KR101901506B1 - Light emitting transistor and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 P 형 반도체; 상기 P 형 반도체의 상기 제 1 면에 결합된 절연막을 포함하는 게이트 전극; 상기 P 형 반도체의 상기 제 2 면과 PN 접합을 형성하는 N 형 반도체; 및 상기 N 형 반도체에 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 포함하며, 상기 절연막을 포함하는 게이트 전극은 상기 P 형 반도체에 전계를 인가하여 상기 P 형 반도체의 정공 농도 및 페르미 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 발광 트랜지스터가 제공될 수 있다.The present invention relates to a light emitting transistor and a method of manufacturing the same. According to an embodiment of the present invention, there is provided a liquid crystal display comprising: a first electrode; A P-type semiconductor electrically connected to the first electrode and having a first surface and a second surface opposite to each other; A gate electrode including an insulating film bonded to the first surface of the P-type semiconductor; An N-type semiconductor forming a PN junction with the second surface of the P-type semiconductor; And a second electrode electrically connected to the N-type semiconductor, wherein the gate electrode including the insulating film controls at least one of a hole concentration and a Fermi level of the P-type semiconductor by applying an electric field to the P- A light emitting transistor can be provided.

Description

발광 트랜지스터 및 이의 제조 방법{Light emitting transistor and method of fabricating the same}[0001] LIGHT EMITTING TRANSISTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME [0002]

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 무기 발광 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to an inorganic light emitting transistor and a method of manufacturing the same.

나노 물질은 뛰어난 전기 및 광학적 특성으로 인해, 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor: FET), 포토 센서(photo sensor), 태양 전지(photovoltaic cell), 바이오 센서(biosensor) 및 발광 다이오드(light-emitting diode: LED)와 같은 반도체 소자의 재료로 이용되고 있다. 특히, 나노 물질 기반의 발광 다이오드는 비용이 저렴하고 효율이 높기 때문에 광전자 공학에 사용하기에 매우 매력적이다. 그러나, 특정 바이어스(bias)에서 종래의 PN 접합 발광 다이오드의 발광 강도는 나노 물질의 특성 및 소자 구성에 영향을 받는다. 다른 재료에 비해 넓은 밴드갭(band gap)을 갖는 나노 물질이 적용될 때, 소자는 옴 손실(Ohmic losses)로 인해 높은 순방향 바이어스(forward bias)로 동작해야 하며, 이는 소자 효율을 저하시킬 수 있다.Because nanomaterials have excellent electrical and optical properties, they can be used in field-effect transistors (FETs), photo sensors, photovoltaic cells, biosensors and light-emitting diodes : LED) are used as materials for semiconductor devices. Particularly, light emitting diodes based on nanomaterials are very attractive for use in optoelectronics because of their low cost and high efficiency. However, at a specific bias, the emission intensity of a conventional PN junction light-emitting diode is affected by the characteristics of the nanomaterial and the device configuration. When a nanomaterial having a broad band gap relative to other materials is applied, the device must operate at a high forward bias due to Ohmic losses, which may degrade device efficiency.

또한, 일반적으로 정공(hole)의 농도(concentration) 및 이동도(mobility)는 전자(electron)의 농도 및 이동도보다 낮기 때문에, 자발적인 발광을 생성하도록 정공과 전자가 효율적으로 재결합(recombination) 하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 전자-정공 재결합이 일어나는 공간에 대한 제어는 발광 다이오드용 재료의 설계에서 중요한 요구 사항이 되고 있다.Since the concentration and mobility of holes are generally lower than the concentration and mobility of holes, holes and electrons are efficiently recombined to generate spontaneous light emission. It can be difficult. Thus, control over the space where electron-hole recombination takes place is an important requirement in the design of materials for light-emitting diodes.

그러나, 종래의 PN 접합 발광 다이오드는 생성된 바이어스의 양을 제어할 수 없어서 발광 강도가 자체적으로 변조될 수 없다. 이러한 제한은 능동 구동형(active-matrix) 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode: OLED) 디스플레이 소자의 모든 픽셀(pixel) 단위마다 전계 효과 트랜지스터 스위치를 필요로 함으로써, 소자의 제조 공정 및 구조가 복잡해질 수 있다.However, the conventional PN junction light emitting diode can not control the amount of generated bias, so that the emission intensity can not be modulated by itself. This limitation requires a field-effect transistor switch for every pixel unit of an active-matrix organic light-emitting diode (OLED) display device, thereby complicating the manufacturing process and structure of the device .

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자-정공 재결합이 일어나는 공간에 대한 제어가 가능하며, 자가 스위칭(self-switching) 동작이 가능한 소자의 제조 공정 및 구조가 단순한 발광 트랜지스터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a light emitting transistor which can control the space where electron-hole recombination takes place, and which has a simple manufacturing process and structure of a device capable of a self-switching operation.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 발광 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a light emitting transistor having the above-described advantages.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 P 형 반도체; 상기 P 형 반도체의 상기 제 1 면에 결합된 절연막을 포함하는 게이트 전극(gate electrode); 상기 P 형 반도체의 상기 제 2 면과 PN 접합을 형성하는 N 형 반도체; 및 상기 N 형 반도체에 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 포함하며, 상기 절연막을 포함하는 게이트 전극은 상기 P 형 반도체에 전계를 인가하여 상기 P 형 반도체의 정공 농도 및 페르미 레벨(Fermi level) 중 적어도 하나를 제어하는 발광 트랜지스터가 제공될 수 있다. 상기 P 형 반도체는 직접 밴드갭(direct bandgap) 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(p-type porous Si nanowires: PoSiNWs)를 포함하고, 상기 N 형 반도체는 N 형 산화 아연(zinc oxide: ZnO) 나노 박막을 포함할 수 있다. 상기 다공성 실리콘 나노 와이어의 종횡비(aspect ratio)는 700 내지 813 범위 내이며, 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어는 <100> 방향으로 우선 배향된 단결정(single crystal)을 가질 수 있다. 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어는, 300 ㎚ 내지 800 ㎚ 범위의 가시 광선 영역에서, 단일 피크(peak)가 1.5 eV 내지 3.5 eV 범위의 광자 에너지(photon energy)의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크(sub-peak)로 디콘볼루션(deconvolution)되는 마이크로광루미네선스(micro-photoluminescence: μ-PL) 스펙트럼을 가질 수 있다. 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 표면에 나노 크기의 표면 거칠기와 다공성으로 인해 양자 구속 효과(quantum confinement effect: QCE)가 발생될 수 있다. 상기 N 형 산화 아연 나노 박막의 두께는 90 ㎚ 내지 120 ㎚ 범위 내이며, 상기 산화 아연 나노 박막은 300 ㎚ 내지 800 ㎚ 범위의 가시 광선 영역 중 자외선 영역과 적색 계열 영역에 대응하는 두 개의 피크를 가지며, 상기 적색 계열 영역에 대응하는 피크가 1.5 eV 내지 3.5 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 마이크로광루미네선스 스펙트럼을 가질 수 있다. 상기 P 형 반도체에 음의 전계가 인가될 시, 상기 P 형 반도체와 상기 N 형 반도체 사이의 접합에서 전위 에너지 차이가 증가하여, 상기 P 형 반도체의 페르미 레벨은 전도대(conduction band) 에지(edge)로 이동하고, 전달되는 캐리어(carrier)의 양이 증가되며, 상기 P 형 반도체에 양의 전계가 인가될 시, 상기 P 형 반도체와 상기 N 형 반도체 사이의 접합에서 전위 에너지 차이가 감소하여, 상기 P 형 반도체의 페르미 레벨은 가전자대(valence band) 에지로 이동하고, 전달되는 캐리어의 양이 감소될 수 있다. 상기 적색 계열 영역에 대응하는 피크가 1.5 eV 내지 3.0 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 일렉트로루미네선스(electroluminescence: EL) 스펙트럼을 가질 수 있다. 상기 게이트 전극은, 열 성장된 실리콘 산화물(silicon dioxide: SiO2) 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 (p++) 실리콘(silicon: Si) 기판을 포함할 수 있다. 상기 P 형 반도체와 상기 N 형 반도체 사이의 PN 접합은 마이크로광루미네선스 방출 피크를 발생시키는 적어도 일부 비정질상(amorphous phase)을 가질 수 있다. 상기 N 형 산화 아연 나노 박막은 침입형 아연(zinc interstitial site: Zni), 확장된 침입형 아연(expanded zinc interstitial site: ex-Zni), 산소 공핍(oxygen vacancy: Vo) 및 침입형 산소(oxygen interstitial site: Oi) 중 적어도 하나의 전이(transition) 가능한 에너지 준위(권리범위 확대를 위해 표현을 수정하였습니다)를 포함하는 밴드갭을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a liquid crystal display comprising: a first electrode; A P-type semiconductor electrically connected to the first electrode and having a first surface and a second surface opposite to each other; A gate electrode including an insulating film bonded to the first surface of the P-type semiconductor; An N-type semiconductor forming a PN junction with the second surface of the P-type semiconductor; And a second electrode electrically connected to the N-type semiconductor, wherein the gate electrode including the insulating film is formed by applying an electric field to the P-type semiconductor to form at least one of a hole concentration and a Fermi level A light emitting transistor that controls one transistor can be provided. Wherein the P-type semiconductor includes at least one p-type porous Si nanowires (PoSiNWs) having a direct bandgap characteristic, and the N-type semiconductor is at least one selected from the group consisting of N-type zinc oxide : &Lt; / RTI > ZnO) nanotubes. The aspect ratio of the porous silicon nanowire is in the range of 700 to 813, and the P-type porous silicon nanowire may have a single crystal preferentially oriented in the <100> direction. Wherein the P-type porous silicon nanowire has at least two sub-peaks at a single peak in the visible light range of 300 nm to 800 nm in the center of the photon energy in the range of 1.5 eV to 3.5 eV micro-photoluminescence (μ-PL) spectrum that is deconvoluted with a sub-peak. A quantum confinement effect (QCE) can be generated on the surface of the P-type porous silicon nanowire due to nano-sized surface roughness and porosity. Wherein the N-type zinc oxide nano-thin film has a thickness within a range of 90 nm to 120 nm, and the zinc oxide nano-thin film has two peaks corresponding to an ultraviolet ray region and a red series region in a visible light region in a range of 300 nm to 800 nm , And a microphotoluminescence spectrum in which the peak corresponding to the red series region is deconvoluted into at least two or more sub-peaks centered on photon energies in the range of 1.5 eV to 3.5 eV. When a negative electric field is applied to the P-type semiconductor, the potential energy difference increases at the junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor, and the Fermi level of the P-type semiconductor reaches the conduction band edge, Type semiconductor, the amount of carriers to be transferred is increased, and when a positive electric field is applied to the P-type semiconductor, a potential energy difference at the junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor decreases, The Fermi level of the P-type semiconductor moves to the valence band edge, and the amount of the carrier to be transferred can be reduced. And the peak corresponding to the red series region may have an electroluminescence (EL) spectrum deconvoluted into at least two or more sub-peaks centered on photon energies in the range of 1.5 eV to 3.0 eV. The gate electrode may comprise a heavily doped P-type (p ++) silicon (Si) substrate having a thermally grown silicon dioxide (SiO 2 ) layer. The PN junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor may have at least some amorphous phase that generates a microphotoluminescence emission peak. The N-type zinc oxide nanotubes can be formed by a combination of a zinc interstitial site (Zn i ), an expanded zinc interstitial site (ex-Zn i ), an oxygen vacancy (V o ) and a transitionable energy level of at least one of the oxygen interstitial sites (O i ) (the expression is modified to increase the right range).

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 1 전극과 이격된 적어도 하나 이상의 더미 전극을 형성하는 단계; 상기 적어도 하나 이상의 제 1 전극과 상기 적어도 하나 이상의 더미 전극 사이를 가로질러 P 형 반도체를 형성하는 단계; 상기 형성된 P 형 반도체 상에 N 형 반도체를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 N 형 반도체 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 트랜지스터의 제조 방법이 제공될 수 있다. 상기 P형 반도체는 상기 적어도 하나 이상의 제 1 전극과 상기 적어도 하나 이상의 더미 전극을 이용하는 유전영동(dielectrophoresis: DEP) 정렬(alignment)에 의해 형성될 수 있다. 상기 제 2 전극을 형성하는 단계는, 상기 형성된 N 형 반도체 상에 제 2 전극을 패터닝(patterning)하는 단계; 상기 패터닝된 제 2 전극 상에 식각 마스크(etching mask)를 형성하는 단계; 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 제 2 전극의 하지의 상기 N형 반도체를 제외한 나머지 영역의 상기 N형 반도체 일부를 식각하는 단계; 및 상기 식각 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 P 형 반도체는 직접 밴드갭 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어를 포함하고, 상기 N 형 반도체는 N 형 산화 아연 나노 박막을 포함할 수 있다. 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어는 1 Ωcm 내지 10 Ωcm 범위 내의 저항률을 갖는 불순물(dopant)(예: 붕소)이 도핑된 P 형 실리콘 웨이퍼로부터 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭(metal-catalyst-assisted chemical etching: MCE) 공정에 의해 합성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a substrate; Forming at least one first electrode on the substrate and at least one dummy electrode spaced apart from the at least one first electrode; Forming a P-type semiconductor across the at least one first electrode and the at least one dummy electrode; Forming an N-type semiconductor on the P-type semiconductor formed; And forming a second electrode on the formed N-type semiconductor. The P-type semiconductor may be formed by dielectrophoresis (DEP) alignment using the at least one first electrode and the at least one dummy electrode. The forming of the second electrode may include: patterning the second electrode on the N-type semiconductor formed; Forming an etching mask on the patterned second electrode; Etching a portion of the N-type semiconductor in a region other than the N-type semiconductor at the bottom of the second electrode using the etching mask; And removing the etch mask. The P-type semiconductor may include at least one P-type porous silicon nanowire having a direct bandgap characteristic, and the N-type semiconductor may include an N-type zinc oxide nano-thin film. The P-type porous silicon nanowire can be formed by a metal-catalyst-assisted chemical (PECVD) process from a P-type silicon wafer doped with a dopant such as boron having a resistivity within a range of 1 Ωcm to 10 Ωcm etching: MCE) process.

본 발명의 실시예에 따르면, 발광 트랜지스터는 P 형 반도체에 전계를 인가하여 P 형 반도체의 정공 농도 및 페르미 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 절연막을 포함하는 게이트 전극의 구조를 가짐으로써, 전자-정공 재결합이 일어나는 공간에 대한 제어가 가능하며, 자가 스위칭 동작이 가능한 소자의 제조 공정 및 구조가 단순한 발광 트랜지스터가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the light emitting transistor has a structure of a gate electrode including an insulating film for controlling at least one of a hole concentration and a Fermi level of a p-type semiconductor by applying an electric field to the p-type semiconductor, And a light emitting transistor having a simple manufacturing process and structure of a device capable of self-switching operation can be provided.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 발광 트랜지스터의 제조 방법이 제공될 수 있다. According to still another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a light emitting transistor having the above-described advantages can be provided.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 단면도이며, 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 단면도 및 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 거친 표면을 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 단결정도를 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 마이크로광루미네선스 스펙트럼이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내에서 알루미늄 전극/N 형 산화 아연 나노 박막/P 형 다공성 실리콘 나노 와이어/금 전극을 갖는 구조를 보여주는 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내에서 N 형 산화 아연 나노 박막과 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어 사이의 계면을 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어 상에 형성된 N 형 산화 아연 나노 박막의 마이크로광루미네선스 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어 상에 형성된 N 형 산화 아연 나노 박막을 포함하는 발광 트랜지스터의 I-V 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 전압에 따른 발광 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 일렉트로루미네선스 스펙트럼이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합 전 후의 발광 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내에서 N 형 산화 아연 나노 박막과 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어 사이의 PN 접합을 보여주는 광학 현미경 이미지이다.
도 10b 내지 도 10h는 발광 트랜지스터 내에서 오렌지-적색 발광 이미지이다.
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views of a light emitting transistor according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1E is a perspective view of a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are a cross-sectional view and a perspective view, respectively, of a light emitting transistor according to another embodiment of the present invention.
3A is a scanning electron microscope image of a P-type porous silicon nanowire in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a transmission electron microscope image showing the rough surface of a P-type porous silicon nanowire in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention. FIG.
3C is a transmission electron microscope image showing the degree of solidification of the P-type porous silicon nanowire in the light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3D is a microphotoluminescence spectrum of a P-type porous silicon nanowire in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a scanning electron microscope image showing a structure having an aluminum electrode / N-type zinc oxide nano-thin film / P-type porous silicon nanowire / gold electrode in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4B is a transmission electron microscope image showing the interface between the N-type zinc oxide nanofiltration film and the P-type porous silicon nanowire in the light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
4C is a microphotoluminescence spectrum of an N-type zinc oxide nanotube film formed on a P-type porous silicon nanowire in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing IV characteristics of a light emitting transistor including an N-type zinc oxide nanotube film formed on a P-type porous silicon nanowire according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are energy band diagrams of a light emitting transistor according to a gate voltage according to an embodiment of the present invention.
7A and 7B are electro-luminescence spectra of a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
8A and 8B are energy band diagrams of a light emitting transistor before and after a PN junction according to an embodiment of the present invention.
9 is a view illustrating a method of manufacturing a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
10A is an optical microscope image showing a PN junction between an N-type zinc oxide nanofiltration film and a P-type porous silicon nanowire in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.
Figures 10b-h are orange-red emission images within the light emitting transistor.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Like numbers refer to like elements in the drawings. Also, as used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of any of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used herein are used to illustrate the embodiments and are not intended to limit the scope of the invention. Also, although described in the singular, unless the context clearly indicates a singular form, the singular forms may include plural forms. Also, the terms "comprise" and / or "comprising" used herein should be interpreted as referring to the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements and / And does not exclude the presence or addition of other features, numbers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.Reference herein to a layer formed "on" a substrate or other layer refers to a layer formed directly on top of the substrate or other layer, or may be formed on intermediate or intermediate layers formed on the substrate or other layer Layer. &Lt; / RTI &gt; It will also be appreciated by those skilled in the art that structures or shapes that are "adjacent" to other features may have portions that overlap or are disposed below the adjacent features.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.As used herein, the terms "below," "above," "upper," "lower," "horizontal," or " May be used to describe the relationship of one constituent member, layer or regions with other constituent members, layers or regions, as shown in the Figures. It is to be understood that these terms encompass not only the directions indicated in the Figures but also the other directions of the devices.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically illustrating ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these figures, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of explanation, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions shown herein. In addition, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 단면도이며, 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 사시도이다.FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views of a light emitting transistor according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1E is a perspective view of a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 발광 트랜지스터(100)는 제 1 전극(E1), 제 1 전극(E1)에 전기적으로 연결되고, 서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 P 형 반도체(P), P 형 반도체(P)의 제 1 면에 결합된 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1), P 형 반도체(P)의 상기 제 2 면과 PN 접합을 형성하는 N 형 반도체(N) 및 N 형 반도체(N)에 전기적으로 연결되는 제 2 전극(E2)을 포함할 수 있다.1A, a light emitting transistor 100 includes a first electrode E1, a P-type semiconductor P electrically connected to the first electrode E1 and having first and second surfaces facing each other, A gate electrode S1 including an insulating film bonded to a first surface of the P-type semiconductor P, an N-type semiconductor N and an N-type semiconductor N forming a PN junction with the second surface of the P- And a second electrode (E2) electrically connected to the first electrode (N).

P 형 반도체(P)는 직접 밴드갭 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)를 포함하고, N 형 반도체(N)는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)을 포함할 수 있다. 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 종횡비는 700 내지 813 범위 내이며, 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 <100> 방향으로 우선 배향된 단결정을 가질 수 있다. 또한, 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 표면에 나노 크기의 표면 거칠기와 다공성으로 인해 양자 구속 효과가 발생될 수 있다.The P-type semiconductor P may include at least one P-type porous silicon nanowire P having a direct bandgap characteristic and the N-type semiconductor N may include an N-type zinc oxide nano-thin film N . The aspect ratio of the P-type porous silicon nanowire (P) is in the range of 700 to 813, and the P-type porous silicon nanowire (P) may have a single crystal preferentially oriented in the <100> direction. In addition, the surface of the P-type porous silicon nanowire (P) may have a quantum confinement effect due to the nano-sized surface roughness and porosity.

상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는, 300 ㎚ 내지 800 ㎚ 범위의 가시 광선 영역에서, 단일 피크가 1.5 eV 내지 3.5 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 마이크로광루미네선스 스펙트럼을 가질 수 있다. 예컨대, 후술할 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼에서, 넓은 범위의 단일 피크는 1.84 eV, 2.13 eV, 2.41 eV 및 2.97 eV의 광자 에너지를 중심으로 4개의 서브 피크로 디콘볼루션될 수 있다. 상기 서브 피크들은 결함(defect)이나 불순물에 의해서 물질의 밴드갭 사이에 에너지 준위가 생김으로 해서 발생하는 것일 수 있다. 즉, 마이크로광루미네선스 측정 시 에너지 공급원(예: 레이저 소스)에 의해 전자가 여기(excitation)되고, 다시 전자가 완화(relaxation)되는 과정을 통해 에너지 차이가 확인될 수 있는데, 전도대와 가전자대를 통한 전자의 여기-완화(밴드갭)가 아닌 전도대와 가전자대 사이의 에너지 준위(결함 또는 불순물에 의한)를 거치는 여기-완화 과정에 의해 서브 피크들이 나타날 수 있다. 따라서, 상기 디콘볼루션된 서브 피크들을 통해 결함 또는 불순물에 의해 생성된 에너지 준위가 확인될 수 있다.The P-type porous silicon nanowire (P) is characterized in that, in the visible light region in the range of 300 nm to 800 nm, a single peak is deconvoluted into at least two or more sub-peaks centered on photon energies in the range of 1.5 eV to 3.5 eV And can have a micro-optical luminescence spectrum. For example, in the microphotoluminescence spectrum of the P-type porous silicon nanowire (P) to be described later, a wide range of single peaks has four sub-peaks centered on photon energies of 1.84 eV, 2.13 eV, 2.41 eV and 2.97 eV, It can be rode deconvolution. The sub-peaks may be caused by the formation of energy levels between the bandgaps of the material due to defects or impurities. In other words, when measuring micro-optical luminescence, electrons can be excited by an energy source (for example, a laser source), and then the electrons can be relaxed to confirm the energy difference. Sub-peaks may appear by an excitation relaxation process through the energy level (due to defects or impurities) between the conduction band and the valence band, rather than the excitation-relaxation (bandgap) of the electrons through. Therefore, energy levels generated by defects or impurities can be identified through the deconvoluted sub-peaks.

상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 형성된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 두께는 90 ㎚ 내지 120 ㎚ 범위 내이며, 300 ㎚ 내지 800 ㎚ 범위의 가시 광선 영역 중 자외선 영역과 적색 계열 영역에 대응하는 두 개의 피크를 가질 수 있다. 이때, 상기 적색 계열 영역에 대응하는 피크가 1.5 eV 내지 3.5 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 마이크로광루미네선스 스펙트럼을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 형성된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼에서, 적색 계열 영역의 넓은 스펙트럼은 각각 1.72 eV, 1.85 eV 및 2.0 eV의 광자 에너지에 해당하는 3개의 서브 피크로 디콘볼루션될 수 있다. 또한, 발광 트랜지스터(100)는 상기 적색 계열 영역에 대응하는 피크가 1.5 eV 내지 3.0 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 일렉트로루미네선스 스펙트럼을 가질 수 있다.The thickness of the N-type zinc oxide nano-thin film (N) formed on the P-type porous silicon nanowire (P) is in the range of 90 nm to 120 nm, and the ultraviolet region and the red region And can have two peaks corresponding to the region. At this time, the peak corresponding to the red series region may have a microphotoluminescence spectrum deconvoluted into at least two or more sub-peaks at the centers of photon energies in the range of 1.5 eV to 3.5 eV. For example, in the microphotoluminescence spectra of the N-type zinc oxide nano-thin film (N) formed on the P-type porous silicon nanowire (P), the broad spectrum of the red series region is 1.72 eV, 1.85 eV and 2.0 eV Can be deconvoluted into three sub-peaks corresponding to photon energy. In addition, the light emitting transistor 100 may have an electroluminescence spectrum in which the peak corresponding to the red series region is deconvoluted into at least two or more sub-peaks centered on photon energies in the range of 1.5 eV to 3.0 eV.

절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)은 열 성장된 실리콘 산화물 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판으로 구성될 수 있다. 상기 실리콘 산화물 층이, 게이트 전극(S1)의 절연막으로서 사용되며, 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판이 게이트 전극으로서 사용될 수 있다. 상기 P 형 실리콘 기판은 예시적이며, 다른 실시예에서, 고농도로 도핑된 N 형 실리콘 기판이 게이트 전극(S1)으로서 사용될 수도 있다.The gate electrode S1 including the insulating film may be composed of a heavily doped P-type silicon substrate having a thermally grown silicon oxide layer. The silicon oxide layer is used as an insulating film of the gate electrode S1, and a heavily doped P-type silicon substrate can be used as a gate electrode. The P-type silicon substrate is exemplary, and in another embodiment, a heavily doped N-type silicon substrate may be used as the gate electrode S1.

본 발명의 다른 실시예에서, 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)은 절연성 세라믹, 반도체, 절연성 고분자, 또는 절연된 금속 기판 상에 게이트 전극으로서 도전성 물질 층과 상기 도전성 물질 층 상에 절연막이 형성된 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 도전성 물질 층은 금속 박막, 도전성 금속 산화물 박막, 도핑된 반도체 층, 또는 도전성 나노 와이어 적층체일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the gate electrode S1 including the insulating film may be formed of an insulating ceramic, a semiconductor, an insulating polymer, or a structure having a conductive material layer as a gate electrode and an insulating film formed on the conductive material layer on an insulated metal substrate Lt; / RTI &gt; In some embodiments, the conductive material layer may be a metal thin film, a conductive metal oxide thin film, a doped semiconductor layer, or a conductive nanowire laminate.

상기 금속 박막은, 금(gold: Au), 은(silver: Ag), 백금(platinum: Pt), 팔라듐(palladium: Pd), 알루미늄(aluminum: Al), 구리(Cu)와 같은 금속 또는 이의 합금(alloy)을 포함할 수 있다. 상기 투명 도전성 금속 산화물 박막은, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 불소가 도핑된 주석 산화물(fluorine doped tin oxide: FTO), 알루미늄이 도핑된 산화 아연(aluminum doped zinc oxide: AZO), 갈륨이 도핑된 산화 아연(gallium doped zinc oxide: GZO), 붕소가 도핑된 산화 아연(boron doped zinc oxide: BZO)과 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide: TCO)일 수 있다. 하지만, 본 발명에서 금속 산화물 박막은 이들에 제한되지 않는다. 상기 도전성 나노 와이어 적층체는, 금, 은, 백금, 팔라듐, 알루미늄, 구리 등의 금속 및 이들의 합금일 수 있으며, 나노 와이어의 형태는 나노 와이어, 나노 튜브 또는 나노 로드일 수 있다.The metal thin film may be formed of a metal such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al) or an alloy thereof. The transparent conductive metal oxide thin film may be at least one selected from the group consisting of indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO) May be a transparent conductive oxide (TCO) such as gallium doped zinc oxide (GZO) or boron doped zinc oxide (BZO). However, the metal oxide thin film in the present invention is not limited thereto. The conductive nanowire laminate may be a metal such as gold, silver, platinum, palladium, aluminum, copper, or an alloy thereof, and the nanowire may be a nanowire, a nanotube, or a nanorod.

상기 도전성 물질 상에 형성된 절연막은, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(silicon oxynitride: SiON), 실리콘 질화물(silicon nitride: Si3N4), 실리콘 산탄화물(silicon oxycarbide: SiOC) 또는 실리콘 산불화물(silicon oxyfluoride: SiOF)일 수 있으며, 산화알루미늄(aluminum oxide: Al2O3), 산화하프늄(hafnium oxide: HfO2), 산화지르코늄(zirconium oxide: ZrO2), 산화이트륨(yttrium oxide: Y2O3), 산화탄탈륨(tantalum oxide: Ta2O5), 이산화티타늄(titanium oxide: TiO2), 산화란타늄(lanthanum oxide: La2O3)의 고유전(high-k) 물질일 수 있다.The insulating layer formed on the conductive material may include at least one of silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxycarbide (SiOC) (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), silicon oxide ), Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ).

일 실시예에서, 발광 트랜지스터(100)의 동작 특성을 살펴보면, 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)은 P 형 반도체(P)에 전계를 인가하여 P 형 반도체(P)의 정공 농도 및 페르미 레벨 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 예컨대, 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)을 통해, P 형 반도체(P)에 음의 전계가 인가될 시, P 형 반도체(P)의 페르미 레벨은 전도대 에지로 이동하며, P 형 반도체(P)와 N 형 반도체(N) 사이의 PN 접합에서 전위 에너지 차이가 증가되어, 전달되는 캐리어의 양이 증가될 수 있다. 반면, 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)을 통해, P 형 반도체(P)에 양의 전계가 인가될 시, P 형 반도체(P)의 페르미 레벨은 가전자대 에지로 이동하며, P 형 반도체(P)와 N 형 반도체(N) 사이의 PN 접합에서 전위 에너지 차이가 감소되어, 전달되는 캐리어의 양이 감소될 수 있다. The gate electrode S1 including the insulating film may be formed by applying an electric field to the P-type semiconductor P so that the hole concentration of the P-type semiconductor P and the Fermi level At least one can be controlled. For example, when a negative electric field is applied to the P-type semiconductor P through the gate electrode S1 including the insulating film, the Fermi level of the P-type semiconductor P shifts to the conduction band edge, ) And the N-type semiconductor N, the amount of the carrier to be transferred can be increased. On the other hand, when a positive electric field is applied to the P-type semiconductor P through the gate electrode S1 including the insulating film, the Fermi level of the P-type semiconductor P shifts to the valence band edge, P) and the N-type semiconductor N can be reduced, so that the amount of carrier to be transferred can be reduced.

본 발명의 일 실시예에서, 두 개의 제 1 전극(E1) 중 하나는 더미 전극으로서, 상기 더미 전극은 후술할 유전영동을 이용하여 P 형 반도체(P)를 제 1 전극(E1) 사이에 가로질러 정렬시킬 때 이용되며, 발광 트랜지스터(100)가 발광하는데 이용되지 않는다.In one embodiment of the present invention, one of the two first electrodes E1 is a dummy electrode, which uses a dielectrophoretic wave to be described later to cause the P-type semiconductor P to be sandwiched between the first electrodes E1 And the light emitting transistor 100 is not used for light emission.

전술한 도 1a에서, P 형 반도체(P)는 두 개의 제 1 전극(E1) 사이를 가로질러 정렬되는데, 제 1 전극(E1)의 두께에 의해 P 형 반도체(P)와 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1) 사이에 공간(V1)이 형성될 수 있다. P 형 반도체(P)와 상기 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1) 사이에 공간(V1)은 N 형 반도체(N)의 재료(예: 산화 아연)로 채워질 수 있다. 1A, the P-type semiconductor P is aligned across the two first electrodes E1, and the P-type semiconductor P is formed by the thickness of the first electrode E1, A space V1 may be formed between the electrodes S1. The space V1 between the P-type semiconductor P and the gate electrode S1 including the insulating film may be filled with the material of the N-type semiconductor N (for example, zinc oxide).

본 발명의 다른 실시예에서, 도 1b와 같이 P 형 반도체(P)와 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1) 사이에 공간(V1)이 없이, P 형 반도체(P)가 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)의 표면 상에 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(E1)과 전기적으로 연결되는 P 형 반도체(P)의 일부가 제 1 전극(E1)의 표면 상에 형성될 수 있다.In another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1B, the P-type semiconductor P is formed on the gate electrode S1 including the insulating film without the space V1 between the P- May be formed on the surface of the substrate S1. In addition, a part of the P-type semiconductor P electrically connected to the first electrode E1 may be formed on the surface of the first electrode E1.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 1c와 같이 P 형 반도체(P)와 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1) 사이에 공간(V1)이 없이, P 형 반도체(P)가 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1)의 표면 상에 형성될 수 있다. 다만, 도 1b는 P 형 반도체(P)의 일부가 제 1 전극(E1) 상에 형성되어 전기적으로 연결되지만, 도 1c는 P 형 반도체(P)의 일부의 단부와 제 1 전극(E1)의 단부가 전기적으로 연결될 수 있다.In another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1C, the P-type semiconductor P is formed on the gate electrode S1 including the insulating film without the space V1 between the P- And may be formed on the surface of the electrode S1. 1B shows a state in which a part of the P-type semiconductor P is formed on the first electrode E1 and is electrically connected to the first electrode E1, The ends can be electrically connected.

본 발명의 일 실시예에서, 발광 트랜지스터(100)는 무기 나노 발광 트랜지스터(inorganic nano light-emitting transistor: INLET)로서, N 형 산화 아연 나노 박막(N)/P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the light emitting transistor 100 includes an N-type zinc oxide nano-thin film (N) / P-type porous silicon nanowire (P) as an inorganic nano light- .

도 1d를 참조하면, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 N 형 산화 아연 나노 박막(N)으로 구성된 무기 나노 발광 트랜지스터는 열 성장된 실리콘 산화물 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 열 성장된 실리콘 산화물 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판은 절연막을 포함하는 게이트 전극으로 이용될 수 있다.1D, an inorganic nano-luminescent transistor composed of a P-type porous silicon nanowire (P) and an N-type zinc oxide nano-thin film (N) is formed on a heavily doped P-type silicon substrate having a thermally grown silicon oxide layer . The heavily doped P-type silicon substrate having the thermally grown silicon oxide layer can be used as a gate electrode including an insulating film.

본 발명에서, 게이트 전극에 전압을 인가하여 발생하는 전계를 이용하여, P 형 나노 물질(예컨대, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P))의 정공 농도와 페르미 레벨을 제어할 수 있는 PN 접합 기반의 무기 나노 발광 트랜지스터가 제공될 수 있다. 이는 상기 무기 나노 발광 트랜지스터가 종래의 발광 트랜지스터보다 개선된 발광이 가능할 뿐만 아니라 자가 스위칭 특성을 가질 수 있다.In the present invention, it is possible to control the hole concentration and the Fermi level of a P-type nano material (for example, a P-type porous silicon nano wire (P)) by using an electric field generated by applying a voltage to a gate electrode An inorganic nano-luminescent transistor may be provided. This allows the inorganic nano-luminescent transistor to emit light as well as self-switching characteristics as compared with the conventional light-emitting transistor.

또한, P 형 물질의 경우, 양자 구속 효과로 인해 나노 스케일에서 직접 밴드갭 특성을 나타내는 다공성 실리콘 나노 와이어(P)가 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭에 의해 합성될 수 있으며, PN 접합을 형성하기 위해, 대략 3.25 eV의 넓은 밴드갭을 갖는 패터닝된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)이 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 증착될 수 있다. 마지막으로, N 형 산화 아연 나노 박막(N)/P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)로 구성된 무기 나노 발광 트랜지스터는 열 성장된 300 ㎚ 두께의 실리콘 산화물 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판 상에 형성될 수 있다.Further, in the case of the P-type material, the porous silicon nanowire (P) exhibiting the bandgap characteristic directly at the nanoscale due to the quantum confinement effect can be synthesized by chemical etching with a metal catalyst as an auxiliary, A patterned N-type zinc oxide nanotube film (N) having a wide band gap of about 3.25 eV can be deposited on the P-type porous silicon nanowire (P). Finally, an inorganic nano-luminescent transistor composed of an N-type zinc oxide nanotube (N) / P-type porous silicon nanowire (P) is grown on a heavily doped P-type silicon substrate with a thermally grown 300 nm thick silicon oxide layer As shown in FIG.

P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 페르미 레벨의 변조를 통해 자가 스위칭 가능한 소자의 발광 특성은 후술한 도 3a 내지 도 8b를 참조하여 설명할 것이다. 예컨대, 발광 트랜지스터의 I-V 특성 곡선 및 마이크로광루미네선스 발광 특성 또는 일렉트로루미네선스 발광 특성은 게이트 전압(gate voltage: Vg)의 함수로서 분석될 수 있다. 상기 게이트 전압이 0 V 내지 -20 V 범위 내에서 변함에 따라, 적색 계열(오렌지색-적색) 영역의 전류 레벨과 발광 강도는 0 V의 게이트 전압에서의 전류 레벨과 발광 강도와 비교하여, PN 접합에서 20 V의 순방향 바이어스로, 각각 3배와 2배까지 증가될 수 있다. 반면 상기 게이트 전압이 10 V에 근접함에 따라, 상기 전류 레벨은 감소하고 발광 강도는 감소되며, 다음 마지막으로 스위치 오프(switch-off)된다. 이 결과는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 페르미 레벨의 변조 및 게이트 전극에 전압을 인가하여 발생하는 전계에 의한 PN 접합에서의 내부 전위 장벽(built-in potential barrier)으로부터 기인한다.The luminescence characteristics of the self-switchable device through the modulation of the Fermi level of the P-type porous silicon nanowire (P) will be described with reference to FIGS. 3A to 8B described later. For example, the I-V characteristic curve of the light-emitting transistor and the micro-optical luminescence or electroluminescence luminescence characteristics can be analyzed as a function of the gate voltage (Vg). As the gate voltage varies within a range of 0 V to -20 V, the current level and emission intensity of the red (orange-red) region are compared with the current level and emission intensity at the gate voltage of 0 V, With a forward bias of 20 V, up to 3 times and 2 times, respectively. On the other hand, as the gate voltage approaches 10 V, the current level decreases, the emission intensity decreases, and then finally switches off. This result is due to the modulation of the Fermi level of the P-type porous silicon nanowire (P) and the built-in potential barrier at the PN junction due to the electric field generated by applying a voltage to the gate electrode.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 1e와 같이, 발광 트랜지스터는 배열 형태로 구성될 수 도 있다. 예컨대, 발광 트랜지스터는 가로 또는 세로 바둑판식 배열로 구성될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the light emitting transistor may be arranged in an array, as in Fig. For example, the light emitting transistor may be configured as a horizontal or vertical tile, but the present invention is not limited thereto.

도 1e를 참조하면, 발광 트랜지스터는 배열 크기에 비례하여 PN 접합이 형성될 수 있다. 예컨대, 3 ? 1 배열 크기를 갖는 발광 트랜지스터 내에 3개의 PN 접합이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1E, a PN junction may be formed in proportion to the array size of the light emitting transistor. For example, 3? Three PN junctions may be formed in the light emitting transistor having one array size.

상술한 도 1a 내지 도 1e의 P 형 반도체(P) 물질은 박막 형태가 아닌 나노 와이어 형태를 기반으로 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 2a 및 도 2b의 P 형의 반도체(P) 물질은 N 형 반도체(N) 물질과 같이 박막 형태를 가질 수 있다.The P-type semiconductor (P) material in FIGS. 1A to 1E is based on a nanowire shape instead of a thin film shape, but the present invention is not limited thereto. For example, the P-type semiconductor (P) material of FIGS. 2A and 2B may have a thin film form like an N-type semiconductor (N) material.

도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 단면도 및 사시도이다.2A and 2B are a cross-sectional view and a perspective view, respectively, of a light emitting transistor according to another embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 절연막을 포함하는 게이트 전극(S1) 상에 P 형 반도체막(P)이 형성되고, P 형 반도체막(P) 상에 N 형 반도체막(N)이 형성될 수 있다. 여기서, P 형 반도체막(P)과 N 형 반도체막(N) 사이에 PN 접합이 형성될 수 있다. 또한, P 형 반도체막(P)과 N 형 반도체막(N)에 각각 해당 캐리어(예: 전자, 정공)를 주입시키기 위해 전극이 형성될 수 있다. 예를 들면, P 형 반도체막(P) 상에 N 형 반도체막(N)과 함께 제 1 전극(E1)이 형성될 수 있으며, N 형 반도체막(N) 상에 제 2 전극(E2)이 형성될 수 있다. 이때, N 형 반도체막(N)과 제 1 전극(E1)이 동일한 P 형 반도체막(P) 상에 형성되므로, N 형 반도체막(N)과 제 1 전극(E1)은 동일한 P 형 반도체막(P) 상에 갭(gap) 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.2A and 2B, a P-type semiconductor film P is formed on a gate electrode S1 including an insulating film, and an N-type semiconductor film N is formed on a P-type semiconductor film P . Here, a PN junction may be formed between the P-type semiconductor film (P) and the N-type semiconductor film (N). An electrode may be formed to implant carriers (e.g., electrons and holes) into the P-type semiconductor film P and the N-type semiconductor film N, respectively. For example, the first electrode E1 may be formed on the P-type semiconductor film P together with the N-type semiconductor film N, and the second electrode E2 may be formed on the N-type semiconductor film N . At this time, since the N-type semiconductor film N and the first electrode E1 are formed on the same P-type semiconductor film P, the N-type semiconductor film N and the first electrode E1 are formed on the same P- May be spaced apart from each other by a gap interval.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope: SEM) 이미지이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 거친 표면을 보여주는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope: TEM) 이미지이며, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 단결정도를 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이다. 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼이다.3A is a scanning electron microscope (SEM) image of a P-type porous silicon nanowire P in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a scanning electron microscope FIG. 3C is a transmission electron microscope (TEM) image showing the rough surface of the P-type porous silicon nanowire P in the light emitting transistor according to an embodiment of the present invention. FIG. ), Which is a transmission electron microscope image. FIG. 3D is a microphotoluminescence spectrum of a P-type porous silicon nanowire (P) in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 길이는 70 ㎛ 내지 130 ㎛ 범위 내이고, 직경은 100 ㎚ 내지 160 ㎚ 범위 이며, 종횡비는 700 내지 813 범위 내이다. 본 발명의 일 실시예에서, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 평균 길이와 직경은 각각 100 ㎛와 130 ㎚일 수 있다.3A to 3C, the length of the P-type porous silicon nanowire P is in the range of 70 to 130 mu m, the diameter is in the range of 100 to 160 nm, and the aspect ratio is in the range of 700 to 813. In one embodiment of the present invention, the average length and diameter of the P-type porous silicon nanowire (P) may be 100 탆 and 130 ㎚, respectively.

이러한 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 작은 직경과 대략 770의 높은 종횡비로 인해, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 모발처럼 구부러질 수 있으며, 서로 응집되어 벌집 모양의 구조로 형성될 수 있다. 또한, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 표면은 매우 거치며, <100> 방향으로 우선 배향된 단결정을 가질 수 있다.Due to the small diameter of the P-type porous silicon nanowire (P) and the high aspect ratio of about 770, the P-type porous silicon nanowire (P) can be bent like a hair and can be formed into a honeycomb structure have. Further, the surface of the P-type porous silicon nanowire (P) is very rough and may have a single crystal preferentially oriented in the <100> direction.

일반적으로 벌크(bulk) 실리콘의 밴드갭은 약 1.1 eV으로서, 실온 마이크로광루미네선스 스펙트럼의 적외선 영역에 있는 대략 1130 ㎚ 파장을 중심으로 하는 파장을 갖는 광을 방출시킬 수 있다. 실리콘 나노 와이어의 직경이 5 ㎚ 미만인 경우, 나노 와이어 구조의 실리콘 밴드갭은 전도대 및 가전자대에서 양자 구속 효과 때문에 대략 3.5 eV(약 1.3 ㎚의 직경에서)까지 확장될 수 있으며, 마이크로광루미네선스 스펙트럼의 중심이 가시 광선 영역으로 이동될 수 있다. 따라서, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 평균 직경이 130 ㎚이므로 밴드갭 확장이 예상되지 않지만, 나노 크기의 표면 거칠기와 다공성 때문에 작은 양자 구속 효과가 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 표면에 발생할 수 있다.In general, the bandgap of bulk silicon is about 1.1 eV and can emit light having a wavelength centered at a wavelength of about 1130 nm in the infrared region of the room temperature micro-optical luminescence spectrum. When the diameter of the silicon nanowire is less than 5 nm, the silicon bandgap of the nanowire structure can be extended to about 3.5 eV (at a diameter of about 1.3 nm) due to the quantum confinement effect in the conduction band and the valence band, The center of the spectrum can be moved to the visible ray region. Therefore, the P-type porous silicon nanowire (P) has an average diameter of 130 nm, so that the band gap expansion is not expected. However, due to the nano-sized surface roughness and porosity, .

도 3d를 참조하면, 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼은 가시 광선 영역 전반에 걸쳐서 나타난다. 이러한 넓은 범위의 단일 피크는 1.84 eV, 2.13 eV, 2.41 eV 및 2.97 eV의 광자 에너지를 중심으로 4개의 서브 피크로 디콘볼루션될 수 있는데, 이는 다공성 실리콘 나노 와이어 표면에서 나노 결정의 양자 구속 효과에 기인할 수 있다. 특히, 2.97 eV에서의 광 방출은 산화된 구조에 기인하며 오염되거나 결함이 있는 SiOx으로 기인할 수 있다. 또한, 다른 광 방출(예: 1.84 eV, 2.13 eV, 2.41 eV)은 후술할 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭 공정 동안 SiFxHy에 의해 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 표면의 화학적 종결(chemical termination)로부터 발생하는 것으로 추측된다. Referring to FIG. 3D, the micro-optical luminescence spectrum of the porous silicon nanowire (P) appears throughout the visible light region. This broad range of single peaks can be deconvoluted into four sub-peaks centered on photon energies of 1.84 eV, 2.13 eV, 2.41 eV, and 2.97 eV, which can be attributed to the quantum confinement effect of nanocrystals on the surface of porous silicon nanowires Can be attributed. In particular, light emission at 2.97 eV is due to the oxidized structure and may be due to contaminated or defective SiOx. In addition, other light emissions (e.g., 1.84 eV, 2.13 eV, 2.41 eV) are catalyzed by chemical termination of the surface of the P-type porous silicon nanowire (P) by SiFxHy during a chemical- . &Lt; / RTI &gt;

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내에서 알루미늄 전극/N 형 산화 아연 나노 박막(N)/P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)/금 전극을 갖는 구조를 보여주는 주사 전자 현미경 이미지이고, 도 4b 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내에서 N 형 산화 아연 나노 박막(N)과 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 사이의 계면을 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이며, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 형성된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼이다.4A is a scanning electron microscope image showing a structure having an aluminum electrode / N-type zinc oxide nanotube (N) / P-type porous silicon nanowire (P) / gold electrode in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention 4b is a transmission electron microscope image showing the interface between the N-type zinc oxide nanofiber N and the P-type porous silicon nanowire P in the light emitting transistor according to an embodiment of the present invention, Is a microphotoluminescence spectrum of an N-type zinc oxide nano-thin film (N) formed on a P-type porous silicon nanowire (P) in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.

다공성 실리콘 나노 와이어(P)를 P 형 반도체로 사용하여, 발광 트랜지스터(100)는 후술할 도 9처럼 6 단계로 제조될 수 있다. 통상적으로 P 형 물질과 N 형 물질의 다수 캐리어(majority carrier)가 상이하기 때문에(예: P 형-정공, N 형-전자), 캐리어 농도는 페르미 레벨이 게이트 전극에 전압을 인가하여 발생하는 전계에 의해 변조된 것과 반대로 변경될 수 있다. 따라서, 게이트 전극에 전압을 인가하여 발생하는 전계에 의한 PN 접합 기반 소자의 성능을 제어하기 위해, P 형 또는 N 형 물질 중 하나는 상기 게이트 전극에 전압을 인가하여 발생하는 전계에 의해 주로 영향을 받을 수 있는 구조로 설계될 수 있다. 이를 위해 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 N 형 산화 아연 나노 박막(N)으로 구성된 적층 구조가 설계되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터(100)는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 페르미 레벨의 변조를 위한 제어 게이트로서 동작하며, 열 성장된 대략 300 ㎚ 두께의 실리콘 산화물 층(게이트 절연체로서)을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판(하단 게이트 전극으로서) 상에 형성될 수 있다.Using the porous silicon nano wire P as a p-type semiconductor, the light emitting transistor 100 can be manufactured in six steps as shown in FIG. 9 described later. Typically, since the majority carriers of the P type material and the N type material are different (for example, P type - hole, N type - electron), the carrier concentration is the electric field generated by applying a voltage to the gate electrode Lt; RTI ID = 0.0 &gt; modulated by &lt; / RTI &gt; Therefore, in order to control the performance of the PN junction-based device by an electric field generated by applying a voltage to the gate electrode, one of the P-type or N-type material is mainly influenced by an electric field generated by applying a voltage to the gate electrode And the like. For this, a laminated structure composed of an N-type zinc oxide nano-thin film (N) is designed on a P-type porous silicon nanowire (P), and the light emitting transistor 100 according to an embodiment of the present invention includes a P- Doped P-type silicon substrate (as the lower gate electrode) having a thermally grown silicon oxide layer (as gate insulator) approximately 300 nm thick, which acts as a control gate for the modulation of the Fermi level of the substrate P .

도 4a를 참조하면, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 금 전극과 알루미늄 전극 사이에 수직으로 정렬되고, 염화 수소(hydrochloric acid: HCl) 증기 식각(vapor etching) 공정으로 패터닝된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)은 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 실리콘 산화물 층을 포함하는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판 상에서 형성될 수 있다. 여기서, N 형 산화 아연 나노 박막(N)과 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 사이의 계면을 결정하기 위해, 도 4a의 사각형 영역의 단면을 투과 전자 현미경으로 분석한 결과는 도 4b에 나타난다.Referring to FIG. 4A, a P-type porous silicon nanowire (P) is formed of N-type zinc oxide (P), which is vertically aligned between a gold electrode and an aluminum electrode and is patterned by a hydrochloric acid (HCl) vapor etching process The nanofilm N may be formed on a heavily doped P-type silicon substrate comprising a P-type porous silicon nanowire (P) and a silicon oxide layer. Here, in order to determine the interface between the N-type zinc oxide nanofiber N and the P-type porous silicon nanowire P, the cross section of the rectangular region in FIG. 4A was analyzed by transmission electron microscope, and the result is shown in FIG.

도 4b를 참조하면, 영역 A는 단결정성을 나타내는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 몸체이고, 영역 B는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 증착된 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 사이의 계면이다. 상기 영역 B에서 부분적으로 결정질 특성이 나타나며, 전술한 도 3d의 2.97 eV에서 마이크로광루미네선스 방출 피크를 발생시키는 산화된 실리콘으로 여겨지는 일부 비정질상이 나타날 수 있다. 영역 C에서, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 증착된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)은 거친 표면을 가진 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)가 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 증착을 위한 템플릿(template)으로 사용되기 때문에, 약 300 ℃에서 증착 되더라도 다결정질(polycrystalline) 특성을 나타낼 수 있다.4B, region A is a body of P-type porous silicon nanowire (P) exhibiting monocrystallinity, region B is a body of P-type porous silicon nanowire (P) and P-type porous silicon nanowire And the interface between the deposited N-type zinc oxide nano-thin film (N). Partial crystalline properties appear in the region B, and some amorphous phase, which is believed to be oxidized silicon, may be present at 2.97 eV in Fig. 3 D above, resulting in micro-optical luminescence emission peaks. In region C, the N-type zinc oxide nanotube (N) deposited on the P-type porous silicon nanowire (P) and the P-type porous silicon nanowire (P) Is used as a template for N-type zinc oxide nanofiltration (N) deposition, it can exhibit polycrystalline properties even when deposited at about 300 ° C.

도 4c를 참조하면, 실온에서 얻어진 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 증착된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼은 자외선 영역과 적색 계열(오렌지-적색) 영역에 각각 두 개의 피크를 보인다. 전자는 즉, 자외선 영역에 나타나는 제 1 피크는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 NBE (near band edge)로부터 발생되며, 후자(즉, 적색 계열 영역에 나타나는 피크)는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 DLE (deep-level emission)로부터 발생될 수 있다. 상기 NBE는 자유 엑시톤 방출에 의한 발광이며, 상기 DLE은 결함에 의한 발광일 수 있다.Referring to FIG. 4C, the microphotoluminescence spectra of the N-type zinc oxide nanotubes (N) deposited on the P-type porous silicon nanowire (P) obtained at room temperature are shown in an ultraviolet region and a red (orange) Respectively. In the former, the first peak appearing in the ultraviolet region is generated from the NBE (near band edge) of the N-type zinc oxide nanotube film (N), and the latter (i.e., the peak appearing in the red series region) (DLE) of the signal (N). The NBE is light emission by free exciton emission, and the DLE may be light emission by defect.

또한, 적색 계열 영역의 넓게 나타나는 스펙트럼은 각각 1.72 eV, 1.85 eV 및 2.0 eV의 광자 에너지에 해당하는 3개의 서브 피크로 디콘볼루션될 수 있다. 2.0 eV에서의 방출은 침입형 아연의 전자와 침입형 산소의 정공 사이의 재결합에 기인할 수 있다. 더욱이, 1.72 eV 및 1.85 eV에서의 다른 방출은 각각 확장된 침입형 아연과 산소 공핍 사이의 재결합과 확장된 침입형 아연과 침입형 산소 사이의 재결합에 기인할 수 있다. In addition, the broad spectrum of the red series region can be deconvoluted into three sub-peaks corresponding to photonic energies of 1.72 eV, 1.85 eV and 2.0 eV, respectively. Emission at 2.0 eV can be due to recombination between the electrons of the interstitial zinc and the holes of the interstitial oxygen. Furthermore, other emissions at 1.72 eV and 1.85 eV can be attributed to recombination between extended interstitial zinc and oxygen depletion and recombination between extended interstitial zinc and interstitial oxygen, respectively.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 형성된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)을 포함하는 발광 트랜지스터(100)의 I-V 특성을 보여주는 그래프이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 전압에 따른 발광 트랜지스터(100)의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)이다. 여기서, 발광 트랜지스터는 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate) 및 PN 접합을 포함하는 구조를 갖는다.5 is a graph showing the IV characteristics of the light emitting transistor 100 including the N-type zinc oxide nano-thin film N formed on the P-type porous silicon nanowire P according to the embodiment of the present invention, And 6B are energy band diagrams of the light emitting transistor 100 according to the gate voltage according to an embodiment of the present invention. Here, the light emitting transistor has a structure including a source, a drain, a gate, and a PN junction.

도 5를 참조하면, 금 전극과 알루미늄 전극 사이의 전압(VAu-Al)에서, 드레인 전류(I)는 순방향 바이어스에 따라 지수 함수적으로 증가하고, 역방향 바이어스(reverse bias)에서 거의 0으로 유지될 수 있다. 금 전극/P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 알루미늄 전극/N 형 산화 아연 나노 박막(N) 사이의 접촉이 우수한 옴 동작(Ohmic behavior)을 나타냄에 따라, I-V 특성이 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 사이의 PN 접합에 기인한 것으로 추측된다. 또한, 10 V 내지 -20 V 범위의 다양한 게이트 전압 값에 대해, 드레인 전류 레벨은 순방향 바이어스에서 음의 게이트 전압과 함께 증가할 수 있다. 이는 게이트 전압이 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 페르미 레벨보다 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 페르미 레벨에 영향을 줄 수 있음을 의미한다. 게이트 전압이 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 페르미 준위를 제어한다면, N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 전도대 에지는 양의 게이트 전압이 인가될 시 페르미 준위에서 멀리 떨어지게 될 수 있다. N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 전도대에서 증가된 전자 수는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 전도대로 전달될 수 있다. 동일한 방법으로, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 가전자대의 정공들은 능동적으로 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 가전자대로 이동하여, 양의 게이트 전압에서 전류 증가를 초래할 수 있다. 그러나, 이 경우, 양의 게이트 전압을 인가하는 동안 전류는 증가되지 않을 수 있다.Referring to FIG. 5, in the voltage VAu-Al between the gold electrode and the aluminum electrode, the drain current I increases exponentially with the forward bias and is maintained almost at zero at the reverse bias . As the contact between the gold electrode / P-type porous silicon nanowire (P) and the aluminum electrode / N-type zinc oxide nano-thin film (N) exhibits excellent ohmic behavior, (P) and the N-type zinc oxide nanotube film (N). Further, for various gate voltage values in the range of 10 V to -20 V, the drain current level may increase with the negative gate voltage at the forward bias. This means that the gate voltage can affect the Fermi level of the P-type porous silicon nanowire (P) rather than the Fermi level of the N-type zinc oxide nanotube (N). If the gate voltage controls the Fermi level of the N-type zinc oxide nano-thin film (N) on the P-type porous silicon nanowire (P), the conduction band edge of the N-type zinc oxide nano thin film (N) It may be far from the Fermi level. Electron numbers increased in the conduction band of the N-type zinc oxide nanotube (N) can be transferred to the conduction band of the P-type porous silicon nanowire (P). In the same way, the holes of the valence band of the P-type porous silicon nanowire (P) actively move to the valence band of the N-type zinc oxide nanotube film (N), resulting in an increase in current at a positive gate voltage. However, in this case, the current may not be increased while applying a positive gate voltage.

이 결과는 인가된 게이트 전압이 주로 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 페르미 준위에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 음의 게이트 전압이 인가되면, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 가전자대 에지는 페르미 레벨로부터 멀리 이동할 수 있다. 따라서, 순방향 바이어스에서, 증가된 캐리어 수는 급격하게 증가하는 음의 게이트 전압으로 전달될 수 있다. 이러한 경향은 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 사이의 PN 접합에서 형성된 전위 에너지 차이가 커져서 턴-온 전압(turn-on voltage)이 대략 11.99 V에서 8.9 V로 감소하며 전류 크기가 증가하도록 한다. 전류 크기의 증가는 또한 하기 PN 다이오드 [수학식 1] 및 [수학식 2]로부터 설명될 수 있다.This result implies that the applied gate voltage mainly affects the Fermi level of the P-type porous silicon nanowire (P). When a negative gate voltage is applied, the valence band edge of the P-type porous silicon nanowire (P) can move away from the Fermi level. Thus, in the forward bias, the increased number of carriers can be delivered with a sharply increasing negative gate voltage. This tendency is due to the fact that the potential energy difference formed at the PN junction between the P-type porous silicon nanowire (P) and the N-type zinc oxide nanotube film (N) increases so that the turn-on voltage is approximately 11.99 V to 8.9 V And increases the current magnitude. The increase of the current magnitude can also be explained from the following PN diodes [1] and [2].

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017002135283-pat00001
Figure 112017002135283-pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112017002135283-pat00002
Figure 112017002135283-pat00002

여기서, J는 이상적인 PN 접합 다이오드의 전류 밀도이고, e는 전자의 전하이고, Dp와 Dn은 각각 정공과 전자의 확산 계수를 나타낸다. pn0 및 np0는 평형상태(equilibrium state)의 P형 반도체 및 N 형 반도체 소수 캐리어 농도(minority carrier concentration)이고, V는 PN 접합에 인가되는 전압이며, k와 T는 각각 볼츠만 상수(Boltzmann constant)와 절대 온도(absolute temperature)이다.Where J is the current density of the ideal PN junction diode, e is the electron charge, and Dp and Dn are the diffusion coefficients of the hole and electron, respectively. pn0 and np0 are the p-type semiconductor and the n-type semiconductor minority carrier concentration in the equilibrium state, V is the voltage applied to the PN junction, k and T are the Boltzmann constant and It is an absolute temperature.

도 6a를 참조하면, 음의 게이트 전압이 높게 인가될수록, 페르미 레벨은 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)에서 전도대 에지에 더 가까워져서, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)에서 소수 캐리어인 전자(pn0)의 농도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 [수학식 1]의 전류 밀도(JS) 값과 I-V 곡선에서 관찰된 드레인 전류(I)가 증가할 수 있다. 음의 게이트 전압 및 역방향 바이어스가 인가될 때, 상기 [수학식 2]의 exp(eV/kT) 항은 무시할 수 있고 오프 전류 -JS는 상기 도 5의 삽입 도면(IF)에서 I-V 특성에 따라 더 커질 수 있다. Referring to FIG. 6A, as the negative gate voltage is applied higher, the Fermi level becomes closer to the conduction band edge in the P-type porous silicon nanowire (P), so that electrons in the P-type porous silicon nanowire (P) pn0) can be increased. Therefore, the current density (JS) value of the above-mentioned formula (1) and the drain current (I) observed in the I-V curve can be increased. When the negative gate voltage and the reverse bias are applied, the exp (eV / kT) term of Equation (2) can be ignored and the off current-JS can be ignored in accordance with the IV characteristic in the inset Can be large.

도 6b를 참조하면, 금 전극과 알루미늄 전극 사이의 전압에서, 순방향 바이어스가 인가되더라도, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 가전자대 에지가 페르미 레벨에 가까워지므로, 양의 게이트 전압이 인가됨에 따라 전류 크기가 억제될 수 있다. 동시에, 전달된 캐리어의 PN 접합에서의 전위 에너지 차이(potential energy difference)의 감소에 의해 감소될 수 있다.Referring to FIG. 6B, since the valence band edge of the P-type porous silicon nanowire P approaches the Fermi level even when the forward bias is applied at the voltage between the gold electrode and the aluminum electrode, The current magnitude can be suppressed. At the same time, by a reduction in the potential energy difference at the PN junction of the transferred carriers.

도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 일렉트로루미네선스 스펙트럼이다.7A and 7B are electro-luminescence spectra of a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.

도 7a를 참조하면, 20 V의 순방향 바이어스와 -20 V의 게이트 전압이 인가될 때, 발광 트랜지스터(100)로부터 적색 계열(오렌지-적색) 발광이 관찰되는 일렉트로루미네선스 스펙트럼이 나타난다. 이때, 넓은 단일 일렉트로루미네선스 피크는 각각 1.72 eV, 1.85 eV, 2.0 eV 및 2.41 eV의 광자 에너지를 중심으로 4개의 서브 피크로 디콘볼루션될 수 있다.Referring to FIG. 7A, when a forward bias of 20 V and a gate voltage of -20 V are applied, an electroluminescence spectrum in which a red (orange-red) emission is observed from the light emitting transistor 100 appears. At this time, a wide single electroluminescence peak can be deconvoluted into four sub-peaks centered on photonic energies of 1.72 eV, 1.85 eV, 2.0 eV and 2.41 eV, respectively.

도 7b를 참조하면, 상이한 게이트 전압 값에 대한 20 V의 순방향 바이어스에서 일렉트로루미네선스 스펙트럼이 나타난다. 도 6a 및 도 6b에서 서술한 증가된 전류 크기로 인해 게이트 전압이 0 V에서 -20 V로 변경됨에 따라 발광 강도도 증가될 수 있다. 반면에, 게이트 전압이 0 V에서 10 V로 변할 때, 발광 강도는 감소되며, 그 다음에 전위 에너지 차이의 감소로 인해 결국 오프(off)될 수 있다. Referring to FIG. 7B, an electroluminescence spectrum appears at a forward bias of 20 V for different gate voltage values. The emission intensity can be increased as the gate voltage is changed from 0 V to -20 V due to the increased current amplitude described in FIGS. 6A and 6B. On the other hand, when the gate voltage changes from 0 V to 10 V, the luminescence intensity is reduced, and can eventually be turned off due to a decrease in the potential energy difference.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합 전 후의 발광 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 8a는, PN 접합이 형성되기 전에 격리된 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 및 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상의 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 에너지 밴드 다이어그램이며, 도 8b는, PN 접합이 형성된 후에 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 및 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상의 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 에너지 밴드 다이어그램이다. 8A and 8B are energy band diagrams of a light emitting transistor before and after a PN junction according to an embodiment of the present invention. 8A is an energy band diagram of an N-type zinc oxide nanofiber N on a P-type porous silicon nanowire P and a P-type porous silicon nanowire P isolated before the PN junction is formed, and FIG. , And an energy band diagram of the N-type zinc oxide nanofiber N on the P-type porous silicon nanowire (P) and the P-type porous silicon nanowire (P) after the PN junction is formed.

도 8a를 참조하면, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 밴드갭은 명확하게 정의되지 않았지만, SiOx의 오염 또는 결함뿐만 아니라 SiFxHy에 의한 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 표면의 화학적 종결로 인해 벌크 실리콘의 밴드갭보다 클 수 있다. 반면 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 경우, 깊은 층(deep layers)이 서로 다른 전하 상태 사이의 전이를 포함하는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 밴드갭 사이에 도입될 수 있다. 억셉터(acceptor)로서 동작하는 산소 공핍 및 침입형 산소 레벨은 가전자대 최소치보다 각각 대략 0.9 eV 및 1.09 eV에 위치하므로, 침입형 아연 및 확장된 침입형 아연으로부터의 전이는 1.72 eV 또는 2.0 eV의 에너지를 갖는 발광을 생성할 수 있다. 8A, the bandgap of the P-type porous silicon nanowire (P) is not clearly defined, but due to the contamination or defects of SiOx as well as the chemical termination of the P-type porous silicon nanowire (P) surface by SiFxHy May be larger than the bandgap of bulk silicon. On the other hand, in the case of the N-type zinc oxide nano-thin film (N), deep layers can be introduced between the band gaps of the N-type zinc oxide nano-film (N) containing the transition between different charge states. Oxygen depletion and interstitial oxygen levels operating as acceptors are located at approximately 0.9 eV and 1.09 eV, respectively, than the valence band minimum, so that transition from interstitial zinc and extended interstitial zinc is 1.72 eV or 2.0 eV It is possible to generate luminescence having energy.

또한, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)로부터의 전술한 1.84 eV에서의 피크와 N 형 산화 아연 나노 박막(N)으로부터의 전술한 1.85 eV에서의 피크가 마이크로광루미네선스 스펙트럼에서 거의 중첩되기 때문에, 1.85 eV에서의 피크의 발생은 다른 3개의 방출 피크와 비교하여 명확하지 않다. 그러나, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)에서 발생된 가장 강한 피크(2.41 eV의 광자 에너지에 해당함)가 일렉트로루미네선스 스펙트럼의 다른 3개의 피크와 비교하여 매우 작은 강도로 관찰되기 때문에, 1.85 eV의 피크는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 양자 구속 효과보다는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)에서 확장된 침입형 아연과 침입형 산소 사이의 전이로부터 기인되는 것으로 보여진다. In addition, the above-mentioned peak at 1.84 eV from the P-type porous silicon nanowire (P) and the above-mentioned peak at 1.85 eV from the N-type zinc oxide nanotube film (N) almost overlap in the microphotoluminescence spectrum , The generation of a peak at 1.85 eV is not clear compared to the other three emission peaks. However, since the strongest peak (corresponding to the photon energy of 2.41 eV) generated in the P-type porous silicon nanowire (P) is observed at a very small intensity compared with the other three peaks of the electroluminescence spectrum, Is believed to be due to the transition between the intruded zinc and the interstitial oxygen extended in the N-type zinc oxide nanotube (N) rather than the quantum confinement effect of the P-type porous silicon nanowire (P).

도 8b는 PN 접합 형성 후의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 및 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 에너지 밴드 다이어그램 및 방사 재결합 경로(radiative recombination paths)를 나타낸다. P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)에서, N 형 산화 아연 나노 박막(N)으로부터 주입된 전자가 양자 구속 효과에 의해 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 변형된 에너지 밴드 구조의 가전자대의 정공과 재결합하여 2.41 eV의 약한 녹색광을 생성할 수 있다(도 8b의 경로 ①). P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)에서 N 형 산화 아연 나노 박막(N)으로 더 많은 정공이 전달되면, 침입형 아연과 침입형 산소 사이, 확장된 침입형 아연과 산소 공핍 사이, 확장된 침입형 아연과 침입형 산소 사이의 재결합(도 8b의 경로 ② ③ ④)으로부터 발생하는 적색 계열(오렌지-적색) 빛이 방출될 수 있다.FIG. 8B shows energy band diagrams and radiative recombination paths of the P-type porous silicon nanowire (P) and the N-type zinc oxide nano-thin film (N) after forming the PN junction. In the P-type porous silicon nanowire (P), electrons injected from the N-type zinc oxide nano-thin film (N) are attracted to the holes of the valence band of the modified energy band structure of the P- So that a weak green light of 2.41 eV can be generated (path 1 in FIG. 8B). As more holes are transported from the P-type porous silicon nanowire (P) to the N-type zinc oxide nanotubes (N), the interstitial zinc and interstitial oxygen, between the extended interstitial zinc and oxygen depletion, Red-orange (orange-red) light resulting from recombination between zinc and interstitial oxygen (path 2 &amp; cir &amp;

본 발명의 다른 실시예에서, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 1 전극과 이격된 적어도 하나 이상의 더미 전극을 형성하는 단계, 상기 적어도 하나 이상의 제 1 전극과 상기 적어도 하나 이상의 더미 전극 사이를 가로질러 P 형 반도체를 형성하는 단계; 상기 형성된 P 형 반도체 상에 N 형 반도체를 형성하는 단계 및 상기 형성된 N 형 반도체 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 트랜지스터의 제조 방법이 제공될 수 있다. 상기 P형 반도체는 상기 적어도 하나 이상의 제 1 전극과 상기 적어도 하나 이상의 더미 전극을 이용하는 유전영동 정렬에 의해 형성될 수 있다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a substrate; forming at least one first electrode and at least one dummy electrode spaced apart from the at least one first electrode on the substrate; Forming a P-type semiconductor across the one electrode and the at least one dummy electrode; Forming an N-type semiconductor on the formed P-type semiconductor, and forming a second electrode on the formed N-type semiconductor. The P-type semiconductor may be formed by dielectrophoretic alignment using the at least one first electrode and the at least one dummy electrode.

또한, 상기 제 2 전극을 형성하는 단계는, 상기 형성된 N 형 반도체 상에 제 2 전극을 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 제 2 전극 상에 식각 마스크를 형성하는 단계, 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 제 2 전극의 하지의 상기 N 형 반도체를 제외한 나머지 영역의 상기 N 형 반도체 일부를 식각하는 단계 및 상기 식각 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the second electrode may include patterning the second electrode on the N-type semiconductor formed, forming an etching mask on the patterned second electrode, forming the second electrode using the etching mask, Etching the part of the N-type semiconductor in a region other than the N-type semiconductor of the bottom of the two electrodes, and removing the etching mask.

상기 P 형 반도체는 직접 밴드갭 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)를 포함하며, 상기 N 형 반도체는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)을 포함할 수 있다. 상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 1 Ωcm 내지 10 Ωcm 범위 내의 저항률을 갖는 불순물이 도핑된 P 형 실리콘 웨이퍼로부터 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭 공정에 의해 합성될 수 있다.The P-type semiconductor includes at least one P-type porous silicon nanowire (P) having a direct bandgap characteristic, and the N-type semiconductor may include an N-type zinc oxide nano-thin film (N). The P-type porous silicon nanowire (P) can be synthesized by a chemical etching process with a metal catalyst as an auxiliary from a P-type silicon wafer doped with an impurity having a resistivity within a range of 1? Cm to 10?? Cm.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.9 is a view illustrating a method of manufacturing a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 1 단계에서, 제 1 전극 패터닝 및 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 정렬이 수행될 수 있다. 예컨대, 먼저 열 성장된 대략 300 ㎚ 두께의 실리콘 산화물 층을 갖는 P 형 불순물이 도핑된 실리콘 기판은 피라나 용액(piranha solution)(98% H2SO4: 60% H2O2 = 3 : 1 v/v)으로 15 분 동안 세척하고, 다음 탈이온수에서 대략 10 분간 2 회 정도 초음파 처리될 수 있다.Referring to FIG. 9, in a first step, a first electrode patterning and a P-type porous silicon nanowire (P) alignment may be performed. For example, a silicon substrate doped with a p-type impurity having a silicon oxide layer with a thickness of approximately 300 nm, which is first grown thermally, is doped with a piranha solution (98% H2SO4: 60% H2O2 = 3: 1 v / Min, and then sonicated in deionized water approximately twice for about 10 minutes.

그 후, 갭 거리가 약 24 ㎛인 약 100 ㎚ 두께의 금 전극은 전자 빔(e-beam) 증착이 잇따르는 포토리소그래피(photolithography)에 의해 세척된 기판 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 1 Ωcm 내지 10 Ωcm 범위 내의 저항률을 갖는 불순물이 도핑된 P 형 실리콘 웨이퍼로부터 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭 공정에 의해 합성될 수 있다. 더하여, 금 전극 사이에 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)를 연결하기 위해 유전영동 정렬 공정이 적용될 수 있다. 상기 준비된 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 약 0.05% 희석된 하이드라진(hydrazine)을 함유한 에탄올에 7 × 108 NWs·mL-1의 밀도로 분산될 수 있다. 금 전극 상에 4 μL의 실리콘 나노 와이어 분산 용액을 떨어뜨린 후, 1 kHz의 주파수, 10 Vpp의 진폭 그리고 500 μs의 펄스를 갖는 직류(direct current: DC) 바이어스를 3초 동안 전극에 공급하여, 1개 또는 3개 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)가 금 전극 사이에 수직으로 정렬될 수 있다.A gold electrode about 100 nm thick with a gap distance of about 24 탆 can then be formed on the cleaned substrate by photolithography followed by electron beam (e-beam) deposition. For example, at least one P-type porous silicon nanowire (P) can be synthesized by a chemical etching process with a metal catalyst as an aid from a P-type silicon wafer doped with an impurity having a resistivity in the range of 1 Ωcm to 10 Ωcm have. In addition, a dielectrophoretic alignment process can be applied to connect the P-type porous silicon nanowire (P) between the gold electrodes. The prepared P-type porous silicon nanowire (P) may be dispersed in ethanol containing about 0.05% diluted hydrazine at a density of 7 × 10 8 NWs · mL -1 . 4 μL of the silicon nanowire dispersion solution was dropped on the gold electrode, and a direct current (DC) bias having a frequency of 1 kHz, an amplitude of 10 Vpp, and a pulse of 500 μs was supplied to the electrode for 3 seconds, One or more P-type porous silicon nanowires (P) may be vertically aligned between the gold electrodes.

2 단계에서, N 형 산화 아연 나노 박막(N)이 증착될 수 있다. 예컨대, 150 W의 고주파 (radio-frequency: RF) 전력, 5 mTorr의 작동 압력, 아르곤(argon: Ar) 분위기에서 300 ℃의 온도에서 30분간 고주파 마그네트론 스퍼터링(radio-frequency magnetron sputtering)에 의해, 대략 120 ㎚ 두께의 N 형 산화 아연 나노 박막(N)이 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)/금 전극/기판의 구조 상에 증착될 수 있다.In step 2, an N-type zinc oxide nanotube film (N) can be deposited. For example, radio-frequency (RF) power of 150 W, operating pressure of 5 mTorr, radio-frequency magnetron sputtering for 30 minutes at a temperature of 300 DEG C in an argon (Ar) A 120 nm thick N-type zinc oxide nanotube film (N) can be deposited on the structure of the P-type porous silicon nanowire (P) / gold electrode / substrate.

3 단계에서, 알루미늄 전극 증착과 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 패터닝이 수행될 수 있다. 예컨대, 포토리소그래피와 전자 빔 증착에 의해, N 형 산화 아연 나노 박막(N) 상에 대략 8 ㎛ 폭과 대략 100 ㎚ 두께의 알루미늄 전극이 증착될 수 있다. N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 패터닝을 위해, 식각 마스크로 포토레지스트(photoresist: PR)를 사용하여 염화 수소를 이용한 증기 식각 공정이 수행될 수 있다.In step 3, aluminum electrode deposition and N-type zinc oxide nanotube (N) patterning may be performed. For example, aluminum electrodes of about 8 탆 width and about 100 nm thickness can be deposited on the N-type zinc oxide nano-thin film (N) by photolithography and electron beam evaporation. For the patterning of the N-type zinc oxide nano thin film (N), a vapor etching process using hydrogen chloride using photoresist (PR) as an etching mask can be performed.

4 단계에서, 식각 공정 동안 알루미늄 전극을 보호하고 알루미늄 전극 및 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 사이의 계면으로의 염화 수소 증기의 침투를 차단하기 위해, 알루미늄 전극 상에 대략 15 ㎛ 폭의 포토레지스트가 형성될 수 있다. 그 후, 5 단계에서, 이 구조물은 35% 염화 수소의 증기에 10 초 동안 노출되며 N 형 산화 아연 나노 박막(N)은 포토레지스트 식각 마스크로 덮인 영역을 제외하고 식각될 수 있다. 6 단계에서, 포토레지스트 에칭 마스크는 아세톤(acetone) 및 메탄올(methanol)에 의해 제거되어 알루미늄 전극 및 패터닝된 N 형 산화 아연 나노 박막(N)이 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 남는다.In step 4, in order to protect the aluminum electrode during the etching process and to block the penetration of the hydrogen chloride vapor into the interface between the aluminum electrode and the N-type zinc oxide nano-thin film (N), a 15- Can be formed. Then, in step 5, the structure is exposed to 35% hydrogen chloride vapor for 10 seconds, and the N-type zinc oxide nanotube (N) can be etched except for the area covered by the photoresist etch mask. In step 6, the photoresist etch mask is removed by acetone and methanol to leave an aluminum electrode and a patterned N-type zinc oxide nanotube film (N) on the P-type porous silicon nanowire (P).

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 트랜지스터 내에서 N 형 산화 아연 나노 박막(N)과 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 사이의 PN 접합을 보여주는 광학 현미경(optical microscopy) 이미지이며, 도 10b 내지 도 10h는 상기 도 9의 제조 방법에 의해 제조된 발광 트랜지스터 내에서의 오렌지-적색 발광 이미지이다. 도 10b 내지 도 10h는 10 V 내지 -20 V 범위의 서로 다른 게이트 전압 값에 대한 적색 계열(오렌지-적색)의 발광 이미지이다. 알루미늄 전극과 N 형 산화 아연 나노 박막(N)은 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)에서 명확하게 정의되었다(도 10a 참조). 발광 위치는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 N 형 산화 아연 나노 박막(N) 사이의 접합의 발광 위치와 일치할 수 있다.10A is an optical microscopy image showing a PN junction between an N-type zinc oxide nano-film (N) and a P-type porous silicon nanowire (P) in a light emitting transistor according to an embodiment of the present invention, 10b to 10h are orange-red emission images in the light emitting transistor manufactured by the manufacturing method of FIG. FIGS. 10B through 10H are luminescent images of a red series (orange-red) for different gate voltage values in the range of 10 V to -20 V. FIG. The aluminum electrode and the N-type zinc oxide nanotube film (N) are clearly defined in the P-type porous silicon nanowire (P) (see FIG. 10A). The light emitting position can coincide with the light emitting position of the junction between the P-type porous silicon nanowire (P) and the N-type zinc oxide nano-thin film (N).

도 10d를 참조하면, 0 V의 게이트 전압에서 육안으로 볼 수 있는 적색 계열의 빛이 발생되고(도 10d 참조), 도 10b 내지 도 10c를 참조하면, 빛은 양의 게이트 전압에서 스위치 오프될 수 있다. 도 10e 내지 도 10h를 참조하면, 게이트 전압이 -5 V 에서 -20 V로 절대값이 증가함에 따라, 빛은 강해질 수 있다.Referring to FIG. 10D, red light of a visible type is generated at a gate voltage of 0 V (see FIG. 10D), and referring to FIGS. 10B to 10C, light can be switched off at a positive gate voltage have. Referring to Figs. 10E to 10H, as the absolute value of the gate voltage increases from -5 V to -20 V, the light can be intensified.

전술한 바와 같이, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 정공 농도와 페르미 준위를 제어함으로써, 동작되는 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)/N 형 산화 아연 나노 박막(N) 기반의 발광 트랜지스터(100)가 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 발광 트랜지스터(100)는 자가 스위칭이 가능한 발광 특성을 나타낸다. P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)는 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭 방법에 의해 합성되며, 양자 구속 효과에 의해 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 에너지 밴드가 넓혀진 거칠고 다공성의 표면이 제공된다. 또한, P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)의 표면은 금속 촉매를 보조로 하는 화학 에칭 공정에서 SiFxHy에 의해 오염되며, 부분적으로 산화될 수 있다. 이는 1.72 eV, 1.85 eV, 2.0 eV 및 2.41 eV인 지점에서 광자 에너지를 갖는 4개의 서브 피크로 디콘볼루션될 수 있는 마이크로광루미네선스 스펙트럼에 의해 확인될 수 있다. P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P) 상에 성장된 다결정도를 갖는 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 마이크로광루미네선스 스펙트럼은 NBE 발광 및 DLE 발광으로 각각 발생하는 자외선 및 적색 계열(오렌지-적색) 범위의 두 개의 피크로 디콘볼루션될 있다. P 형 다공성 실리콘 나노 와이어(P)와 N 형 산화 아연 나노 박막(N)을 사용하여, 열 성장된 실리콘 산화물 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 불순물이 도핑된 실리콘 기판에 발광 트랜지스터(100)가 최종적으로 형성될 수 있다. 순방향 바이어스가 발광 트랜지스터(100)에 인가 되면, PN 접합 다이오드의 I-V 특성이 얻어지며 N 형 산화 아연 나노 박막(N)의 깊은 준위(deep level)에 해당하는 적색 계열(오렌지-적색) 범위의 발광이 관찰될 수 있다. 또한, 본 발명은 게이트 전압을 제어함으로써, 발광 트랜지스터(100)의 발광 강도가 조절된다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 구조는 발광 및 자가 스위칭의 두 가지 역할을 단일 소자에서 결합함으로써, 제조 공정 및 디스플레이의 구성 요소의 구조를 용이하게 단순화할 수 있다. 이는 종래 기술로는 불가능했던 디스플레이 구성 요소의 통합된 제조가 가능하게 된다.As described above, by controlling the hole concentration and the Fermi level of the P-type porous silicon nanowire (P), the P-type porous silicon nanowire (P) / N-type zinc oxide nanotube (N) 100 may be provided. Further, the light emitting transistor 100 of the present invention exhibits self-switching capable of emitting light. The P-type porous silicon nanowire (P) is synthesized by a chemical etching method with a metal catalyst as an aid, and a quantum confinement effect provides a rough and porous surface with a wider energy band of the P-type porous silicon nanowire (P) . In addition, the surface of the P-type porous silicon nanowire (P) is contaminated by SiFxHy in a chemical etching process with the aid of a metal catalyst and can be partially oxidized. This can be confirmed by a microphotoluminescence spectrum that can be deconvoluted into four sub-peaks with photon energies at 1.72 eV, 1.85 eV, 2.0 eV and 2.41 eV. The microphotoluminescence spectra of the N-type zinc oxide nanotubes (N) having the polycrystallinity grown on the P-type porous silicon nanowire (P) were measured by ultraviolet light and red light (orange- Red) can be deconvoluted into two peaks in the range. The light emitting transistor 100 is formed on the silicon substrate doped with the heavily doped p-type impurity having the thermally grown silicon oxide layer by using the p-type porous silicon nano wire (P) and the n-type zinc oxide nano thin film (N) Can be finally formed. When the forward bias is applied to the light emitting transistor 100, the IV characteristic of the PN junction diode is obtained, and the light emission of the red (orange-red) range corresponding to the deep level of the N-type zinc oxide nano- Can be observed. Further, it can be seen that the present invention controls the light emission intensity of the light emitting transistor 100 by controlling the gate voltage. This structure can easily simplify the fabrication process and the structure of the components of the display by combining the two roles of light emission and self-switching in a single device. This enables the integrated manufacture of display components that was not possible with the prior art.

더욱이, 본 발명에서 질화갈륨(gallium nitride: GaN)기반 발광 다이오드의 통합 기술이 능동 구동형 유기 발광 다이오드 디스플레이처럼 개발되면, 능동 구동형 무기 발광 디스플레이가 구현될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 발광 트랜지스터(100)는 종래 보다 개선된 전자-정공 재결합을 생성하고, 발광 트랜지스터(100)의 턴온 전압을 변조하기 위해, 선택된 반도체의 페르미 레벨을 쉽게 제어 할 수 있다. In addition, when an integrated technology of a gallium nitride (GaN) based light emitting diode is developed as an active driving type organic light emitting diode display in the present invention, an active driving type inorganic light emitting display can be realized. Further, the light emitting transistor 100 of the present invention can easily control the Fermi level of the selected semiconductor to generate an improved electron-hole recombination and to modulate the turn-on voltage of the light emitting transistor 100. [

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.

E1: 제 1 전극
P: P 형 반도체
S1: 기판, 게이트 전극
N: N 형 반도체
E2: 제 2 전극
E1: first electrode
P: P-type semiconductor
S1: substrate, gate electrode
N: N type semiconductor
E2: Second electrode

Claims (17)

제 1 전극;
상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 P 형 반도체;
상기 P 형 반도체의 상기 제 1 면 상에 형성된 절연막 및 상기 절연막 상의 게이트 전극;
상기 P 형 반도체의 상기 제 2 면과 PN 접합을 형성하는 N 형 반도체; 및
상기 N 형 반도체에 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 포함하며,
상기 게이트 전극은 상기 P 형 반도체에 전계를 인가하여 상기 P 형 반도체의 정공 농도 및 페르미 레벨 중 적어도 하나를 제어하고,
상기 P 형 반도체는 직접 밴드갭 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어를 포함하고, 상기 N 형 반도체는 N 형 산화 아연 나노 박막을 포함하는 발광 트랜지스터.
A first electrode;
A P-type semiconductor electrically connected to the first electrode and having a first surface and a second surface opposite to each other;
An insulating film formed on the first surface of the P-type semiconductor and a gate electrode on the insulating film;
An N-type semiconductor forming a PN junction with the second surface of the P-type semiconductor; And
And a second electrode electrically connected to the N-type semiconductor,
Wherein the gate electrode controls at least one of a hole concentration and a Fermi level of the P type semiconductor by applying an electric field to the P type semiconductor,
Wherein the P-type semiconductor includes at least one P-type porous silicon nanowire having a direct bandgap characteristic, and the N-type semiconductor includes an N-type zinc oxide nanotube.
제 1 항에 있어서,
상기 절연막과 상기 P형 반도체의 상기 제 1 면 사이에 상기 N형 반도체가 더 형성된 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
And the N-type semiconductor is further formed between the insulating film and the first surface of the P-type semiconductor.
제 1 항에 있어서,
상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 종횡비는 700 내지 813 범위 내인 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the aspect ratio of the P-type porous silicon nanowire is in the range of 700 to 813. The light-
제 1 항에 있어서,
상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어는 <100> 방향으로 우선 배향된 단결정을 갖는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the P-type porous silicon nanowire has a single crystal preferentially oriented in the <100> direction.
제 1 항에 있어서,
상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어는, 300 ㎚ 내지 800 ㎚ 범위의 가시 광선 영역에서, 단일 피크가 1.5 eV 내지 3.5 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 마이크로광루미네선스 스펙트럼을 갖는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the P-type porous silicon nanowire is a micro-optical phosphor that is deconvoluted into at least two or more sub-peaks centered on photon energy in the range of 1.5 eV to 3.5 eV in the visible light region in the range of 300 nm to 800 nm. A light emitting transistor having a ness spectrum.
제 1 항에 있어서,
상기 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어의 표면에 나노 크기의 표면 거칠기와 다공성으로 인해 양자 구속 효과가 발생되는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein a quantum confinement effect is generated on the surface of the P-type porous silicon nanowire due to nano-sized surface roughness and porosity.
제 1 항에 있어서,
상기 N 형 산화 아연 나노 박막의 두께는 90 ㎚ 내지 120 ㎚ 범위 내인 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the N-type zinc oxide nano-thin film is within a range of 90 nm to 120 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 N 형 산화 아연 박막은 300 ㎚ 내지 800 ㎚ 범위의 가시 광선 영역 중 자외선 영역과 적색 계열 영역에 대응하는 두 개의 피크를 가지며,
상기 적색 계열 영역에 대응하는 피크가 1.5 eV 내지 3.5 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 마이크로광루미네선스 스펙트럼을 갖는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the N-type zinc oxide thin film has two peaks corresponding to an ultraviolet ray region and a red series region in a visible light region in a range of 300 nm to 800 nm,
Wherein the peak corresponding to the red series region is deconvoluted into at least two or more sub-peaks centered on photon energies in the range of 1.5 eV to 3.5 eV.
제 1 항에 있어서,
상기 P 형 반도체에 음의 전계가 인가될 시, 상기 P 형 반도체와 상기 N 형 반도체 사이의 접합에서 전위 에너지 차이가 증가하여, 상기 P 형 반도체의 페르미 레벨은 전도대 에지로 이동하고, 전달되는 캐리어의 양이 증가되며,
상기 P 형 반도체에 양의 전계가 인가될 시, 상기 P 형 반도체와 상기 N 형 반도체 사이의 접합에서 전위 에너지 차이가 감소하여, 상기 P 형 반도체의 페르미 레벨은 가전자대 에지로 이동하고, 전달되는 캐리어의 양이 감소되는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
When a negative electric field is applied to the P-type semiconductor, the potential energy difference at the junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor increases, the Fermi level of the P-type semiconductor shifts to the conduction band edge, Is increased,
When a positive electric field is applied to the P-type semiconductor, the potential energy difference at the junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor decreases, the Fermi level of the P-type semiconductor moves to the valence band edge, Wherein the amount of carriers is reduced.
제 1 항에 있어서,
적색 계열 영역에 대응하는 피크가 1.5 eV 내지 3.0 eV 범위의 광자 에너지의 중심에 있는 적어도 둘 이상의 서브 피크로 디콘볼루션되는 일렉트로루미네선스 스펙트럼을 갖는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the peak corresponding to the red series region is deconvoluted into at least two or more sub-peaks at the center of the photon energy in the range of 1.5 eV to 3.0 eV.
제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극은, 열 성장된 실리콘 산화물 층을 갖는 고농도로 도핑된 P 형 실리콘 기판을 포함하는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the gate electrode comprises a heavily doped P-type silicon substrate having a thermally grown silicon oxide layer.
제 1 항에 있어서,
상기 P 형 반도체와 상기 N 형 반도체 사이의 PN 접합은 마이크로광루미네선스 방출 피크를 발생시키는 적어도 일부 비정질상을 갖는 발광 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the PN junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor has at least some amorphous phase that generates a micro-optical luminescence emission peak.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 1 전극과 이격된 적어도 하나 이상의 더미 전극을 형성하는 단계;
상기 적어도 하나 이상의 제 1 전극과 상기 적어도 하나 이상의 더미 전극 사이를 가로질러 P 형 반도체를 형성하는 단계;
상기 형성된 P 형 반도체 상에 N 형 반도체를 형성하는 단계; 및
상기 형성된 N 형 반도체 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 P 형 반도체는 직접 밴드갭 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어를 포함하고, 상기 N 형 반도체는 N 형 산화 아연 나노 박막을 포함하는 발광 트랜지스터의 제조 방법.
Preparing a substrate;
Forming at least one first electrode on the substrate and at least one dummy electrode spaced apart from the at least one first electrode;
Forming a P-type semiconductor across the at least one first electrode and the at least one dummy electrode;
Forming an N-type semiconductor on the P-type semiconductor formed; And
And forming a second electrode on the formed N-type semiconductor,
Wherein the P-type semiconductor includes at least one P-type porous silicon nanowire having a direct bandgap characteristic, and the N-type semiconductor includes an N-type zinc oxide nanofiltration film.
제 13 항에 있어서,
상기 P 형 반도체는 상기 적어도 하나 이상의 제 1 전극과 상기 적어도 하나 이상의 더미 전극을 이용하는 유전영동 정렬에 의해 형성되는 발광 트랜지스터의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the P-type semiconductor is formed by dielectrophoretic alignment using the at least one first electrode and the at least one dummy electrode.
제 13 항에 있어서,
상기 제 2 전극을 형성하는 단계는,
상기 형성된 N 형 반도체 상에 제 2 전극을 패터닝하는 단계
상기 패터닝된 제 2 전극 상에 식각 마스크를 형성하는 단계;
상기 식각 마스크를 이용하여 상기 제 2 전극의 하지의 상기 N 형 반도체를 제외한 나머지 영역의 상기 N형 반도체 일부를 식각하는 단계; 및
상기 식각 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 발광 트랜지스터의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein forming the second electrode comprises:
Patterning the second electrode on the formed N-type semiconductor
Forming an etch mask on the patterned second electrode;
Etching a portion of the N-type semiconductor in a region other than the N-type semiconductor at the bottom of the second electrode using the etching mask; And
And removing the etching mask.
삭제delete 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 P 형 반도체; 상기 P 형 반도체의 상기 제 1 면 상에 형성된 절연막 및 상기 절연막 상의 게이트 전극; 상기 P 형 반도체의 상기 제 2 면과 PN 접합을 형성하는 N 형 반도체; 및 상기 N 형 반도체에 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 포함하며,
상기 게이트 전극은 상기 P 형 반도체에 전계를 인가하여 상기 P 형 반도체의 정공 농도 및 페르미 레벨 중 적어도 하나를 제어하고,
상기 P 형 반도체는 직접 밴드갭 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 P 형 다공성 실리콘 나노 와이어를 포함하고, 상기 N 형 반도체는 N 형 산화 아연 나노 박막을 포함하는 발광 트랜지스터를 포함하는 광학 부재.
A first electrode; A P-type semiconductor electrically connected to the first electrode and having a first surface and a second surface opposite to each other; An insulating film formed on the first surface of the P-type semiconductor and a gate electrode on the insulating film; An N-type semiconductor forming a PN junction with the second surface of the P-type semiconductor; And a second electrode electrically connected to the N-type semiconductor,
Wherein the gate electrode controls at least one of a hole concentration and a Fermi level of the P type semiconductor by applying an electric field to the P type semiconductor,
Wherein the P-type semiconductor includes at least one P-type porous silicon nanowire having a direct band gap characteristic, and the N-type semiconductor includes a light emitting transistor including an N-type zinc oxide nano-thin film.
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