듐, 알루미늄, 백금, 금, 은, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 중의 임의의 하나를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 반도체 기판에는 한 전극과, 한 전극측에 형성된 절연층과, 반도체 기판을 일부 노출하기 위한 개구부(opening)가 형성되며, 개구부 영역과 활성 영역을 형성하기 위해 상기 개구부를 덮는 광전자 재료층이 형성되며, 초미립자 내부 혹은 초미립자들의 표면 근처에서 증배 현상(multiplication phenomenon)에 의해 전자-정공 쌍의 방출 재결합이 행해지며, 방출 세기는 발광 장치에 대한 주입 전류에 비례하는 것 이상으로 증가하는 특성을 갖는다. 이러한 증배 현상을 이용하면, 초기의 전자 주입시에 소모될 전력의 효율적인 이용과 이온 충격(ion impact)시 제한된 광자 효율을 보장할 수 있고, 방출 세기의 동적 범위(dynamic range)를 증가시키는데 매우 효율적이다.
광전자 재료층내에서 p-n 접합이 형성되면, 발광 장치를 구현하는데 있어 외관상 가장 간단한 구조인 쇼트키 접합형을 갖는 경우와 비교할 때 높은 전력 효율이 보장된다.
흑백 디스플레이 장치는 단위 화소들에 대응하는 발광 소자들을 사용하여 이 소자에 대한 여기 전류를 변화시킴으로써 평면 형태로 일정하게 배열된 각각의 단위 화소의 방출 세기를 조정할 수 있다. 단위 화소들을 형성하는 발광 소자들에 대한 여기 전류를 변화시킴으로써 평면 형태로 일정하게 배열된 각각의 단위 화소의 컬러 및 방출 세기를 조정하기 위한 컬러 디스플레이 장치는, 3개의 기본색인 상이한 컬러의 광을 방출하도록 서로 다른 평균 입자 크기의 초미립자들을 갖는 발광 소자를 설계하고, 단위 화소들에 대응하며 3개의 모든 기본색을 방출할 수 있는 발광 소자를 사용함으로써 구성될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 디스플레이 장치를 갖는 포터블 디스플레이 장치를 제공한다. 이러한 경우, 단위 화소의 한 방향으로의 길이를 대략 1 내지 100μm 로 설정함으로써 초고해상도를 얻을 수 있다. 전술한 디스플레이 장치를 갖는 포터블 디스플레이 장치는 디스플레이 장치를 장착할려는 사용자의 헤드에 디스플레이 장치를 고정하기 위한 고정 부재와, 디스플레이 장치상에서 디스플레이되는 정보를 사용자의 우측 및 좌측 시야에 형성하기 위한 광학 시스템을 포함하는 헤드 장착형 디스플레이 장치일 수 있다. 이러한 구조의 경우, 디스플레이 장치는 고해상도로 소형화되며, 이에 따라 아이 콘택트 광학 시스템(eye contact optical system)이 소형화되어, 헤드 장착형 디스플레이 장치의 본체의 크기 및 중량을 줄이는데 기여하며 넓은 시각과 고해상도를 보장할 수 있다.
헤드 장착형 디스플레이 장치의 광학 시스템은 또한 헤드 장착형 디스플레이 장치를 장착한 사용자의 우측 및 좌측 시야에 외부 정보를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 투과율을 갖는 발광 장치는 외부 광이 광학 시스템으로 유입되도록 투과율을 갖는 투과성 부재상에 배치되어야 한다. 투과율로 인해, 이러한 구조는 하프 미러(half mirror) 등이 필요없는 소형의 시스루형(see-through type) 헤드 장착형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다.
디스플레이 장치는, 사용자가 시선을 전방이 아닌 상하로 변경함으로써 외부를 용이하게 관측할 수 있도록 헤드 장착형 디스플레이 장치를 장착한 사용자의 외부로의 시선과는 다른 시선 방향으로 배열된다.
본 발명은 또한 디스플레이 장치를 통해 정보를 디스플레이하는 전자 사전을제공한다. 디스플레이 장치가 고해상도로 소형화되어 있으므로, 종래의 종이류의 사전과 동일 수준의 고해상도를 갖는 소형 및 경량의 사전을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기는 제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100nm 혹은 그 미만인 반도체 초미립자들이 분산된 초미립자 분산층과, 상기 초미립자 분산층을 샌드위치형으로 포개는 전극 쌍을 포함하며, 상기 초미립자 분산층에 대한 광 조사로부터 비롯되는 캐리어 생성에 의해 발생되는 내부 저항의 변화를 검출함으로써 광을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기는 전술한 광전자 재료를 포함하는 광전자 재료층과, 상기 광전자 재료층의 상부 및 하부에 마련된 전극 쌍을 포함하며, 광전자 재료층과 전극 사이의 계면에 쇼트키 접합이 형성되거나 혹은 광전자 재료층내에 p-n 접합이 형성되며, 광 조사로부터 비롯되는 캐리어 생성에 의해 발생되는 광 기전력의 변화를 검출함으로써 광을 검출할 수 있다.
방출 광자 에너지는 초미립자들의 입자 크기를 조정하거나 혹은 초미립자들의 표면 원자 배열을 조정함으로써 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 장치는 전술한 광전자 재료를 포함하는 광전자 재료층과, 광전자 재료층의 상부 및 하부에 마련된 전극 쌍을 포함하며, 소수 캐리어들이 상기 전극 쌍을 통해 광전자 재료층의 초미립자들내로 주입될 때 캐리어 주입에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 방출 재결합시 광 방출을 표시할 수 있고, 광전자 재료층에 광이 방출될 때 캐리어 생성에 의해 발생되는 내부 저항의 변화를 검출함으로써 광을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 장치는 전술한 광전자 재료를 포함하는 광전자 재료층과, 상기 광전자 재료층의 상부 및 하부에 마련된 전극 쌍을 포함하며, 광전자 재료층과 전극 사이의 계면에 쇼트키 접합이 형성되거나 혹은 광전자 재료층내에 p-n 접합이 형성되며, 소수 캐리어들이 상기 전극 쌍을 통해 광전자 재료층의 초미립자들내로 주입될 때 캐리어 주입에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 방출 재결합시 광 방출을 표시할 수 있고, 광전자 재료층에 광이 방출될 때 캐리어 생성에 의해 발생되는 광 기전력을 검출함으로써 광을 검출할 수 있다.
방출 및 검출된 광자 에너지는 초미립자들의 입자 크기를 조정하거나 혹은 초미립자들의 표면 원자 배열을 조정함으로써 제어될 수 있다.
전술한 광전 변환 장치에서, 전극 쌍은 투과성 전극 혹은 반투과성 전극일 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기는 전술한 광검출기의 초미립자들의 평균 입자 크기의 조정이나 표면 원자 배열 구조의 조정에 의해 광학 갭 에너지(optical gap energy)를 제어함으로써 자외선에 대한 광 검출 기능을 갖는 광 검출기를 포함하는 자외선 검출기로서 사용될 수 있다. 이러한 구성은 필터 등을 필요로 하지 않으며, Si-LSI 기법 정합성, 환경에 대한 저항성, 비조립성에 우수한 특성을 보이고 있다.
본 발명은 전술한 광검출기의 초미립자들의 평균 입자 크기의 조정이나 표면 원자 배열 구조의 조정에 의해 광학 갭 에너지(optical gap energy)를 제어함으로써 청색 광에 대한 광 검출 기능을 갖는 광 검출기를 포함하는 청색 컬러 센서를제공한다. 이러한 구성은 필터 등을 필요로 하지 않으며, Si-LSI 기법 정합성, 환경에 대한 저항성, 비조립성에 우수한 특성을 보이고 있다.
본 발명은 전술한 광검출기의 초미립자들의 평균 입자 크기의 조정이나 표면 원자 배열 구조의 조정에 의해 광학 갭 에너지(optical gap energy)를 제어함으로써 광전 변환층들을 포함한 컬러 센서를 제공하는데, 컬러 센서는 투과성 절연체막을 통해 적층되어 서로 상이한 사전결정된 파장 영역에서 광을 검출하는 광 검출기를 포함한다. 이러한 구성으로 인해, 광이 입사될 때 그 파장 성분을 감지하는 광전자 재료층만이 광전 변환을 수행하여, 컬러 센서의 기능을 제공할 수 있다.
적층된 광전 변환층들이 서로 상이한 광학 갭 에너지들을 가지며 수광면(light-receiving surface)에 보다 더 근접한 층이 보다 더 큰 광학 갭 에너지를 갖는다고 하는 것은 수광 감도의 측면에서 바람직하다. 또한, 광전 변환층들은 가시광 영역에서 서로 상이한 광학 갭 에너지를 갖는 3개의 광전 변환층들을 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 자외선 검출기, 청색 컬러 센서, 컬러 센서 중 적어도 하나 또는 그 이상을 갖는 모놀리식 집적 반도체 장치를 제공한다. 이러한 구성으로 인해, 상기 장치는, 양이 제한되어 있지 않으며 환경 오염이 없으며 Si-LSI 기법 정합성, 환경에 대한 고저항성, 비조립 공정에 우수한 물질로 이루어진다.
본 발명에 따른 광전자 재료 제조 방법은, 레이저 빔을 저압의 불활성 가스 분위기의 반응 챔버 내에 마련된 제 1 타겟의 반도체 물질상에 조사하고, 상기 제1 타겟으로부터 애블레이트(증발)된 반도체 물질을 농축/성장시켜 평균 입자 크기가 100nm 혹은 그 미만으로 되는 초미립자를 획득하고, 제어가능한 전기적 특성을 갖는 매질 물질내에 상기 초미립자들을 봉입하는 것을 특징으로 하고 있다. 초미립자들을 제어가능한 전기적 특성을 갖는 매질 물질내에 봉입시키는 방법은 레이저 애블레이션 단계와, 벌크로 형성된 매질 물질내에 초미립자들을 매립하는 단계를 포함한다.
다시 말해서, 상기 방법은 저압의 불활성 가스 분위기의 진공 반응 챔버 내에 제 1 타겟 물질을 마련하는 단계와, 상기 진공 반응 챔버 내에 증착 기판을 마련하는 단계와, 상기 제 1 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 제 1 타겟 물질에 레이저 빔을 조사하여 상기 타겟 물질을 탈착 및 주입시키는 (애블레이션)단계와, 상기 애블레이션 단계에서 탈착 및 주입된 물질을 불활성 가스 분위기에서 증착 기판 상에 농축 및 성장시킴으로써 획득된 초미립자들을 수집하여 초미립자들을 포함한 광전자 재료를 획득하는 단계를 특징으로 하고 있다.
전술한 구성으로 인해, nm정도로 제어되는 입자 크기를 갖는 초미립자들은 불활성 가스 분위기에서 레이저 애블레이션 단계를 수행함으로써 상기 기판 상에 증착된다.
본 발명에 따른 광전자 재료를 제조하는 방법은 저압의 불활성 가스 분위기의 반응 챔버 내에 마련된 제 1 타겟의 반도체 물질 및 반응 챔버 내에 마련되어 제어가능한 전기적 특성을 갖는 제 2 타겟의 매질물질상에 레이저 빔을 조사하는 단계와, 상기 제 1 타겟으로부터 애블레이트되어 수집될 반도체 물질을 평균 입자크기가 100nm 혹은 그 미만으로 되는 초미립자로서 상기 반응 챔버 내에 마련된 기판 상에 농축/성장시키는 단계와, 상기 제 2 타겟으로부터 애블레이트되어 수집될 매질 물질을 상기 반응 챔버 내에 마련된 기판 상에 농축/성장시키는 단계를 포함하여, 상기 매질 내에 분산된 반도체 초미립자들을 갖는 초미립자 분산층을 상기 기판 상에 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 제 1 타겟 물질이 마련된 진공 반응 챔버 내에 제 2 타겟 물질을 마련하고, 상기 제 2 타겟 물질을 스퍼터링하여 스퍼터링에 의해 생성된 물질을 증착 기판 상에 수집하되, 애블레이션 단계에서 탈착 및 주입된 물질을 불활성 가스 분위기에서 농축 및 성장시킴으로써 획득되는 초미립자들이 상기 증착 기판 상에서 수집되는 것과 거의 동시에 상기 제 2 타겟 물질의 스퍼터링에 의해 생성된 물질을 증착 기판 상에 수집하여 제 2 타겟 물질로 이루어진 물질내에 분산된 초미립자들을 갖는 광전자 재료를 획득한다. 이러한 구성으로 인해, 초미립자들이 분산된 유전체 박막은 애블레이션 및 스퍼터링을 사용하여 증착과 동시적으로 기판 상에 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 저압의 불활성 가스 분위기의 제 1 반응 챔버 내에 제 1 타겟 물질을 마련하고, 증착 챔버 내에 증착 기판을 마련하고, 제 2 타겟 물질을 제 2 반응 챔버 내에 마련하되 상기 제 2 타겟 물질을 분위기 요소로서 상기 제 1 타겟 물질 및 기판과는 분리되게 마련하고, 상기 제 1 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 상기 제 1 타겟 물질에 레이저 빔을 조사하여 타겟 물질을 탈착 및 주입하고(애블레이션하고), 상기 제 2 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 상기 제2 타겟 물질을 증발시킨다. 이러한 구성으로 인해, 상기 제 2 타겟 물질상에서 증발 단계로 생성된 물질은 증착 기판 상에 수집되되, 상기 제 1 타겟 물질상에서 상기 애블레이션 단계로 탈착 및 주입된 물질을 불활성 가스 분위기에서 농축 및 성장시킴으로써 획득된 초미립자들이 상기 증착 기판 상에 수집되는 것과 거의 동시에 수집되어, 상기 제 2 타겟 물질로 이루어진 물질내에 분산된 초미립자들을 갖는 광전자 재료를 획득할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2 타겟 물질을 증발시키기 위한 증발 단계에서 레이저가 사용되며, 상기 제 2 타겟 물질에 제 2 레이저 빔을 조사하여 타겟 물질을 탈착 및 주입하는 애블레이션이 사용될 수 있다.
전술한 광전자 재료 제조 방법은 바람직하게는 저압의 불활성 가스의 유입 압력을 변화시키는 단계를 더 포함하며, 이러한 구성에 따라, 초미립자들의 평균 입자 크기를 제어할 수 있다.
애블레이션 단계로부터 획득되는 초미립자들의 질량 분리를 수행하는 단계가 더 포함될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 초미립자들의 평균 입자 크기를 제어할 수 있다. 이러한 경우, 초미립자들의 질량 분리를 수행하는 단계는 초미립자들의 이온화 단계와, 상기 이온화된 초미립자들에 전계 혹은 자계를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 방법에서, 상기 제 1 타겟 물질은 반도체, 금속, 유전체 기판 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 타겟 물질은 다수의 Ⅵ족 반도체를 포함하는 혼합 물질일 수 있으며, 이 혼합된 물질은 혼합된 결정 상태에서 실리콘과 게르마늄의 혼합물일 수 있다. 이러한 구성의 경우, 혼합된 결정 조성비는 혼합된 결정 초미립자들을 사용하여 광 방출 특성을 조정하는 보조 파라미터로서 사용될 수 있다. 또한, 이러한 혼합된 결정화는 초미립자 제조시에 파수 선택 규정(wave number selection rule)의 완화를 용이하게 하거나 방출 재결합 발생을 용이하게 한다.
바람직하게는 상기 혼합된 물질은 여러 종류의 개시열(starting row) 입자들을 휘젖는 방식으로 기계적으로 혼합하는 단계와 혼합된 입자들을 고온 가압에 의해 소결하는 소결 단계(sintering step)에 의해 형성된다.
상기 제 1 타겟 물질이 Ⅱ-Ⅵ족 반도체이거나 Ⅲ-Ⅴ족 반도체이므로, 레이저 애블레이션 방법은 기본적으로 타겟 원소의 융점 혹은 증발 압력에 크게 의존적이지 않는 공정이어서, 화학량론적 조성비가 유지되는 이러한 반도체 초미립자들을 제조할 수 있다.
또한, n형 도전성 불순물과 p형 도전성 불순물을, 증착 기판 상에 수집된 초미립자들에 의해 형성된 반도체 층에 유입하는 단계가 제공되어, 상기 반도체 층에 p-n접합이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 반도체 층에 유입될 n형 도전성 불순물과 p형 도전성 불순물은 서로 다른 확산 깊이로 유입되어, 원하는 위치에서 p-n접합을 형성할 수 있다.
제 2 타겟 물질은 바람직하게는 투과성 도전 물질이거나 투과성 유전 물질이다.
또한, 기판 상의 광전자 재료의 표면을 산화하는 단계가 제공될 수 있다.이러한 구성에 따라, 결정 결함 혹은 불순물이 혼합된 표면 층이 제거되며, 결정성 및 순도가 향상된다. 공기 관련 단계(air association step)에서 획득된 초미립자들이 산화 단계에서 산소를 함유한 가스 분위기에서 열처리되어, 초미립자 표면을 열산화막으로 피복하는 것이 바람직하다. 또한, 피복 단계에서 열산화막을 형성할 때의 온도 보다 고온의 온도에서 비산화 분위기의 열처리가 열산화막이 형성되기 전에 수행되어, 초미립자의 결정성을 보다 완전하게 복구할 수 있다.
본 발명은 전술한 광전자 재료 제조 방법에 의해 제조되는 광전자 재료를 제공한다. 이러한 구성에 따라, 초미립자의 입자 크기가 제어되는 초미립자 분산 물질이 제공될 수 있다. 본 발명은 또한 전술한 광전자 재료 제조 방법에 의해 제조되는 광전자 재료로 이루어진 초미립자 분산층 혹은 광전자 재료층을 제공한다. 이러한 구성에 따라, 초미립자의 입자 크기가 제어되는 초미립자 분산 물질이 제공될 수 있다.
본 발명은 전술한 광전자 재료 제조 방법에 의해 획득되는 광전자 재료로 이루어진 광전자 재료층을 포함하는 발광 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 전술한 발광 장치를 포함한 흑백 디스플레이 장치 혹은 컬러 디스플레이 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 전술한 디스플레이 장치를 갖는 포터블 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명은 전술한 광전자 재료로 이루어진 광전자 재료층을 포함하는 광전 변환 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 전술한 광전 변환 장치를 포함하는 자외선 검출기 및 청색 컬러 센서를 제공한다. 또한, 본 발명은 전술한 광전 변환 장치를 포함하는 컬러 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전술한 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 자외선 검출기, 청색 컬러 센서, 컬러 센서 중 적어도 하나 혹은 그 이상을 갖는 모놀리식 집적 반도체 장치를 제공한다.
(제 1 실시예)
본 발명에 따른 광전자 재료를 이용한 발광 장치의 주요 구성은 도 1a 및 1c 내지 도 5를 참조한 제 1 실시예로서 상세히 기술된다.
본 실시예에 따르면, 일렉트로루미네슨스(EL) 장치에 대해 설명된다. 상기 일렉트로루미네슨스 장치에 있어서, 발광(활성) 영역은 Si, 즉, 통상적으로 Ⅳ족 반도체의 초미립자를 갖는 광전자 재료층으로서, 그 표면은 자신의 열산화막으로 피복되며, 도전율 혹은 유전 상수가 제어가능한 거의 균일 매질 내에 분산되어 있다.
본 실시예와 후속의 실시예에서, "거의 균일 매질"는 매질의 전기적 특성을 의미하는 것으로서, 특히 도전율이 매질에서 대략 균일하다는 것을 나타낸다. 다시 말해서, 매질 내에 분산될 초미립자들은 수십 내지 수백개의 원자들/몰분자의 세트인 반면, 매질 자체는 보다 작은 갯수의 원자들/몰분자 혹은 수개의 원자들/몰분자의 세트(클러스터)로 이루어져 있다. 가령, 이러한 균일 매질은 전술한 증착 방법에 의해 사전결정된 기판 상에서 상기 초미립자들의 원자들/몰분자 보다 작거나 혹은 수개의 원자들/몰분자 보다 작은 원자들/몰분자의 세트(클러스터)로 구성된 균일막을 형성함으로써 획득된다. 이러한 경우, 기판 상에서의 클러스터의 균일 증착은 나중에 후술될 레이저 애블레이션과 같은 방법에 의해 반응 챔버들의 차분 압력, 가령 반응 챔버와 증착 챔버간의 차분 압력을 조정함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에서, 추출된 임의의 미세 영역(가령, 대략 10개의 초미립자를 포함)에서의 초미립자의 충전율이 동일하다고 확인될 때, 균일한 투과성 초미립자 분산 매질로 지칭된다. 이러한 균일한 투과성 초미립자 분산 매질의 형성은 전자의 운동 에너지의 분산폭을 억제하여 효율적인 광 방출을 보장한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 실시예에 따른 광전자 재료를 이용하여 발광 장치의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 1a에서, "11"은 기판이다. 기판(11)에 대한 일예로서, 면방향 (100)과, 인이 도핑된 n형 도전성 물질과, 10Ω·㎝의 특정 저항값을 갖는 n형 Si 기판이 사용되었다. 실리콘 산화막(SiO2)의 일예인 분리 절연체막(12)은 n형 Si 기판의 상부면상에서 100nm의 두께로 형성된다. 이러한 분리 절연체막(12)은, 발광 장치의 발광(활성) 영역이 되는 부분에서 형성되어 상기 기판(11)의 표면을 노출하는 직경이 1 내지 2mm정도이거나 혹은 그 보다 작은 개구부(12a)를 갖는다. 광전자 재료층(13)은 적어도 상기 개구부(12a)를 피복하도록 증착된다. 이러한 광전자 재료층(13)은 도 1b에 도시된 바와 같이, 투과성 매질(15)내에 분산된 Si 초미립자(14)로 이루어져 있다. Si 초미립자(14)는 거의 구 형태를 이루며, 벌크 Si와 동일한 결정 구조를 이루며, 저농도로 인이 도핑된 n형 도전성 물질과, 입자 크기가 조정된 대략 3 내지 10 nm의 크기를 가지고 있다. 이러한 초미립자 증착층은 대략 150nm 정도의 두께를 갖는다. 또한, Si 초미립자(14)의 표면은 가령 두께가 3nm 정도이거나 그보다 얇은 도시되지 않은 SiO2막으로 피복된다. 광전자 재료층(13)과 기판(11)이 모두 n형이기 때문에, 그들 사이의 계면에서는 전기적 장벽이 형성되지 않는다.
투과성 매질(15)는, 가시광 영역에서 투과성이 높으며 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 갖는 박막의 균일막으로서, 본 실시예에서는 주석 산화물(SnO2) 박막이 사용되었다. 이러한 박막의 주석 산화막은 가시광 투과율이 80% 이상이며, 그 도전율 혹은 유전 상수는 형성 조건(기판 온도, 산소의 부분 압력, 등)을 조정함으로써 제어될 수 있다. 매질의 특정 저항값은 분산될 초미립자들의 특정 저항값들과 거의 동일하거나, 보다 더 크거나 같은 것이 바람직하다. 가령, 초미립자의 특정 저항값이 불순물 농도로 인해 대략 10 내지 10-3Ω·㎝의 범위내에 존재하므로, 박막의 SnO2막의 특정 저항값은 분산될 초미립자의 특정 저항값에 따라 대략 103내지 10-2의 범위내에서만 제어되어야 한다. 이러한 특정 저항값은 상기 SnO2박막을 가령, 상온에서 대략 600℃의 범위의 기판 온도로 형성함으로써 달성될 수 있다. 전술한 구성에 따라, 초미립자들내의 캐리어들의 양자 구속 효과를 제어할 수 있다.
광전자 재료층(13)내의 Si 초미립자(14)의 충전율은 전체 광전자 재료층(13)이 증가하기 때문에 보다 더 높아야 하는 것이 바람직하다. 그러나, 충전율이 보다 높거나 혹은 초미립자들 간의 거리가 보다 근접하게 되면, 초미립자들내의 캐리어의 파동 함수(wave function)는 더욱 커지고 또한 보다 많은 캐리어가 투과성 매질을 투과하게 되어, 인접하는 초미립자들의 캐리어의 파동 함수의 오버래핑(overlapping)이 더욱 커진다. 그 결과, 초미립자의 캐리어들의 양자 구속 효과는 감소된다. 따라서, 분산는, 파동 함수의 절대값의 제곱의 오버래핑이 가령 피크값의 1/100과 같거나 작게 되도록 유지되는 초미립자들간의 거리에 따라 수행되어야 하는 것이 바람직하다. 이러한 거리는 초미립자들의 반경 r과 동일하다. 이러한 경우, 반경 1.5r을 갖는 구형 초미립자들이 꽉 채워진(close-packed) 구조를 갖는다고 가정하면, 충전율은 대략 22% 정도가 된다. 전술한 측면에서, 광전자 재료층(13)내의 Si 초미립자(14)의 충전율은 대략 20% 정도로 설정된다.
일예로서, 두께가 10nm인 반투과성 백금(Pt) 전극(16)은 광전자 재료층(13)의 상부면에 접촉하여, 제어가능한 도전율을 갖는 투과성 매질(15)를 포함하는 광전자 재료(13)에 대해 전기적으로 소위 쇼트키 접촉을 형성하고 있다. 일예로서, 반대측의 은(Ag) 전극(17)은 기판(11)의 기저면에 형성되어, 기판(11)에 대해 전기적으로 옴 접촉을 형성한다. 또한, 대략 20nm정도의 두께를 갖는 마그네슘 박막은 기판(11)과 상기 반대측의 전극(17) 사이에 형성되어, 계면에서의 전기적 장벽 높이를 감소시킨다. 상기 전극(16, 17)은 Pt 및 Ag 대신에, 마그네슘, 인듐, 알루미늄, 금, 은, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
비록 Si가 광전자 재료층을 형성하는 초미립자 물질로서 사용되지만, 게르마늄(Ge) 혹은 그 혼합된 결정과 같은 다른 Ⅳ족 반도체가 적절히 사용되거나, 혹은 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 사용될 수 있다. 상기 균일 투과성 매질로서 SnO2박막이 사용되었지만, 분산될 초미립자의 특정 저항값과 거의 같거나 혹은 보다 큰 특정 저항값을 갖는 또다른 유전체 박막, 가령, 티타늄 산화물(TiO2) 박막, 인듐 산화물(InO2) 박막, 인듐 주석 산화물(ITO) 박막, 카드뮴 산화물(CdO) 박막, 텅스텐 산화물(WO3) 박막, 아연 산화물(ZnO) 박막, 마그네슘 산화물(MgO) 박막 혹은 아연 황화물(ZnS) 박막이 또한 사용될 수 있다. 상기 박막의 두께가 터널링 혹은 호핑(hopping)에 의해 전기적 전도가 가능한 범위내에 존재한다면, SiO2의 유전체 박막, 알루미늄 산화물 박막, 마그네슘 플루오르화물 박막, 혹은 칼슘 플루오르화물 박막이 또한 사용될 수 있다.
만약 Si 초미립자들이 자신의 열산화물막으로 피복되지만, 초미립자의 산화물막이 필수적인 것은 아니다. 다시 말해서, 투과성 매질 형성의 표준 엔탈피는 광전자 재료층을 형성하는 초미립자 산화물 형성의 표준 엔탈피보다 낮을 경우는 투과성 매질이 보다 안정적이라는 것을 의미하며, 초미립자들이 투과성 매질에 분산되어 있을 경우에는 산화가 발생하지 않아, 산화물막의 필요성이 제거된다. 한편, 투과성 매질 형성 표준 엔탈피가 초미립자 산화물 형성 표준 엔탈피보다 높은 경우는 초미립자 산화물이 보다 더 안정하다는 것을 의미한다. 따라서, 초미립자가 투과성 매질 내에 분산되는 경우, 투과성 매질을 감소시키면서 초미립자의 표면이 산화된다. 그러므로, 이러한 경우, 초미립자들은 투과성 매질 내에 분산되기 전에 산화물막으로 피복되는 것이 바람직하다.
특히, 광전자 재료를 형성하는 초미립자 물질과 투과성 매질의 통상적인 조합이 표 1에 주어진다. 표 1에서, 조합 A는 투과성 매질이 초미립자 산화물 형성 표준 엔탈피보다 낮은 표준 엔탈피를 가져 초미립자의 산화물막이 불필요한 경우에 대한 것이다. 대조적으로, 조합 B는, 투과성 매질의 형성 표준 엔탈피가 초미립자 산화물 형성 표준 엔탈피보다 높아, 초미립자가 산화물막으로 피복되어야 하는 경우에 대한 것이다.
전술한 구성을 갖는 EL 장치의 동작 특성은 후술될 것이다.
본 실시예에 따른 EL 장치의 동작에 대해, 반투과성 전극(16)에 대해 반대측의 전극(17)에 네가티브 DC 바이어스가 인가된다. 이러한 것은, 본 실시예의 발광 장치가 순방향 바이어스로 동작된다는 것을 의미한다.
도 2a 및 도 2b는 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용하는 발광 장치가 이러한 조건하에서 동작될 때, 발광 장치의 전류 대 전압의 특성 곡선을 도시한 것이다.
도 2a는 수직 눈금(전류)과 수평 눈금(전압)을 모두 선형 눈금으로 도시한 것으로, 수평 눈금상의 인가 전압에 대해, 도 1a 내지 도 1c의 반투과성 전극(16)과 광전자 재료층(13) 사이의 계면에 형성된 쇼트키 접합의 순방향 바이어스 전압은 그래프상에서 포지티브 방향으로서 간주된다. 도 2a는 반투과성 전극(16)과 광전자 재료층(13) 사이의 계면에 형성된 쇼트키 접합에 의한 강력한 정류 특성을 나타낸다. 순방향 바이어스 전압이 인가될 때 고전류측에서 외삽을 통해 추정된 전체 발광장치의 외부 직렬 저항값은 대략 400Ω 정도이다.
도 2b는 그래프상에서 포지티브 방향으로 간주되는 쇼트키 접합에서의 순방향 바이어스 전압에 따라, 수직 눈금(전류)만은 로그 눈금으로, 수평 눈금(전압)은 선형 눈금으로 도시한 것이다. 이러한 도면의 특성 곡선의 기울기로부터, 쇼트키 접합의 이상적인 팩터 n의 값을 얻을 수 있다. 그러나, 명백히도, 본 실시예에 따른 발광 장치의 값 n이 인가 전압에 의존하고 있으므로, 인가 전압이 0.2V 혹은 그 이하일 때 값 n은 1.8이 되며, 보다 높은 영역에 대해서는 대략 15로 증가된다. 일반적으로, n이 1을 훨씬 상회하는 높은 값이라고 하는 것은 계면 레벨 밀도(interface level density)가 높으며 계면이 충전되고 있음을 의미한다. 이러한 측면에서, 본 발명의 본 실시예에 따른 EL 장치는 반투과성 전극(16)과 광전자 재료층(13) 사이의 계면에 형성된 쇼트키 접합에 순방향 바이어스 전압이 인가될때 광을 방출하는 것처럼 보인다.
도 3은 본 실시예에 따른 광전자 재료를 이용하는 EL 장치의 방출 세기 대 전류 특성의 곡선을 도시한 것이다. 도면에서, 수직 눈금(방출 세기)과 수평 눈금(전류)은 모두 로그 눈금으로 도시되어 있다. 도 3으로부터 광 방출은 순방향 바이어스 전류 밀도가 30㎃/㎠ 일 때(이 경우, 순방향 바이어스 전압은 대략 7.0V 정도임)개시되고, 그 후 순방향 바이어스 전류의 증가에 따라 변화없이 증가한다는 것을 알 수 있다. 다시 말해서, 방출 세기 IEL과 순방향 바이어스 전류 j는 다음의 수학식 1로 표현된다.
순방향 바이어스 전류의 3.5승에 비례하는 방출 세기는 순방향 바이어스 전류상에서의 방출 세기의 의존도가 매우 높다는 것을 의미하는데, 이는 활성층으로서 Si 결정을 갖는 종래의 어떠한 발광 장치에서도 관측되지 않은 새로운 결과이다. 배경기술 분야에서 기본적으로 논의된, 가령, 활성층으로서 다공성 Si층을 갖는 EL 장치에서, 방출 세기는 단지 순방향 바이어스 전류에 비례적으로 증가한다(도면의 파선 부분). 순방향 바이어스 전류상에서의 방출 세기의 높은 의존도는 넓은 동적 범위, 가령, 높은 콘트라스트비와 높은 퀄리티(quality)를 갖는 발광/디스플레이 장치를 구현할 수 있음을 의미한다.
도 4는 본 실시예에 따른 EL 장치의 방출 세기 대 듀티 비의 곡선을 도시한것이다. 도면에서, 수직 눈금(방출 세기)과 수평 눈금(듀티 비)은 모두 로그 눈금으로 도시되어 있다. EL 장치에 대한 인가 전압은 20㎲의 펄스폭과 32V의 전압값을 가지며, 듀티 비는 주파수를 변화시킴으로써 0.25%에서 100%(DC)로 변화했다. 도 4로부터, 방출 세기는 듀티 비의 감소에 비례적으로 감소한다는 것을 명백히 알 수 있다. 이러한 결과는 광 방출 효율이 일정하다는 것을 나타낸다. 즉, 본 실시예에 따른 EL 장치는 EL 장치의 내부에서 발생된 열에 영향을 거의 받지 않는다고 한다. EL 장치가 20㎲의 펄스폭 혹은 그 보다 좁은 펄스폭으로 구동될 경우에도 DC의 광 방출 효율과 동일한 광 방출 효율을 얻을 수 있으므로, 상기 EL 장치는 ㎲ 혹은 그 이상의 고속의 응답 속도를 가질 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용한 EL 장치의 포토루미네슨스(PL) 및 EL의 방출 세기 대 광자 에너지 특성의 스펙트럼 곡선을 도시한 것이다. PL의 여기는 2.54eV의 광자 에너지와 10㎽의 전력으로 아르곤 이온(Ar+) 레이저를 이용하여 활성층이 될 광전자 재료층에 레이저 빔을 조사함으로써 수행되었다. EL에 대한 여기 조건으로서, 광전자 재료층에 대한 주입 전력은 0.55W 내지 1.10W 였으며, 루미네슨스 활성 영역은 원형(3.1×10-2㎠)이었다.
도 5에는, PL이 2.10eV(녹색)에서 주 피크치와 1.65eV(적색)에서 서브 피크치를 갖는 스펙트럼을 가지며, 반면에 EL은 1.65eV(적색)에서 피크치를 갖는 넓은 루미네슨스 스펙트럼을 갖는다고 도시되어 있다. EL 스펙트럼의 피크 위치는 EL 장치에 대한 주입 전력이 증가함에 따라 보다 낮은 에너지측으로 이동한다.
이러한 결과는, 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용하는 EL 장치의 광 방출의 원리가 흑체 복사(black body radiation)에 토대를 두고 있지 않음을 나타낸다. 이러한 것은, 흑체 복사에서 온도가 상승함에 따라 복사 피크치가 보다 높은 에너지로 향해 이동하는 반면, 전술한 바와 같이 본 실시예에서의 주입 전력이 증가(즉, 온도가 상승)함에 따라 복사 피크치는 보다 낮은 에너지로 향해 이동하기 때문이다. 또한, 흑체가 1.65eV에서의 피크치를 갖는 광을 방출할 때, 온도는 3800K로 추정되지만, 본 실시예에서는 그 온도에 도달할 수 없다.
전술한 결과를 나타내는 본 실시예에 따른 발광 장치의 동작 원리는 다음과 같이 설명된다. 먼저, 순방향 바이어스 인가 전압에 의해 가속된 열전자(hot electrons)는 광전자 재료층(13)으로 주입된다. 주입된 열전자는 Si 초미립자(14)의 코어(core)에 도달하면 충격 이온화(impact ionization)에 의해 전자-정공 쌍을 여기(생성)시킨다. 이러한 여기 과정에서의 양자 효율은 주입된 전자의 에너지가 4.0eV인 경우 대략 1.0 정도가 되며, 에너지가 더욱 상승함에 따라 증가한다.
일단 주입된 전자 혹은 일단 여기된 전자-정공 쌍은 Si 초미립자(14)와 그 표면상에 형성된 SiO2막 혹은 투과성 매질(15) 사이의 계면에 의해 Si 초미립자 내부에 감금되어 Si 초미립자(14)에 인가된 전압으로 전자-정공 쌍을 더욱 더 생성시킨다. 다시 말해서, 소위 보다 더 많이 여기된 전자-정공 쌍을 생성하는 증배 현상이 발생한다. 따라서, 순방향 바이어스 전류상에서 방출 세기의 높은 의존도를 갖는 광 방출 현상은 이러한 증배 방식으로 계속해서 생성되는 여기된 전자-정공쌍에 관련된 방출 재결합에 기초한 재결합 현상에 의해 발생된다.
또한, 타겟 Si 초미립자(14)가 본 실시예에 따라 nm 정도의 구 형상을 가지므로, 초미립자(14)내에 구속된 전자들 혹은 여기된 전자-정공 쌍들의 평균 자유 행정(mean free path)은 짧고, 이에 따라 여기된 전자-정공 쌍들을 충격 이온화에 의해 보다 효율적으로 생성시킬 수 있을 것이다.
전술한 배경기술 부분에서 기본적으로 기술한 바와 같이 활성층으로서의 다공성 Si를 갖는 EL 장치에 있어서, 여기된 전자-정공 쌍들은 단지 접합(p-n)에서의 소수 캐리어의 주입에 의해 발생되며 여기된 전자-정공 쌍들의 수는 주입 전류에 비례한다. 그 결과, 방출 세기는 또한 주입 전류에 비례한다. 종래 기술에 따르면, 다공성 Si는 실제로 선형 형상을 가지지만, nm 정도의 미세 구조를 가지며, 다공성 Si에서 캐리어들이 표류할 때의 평균 자유 행정이 비교적 길어, 여기된 전자-정공 쌍을 생성하는 효율에 역효과를 끼친다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 다음에 후술하는 것은 PL과 EL의 스펙트럼들이 서로 정합하지 않는 이유일 수 있다. 충격 이온화 및 EL의 증배 과정에 의한 여기된 전자-정공 쌍의 생성에 있어서, 주입될 열전자들은 Si의 밴드갭(1.1eV)(도 5의 여기 조건하에서 인가 전압은 26 내지 32V)보다 훨씬 높은 에너지를 가져, 전도 대역에 있어서도 보다 높은 에너지로의 천이(소위, 높은 대역간 천이)가 가능하다. 이러한 것은 최소 갭 에너지에서의 방출 재결합 뿐만 아니라 루미네슨스 스펙트럼의 폭을 보다 더 넓히는 보다 높은 에너지 차를 갖는 방출 재결합을 가능하게 한다.
대조적으로, PL에 대해, 주입될 광자 에너지는 비교적 낮은 2.54eV이다. 따라서, 높은 대역간 천이를 가능케 하는 확률은 낮아, 루미네슨스 스펙트럼의 폭은 EL의 스펙트럼 폭보다 협소하다.
또한, EL에 있어서, 주입 전자에 의한 충격 이온화가 Si 초미립자의 표면 근처의 Si 초미립자 코어에서 발생한다. 여기 과정이 계면의 상태에 매우 민감하지만, 계면에서 충전된 많은 표면 레벨이 존재하므로, 벌크에서 여기된 전자-정공 쌍과 동일한 여기 전자-정공 쌍을 기대할 수 없으며, 높은 에너지측에서 여기 효율은 특히 낮다.
대조적으로, PL에 대해, 거의 동일한 세기로 여기된 광은 2.54eV의 에너지로 여기된 광이 조사될 때의 큰 흡수 계수로 인해 전체 Si 초미립자내로 투과하며, 중앙을 포함한 거의 전체의 Si 초미립자(14)상에서 벌크 형태에서와 동일한 전자-정공 쌍이 여기되어, 높은 에너지측에서 여기 효율은 감소되지 않는다고 기대할 수 있다.
본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용한 발광 장치의 구성에 있어서, 광전자 재료층(13)에 p-n 접합이 형성될 수 있다. 도 1c는 일예로서 p-n 접합을 갖는 발광 장치의 단면 구조를 도시하고 있다.
도 1c에서, 면방향 (100)과, 붕소 도핑 p형 도전 물질과, 10Ω·㎝의 특정 저항값을 갖는 p형 Si 기판이 기판(19)의 일예로서 사용되었다. p형 광전자 재료층(1010)은 p형 Si 기판(19)의 상부면상에 증착된다. 이러한 p형 광전자 재료층(1010)은 투과성 매질(1012)내에 분산된 Si 초미립자(1011)에 의해 형성된다. Si 초미립자(1011)는 거의 구 형상과, 벌크 Si와 동일한 결정 구조와, 붕소가 낮은 농도로 도핑된 p형 도전 물질과, 대략 3 내지 10㎚정도로 조정된 입자 크기를 갖는다. 또한, 투과성 매질(1012)에 대한 일예로서 SiO2박막이 사용되었고, Si 초미립자(1011)의 충전율은 대략 20% 정도였다. 이러한 p형 초미립자 분산층은 대략 100㎚ 정도의 두께를 갖는다. p형 광전자 재료층(1010)과 기판(19)이 모두 p형이기 때문에, 그들 사이의 계면에는 전기적 장벽이 형성되지 않는다.
다음, n형 광전자 재료층(1013)은 p형 광전자 재료층(1010)과 접촉하도록 증착된다. 이러한 n형 광전자 재료층(1013)은 도 1a의 광전자 재료층(13)과 같은 구조를 가지며, 대략 50㎚ 정도의 두께를 갖는다. n형 광전자 재료층의 증착이 완료되면, 이온 주입에 의해 붕소가 유입되어 고농도로 도핑된 n형이 형성된다. 이온 주입 조건은 20KeV의 가속 에너지와 5×1015㎝-2의 도즈량이었다.
또한, 일예로서 두께가 10nm 인 Ag로 이루어진 반투과성 전극(1014)은 n형 광전자 재료층(1013)의 상부면과 접촉하여, n형 광전자 재료층(1013)에 대해 전기적으로 소위, 옴 접촉(ohmic contact)을 형성한다. 기판(19)의 기저면에는 반대측의 Ag 전극(1015)이 형성되어, 기판(19)에 대해 전기적으로 옴 접촉을 형성한다. 또한, 대략 20㎚ 정도의 두께를 갖는 Mg 박막은 n형 광전자 재료층(1013)과 반투과성 전극(1014) 사이와, 기판(19)과 반대측 전극(1015) 사이에 형성되어, 계면에서의 전기적 장벽 높이를 감소시킨다. 전극(1014, 1015)은 Ag대신에, 마그네슘, 인듐, 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐, 등의 하나로 형성될 수 있다.
반투과성 전극(1014)과 반대측 전극(1015)은 도전성 페이스트(conductive paste)(1016)를 통해 와이어 리드(wire lead)에 의해 전원에 접속된다.
전술한 구성의 경우, 순방향 바이어스 전압(반투과성 전극(1014)이 반대측 전극(1015)에 대해 네가티브)이 인가될 때, 전자들이 고농도 n형 영역에서 저농도 p형 영역으로 주입되고 정공들이 저농도 p형 영역에서 고농도 n형 영역으로 주입되는 바와 같이, 소수 캐리어들은 상호적으로 주입된다. 이러한 p-n접합은 쇼트키 접합을 통해 전자들만을 주입시키는 이전의 구조보다 훨씬 효율적으로 전자-정공 쌍을 생성하는데 효과적이다.
이제, 가시광 영역에서 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용한 발광 장치의 루미네슨스 파장(광자 에너지)을 제어하는 방법이 기술된다. 먼저, 제 1 방법은 Si 초미립자(14)의 코어의 입자 크기와 밴드갭 에너지를 조정하고, 관련된 방출 광자 에너지는 이때 발생하는 양자 구속 효과에 의해 즉시 변화한다. 양자 구속 효과를 발생시키기 위한 목적의 초미립자의 입자 크기는 드 브로이 파장의 거의 2배가 된다. 표 2는 초미립자에 대한 반도체 물질의 드 브로이 파장과 양자 구속 효과를 발생시킬 입자 크기(직경)를 나타낸다. 이러한 표 2로 부터 알 수 있는 바와 같이, Si 초미립자들의 직경은 가령, Si를 사용하여 양자 구속 효과를 발생시키기 위해서는 5㎚ 혹은 그 미만이어야 한다.
도 6a는 유효 질량 근사화가 충족되는 영역에서 양자 구속 효과의 원리에 따라 이론적으로 계산된, 여러 종류의 반도체 초미립자의 밴드갭 에너지를 도시하고있다. 이러한 도면에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, 표 2에 주어진 입자 크기들은 가시광 영역에서 광 방출을 보장하도록 선택되어야 한다.
도 6b는 유효 질량 근사화가 충족되는 영역에서 양자 구속 효과의 원리에 따라 이론적으로 계산된, Si, Ge, Si-Ge의 구형 초미립자로부터의 밴드갭 에너지를 도시하고 있다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, Si 물질만의 초미립자에 대한 3개의 기본색(RGB)의 광 방출은 초미립자들을 2.8㎚ 내지 4.0㎚범위로 제어함으로써 달성될 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해서, 적색광은 4.0㎚의 직경으로 방출되고, 녹색광은 3.2㎚의 직경으로 방출된다.
2.8㎚의 직경은 청색에 해당하지만, 실제로 초미립자 크기를 2㎚ 대의 직경의 범위로 제어하기란 매우 어려운 일이다. 전술한 바와 같이, 보다 어려운 것은 충격 이온화에 의한 전자-정공 쌍의 여기 효율은 고온의 에너지측으로 향해 보다 낮아지고 있다는 것이다. 또한, 2㎚ 대의 직경 범위의 초미립자의 표면 원자의 비는 대략 70%에 이르게 되어, 표면 결함과 결과적인 표면 레벨의 영향은 무시될 수 없다. 따라서, Si 초미립자(14)에서 양자 구속 효과에 의해 청색광을 발생시키기란 용이하지 않다.
전술한 측면에서, 활성 발광층인 Si 초미립자(14)에서 청색광을 발생시키기 위해, 제 2 방법으로서, Si 초미립자(14)와 표면 산화막 사이의 계면에 표면 산화막의 몰분자 배열을 재구성하여 청색광 광자 에너지에 해당하는 루미네슨스 중심을 형성하는 것이 효과적이다. 보다 상세하게는, 청색광은 체인과 같은 폴리실록산(polysiloxane) 구조(체인과 같은 폴리실란 스켈톤(chain-like polysilane skeleton))를 갖는 초미립자(14)의 최상부면을 설계함으로써 발생될 수 있다.
화합물 반도체에 있어서, 화합물 반도체가 산화될 수 있으면 산화막의 몰분자 배열을 재구성하고 산화가 불가능하면 다른 종류의 유전체막의 몰분자 배열을 재구성함으로써 방출된 광자 에너지를 제어할 수 있다.
(제 2 실시예)
본 발명에 따른 광전자 재료를 사용한 또다른 발광 장치의 주요 구성은 제 2 실시예로서 도 7을 참조하여 기술된다.
도 7은 본 실시예에 따른 발광 장치의 단면도를 도시하고 있다. 도 7에는, 일실시예로서, Si 단결정 기판(71)의 표면상에는 50㎚두께의 텅스텐 실리사이드층(72)이 형성되어 있다. 상기 텅스텐 실리사이드층(72)상에는 50㎚두께의 유전체층(SiO2)(74)이 형성되는데, 이 유전체층(74)은, 입자 크기가 ㎚정도로제어되고 0.2와 0.8의 몰비(mole ratio)로 각각 분산되어 있는 SiGe 혼합 결정(Si0.2Ge0.8)(73)의 Ⅳ족 반도체 초미립자들로 이루어져 있다. 내부에 반도체 초미립자(73)들이 분산된 유전체층(74)상에는 90%이상의 투과율을 갖는 150㎚대의 두께의 인듐-주석 산화물(ITO)층(75)이 상부 투과성 전극의 일예로서 부착된다. 이러한 ITO의 조성비는 In2O3-(대략 10mol%) SnO2였다.
텅스텐 실리사이드층(72)이 하부 전극의 저 저항부 및 반사층으로서의 역할을 하여 반도체 초미립자에 의해 발생된 광의 전진 방향의 반사율을 보장하지만, 하부 전극에 우선도가 있다면 티타늄 실리사이드가 또한 사용될 수 있다. 상기 하부 전극의 저 저항값 및 전진 방향의 광 반사율이 그렇게 필요하지 않다면, 상기 하부 전극으로서 역할을 하는 n형 고농도 확산층으로서 Si 기판(71)의 표면이 형성될 수 있다. 이러한 구조는 제조 원가의 측면에서 효과적이다.
또한, 알루미늄 산화물(Al2O3) 등은 유전체 물질로서 사용될 수 있다.
또한, 대략 20㎚ 두께의 마그네슘(Mg) 박막은 텅스텐 실리사이드층(72)과 반도체 초미립자 분산 유전체층(74)의 중앙에 형성되어, 계면(금속 전극/산화물)에서의 전기적 장벽의 높이를 감소시킬 수 있다. 이러한 것은 산화막(본 실시예에서는 반도체 초미립자 분산 유전체층(74))내로 전자를 터널링 유도 캐리어 주입시키는데 효율적이다.
투과성을 갖는 발광 장치는 하부 전극으로서 반투과성 박막을 사용함으로써 획득되는데, 상부 전극 보다 낮은 가시광 투과율을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이제, 전술한 구조를 갖는 발광 장치의 광 방출 동작에 대해 설명한다. 먼저, 상기 하부 전극의 텅스텐 실리사이드층(72)은 접지되고, 도시되지 않은 포지티브 전원 전압으로부터 상부 투과성 전극으로서의 ITO 막(75)으로 12.0V의 전압이 인가된다. 이 때, 평균적으로 대략 106V/cm 세기의 전계가 반도체 초미립자 분산 유전체층(74)의 SiO2부분에 인가된다. 일반적으로, SiO2막의 절연체 파괴(breakdown) 전압은 대략 107V/cm이며, 그 전압의 10%의 전계 세기로 전자의 터널링 유도 캐리어 주입과 전기적 전도가 일어난다. SiO2막의 전자는 운동 에너지를 증가시키기 위해 가속되지만, 음향 광자와의 상호 영향으로 인해 산란되기 시작한다. 따라서, 운동 에너지의 증가는 포화되어 안정화되는 경향이 있다.
대략 106V/cm 세기에서의 전자 가속과 속도 포화에 필요한 이동 거리는 대략 10㎚ 정도이며, 각각의 필드 세기에서 SiO2막에서의 전자의 평균 운동 에너지는 2.0×106V/cm에서 2.0eV이고, 5.0×106V/cm에서 3.0eV이고, 8.0×106V/cm에서 4.0eV이다. 속도 포화후의 운동 에너지의 분산은 필드 세기가 증가함에 따라 더욱 더 넓어지고, 특히 고에너지측으로 가장자리가 넓어지는 경향이 있다.
이제, 전자들이 반도체 초미립자 분산 유전체층(74)의 SiO2막에서 Ⅳ족 반도체 초미립자(73)의 표면과 충돌하는 방식으로 이동할 때의 현상에 대해 설명한다.
Ⅳ족 반도체 초미립자로서 Si, Ge, 또는 Si-Ge 혼합 결정을 가정하면, Si에 있어서의 최대 밴드갭 에너지(Eg)는 1.10eV 이다. 106V/cm 정도의 필드 세기에서 10㎚ 이상의 이동 거리로 가속된 전자들이 전술한 바와 같이, 2.0eV 또는 그 이상의 운동 에너지를 가지므로, 충격 이온화에 의해 전자-정공 쌍을 Si 표면에서 완전히 여기시킬 수 있다. 특히, 이 과정중의 양자 효율 r＂(생성된 전자-정공 쌍의 갯수/충돌 전자의 갯수)은 전자의 평균 운동 에너지 Eav=2.0eV에서 대략 0.1 정도이지만, E가 증가함에 따라, 급속히 증가하여 Eav=4.0eV에서 r＂=1.0과 Eav=8.0eV에서 r＂=2.0에 도달한다. 재결합 과정중 밴드갭 Eg에 따라 여기된 전자-정공 쌍이 도시된 광 방출에 의해 본 실시예의 발광 장치의 동작이 확인되었다.＂Ⅳ족 반도체는 본래 간접 천이형이며, 밴드간의 천이에는 광자가 필수적으로 존재한다. 재결합 과정중에 고온의 열이 필수적으로 발생하며, 방출 재결합 가능성은 매우 희박하다. 그러나, 본 실시예에서와 마찬가지로 수 ㎚ 정도의 입자 크기를 갖는 초미립자들은 파수 선택 규정의 완화와 밴드간 천이시 발진기 세기의 변화와 같은 영향을 초래한다. 이러한 것은 전자-정공 쌍의 방출 재결합의 발생 가능성을 증가시켜, 강한 광 방출을 설명할 수 있다.
또한, 밴드 구조는 혼합된 결정화로 인해 파 수(k)의 에너지(E)의 공간의 형태의 변화 뿐만 아니라 흡수 종료점 에너지의 값의 변화로서 변화하여, 초미립자 설계시의 파수 선택 규정의 완화를 용이하게 할 수 있다. 즉, 방출 재결합을 보다 더 용이하게 하는 효과가 있다. 이러한 것은, 전도 대역의 기저부가 Si 단물질에 대해서는 E-k 공간의 X 포인트 근처에 존재하며 Ge 단물질에 대해서는 L 포인트의 근처에 존재하며 반면 Si-Ge 혼합 결정의 경우에는 전도 대역의 기저부(최소 에너지 포인트)가 X와 L 포인트의 중앙에 형성되며 특히 조성비가 Si0.2Ge0.8일 경우 최소 전도 대역 에너지는 Γ포인트(최대 가전자 대역 에너지) 근처에 형성되기 때문인 것으로 생각된다.
루미네슨스 파장(루미네슨스 광자 에너지)에 대한 제어는 본 발명의 제 1 실시예에서 설명된 양자 구속 효과(도 6a 및 도 6b 참조)로 인한 밴드갭 Eg 증가 현상을 이용함으로써 실행되어야 한다.
특히, Ⅳ족 반도체 초미립자(73)의 입자 크기를 조정함으로써 필요한 루미네슨스 파장을 얻을 수 있다. Si-Ge 혼합 결정에 있어서, 조성비에 의한 밴드갭 Eg 변화를 이용할 수 있다. Si-Ge 혼합 결정 초미립자에 관한 조성비는 도 6a 및 도 6b에 도시된 Si 단물질의 특성 곡선과 Ge 단물질의 특성 곡선 사이의 특성 곡선을 나타낸다. 본 실시예에 통상적으로 사용되는 몰 조성비 Si0.2Ge0.8를 갖는 Si-Ge 혼합 결정 초미립자는 도 6a 및 도 6b에 도시된 입자 크기 대 밴드갭 에너지의 특성 곡선을 제공하고 있다.
내부 양자 효율 r＂(방전된 광자의 갯수/전자-정공 쌍의 갯수)이 대략 0.5%이므로, 대략 E=4.0eV과 r＂=1.0인 표준적인 장치 동작 조건인 경우, 대략 0.5%의 외부 양자 효율 r=r'r＂이 보장된다.
물론, 광전자 재료용으로 단물질 혹은 다른 종류의 혼합 물질 혹은 다른 조성비의 혼합 물질이 사용될 수 있다. 또한, 광전자 재료용으로 가령, 갈륨 아세나이드(GaAs)와 같이 직접 천이형 반도체인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혹은 카드뮴 설파이드(CdS)와 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물이 사용될 수 있다.
반도체 초미립자 분산 유전체층(74)의 유전체층에 대해 SiO2(밴드갭 에너지:대략 9eV)가 사용된다고 가정되지만, 인가된 대략 12.0V의 전압은 획득되는 전류 밀도를 제한한다. 따라서, 주입 전자 밀도 혹은 방출 세기가 우선사항을 갖는다면, 분산될 초미립자의 특정 저항값과 거의 동일하거나 보다 큰 특정의 저항값을 갖는 투과 전도성 박막, 가령 전도 투과성 물질, 주석 산화물(SnO2), 티탄 산화물(TiO2), 또는 인듐 산화물(InO2)의 박막으로 대체하는 것이 효과적이다.
(제 3 실시예)
본 발명에 따른 흑백 디스플레이 장치의 구성에 대해 제 3 실시예로서 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 후술한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 실시예에 따른 흑백 디스플레이 장치의 단일 화소 부분(단위 화소 부분)의 단면도, 그 등가 회로 및 화소들의 어레이 회로를 도시하고 있다. 도 8a에서, 제 2 실시예의 장치와 유사한 발광 장치는 흑백 디스플레이 장치의 한 화소용의 장치(81)로서 사용된다. 물론, 제 1 실시예의 부분에서 기술된 바와 같은 발광 장치가 또한 사용될 수 있다.
90% 또는 그 이상의 가시광 투과율을 갖는 ITO 박막은 상부 전극(83)용으로서 사용되고 텅스텐 실리사이드 박막은 하부 전극(84)으로서 사용되어, 전진 방향의 루미네슨스 반사 에너지를 향상시키고 저저항값을 보장한다. 제 1 실시예의 발광 장치에서, 반투과성 전극(16)은 상부 전극(83)에 해당하고, 반대측 전극(17)은 하부 전극(84)에 해당한다. 그 등가 회로는 도 8b에서 도시된 바와 같이 병렬로 접속된 캐패시터 및 저항으로서 간주될 수 있다.
Ⅳ족 반도체 초미립자에 대해, 조성비 Si:Ge=0.2:0.8을 갖는 Si-Ge 혼합 결정이 사용되었으며, 평균 입자 크기는 4.2㎚로 설정되었다. 제 1 실시예에 따른 발광 장치에 있어서, 그 광전자 재료가 사용될 것이다. 다음에, 밴드갭 에너지는 2.27eV(도 6a 및 도 6b를 참조)이며, 선명한 녹색을 보이고 있다.
다음, 도 8c에 도시된 바와 같이, 전술한 화소들을 래티스 형태 및 매트릭스 형태로 일정하게 배열함으로써 구성된 흑백 디스플레이 패널이 마련되었다.
본 실시예에 따르면, 공통 전극 분배 방식 및 시간 분배 방식의 구동에 영향을 끼치는 멀티플렉서 구동 시스템이 기본 구동 시스템으로서 사용되었으며, 활성 장치의 접속을 필요로 하지 않는 간단한 매트릭스 구동 시스템이 각각의 화소용으로서 사용되었다. 이러한 구성을 갖는 X-Y 매트릭스형 디스플레이 패널은 스캐닝 전극측(Y)에 부가된 커넥터 단자들에 대한 게이트들을 순차적 스캐닝 방식으로 전도시키고 디스플레이 패턴 및 설정된 콘트라스트에 대응하는 선택/비선택 전압을 다른 신호 전극측(X)에 인가함으로써 동작되었다. 이러한 실시예에 따른 디스플레이 장치가 비메모리 특성을 가지므로, 전체 스크린은 스캐닝 전극측(Y)에 대한 스캐닝 및 축적된 응답 효과를 반복함으로써 형성된다.
전술한 실시예는, 각각의 화소가 매우 고속의 응답을 가지며 선명한 녹색광을 방출하여 특히 1인치 혹은 그 이하의 소형의 디스플레이 장치에 매우 적합한 흑백 디스플레이 패널을 제공할 수 있다.
영상 품질에 보다 나은 개선점이 필요한 경우, 각각의 화소에 부가된 구동기 MOS 트랜지스터를 갖는 활성 매트릭스 구동 방법이 효과적이라고는 할 수 없다.
(제 4 실시예)
본 발명에 따른 컬러 디스플레이 장치의 구성에 대해 제 4 실시예로서 도 9를 참조하여 후술한다. 도 9는 본 실시예에 따른 컬러 디스플레이 장치의 한 화소(단위 장치)의 구성에 대한 개념도를 도시하고 있다.
본 실시예에 따른 컬러 디스플레이 장치의 한 화소에 등가인 장치는 주로 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 장치와 동일한 구성을 갖는 3가지 종류의 발광 장치들을 한 세트로서 구성되며, 이들은 여러 조각과 같이 기하학적 형태로 배열되어 있다.
90% 또는 그 이상의 가시광 투과율을 갖는 ITO 박막은 상부 전극(92)용으로서 사용되고 텅스텐 실리사이드 박막은 하부 전극(93)으로서 사용되어, 전진 방향의 루미네슨스 반사 에너지를 향상시키고 저저항값을 보장한다. 제 1 실시예의 발광 장치가 사용될 때, 제 3 실시예의 부분에서 기술된 것과 같은 상관 관계를 갖는다.
본 실시예에 따르면, 각각이 3가지의 기본컬러들 중 하나의 컬러의 광을 방출하며 Ⅳ족 반도체 초미립자들중 상이한 평균 입자 크기를 갖는 3가지 종류의 발광 장치들은 함께 그룹화되어, 하나의 화소(91)가 모든 3가지 기본 컬러들의 광을 방출하도록 한다. 이러한 3가지 종류의 발광 장치들은 각각 적색광을 위한 발광 장치(91R), 녹색광을 위한 발광 장치(91G), 청색광을 위한 발광 장치(91B)이다.
전술한 실시예에서와 같이 주로 광을 방출하는 역할을 하는 Ⅳ족 반도체 초미립자용으로, 조성비 Si:Ge=0.2:0.8을 갖는 Si-Ge 혼합 결정이 사용되었다. 제 1 실시예에 따른 발광 장치가 사용되면, 그 광전자 재료가 사용될 것이다. 하나의 화소를 구성하는 3가지 종류의 발광 장치들의 평균 입자 크기 및 루미네슨스 광자 에너지는 적색 발광 장치(91R)에 대해 4.8㎚ 및 1.77eV로 설정되었으며, 녹색 발광 장치(91G)에 대해 4.2㎚ 및 2.27eV로 설정되었으며, 청색 발광 장치(91B)에 대해 3.6㎚ 및 2.84eV로 설정되었다(도 6a 내지 도 6b를 참조).
상기 3가지 종류의 발광 장치로 구성된 각각의 컬러 디스플레이 화소(91)는 매트릭스 형태로 평면상에 배열되고, 각 화소의 방출 세기 및 컬러는 각 화소를 구성하는 각 발광 장치의 여기 전류를 변화시킴으로써 조정되었다. 그 결과, 컬러 디스플레이 장치는 3가지 종류의 발광 장치로부터 방출되는 3가지 기본 컬러들을 부가적으로 혼합함으로써 달성될 수 있다.
또한, 종래의 컬러 디스플레이 화소들과 비교할 때, 각각 1 내지 100㎛의 크기를 갖는 매우 미세한 컬러 디스플레이 화소(91)를 구현할 수 있다. 디스플레이 화소들의 크기의 하한은 회절 한계치였다. 즉, 가시광의 파장(λ*)이 500㎚이며, 광학 시스템의 NA의 최대값이 0.5인 경우, 회절 한계치(=λ/NA)는 1㎛가 된다.
Ⅳ족 반도체 물질 등과 SiO2와 같은 유전체 물질이 전술한 실시예에서 기술되었지만, 다른 금속, 반도체, 유전체 물질들이 물론 단일 혹은 용도에 따른 필요에 따라 조합적으로 사용될 수 있다.
제 3 실시예 혹은 제 4 실시예에서의 광전자 재료층이 제 1 실시예 혹은 제 2 실시예에서 획득된 바와 같이 기술되었으며, 또다른 초미립자를 포함하는 광전자 재료를 사용하는 발광 장치가 또한 사용될 수 있다.
(제 5 실시예)
이제, 본 발명에 따른 포터블 디스플레이 장치의 주요 구성에 대해 제 5 실시예로서 도 10을 참조하여 기술한다. 도 10은 디스플레이 스크린(101), 로우 디코더(102), 컬럼 디코더(103)를 포함하는 디스플레이 장치의 주요 구성에 대한 개념도를 도시하고 있다.
디스플레이 스크린(101)은 매트릭스 형태로 평면상에 배열된 도 9의 3가지 종류의 발광 장치의 세트로 각각이 구성되는 컬러 디스플레이 화소(91)를 가지며, 로우 디코더(102) 및 컬럼 디코더(103)로부터의 신호에 따라 각각의 화소를 구성하는 각각의 발광 장치의 여기 전류를 변화시킴으로써 각 화소의 방출 세기 및 컬러를 조정한다. 흑백 디스플레이의 경우, 단지 방출 세기만이 조정된다.
이러한 컬러 디스플레이 장치가 미소의 화소들로 구성되는 자체 발광 장치를 이용함에 따라 저소비 전력 및 고해상도를 얻을 수 있다. 종래의 HMD(헤드 장착형디스플레이)에 사용되는 대략 1인치의 디스플레이 장치의 경우, 컬러 디스플레이에서는 100만개 이상의 화소가 구현될 수 있다.
또한, 대규모 집적도를 달성하기 위해, Si기판 상에 전술한 구성을 형성함으로써 상기 장치를 대략 1㎜ 정도의 박막으로 제조하고, 기존 LSI기법에 부합하며, 조립이 자유롭게 보장되어, 상기 장치는 포터블 디스플레이 장치로서 적절히 사용될 수 있다.
(제 6 실시예)
이제, 본 발명에 따른 포터블 디스플레이 장치의 특정 응용 장치로서 HMD(헤드 장착형 디스플레이)에 대해 제 6 실시예로서 도 11a 및 도 11b 내지 도 12를 참조하여 설명한다.
도 11a는 케이스(111), 이 케이스(111)내에 일체화된 좌우 시야용 디스플레이 장치(112), 접안 광학 시스템(113), 및 헤드에 케이스(111)를 부착하기 위한 벨트부(114)를 포함하는 HMD의 단면 구조도를 도시하고 있다. 상기 디스플레이 장치(112)로부터의 우측 및 좌측 시야용 영상은 상기 접안 광학 시스템(113)에 의해 사용자의 각각의 시야에 형성된다. 도 11b는 도 11a의 경우와 같은 두개의 하프 미러(half mirror)(115)와 레스트(rest)를 갖는 시스루형 HMD(seethrough type HMD)의 단면 구조도를 도시하고 있다.
상기 하프 미러(115)에 의해 반사된 상기 디스플레이 장치(112)로부터의 우측 및 좌측 시야용 영상은 접안 광학 시스템(113)으로 안내되어 사용자의 각각의시야상에 형성된다. 하프 미러(115)를 통과한 외부 광이 또한 사용자의 시야에 도달하므로, 시스루 기능이 제공된다.
전술한 어느 한 경우에, 디스플레이 장치(112)용으로 도 10에서 도시된 디스플레이 장치를 이용하면, 다운사이징 및 무게를 감소시킬 수 있으며 종래의 LCD를 이용한 HMD의 해상도에 비해 10배 이상의 해상도를 갖는 HMD를 제공할 수 있다. 또한, 그것은 고속의 응답성과 고 신뢰성을 요하는 비행 모의 실험용 등의 HMD에 적응될 수 있다.
전술한 것이 투과성의 발광 장치를 이용하여 유리와 같은 투과성 부재상에 형성되면, 시스루형 디스플레이 장치를 구현할 수 있는데, 상기 발광 장치는 제 1 실시예 혹은 제 2 실시예의 발광 장치에서의 하부 전극용으로 투과성 또는 반투과성 박막을 사용함으로써 획득된다. 전술한 장치를 이용하면, 하프 미러 등은 필요없으며, 보다 소형이며 경량인 시스루형 HMD를 제조할 수 있다.
도 12는 도 11a 또는 도 11b에서 사용된 구조를 갖는 접안형 HMD를 나타내는 사시도이다. 보다 가볍고 소형의 설계로 인해, 사용자는 용이하게 착용할 수 있으며, 장시간 동안 사용할 수 있다.
전술한 기재가 우측 및 좌측 영상을 별도로 디스플레이함으로써 3차원 디스플레이를 가능케 한 HMD에 대해 이루어졌지만, 통상의 TV, 비디오 등의 영상을 시청하기 위해 단일의 디스플레이 장치만을 이용하는 HMD가 구현될 수도 있다.
(제 7 실시예)
이제, 본 발명에 따른 포터블 디스플레이 장치의 특정 응용 장치로서 HMD의 또다른 구조를 제 7 실시예로서 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13은 케이스(131), 케이스내에 일체화된 디스플레이 장치(132) 및 접안 광학 시스템(133), 및 케이스(131)와 헤드를 부착하는 벨트부(134)를 포함하는 본 발명의 HMD의 또다른 단면 구조를 도시하고 있다. 디스플레이 장치(132)로부터의 영상은 접안 광학 시스템(133)에 의해 사용자의 시야상에 형성된다.
전술한 구조의 경우, 사용자는 외부 광경을 관측하기 위해 시선을 전방 혹은 상방으로 응시할 때 외부를 관측할 수 있으며, 시선이 하방으로 이동할 때 디스플레이 장치로부터의 고해상도 영상을 관측할 수 있다. 다시 말해서, 사용자는 헤드를 이동시키지 않고도 단지 시선을 이동시킴으로써 디스플레이 장치로부터의 고해상도 영상과 외부 광경을 별도로 혹은 동시에 관측할 수 있다.
가령, 의료 분야에서, 외과 수술중 디스플레이 장치로부터 수술자의 상태를 나타내는 전송 영상 등에 따라, 수술자는 헤드를 움직이지 않고도 정보를 얻을 수 있으며, 따라서 작업 효율 및 정확도를 크게 개선할 수 있다. 이러한 효과는 또한 미세 부분의 조사 등에 확실하다.
디스플레이 장치가 본 실시예에서 케이스의 하부에 일체화되어 있지만, 작업 타겟에 따라 동일한 기능을 갖는 케이스의 상부 혹은 측부에 일체화될 수도 있다.
도 10의 디스플레이 장치를 전자 사전용의 디스플레이 장치로서 이용하면, 크기 및 무게의 감소 뿐만 아니라, LCD를 이용한 종래의 전자 사전에 비해 10배 이상의 해상도를 갖는 전자 사전을 제공할 수 있다. 따라서, 기존의 전자 사전의 크기로 수 라인으로써 이루어진 단어 설명을 디스플레이할 수 있으며, 종이류의 사전 만큼이나 보기 용이하게 제공할 수 있다.
본 발명의 포터블 디스플레이 장치의 응용으로서 HMD 및 전자 사전이 전술과 같이 기술되었지만, 물론 디스플레이 장치는 포터블 비디오폰 및 포터블 터미널과 같은 수많은 포터블 유닛에 적용될 수 있다.
(제 8 실시예)
이제, 본 발명에 따른 광전자 재료를 이용한 광전 변환 장치의 주요 구성에 대해 제 8 실시예로서 도 14를 참조하여 상세히 설명한다.
제 1 실시예와 마찬가지로 제 8 실시예에 따라, 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 갖는 거의 균일한 투과성 매질 내에 분산된 Ⅳ족 반도체들중 통상적인 Si 초미립자를 갖는 광전자 재료층이 수광(활성) 영역이 되는 기전력형 광 검출기(electromotive force type photodetector)에 대해 설명한다.
도 14는 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용한 광전 변환 장치의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 14에서, (141)은 기판이며, 그 일예로서, 면방향 (100), 인이 도핑된 n형 도전 물질, 및 0.02 내지 0.05Ω·㎝의 저항값을 갖는 n형 Si기판이 사용되었다. 분리 절연막(142)인 SiO2막은 n형 Si기판(141)의 상부면상에 100㎚의 두께로 형성된다. 이러한 분리 절연막(142)은 광전 변환 장치의 수광(활성) 영역이 될 부분에 대략 1 내지 10㎜ 정도의 직경의 개구부(142a)를 형성시켜, 기판(141)의 표면을 노출시킨다.
광전자 재료층(143)은 적어도 개구부(142)를 피복하도록 증착된다. 전술한 바와 같이, 이러한 광전자 재료층(143)은 투과성 매질(145)내에 분산된 Si 초미립자(144)로 형성된다. 이러한 광전자 재료층(143)의 구조는 제 1 실시예 부분에서 설명된 광전자 재료층(13)의 구조와 동일하다. 다시 말해서, Si 초미립자(144)는 거의 구 형상이며, 벌크 Si와 동일한 구조를 가지며, 인이 대략 1016내지 1018cm-3의 농도로 도핑된 n형 도전 물질을 가지며, 그 입자 크기는 대략 3 내지 10㎚ 정도로 조정된다. 이러한 광전자 재료층(143)은 대략 150㎚의 두께를 갖는다. 또한, Si 초미립자(144)의 표면은 가령, 두께가 3㎚ 혹은 그 보다 얇은 도시되지 않은 SiO2박막으로 피복된다.
투과성 매질(145)는 가시광 영역에서 고투과율을 갖는 균일한 박막으로서, 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 가지며, SnO2박막이 일예로서 사용되었다. 이러한 SnO2박막은 80% 또는 그 이상의 가시광 투과율을 가지며, 그 도전율 또는 유전 상수는 그 형성 조건(기판 온도, 산소의 부분 압력 등)을 조정함으로써 제어될 수 있다. 상기 매질의 특정 저항값은 분산될 초미립자의 특정 저항값보다 크거나 대략 동일한 것이 바람직하다. 0.02 내지 0.05Ω·㎝의 저항값의 경우, SnO2박막의 저항값은 본 실시예에서 0.1 내지 1Ω으로 설정되었다.
광전자 재료층(143)의 Si 초미립자(144)의 충전율은 제 1 실시예에서 전술한 바와 같이 양자 트래핑을 효과적으로 수행하기 위해 20%로 설정되어, 제 1 실시예의 부분에서 정의된 바와 같은 균일한 초미립자 분산 투과성 매질을 형성할 수 있다.
일예로서 10㎚ 두께의 백금으로 이루어진 반투과성 전극(146)은 광전자 재료층(143)의 상부면과 접촉하여, 도전율이 제어되는 투과성 매질(145)를 포함한 광전자 재료층(143)에 대해 전기적 의미로서의 소위 쇼트키 접합을 형성한다. 일예의 반대측 Ag 전극(147)은 기판(141)의 기저면에 형성되어, 기판(141)에 대해 전기적 의미의 옴 접촉을 형성한다. 또한, 대략 20㎚ 두께의 Mg박막은 기판(141)과 반대측 전극(147) 사이에 형성되어, 계면에서 전기적 장벽의 높이를 줄일 수 있다. 전극(146, 147)은 백금과 Ag대신에 마그네슘, 인듐, 알루미늄, 금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 등 중의 하나로 형성될 수 있다.
반투과성 전극(146)과 반대측 전극(147)은 전도성 페이스트(148) 등을 통해 와이어 리드 등에 의해 필요에 따라 전원에 접속된다. 수광(활성) 영역이 전원에 접속될 반투과성 전극(146)의 위치 또는 전도성 페이스트(148)의 위치에 존재하지 않는 것이 바람직하다.
광전자 재료를 구성하는 초미립자용 물질로서 Si가 사용되지만, 제 1 실시예에서 기술된 바와 같이, 가령, Ge 혹은 그의 혼합 결정과 같은 또다른 Ⅳ족 반도체 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 적절히 사용될 수 있다. 균일 투과성 매질용으로SnO2박막이 사용되지만, 또다른 전도성 박막, 혹은 분산될 초미립자의 특정 저항값과 거의 동일하거나 보다 큰 특정 저항값을 갖는 유전체 박막이 또한 사용될 수 있다. 가령, 초미립자의 특정 저항값은 불순물 농도에 의해 대략 1 내지 10-3Ω·㎝의 범위내에서 제어되어야 하며, 투과성 매질의 특정 저항값은 초미립자의 특정 저항값에 따라 1012내지 10-2Ω·㎝의 범위내에서 제어되어야 한다. Si 초미립자가 산화막으로 피복되지만, 이 산화막은 제 1 실시예의 부분의 표 1로 도시된 초미립자와 반투과성 매질의 조합에 의해 생략될 수 있다.
전술한 구성을 갖는 광기전력형 광 검출기의 동작 원리는 이하에서 설명된다. 우선, 본 실시예의 광전자 재료를 사용하는 광 검출기의 동작에 대해, 반대측 전극(147)과 관련한 반투과성 전극(146)에 네가티브 DC 바이어스가 인가된다. 이러한 장치 구성의 경우, 반투과성 전극(146)과 광전자 재료층(143)의 계면의 쇼트키 접합에 기인한 강력한 정류 특성이 제 1 실시예의 도 2a에 도시된 바와 같이 도시되며, 이러한 역바이어스는 대략 수 볼트 내지 수십 볼트이어야 한다.
Si 초미립자(144)의 밴드캡 에너지 보다도 높은 광자 에너지를 갖는 광이 이러한 상황하에서 광전자 재료층(143)에 조사될 때, 전자-정공 쌍의 캐리어들은 Si 초미립자(144)에서 발생되며, 발생된 전자들은 광전자 재료층(143)으로 이동하며 정공들은 반투과성 전극(146)으로 이동한다. 그 결과, 반투과성 전극(146)과 광전자 재료층(143)에 의해 형성된 쇼트키 접합에서 광기전력이 발생한다. 이러한 광기전력을 검출함으로써 수광 기능이 제공된다.
도 1c를 이용한 제 1 실시예에서 기술된 바와 같이, 광전자 재료를 사용한 광 검출기의 구성의 경우, 광전자 재료(143)의 상반부를 고농도의 n형으로, 광전자 재료의 하반부를 저농도의 p형으로 하면, 광전자 재료층(143)과 반투과성 금속 전극(146)사이에 옴 접촉이 형성되어 광전자 재료층(143)의 중앙에 p-n 접합을 형성한다.
이제, 일예로서 p-n 접합을 갖는 광 검출기의 구성을 설명한다. 기판으로서, 면방향 (100)과 붕소가 도핑된 p형 도전 물질, 10Ω·㎝의 특정 저항값을 갖는 p형 기판이 사용되었다. 광전자 재료층의 하부에서의 저농도 p형 영역은 투과성 매질 내에 Si 초미립자들을 분산시킴으로써 형성된다. Si 초미립자들은 거의 구 형상을 가지며, 벌크 Si와 동일한 결정 구조를 가지며, 낮은 농도의 붕소가 도핑된 p형 도전 물질 및 대략 3 내지 10㎚로 조정된 입자 크기를 갖는다. 또한, 투과성 매질의 일예로서 SiO2박막이 사용되었으며, Si 초미립자의 충전율은 대략 20%로 설정되었다. 이러한 p형 초미립자 증착층은 대략 100㎚의 두께를 갖는다. 저농도의 p형 영역과 기판이 모두 p형이므로, 그 계면에서 전기적 장벽은 형성되지 않는다.
광전자 재료층의 상부에서의 고농도 n형 영역은 도 14의 광전자 재료층(143)과 동일한 구조를 가지며, 그 두께는 대략 50㎚로 설정되었다. 붕소로 제공된 고농도 n형은 이러한 n형 영역의 증착이 완료될 때 이온 주입에 의해 유입된다. 다음, 이온 주입 조건은 20 keV의 가속 에너지와 5×1015cm-2의 도즈량이었다.
전술한 구성의 경우, Si 초미립자(144)의 밴드갭 에너지보다 높은 광자 에너지를 갖는 광이 광전자 재료층(143)에 조사되고 역바이어스 전압(반투과성 전극(146)이 기판(141)에 대해 포지티브임)이 인가될 때, Si 초미립자(144)에서 전자-정공 쌍의 캐리어가 발생한다. 소수 캐리어들은 광전자 재료층(143)에서 상호 가속, 즉, 전자들은 고농도의 n형 영역으로, 정공들은 저농도의 p형 영역으로 가속되어, p-n 접합에서 광기전력을 발생시킨다. 이러한 p-n 접합은 쇼트키 접합 구조상에서 전류를 보다 작게 흐르게 하는 효과를 가진다.
Si의 밴드갭 에너지가 1.1eV(발광 파장 한계치는 100㎚임)이므로, 벌크 Si는 거의 전체 가시광 영역상에서 수광 감지성을 갖는다. 이제, 본 실시예의 광전 변환 장치에서 발광 파장 영역을 제어하는 방법에 대해 설명한다.
우선, 제 1 방법은 Si 초미립자(144)의 주요 보디(main body)의 입자 크기를 조정하며, 그 때 발생하는 양자 구속 효과에 의해 밴드갭 폭을 직접 변화시킨다. 양자 구속 효과를 발생시키는 초미립자의 크기는 표 2에 도시된 바와 같은 물질에 따라 달라진다. 가령, Si 단물질 초미립자의 경우, 도 6a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 흡수단 영역으로서 4.0㎚의 직경은 적색광, 3.2㎚의 직경은 녹색광, 2.8㎚의 직경은 청색광을 흡수한다. 따라서, Si 단물질 초미립자의 직경이 3nm 혹은 그 이하로 설정된 경우, 컬러 필터를 사용하지 않고도 청색 영역보다도 높은 에너지측에서 감지성이 있는 광 검출기를 구현할 수 있다.
그러나, 제 1 실시예에서 기술된 바와 같이, 실제로 2㎚범위대의 직경을 제어하기란 매우 어렵다. 또한, 2㎚범위대의 직경을 갖는 초미립자의 표면 원자비는 대략 70%에 이르게 되어, 표면 결함 및 결과적인 표면 레벨의 영향을 무시할 수 없다.
따라서, 제 2 방법으로서, Si 초미립자(144)와 표면 산화막 사이의 계면에서 표면 산화막의 몰분자 배열을 재구성하여 가령 청색 광자 에너지에 대응하는 국소 광 방출의 중심을 형성하는 것이 효과적이다. 특히, 청색 영역에서의 수광 감지성은 체인과 같은 폴리실록산 구조(체인과 같은 폴리실란 스켈톤)를 갖는 초미립자(144) 상부면을 설계함으로써 향상될 수 있다.
화합물 반도체의 경우, 수광 파장 영역은, 화합물 반도체의 초미립자가 산화되면 산화막의 몰분자 배열을, 산화되지 않으면 다른 종류의 유전체막의 몰분자 배열을 재구성함으로써 제어될 수 있다.
Ⅳ족 반도체로 이루어진 자외선 검출기 혹은 청색 컬러 센서는 필터 등이 필요없으며, 전술한 수광 특성을 갖는 본 실시예의 광전 변환 장치를 사용함으로써 재구성될 수 있다.
또한, 전술한 기술 및 제 1 실시예의 기술로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예의 광전자 재료를 사용한 광전 변환 장치는 광 검출기로서의 기능을 갖는다. 다시 말해서, 반투과성 전극(146)에 대해 반대측의 전극(147)으로 네가티브 DC바이어스가 인가될 때, 광전자 재료층(143)으로 열전자들이 주입되어, 전자-정공 쌍을 여기시킨다. 여기된 전자-정공 쌍은 재결합 과정에서 초미립자의 밴드갭 에너지에 따른 광 방출을 설명하고 있다. 따라서, 동일 구조로써 광 방출 및 흡수에 영향을 끼칠 수 있는 광전 변환 장치를 제공할 수 있다.
(제 9 실시예)
이제, 본 발명에 따른 또다른 광전 변환 장치의 주요 구조에 대해 제 9 실시예로서 도 15를 참조하여 상세히 설명한다.
제 1 실시예와 마찬가지로 이 실시예에 따르면, 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 갖는 거의 균일한 투과성 매질에 분산된 Ⅳ족 반도체인 Si 초미립자를 가지며 표면이 자신의 산화막으로 피복되는 광전자 재료층이 수광(활성) 영역으로 되는 광전자도성 타입 광 검출기(photoconductive type photodetector)가 설명된다.
도 15는 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용한 광전 변환 장치의 단면 구조를 도시한다. 도 15에서, (151)은 기판으로, 유리 기판이 그 일예로서 사용되었다. 일예의 백금 하부 전극(152)이 이 유리 기판(151)의 상부면에 형성된다. 이러한 하부 전극(152)의 상부에 광전자 재료층(153)이 증착된다. 전술한 바와 같이, 광전자 재료층(153)은 투과성 매질(155)에 Si 초미립자(145)를 분산시킴으로써 형성된다. 이러한 Si 초미립자(154)는 거의 구 형상을 하며, 벌크 Si와 동일한 구조를 가지며, 붕소가 낮은 농도로 도핑된 n형 도전 물질 및 대략 3 내지 10㎚로 조정된 입자 크기를 갖는다. 투과성 매질(155)는 가시광 영역에서 고투과율을 갖는 균일 박막으로서, 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 가지며, 본 실시예에서는 SnO2박막이 일예로서 사용되었다. 이러한 SnO2박막은 80% 혹은 그 이상의 가시광 투과율을 가지며, 그 도전율 및 유전 상수는 그 형성 조건(기판 온도, 산소의부분 압력 등)을 조정함으로써 제어될 수 있다.
본 실시예가 광전자도성 광검출기이므로, 저항값은 어두운 상태(dark state)에서 최대값을 가지며, 밝은 상태(광 조사시)에서 대략 100배 정도 감소되는 것이 바람직하다. 가령, 저항값의 상태는 어두운 상태에서 백 내지 수 백 kΩ이어야 하며 광 조사시에서는 십 내지 수 십 kΩ이어야 한다. 일예로서, Si 초미립자(154) 및 투과성 매질(155)로서의 SnO2의 저항값은 1Ω·㎝이며 광전자 재료층(153)의 두께는 100㎚로 설정되었다. 어두운 상태의 구조를 갖는 광전자 재료층의 저항값은 대략 100kΩ으로 된다. 광이 이러한 광전자 재료층에 조사될 때, 외부 전계에 의해 캐리어가 생성 및 가속되어 상세히 후술될 증배 현상을 보이는데, 이 현상은 동작 원리를 통해 저항값을 대략 10kΩ정도로 감소시킨다.
광전자 재료층을 구성하는 초미립자용 물질로서 Si가 사용되지만, Ge 혹은 그 혼합 결정과 같이 또다른 Ⅳ족 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 혹은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 제 1 및 제 2 실시예에서 기술한 바와 같이 사용될 수 있다. 균일 투과성 매질로서 SnO2박막이 사용되지만, 또다른 도전성 박막 혹은 분산될 초미립자의 특정 저항값과 거의 동일하거나 보다 큰 특정 저항값을 갖는 유전체 박막이 또한 사용될 수 있다.
일예로서 10㎚두께의 백금 반투과성 전극(156)은 광전자 재료층(153)과 접촉한다. 전극(152, 156)은 백금 대신에, 마그네슘, Ag, 인듐, 알루미늄, 금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 등 중의 어느 하나로 형성될수 있다.
반투과성 전극(156)과 반대측 전극(152)은 전도성 페이스트 등을 통해 와이어 리드 등에 의한 필요에 따라 저항계에 접속된다.
전술한 구조를 갖는 광전자도성 광 검출기의 동작 원리는 후술된다. 본 실시예의 광전자 재료를 사용한 광 검출기의 동작에 대해, 광전자 재료(153)에 광이 조사될 때, 광전자 재료층(153)의 Si 초미립자(154)에서 광 에너지가 흡수되고, 가전자 대역 혹은 도너 레벨의 전자들은 전도 대역내에서 여기되어 자유 전자로 된다. 전자들은 외부 전계에 의해 가속되어, 다수의 자유 전자들을 더 발생시켜 전극에 도달하게 하는 증배 현상을 예시한다. 그 결과, 광전자 재료층(153)의 내부 저항값은 감소된다. 수광 기능은 이러한 내부 저항값의 변화를 검출함으로써 제공된다.
제 1 실시예에서와 마찬가지로, 본 실시예의 광전자 재료를 사용한 광전 변환 장치에서 수광 파장 영역을 제어하는 데에는, Si 초미립자(154)의 주요 보디의 입자 크기를 조정하고 그 때 발생하는 양자 구속 효과에 의해 밴드갭 폭을 직접 변화시키는 방법과, 초미립자가 산화될 수 있으면 산화막의 몰분자 배열을 재구성하고 산화가 불가능하면 다른 종류의 유전체막의 몰분자 배열을 재구성하는 방법이 존재한다.
Ⅳ족 반도체로 이루어진 자외선 검출기 또는 청색 컬러 센서는 필터 등을 필요로 하지 않으며, 전술한 수광 특성을 갖는 본 실시예의 광전 변환 장치를 사용함으로써 구성될 수 있다.
(제 10 실시예)
이제, 광전 변환 장치의 보다 특정한 일예로서 본 발명의 광전자 재료를 사용한 컬러 센서의 주요 구성에 대해 제 10 실시예로서 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한다.
제 1 실시예와 마찬가지로, 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 갖는 거의 균일한 투과성 매질에 분산된 Ⅳ족 반도체인 Si 초미립자를 가지며 표면이 자신의 산화막으로 피복되는 광전자 재료층이 수광(활성) 영역으로 되는 광전자도성 타입 광 검출기(photoconductive type photodetector)를 포함하는 컬러 센서가 설명된다.
도 16은 전술한 광전자 재료를 사용한 컬러 센서의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 16을 참조하면, (161), (162), (163)은 각각 제 1, 제 2, 제 3 광전 변환층이다. 각각의 광전 변환층은 제 9 실시예에서 기술한 광전자도성 타입의 광검출기와 동일한 구조를 가지며, 투과성 매질(166)에 분산된 Si초미립자(165)를 갖는 광전 변환층(164)과, 이 층의 상부 및 하부에 위치한 가령, 10㎚두께의 백금의 투과성 전극(167)을 포함한다. 상부 및 하부 투과성 전극(167)은 전도성 페이스트 등을 통해 와이어 리드 등에 의해 필요에 따라 저항계에 접속된다.
광전자 재료층(164)의 Si 초미립자(165)는 거의 구 형상을 가지며, 벌크 Si와 동일한 결정 구조를 가지며, 대략 1Ω·㎝의 특정 저항값을 갖는 p형인 붕소가 낮은 농도로 도핑된 n형 도전 물질을 가지고 있다. 투과성 매질(166)는 가시광 영역에서 고투과율을 갖는 균일 박막으로서, 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를가지며, 본 실시예에서 대략 1Ω·㎝의 특정 저항값을 갖는 SnO2박막이 사용되었다. 광전자 재료층(164)의 두께는 100㎚로 설정되었다. 이러한 구조에서, 어두운 상태의 광전자 재료층의 저항값은 대략 100kΩ으로 된다.
광전자 재료층(164)에서 Si 초미립자(165)의 충전율이 높아짐에 따라, 광전자 재료층(164)의 전체 내부 저항값의 변화가 보다 크거나, 수광 감지도가 보다 높아진다. 그러나, 제 1 실시예에서와 마찬가지로, 충전율이 너무 높다고 하면, 초미립자의 양자 구속 효과는 감소되어, 충전율은 바람직하게 대략 20% 정도로 설정되어야 한다.
광전자 재료층을 구성하는 초미립자용 물질로서 Si가 사용되지만, 제 2 실시예와 마찬가지로 Ge 혹은 그 혼합 결정과 같은 또다른 Ⅳ족 반도체가 적절히 사용되거나, 혹은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 사용될 수 있다. 균일 투과성 매질로서 SnO2박막이 사용되지만, 또다른 도전성 박막 혹은 분산될 초미립자의 특정 저항값과 거의 동일하거나 보다 큰 특정 저항값을 갖는 유전체 박막이 또한 사용될 수 있다. 또한, 반투과성 전극(167)은 백금 대신에, 마그네슘, Ag, 인듐, 알루미늄, 금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 등 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
전술한 구조를 갖는 각각의 광전 변환층(161, 162, 163)은 분리 절연체막(168)에 의해 서로 전기적으로 분리되며, 분리 절연체막(168)의 물질은 일예로서 높은 가시광 투과율을 갖는 SiO2박막으로 이루어져 있다. 본 실시예에서비록 SiO2박막이 사용되지만, Al2O3박막과 같은 높은 가시광 투과율을 갖는 절연체가 또한 사용될 수 있다.
이제, 전술한 구조를 갖는 컬러 센서의 수광 동작의 원리에 대해 설명한다. 우선, 본 실시예에 따른 광전자 재료를 사용한 각각의 광전 변환층의 동작과 관련하여, 광전자 재료층(164)에 광이 조사될 때, 캐리어가 광전자 재료층(164)의 Si 초미립자(165)에서 발생되고 외부 전계에 의해 가속되어, 충돌 및 이온화에 기인한 다수의 자유 전자를 보다 더 발생시켜 전극에 도달되게 하는 증배 현상을 초래한다. 그 결과, 광전자 재료층(164)의 내부 저항값은 가령 대략 10Ω으로 감소된다. 수광 기능은 이러한 내부 저항값의 변화를 검출함으로써 제공된다.
제 1 실시예에서 상세히 설명된 바와 같이, 이러한 수광 기능을 갖는 각각의 광전 변환층의 수광 파장 영역은 간접 천이 반도체인 Si의 방출 메카니즘을 사용함으로써 제어될 수 있다. 간접 천이 반도체인 Si의 방출 메카니즘과 관련하여, 다공성 형상의 나노미터(㎚) 정도의 3차원 미세 구조 영역에서 광학 천이용 파수 선택 규정을 완화하여 전자-정공 쌍의 방출 재결합을 보장하는 견해와, 다원 링 산화물(폴리실록산)이 다공성 Si표면상에 형성되고 방출 재결합에 기여하는 새로운 에너지 레벨이 폴리실록산/Si 계면에 형성되는 견해가 있다. 어떠한 경우에 있어서도, 광자 여기와 관련하여, Si의 초미립자의 입자 크기가 수 나노미터(㎚) 정도로 되게 Si 형상을 설계함으로써 양자 구속 효과에 기인한 에너지 밴드 구조의 변화(Eg를 증가시키는 현상)를 제어할 수 있다. 다시 말해서, 각각의 광전 변환층은 각각의 광전 변환층의 Si 초미립자의 표면 원자 배열 또는 평균 입자 크기를 조정함으로써 다양한 수광 특성을 제공할 수 있다.
제 1, 제 2, 제 3 광전 변환층(161, 162, 163)의 Si 초미립자의 크기가 이러한 기재 순서로 증가되는 경우, Eg는 초미립자의 크기가 작아짐에 따라 증가되어, 수광 영역에 보다 가까이 위치한 층에 있어서 광학 갭은 보다 커진다. 이러한 동작 형태는 도 17에 예시된다. 특히, 제 1, 제 2, 제 3 광전 변환층의 초미립자의 직경은 각각 일예로서 3.0㎚, 3.5㎚, 4.0㎚로 설정되었고, 그의 광학 갭들은 각각 청색, 녹색, 적색 영역에 존재하도록 설정되었다. 그 결과, 적색광(R)은 흡수없이 제 1 및 제 2 광전 변환층을 통과하여, 제 3 광전 변환층에 흡수된다. 마찬가지로, 녹색광(G)은 흡수없이 제 1 광전 변환층을 통과하여 제 2 광전 변환층(두께에 따라서 아마도 제 3 광전 변환층일 수 있음)에 흡수되고, 청색광(B)은 주로 제 1 광전 변환층에서 흡수된다. 따라서, 각각의 광전 변환층에서 수신된 광의 세기간의 차이로부터, R, G, B의 세기를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 3가지 기본 컬러들은 중간 컬러를 포함하는 컬러들의 식별을 보장하기 위해 적절히 신호 처리된다.
이러한 컬러 센서의 광전 변환층으로서 광전자도성 광 검출기가 사용되지만, 제 8 실시예에서 논의된 광기전력 타입의 광 검출기가 사용될 수 있다. 이러한 경우는 입사광의 선형성, 고속 응답 특성, 저노이즈 특성에 효과적이다.
(제 11 실시예)
본 발명에 따른 또다른 광전자 재료의 주요 구성에 대해 제 11 실시예로서 도 18a 및 도 18b와 도 19a 및 도 19b를 참조하여 상세히 설명한다.
본 실시예에 따라, 균일 투과성 매질에 분산된 Ⅳ족 반도체들중 전형적인 Si 초미립자를 갖는 초미립자 분산층이 수광(활성) 영역으로 되며 표면이 열산화막으로 피복되는 포토루미네슨스(PL) 발광 원소로서의 광전자 재료에 대해 설명한다. 표 1을 사용하여 제 1 실시예에 설명한 바와 같이, 초미립자의 산화막은 초미립자와 투과성 매질의 조합에 따라 생략될 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 본 실시예에 따른 광전자 재료의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 18a에서, (181)은 기판으로, 면방향 (100), 인이 도핑된 n형 도전 물질, 10Ω·㎝의 특정 저항값을 갖는 n형 Si 기판이 그 일예로서 사용되었다. 낮은 굴절율을 갖는 투과성 물질층(182)과 높은 굴절율을 갖는 초미립자 분산층(183)은 n형 Si 기판(181)의 상부면상에서 소정의 주기로 교대로 적층되어, 주기적 구조를 형성한다. 투과성 물질층(182)은 가시광 영역에서 고투과율과 제어가능한 도전율 혹은 유전 상수를 갖는 균일 박막으로서, 인듐 산화물 박막-주석(In2O3-SnO2:ITO) 박막이 일예로서 사용되었다. 이러한 ITO 박막은 90% 또는 그 이상의 가시광 투과율을 가지며, 그 도전율 혹은 유전 상수는 그 형성 조건(기판 온도, 산소의 부분 압력 등)을 조정함으로써 제어될 수 있다. 가령, 특정 저항값은 수 중량 % 내지 수 십 중량 %의 범위내에서의 증착에 의해 ITO 박막을 준비할 때 SnO2의첨가비를 조정함으로써 대략 10-4내지 10-2Ω·㎝의 범위내에서 제어될 수 있다. 또한, 유전 상수는 대략 4 내지 5의 범위내에서 제어될 수 있다.
균일 투과성 물질층으로서 ITO 박막이 사용되었지만, 원하는 유전 상수를 갖는 균일 박막이 후술될 주기적 구조의 설계에 따라 낮은 굴절율의 층으로서 사용되는 것이 바람직하며, SnO2, TiO2, 또는 InO2의 박막과 같은 또다른 도전성 박막이 또한 사용될 수 있거나, 혹은 SiO2, Al2O3등과 같은 유전체 박막이 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 광전자 재료는 제 1 내지 제 10 실시예에서 기술된 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 컬러 센서용으로 사용될 수 있다. 이러한 경우, 이러한 투과성 물질층은 고 도전율을 갖는 것이 바람직하다.
도 18b에 도시된 바와 같이, 초미립자 분산층(183)은 투과성 매질(184)에 분산된 Si 초미립자(185)로 형성된다. 이러한 초미립자 분산층(183)의 구조는 제 1 실시예에서 논의된 광전자 재료층(13)의 구조와 동일하다. 다시 말해서, Si 초미립자(185)는 거의 구 형상을 가지며, 벌크 Si와 동일한 결정 구조와, 인이 저농도로 도핑된 n형 도전 물질과, 대략 3 내지 10㎚로 조정된 입자 크기를 갖는다. 또한, Si 초미립자(185)의 표면은 가령, 3㎚ 혹은 그 보다 얇은 두께의 도시되지 않은 SiO2박막으로 피복된다.
투과성 매질(184)는 가시광 영역에서 고 투과율과 제어가능한 도전율 및 유전 상수를 가지며, SnO2박막이 일예로서 사용되었다. 상기 매질의 특정 저항값은분산될 초미립자의 특정 저항값과 대략 동일하거나 보다 큰 저항값을 가지는 것이 적절하며, 그것은 일예로서 10Ω·㎝로 설정되었다.
또한, 광전자 재료층(183)에서 Si 초미립자의 충전율은 제 1 실시예에서 기술된 바와 같이 캐리어의 양자 트래핑을 효과적으로 수행하기 위해 대략 20%로 설정되었다.
광전자 재료층을 구성하는 초미립자용 물질로서 Si가 사용되지만, Ge 혹은 그 혼합 결정과 같은 또다른 Ⅳ족 반도체가 적절히 사용되거나, 혹은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 사용될 수 있다. 균일 투과성 매질로서 SnO2박막이 사용되지만, 원하는 유전 상수를 갖는 균일 박막이 후술될 주기적 구조의 설계에 따라 높은 굴절율의 층으로서 사용되는 것이 바람직하며, 또한 또다른 도전성 박막 또는 유전체 박막이 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 광전자 재료는 제 1 내지 제 10 실시예에서 기술된 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 컬러 센서용으로 사용될 수 있다. 이러한 경우, 이러한 초미립자 분산층의 투과성 매질은 분산될 초미립자의 특정 저항값과 대략 동일하거나 혹은 그 보다 큰 특정 저항값을 갖는 것이 바람직하다.
이제, 본 실시예에 따른 광전자 재료에 대한 주기적 구조를 설계하는 방법이 기술된다. 본 실시예에 따른 광전자 재료가 방출된 광의 원하는 중심 파장이 λ인 광의 방출 현상을 설명할 경우, 투과성 물질층(182)과 초미립자 분산층(183)의 적층의 한 주기의 광학 막 두께(굴절율×막 두께)가 λ/2로 되는 방식으로 적층이교번적으로 행해진다. 이러한 실시예에 따르면, λ는 600㎚로 설정되었고, 각각의 층의 광학 막 두께는 주기적 구조 설계의 일예로서 150㎚(λ/4)로 설정되었다. 특히, ITO 박막의 전형적인 굴절율이 2.1이므로, 투과성 물질층(182)의 두께는 72㎚로 설정되었다.
초미립자 분산층(183)은 평균 유효 매질 이론(mean effective medium theory)에 기초하여 설계되었다. 초미립자 분산층이 충전율 f 에서 유전 상수를 갖는 투과성 매질에 분산된 유전 상수 ε을 갖는 구형 초미립자로 구성된다고 가정한다. 초미립자의 입자 크기가 파장에 비해 충분히 작다고 할 때, 초미립자 분산층의 평균 유전 상수 εav는 다음의 수학식 2로 표현된다.
이 실시예에 따르면, SnO2박막의 전형적인 유전 상수는 4.8이며, Si 초미립자의 유전 상수용으로 벌크 Si의 값(11.9)이 근사적으로 사용된다. 충전율 f이 20%라고 가정하면, 초미립자 분산층의 평균 유전 상수는 전술한 수학식으로부터 5.8로 된다. 굴절율이 유전 상수의 1/2의 승으로 근사화될 수 있으므로, 획득되는 초미립자 분산층의 평균 굴절율은 2.4이다. 따라서, 높은 굴절율의 층으로서의 초미립자 분산층의 두께는 63㎚로 설정되었다.
각각의 층의 광학 막 두께가 λ/4로 설정되지만, 투과성 물질층(182)과 초미립자 분산층(183)의 적층의 한 주기의 광학 막 두께는 λ/2로 설정될 수 있으며,초미립자 분산층(183)의 광학 막 두께는 λ/4 미만으로 설정될 수 있다. 따라서, 이 실시예에 따른 광전자 재료로부터 광 방출 효율을 향상시킬 수 있다.
이제, 전술한 구조를 갖는 광전자 재료에 의한 광 방출의 동작 원리를 설명한다. 우선, 이 실시예에 따른 광전자 재료의 PL 발광 원소의 동작과 관련하여, 초미립자의 밴드갭 에너지(Eg)와 같거나 큰 광자 에너지를 갖는 광이 조사될 때, 제 1 실시예에서 상세히 설명된 바와 같이, 초미립자 분산층(183)의 Si 초미립자(185)에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 관련된 방출 재결합의 중심을 통해 재결합 현상에 의한 초미립자의 Eg에 따른 광 방출을 설명한다.
Ⅳ족 반도체가 본래 간접 천이형이므로, 방출 재결합이 발생할 확률은 매우 낮지만, 초미립자가 수 나노미터 정도의 입자 크기를 갖도록 제조되면, 확률이 증가하여 강력한 광 방출을 보장할 수 있다. 여기서, 주목할 것은, 양자 구속 효과에 의한 Eg증가 현상은 제 1 실시예에서 설명된 바와 같이 이용되고 있다는 것이다. 다시 말해서, 필요한 루미네슨스 파장은 Si 초미립자의 표면 원자 배열 또는 입자 크기를 조정함으로써 획득될 수 있다.
그러나, 초미립자만의 루미네슨스 스펙트럼은 도 19a에 도시된 바와 같은 넓은 스펙트럼 폭을 갖는다. 이 실시예에 따른 Si 초미립자는 제 1 실시예에서 도 5로 도시된 바와 같이, 대략 0.3eV 정도의 스펙트럼 폭을 갖는다.
이와는 대조적으로, 본 실시예에 따르면, 투과성 물질층(182)과 초미립자 분산층은 전술한 바와 같은 적층의 한 주기의 광학 막 두께가 λ/2로 되는 주기적 구조의 설계에 따라 서로 교대로 적층되었다. 따라서, 투과성 물질층과 초미립자 분산층의 굴절율의 차이로 인해 각각의 층의 계면에서 발생하는 다수의 간섭으로 인해, λ 주위의 파장 영역의 방출 세기만 증대되었다. 이러한 동작 형태는 도 19b에 예시되고 있다. 주기적 구조의 층들의 수가 증가함에 따라 이러한 스펙트럼 폭은 보다 더 협소해지기 때문에, 결과적으로 층들의 수는 필요한 스펙트럼의 폭에 따라 조정되어야 한다.
또한, 초미립자에 의해 본래 생성되는 연속 스펙트럼의 원하는 파장 영역의 세기를 증가시키는 효과는, Si 초미립자의 본래의 광 방출의 중심 파장이 주기적 구조에 의해 증가된 중심 파장과 부합하는 방식으로 Si 초미립자의 표면 원자 배열 또는 입자 크기를 조정하고, 전술한 주기적 구조의 설계에 따라 각각의 층의 두께를 조정함으로써 개선될 수 있다.
광전자 재료가 본 실시예에서 PL 발광 원소로서 기술되었지만, 본 실시예에 따른 광전자 재료는 또한 제 1 내지 제 10 실시예의 광전자 재료층용으로 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 제 1 내지 제 10 실시예에서 기술한 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 또는 컬러 센서에 있어서, 초미립자에 의해 본래 생성되는 연속 스펙트럼의 원하는 파장 영역의 광 방출 및 수광 세기는 증대될 수 있다.
(제 12 실시예)
이제, 본 발명에 따른 또다른 광전자 재료의 주요 구성에 대해 제 12 실시예로서 도 20을 참조하여 상세히 설명한다. 이 실시예에 따르면, 균일한 투과성 매질 내에 분산된 Ⅳ족 반도체들 중의 전형적인 Si 초미립자를 가지며 그 표면이 열산화막으로 피복되는 활성층이 수광(활성) 영역으로 되는 포토루미네슨스(PL) 발광 원소로서의 광전자 재료가 설명된다. 표 1을 사용하여 제 1 실시예에서 설명된 바와 같이, 초미립자의 산화막은 초미립자와 투과성 매질의 결합에 따라 생략될 수 있다.
도 20은 본 실시예에 따른 광전자 재료의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 20에서, (201)은 기판으로서, 유리 기판이 일예로서 사용되었다. 일예로서 100㎚ 두께의 알루미늄의 박막 금속층(202)은 유리 기판(201)의 상부면상에 형성된다. 가시광 범위에서 높은 반사율을 갖는 물질이 상기 박막 금속층(202)용으로 사용되며, 상기 금속층(202)은 알루미늄 대신에 백금, 마그네슘, 인듐, 금, 은, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 등 중의 하나를 주성분으로 하여 구성될 수 있다.
다층막(203)은 박막 금속층(202)의 상부면상에 형성된다. 이러한 다층막(203)은 상이한 굴절율을 가지면서 서로 교대로 적층되는 적어도 두 종류의 층들을 가져, 주기적 구조를 형성한다. 일예로서, 다층막은, ITO 박막으로 이루어진 투과성 매질층과 제 1 실시예에서 기술된 SnO2박막내에 분산된 Si초미립자를 갖는 초미립자 분산층이 서로 교번적으로 적층되게 구성된 광전자 재료로 형성된다.
다층막(203)의 주기적 구조는, 본 실시예에 따른 광전자 재료가 발광 현상을 증명할 때, 한 주기의 광학 막 두께가 제 11 실시예에서 상세히 기술된 설계에 따라 λ/2(λ는 방출된 광의 중심 파장)로 되도록 형성되었다. λ가 600㎚로 설정된 본 실시예에 따르면, 다층막(203)은 일예로서 72㎚의 두께를 갖는 투과성 매질층과 63㎚의 두께를 갖는 초미립자 분산층을 교대로 적층함으로써 형성되었다. 제 11 실시예에서 다층막용으로 광전자 재료가 사용되지만, 기존에 사용되었던 유전체 다층막 등은 가시광 영역에서 다층 반사막으로서 사용될 수 있다.
활성층(204)이 다층막(203)의 상부면상에 형성된다. 활성층(204)은 제 11 실시예에서 설명된 초미립자 분산층(183)의 구조와 동일한 구조를 가지며, 투과성 매질(206)에 분산된 Si 초미립자(205)로 형성된다. Si 초미립자(205)는 거의 구 형상을 가지며, 벌크 Si와 동일한 결정 구조를 가지며, 붕소가 낮은 농도로 도핑된 p형 도전 물질과 대략 3 내지 10㎚ 정도로 조정된 입자 크기를 갖는다. 또한, Si 초미립자(205)의 표면은 가령 3㎚ 혹은 그 미만의 두께의 도시되지 않은 SiO2박막으로 피복된다. 투과성 매질(206)는 제어가능한 도전율과 유전 상수를 가지며 가시광 영역에서 높은 투과율을 갖는 균일 박막이며, SnO2박막이 일예로서 사용되었다.
또한, 활성층(204)의 광학 막 두께(굴절율×막 두께)는 λ의 정수배로 설정된다. 본 실시예에 따르면, λ는 일예로서 600㎚로 설정되었고 활성층(204)의 광학 막 두께는 2λ로 설정되었다. 특히, 충전율이 일예로서 20%로 된 경우, 활성층(204)의 굴절율은 제 11 실시예에서 얻어지는 바와 같이 2.4로 된다. 따라서, 활성층(204)의 두께는 500㎚로 설정되었다.
활성층을 구성하는 초미립자용 물질로서 Si가 사용되지만, Ge 혹은 그 혼합 결정과 같은 또다른 Ⅳ족 반도체가 적절히 사용되거나 혹은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 제 11 실시예에서 기술된 바와 같이 사용될 수 있다. 균일한 투과성 매질로서 SnO2박막이 사용되지만, 제 11 실시예에서 기술된 주기적 구조의 설계에 따라 원하는 유전 상수를 갖는 균일 박막이 사용되는 것이 바람직하며, 또다른 도전성 박막 혹은 유전체 박막이 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 광전자 재료가 제 1 내지 제 10 실시예에서 기술된 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 또는 컬러 센서의 광전자 재료층용으로 사용될 수 있다. 이러한 경우, 활성층의 투과성 매질은 분산될 초미립자의 특정 저항값과 거의 동일하거나 보다 큰 특정 저항값을 가지는 것이 바람직하다.
일예로서 10㎚의 두께를 갖는 백금의 부분 반사층(207)이 활성층(204)의 상부면상에 형성된다. 가시광 영역에서 적절한 반사율을 갖는 물질은, 백금 대신에 마그네슘, 인듐, 알루미늄, 금, 은, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄, 코발트, 니켈, 팔라듐 중의 하나를 주성분으로 하여 구성될 수 있는 부분 반사층(207)용으로 사용되어야 한다. 또한, 기존에 사용되었던 유전체 다층막은 가시광 영역에서 부분 반사막으로서 사용될 수 있다.
이제, 전술한 구조를 갖는 광전자 재료에 의한 광 방출의 동작 원리를 설명한다. 초미립자의 밴드갭 에너지(Eg)와 같거나 큰 광자 에너지를 갖는 광이 조사될 경우, 광 방출은 제 11 실시예에서 기술된 원리에 의해 도 19a에 도시된 넓은 스펙트럼 폭을 갖는다.
따라서, 다층막(203)의 한 주기의 광학 막 두께가 λ/2로 되어 주기적 구조가 형성되는 방식으로 적층이 교대로 행해지고 활성층(204)의 광학 막 두께가 전술한 바와 같이 λ의 정수배가 되게 설정되면, 다층막(203)과 부분 반사층(207) 사이에서 샌드위치 방식으로 형성된 활성층(204)을 갖는 공진 구조가 형성된다. 따라서, λ에서만 피크치를 갖는 파장 영역의 방출 세기는 도 19b에 도시된 바와 같이 증대될 수 있다.
또한, 제 11 실시예에서 기술된 광전자 재료가 본 실시예에서의 다층막(203)용으로 사용되므로, 다층막(203)에서의 Si 초미립자 또한 광 방출을 설명하여 방출 세기를 보다 더 증대시킬 수 있다.
또한, 초미립자에 의해 본래 생성된 연속 스펙트럼의 원하는 파장 영역의 세기를 증대시키는 효과는, Si 초미립자의 본래의 광 방출의 중심 파장이 주기적 구조에 의해 증가된 중심 파장과 부합하는 방식으로 Si 초미립자의 표면 원자 배열 또는 입자 크기를 조정하고, 전술한 주기적 구조의 설계에 따라 각각의 층의 두께를 조정함으로써 개선될 수 있다.
광전자 재료가 본 실시예에서 PL 발광 원소로서 기술되었지만, 본 실시예에 따른 광전자 재료는 또한 제 1 내지 제 10 실시예의 광전자 재료층용으로 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 제 1 내지 제 10 실시예에서 기술한 발광 장치, 디스플레이 장치, 광전 변환 장치, 또는 컬러 센서에 있어서, 초미립자에 의해 본래 생성되는 연속 스펙트럼의 원하는 파장 영역의 광 방출 및 수광 세기는 증대될 수 있다.
(제 13 실시예)
이제, 본 발명에 따른 광전자 재료를 제조하는 적절한 방법에 대해 제 13 실시예로서 도 21a 내지 도 21c ∼도 24를 참조하여 상세히 설명한다.
도 21a 내지 도 21c는 광전자 재료의 일예인 Ⅳ족 초미립자를 제조하는 방법을 설명하는 공정도로서, (211)은 실리콘(Si) 분말을 나타내며, (212)는 대략 1.0 내지 2.0㎛의 입자 크기와 6N 또는 그 이상의 순도를 갖는 게르마늄(Ge)을 나타낸다. (214)는 고온 가압 머신이며, (215)는 Si-Ge 혼합 타겟이다.
우선, 도 21a에 도시된 바와 같이, Si 분말(211)과 Ge 분말(212)은 Si-Ge 혼합 분말(213)을 마련하도록 균일하게 분산되게 기계적으로 혼합된다. 혼합비는 후술되는 바와 같이, 루미네슨스 파장을 제어하도록 임의로 설정될 수 있으며, 광 방출 효율의 측면에서 우선적으로 몰비가 Si:Ge=0.2:0.8로 설정되었다.
다음, 도 21b에 도시된 바와 같이, Si-Ge 혼합 분말(213)은 압축 소결(compression sintering)시에 가열 및 압축이 행해지는 고온 가압 머신(214)내에서 봉입된다. 이 때의 가열 온도가 일반적으로 기준인 공융점(eutectic point)(K)의 대략 0.8배로 되지만, 본 실시예에서는 대략 700℃로 설정되었다. 압력 레벨은 15 내지 20MP의 범위로 설정되었으며 압축 소결시의 분위기는 불활성가스(아르곤 가스)였다. 그러나, 진공 고온 가압 방법을 사용하면, 고밀도로 몰딩된 입자를 미세하게 얻을 수 있다. 대안적으로, 불활성 가스를 사용하여 고온 가압 방법으로 획득되는 바와 같이, 거의 동일한 밀도를 갖는 몰딩된 입자의 획득은 저온 및 저압으로 압축함으로써 달성될 수 있다. 도 21c에 도시된 바와 같이, 몰딩된 Si-Ge 혼합 타겟(215)은 고온 가압 머신(214)으로부터 분리된다.
몰딩된 최종의 Si-Ge혼합 타겟(215)은 마이크로미터 레벨로 균일하게 분산된 Si 및 Ge를 가지며, 그 밀도는 99%의 이상적인 값 또는 그 이상의 값에 도달된다.
도 22는 도 21의 제조 방법에 의해 얻어지는 Si-Ge 혼합 타겟상에 레이저 애블레이션(laser ablation)을 수행함으로써 입자 크기를 나노미터 정도로 제어할 수 있는 Ⅳ족(Si-Ge) 혼합 결정 초미립자를 마련하는 장치의 개념도를 도시하고 있다.
레이저 애블레이션은 타겟 물질상에 높은 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔(펄스 에너지:1.0 J/cm2또는 그 이상)을 조사하여 조사된 타겟 물질의 용융 및 탈착을 가능하게 하며, 비가열 평형(non-heat balance) 및 비결함 공정(mass-less process)으로 특징지어 진다. 비가열 평형의 특정 효과는 선택적인 여기에 기초하여 공간 및 시간에 영향을 끼칠 수 있다는 것이다. 특히, 공간적 선택 여기는 단지 물질원(material source)만을 여기시킬 수 있지만, 기존의 가열 공정 또는 플라즈마 공정은 반응 탱크의 전체 영역 또는 상당히 큰 영역이 열이나 이온에 노출되게 하며, 따라서 불순물의 혼합이 감소하는 세정 공정(clean process)으로 된다.
비결함 공정은 동일한 비가열 평형을 갖는 이온화 공정과 비교할 때 결함이 매우 낮은 것을 의미한다. 레이저 애블레이션으로 탈착되는 물질은 주로 이온 및 중성 입자 혹은 원자, 몰분자, 혹은 운동 에너지가 이온에 대해서는 수 십 eV에 도달하고 중성 입자에 대해서는 수 eV에 도달하는 클러스터(대략 수 내지 수 십개의 원자로 이루어짐)로 구성된다. 이러한 에너지는 가열 증발된 원자의 에너지 보다 상당히 높지만, 이온 빔의 에너지 영역 보다 상당히 낮은 에너지 영역에 존재한다.
결함이 보다 작은 이러한 세정 레이저 애블레이션 공정은 불순물 혼합, 결정성, 표면 상태 등이 제어되는 초미립자를 마련하는데 적절하다. 이러한 것은, 매우 넓은 표면 영역비를 가지는 동시에 구조에 민감한 초미립자를 마련할 때 낮은 결함 공정은 피할 수 없는 요인으로 되며 초미립자가 열평형 공정에서 성장되는 경우 입자 크기와 같은 구조적 파라미터들의 분산은 피할 수 없는 것으로 되기 때문이다.
기본적인 장치의 구조는 다음과 같다. 즉, 아르곤-플루오르(ArF) 엑시머 레이저 소스(2201)로부터의 레이저 빔은, 슬릿(2202), 집광 렌즈(2203), 미러(2204), 및 광 통과 윈도우(2205)를 포함하는 광학 시스템을 통해 진공 반응 챔버(2206)내로 유입되어, 진공 반응 챔버(2206)내에 위치한 Si-Ge 혼합 타겟(2207)의 표면에 포커싱 및 조사된다. 이 때의 조사 에너지 조건은 1.0 내지 3.0 J/cm2의 펄스 에너지 밀도와 10Hz의 반복 주파수였다. 또한, Si-Ge 혼합 타겟(2207)은 회전 메카니즘을 갖는 타겟 홀더(2208)상에 위치한다. 증착기판(2209)은 Si-Ge 혼합 타겟(2207)의 표면에 대해 법선 방향으로 7 내지 10㎜의 거리에서 상기 타겟 표면과 평행하게 위치되며, Si-Ge 혼합 타겟(2207)의 조사면으로부터의 탈착된 물질은 수집 및 증착된다. 다시 말해서, 상기 탈착된 물질은 본 실시예의 조사 조건하에서 필수적으로 원자, 몰분자, 또는 클러스터로 이루어져 있으므로, 이러한 원자, 몰분자, 또는 클러스터를 포함하는 박막이 고 진공 환경에서 레이저 애블레이션 증착에 의해 형성된다.
전술한 조사 조건을 갖는 레이저 애블레이션 증착이 수 토르(Torr)의 He 가스의 분위기에서 행해지는 경우, 탈착된 물질의 운동 에너지는 가스 원자 분위기에서 산란되고, 그 결과, 공기중에서 결합 및 성장이 가속화되고 그 물질이 증착 기판(2209)상에 도달하여 수집될 때까지 수 나노미터 내지 수 십 나노미터를 갖는 초미립자로서 성장된다.
특히, 진공 반응 챔버(2206)가 이전에 터보 몰분자 펌프(turbo molecular pump)를 주로 포함하는 고진공 배기 시스템(2210)에 의해 1×106Pa로 가스가 배기된 후 고진공 배기 시스템(2210)이 봉입된다. 다음에, 헬륨 가스는 불활성 가스 공급선(2211)을 통해 유입되어, 흐름량 제어기(2212)에 의한 흐름량 제어와, 건조 회전 펌프 또는 고압 터보 몰분자 펌프를 주로 포함하는 차분 배기 시스템(221)에 의한 차분 배기에 의해 의해 불활성 가스(He) 분위기가 구현된다. He 가스 분위기의 압력 제어 범위는 1.0 내지 20.0 토르(Torr)이다.
종래, 1000℃에서 벌크의 용융 및 열처리에 의해 고등급의 Si-Ge 혼합 결정을 형성하는 것은 어렵지만, 본 실시예에 따르면, Si-Ge 혼합 타겟(2207)의 표면에 수 만℃의 매우 고온에 해당하는 비가열 평형 상태가 제공될 수 있어, 이상적인 Si-Ge 혼합 결정의 형성을 보장할 수 있다.
Si-Ge 혼합 타겟(2207)이 마이크로미터 정도로 균일하게 분산된 Si 및 Ge를 가지므로, 조사 레이저의 스폿 영역은 수 mm2의 크기를 가지며, 온도로 환산할 때 수 만℃에 해당하는 초고온 상태에 있게 되며, 즉, Si 및 Ge의 용융점 및 증발 온도 사이의 차이는 무시되고, 각각의 펄스에 대해 탈착된 물질의 조성비는 Si-Ge 혼합 타겟(2207) 자체의 조성비(몰비:0.2:0.8)와 부합한다.
나노미터 정도로 조정된 입자 크기를 갖는 초미립자가 혼합 타겟 뿐만 아니라 Si 또는 Ge와 같은 단일의 Ⅳ족 물질의 타겟, 또는 이들의 혼합 타겟을 사용함으로써 기판 상에 증착될 수 있다는 것은 당연하다.
이제, 본 실시예에 따른 Si-Ge 혼합 결정 초미립자의 평균 입자 크기를 제어하는 방법에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 평균 입자 크기에 대한 제어는 기본적으로 진공 반응 챔버(2206)내의 불활성 가스(He 가스)의 압력을, 흐름량 제어기(2212)에 의한 흐름량 제어와, 건조 회전 펌프를 주로 포함하는 차분 배기 시스템(2213)에 의한 전도성 조정을 통해 일정하게 변화시킴으로써 달성된다.
도 23은 유입된 He 가스의 압력과 증착 기판(2209)에 부착된 Si-Ge 혼합 결정 초미립자의 평균 입자 크기 사이의 관계를 나타내는 특성 곡선이다. 이 도면으로부터, 초미립자의 입자 크기는 He 가스가 2.0 내지 10.0 토르의 범위내에 존재할 때, He 가스의 압력 상승에 따라 일정하게 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 입자 크기는 정량적으로도 He 가스 압력(P)의 1/3의 승에 비례하게 증가하고 있음을 알 수 있다. 이러한 의존성은 불활성 저항 매질로서 간주되는 He 가스 분위기내로 산란되는 탈착된(주입된) 입자의 운동 에너지에 의해 설명된다. 물론 이러한 크기 제어는 혼합 물질의 타겟 뿐만 아니라 Si 또는 Ge와 같은 단일 물질의 타겟상에서도 사용될 수 있다.
본 실시예에 따라 요약하면, 먼저, 불활성 가스 분위기에서 레이저 애블레이션 공정이 수행되어, 나노미터 정도로 제어되는 입자 크기를 갖는 초미립자를 기판 상에 확실히 증착시킬 수 있다. 다음에, 진공 반응 챔버 내의 불활성 가스 분위기의 압력이 일정하게 변화되어, 평균 입자 크기를 확실히 제어할 수 있다. 혼합 결정 초미립자가 사용되므로, 특히 이 혼합 결정의 조성비는, 비록 입자 크기가 제 2 실시예에서 도 6a 및 도 6b로 도시된 바와 같이, 밴드갭 에너지를 조정할 때의 주요 파라미터라 할 지라도, 서브 파라미터로서 효과적으로 사용될 수 있다.
광전자 재료로서, 단일 물질, 또는 다른 타입이나 다른 조성비를 갖는 혼합 결정이 또한 사용될 수도 있다. 가령, 갈륨-아세나이드(GaAs)와 같이, 직접 천이형 반도체인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물, 또는 카드뮴 설파이드(CdS)와 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물이 또한 사용될 수도 있다.
진공 반응 챔버 내에서 생성된 초미립자는 기판 상에 직접 증착되는데, 이 경우, 초미립자의 입자 크기 분산은 보다 넓어진다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 광전자 재료를 제조하는 공정에서 초미립자의 입자 크기를 제어하는 방법을도 24를 사용하여 설명한다.
도 24는 레이저 애블레이션에 의한 초미립자 증착시에 질량 분리(mass separation)를 이용하여 입자 크기를 제어하는 입자 크기 제어 장치의 개략도이다. 도 24에서, 펄스 레이저 빔이 불활성 가스 분위기에서 반응 챔버의 중앙에 위치한 타겟(241)의 표면상에 조사되는 경우, 타겟(241)의 표면상에서 레이저 애블레이션 현상이 발생하며 공기중에서 결합 및 성장이 가속화되어 초미립자(242)가 생성된다. 생성된 초미립자(242)에 대해, 생성된 초미립자(242)를 유입하기 위한 구멍(orifice)(245)과, 유입된 초미립자를 이온화하기 위한 이온화 챔버(246)와, 이온화된 초미립자의 속도를 전계에 의해 가속시키기 위한 가속화 튜브(247)와, 초미립자의 질량 분리를 위해 전계를 인가하기 위한 편향 전극(248)을 포함하는 질량 분리기(244)가 사용된다.
전술한 구조의 초미립자의 입자 크기를 제어하는 방법은 후술된다. 먼저, 전술한 바와 같이, 불활성 가스 분위기의 진공 반응 챔버 내에 위치한 타겟(241)의 표면에 펄스 레이저 빔이 조사될 때, 초미립자(242)가 생성된다. 초미립자(242)는 구멍(245)을 통해 이온화 챔버(246)내로 유입된다. 유입된 초미립자가 이온화 챔버(246)에서 형성된 글로 방전(glow discharge) 영역을 통과함에 따라, 이온화된다. 다음에, 이온화된 초미립자는 가속화 튜브(247)에 인가된 전압에 따라 가속화되어 편향 전극(248)에 도달한다. 전계가 편향 전극(248)에 인가되면, 초미립자의 주입 방향은 증착 기판(243)을 향해 변화된다. 이러한 주입 방향이 증착될 초미립자의 입자 크기(정확한 질량)와, 가속화 튜브(247)에서의 가속화 전압과, 편향 전극(248)에 인가되는 전계에 의해 결정되기 때문에, 이러한 물리적 수량을 제어함으로써 증착 기판(243)으로 향하게 증착될 초미립자만을 주입할 수 있다.
상기 타겟(241)과 증착 기판(243) 사이에 전술한 질량 분리기(244)를 설치하면, 증착 기판(243)상에 정합된 입자 크기를 갖는 초미립자가 증착될 수 있다. 초미립자의 주입 방향을 변화시키기 위해 편향 전극을 사용하여 전계를 인가시키지만, 자계를 인가하여 주입 방향을 변화시킬 수 있다.
(제 14 실시예)
이제, 본 발명에 따른 광전자 재료를 제조하는 또다른 적절한 방법에 대해 제 14 실시예로서 도 25를 참조하여 설명한다. 본 발명의 제 14 실시예에 따르면, Ⅳ족 초미립자를 제조하는 방법이 기술된다. 초미립자가 증착 기판 상에 직접 부착 및 증착되면, 초미립자로 구성되는 다공성 형상의 박막이 아마도 최종적으로 형성될 것이다. 이러한 다공성 형상과 관련하여, 전극들이 장치를 형성하도록 접속된다고 가정하면 보다 최적의 형상이 요구될 수 있거나, 본래의 구 형상 초미립자의 양자 구속 효과를 발생시켜 광 방출과 관련한 새로운 기능을 설명하도록 보다 최적의 형상 등이 요구될 수 있다.
이러한 점에 있어서, 본 실시예에 따른 Si 초미립자가 분산된 투과성 도전 박막으로 구성되는 광전자 재료를 제조하는 방법이 설명된다. 이러한 실시예에 따르면, Si 초미립자의 증착과 투과성 도전 물질의 증착을 동일 기판 상에서 동시에 수행하여 Si 초미립자를 투과성 도전 박막내에 분산시키는 공정이 있으며, Si초미립자는 불활성 가스(Ar, He, 등) 분위기의 레이저 애블레이션을 사용하여 기판 상에서 마련 및 증착되며, 투과성 도전 박막은 증발 공정, 적절히는 산화물 가스 분위기의 레이저 애블레이션 공정을 통해 Si 초미립자를 분산시키는 방식으로 동일 기판 상에 형성된다.
특히, 도 25는 Si 타겟과 투과성 도전 타겟상에서의 동시적인 레이저 애블레이션에 의해 균일한 투과성 도전 박막에 분산된 Si 초미립자를 갖는 광전자 재료를 형성하기 위한 광전자 재료 제조 장치의 개념도를 도시하고 있다.
도 25를 참조하면, 주로 터보 몰분자 펌프를 구성하는 고진공 배기 시스템에 의해 전체가 금속으로 이루어진 제 1 반응 챔버(2501)의 압력이 1.0×109토르(Torr)로 감소된 후, Ar 가스는 불활성 가스 공급선(2503)과 흐름량 제어기(2502)를 통해 유입된다. 건조 회전 펌프 혹은 고압 터보 몰분자 펌프를 주로 포함하는 가스 배기 시스템(2504)의 동작과 결합되는 경우, 제 1 반응 챔버(2501)의 불활성 가스 압력은 0.1 내지 10 토르 범위내의 일정값으로 설정된다.
이러한 상황하에서, 제 1 펄스 레이저 소스(2507)로부터의 펄스 레이저 빔은 회전 메카니즘을 갖는 제 1 타겟 홀더(2505)상에 위치한 Si 타겟(2506)의 표면에 조사된다. 결과적으로, Si 타겟(2506)의 표면상에서 레이저 애블레이션 현상이 발생하며, Si의 이온 또는 중성자(원자, 클러스터)는 탈착되어, 먼저 이온에 대해서는 50eV 또는 중성자에 대해서는 5eV의 운동 에너지로 주로 타겟 법선 방향으로주입된다. 탈착된 물질이 불활성 가스의 원자와 충돌함에 따라, 그 주입 방향은 방해를 받으며, 운동 에너지는 불활성 가스 분위기에서 산란되어, 공기중에서 결합 및 압축이 가속화된다. 그 결과, 수 나노미터 내지 수 십 나노미터의 입자 크기를 갖는 초미립자가 성장된다. 이러한 불활성 가스 분위기에서의 레이저 애블레이션 공정은 기본적으로 도 22를 참조하여 설명된 것과 동일하다.
한편, 전체가 금속으로 이루어진 제 2 반응 챔버 (2508)내의 압력이 고진공 배기 시스템에 의해 1.0×109토르(Torr)로 감소된 후, 산소 함유 가스는 산화물 가스 공급선(2510)과 흐름량 제어기(2509)를 통해 유입된다. He 가스에 산소를 수 %의 산소 혼합비로 혼합하는 것이 바람직하다. 건조 회전 펌프 또는 고압 터보 몰분자 펌프를 주로 구성하는 가스 배기 시스템(2511)의 동작과 결합되는 경우, 제 2 반응 챔버(2508)의 불활성 가스 압력은 0.1 내지 10토르(Torr)의 범위의 일정값으로 설정된다. 제 2 펄스 레이저 소스(2514)로부터의 펄스 레이저 빔이 회전 메카니즘을 갖는 제 2 타겟 홀더(2512)상에 위치한 SnO2타겟(2513)의 표면에 조사될 때, 이러한 상황하에서, SnO2타겟(2513)의 표면에서 레이저 애블레이션 현상이 발생하고, SnO2의 이온 또는 중성자(몰분자, 클러스터)는 탈착되어, 먼저 이온에 대해서는 50eV 또는 중성자에 대해서는 5eV의 운동 에너지로 주로 타겟 법선 방향으로 주입되는 한편 몰분자 또는 클러스터 레벨의 크기는 유지된다. 이 때, 산소 가스 분위기를 제공함으로써, 주입된 물질은 준안정 상태에서 SnO2의 몰분자 또는 단위몰분자를 갖는 클러스터로 되며, 화학량론적 조성비는 유지된다.
또한, 증착 기판(2516)은, 주로 터보 몰분자 펌프를 포함하는 고진공 배기 시스템(2517)에 의해 대략 1.0×10-5토르(Torr)로 압력이 감소된 진공 반응 챔버(2515)내에 위치된다. 진공 반응 챔버(2515)와 제 1 반응 챔버(2501) 사이의 차분 압력으로 인해, 제 1 반응 챔버(2501)에서 생성된 Si 초미립자는 제 1 노즐(2518)과 제 1 스키머(skimmer)(2519)를 통해 진공 반응 챔버(2515)내로 주입되어 기판(2516)상에 증착된다.
마찬가지로, 진공 반응 챔버(2515)와 제 2 반응 챔버(2508) 사이의 차분 압력으로 인해, 제 2 반응 챔버(2508)에서 생성된 SnO2의 몰분자 또는 클러스터는 제 2 노즐(2520)과 제 2 스키머(2521)를 통해 진공 반응 챔버(2515)내로 유입되어 기판(2516)상에서 균일 박막으로 증착된다.
따라서, Si와 SnO2의 동시적인 레이저 애블레이션 공정에 의해, 증착 기판(2516)상에 Si 초미립자가 분산된 SnO2박막(투과성 도체)이 형성될 수 있다. 또한, 투과성 도전 박막을 마련하기 위한 활성 산소가 본 실시예에 따른 제 2 반응 챔버(2508)내에만 존재하므로, 산화에 매우 민감한 Si 초미립자는 활성 산소 분위기에 노출되지 않고도 투과성 도전 박막내에 분산될 수 있다.
증착된 초미립자의 충전율은 레이저 애블레이션시의 타겟상에서의 레이저 전력과 반복 주파수에 의해 제어되며, 대안적으로는, 노즐 및 스키머의 형상과, 진공 반응 챔버와 각각의 반응 챔버 사이의 차분 압력을 조정함으로써 제어될 수 있다.
불활성 가스인 Ar과 He를 사용할 때의 차이점은 Ar의 압력을 He의 압력의 0.1 내지 0.2배로 설정해야 한다는 것이다.
증착 바로 직후에 Si 초미립자의 표면은, 고온 에너지 입자 혹은 방출에 의해 야기되는 손상에 기인해서 결정 결함이나 불순물 혼합의 손상을 받는다. 이러한 바람직하지 않은 표면층을 제거하고 우수한 결정성 및 순도를 갖는 Si 초미립자를 형성하기 위해서는, Si 초미립자를 산소 분위기에서 산화시키거나 열처리를 행하는 것이 효과적이다. 이러한 표면 처리 공정으로서, 표 1을 사용하여 제 1 실시예에서 기술된 투과성 매질과 초미립자의 조합에 따른 다음의 방법이 적절하다.
먼저, 표 1의 조합 A의 경우, 즉, 투과성 매질의 표준 형성 엔탈피가 초미립자의 표준 형성 엔탈피보다 낮은 경우, 투과성 매질에서의 산소에 의한 산화는 투과성 매질에 초미립자가 분산되어 있을 때에는 발생이 용이하지 않아, 초미립자가 분산된 투과성 박막은 증착후에 열처리된다. 특히, 증착이 완료된 후, 진공 반응 챔버(2515)는 일시적으로 배기되어 고진공 상태로 되며, 그 이후, 질소 가스가 유입되어 질소 분위기가 형성된다. 다음에, 증착 기판 상에서의 초미립자가 분산된 투과성 박막이 가열된다. 이러한 열처리에서, 온도는 초미립자의 용융점(절대 온도)의 0.5 내지 0.8배로 설정되며, 투과성 매질의 용융점 보다 낮다. 또한, 투과성 매질의 용융점은 초미립자의 용융점 보다 높은 것이 바람직하다. 가령, Si의 용융점은 1414℃이며, SnO2의 용융점은 1127℃이며, 그 결과, 열처리시의 온도는 600 내지 1000℃의 범위로 설정되어야 한다. 이러한 질소 분위기에서의표면 열처리 공정에 따라, 바람직하지 않은 표면층이 제거될 수 있으며, 우수한 결정성 및 순도를 갖는 초미립자가 형성될 수 있다. 열처리가 질소 가스 분위기에서 수행되지만, 산소 가스 등의 분위기에서 수행될 수 있다. 이러한 경우, 산화막은 초미립자의 표면상에 형성될 수 있다.
본 실시예에서와 마찬가지로 표 1의 조합 B의 경우, 초미립자가 투과성 매질에 분산될 때, 초미립자는 투과성 매질에서 산소에 의해 산화된다. 따라서, 투과성 매질에 초미립자를 분산시키기 전에, 초미립자는 산화막으로 피복되어야 한다. 특히, 전술한 Si 및 SnO2의 레이저 애블레이션을 수행할 때, 산소 가스는 진공 반응 챔버(2415)에 유입되어져야 한다. 압력은 제 1 반응 챔버와 제 2 반응 챔버 사이의 차분 압력을 가령 102또는 그 보다 낮은 토르(Torr)로 제공하도록 설정되어야 한다. 제 1 반응 챔버(2501)내에서 생성된 Si 초미립자가 제 1 노즐(2518)을 통해 진공 반응 챔버(2515)내로 주입될 때, 이 초미립자는 진공 반응 챔버 내의 산소 몰분자와 접촉하게 되어, 표면 산화를 가속화시킨다. 한편, 증착된 SnO2박막의 산소 조성비는 산소 가스의 혼합에 의해 감소되지 않으며, 화학량론적 조성비는 유지된다. 이러한 산소 분위기에서의 표면 열처리 공정에 따라, 바람직하지 않은 표면층은 제거될 수 있으며, 결정성 및 순도가 우수한 초미립자가 형성될 수 있다.
전술한 본 실시예에 따르면, Si 초미립자가 분산된 SnO2박막을 얻을 수 있어서, 다공성 형상이 제거될 수 있다. 따라서, 전극들을 접속하여 장치를 형성하는데 유용한 초미립자를 함유한 박막을 마련할 수 있으며, 양자 크기 효과를 효과적으로 발생시킬 수 있다.
또한, 바람직하지 않는 표면층이 초미립자의 표면 열처리에 의해 제거되어 결정성 및 순도가 우수한 초미립자를 형성할 수 있다.
지금까지 SnO2박막에 분산된 Si 초미립자를 포함한 광전자 재료의 제조 방법에 대해 설명했지만, 단일 물질, 혹은 다른 타입 또는 다른 조성비의 혼합 결정이 광전자 재료로서 물론 사용될 수 있으며, 투과성 도전 박막 대신에, SiO2등의 유전체 박막이 초미립자가 분산될 투과성 매질 물질로서 사용될 수 있다.
제 1 반응 챔버 내에서 발생된 Si 초미립자는 제 1 노즐을 통해 기판 상에 직접 증착되어, 초미립자의 입자 크기 분산은 보다 넓어진다. 이러한 점에 있어서, 정합된 입자 크기를 갖는 초미립자는 본 발명의 광전자 재료 제조 공정에서, 도 24를 이용한 제 13 실시예에서 기술된 바와 같은 초미립자의 입자 크기 제어 방법을 사용하여 증착될 수 있다.
(제 15 실시예)
이제, 본 발명에 따른 광전자 재료의 또다른 제조 방법은 도 26 및 도 27을 참조한 제 15 실시예로서 상세히 설명된다. 본 실시예에 따라 Ⅳ족 초미립자를 주로 갖는 유전체 박막을 포함한 광전자 재료의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 실시예는 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자의 증착과 유전체 물질의 증착을 동일 기판 상에 동시에 수행하여 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자를 유전체 박막에 분산시키는 공정을 갖는다. 레이저 애블레이션에 의한 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자의 증착과 스퍼터링에 의한 유전체 박막의 증착은 동일 기판 상에서 동시에 수행된다.
특히, 도 26 및 도 27은 본 실시예에 따른 장치의 개념도를 도시하고 있다. 도 26은 본 실시예에서 사용되는 애블레이션-스퍼터링 하이브리드 캐소드(261)의 구조를 도시하고 있다. 도 26에서, 레이저 애블레이션을 위한 디스크 형상의 Ⅳ족 (Si-Ge) 혼합 타겟(262)이 중앙에 위치되고, 스퍼터링을 위한 유전체 물질(SiO2) 타겟(263)은 상기 타겟(262) 주위에 동심원 형태로 배열된다. Ⅳ족 (Si-Ge)혼합 타겟(262)은 본 발명의 제 13 실시예에서 사용되는 타겟과 동일하다.
유전체 물질 타겟(263)의 기저부는 RF 전원(264)(13.56 MHz, 1.0 kW)과, 유전체 물질 타겟(263) 근처의 플라즈마 밀도를 증대시켜 스퍼터링 비율을 증가시키기 위해 유전체 물질 타겟(263) 하부에 마련된 영구 자석을 갖는 마그네트론 구조체(267)에 접속된다.
애노드 링(265)은, 레이저 애블레이션을 위한 Ⅳ족 혼합 타겟(262)의 표면상에서 스퍼터링에 의해 발생하는 교차 불순물(cross contamination) 또는 다른 불필요한 부분을 방지하기 위한 적절한 형상으로 제공된다.
Ⅳ족 혼합 타겟(262)과 유전체 물질 타겟(263)의 기저부들이 과열되는 것을 방지하기 위해 물(water)로써 냉각되는 동안, 냉각 효율을 향상시키기 위해 구리의 충전판(packing plate)(266)이 제공된다.
도 27은 유전체 박막내에 분산된 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자를 갖는 광전자 재료층을 형성하기 위한 복합 증착 장치(composite deposition apparatus)의 개념도를 도시하고 있다.
도 27을 참조하면, 먼저, 전체가 금속인 진공 반응 챔버(2701)의 압력은, 주로 터보 몰분자 펌프를 포함하는 고진공 배기 시스템(2702)에 의해 1.0×107Pa의 진공 압력으로 감소된다. 다음에, 고진공 배기 시스템(2702)은 밸브에 의해 폐쇄되고, 그 후, Ar 가스 또는 He 가스가 불활성 가스 공급선(2704)과 흐름량 제어기(2703)를 통해 유입된다. 건조 회전 펌프 또는 고압 터보 몰분자 펌프를 주로 포함하는 차분 배기 시스템(2705)의 동작과 결합되는 경우, 진공 반응 챔버(2701)의 불활성 가스 압력은 10.0 m Torr 내지 10.0 Torr의 범위내의 일정값으로 설정된다.
이러한 상황하에서, 엑시머 레이저 소스(2707)로부터의 ArF 엑시머 레이저 빔은 광 유입 윈도우(2706)를 통해 상기 하이브리드 캐소드(261)의 중앙에 위치한 Si-Ge 타겟(262)의 표면상에 조사된다. 이어서, Si-Ge 타겟(262)의 표면상에 레이저 애블레이션 현상이 발생하며, Si 및 Ge의 이온 또는 중성자(원자, 클러스터, 등)는 탈착되어, 이온에 대해서는 50eV와 중성자에 대해서는 5eV 정도의 운동 에너지로써 주로 타겟 법선 방향으로 먼저 주입된다. 탈착된 물질의 운동 에너지가 가스 원자 분위기에서 산란되므로, 공기중에서 결합 및 성장이 가속화된다. 따라서, 수 나노미터의 입자 크기를 갖는 초미립자로서의 물질은 Si-Ge 타겟(262)의 중앙 상부에 수직으로 위치한 증착 기판(2708)상에 도달하여 충돌될 때까지 성장된다.
이러한 불활성 가스 분위기의 레이저 애블레이션 공정은 기본적으로 도 22를 참조하여 기술된 공정과 동일하다. 증착된 초미립자의 충전율은 레이저 애블레이션시의 타겟상의 레이저 전력과 반복 주파수에 의해 제어된다.
고주파수 전력이 불활성 가스 분위기의 상기 하이브리드 캐소드(261)의 SiO2타겟(263)에 인가됨에 따라, 스퍼터링에 의한 SiO2의 증착이 동시에 수행된다.
(Si-Ge) 애블레이션과 (SiO2) 스퍼터링에 의한 전술의 동시 증착들에 따라, 증착 기판(2708)상에서 Si-Ge(Ⅳ족) 혼합 결정 초미립자가 분산된 SnO2박막이 형성될 수 있다.
증착이 완료된 후, 진공 반응 챔버(2701)는 일시적으로 배기되어 고진공 상태로 되며, 그 후, 산소 가스가 산소 공급선(2709)을 통해 유입되어 산소 분위기를 형성한다. 다음에, 증착 기판(2708)의 후면에 제공된 할로겐 램프(2710a)와 균일 반사기(2710b)를 포함하는 방출 및 가열 장치(2710)로부터의 적외선 광(비간섭 광)이 증착 기판(2708)상에 조사되어 증착 기판(2708)상에서의 Si-Ge 혼합 결정 초미립자가 분산된 SiO2박막을 가열한다. 이 때, 수정과 같은 투과성 물질은 기판 홀더(2711)용으로 사용된다. 이러한 열처리는 산소 분위기에서 수행되며, Ⅳ족 혼합 결정 초미립자의 표면은 온도가 600 내지 900℃의 범위로 설정되면 산화될 수 있다.
증착 바로 직후의 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자의 표면은 고온 에너지 입자 또는 방출에 의해 야기되는 손상에 기인하여 결정 결함 혹은 불순물 혼합의 결함을 받는다. 이러한 바람직하지 않는 표면층이 산소 분위기의 표면 산화 공정에 의해 제거되어, 결정성 및 순도가 우수한 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자가 형성된다.
공기중으로의 주입 동안 초미립자의 표면은 활성이므로, 이러한 표면은 산소 몰분자와 접촉하여 표면 산화가 가속화된다. 증착된 SnO2박막의 산소 조성비는 이러한 산소 가스 혼합에 의해 감소되지 않으며, 화학량론적 조성비는 유지된다. 1.0% 정도의 혼합비로 산소를 Ar 가스내에 혼합하는 것이 바람직하다.
전술한 본 실시예에 따르면, Si-Ge 혼합 결정 초미립자가 분산된 SiO2박막이 획득되어, 다공성 형상이 제거된다. 따라서, 전극들을 접속하여 장치를 형성하는데 유용한 초미립자를 포함한 박막을 마련할 수 있으며, 양자 크기 효과를 효과적으로 발생시킬 수 있다.
불활성 가스인 Ar과 He의 사용 사이의 차이는, Ar의 압력이 He를 기준으로 할 때 He 압력의 0.1 내지 0.2배로 설정되어야 한다는 것이다. 실제로, 종래의 스퍼터링 증착과의 정합성을 고려할 때, Ar의 압력을 대략 0.01 내지 0.1토르(Torr)의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
동시적인 증착에서 산소 가스 분위기에서의 가열에 의한 표면 산화에 따라, 바람직하지 않는 표면층이 제거될 수 있고, 결정성 및 순도가 우수한 Ⅳ족 혼합 결정 초미립자가 형성될 수 있다.
물론 제 13 또는 제 14 실시예에서와 마찬가지로, 단일 물질, 혹은 또다른 종류 또는 조성비의 혼합 결정이 반도체 물질로서 사용될 수 있으며, 유전체 물질로서 알루미늄 산화물(Al2O3)과 같은 또다른 물질이 사용될 수 있다. 이러한 것은, Al2O3를 사용할 경우, SiO2에 비해, 혼합된 Ⅳ족 반도체 초미립자상의 알루미늄 산화물의 화학량론적 조성비 편이의 악영향(초과 산소가 Ⅳ족 반도체를 산화시키고 있음을 주로 의미함)이 보다 작아진다는 것 때문이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 초미립자는 거의 균일하며 제어가능한 도전율 또는 유전상수를 갖는 매질 내에 분산되며, 초미립자내의 캐리어의 양자 구속 효과 또는 초미립자내의 캐리어 주입을 효과적으로 실행 및 제어할 수 있으며, 파장과 같은 광 방출 및 흡수 특성이 제어가능한 동시에 고효율의 광 방출 및 흡수가 가능한 발광 장치 및 광 검출기를 구현할 수 있다.
이러한 광전자 재료 및 투과성 매질층을 사용하여 초미립자 분산층이 서로 교대로 적층되는 주기적 구조로 인해, 초미립자에 의해 방출되거나 생성되는 연속 스펙트럼에서 특정 파장 영역의 세기를 증대시키기 위한 특성을 갖는 광전자 재료를 제공할 수 있으며, 따라서, 흡수되거나 방출된 광의 광자 에너지를 제어할 수 있는 발광 장치, 광 검출기 등을 구현할 수 있다.
또한, 활성층에 대해 샌드위치형으로 형성되는 고반사층 및 부분 반사층과, 광전자 재료를 이용한 활성층을 제공하면, 광전자 재료, 궁극적으로, 흡수되거나 방출된 광의 파장을 줄이며 세기를 증대시킬 수 있는 발광 장치, 광 검출기 등을제공할 수 있다.
또한, 광전자 재료를 포함한 광전자 재료층에 대해 샌드위치형으로 형성되는 한 쌍의 전극을 제공하되, 이 중 하나의 전극이 광전자 재료층에 직접 접촉하도록 제공함으로써, 전극들과 광전자 재료층 사이의 전기적 접속을 적절히 제어할 수 있으며, 고효율의 광 방출 및 흡수가 가능한 발광 장치, 디스플레이 장치, 광 검출기 등을 얻을 수 있다.
이러한 광전자 재료가 특히 자외선 검출기 등에 적용된다면, 컬러 필터 등은 불필요하게 된다.
전술한 디스플레이 장치를 사용함으로써, 저전력 소비 및 고해상도를 가지며 크기 및 중량 감소에 적합한 포터블 디스플레이 장치가 제공되며, 또한 이는 HMD 또는 전자 사전으로서 적절히 채택될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전술의 광전자 재료, 발광 장치, 광 검출기 등은, 양이 제한되어 있지 않으며, 환경 오염이 없으며, Si-LSI 기법 정합성, 환경에 대한 고저항성, 비조립 공정에 우수한 물질을 이용하며, 다양한 종류의 멀티미디어 적응성 장치에 채택될 수 있다.
전술한 광전자 재료를 제조하는 방법에 따르면, 제 1 타겟에 대한 레이저 애블레이션 공정이 불활성 가스 분위기에서 수행되어, 입자 크기가 나노미터 정도로 제어되는 기판 상에 초미립자를 확실히 증착시킬 수 있으며, 평균 입자 크기 및 혼합 결정의 조성비가 제어될 수 있어, 광 방출 및 흡수 특성을 매우 자유스럽게 조정할 수 있다.
또한, 제 2 타겟 물질을 증착하기 위한 증발 공정이 제공되는 것이 바람직하다. 따라서, 증발 공정에서 생성되는 물질은, 애블레이션 공정에서 탈착되어 공기중으로 주입된 물질을 농축 및 성장시킴으로써 얻어진 초미립자가 증착 기판에 수집되는 것과 거의 동시에 증착 기판에 수집되어, 제 2 타겟 물질로 이루어진 균일 물질내에 분산된 초미립자를 갖는 광전자 재료를 실질적으로 얻을 수 있다.
본 발명은 Si-LSI 기법 정합성, 자연 광방출, 고속 응답, 화소 소형화, 저소비 전력, 환경에 대한 고저항성, 비조립 공정에 우수한 특성을 가지며, 다양한 종류의 포터블 터미널 및 다른 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
Claims (34)
- 전기적 특성의 제어가 가능한 균질한 매질과,이 매질 중에 분산된 평균 입자 직경이 100nm 이하의 반도체 초미립자를 구비하고,상기 매질의 비저항이, 반도체 초미립자의 비저항과 같은 정도 혹은 그 이상이며,매질 중에 분산된 반도체 초미립자 사이의 거리가, 상기 반도체 초미립자의 반경 이상인광전자 재료.
- 전기적 특성의 제어가 가능한 균질한 매질과,이 매질 중에 분산된 평균 입자 직경이 100nm 이하의 반도체 초미립자를 구비하고,상기 매질의 비저항이, 반도체 초미립자의 비저항과 같은 정도 혹은 그 이상이며,매질 중의 반도체 초미립자의 충전율이 30 % 이하인광전자 재료.
- 전기적 특성의 제어가 가능한 균질한 매질과,이 매질 중에 분산된 평균 입자 직경이 100nm 이하의 반도체 초미립자를 구비하고,상기 매질의 비저항이, 반도체 초미립자의 비저항과 같은 정도 혹은 그 이상이며,매질의 표준 생성 엔탈피가, 상기 매질 중에 분산된 반도체 초미립자의 산화물의 표준 생성 엔탈피보다 낮은광전자 재료.
- 전기적 특성의 제어가 가능한 균질한 매질과,이 매질 중에 분산된 평균 입자 직경이 100nm 이하의 반도체 초미립자를 구비하고,상기 매질의 비저항이, 반도체 초미립자의 비저항과 같은 정도 혹은 그 이상이며,매질 중에 분산된 반도체 초미립자가, 이 반도체 초미립자를 구성하는 원소의 산화물로 피복되어 있는광전자 재료.
- 제 4 항에 있어서,매질의 표준 생성 엔탈피가, 상기 매질 중에 분산된 반도체 초미립자의 산화물의 표준 생성 엔탈피보다 높은광전자 재료.
- 광전자 재료에 있어서,제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층과,투과성 물질층을 포함하며,상기 초미립자 분산층과 상기 투과성 물질층은 서로 교대로 적층되는광전자 재료.
- 광전자 재료에 있어서,제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층과,상기 초미립자 분산층의 한 표면상에 형성된 고반사층과,상기 초미립자 분산층의 반대측 표면상에 형성된 부분 반사층을 포함하는 광전자 재료.
- 제 7 항에 있어서,상기 부분 반사층과 상기 고반사층 중의 적어도 하나는 서로 교대로 적층된 상이한 굴절율을 갖는 두 종류의 층을 갖는 다층막인광전자 재료.
- 제 8 항에 있어서,상기 초미립자 분산층은 상기 다층막내에 포함되는 광전자 재료.
- 전기적 특성의 제어가 가능한 균질한 매질 중에 평균 입자 직경이 100nm 이하의 반도체 초미립자를 분산시켜서 이루어지는 초미립자 분산층과,이 초미립자 분산층을 샌드위치형으로 포개는 한 쌍의 전극을 구비하고,상기 한 쌍의 전극에 전압을 인가하는 것에 의해 캐리어가 상기 반도체 초미립자에 주입되어, 캐리어 주입에 의한 전자-정공 쌍의 복사 재결합 과정에 있어서 발광 현상을 겪어서, 상기 매질의 비저항이, 반도체 초미립자의 비저항과 같은 정도 혹은 그 이상이며,발광 광자 에너지가 제어가능한발광 소자.
- 발광 소자에 있어서,반도체 기판의 한 주요 표면상에 형성된 제 1 전극과,상기 반도체 기판의 반대측 주요 표면상에 형성되며 상기 반도체 기판을 부분적으로 노출시키는 개구부를 갖는 절연층과,상기 개구부를 통해 상기 반도체 기판과 접촉하며 제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층과,상기 초미립자 분산층상에 형성된 제 2 전극을 포함하는발광 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 전극에 전압이 인가될 때, 상기 반도체 초미립자내로 캐리어가 주입되고 캐리어 주입에 의해 야기되는 전자-정공 쌍의 방출 재결합시에 광 방출이 발생하며, 방출 세기는 주입 전류에 비례하는 것보다 더 급격히 증가하는발광 소자.
- 흑백 디스플레이 장치에 있어서,제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층을 각각 갖는 발광 소자와,상기 초미립자 분산층에 대해 샌드위치형으로 형성된 한 쌍의 전극들을 포함하며,상기 발광 소자는 균일 및 일정하게 배열된 단위 화소를 구성하며, 상기 단위 화소들의 각각의 방출 세기는 상기 단위 화소의 발광 소자에 대한 여기 전류의 변화에 의해 조정되는흑백 디스플레이 장치.
- 컬러 디스플레이 장치에 있어서,제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층을 각각 갖는 발광 소자와,상기 초미립자 분산층에 대해 샌드위치형으로 형성된 한 쌍의 전극들을 포함하며,상기 발광 소자는 균일 및 일정하게 배열된 단위 화소를 구성하며, 각각의 단위 화소는 발광 소자들의 초미립자의 평균 입자 크기 또는 초미립자의 표면 원자 배열에 기인한 특정 컬러의 광을 방출하기 위한 다수의 발광 소자들로 구성되며,상기 단위 화소들 각각의 방출 세기 및 컬러는 상기 단위 화소의 발광 소자에 대한 여기 전류의 변화에 의해 조정되는 컬러 디스플레이 장치.
- 제 14 항의 디스플레이 장치를 포함하는 포터블 디스플레이 장치.
- 헤드 장착형 디스플레이에 있어서,제 14 항의 디스플레이 장치와,디스플레이 소자를 장착할 사람의 헤드에 상기 디스플레이 장치를 고정하기 위한 고정 부재와,상기 디스플레이 장치상에 디스플레이되는 정보를 상기 사람의 우측 및 좌측 시야에 형성하기 위한 광학 시스템을 포함하는 헤드 장착형 디스플레이.
- 제 14 항의 디스플레이 장치에 의해 정보를 디스플레이하기 위한 전자 사전.
- 광전 변환 장치에 있어서,제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층과,상기 초미립자 분산층에 대해 샌드위치형으로 형성된 한 쌍의 전극들을 포함하며,상기 초미립자 분산층에 대한 광 조사로부터 발생되는 캐리어 생성에 의해 야기되는 내부 저항값의 변화를 검출함으로써 광 검출 기능을 갖는 광전 변환 장치.
- 광전 변환 장치에 있어서,제어가능한 전기적 특성을 갖는 균일 매질 내에 평균 입자 크기가 100㎚이하인 반도체 초미립자를 갖는 초미립자 분산층과,상기 초미립자 분산층에 대해 샌드위치형으로 형성된 한 쌍의 전극들을 포함하며,상기 초미립자 분산층과 상기 전극들 사이의 계면에서 쇼트키 접합 또는 상기 초미립자 분산층내에서 p-n 접합이 형성되며,광 조사로부터 발생되는 캐리어 생성에 의해 발생되는 광기전력의 변화를 검출함으로써 광 검출 기능을 갖는 광전 변환 장치.
- 제 18 항에 있어서,검출된 광자 에너지는 제어가능한 광전 변환 장치.
- 투과성 절연체막을 통해 적층된 제 18 항의 광전 변환 소자들을 포함하는 광전 변환층을 갖는 컬러 센서에 있어서,상기 각각의 광전 변환 소자는 상기 광전 변환 소자들의 초미립자의 평균 입자 크기 또는 초미립자의 표면 원자 배열을 조정함으로써 광학 갭 에너지를 제어하여 상이한 소정의 파장 영역들에서 광 검출 기능을 갖는 컬러 센서.
- 제 21 항에 있어서,상기 적층된 광전 변환층들은 상이한 광학 갭 에너지를 가지며, 광전 변환층들이 광전자 표면에 근접하면 할수록 상기 광학 갭 에너지가 보다 더 커지는 컬러 센서.
- 광전자 재료 제조 방법에 있어서,저압의 불활성 가스 분위기의 진공 반응 챔버 내에 제 1 타겟 물질을 마련하는 제 1 타겟 물질 마련 단계와,상기 진공 반응 챔버 내에 기판을 마련하는 기판 마련 단계와,상기 제 1 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 상기 제 1 타겟 물질에 레이저 빔을 조사하여 상기 타겟 물질을 탈착하여 주입시키는 애블레이션 단계를 포함하고,상기 애블레이션 단계에서 탈착 및 주입된 물질을 농축 및 성장시킴으로써 얻어진 초미립자를 불활성 가스 분위기에서 상기 기판 상에 트래핑하여, 상기 초미립자를 함유한 광전자 재료를 획득하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 제 1 타겟 물질이 마련되는 상기 진공 반응 챔버 내에 제 2 타겟 물질을 마련하는 제 2 타겟 물질 마련 단계를 더 포함하며,상기 애블레이션 단계에서 탈착 및 주입된 물질을 농축 및 성장시킴으로써 얻어진 초미립자가 불활성 가스 분위기에서 상기 기판 상에서 트래핑되는 것과 거의 동시에 상기 제 2 타겟 물질을 스퍼터링하여, 스퍼터링에 의해 생성된 물질을 상기 기판 상에 트래핑함으로써, 상기 제 2 타겟 물질로 구성된 물질내에 분산된 상기 초미립자를 갖는 광전자 재료를 획득하는 광전자 재료 제조 방법.
- 광전자 재료 제조 방법에 있어서,저압의 불활성 가스 분위기의 진공 반응 챔버 내에 제 1 타겟 물질을 마련하는 제 1 타겟 물질 마련 단계와,상기 진공 반응 챔버 내에 기판을 마련하는 기판 마련 단계와,상기 제 1 타겟 물질 및 상기 기판으로부터 분리된 제 2 반응 챔버 내에 제 2 타겟 물질을 분위기 요소로서 마련하는 제 2 타겟 물질 마련 단계와,상기 제 1 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 상기 제 1 타겟 물질에 레이저 빔을 조사하여 상기 타겟 물질을 탈착하여 주입시키는 애블레이션 단계와,상기 제 2 타겟 물질 마련 단계에서 마련된 상기 제 2 타겟 물질을 증발시키는 증발 단계를 포함하고,상기 애블레이션 단계에서 탈착 및 주입된 물질을 상기 제 1 타겟 물질상에 농축 및 성장시킴으로써 얻어진 초미립자가 불활성 가스 분위기에서 상기 기판 상에서 트래핑되는 것과 거의 동시에 상기 증발 단계에서 상기 제 2 타겟 물질상에 생성된 물질을 상기 기판 상에 트래핑함으로써, 상기 제 2 타겟 물질로 구성된 물질내에 분산된 상기 초미립자를 갖는 광전자 재료를 획득하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 25 항에 있어서,상기 제 2 타겟 물질을 증발시키기 위한 상기 증발 단계는 상기 제 2 타겟 물질에 제 2 레이저 빔을 조사하여 상기 타겟 물질을 탈착 및 주입시키는 애블레이션 단계를 포함하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서,저압의 불활성 가스의 유입 압력을 변화시켜 상기 초미립자의 평균 입자 크기를 제어하는 단계를 더 포함하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 애블레이션 단계에서 획득된 초미립자의 질량 분리를 수행하여 상기 초미립자의 평균 입자 크기를 제어하는 단계를 더 포함하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 28 항에 있어서,상기 초미립자의 질량 분리를 수행하는 방법은 상기 초미립자를 이온화하는 단계와, 이온화된 초미립자에 전계 또는 자계를 인가하는 단계를 포함하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 제 1 타겟 물질은 다수의 타입의 반도체 물질을 포함하는 혼합된 결정 상태의 혼합 물질인 광전자 재료 제조 방법.
- 제 30 항에 있어서,상기 혼합 물질은 여러 종류의 개시열(starting row) 입자들을 휘젖는 방식으로 기계적으로 혼합하는 단계와 혼합된 입자들을 고온 가압에 의해 소결하는 소결 단계(sintering step)에 의해 형성되는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 기판 상에 상기 광전자 재료의 표면을 산화시키는 산화 단계를 더 포함하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 32 항에 있어서,상기 산화 단계에서, 공기 결합 단계에서 획득된 초미립자는 산소를 함유하는 가스 분위기로 열처리되어, 상기 초미립자의 표면을 열산화막으로 피복하는 광전자 재료 제조 방법.
- 제 33 항에 있어서,상기 열산화막을 형성하기 전에, 피복 단계에서 열산화막을 형성할 때의 온도보다 높은 온도로 비산화 분위기의 열처리가 수행되는 광전자 재료 제조 방법.
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