KR101600196B1 - Light emitting diode having polyhedron having upper width narrower than lower width and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
발광다이오드 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 발광다이오드는 기판 및 상기 기판 상에 배치되고 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 다면체를 구비한다. 상기 다면체 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층이 차례로 배치된다. 상기 제1 도전형 반도체층에 제1 전극이 전기적으로 연결된다. 상기 제2 도전형 반도체층에 제2 전극이 전기적으로 연결된다.A light emitting diode and a method of manufacturing the same are provided. The light emitting diode includes a substrate and a polyhedron disposed on the substrate and having a narrower top width than a bottom width. The first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer are sequentially disposed on the polyhedron. The first electrode is electrically connected to the first conductive type semiconductor layer. And the second electrode is electrically connected to the second conductivity type semiconductor layer.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광전변환소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a photoelectric conversion element.
광전변환소자는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 또는 전기 에너지를 광 에너지로 변환할 수 있는 소자를 말한다. 이러한 광전변환소자의 종류에는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지와 전기 에너지를 광 에너지로 변환하는 발광다이오드가 있다.The photoelectric conversion element refers to an element that can convert light energy into electric energy or convert electric energy into light energy. The photoelectric conversion device includes a solar cell that converts solar energy into electrical energy, and a light emitting diode that converts electrical energy into optical energy.
이러한 광전변환소자의 효율을 향상시키기 위해 나노와이어를 사용하고자 하는 연구가 있었다(JP 공개 2009-59740). 그러나, 나노와이어를 사용한 광전변환소자의 효율 향상은 충분하지 않다고 알려져 있다.There have been studies to use nanowires to improve the efficiency of such photoelectric conversion devices (JP Publication No. 2009-59740). However, it is known that the improvement of the efficiency of a photoelectric conversion device using a nanowire is not sufficient.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광전변환효율이 향상된 광전변환소자를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element with improved photoelectric conversion efficiency.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical objects of the present invention are not limited to the technical matters mentioned above, and other technical subjects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 발광다이오드를 제공한다. 상기 발광다이오드는 기판 및 상기 기판 상에 배치되고 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 다면체를 구비한다. 상기 다면체 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층이 차례로 배치된다. 상기 제1 도전형 반도체층에 제1 전극이 전기적으로 연결된다. 상기 제2 도전형 반도체층에 제2 전극이 전기적으로 연결된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a light emitting diode. The light emitting diode includes a substrate and a polyhedron disposed on the substrate and having a narrower top width than a bottom width. The first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer are sequentially disposed on the polyhedron. The first electrode is electrically connected to the first conductive type semiconductor layer. And the second electrode is electrically connected to the second conductivity type semiconductor layer.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 화합물 반도체층들일 수 있다. 상기 다면체는 결정성 실리콘 다면체이고, 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 에피층들일 수 있다.The first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer may be compound semiconductor layers. The polyhedron may be a crystalline silicon polyhedron, and the first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer may be epitaxial layers.
상기 다면체는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있다. 상기 다면체는 다수 개의 결정면들을 구비할 수 있다. 상기 다면체의 각 결정면이 상기 기판의 표면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다.The polyhedron may have a sharp apex or corner at its top. The polyhedron may have a plurality of crystal faces. The angle formed by each crystal plane of the polyhedron with the surface of the substrate may be reduced toward the upper part.
일 구체예에서, 상기 다면체는 실리콘 다면체이고, 상기 다면체는 그의 상부에 4개의 {111}면과, 4개의 {111}면이 만나 이루어진 뾰족한 꼭지점을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 도전형 반도체층은 [0002] 방향으로 성장된 GaN층일 수 있다.In one embodiment, the polyhedron is a silicon polyhedron, and the polyhedron may have sharp apexes having four {111} faces and four {111} faces on top of the polyhedron. In this case, the first conductive semiconductor layer may be a GaN layer grown in the [0002] direction.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 제공한다. 상기 발광다이오드는 기판 및 상기 기판 상에 배치되고 다수 개의 결정면들을 구비하는 다면체를 구비한다. 상기 다면체 상에 제1 도전형반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층이 차례로 배치된다. 상기 제1 도전형 반도체층에 제1 전극이 전기적으로 연결된다. 상기 제2 도전형 반도체층에 제2 전극이 전기적으로 연결된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a light emitting diode. The light emitting diode includes a substrate and a polyhedron disposed on the substrate and having a plurality of crystal faces. The first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer are sequentially disposed on the polyhedron. The first electrode is electrically connected to the first conductive type semiconductor layer. And the second electrode is electrically connected to the second conductivity type semiconductor layer.
상기 다면체의 각 결정면이 상기 기판의 표면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 상기 다면체는 결정성을 갖는 실리콘 다면체이고, 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 화합물 반도체 에피층들일 수 있다. The angle formed by each crystal plane of the polyhedron with the surface of the substrate may be reduced toward the upper part. The polyhedron may be a silicon polyhedron having crystallinity, and the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer may be compound semiconductor epitaxial layers.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 제공한다. 먼저, 결정성 기판을 제공한다. 상기 결정성 기판을 식각하여 필라를 형성한다. 상기 필라 상에 베이스 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 결정성 다면체를 형성한다. 상기 결정성 다면체 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 형성한다. 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극을 형성한다. 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 전극을 형성한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a light emitting diode. First, a crystalline substrate is provided. The crystalline substrate is etched to form pillars. A base semiconductor layer is epitaxially grown on the pillars to form a crystalline polyhedron. A first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer are formed on the crystalline polyhedron. A first electrode electrically connected to the first conductive type semiconductor layer is formed. And a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor layer is formed.
상기 베이스 반도체층을 에피택셜하게 성장시키기 전에, 상기 필라를 수소 어닐링할 수 있다. 상기 필라를 식각하는 것은 이방성 식각법을 사용할 수 있다. 상기 필라를 식각하는 것은 상기 이방성 식각법을 수행한 후 등방성 식각법을 사용하여 수행할 수 있다. Before growing the base semiconductor layer epitaxially, the pillar may be hydrogen annealed. The pillar may be etched using anisotropic etching. The pillar may be etched using the isotropic etching method and then the isotropic etching method.
상기 기판은 실리콘 단결정 기판일 수 있다. 상기 베이스 반도체층은 실리콘층일 수 있다. 이 경우, 상기 기판은 <100> 방향, <110> 방향, 또는 <111> 방향으로 성장된 기판일 수 있다. 일 구체예에서, 상기 기판은 <100> 방향으로 성장된 기판이고, 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 에피택시얼하게 성장시켜 형성할 수 있다.The substrate may be a silicon single crystal substrate. The base semiconductor layer may be a silicon layer. In this case, the substrate may be a substrate grown in a <100> direction, a <110> direction, or a <111> direction. In one embodiment, the substrate is a substrate grown in a <100> direction, and the first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer may be grown epitaxially.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 다면체를 적용한 광전변환소자는 다면체의 구조적 특징으로 인해 광전변환효율이 향상될 수 있다.As described above, according to the present invention, a photoelectric conversion element to which a polyhedron having a narrower top width than a bottom width is applied can improve the photoelectric conversion efficiency due to the structural characteristics of the polyhedron.
도 1a, 도 2a, 및 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정성 다면체를 조하는 방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a의 절단선들 I-I′를 따라 취해진 단면도들이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 결정성 다면체들을 나타낸 개략도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도이다.
도 7a는 결정성 다면체 제조예 1에 따른 제조방법 진행 중 얻은 사진들을이다.
도 7b는 결정성 다면체 제조예 1에 따른 결정성 다면체를 촬영한 SEM 사진들(a, c)과 TEM 사진이다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 각각 제조예들 1 내지 3에 따른 결정성 다면체를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 9는 결정성 다면체 제조예 1에 따른 결정성 다면체, 원기둥 형태의 실리콘 필라, 직육면체 형태의 실리콘 월, 및 평면의 실리콘 기판의 광흡수 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 결정성 다면체 제조예 1에 따른 결정성 다면체, 원기둥 형태의 실리콘 필라, 직육면체 형태의 실리콘 월, 및 평면의 실리콘 기판의 광흡수 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 제조예 1에 따른 결정성 다면체의 광조사각에 따른 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 제조예 1에 따른 결정성 다면체를 사용한 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 13은 여러 가지 형태를 갖는 발광다이오드들의 광추출효율을 비교한 그래프이다.
도 14는 여러 가지 형태를 갖는 발광다이오드들의 광추출효율을 비교한 그래프이다.
도 15는 평면 발광다이오드와 결정성 다면체 발광다이오드의 n형 GaN층의 높이 변화에 따른 광추출효율을 나타낸 그래프(a)와 다이폴 소오스의 위치변화에 따른 평면 발광다이오드에 대한 결정성 다면체 발광다이오드의 광추출효율 향상의 정도를 나타낸 그래프(b)이다.
도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 각각 질화막 성장예에 따른 시편의 상부면, 경사진 상부면, 그리고 단면을 촬영한 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진들이다.
도 17은 질화막을 형성하기 전의 결정성 다면체의 상부면을 촬영한 SEM 사진과 질화막을 성장한 후의 시편의 상부면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 18은 질화막 성장예에 따른 시편을 제1 방향으로 자른 단면을 나타낸 TEM(transmission electron microscope) 사진과 FFT(Fourier transform) 이미지 분석을 나타낸다.
도 19는 질화막 성장예에 따른 시편을 제2 방향으로 자른 단면을 나타낸 TEM 사진과 FFT 이미지 분석을 나타낸다.
도 20은 질화막 성장 비교예에 따른 시편을 자른 단면을 나타낸 TEM 사진과 FFT 이미지 분석을 나타낸다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도들이다.
도 22는 도 16b에 도시된 단위셀(U)의 상부면을 개략적으로 도시한 평면도이다.FIGS. 1A, 2A, and 3A are perspective views illustrating a method of fabricating a crystalline polyhedron according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
Figures 1B, 2B and 3B are cross-sectional views taken along the cutting lines II 'of Figures 1A, 2A, and 3A.
Figures 4A, 4B, and 4C are schematic diagrams illustrating crystalline polyhedrons in accordance with one embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view illustrating a photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention.
7A is a photograph of the crystalline polyhedrons obtained during the production process according to Production Example 1.
FIG. 7B is a SEM photograph (a, c) and a TEM photograph of the crystalline polyhedrons according to Production Example 1 of the crystalline polyhedron. FIG.
8A, 8B and 8C are SEM photographs of the crystalline polyhedrons according to Production Examples 1 to 3, respectively.
9 is a graph showing the light absorption efficiency of a crystalline polyhedron, a cylindrical silicon pillar, a rectangular parallelepiped silicon wall, and a planar silicon substrate according to Production Example 1 of the crystalline polyhedron.
10 is a graph showing the light absorption efficiency of a crystalline polyhedron, a cylindrical silicon pillar, a rectangular parallelepiped silicon wall, and a planar silicon substrate according to Production Example 1 of the crystalline polyhedron.
11 is a graph showing the absorption rate of the crystalline polyhedrons according to Manufacturing Example 1 according to the angle of incidence of light.
12 is a graph showing the current density according to the voltage of the solar cell using the crystalline polyhedrons according to Production Example 1. FIG.
13 is a graph comparing light extraction efficiencies of light emitting diodes having various shapes.
14 is a graph comparing light extraction efficiencies of light emitting diodes having various shapes.
FIG. 15 is a graph (a) showing the light extraction efficiency according to the height variation of the n-type GaN layer of the planar light emitting diode and the crystalline polyhedron light emitting diode, (B) showing the degree of improvement in light extraction efficiency.
16A, 16B and 16C are SEM (Scanning Electron Microscope) photographs of the upper surface, the inclined upper surface, and the cross section of the specimen according to the nitride film growth example, respectively.
17 is an SEM photograph of the upper surface of the crystalline polyhedron before formation of the nitride film and an SEM photograph of the upper surface of the sample after growing the nitride film.
18 shows TEM (transmission electron microscope) photographs and FFT (Fourier transform) image analysis showing a cross section of the specimen in the first direction according to the nitride film growth example.
FIG. 19 shows a TEM photograph and an FFT image analysis showing a section of the specimen according to the nitride film growth example cut in the second direction.
20 shows a TEM photograph and a FFT image analysis showing a cross section of a specimen according to a comparative example of nitride film growth.
21A and 21B are cross-sectional views illustrating a photoelectric conversion element according to another embodiment of the present invention.
22 is a plan view schematically showing the upper surface of the unit cell U shown in Fig. 16B.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. In the drawings, where a layer is referred to as being "on" another layer or substrate, it may be formed directly on another layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween.
도 1a, 도 2a, 및 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정성 다면체를 조하는 방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다. 도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a의 절단선들 I-I′를 따라 취해진 단면도들이다.FIGS. 1A, 2A, and 3A are perspective views illustrating a method of fabricating a crystalline polyhedron according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. Figures 1B, 2B and 3B are cross-sectional views taken along the cutting lines I-I 'of Figures 1A, 2A, and 3A.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(S)을 제공할 수 있다. 상기 기판(S)는 결정성 기판, 구체적으로 단결정 기판, 나아가 단결정 반도체 기판일 수 있다. 일 예로서, 기판(S)은 실리콘 단결정 기판일 수 있다.Referring to FIGS. 1A and 1B, a substrate S may be provided. The substrate S may be a crystalline substrate, specifically, a single crystal substrate, or a single crystal semiconductor substrate. As an example, the substrate S may be a silicon single crystal substrate.
상기 기판(S)을 식각하여 규칙적으로 배열된 다수 개의 필라들(10)을 형성할 수 있다. 상기 기판(S)을 식각하는 것은 포토리소그라피법 및 건식식각법을 사용할 수 있다. 상기 건식식각법은 이방성 식각이 가능한 반응성 이온 식각법(RIE: Reactive Ion Etching)일 수 있다. 상기 필라들(10)은 가로방향의 폭에 비해 세로방향의 높이가 높은 즉, 종횡비(aspect ratio)가 1을 초과할 수 있다. 일 예로서, 상기 필라(10)의 종횡비는 1 내지 30일 수 있다.The substrate S may be etched to form a plurality of
이 후, 상기 필라들(10)이 형성된 기판을 추가적으로 등방성 건식식각할 수 있다. 이 경우, 상기 필라들(10)의 직경은 감소될 수 있고, 측면은 약간의 경사면을 가질 수 있다. Thereafter, the substrate on which the
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 필라들(10)을 수소 어닐링할 수 있다. 이 때, 수소 어닐링은 수소 분위기에서의 열 어닐링(thermal annealing)을 의미할 수 있다. 상기 수소 어닐링은 약 10 내지 약 100 Torr의 압력, 약 800 내지 약 1200℃의 온도에서 약 1 내지 30분간 진행될 수 있다. 더 구체적으로는 상기 수소 어닐링은 약 20 내지 60 Torr의 압력, 약 1000 내지 1100℃의 온도에서 약 1 내지 10분간 진행될 수 있다. Referring to FIGS. 2A and 2B, the
이러한 수소 어닐링은 상기 필라들(10)의 모서리들을 식각하여 상기 필라들(10)이 둥근 모서리(10T)를 갖도록 할 수 있다. 그러나, 이 수소 어닐링 공정은 필수적으로 진행되어야 하는 공정은 아니며, 만약 필라들(10)이 충분히 좁은 상부면을 갖도록 얇게 형성된다면 이 수소 어닐링 공정은 생략될 수도 있다.This hydrogen annealing may etch the edges of the
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 필라들(10)을 구비하는 기판 상에 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜, 결정성 다면체(15)를 형성할 수 있다. 상기 결정성 다면체(15)는 다수 개의 서로 다른 결정성 면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체로서, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 결정성 다면체(15)의 각 면이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 이러한 결정성 다면체(15)는 에피택시 과정에서 결정면에 따른 성장속도가 다르기 때문에 형성될 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B, the semiconductor layer may be epitaxially grown on the substrate including the
상기 반도체층은 상기 필라들(10)과 동일한 물질 또는 서로 다른 물질일 수 있다. 다시 말해서, 상기 필라들(10) 상에 상기 반도체층이 호모에피택셜하게 성장될 수도 있고, 상기 필라들(10) 상에 상기 반도체층이 헤테로에피택셜하게 성장될 수도 있다. 구체적으로, 상기 반도체층과 상기 필라들(10)은 모두 실리콘일 수 있다. 이와는 달리, 상기 반도체층은 GaN, 또는 AlN일 수 있고, 원소 IV족 반도체들 및 그들의 합금들로 이루어지는 반도체 재료, 및 화합물 반도체 중 하나일 수 있고 상기 필라들(10)은 실리콘일 수 있다.The semiconductor layer may be the same material or different material as the
상기 반도체층을 에피택셜하게 성장시킴과 동시에 상기 반도체층을 도핑할 수도 있다. 일 예로서, 상기 반도체층은 p형으로 도핑될 수 있다.The semiconductor layer may be epitaxially grown and the semiconductor layer may be doped. As an example, the semiconductor layer may be doped p-type.
반도체층을 에피택셜하게 성장시켜, 결정성 다면체(15)를 형성하는 것은, 구체적으로는 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 또는 성장 방법을 이용하여 수행될 수 있다.The epitaxial growth of the semiconductor layer and the formation of the
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 결정성 다면체들을 나타낸 개략도들이다.Figures 4A, 4B, and 4C are schematic diagrams illustrating crystalline polyhedrons in accordance with one embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 결정성 다면체(15)가 도시된다. 상기 결정성 다면체(15)는 <100> 방향으로 성장된 실리콘 기판(S)을 식각하여 실리콘 필라(10)을 형성하고, 상기 필라(10)를 선택적으로(optionally) 수소 어닐링한 후, 상기 필라(10) 상에 실리콘 반도체층을 호모 에피택셜하게 성장시켜 얻을 수 있다.Referring to FIG. 4A, a
상기 결정성 다면체(15)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 나아가, 하부에서 상부로 갈수록 점차로 폭이 좁아지는 콘 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 결정성 다면체(15)의 각 면(facet)이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 결정성 다면체(15)는 하부에서 상부방향으로 제1 면(F3), 제2 면(F2), 및 제3 면(F1)을 구비할 수 있고, 상기 각 면이 기판면과 이루는 각은 제1 면(F3)에서 제2 면(F2), 그리고 제2 면(F2)에서 제3 면(F1)으로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 제3 면(F1)은 {111}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 55도일 수 있다. 또한, 상기 결정성 다면체(15)는 최상부에 결정면들, 구체적으로 네 개의 제3 면들(F1)이 만나 이루어지는 뾰족한 꼭지점(T)을 구비할 수 있다.
The
도 4b를 참조하면, 도 4a에 도시된 것과는 다른 형태를 갖는 결정성 다면체(15)가 도시된다. 상기 결정성 다면체(15)는 <110> 방향으로 성장된 실리콘 기판(S)을 식각하여 실리콘 필라(10)을 형성하고, 상기 필라(10)를 선택적으로(optionally) 수소 어닐링한 후, 상기 필라(10) 상에 실리콘 반도체층을 호모 에피택셜하게 성장시켜 얻을 수 있다.Referring to FIG. 4B, a
상기 결정성 다면체(15)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 나아가, 하부에서 상부로 갈수록 점차로 폭이 좁아지는 콘 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 결정성 다면체(15)의 각 결정면(crystal facet)이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 결정성 다면체(15)는 하부에서 상부방향으로 제1 면(F6), 제2 면(F5), 및 제3 면(F4)을 구비할 수 있고, 상기 각 면이 기판면과 이루는 각은 제1 면(F6)에서 제2 면(F5), 그리고 제2 면(F5)에서 제3 면(F4)으로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 제3 면(F4)은 {111}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 35도일 수 있다. 또한 제2 면(F5)은 {113}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 65도일 수 있다. 또한, 상기 결정성 다면체(15)는 최상부에 결정면들, 구체적으로 두 개의 제3 면들(F4)이 만나 이루어지는 뾰족한 모서리(T)을 구비할 수 있다.The
도 4c를 참조하면, 또 다른 형태를 갖는 결정성 다면체(15)가 도시된다. 상기 결정성 다면체(15)는 <111> 방향으로 성장된 실리콘 기판(S)을 식각하여 실리콘 필라(10)을 형성하고, 상기 필라(10)를 선택적으로(optionally) 수소 어닐링한 후, 상기 필라(10) 상에 실리콘 반도체층을 호모 에피택셜하게 성장시켜 얻을 수 있다.Referring to Fig. 4C, a
상기 결정성 다면체(15)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 나아가, 하부에서 상부로 갈수록 점차로 폭이 좁아지는 콘 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 결정성 다면체(15)의 각 면(facet)이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 결정성 다면체(15)는 하부에서 상부방향으로 제1 면(F8)과 제2 면(F7)을 구비할 수 있고, 상기 각 면이 기판면과 이루는 각은 제1 면(F8)에서 제2 면(F7)으로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 제2 면(F7)은 {111}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 71도이며, 제1 면(F8)은 {311}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 80도일 수 있다. 또한, 상기 결정성 다면체(15)는 최상부에 결정면들, 구체적으로 세 개의 제2 면들(F7)이 만나 이루어지는 매우 좁은 면적의 평면(T)을 구비할 수 있다. The
도 4a, 도 4b, 및 도 4c에 도시된 결정성 다면체들의 형태가 다른 것은 식각 및 수소 어닐링된 필라의 표면 상에 드러난 결정면들이 서로 다르고, 또한 에피택시 과정 중에 결정면들의 성장속도가 서로 다름에 기인할 수 있다.
4A, 4B, and 4C differs in that the crystallographic planes revealed on the surface of the etched and hydrogen annealed pillars are different and also due to the different growth rates of the crystal planes during the epitaxy process can do.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 광전변환소자의 한 종류인 태양전지가 도시된다. 태양전지는 기판(S) 상에 배치된 다면체(15)를 구비한다. 상기 다면체(15)는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 사용하여 형성할 수 있으며, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하여 설명한 다면체(15) 중 어느 하나일 수 있다.Referring to Fig. 5, a solar cell which is one type of photoelectric conversion element is shown. The solar cell has the
상기 다면체(15)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체(15)는 다수 개의 서로 다른 결정면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체일 수 있다. 나아가, 상기 다면체(15)의 각 결정면이 상기 기판의 표면면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 또한, 상기 다면체(15)는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점(도 4a의 T) 또는 뾰족한 모서리(도 4b의 T)를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체(15)는 결정성을 갖는 실리콘 다면체일 수 있다.The
상기 다면체(15)는 제1 도전형을 갖는 반도체일 수 있다. 제1 도전형은 p형일 수 있다. 이와는 달리, 상기 다면체(15) 상에 추가적인 제1 도전형 반도체층을 형성할 수도 있다. 상기 제1 도전형 반도체층은 에피택셜하게 성장됨과 동시에 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.The
상기 다면체(15) 상에 제2 도전형 반도체층(25)을 에피택셜하게 성장시킬 수 있다. 다시 말해서, 상기 제2 도전형 반도체층(25)은 에피층, 구체적으로 실리콘 에피층일 수 있다. 이 경우에도 마찬가지로 제2 도전형 반도체층(25)을 성장시킴과 동시에 제2 도전형 도펀트로 도핑할 수 있다. 제2 도전형은 n형일 수 있다. 이와는 달리, 상기 다면체(15) 내에 제2 도전형 도펀트를 이온주입법 등을 사용하여 주입함으로써, 제2 도전형 반도체층(25)을 형성할 수도 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(25)은 10nm 내지 1000nm 의 두께 구체적으로, 40nm내지 100nm의 두께를 가지도록 형성할 수 있다. The second conductivity
상기 제2 도전형 반도체층(25)의 두께, 또는 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 경우 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층(25)의 두께의 합은 상기 다면체(15)의 높이에 비해 낮을 수 있다. 그 결과, 상기 제2 도전형 반도체층(25)이 형성된 뒤 결과물의 형상은 여전히 상기 다면체(15)의 형상과 유사할 수 있다.The sum of the thickness of the second conductivity
상기 다면체(15) 또는 이의 상부에 추가적으로 형성된 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층(25) 사이에 PN 접합부(20)가 형성될 수 있다.A
상기 제2 도전형 반도체층(25) 상에 광투과성 전극층(미도시)을 더 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광투과성 전극층은 탄소나노튜브층, 그래핀층, 투명전도성산화물층 또는 금속층일 수 있고, 코팅, 열증착, 전자빔 증착, 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다.A light-transmitting electrode layer (not shown) may be further formed on the second
이 후, 상기 기판(S)의 하부에 제1 전극(30)을 형성하고, 상기 제2형 반도체층(25) 상에 제2 전극(40)을 형성할 수 있다. 그러나, 상기 제1 전극(30)의 위치는 이에 한정되지 않고, 상기 다면체(15) 또는 제1 도전형 반도체층(미도시)에 전기적으로 접속할 수 있으면 어느 위치라도 가능하다.Thereafter, a
이러한 태양전지에 예를 들어, 태양광이 조사되면 PN 접합부(20)는 광자(photon)을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 상기 전자-정공 쌍은 분리되어 전자는 제2 전극(40)으로 정공은 제1 전극(30)으로 전달되어 전기를 생산하게 된다. 이 때, 상부로 돌출된 다면체(15)로 인해 입사광의 난반사가 일어나 광의 반사율을 크게 줄일 수 있고, 또한 PN 접합부(20)의 표면적은 크게 향상될 수 있을 뿐 아니라, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 다면체(15)의 형태로 인해 다면체(15)의 상부부분 상에 위치한 PN 접합부(20) 뿐 아니라 하부 부분 상에 위치한 PN 접합부(20)에도 광이 조사될 수 있어, 광전변환효율이 크게 향상될 수 있다. 또한, 상부로 갈수로 좁은 폭을 갖는 다면체(15)의 형태는 광이 기판면에 대해 이루는 각이 줄어든 경우 예를 들어, 아침 또는 저녁의 태양광과 같이 기판면에 대해 비스듬하게 조사되는 경우에도, 하부 부분 상의 PN 접합부(20)에는 광이 수직으로 입사할 수 있으므로 광전변환효율이 광의 입사각에 크게 영향을 받지 않을 수 있다.When the solar cell is irradiated with sun light, for example, the
이와 더불어서, 다면체(15)의 각 면들은 결정면들이고 이 결정면들 상에 에피택셜하게 형성된 제1 반도체층 또는 제2 반도체층(25) 또한 결함 밀도가 적어 결정품질이 향상될 수 있으므로, PN 접합부(20)에서의 전자-정공 쌍 생성 및 분리가 더욱 효율적으로 진행될 수 있다.
In addition, since each side of the
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도이다. 6 is a cross-sectional view illustrating a photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 광전변환소자의 다른 한 종류인 발광다이오드가 도시된다. 발광다이오드는 기판(S) 상에 배치된 다면체(55)를 구비한다. 상기 다면체(55)는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 사용하여 형성할 수 있으며, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하여 설명한 다면체(15) 중 어느 하나일 수 있다.Referring to Fig. 6, there is shown a light emitting diode which is another kind of photoelectric conversion element. The light emitting diode has a
상기 다면체(55)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체(55)는 다수 개의 서로 다른 결정면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체일 수 있다. 나아가, 상기 다면체(55)의 각 결정면이 상기 기판의 표면면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 또한, 상기 다면체(55)는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점(도 4a의 T) 또는 뾰족한 모서리(도 4b의 T)를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체(55)는 결정성을 갖는 실리콘 다면체일 수 있다.The
상기 다면체(55) 상에 소자층을 형성할 수 있다. 상기 소자층은 차례로 적층된 제1 도전형 반도체층(61), 활성층(65), 및 제2 도전형 반도체층(67)일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(61), 활성층(65), 및 제2 도전형 반도체층(67)은 일 예로서, 화합물 반도체층들, 구체적으로 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체층들, 더 구체적으로 질화물계 반도체층들을 형성할 수 있다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체층들은 일 예로서, GaAlAs계, AlGaIn계, AlGaInP계, AlGaInPAs계, GaN계 반도체층들일 수 있다.An element layer can be formed on the
상기 제1 도전형 반도체층(61)은 질화물계 반도체층으로서, n형 도펀트가 도핑된 층일 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 도전형 반도체층(61)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)층에 n형 도펀트인 Si가 도핑된 층일 수 있다. 상기 활성층(65)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)층일 수 있고, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well; MQW)를 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 활성층(65)은 InGaN층 또는 AlGaN층의 단일 양자 우물 구조, 또는 InGaN/GaN, AlGaN/(In)GaN, 또는 InAlGaN/(In)GaN의 다층구조인 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(67)은 p형 도펀트가 도핑된 반도체층일 수 있다. 일 예로서, 상기 제2 도전형 반도체층(67)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)층에 p형 도펀드로서 Mg 또는 Zn가 도핑된 층일 수 있다. The first
상기 다면체(55)의 표면과 상기 제1 도전형 반도체층(61)이 서로 다른 격자상수를 갖는 경우에는, 상기 제1 도전형 반도체층(61)을 형성하기 전에, 상기 다면체(55)의 표면과 상기 제1 도전형 반도체층(61) 사이의 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 이러한 버퍼층은 AlN층일 수 있다. 그러나, 버퍼층의 물질은 이에 한정되는 것은 아니다.When the surface of the
상기 제1 도전형 반도체층(61), 상기 활성층(65), 및 상기 제2 도전형 반도체층(67)들 각각의 두께뿐 아니라, 이들의 두께의 합은 상기 다면체(55)의 높이에 비해 낮을 수 있다. 그 결과, 이들 각각의 층이 형성된 뒤 결과물의 형상은 상기 다면체(55)의 형상과 유사할 수 있다.The sum of the thicknesses of the first conductivity
상기 제1 도전형 반도체층(61), 상기 활성층(65), 및 상기 제2 도전형 반도체층(67)은 에피택셜하게 성장된 에피층일 일 수 있고, 구체적으로는 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 또는 성장 방법을 이용하여 형성될 수 있다.The first
상기 제2 도전형 반도체층(67) 상에 광투과성 전극층(미도시)을 더 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광투과성 전극층은 탄소나노튜브층, 그래핀층, 투명전도성산화물층 또는 금속층일 수 있고, 코팅, 열증착, 전자빔 증착, 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다.A light-transmitting electrode layer (not shown) may be further formed on the second
이 후, 상기 기판(S)의 하부에 제1 전극(70)을 형성하고, 상기 제2 도전형 반도체층(67) 상에 제2 전극(80)을 형성할 수 있다. 그러나, 상기 제1 전극(70)의 위치는, 이에 한정되지 않고 상기 제1 도전형 반도체층(61)에 전기적으로 접속할 수 있는 어느 위치라도 가능하다.Thereafter, a
이러한 발광다이오드에 순방향 전계가 인가되면, 상기 활성층(65) 내로 전자와 정공이 주입되고, 상기 활성층(65) 내로 주입된 전자와 정공이 재결합하면서 광을 방출할 수 있다. 이 때, 상부로 돌출된 다면체(55)로 인해 상기 활성층(65)의 표면적은 크게 향상될 수 있고, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 다면체(55)의 형태로 인해 다면체(55)의 상부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광 뿐 아니라 하부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광도 외부로 추출될 수 있으므로, 광추출효율이 크게 향상될 수 있다. 이와 더불어서, 다면체(55)의 각 면들은 결정면들이므로 이 결정면들 상에 에피택셜하게 성장된 제1 도전형 반도체층(61), 활성층(65), 및 제2 도전형 반도체층(67)은 결함 밀도가 적어 결정품질이 향상될 수 있으므로, 광전추출효율이 또한 향상될 수 있다. When a forward electric field is applied to such a light emitting diode, electrons and holes are injected into the
한편, 다면체(55)의 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태는 순방향 전계를 다면체(55)의 상부로 집중시킬 수 있어, 하부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광에 비해 상부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 광이 정면으로 집중되는 효과가 있을 수 있다.On the other hand, in the case where the upper width is narrower than the lower width of the
이와 더불어서, 발광다이오드에 걸어주는 전압의 변화만으로도 다양한 색상의 빛을 구현해 낼 수 있을 것으로 기대된다. 이는 다면체(55)의 구조적 특징에 의해 전류경로(current path)와 등전위면(equipotentioal plane)이 변화하면서 인가되는 전계에 따라 다양한 발광색이 구현될 수 있기 때문이다. 이는 평면상의 발광다이오드에서는 구현하기 힘들다.
In addition, it is expected that various colors of light can be realized by changing the voltage applied to the light emitting diode. This is because a variety of luminescent colors can be realized according to the applied electric field while varying the current path and the equipotentio plane according to the structural features of the
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples will be given to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
<제조예 1: 결정성 다면체 제조>≪ Preparation Example 1: Preparation of crystalline polyhedra &
<100> 방향으로 성장된 실리콘 기판을 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE)을 사용하여 식각하여 실리콘 필라들을 형성하였다. 그런 다음, 실리콘 필라들을 다시 등방성 건식식각하여 실리콘 필라들의 측면에 경사면을 만든 후, 실리콘 필라들이 형성된 기판을 1050℃의 온도 및 40Torr의 압력 조건에서 약 10분간 수소 어닐링하여, 실리콘 필라들의 모서리를 둥글게 변화시켰다. 이 후, 모서리가 둥근 실리콘 필라들이 형성된 기판을 에피리액터(Epi-Reactor)내에 로딩하고 챔버 내에 SiH2Cl2(dichlorosilane; DCS) 370sccm, HCl 110sccm, B2H6(diborane, 1% balanced in H2) 110sccm, H2 20slm을 흘리면서 1050℃의 온도 및 60Torr의 압력 조건에서 약 5분간 증착을 진행하여, 상기 실리콘 필라들 상에 반도체층을 에피성장시켰다.
The silicon substrate grown in the <100> direction was etched using reactive ion etching (RIE) to form silicon pillars. Then, the silicon pillars were subjected to isotropic dry etching again to form inclined surfaces on the side surfaces of the silicon pillars, and the substrate on which the silicon pillars were formed was hydrogen annealed at a temperature of 1050 DEG C and a pressure of 40 Torr for about 10 minutes to round the corners of the silicon pillars Change. Then, the edge is SiH 2 Cl 2 the substrates are formed of a round silicon pillar in a load in the epi-reactor (Epi-Reactor) and the chamber (dichlorosilane; DCS) 370sccm, HCl 110sccm, B 2 H 6 (diborane, 1% balanced in H2 ) Of 110 sccm and H 2 20 slm, the deposition was carried out at a temperature of 1050 ° C and a pressure of 60 Torr for about 5 minutes to epitaxially grow the semiconductor layer on the silicon pillars.
<제조예 2: 결정성 다면체 제조>≪ Preparation Example 2: Preparation of crystalline polyhedra &
<110> 방향으로 성장된 실리콘 기판을 사용하여 결정성 다면체를 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 결정성 다면체를 제조하였다.
A crystalline polyhedron was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that a crystalline polyhedron was used using a silicon substrate grown in the <110> direction.
<제조예 3: 결정성 다면체 제조>≪ Preparation Example 3: Preparation of crystalline polyhedra >
<111> 방향으로 성장된 실리콘 기판을 사용하여 결정성 다면체를 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 결정성 다면체를 제조하였다.
A crystalline polyhedron was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that a crystalline polyhedron was used using a silicon substrate grown in the <111> direction.
도 7a는 결정성 다면체 제조예 1에 따른 제조방법 진행 중 얻은 사진들을이다.7A is a photograph of the crystalline polyhedrons obtained during the production process according to Production Example 1.
도 7a를 참조하면, 등방성 건식식각이 완료된 후에는 평균 약 1㎛의 폭과 약 15㎛의 높이를 갖는 실리콘 필라들(a)이 형성된 것을 확인할 수 있고, 수소 어닐링 후에 실리콘 필라들의 모서리가 둥글게 변한 것(b)을 확인할 수 있으며, 또한, 상기 실리콘 필라들 상에 반도체층을 에피성장시킨 후에는 결정성 다면체(c)가 형성됨을 알 수 있다. 상기 결정성 다면체(c)의 최하부 폭은 평균 7㎛이고, 높이는 평균 11㎛이었다.
Referring to FIG. 7A, after the isotropic dry etching is completed, it is confirmed that the silicon pillars a having an average width of about 1 μm and a height of about 15 μm are formed. After the hydrogen annealing, the edges of the silicon pillars are rounded (B) can be confirmed. Further, it can be seen that the crystalline polyhedron (c) is formed after the semiconductor layer is epitaxially grown on the silicon pillars. The lowermost width of the crystalline polyhedron (c) was 7 mu m on average and the average height was 11 mu m.
도 7b는 결정성 다면체 제조예 1에 따른 결정성 다면체를 촬영한 SEM 사진들(a, c)과 TEM 사진이다.FIG. 7B is a SEM photograph (a, c) and a TEM photograph of the crystalline polyhedrons according to Production Example 1 of the crystalline polyhedron. FIG.
도 7b를 참조하면, (a)의 적색 테두리를 따라 결정성 다면체를 절단하여 TEM 분석을 실시한 결과(b), 꼭지점은 <100> 방향을 갖고 꼭지점을 형성하는 네 개의 결정면들은 모두 {111}면들인 것이 확인되었다.
Referring to FIG. 7 (b), the crystalline polyhedrons were cut along the red frame of FIG. 7 (a) and subjected to TEM analysis. As a result, four crystal planes having <100> .
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 각각 제조예들 1 내지 3에 따른 결정성 다면체를 촬영한 SEM 사진들이다.8A, 8B and 8C are SEM photographs of the crystalline polyhedrons according to Production Examples 1 to 3, respectively.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 실리콘 기판의 결정성장 방향이 다를 경우 서로 다른 형태를 갖는 결정성 다면체가 제조됨을 알 수 있다.
8A, 8B, and 8C, it can be seen that crystalline polyhedrons having different shapes are produced when the crystal growth direction of the silicon substrate is different.
도 9는 결정성 다면체 제조예 1에 따른 결정성 다면체, 원기둥 형태의 실리콘 필라, 직육면체 형태의 실리콘 월, 및 평면의 실리콘 기판의 광흡수 효율을 나타낸 그래프이다. 이 때, 원기둥 형태의 실리콘 필라는 3.5㎛의 폭과 11㎛의 높이를 갖고, 직육면체 형태의 실리콘 월은 3.5㎛의 폭과 11㎛의 높이를 갖고, 및 제조예 1에 따라 형성된 결정성 다면체는 11㎛의 높이를 갖는 것으로 가정된 상태에서, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 광흡수 효율을 계산하였다. 이 때, AM1.5G의 광이 조사된 것으로 가정하였다.9 is a graph showing the light absorption efficiency of a crystalline polyhedron, a cylindrical silicon pillar, a rectangular parallelepiped silicon wall, and a planar silicon substrate according to Production Example 1 of the crystalline polyhedron. At this time, the silicon pillars of the cylindrical shape had a width of 3.5 mu m and a height of 11 mu m, and the rectangular parallelepiped silicon walls had a width of 3.5 mu m and a height of 11 mu m, and the crystalline polyhedron formed according to Production Example 1 In the state assumed to have a height of 11 mu m, the light absorption efficiency was calculated by computer simulation. At this time, it was assumed that light of AM 1.5G was irradiated.
도 9를 참조하면, 원기둥 형태의 실리콘 필라(Si microwire로 표시됨, 흡수가능 표면적 170㎛2)와 직육면체 형태의 실리콘 월(Si microwall로 표시됨, 흡수가능 표면적 203㎛2)은 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이 약 67.6%, 약 71.6%로 평면 실리콘 기판(흡수가능 표면적 49㎛2)의 광흡수율인 61.4%에 비해 증가한 것을 알 수 있다. 이는 표면적의 증가에 기인한 것으로 추측된다. 한편, 제조예 1에 따른 결정성 다면체(Si microcone으로 표시됨, 흡수가능 표면적 152.1㎛2)는 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 전체 광흡수율이 약 95%로 평면 실리콘 기판의 그것에 비해 상대적으로는 약 1.5배 이상() 절대적으로는 약 33% 이상 크게 증가한 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 9, a cylindrical silicon pillar (represented by Si microwire, absorbable surface area of 170 占 퐉 2 ) and a rectangular parallelepiped silicon wall (represented by Si microwall, absorbable surface area of 203 占 퐉 2 ) The total light absorption rate at the wavelength was about 67.6% and about 71.6%, respectively, which was higher than the light absorption rate (61.4%) of the flat silicon substrate (absorption surface area 49 μm 2 ). This is presumably due to an increase in surface area. On the other hand, the crystalline polyhedron according to Production Example 1 (represented by Si microcone, absorbable surface area 152.1 mu m < 2 >) had an overall light absorptivity of about 95% at a wavelength of 300 nm to 1100 nm, 1.5 times or more ( ) And it is absolutely increased by about 33% or more.
또한, 제조예 1에 따른 결정성 다면체(Si microcone으로 표시됨, 흡수가능 표면적 152.1㎛2)는 원기둥형 실리콘 필라(Si microwire로 표시됨, 흡수가능 표면적 170㎛2)와 직육면체형 실리콘 월(Si microwall로 표시됨, 흡수가능 표면적 203㎛2)에 비해 흡수가능한 표면적이 적음에도 불구하고 1.3배~1.4배 정도로 더 높은 광흡수율을 나타내었다. 이는 본 발명에서 제작된 결정성 다면체가 여러 결정면을 가지고 또한 뾰족한 형태로 인해 빛 산란 효과가 월등하고 다른 구조체에 비해 복잡하게 차이가 있는 굴절율(Graded Refractive Index)를 가지기 때문인 것으로 추정되었다.
The crystalline polyhedrons according to Preparation Example 1 (represented by Si microconsamples with an absorbable surface area of 152.1 탆 2 ) were obtained by using a cylindrical silicon pillar (represented by Si microwire, absorbable surface area 170 탆 2 ) and a rectangular silicon wafer The absorbed surface area was found to be 1.3 to 1.4 times higher than the absorbable surface area of 203 μm 2 ). The reason for this is presumed to be that the crystalline polyhedrons produced in the present invention have a plurality of crystal planes and also have a graded refractive index superior in light scattering effect due to sharp shape and more complex than other structures.
도 10은 결정성 다면체 제조예 1에 따른 결정성 다면체, 원기둥 형태의 실리콘 필라, 직육면체 형태의 실리콘 월, 및 평면의 실리콘 기판의 광흡수 효율을 나타낸 그래프이다. 이 때, 원기둥 형태의 실리콘 필라는 3㎛의 폭과 11㎛의 높이를 갖고, 직육면체 형태의 실리콘 월은 3.5㎛의 폭과 약 7.4㎛의 높이를 갖고, 및 제조예 1에 따라 형성된 결정성 다면체는 11㎛의 높이를 갖는 것으로 가정된 상태에서, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 광흡수 효율을 계산하였다. 이 때, AM1.5G의 광이 조사된 것으로 가정하였다.10 is a graph showing the light absorption efficiency of a crystalline polyhedron, a cylindrical silicon pillar, a rectangular parallelepiped silicon wall, and a planar silicon substrate according to Production Example 1 of the crystalline polyhedron. At this time, the silicon pillars in the cylindrical form had a width of 3 mu m and a height of 11 mu m, and the rectangular parallelepiped silicon walls had a width of 3.5 mu m and a height of about 7.4 mu m, Lt; RTI ID = 0.0 > 11 < / RTI > At this time, it was assumed that light of AM 1.5G was irradiated.
도 10를 참조하면, 원기둥형 실리콘 필라(Si microwire로 표시됨, 흡수가능 표면적 152.7㎛2)와 직육면체형 실리콘 월(Si microwall로 표시됨, 흡수가능 표면적 152.6㎛2)은 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이 약 66.7%, 약 69.8%로 평면 실리콘 기판의 광흡수율인 61.4%에 비해 증가한 것을 알 수 있다. 그러나, 제조예 1에 따른 결정성 다면체(Si microcone으로 표시됨, 흡수가능 표면적 152.1㎛2)는 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 전체 광흡수율이 약 95%로 원기둥형 실리콘 필라(Si microwire로 표시됨 흡수가능 표면적 152.7㎛2)와 직육면체형 실리콘 월(Si microwall로 표시됨, 흡수가능 표면적 152.6㎛2)에 비해 비슷한 표면적을 가지면서도 훨씬 증가된 광흡수율을 나타내었다. 이 또한, 본 발명에서 제작된 결정성 다면체가 여러 결정면을 가지고 또한 뾰족한 형태로 인해 빛 산란 효과가 월등하고 다른 구조체에 비해 복잡하게 차이가 있는 굴절율(Graded Refractive Index)를 가지기 때문인 것으로 추정되었다.
Referring to Figure 10, (shown as Si microwire, absorbent surface area can 152.7㎛ 2) a cylindrical-shaped silicon pillar and the cuboid-type silicon month (shown as Si microwall, absorbent surface area can 152.6㎛ 2) is at a wavelength of 300㎚ to 1100㎚ It can be seen that the total light absorption rate is about 66.7% and about 69.8%, respectively, which is higher than the light absorption rate of the flat silicon substrate 61.4%. However, the crystalline polyhedron according to Production Example 1 (represented by Si microcone, absorbable surface area of 152.1 탆 2 ) had a total light absorption rate of about 95% at a wavelength of 300 nm to 1100 nm and exhibited a cylindrical silicon pillar Surface area of 152.7 μm 2 ) and a rectangular surface area (expressed as Si microwall, absorbable surface area 152.6 μm 2 ). It was also presumed that the crystalline polyhedrons produced in the present invention have a refractive index with a high degree of light scattering due to a sharp shape with a plurality of crystal planes and a complicated difference from other structures.
도 11은 제조예 1에 따른 결정성 다면체의 광조사각에 따른 흡수율을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing the absorption rate of the crystalline polyhedrons according to Manufacturing Example 1 according to the angle of incidence of light.
도 11을 참조하면, 평면 실리콘 기판은 입사각이 증가함에 따라 광흡수율이 크게 감소되는 한면, 제조예 1에 따른 결정성 다면체(Si microcone으로 표시됨)는 광원의 입사각도에 의존하지 않고 광을 거의 일정한 흡수율로 흡수할 수 있음을 보여준다. 이는 결정성 다면체를 채용한 태양전지의 경우, 낮 시간대에 태양의 각도가 다양하게 변하더라도 다시 말해서, 아침 또는 저녁 시간대라고 하더라도 일정한 광 흡수율을 보여줄 수 있음을 나타낸다.
11, the planar silicon substrate is a crystalline polyhedron according to Production Example 1 (represented by Si microcone) in which light absorption rate is greatly reduced as the incident angle increases, Absorbing rate. ≪ / RTI > This indicates that, in the case of a solar cell employing a crystalline polyhedron, even if the angle of the sun varies in the daytime, it can exhibit a constant light absorption rate even in the morning or evening time.
도 12는 제조예 1에 따른 결정성 다면체를 사용한 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 상기 태양전지는 제조예 1에 따른 p형을 갖는 결정성 다면체 상에 n형 반도체층을 약 100nm의 두께로 형성한 후, 기판 하부에 제1 전극을 형성하고, n형 반도체층 상에 제2 전극을 형성하였으며, 전압에 따른 전류밀도는 실험을 통해 얻어졌다.12 is a graph showing the current density according to the voltage of the solar cell using the crystalline polyhedrons according to Production Example 1. FIG. The solar cell had a structure in which an n-type semiconductor layer was formed to a thickness of about 100 nm on a crystalline polyhedron having a p-type according to Production Example 1, a first electrode was formed under the substrate, Electrodes were formed, and the current density according to the voltage was obtained through experiments.
도 12를 참조하면, 제조예 2에 따라 제조된 태양전지의 개방전압(open circuit voltage; Voc)은 594mV이고, 단락전류밀도(Short Circuit Current density; Jsc)는 34.1mA/cm2이고, 채움상수(fill factor; FF)는 0.687이며, 입력전력밀도(Ps)를 100mW/cm2으로 하여 전력변환효율(Power Conversion Efficiency)을 계산하면 13.9%인 것으로 나타났다. 반사방지막을 가진 평판 실리콘 태양전지가 약 12.0%의 전력변환효율을 나타내는 것을 고려하면, 결정성 다면체 상에 형성된 태양전지가 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
12, the open circuit voltage (Voc) of the solar cell manufactured according to Production Example 2 is 594 mV, the short circuit current density (Jsc) is 34.1 mA / cm 2 , the filling constant the fill factor FF is 0.687 and the power conversion efficiency is 13.9% when the input power density Ps is 100 mW / cm 2 . Considering that a flat silicon solar cell having an antireflection film exhibits a power conversion efficiency of about 12.0%, it can be seen that a solar cell formed on a crystalline polyhedron exhibits excellent performance.
도 13은 여러 가지 형태를 갖는 발광다이오드들의 광추출효율을 비교한 그래프이다. 이 때, 평면 실리콘 기판, 3.5㎛의 폭과 11㎛의 높이를 갖는 원기둥 형태의 실리콘 필라, 3.5㎛의 폭과 11㎛의 높이를 갖는 직육면체 형태의 실리콘 월, 및 제조예 1에 따라 형성된 11㎛의 높이를 갖는 결정성 다면체 상에 1000㎚의 n형 GaN층, 125㎚의 MQW층, 및 500㎚의 p형 GaN층을 형성하여 얻어진, 평면 발광다이오드(planar로 표시됨), 실리콘 필라 발광다이오드(microwire로 표시됨), 실리콘 월 발광다이오드(microwall로 표시됨), 및 결정성 다면체 발광다이오드(microcone으로 표시됨)에 대한 광추출효율을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구하였다.13 is a graph comparing light extraction efficiencies of light emitting diodes having various shapes. At this time, a flat silicon substrate, a silicon pillar of a cylindrical shape having a width of 3.5 mu m and a height of 11 mu m, a silicon wall of a rectangular parallelepiped shape having a width of 3.5 mu m and a height of 11 mu m, (Represented by planar), a silicon pillar light emitting diode (obtained by dividing the p-type GaN layer by 100 nm) obtained by forming an n-type GaN layer of 1000 nm, an MQW layer of 125 nm and a p- light extraction diode (represented by microwire), silicon monolayer (represented by microwall), and crystalline polyhedral light-emitting diode (represented by microcone) were obtained through computer simulation.
도 13을 참조하면, 결정성 다면체 발광다이오드(microcone으로 표시됨)는 평면 발광다이오드(planar로 표시됨), 실리콘 필라 발광다이오드(microwire로 표시됨), 및 실리콘 월 발광다이오드(microwall로 표시됨)에 비해 광추출효율이 크게 향상됨을 알 수 있다. 이는 결정성 다면체의 경우 뾰족하게 생긴 특유의 구조 형상이 광을 발산하는데 도움을 주기 때문인 것으로 예측되었다.
Referring to FIG. 13, a crystalline polyhedral light emitting diode (represented by a microcone) is compared to a planar light emitting diode (represented by planar), a silicon pillar light emitting diode (represented by microwire), and a silicon monochromatic light emitting diode The efficiency is remarkably improved. It was predicted that the crystalline structure of the crystalline polyhedra contributed to the emission of light because of its distinctive structure.
도 14는 여러 가지 형태를 갖는 발광다이오드들의 광추출효율을 비교한 그래프이다. 이 때, 평면 실리콘 기판, 0.5 내지 3.5㎛의 다양한 폭과 11㎛의 높이를 갖는 원기둥 형태의 실리콘 필라들, 및 제조예 1에 따라 형성된 11㎛의 높이를 갖는 결정성 다면체 상에 1000㎚의 n형 GaN층, 125㎚의 MQW층, 및 500㎚의 p형 GaN층을 형성하여 얻어진, 평면 발광다이오드(planar로 표시됨), 폭이 다양하게 변하는 실리콘 필라 발광다이오드들(D=0.5㎛, 1㎛, 2㎛, 3㎛, 3.5㎛), 및 결정성 다면체 발광다이오드(microcone으로 표시됨)에 대한 광추출효율을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구하였다.14 is a graph comparing light extraction efficiencies of light emitting diodes having various shapes. At this time, a flat silicon substrate, cylindrical pillar silicon cylinders having various widths of 0.5 to 3.5 mu m and a height of 11 mu m, and a crystalline polyhedron having a height of 11 mu m formed according to Production Example 1, (Planar), silicon pillar light emitting diodes having various widths (D = 0.5 μm, 1 μm (thickness)) obtained by forming a p-type GaN layer, a 125 nm MQW layer, , 2 탆, 3 탆, and 3.5 탆), and a crystalline polyhedral light-emitting diode (represented by microcone) were obtained through computer simulation.
도 14를 참조하면, 실리콘 필라 발광다이오드들 내의 실리콘 필라의 직경이 작아질수록 광추출 효율의 최대값은 높아짐을 확인할 수 있었다. 하지만 0.5㎛ 직경을 갖는 실리콘 필라를 갖는 발광다이오드라 하더라도 결정성 다면체 발광다이오드에 비해서는 낮은 광추출 효율을 보임을 알 수 있다.
Referring to FIG. 14, it can be seen that the maximum value of the light extraction efficiency increases as the diameter of the silicon pillar in the silicon pillar light emitting diodes decreases. However, even a light emitting diode having a silicon pillar having a diameter of 0.5 탆 shows a lower light extraction efficiency than a crystalline polyhedral light emitting diode.
도 15는 평면 발광다이오드와 결정성 다면체 발광다이오드의 n형 GaN층의 높이 변화에 따른 광추출효율을 나타낸 그래프(a)와 다이폴 소오스의 위치변화에 따른 평면 발광다이오드에 대한 결정성 다면체 발광다이오드의 광추출효율 향상의 정도를 나타낸 그래프(b)이다. 이 때, 평면이 실리콘 기판, 및 제조예 1에 따라 형성된 11㎛의 높이를 갖는 결정성 다면체 상에 n형 GaN층, 125㎚의 MQW층, 및 500㎚의 p형 GaN층을 형성하여 얻어진, 평면 발광다이오드(planar로 표시됨), 및 결정성 다면체 발광다이오드(microcone으로 표시됨)에 대한 광추출효율을 n형 GaN층의 높이를 변화시키면서 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구하였다. FIG. 15 is a graph (a) showing the light extraction efficiency according to the height variation of the n-type GaN layer of the planar light emitting diode and the crystalline polyhedron light emitting diode, (B) showing the degree of improvement in light extraction efficiency. At this time, the n-type GaN layer, the 125-nm MQW layer, and the 500-nm p-type GaN layer were formed on a silicon substrate and a crystalline polyhedron having a height of 11 탆 according to Production Example 1, The light extraction efficiency for a planar light-emitting diode (denoted as planar) and a crystalline polyhedral light-emitting diode (denoted as microcone) was obtained through computer simulation while varying the height of the n-type GaN layer.
도 15(a)를 참조하면, 일반적인 평판 발광다이오드와 비교하여 결정성 다면체 발광다이오드가 훨씬 더 우수한 광추출 효율을 나타내고 있음을 보여준다. 평면형 발광다이오드에서는 n형 GaN층의 두께에 상관없이 약 4.5% 이하의 낮은 광추출 효율을 가지고 있지만 결정성 다면체 발광다이오드에서는 전체적으로 9% 이상의 높은 광추출효율과 n형 GaN층의 두께가 1㎛가 될 경우 최대 효율 14%가 됨을 확인할 수 있는데, 이는 결정성 다면체 발광다이오드가 기존의 평면형 발광다이오드 대비 3배 이상의 효율 상승이 가능함을 보여준다.Referring to FIG. 15 (a), it is shown that the crystalline polyhedral light emitting diode exhibits much better light extraction efficiency than a general flat panel light emitting diode. The planar light emitting diode has a low light extraction efficiency of about 4.5% or less irrespective of the thickness of the n-type GaN layer. However, in the crystalline polyhedral light emitting diode, the total light extraction efficiency of 9% or more and the thickness of the n- , It is confirmed that the maximum efficiency is 14%, which indicates that the crystalline polyhedral light-emitting diode can be more than three times more efficient than the conventional planar light-emitting diode.
도 15(b)를 참조하면, 다이폴 소오스의 위치가 변하여도 평면 발광다이오드에 비해 결정성 다면체 발광다이오드의 광추출 효율은 향상될 수 있음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 15 (b), it can be seen that the light extracting efficiency of the crystalline polyhedral light emitting diode can be improved compared to the planar light emitting diode even if the position of the dipole source is changed.
<질화막 성장예>≪ Example of nitride film growth &
제조예 1에 따른 결정성 실리콘 다면체 상에 전구체 가스들인 TMA(trimethylaluminium) 가스와 NH3 가스, 그리고 TMG(trimethylgallium) 가스와 NH3 가스를 공급하고 MOCVD를 사용하여 약 500㎚의 AlN/GaN 멀티 버퍼층을 형성(맨 아래 영역이 AlN 버퍼층 20 nm)하고, 이후 TMG 가스와 NH3 가스를 공급하고 MOCVD를 사용하여 약 1㎛의 GaN층을 형성하였다.
TMA (trimethylaluminium) gas, NH 3 gas, TMG (trimethylgallium) gas and NH 3 gas were supplied to the crystalline silicon polyhedron according to Production Example 1, and MOCVD was used to form an AlN / GaN multi- (The bottom region was an AlN buffer layer of 20 nm), and then a TMG gas and an NH 3 gas were supplied, and a GaN layer of about 1 탆 was formed by MOCVD.
<질화막 성장 비교예>≪ Comparative Example of Nitride Film Growth &
결정성 실리콘 다면체가 아닌 [111] 실리콘 기판을 사용한 것을 제외하고는 질화막 성장예와 동일한 방법을 사용하여 버퍼층과 GaN층을 형성하였다.
A buffer layer and a GaN layer were formed using the same method as in the nitride film growth example except that a [111] silicon substrate was used instead of the crystalline silicon polyhedron.
도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 각각 질화막 성장예에 따른 시편의 상부면, 경사진 상부면, 그리고 단면을 촬영한 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진들이다. 도 17은 질화막을 형성하기 전의 결정성 다면체의 상부면을 촬영한 SEM 사진과 질화막을 성장한 후의 시편의 상부면을 촬영한 SEM 사진이다. 도 16c는 도 16b의 I-I′를 따라 취해진 단면이다. 16A, 16B and 16C are SEM (Scanning Electron Microscope) photographs of the upper surface, the inclined upper surface, and the cross section of the specimen according to the nitride film growth example, respectively. 17 is an SEM photograph of the upper surface of the crystalline polyhedron before formation of the nitride film and an SEM photograph of the upper surface of the sample after growing the nitride film. 16C is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG. 16B.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 17을 참조하면, 결정성 다면체(55)의 주로 상부부분 특히, 결정성 다면체의 {111}면(도 7b 참조, F1) 상에 질화막(NL)이 형성된 것을 알 수 있다(도 16c). 즉, 결정성 다면체의 {111}면(F1)으로부터 주로 질화막(NL)이 성장된 것을 알 수 있다. 또한, 질화막 성장예에 따른 질화막(NL)은 결정성 다면체(55)와 유사하게 하부폭에 비해 상부폭이 좁은 다면체의 형태를 가지고, 나아가 질화막(NL)의 최상부는 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 갖는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 결정성 다면체(55)의 상부에 성장된 질화막(NL)은 결정성 다면체의 {111}면(F1) 상에 형성된 리지(ridge, R)를 구비하고, 결정성 다면체의 {111}면들 사이의 모서리(E) 상에 형성된 골짜기(valley, V)를 구비한다. 또한, 서로 인접하는 결정성 다면체들(55)의 상부에서 질화막(NL)의 리지(R)는 서로 연결된다. 이 때, 리지와 골짜기 사이에 노출된 질화막의 표면은 {0002}면일 수 있다.
Figure 16a, Figure 16b, Figure 16c, and Referring to Figure 17, the crystallinity of the polyhedron (55), mainly the upper part, especially, {111} surface of the crystalline polyhedron (see Fig. 7b, F 1) of the nitride film on the (NL) (Fig. 16C). That is, it can be seen that the nitride film (NL) is mainly grown from the {111} plane (F 1 ) of the crystalline polyhedron. The nitride film NL according to the nitride film growth example has a shape of a polyhedron having an upper width narrower than the lower width similarly to the
도 18은 질화막 성장예에 따른 시편을 제1 방향으로 자른 단면을 나타낸 TEM(transmission electron microscope) 사진과 FFT(Fourier transform) 이미지 분석을 나타내고, 도 19는 질화막 성장예에 따른 시편을 제2 방향으로 자른 단면을 나타낸 TEM 사진과 FFT 이미지 분석을 나타내며, 도 20은 질화막 성장 비교예에 따른 시편을 자른 단면을 나타낸 TEM 사진과 FFT 이미지 분석을 나타낸다. 이 때, 제1방향은 도 16b 또는 도 17에서의 I-I′이며, 제2방향은 도 16b 또는 도 17에서의 Ⅱ-Ⅱ′이다.18 shows a transmission electron microscope (TEM) image and an FFT (Fourier transform) image analysis showing a section of the specimen in the first direction according to the nitride film growth example, FIG. 19 shows the specimen according to the nitride film growth example in the second direction FIG. 20 shows a TEM photograph and an FFT image analysis showing a cut section of a specimen according to a nitride film growth comparative example. FIG. In this case, the first direction is I-I 'in FIG. 16B or FIG. 17, and the second direction is II-II' in FIG. 16B or 17.
도 18을 참조하면, 결정성 다면체(55)의 서로 인접하는 {111}면들이 만나서 이룬 모서리(E) 상에 질화막(NL)인 멀티 버퍼층(AlN으로 표시)과 GaN층이 차례로 형성되었고, 멀티 버퍼층은 약 0.2 ㎛의 두께를 가지며, GaN층은 약 0.4 ㎛의 두께를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, GaN은 <0002> 방향으로 성장된 것을 알 수 있다. 한편, 여기서 결정성 다면체(55)의 서로 인접하는 {111}면들이 만나서 이룬 모서리(E) 상에 질화막(NL)의 표면은 도 16b의 골짜기(V) 부분에 해당한다.Referring to FIG. 18, a multi-buffer layer (denoted by AIN) and a GaN layer, which are nitride films NL, are sequentially formed on the edge E where adjacent {111} faces of the
도 19를 참조하면, 결정성 다면체(55)의 {111}면들(F1) 상에 질화막(NL)인 멀티 버퍼층(AlN으로 표시)과 GaN층이 차례로 형성되었고, 멀티 버퍼층은 약 0.6 ㎛의 두께를 가지며, GaN층은 평균적으로 약 1 ㎛의 두께 (최대높이 1.7 ㎛)를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, GaN은 <0002> 방향으로 성장된 것을 알 수 있다. 한편, 여기서 결정성 다면체(55)의 {111}면들(F1) 상에 형성된 질화막(NL)의 표면은 도 16b의 리지(R) 부분에 해당한다.19, a multi-buffer layer (denoted by AIN), which is a nitride film NL, and a GaN layer are sequentially formed on the {111} planes F 1 of the
도 20을 참조하면, 평판 형태를 갖는 [111] 실리콘 기판 상에 형성된 질화막은 멀티 버퍼층(AlN으로 표시)과 GaN층을 포함하고, 멀티 버퍼층은 약 0.6 ㎛의 두께를 가지며, GaN층은 약 1 ㎛의 두께를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, GaN은 <0002> 방향으로 성장된 것을 알 수 있다.
20, a nitride film formed on a [111] silicon substrate having a flat plate shape includes a multi-buffer layer (denoted by AIN) and a GaN layer, wherein the multi-buffer layer has a thickness of about 0.6 mu m and the GaN layer has a thickness of about 1 Mu m. ≪ / RTI > It can also be seen that GaN is grown in the <0002> direction.
하기 표 1은 질화막 성장예에 따른 시편을 제1 방향으로 자른 단면(도 18로 나타낸 단면), 질화막 성장예에 따른 시편을 제2 방향으로 자른 단면(도 19로 나타낸 단면), 및 질화막 성장 비교예에 따른 시편을 자른 단면(도 20으로 나타낸 단면)에서 얻어진 총 전위 밀도(Threading Dislocation Density, TDD)를 보여준다.The following Table 1 shows the cross section of the specimen according to the nitride film growth example in the first direction (the cross section shown in Fig. 18), the cross section of the specimen according to the nitride film growth example in the second direction Shows the total dislocation density (TDD) obtained from the cross section of the specimen (cross section shown in Fig. 20) according to the example.
대비 TDD 감소Nitride film growth comparative example
Contrast Reduced TDD
(도 18로 나타낸 단면)Section of the specimen according to the nitride film growth example cut in the first direction
(Section shown in Fig. 18)
(도 20으로 나타낸 단면)Growth of nitride film According to the comparative example,
(Section shown in Fig. 20)
표 1을 참조하면, 평판 형태를 갖는 [111] 실리콘 기판 상에 형성된 질화막에 비해 결정성 실리콘 다면체 상에 형성된 질화막은 총 전위 밀도가 0.3배 내지 0.69배로 매우 크게 감소되어, 결정성 실리콘 다면체 상에 고품위의 질화막이 형성된 것을 알 수 있다.Referring to Table 1, the total dislocation density of the nitride film formed on the crystalline silicon polyhedron is significantly reduced to 0.3 to 0.69 times that of the nitride film formed on the [111] silicon substrate having the flat plate shape, A high-quality nitride film is formed.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도들이다. 이 때, 도 21a 및 도 21b는 도 16b의 I-I′ 및 Ⅱ-Ⅱ′를 따라 취해진 단면들에 대응할 수 있다. 또한, 도 22는 도 16b에 도시된 단위셀(U)의 상부면을 개략적으로 도시한 평면도이다. 본 실시예에 따른 광전변환소자는 후술하는 것을 제외하고는 도 6을 참조하여 설명한 광전변환소자와 유사할 수 있다.21A and 21B are cross-sectional views illustrating a photoelectric conversion element according to another embodiment of the present invention. At this time, Figs. 21A and 21B may correspond to cross-sections taken along lines I-I 'and II-II' in Fig. 16B. 22 is a plan view schematically showing the upper surface of the unit cell U shown in Fig. 16B. The photoelectric conversion element according to this embodiment can be similar to the photoelectric conversion element described with reference to Fig. 6, except for the following.
도 21a, 도 21b, 및 도 22를 참조하면, 광전변환소자의 다른 한 종류인 발광다이오드가 도시된다. 발광다이오드는 기판(S) 상에 배치된 다면체(55)를 구비한다. 상기 다면체(55)는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 사용하여 형성할 수 있으며, 도 4a를 참조하여 설명한 다면체(15)일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 도 4b 및 도 4c를 참조하여 설명한 다면체일 수도 있다.21A, 21B, and 22, a light emitting diode which is another kind of photoelectric conversion element is shown. The light emitting diode has a
상기 다면체(55) 상에 소자층(DL)을 형성할 수 있다. 상기 소자층(DL)은 차례로 적층된 버퍼층(60), 제1 도전형 반도체층(61), 활성층(65), 및 제2 도전형 반도체층(67)일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(61), 활성층(65), 및 제2 도전형 반도체층(67)은 일 예로서, 화합물 반도체층들, 구체적으로 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체층들, 더 구체적으로 질화물계 반도체층들을 형성할 수 있다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체층들은 일 예로서, GaAlAs계, AlGaIn계, AlGaInP계, AlGaInPAs계, GaN계 반도체층들일 수 있다. An element layer DL may be formed on the
상기 제1 도전형 반도체층(61)은 질화물계 반도체층으로서, n형 도펀트가 도핑된 층일 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 도전형 반도체층(61)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)층에 n형 도펀트인 Si가 도핑된 층일 수 있다. 상기 활성층(65)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)층일 수 있고, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well; MQW)를 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 활성층(65)은 InGaN층 또는 AlGaN층의 단일 양자 우물 구조, 또는 InGaN/GaN, AlGaN/(In)GaN, 또는 InAlGaN/(In)GaN의 다층구조인 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(67)은 p형 도펀트가 도핑된 반도체층일 수 있다. 일 예로서, 상기 제2 도전형 반도체층(67)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)층에 p형 도펀드로서 Mg 또는 Zn가 도핑된 층일 수 있다. The first
버퍼층(60)은 상기 다면체(55)의 표면과 상기 제1 도전형 반도체층(61)이 서로 다른 격자상수를 갖는 경우에, 상기 다면체(55)의 표면과 상기 제1 도전형 반도체층(61) 사이의 격자부정합을 완화하기 층이고, 이러한 버퍼층은 AlN층, 구체적으로, AlN/GaN 멀티 버퍼층일 수 있다. 그러나, 버퍼층의 물질은 이에 한정되는 것은 아니다.The
상기 소자층(DL)은 도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 17을 참조하여 설명한 질화막의 형상과 유사할 수 있다. 구체적으로, 소자층은 다면체(55)와 유사하게 하부폭에 비해 상부폭이 좁은 다면체의 형태를 가지고, 나아가 소자층의 최상부는 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 알 수 있다. 구체적으로, 다면체(55)가 도 4a를 참조하여 설명한 다면체인 경우에, 다면체(55)의 상부에 성장된 소자층(DL)은 다면체의 {111}면(F1) 상에 형성된 리지(ridge, R)를 구비하고, 다면체의 {111}면들 사이의 모서리(E) 상에 형성된 골짜기(valley, V)를 구비할 수 있다. 또한, 서로 인접하는 다면체들(55)의 상부에서 소자층(DL)의 리지(R)는 서로 연결될 수 있다. 한편, 적어도 제1 도전형 반도체층(61)은 [0002] 방향으로 성장된 층일 수 있다.
The element layer DL may be similar in shape to the nitride film described with reference to Figs. 16A, 16B, 16C, and 17. Specifically, the element layer has a shape of a polyhedron whose top width is narrower than that of the bottom width, similar to the
이 후, 상기 기판(S)의 하부에 제1 전극(70)을 형성하고, 상기 제2 도전형 반도체층(67) 상에 제2 전극(미도시)을 형성할 수 있다.Thereafter, a
이러한 발광다이오드에 순방향 전계가 인가되면, 상기 활성층(65) 내로 전자와 정공이 주입되고, 상기 활성층(65) 내로 주입된 전자와 정공이 재결합하면서 광을 방출할 수 있다. 이 때, 상부로 돌출된 다면체(55)로 인해 상기 활성층(65)의 표면적은 크게 향상될 수 있고, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 다면체(55)의 형태로 인해 다면체(55)의 상부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광 뿐 아니라 하부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광도 외부로 추출될 수 있으므로, 광추출효율이 크게 향상될 수 있다. 이와 더불어서, 다면체(55)의 각 면들은 결정면들이므로 이 결정면들 상에 에피택셜하게 성장된 제1 도전형 반도체층(61), 활성층(65), 및 제2 도전형 반도체층(67)은 결함 밀도가 적어 결정품질이 향상될 수 있으므로, 광전추출효율이 또한 향상될 수 있다. When a forward electric field is applied to such a light emitting diode, electrons and holes are injected into the
한편, 다면체(55)의 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태는 순방향 전계를 다면체(55)의 상부로 집중시킬 수 있어, 하부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광에 비해 상부 부분 상에 위치한 활성층(65)에서 방출된 광의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 광이 정면으로 집중되는 효과가 있을 수 있다.On the other hand, in the case where the upper width is narrower than the lower width of the
이와 더불어서, 발광다이오드에 걸어주는 전압의 변화만으로도 다양한 색상의 빛을 구현해 낼 수 있을 것으로 기대된다. 이는 다면체(55)의 구조적 특징에 의해 전류경로(current path)와 등전위면(equipotentioal plane)이 변화하면서 인가되는 전계에 따라 다양한 발광색이 구현될 수 있기 때문이다. 이는 평면상의 발광다이오드에서는 구현하기 힘들다.
In addition, it is expected that various colors of light can be realized by changing the voltage applied to the light emitting diode. This is because a variety of luminescent colors can be realized according to the applied electric field while varying the current path and the equipotentio plane according to the structural features of the
하기 표 2는 도 16b, 도 21a, 21b, 및 도 22를 참조하여 나타낸 발광다이오드의 광추출효율을 나타낸다. 이 때, 버퍼층(60)은 AlN/GaN 멀티버퍼층, 제1 도전형 반도체층(61)은 위치에 따라 350㎚ 내지 2㎛의 두께를 갖는 n형 GaN층, 활성층(65)은 100㎚의 MQW층, 제2 도전형 반도체층(67)은 250㎚의 p형 GaN층이었고, 광추출효율은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구하였다. 한편, 다이폴의 위치를 도 22에 표시한 바와 같이, ① 지점, ② 지점, ③ 지점, 및 ④ 지점으로 변화시켰다.Table 2 below shows the light extraction efficiency of the light emitting diode shown in Figs. 16B, 21A, 21B, and 22. In this case, the
(@ 450 ㎚)Light extraction efficiency
(@ 450 nm)
표 2를 참조하면, 결정성 실리콘 다면체 상에 형성된 발광다이오드는 약 450㎚의 파장 즉, 청색광 영역의 파장을 약 4.1 내지 8.0%의 광추출효율로 방출하는 것을 알 수 있다. 또한, 450㎚에서 평면형 발광다이오드에 비해 훨씬 더 우수한 광추출 효율을 나타내고 있음을 보여준다. 또한 다이폴 소오스의 위치가 변하여도 평면형 발광다이오드에 비해 결정성 실리콘 다면체 상에 형성된 발광다이오드의 광추출 효율은 향상됨을 알 수 있다.Referring to Table 2, It can be seen that the light emitting diode formed on the crystalline silicon polyhedron emits the wavelength of about 450 nm, that is, the wavelength of the blue light region, with a light extraction efficiency of about 4.1 to 8.0%. In addition, it shows that the light extraction efficiency is much better than that of a planar light emitting diode at 450 nm. Also, it can be seen that the light extraction efficiency of the light emitting diode formed on the crystalline silicon polyhedron is improved compared to the planar light emitting diode even if the position of the dipole source is changed.
이상 본 발명을 바람직한 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (22)
상기 다면체 상에 차례로 배치된 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 소자층;
상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극; 및
상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 전극을 구비하고,
상기 소자층의 두께는 상기 다면체의 높이에 비해 낮고, 상기 소자층이 형성된 구조체는 하부폭에 비해 상부폭이 좁은 형태를 갖는 발광다이오드.A crystalline silicon polyhedron having an upper width narrower than a lower width;
An element layer including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer sequentially disposed on the polyhedron;
A first electrode electrically connected to the first conductive semiconductor layer; And
And a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor layer,
Wherein a thickness of the element layer is lower than a height of the polyhedron and a structure in which the element layer is formed has a narrower top width than a bottom width thereof.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 화합물 반도체층들인 발광다이오드.The method according to claim 1,
Wherein the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer are compound semiconductor layers.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 에피층들인 발광다이오드.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer are epi layers.
상기 다면체는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 갖는 발광다이오드.The method according to claim 1,
Wherein the polyhedron has a pointed vertex or corner at its top.
상기 다면체는 다수 개의 결정면들을 구비하는 발광다이오드.The method according to claim 1,
Wherein the polyhedron has a plurality of crystal planes.
상기 다면체는 기판 상에 배치되고,
상기 다면체의 각 결정면이 상기 기판의 표면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어드는 발광다이오드.6. The method of claim 5,
Wherein the polyhedron is disposed on a substrate,
Wherein an angle between each of the crystal planes of the polyhedron and the surface of the substrate is reduced toward the top.
상기 다면체는 하부에서 상부방향으로 차례로 배치되고 상기 기판의 표면과 이루는 각을 기준으로 구분된 제1 결정면, 제2 결정면, 및 제3 결정면을 구비하고,
상기 기판의 표면과 이루는 각이 제1 결정면에 비해 제2 결정면이 작고 제2 결정면에 비해 제3 결정면이 작은 발광다이오드.The method according to claim 6,
Wherein the polyhedron has a first crystal plane, a second crystal plane, and a third crystal plane, which are sequentially arranged from the bottom to the top and are separated from each other by an angle formed with the surface of the substrate,
Wherein an angle between the first crystal plane and the surface of the substrate is smaller than that of the first crystal plane, and the third crystal plane is smaller than the second crystal plane.
상기 다면체는 그의 상부에 4개의 {111}면과 4개의 {111}면이 만나 이루어진 뾰족한 꼭지점을 구비하거나, 그의 상부에 2개의 {111}면과 2개의 {111}면이 만나 이루어진 모서리를 구비하거나, 그의 상부에 3개의 {111}면과 3개의 {111}면이 만나 이루어진 평면을 구비하는 발광다이오드.6. The method of claim 5,
The polyhedron may have sharp apexes having four {111} planes and four {111} planes at the top thereof or may have vertices where two {111} planes and two {111} planes meet Or a planar surface in which three {111} planes and three {111} planes meet.
상기 제1 도전형 반도체층은 [0002] 방향으로 성장된 GaN층인 발광다이오드.9. The method of claim 8,
Wherein the first conductivity type semiconductor layer is a GaN layer grown in a [0002] direction.
상기 다면체 상에 차례로 배치된 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 소자층;
상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극; 및
상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 전극을 구비하되,
상기 소자층의 두께는 상기 다면체의 높이에 비해 낮고, 상기 소자층이 형성된 구조체는 하부폭에 비해 상부폭이 좁은 형태를 갖는 발광다이오드.A silicon polyhedron in which each side is a crystal face; And
An element layer including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer sequentially disposed on the polyhedron;
A first electrode electrically connected to the first conductive semiconductor layer; And
And a second electrode electrically connected to the second conductive type semiconductor layer,
Wherein a thickness of the element layer is lower than a height of the polyhedron and a structure in which the element layer is formed has a narrower top width than a bottom width thereof.
상기 다면체는 기판 상에 배치되고,
상기 다면체의 각 결정면이 상기 기판의 표면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어드는 발광다이오드.11. The method of claim 10,
Wherein the polyhedron is disposed on a substrate,
Wherein an angle between each of the crystal planes of the polyhedron and the surface of the substrate is reduced toward the top.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2 도전형 반도체층은 화합물 반도체 에피층들인 발광다이오드.12. The method of claim 11,
Wherein the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer are compound semiconductor epitaxial layers.
상기 다면체는 그의 상부에 4개의 {111}면과 4개의 {111}면이 만나 이루어진 뾰족한 꼭지점을 구비하거나, 그의 상부에 2개의 {111}면과 2개의 {111}면이 만나 이루어진 모서리를 구비하거나, 그의 상부에 3개의 {111}면과 3개의 {111}면이 만나 이루어진 평면을 구비하는 발광다이오드.12. The method of claim 11,
The polyhedron may have sharp apexes having four {111} planes and four {111} planes at the top thereof or may have vertices where two {111} planes and two {111} planes meet Or a planar surface in which three {111} planes and three {111} planes meet.
상기 제1 도전형 반도체층은 [0002] 방향으로 성장된 GaN층인 발광다이오드.14. The method of claim 13,
Wherein the first conductivity type semiconductor layer is a GaN layer grown in a [0002] direction.
상기 결정성 기판을 식각하여 필라를 형성하는 단계;
상기 필라 상에 베이스 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 결정성 다면체를 형성하는 단계;
상기 결정성 다면체 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 소자층을 형성하는 단계;
상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법.Providing a crystalline substrate;
Etching the crystalline substrate to form a pillar;
Epitaxially growing a base semiconductor layer on the pillar to form a crystalline polyhedron;
Forming an element layer including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on the crystalline polyhedron;
Forming a first electrode electrically connected to the first conductive semiconductor layer; And
And forming a second electrode electrically connected to the second conductive type semiconductor layer.
상기 베이스 반도체층을 에피택셜하게 성장시키기 전에,
상기 필라를 수소 어닐링하는 것을 더 포함하는 발광다이오드 제조방법.16. The method of claim 15,
Before epitaxially growing the base semiconductor layer,
And hydrogen annealing the pillar. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
상기 필라를 식각하는 것은 이방성 식각법을 사용하는 발광다이오드 제조방법.16. The method of claim 15,
Wherein the pillar is etched using an anisotropic etching method.
상기 필라를 식각하는 것은 상기 이방성 식각법을 수행한 후 등방성 식각법을 수행하는 발광다이오드 제조방법.18. The method of claim 17,
Wherein the pillar is etched by performing the isotropic etching method and then performing the isotropic etching method.
상기 기판은 실리콘 단결정 기판인 발광다이오드 제조방법.16. The method of claim 15,
Wherein the substrate is a silicon single crystal substrate.
상기 베이스 반도체층은 실리콘층인 발광다이오드 제조방법.20. The method of claim 19,
Wherein the base semiconductor layer is a silicon layer.
상기 기판은 <100> 방향으로 성장된 기판이고,
상기 소자층은 에피택시얼하게 성장시키는 발광다이오드 제조방법.22. The method of claim 21,
The substrate is a substrate grown in the <100> direction,
Wherein the device layer is epitaxially grown.
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