KR100833489B1 - 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빛을 발산하는 발광층, 상기 발광층에 형성된 정공 주입층, 상기 정공 주입층과 대향되도록 상기 발광층에 형성된 전자 주입층, 상기 전자 주입층에 형성된 금속 나노 점(nano dot)을 포함하는 금속층, 및 상기 금속층에 형성된 투명 전도성 전극을 포함하는 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법을 개시한다. 상기 발광층으로 실리콘 나노 점을 포함하는 비정질의 실리콘 나이트라이드를 포함한다.
실리콘 나노 점, 반도체 발광 소자, 금속층, 투명 전도성 전극

Description

실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{Transparent contact electrode for Si nanocrystal light-emitting diodes, and method of fabricating}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 광 특성을 나타낸 그래프이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
10 : 정공 주입층, 20 : 발광층,
30 : 전자 주입층, 40 : 금속층,
50 : 투명 전도성 전극 60 : 상부 전극
70 : 하부 전극
본 발명은 실리콘 나노 점(silicon nano dot)을 이용한 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 나노 점을 이용한 발광 소자는 발광층 상부에 형성된 상부 도핑층으로부터 발광층 내부로 캐리어를 주입하고, 외부 전극으로부터 상기 도핑층을 통하여 발광층 내부로 전류를 주입하여 작동한다.
종래 실리콘 나노 점을 이용한 발광 소자는 상부 도핑 층 위에 얇은 금속 박막이나 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide; ITO)와 같은 전도성 전극을 사용하여 발광 소자를 제작하였다. 상부 도핑 층 위에 얇은 금속 박막을 사용할 경우 발광 층에서 나오는 빛이 얇은 금속 박막에 흡수됨으로써 발광 효율이 감소한다. 또한 ITO를 이용할 경우 투명도는 좋으나 산화물 박막이기 때문에 상부 도핑 층과의 계면 접촉이 원할하지 않아 전기적 특성이 우수하지 못하다. 따라서 발광 소자의 효율이 감소하는 원인이 되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 전기적 특성이 우수하고, 발광 소자의 효율을 증가시킨 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전기적 특성이 우수하고 발광 소자의 효율이 증가된 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자를 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자를 포함한다.
상기 발광 소자는 빛을 발산하는 발광층, 상기 발광층에 형성된 정공 주입 층, 상기 정공 주입층과 대향되도록 상기 발광층에 형성된 전자 주입층, 상기 전자 주입층에 형성된 금속 나노 점(nano dot)을 포함하는 금속층, 및 상기 금속층에 형성된 투명 전도성 전극을 포함한다.
상기 발광층은 실리콘 나노 점을 포함하는 실리콘 나이트라이드를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전자 주입층은 n형의 SiC, SiCN 등의 n형의 실리콘 카바나이드계 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 금속층은 금(Au), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 인듐(In), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 등, 또는 이들의 합금의 나노 점을 포함할 수 있다.
상기 투명 전도성 전극은 ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO 등을 포함할 수 있다.
상기 투명 전도성 전극과 상기 정공 주입층에는 각각 외부로부터 상기 반도체 발광 소자로 전류를 주입하기 위한 상, 하부 전극들을 더 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자의 제조 방법을 포함한다.
상세하게 빛을 발산하는 발광층에 전자 주입층을 형성하고, 상기 전자 주입층에 금속층을 형성한다. 그리고 상기 금속층에 투명 전도성 전극을 형성한다. 상기 금속층을 열처리하여 상기 금속층을 금속 나노 점을 포함하는 금속층으로 형성 하여 반도체 발광 소자를 제조할 수 있다.
또한, 상기 전자 주입층과 대향되도록 상기 발광층에 정공 주입층을 형성할 수 있다.
상기 발광층으로는 실리콘 나노 점(silicon nano dot)을 포함하는 비정질 실리콘 나이트라이드(SiN)를 사용할 수 있다.
상기 전자 주입층은 n형의 실리콘 카바이드계 물질을 사용하여 상기 발광층에 증착하는 것이 바람직하다.
상기 금속층은 금(Au), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 인듐(In), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금을 사용하여 상기 전자 주입층에 증착하는 것이 바람직하다. 상기 금속층은 1000nm 이하로 형성하는 것이 바람직하며, 1 내지 2 nm로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 금속층은 상온 내지 1000℃에서 열처리하여 금속 나노 점을 포함하는 금속층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 금속층은 10초 내지 1시간 동안 열처리를 행함으로써 금속 나노 점을 포함하는 금속층을 형성할 수 있다. 상기 온도 및 시간의 조건에서 금속의 나노 점이 용이하게 형성될 수 있다.
따라서 ITO와 같은 상기 투명 전도성 전극과 n형의 실리콘 카바이드계 물질을 포함하는 상기 전자 주입층 간의 계면 상태를 양호하게 형성함으로써, 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자의 전기적 특성을 개선하고 발광 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러 나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 실리콘 나노 점을 이용한 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 정공 주입층(10)에 발광층(20)을 형성한다. 상세하게 상기 정공 주입층으로 p형의 실리콘 기판을 사용하고, 상기 발광층(20)으로 실리콘 나노 점을 포함하는 실리콘 나이트라이드(SiN)를 사용할 수 있다.
상기 발광층(20)에 전자 주입층(30)을 형성한다. 상기 전자 주입층(30)으로 n형의 실리콘 카바이드계 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 실리콘 카바이드계 물질로 SiC, SiCN 등이 있다.
상기 전자 주입층(30)에 금속층(40)을 형성한다. 상기 금속층(40)은 금(Au), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 인듐(In), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 등, 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 바람직하게는 은(Ag)을 사용할 수 있다. 상기 금속층(40)은 이후 행하는 열처리를 통해 금속 나노 점(nano dot)을 포함하는 금속층(40)으로 형성된다.
상기 금속 나노 점을 포함하는 금속층(40)의 두께는 1000nm 이하로 형성될 수 있다. 상기 금속층(40)은 전자 주입층(30)과 투명 전도성 전극(50)의 계면 접촉성을 개선하기 위한 것으로, 금속 나노 점을 형성하기 용이하게 얇은 두께, 즉 1 내지 3nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 금속층(40)에 ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO, 등의 투명 전도성 전극(50)을 형성할 수 있다.
상기 투명 전도성 전극(50)과 상기 정공 주입층(10)에 각각 상, 하부 전극들(60, 70)을 더 형성할 수 있다. 상기 상, 하부 전극들(60, 70)은 도전성의 물질로서 니켈(Ni), 금(Au) 등의 금속인 것이 바람직하다. 상기 상, 하부 전극들(60, 70)을 통해 상기 투명 전도성 전극(50) 및 정공 주입층(60)에 전류가 주입되고, 따라서 상기 발광층(30)으로 전자 및 정공이 주입되어 빛을 발산하는 반도체 발광 소자를 형성할 수 있다.
그리고 상기 금속층(40)을 상온 내지 1000℃ 온도에서 1초 내지 1시간 동안 열처리하여 금속 나노 점을 포함하는 금속층(40)을 형성한다. 상기 열처리는 상기 투명 전도성 전극(50)을 형성하기 전에 행할 수 있으며, 또는 투명 전도성 전극(50) 형성 후, 상, 하부전극들(60, 70)을 형성한 후에도 행할 수 있다.
상기 층들은 플라즈마 보강 기상 증착(plasma enhances chemical vapor deposition; PECVD) 등의 화학적 기상 증착 또는 물리 기상 증착 등의 통상적인 방법에 의해 증착될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 광 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 전기적 특징 및 광 특성을 알아보기 위해, 하기와 같은 방법으로 실리콘 나노 점을 포함하는 반도체 발광 소자를 제조하였다.
정공 주입층으로 p형의 실리콘 기판(p-type Si)을 사용하여, 상기 p형의 실리콘 기판상에 실리콘 나노 점을 포함하는 비정질 실리콘 나이트라이드층을 PECVD 방법에 의해 증착하였다. 증착시 성장 가스로 아르곤이 용해된(argon-diluted) 10 % 실란(silane) 과 암모니아(NH3)를 사용하였으며, 기판 온도 250 ℃, 챔버 압력 0.5 Torr, RF 플라즈마 전력(plasma power) 5W로 하여 실리콘 나노 점을 포함하는 상기 비정질 실리콘 나이트라이드층을 40 nm 두께로 성장시켰다.
상기 실리콘 나노 점을 포함하는 비정질 실리콘 나이트라이드층 상에 n형의 실리콘 카바이드(SiC)층을 PECVD 방법에 의해 300nm 두께로 성장시켰다. 성장 가스로는 아르곤이 용해된 10 % 실란과 메탄(methane; CH4)을 사용하였고, 도핑 가스로는 트리에틸-포스파이트(try-methyl-phosphite; TMP) 메탈올가닉(metalorganic) 소스를 사용하였다. 기판 온도는 300 ℃, 챔버 압력은 0.2 Torr, RF 플라즈마 전력은 40 W로 하였다.
상기 n형의 실리콘 카바이드층에 2.5 nm 두께의 은(Ag) 금속층을 써머 이베이포레이션(thermal evaporation) 방법을 이용하여 증착하였다.
상기 은 금속층에 100 nm 두께의 ITO를 펄스드 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD)방법으로 성장하였다.
그리고 PLD 챔버 내에서 500℃ 온도로 30 분간 열처리하여 n형의 실리콘 카바이드층과 ITO 사이에 은 나노 점이 형성되도록 하였다.
상기 ITO 상과 상기 p형의 실리콘 기판상에 상, 하부 전극을 써머 이베이포레이션 방법을 이용하여 증착하였다. 상부 전극으로 금(Au)을 150 nm 두께로 형성하였으며, 하부 전극으로 니켈(Ni)을 30 nm 두께로 형성하였다. 따라서 본 발명에 따른 반도체 발광 소자를 완성하였다.
비교예로 은 금속층을 형성하지 않은 반도체 발광 소자를 제조하였다. 제조 방법은 은 금속층 형성 단계를 제외하고 상기 본 실시예에 따른 반도체 발광 소자와 동일하게 제조하였다.
상기 본 실시예에 따른 반도체 발광 소자와 비교예의 반도체 발광 소자에 각각 전압을 가하여 상기 발광 소자들의 내부를 통해 흐르는 전류를 측정하였다. 도 2를 참조하면, 약 6V 이상의 전압을 가하면 본 실시예 따른 반도체 발광 소자(a)가 비교예의 반도체 발광 소자(b)보다 많은 전류가 흐르는 것을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 반도체 발광 소자가 ITO와 n형의 실리콘 카바이드층과의 계면 접촉성이 개선되어 전기적 특성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 광 전력 미터(optical power meter)를 사용하여 상기 본 실시예에 따른 반도체 발광 소자와 비교예의 반도체 발광 소자의 ITO를 통해 나오는 광 출력을 전류 밀도에 따라 측정하였다. 도 3을 참조하면, 본 실시예의 반도체 발광 소자(c)는 비교예의 반도체 발광 소자(d)보다 많은 량의 광을 출력함을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 ITO와 n형의 실리콘 카바이드층 사이에 은 나노 점을 포함하는 은 금속층을 삽입하여 상기 ITO와 상기 n형의 실리콘 카바이드층의 계면 상태를 양호하게 개선함으로써, 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자의 광 특성을 현저히 증가시킴을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자 및 이의 제조 시, 전자 주입층과 투명 전도성 간의 접촉력 및 전기적 특성 향상 기술에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구 범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 반도체 발광 소자는 전자 주입층과 투명 전도성 전극 사이에 금속 나노 점을 포함하는 금속층을 형성함으로써 전자 주입층과 전도성 투명 전극 간의 접촉력 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자는 전자 주입층과 투명 전도성 전극 사이에 금속층을 형성하고, 이를 상온 내지 1000℃ 내에서 열처리함으로써 금속 나노 점을 포함하는 금속층을 형성할 수 있다. 따라서 전자 주입층과 투명 전도성 전극 사이의 계면 구조를 조절함으로써 전자 주입층과 투명 전도성 전극사이의 접촉력 및 전기적 특성을 향상시켜 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 빛을 발산하는 발광층,
    상기 발광층의 하부에 형성된 정공 주입층,
    상기 정공 주입층과 대향되도록 상기 발광층의 상부에 형성된 전자 주입층,
    상기 전자 주입층의 상부에 형성되고, 금속 나노 점(nano dot)을 포함하는 금속층, 및
    상기 금속층의 상부에 형성된 투명 전도성 전극을 포함하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발광층은 실리콘 나노 점(silicon nano dot)을 포함하는 비정질 실리콘 나이트라이드(SiN)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 주입층은 n형의 실리콘 카바이드계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 실리콘 카바이드계 물질은 SiC, 또는 SiCN인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층은 금(Au), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 인듐(In), 구리(Cu), 백금(Pt), 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속 나노 점을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 투명 전도성 전극은 ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4, 및 ZnO으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 빛을 발산하는 발광층의 상부에 전자 주입층을 형성하는 단계,
    상기 전자 주입층의 상부에 금속층을 형성하는 단계,
    상기 금속층의 상부에 투명 전도성 전극을 형성하는 단계, 및
    상기 금속층을 열처리하여 금속 나노 점을 포함하는 금속층으로 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전자 주입층과 대향되도록 상기 발광층의 하부에 정공 주입층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 발광층으로 실리콘 나노 점(silicon nano dot)을 포함하는 비정질 실리콘 나이트라이드(SiN)를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 발광층의 상부에 상기 전자 주입층을 형성함은 상기 발광층의 상부에 n형의 실리콘 카바이드계 물질을 증착하는 것임을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 전자 주입층의 상부에 상기 금속층을 형성함은 상기 전자 주입층에 금(Au), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 인듐(In), 구리(Cu), 백금(Pt), 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속을 증착하는 것임을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리는 상온 내지 1000℃의 온도 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 열처리는 10초 내지 1시간 동안 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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