KR100714123B1 - 실리콘 발광소자 - Google Patents
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Abstract
발광소자 측면으로 방출되는 광(光) 중에서 더 많은 광량을 소자 전면(前面)으로 방출시킴으로써, 소자의 밝기를 향상시킨 고효율의 실리콘 발광소자를 제공한다. 그 발광소자는 기판; 기판 상에 형성된 활성층을 포함한 다수의 발광구조체; 및 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광구조체 상부에 형성된 상부 메탈전극을 포함한 메탈전극;을 구비하고, 발광구조체는 기둥의 형상을 가지되 수직 단면이 역사다리꼴 형태를 가진다.
실리콘 발광소자, 실리콘 미세구조, 마이크로 패턴, 고효율 발광소자
Description
도 1a은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자에 대한 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 I-I 부분을 절단한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자에 대한 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 Ⅱ-Ⅱ 부분을 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자와 종래의 대면적 발광소자의 광효율을 비교한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100:기판...................................200,200a:발광구조체
220,220a:p형 도핑층........................240,240a:활성층
260,260a:n형 도핑층........................300,300a,300b:절연층
400,400a:투명전극층........................500:메탈전극
520:하부 메탈전극..........................540:상부 메탈전극
본 발명은 실리콘 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 실리콘 미세구조를 활성층으로 이용한 실리콘 발광소자에 있어서, 발광소자의 광추출 효율을 높이기 위한 새로운 구조를 채용한 실리콘 발광소자에 관한 것이다.
실리콘 발광소자, 예컨대 실리콘 나노점(silicon nano-size dots)을 이용한 근적외선, 가시광 및 자외선 발광소자는 간접천이 특성 때문에 발광효율이 낮은 실리콘 반도체의 한계를 극복한 새로운 구조의 발광소자이다. 이러한 실리콘 발광소자는 다른 실리콘 기반 광전자 소자와 호환이 용이하고 제작 비용이 낮으므로 많은 연구가 되어오고 있다. 그러나 아직까지는 여전히 낮은 발광효율 때문에 전자기기 등에 응용하는 데에는 어려움이 많고 여러 가지 개선사항이 요구되고 있다. 최근에는 도핑층을 이용하거나 활성층의 두께를 작게 하여 발광효율을 개선하려는 노력이 진행되고 있다.
종래의 발광소자 크기는 보통 300㎛ x 300㎛보다 크고, 이러한 종래의 대면적 발광소자의 발광효율은 더 향상될 수 있는 여러 가지 개선점이 있으며, 그러한 개선 등이 이루어지면 실리콘 발광소자의 상용화가 상당히 앞당겨 질 수 있다.
기존의 질화물 반도체 마이크로 발광소자에서는 마이크로미터 크기의 구조물이 원기둥 형태로서 외부 광추출은 효과적으로 증가시킬 수 있지만, 옆면으로 추출되는 광(光) 중에서 산란 등에 의해 불필요하게 소멸되는 부분이 발생된다. 따라 서, 이러한 구조는 외부 광추출의 증가에 비해 실제 소자의 밝기는 크게 증가하지 않는다. 왜냐하면, 일반적으로 보통의 발광소자는 소자 전면(前面)으로 방출되는 광의 총량에 의해 소자의 밝기가 정해지기 때문이다. 따라서, 발광소자에 있어서 소자 전면으로 방출되는 광의 총량이 중요하다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광소자의 구조를 변경하여 발광소자 측면으로 방출되는 광(光) 중에서 더 많은 광량을 소자 전면(前面)으로 방출시킴으로써, 소자의 밝기를 향상시킨 고효율의 실리콘 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 활성층을 포함한 다수의 발광구조체; 및 상기 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광구조체 상부에 형성된 상부 메탈전극을 포함한 메탈전극;을 구비하고, 상기 발광구조체는 기둥의 형상을 가지되 수직 단면이 역사다리꼴 형태를 가지는 실리콘 발광소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 도핑층은 실리콘 카본 나이트라이드(SiCxN1 -x, 0<=x<=1) 또는 실리콘 카본(SixC1 -x,0<=x<=1)으로 형성될 수 있고, 상기 활성층 하부로 형성된 p형 도핑층 및 상기 활성층 상부로 형성된 n형 도핑층을 포함한다.
또한, 상기 발광구조체는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성된 절연층으로 측면이 둘러싸여 있으며, 상기 발광소자는 상기 발광구조체 및 절연층 상부로 투명전극층을 포함하며, 상기 상부 메탈전극은 상기 투명전극층 상부 일부에 형성될 수 있다.
한편, 상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판; 상기 기판 상에 형성된 활성층을 포함한 발광구조체; 상기 발광구조체를 단면이 사다리꼴인 기둥형태로 상기 기판까지 식각하고 그 내부를 채워 형성된 다수의 절연층; 및 상기 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광구조체 상부에 형성된 상부 메탈전극을 포함한 메탈전극;을 구비하고, 상기 발광구조체는 상기 절연층들 사이로 자른 단면이 역사다리꼴 형태를 가지는 실리콘 발광소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 절연층은 수직단면이 사다리꼴 형태로 형성됨으로써, 상기 절연층 사이 사이의 발광구조체는 수직단면이 역사다리꼴이 형태가 되도록 형성된다. 또한, 상기 실리콘 발광소자는 상기 발광구조체 및 절연층 상부로 투명전극층을 포함하고, 상기 상부 메탈전극은 투명전극층 상부 일부에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실리콘 발광소자는 상기 발광구조체 상부로 투명전극층을 포함하며, 상기 절연층은 상기 발광구조체 및 투명전극층이 식각되어 형성되고, 상기 상부 메탈전극은 상기 투명전극층 상부에 형성될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자에 대한 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 실리콘 발광소자는 기판(100), 기판(100) 형성된 다수의 발광구조체(200), 기판(100) 상에 형성되며 발광구조체(200)의 측면을 둘러싸는 절연층(300), 발광구조체(200) 및 절연층(300) 상부에 형성된 투명전극층(400) 및 발광구조체(200)에 전압을 인가하기 위한 메탈전극(500)을 포함한다.
기판(100)은 일반적으로 p형 실리콘 기판이 사용되며, 발광구조체(200)는 측면으로 향하는 빛이 산란 등에 의해 손실되는 것을 방지하기 위하여 수직단면이 역사다리꼴의 형태를 가진 기둥 형상을 갖는다. 본 실시예에서 원기둥 형상을 가지지만, 이에 한하지 않고 수직 단면이 역사다리꼴이기만 하면 타원 기둥과 같은 형상도 가질 수 있음은 물론이다.
절연층(300)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있으며, 발광 구조체(200)의 측면을 둘러싸도록 형성된다. 투명전극층(400)은 ITO 또는 InxZn1 -xO(0<=x<=1)으로 형성될 수 있으며, 발광구조체(200) 전체에 전류를 인가하는 기능을 한다.
메탈전극(500)은 기판(100) 하부의 하부 메탈전극(520) 및 투명전극층(400) 상부 일부에 형성된 상부 메탈전극(540)을 포함하고, 상부 메탈전극(540)은 투명전극층(400) 전체로 전압을 인가하게 된다.
본 실시예에서는 발광구조체(200) 상부 전체로 투명전극층(400)을 형성하여 발광구조체(200) 전체에 동시에 전압을 인가할 수 있는 구조로 형성되었지만, 투명전극층(400)을 패터닝하거나 상부 메탈전극(540)을 패터닝하여 발광구조체(200)에 연결함으로써, 각각의 발광구조체(200)에 개별적으로 전압을 인가하는 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
도 1b는 도 1a의 I-I 부분을 절단한 단면도로서, 발광구조체(200)의 구조 및 구성요소를 좀더 상세하게 보여준다.
도 1b를 참조하면, 실리콘 발광소자는 하부 메탈전극(520), 기판(100), 발광구조체(200)와 절연층(300), 투명전극층(400) 및 상부 메탈전극(540)이 순차적으로 형성되어 있음을 볼 수 있다.
발광구조체(200)는 전술한 대로 수직단면이 역사다리꼴의 형태를 가지며, 발광영역인 활성층(240)을 기준으로 하부로 p형 도핑층(220) 및 상부로 n형 도핑층(260)을 포함한다. 도핑층은 실리콘 카본 나이트라이드(SiCxN1 -x, 0<=x<=1) 또는 실 리콘 카본(SixC1-x,0<=x<=1) 박막을 이용하여 형성되며, 도핑 농도는 1016 ~ 1019 ㎝-3 정도이고 두께는 두께는 1 ~ 4 ㎛ 정도이나 발광소자의 특성에 따라 달라질 수 있다.
활성층(240)은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점 구조로 형성되며, 두께는 10 ㎚ ~ 100 ㎛ 정도로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다.
수직단면이 역사다리꼴 형태를 가지는 발광구조체(200)는 상부면의 지름, 즉 n형 도핑층(260)의 상면의 지름이 30 ㎛ 이하로 형성되며, 발광구조체(200) 하부면의 지름은 수직단면이 역사다리꼴 형태를 가지기 위해 상기 상면의 지름보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 물론 발광소자의 특성에 따라 발광구조체의 크기는 달라질 수 있다.
본 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자의 형성방법을 간단히 살펴보면, p형 실리콘 기판(100) 위에 p형 도핑층(220), 실리콘 나노점을 이용한 활성층(240) 및 n형 도핑층(260)이 형성된다. 그 후 p형 도핑층(220), 활성층(240) 및 n형 도핑층(260)이 수직단면이 역사다리꼴인 기둥 형상으로 건식 식각되어 발광구조체(200)가 형성된다.
역사다리꼴 모양의 발광구조체(200)는 측면이 수직이 아니고 기울어진 형태를 가짐으로써, 활성층(240)에서 생성된 빛이 측면으로 방출될 경우, 소자 전면(前面) 방향으로 빛의 경로가 바뀌게 되어 산란에 의한 빛의 소멸을 줄일 수 있고, 그 에 따라 더 밝은 발광소자를 구현시킬 수 있다.
이후, 발광구조체(200) 사이의 식각된 부분은 실리콘 산화물 절연체로 화학기상증착법(PECVD)에 의해 채워져 절연층(300)이 형성되고, 발광구조체(200) 및 절연층(300) 상부로 스퍼터링에 의한 ITO 박막의 투명전극층(400)이 형성된다. 마지막으로 하부전극(520)과 상부 전극(540)이 증착되어 본 실시예의 고효율 실리콘 발광소자가 완성된다.
본 발명에 따른 고효율 실리콘 발광소자는 발광영역이 다수의 마이크로 크기의 역사다리꼴 모양의 구조로 형성됨으로써, 발광영역의 활성층에서 생성된 빛이 소자 전면(前面) 방향 외부로 쉽게 방출되어 동일한 면적의 종래의 대면적 발광소자보다 광출력이 향상된다.
또한, 주입된 전류가 더 작은 면적으로 이동함으로써 불필요한 누설전류가 작아져서 발광하는데 더 효과적으로 전류가 이용되기 때문에 이러한 구조의 발광소자는 양자효율이 증가한다.
더 나아가, 본 발명에 따른 고효율 실리콘 발광소자는 발광구조체(200) 하부로 실리콘 기판(100)과 상부로는 투명전극층(400)과 모두 연결되어 있고, 그에 따라 하부(520)와 상부 전극(540)에 외부 전압이 인가될 경우, 모든 발광구조체(200)가 동시에 발광하게 되어 동일한 면적의 종래의 대면적 발광소자보다 밝기가 월등히 밝은 우수한 소자를 제공한다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자에 대한 사시도이다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예의 실리콘 발광소자는 기판(100), 발광구조체(200a), 발광구조체(200a) 내부로 형성된 다수의 수직단면이 사다리꼴 형태의 절연층(300a), 발광구조체(220a) 및 절연층(300a) 상부로 형성된 투명전극층(400) 및 메탈전극(500)을 포함한다.
본 실시예에서는 발광구조체(200a) 내부로 수직단면이 사다리꼴 형태의 절연층이 형성됨으로써, 결과적으로 제1 실시예와 같은 수직단면이 역사다리꼴 형태의 발광구조체(200a)가 형성된다. 그러나, 제1 실시예와는 달리 발광구조체(200a)는 전체적으로 서로 연결되어 있는 구조가 된다.
본 실시예의 구조는 기판(100) 상에 p형 도핑층(220a), 실리콘 나노점을 이용한 활성층(240a) 및 n형 도핑층(260a)이 형성된 후, 수직 단면이 사다리꼴 형태인 기둥 형상으로 식각되고 그 내부가 절연체로 채워져 절연층(300a)이 형성됨으로써 달성된다. 그 외의 부분은 제1 실시예와 동일하다.
도 2b는 도 2a의 Ⅱ-Ⅱ 부분을 절단한 단면도로서, 단면의 측면에서 보았을 때, 도 1b와 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
절연층(300a)은 발광구조체(200a)의 단면이 역사다리꼴의 형태를 가지도록 형성되어야 하며, 바람직하게는 형성되는 발광구조체(200a)의 상부면의 지름이 약 30 ㎛ 이하로 형성되고 하부면의 지름이 상부면의 지름보다 작게 형성되어야 한다. 역으로 말하면, 절연층(300a)의 하부면의 지름이 약 30 ㎛ 이하로 형성되고 상부면의 지름이 하부면의 지름보다 작게 형성됨으로써, 발광구조체(200a)의 바람직한 크기가 형성될 수 있다. 물론, 3 차원적인 측면에서 절연층(300a)들 간의 간격이 적 당히 조절되어야 한다.
본 실시예에의 기판(100), 발광구조체(200a)를 형성하는 p형 도핑층(220a), 실리콘 나노점을 이용한 활성층(240a) 및 n형 도핑층(260a), 절연층(300a) 및 투명전극층(400)의 재질이나 두께 등은 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자에 대한 단면도로서, 도 2b와 유사하나, 투명전극층 부분에서만 다르다. 즉, 절연층(300b)은 발광구조체(200a) 상부로 투명전극층(400a)까지 형성된 후, 수직단면이 사다리꼴 형태의 기둥형상으로 발광구조체(200a) 및 투명전극층(400a)이 함께 식각됨으로써 형성된다. 단면상으로는 투명전극층이 끊겨 있지만, 3차원적인 구조에서 보면 투명전극층(400a)은 모두 연결된 구조로 되어 있다.
본 실시예에서의 발광구조체(200a)의 구조는 제2 실시예와 동일하다. 또한, 기판(100), 발광구조체(200a)를 형성하는 p형 도핑층(220a), 실리콘 나노점을 이용한 활성층(240a) 및 n형 도핑층(260a), 절연층(300b) 및 투명전극층(400a)의 재질이나 두께 등은 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.
도 4는 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고효율 실리콘 발광소자와 종래의 대면적 발광소자의 광효율을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축의 x축은 발광소자에 인가되는 전류로 단위는 mA이고 세로축의 y축은 상대적인 광출력을 나타내고 따라서 단위는 없다. 도시된 바와 같이 인가되는 전류에 비례하여 본 발명에 의한 고효율 발광소자의 광출력이 종래의 대면적 발광소자에 비해 월등히 높아짐을 확인할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 고효율 실리콘 발광소자는 다수의 마이크로 크기로 수직단면이 역사다리꼴 형태인 발광구조체가 형성됨으로써, 소자 전면으로 추출되는 광량을 증가시켜 발광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 다수의 발광구조체 전체 상부로 투명전극층이 형성됨으로써, 전압이 인가되는 경우, 모든 발광구조체(200)가 동시에 발광하게 되어 동일한 면적의 종래의 대면적 발광소자보다 월등히 광출력이 향상된다.
Claims (16)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 활성층을 포함한 다수의 발광구조체; 및상기 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광구조체 상부에 형성된 상부 메탈전극을 포함한 메탈전극;을 구비하고,상기 발광구조체는 기둥의 형상을 가지되 수직 단면이 역사다리꼴 형태를 가지는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 발광구조체는 상기 활성층 상하부로 적어도 하나의 도핑층을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 2항에 있어서,상기 도핑층은 실리콘 카본 나이트라이드(SiCxN1 -x, 0<=x<=1) 또는 실리콘 카본(SixC1-x,0<=x<=1) 박막인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 2항 또는 제3 항에 있어서,상기 도핑층은 상기 활성층 하부로 형성된 p형 도핑층 및 상기 활성층 상부 로 형성된 n형 도핑층인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제4 항에 있어서,상기 발광구조체는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성된 절연층으로 측면이 둘러싸여 있고,상기 상부 메탈전극은 상기 n형 도핑층 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제4 항에 있어서,상기 발광구조체는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성된 절연층으로 측면이 둘러싸여 있고,상기 실리콘 발광소자는 상기 n형 도핑층 및 상기 절연층 상부에 형성된 투명 전극층을 포함하며,상기 상부 메탈전극은 상기 투명 전극층 상부 일부분에 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제6 항에 있어서,상기 투명전극은 ITO 또는 InxZn1 -xO(0<=x<=1)인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제1 항에 있어서,상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 발광구조체는 수평 단면이 원형인 기둥 형상을 가지며,상기 발광구조체의 상부면의 지름은 30 ㎛ 이하이고, 상기 발광구조체의 하부면의 지름은 상부면보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 기판;상기 기판 상에 형성된 활성층을 포함한 발광구조체;상기 발광구조체를 단면이 사다리꼴인 기둥형태로 상기 기판까지 식각하고 그 내부를 채워 형성된 다수의 절연층; 및상기 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광구조체 상부에 형성된 상부 메탈전극을 포함한 메탈전극;을 구비하고,상기 발광구조체는 상기 절연층들 사이로 자른 단면이 역사다리꼴 형태를 가지는 실리콘 발광소자.
- 제10 항에 있어서,상기 절연층은 수평 단면이 원형인 기둥 형상을 가지며,상기 절연층의 하부면의 지름은 30 ㎛ 이하이고, 상기 기둥 형상의 절연층의 상부면의 지름은 하부면보다 작게 형성되며,상기 절연층에 둘러싸여 형성된 수직단면이 역사다리꼴의 발광구조체는 상기 수직단면의 상부의 길이가 상기 절연층의 하부면의 지름과 동일한 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제10 항에 있어서,상기 발광구조체는 상기 활성층 상하부로 적어도 하나의 도핑층을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제12 항에 있어서,상기 도핑층은 실리콘 카본 나이트라이드(SiCxN1 -x, 0<=x<=1) 또는 실리콘 카본(SixC1-x,0<=x<=1) 박막으로 형성되고,상기 도핑층은 상기 활성층 하부로 형성된 p형 도핑층 및 상기 활성층 상부로 형성된 n형 도핑층인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제10 항에 있어서,실리콘 발광소자는 상기 발광구조체 및 상기 절연층 상부로 투명전극층을 포 함하며,상기 상부 메탈전극은 상기 투명전극층 상부 일부분에 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제10 항에 있어서,상기 실리콘 발광소자는 상기 발광구조체 상부로 투명전극층을 포함하며,상기 절연층은 상기 발광구조체 및 투명전극층이 식각되어 형성되고,상기 상부 메탈전극은 상기 투명전극층 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제10 항에 있어서,상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
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