KR102265690B1 - 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자는 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 형성된 광전변환층; 상기 광전변환층 상부에 형성된 전자주입층; 및 상기 광전변환층을 사이에 두고 상기 전자주입층에 대향되며, 상기 광전변환층보다 높은 에너지 밴드 갭을 가지며, 실리콘 박막보다 낮은 굴절률을 갖는 정공주입층을 포함할 수 있다.

Description

실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법{SILICON NANOCRYSTAL LIGHT EMITTING DIODE AND FABRICATING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실리콘은 나노 크기를 가지면 에너지 밴드 구조가 화합물 반도체의 에너지 밴드 구조와 유사한 직접 천이형 밴드 구조를 가질 수 있다. 실리콘 나노 결정이 직접 천이형 밴드 구조를 갖기 때문에 실리콘 나노 결정의 양자 구속 효과를 이용하여 고효율의 광원을 제작할 수 있다.
일반적으로 실리콘 나노 결정은 실리콘 산화막(SiOx) 내에 형성된다. 그러나 실리콘 나노 결정을 형성할 때 실리콘 산화막을 이용할 경우, 1000℃를 넘는 고온에서 열처리를 필수적으로 실시해야 한다. 또한, 실리콘 산화막과 실리콘 나노 결정 사이의 계면 결함들이 발생하기 때문에, 실리콘 산화막 내에 형성된 실리콘 나노 결정을 통해 고효율의 광원 및 가시광선 영역 내 다양한 파장들을 가지는 광원을 제작하는데 어려움이 있다.
반면, 실리콘 나노 결정을 형성할 때 실리콘 질화막(SiNx)을 이용하면, 실리콘 질화막이 성장될 때 동시에 실리콘 질화막내에 실리콘 나노 결정을 형성시킬 수 있다. 이 때문에, 실리콘 질화막을 이용하여 실리콘 나노 결정을 형성하는 경우, 고온의 열처리가 필요하지 않다. 또한, 실리콘 질화막이 실리콘 산화막보다 에너지 밴드갭이 작기 때문에, 외부 전극으로부터 나노 결정을 포함하고 있는 광전변환층 내부로의 전류 주입이 용이하다. 그리고, 실리콘 질화막과 실리콘 나노 결정 사이의 계면에 결함이 적기 때문에 전자 및 정공들의 손실이 적어 고효율의 광원을 제작할 수 있다. 상술한 바와 같이, 실리콘 질화막 내에 형성된 실리콘 나노 결정을 이용한 광원은 여러 가지 장점을 갖기 때문에 활발히 연구되고 있다.
일반적으로 실리콘 나노 결정 발광소자 제작 시, 실리콘 나노 결정을 포함하는 광전변환층은 실리콘 기판 위에 성장된다. 또한, 실리콘 나노 결정 발광소자로부터 발광되어 나오는 광의 파장 영역은 가시광선 영역의 파장 대역을 가진다. 실리콘 나노 결정 발광소자의 광전변환층으로부터 발광되어 나오는 가시광선 영역의 파장을 가지는 광은 대부분이 실리콘 기판 내에 흡수되기 때문에 발광소자가 가지는 광 효율이 감소되는 단점이 있다. 이에 따라, 실리콘 나노 결정을 포함하고 있는 광전변환층 내부에서 생성된 광을 소자 외부로 효과적으로 추출할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시 예는 광전변환층 내부로부터 외부로 방출되는 광량을 증가시켜 발광효율을 증가시킬 수 있는 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자는 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 형성된 광전변환층; 상기 광전변환층 상부에 형성된 전자주입층; 및 상기 광전변환층을 사이에 두고 상기 전자주입층에 대향되며, 상기 광전변환층보다 높은 에너지 밴드 갭을 가지며, 실리콘 박막보다 낮은 굴절률을 갖는 정공주입층을 포함할 수 있다.
상기 정공주입층은 p형의 질화물 반도체 박막으로 형성될 수 있다.
상기 질화물 반도체 박막은 GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전자주입층은 n형 실리콘 카바이드 박막으로 형성될 수 있다.
상기 실리콘 카바이드 박막은 SiC 또는 SiCN을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자는 상기 전자주입층 상에 형성된 투명 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자는 상기 투명 전극 상에 형성된 상부 전극; 및 상기 정공주입층 하부에 형성된 하부 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자의 제조방법은 실리콘 박막보다 낮은 굴절률을 가지며, 가시광선을 투과하는 에너지 밴드 갭을 갖는 정공주입층을 형성하는 단계; 상기 정공주입층 상에 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막의 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 전자주입층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정공주입층은 상기 광전변환층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 광전변환층을 형성하는 단계는, 플라즈마 강화 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 상기 실리콘 질화막 내에 상기 실리콘 나노 결정을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 실리콘 나노 결정을 포함하는 광전변환층의 적어도 일면에 형성된 정공주입층을 광전변환층으로부터 입사된 광이 발광소자 외부로 용이하게 방출될 수 있도록 형성하여 고효율의 발광소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광전변환층으로부터 생성되어 발산되는 광 경로를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광전변환층으로부터 생성되어 발산되는 광 경로를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 서술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 단지, 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다. 도면에서 박막들의 크기 또는 두께는 설명의 편의를 위하여 과장된 것이다.
이하의 설명에서, 실리콘 나노 결정은 1nm 내지 20nmm의 직경을 갖는 결정으로 정의된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 나노 결정 발광소자는 순차로 적층된 정공 주입층(101), 광전변환층(102), 전자주입층(103), 및 투명 전극(104)을 포함할 수 있다. 또한, 실리콘 나노 결정 발광소자는 정공 주입층(101) 하부에 형성된 하부 전극(106) 및 투명 전극(104) 상부에 형성된 상부 전극(105)을 더 포함할 수 있다.
정공 주입층(101)은 실리콘 기판일 수 있다. 보다 구체적으로 정공 주입층(101)은 p형 실리콘 기판일 수 있다.
광전변환층(102)은 발광층으로서, 플라즈마 강화 화학기상증착법으로 정공 주입층(101) 상에 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막(SiNx; x는 자연수)을 증착하여 형성될 수 있다.
전자주입층(103)은 광전변환층(102) 상에 형성되며, n형 실리콘카바이드 박막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드계 물질로 SiC, SiCN 등이 있다.
투명 전극(104)은 ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO, 등의 물질로 형성될 수 있다.
상부 전극(105) 및 하부 전극(106) 각각은 도전성의 물질로 형성되며, 예를 들어, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 플라티늄(Pt), 팔라디움 (Pd), 타이타늄(Ti) 및 금(Au) 등의 금속으로 형성될 수 있다. 상부 전극(105) 및 하부 전극(106)을 통해 투명 전극(104) 및 정공 주입층(102)에 전류가 주입되며, 광전변환층(102)으로 전자 및 정공이 주입되어 광이 발산된다. 이로써, 본 발명의 실시 예는 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막을 광전변환층(102)으로 이용한 발광소자를 구현할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 광전변환층으로부터 생성되어 발산되는 광 경로를 나타내는 단면도이다.
광전변환층(102)은 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 형성된다. 이러한 광전변환층(102)으로부터 생성된 광은 발광소자를 구성하는 각 박막들의 굴절률에 의해 발광소자 내부에서 흡수되거나, 발광소자 외부로 방출된다.
예를들어, 광전변환층(102)으로부터 실리콘 기판으로 형성된 정공주입층(101)으로 입사된 광은 특정 임계각 이상의 입사각을 가지게 되면, 정공주입층(101)의 계면에서 반사되어 발광소자 외부로 방출되지 못한다. 반사가 일어나는 임계각은 광전변환층(102)과 정공주입층(101)의 굴절률에 의해 변할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전변환층(102)은 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로서, 약 2.5의 굴절률을 갖는다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 정공주입층(101)은 실리콘 박막으로서, 약 3.5의 굴절률을 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 정공주입층(101)은 실리콘 박막으로서, 약 1.1 eV의 에너지 밴드갭을 갖는다. 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막의 광전변환층(102)에서 생성된 광은 가시광선 영역의 파장을 갖는 에너지 밴드 갭을 갖는다. 이에 따라, 광전변환층(102)에서 생성되어 실리콘 박막으로 형성된 정공주입층(101)으로 향하는 광은 발광소자 외부로 빠져나가지 못하고 실리콘 박막인 정공주입층(101) 내부에 흡수된다.
이하에서는 도 1 및 도 2에서 상술한 실시 예에서보다 발광 효율을 증대시킬 수 있는 구조에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘 나노 결정 발광소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 나노 결정 발광소자는 순차로 적층된 정공 주입층(201), 광전변환층(202), 전자주입층(203), 및 투명 전극(204)을 포함할 수 있다. 또한, 실리콘 나노 결정 발광소자는 정공 주입층(201) 하부에 형성된 하부 전극(206) 및 투명 전극(204) 상부에 형성된 상부 전극(205)을 더 포함할 수 있다.
정공 주입층(201)은 광전변환층(202)으로부터 발산된 광을 보다 효율적으로 외부로 방출할 수 있도록 실리콘 박막에서의 반사 임계각보다 큰 반사 임계각을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 정공 주입층(201)은 실리콘 박막에 비해 가시광선 영역의 파장을 갖는 광 흡수율을 줄일 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 정공 주입층(201)은 질화물 반도체 박막일 수 있다. 보다 구체적으로, 정공 주입층(201)은 p형 질화물 반도체 박막일 수 있다. 질화물 반도체 박막은 GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN 등을 포함할 수 있다.
광전변환층(202)은 발광층으로서, 플라즈마 강화 화학기상증착법으로 정공 주입층(201) 상에 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막(SiNx; x는 자연수)을 증착하여 형성될 수 있다.
전자주입층(203)은 광전변환층(202) 상에 형성되며, n형 실리콘카바이드 박막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드계 물질로 SiC, SiCN 등이 있다.
투명 전극(204)은 ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO, 등의 물질로 형성될 수 있다.
상부 전극(205) 및 하부 전극(206) 각각은 도전성의 물질로 형성되며, 예를 들어, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 플라티늄(Pt), 팔라디움 (Pd), 타이타늄(Ti) 및 금(Au) 등의 금속으로 형성될 수 있다. 상부 전극(205) 및 하부 전극(206)을 통해 투명 전극(204) 및 정공 주입층(202)에 전류가 주입되며, 주입된 전류에 의해 광전변환층(202)으로 전자 및 정공이 주입된다. 광전변환층(202)으로 주입된 전자와 정공은 결합하여 광을 생성한다. 이에 따라, 광전변환층(202)으로부터 광이 발산된다. 이로써, 본 발명의 실시 예는 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막을 광전변환층(202)으로 이용한 발광소자를 구현할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 광전변환층으로부터 생성되어 발산되는 광 경로를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 광전변환층(202)은 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 형성된다. 이러한 광전변환층(202)으로부터 생성된 광은 실리콘 카바이드 박막으로 형성된 전자 주입층(203)과 투명 전극(204)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다. 또한, 광전변환층(202)으로부터 질화물 반도체 박막으로 형성된 정공주입층(201)으로 입사된 광은 정공주입층(201)의 계면에서 굴절될 수 있다. 이 때, 정공주입층(201)에 입사되는 광의 입사각에 따라 반사가 일어날 수 있다. 반사가 일어나는 임계각은 광전변환층(202)과 정공주입층(201)의 굴절률에 의해 변할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 광전변환층(202)은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 동일하게 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로서, 약 2.5의 굴절률을 갖는다. 본 발명의 실시 예에서 정공 주입층(201)은 질화물 반도체 박막으로서, 약 2.5의 굴절률을 갖는다. 즉, 질화물 반도체 박막의 정공주입층(201)은 도 1 및 도 2에 도시된 실리콘 박막의 정공주입층(101)에 비해 낮은 굴절률을 갖는다. 이에 따라, 질화물 반도체 박막의 정공주입층(201)에서의 임계각은 실리콘 박막의 정공주입층(101)에서의 임계각보다 크다. 그 결과, 광전변환층(202)으로부터 정공주입층(201)으로 입사된 광은 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예에서보다 발광소자 외부로 보다 효율적으로 방출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 정공주입층(201)은 질화물 반도체 박막으로서, 광전변환층(202)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는다. 이에 따라, 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막의 광전변환층(202)에서 생성되어 가시광선 영역의 파장을 갖는 광은 질화물 반도체 박막으로 형성된 정공주입층(201)을 투과하며, 정공주입층(201)에서의 흡수량이 미미하다. 그 결과, 광전변환층(202)으로부터 정공주입층(201)으로 입사된 광은 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예에서보다 발광소자 외부로 보다 효율적으로 방출될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예는 실리콘 나노 결정을 이용하여 발광소자를 구현함에 있어서, 질화물 반도체 박막을 실리콘 나노 결정을 포함하는 광전변환층(202)의 일면에 배치하여 광전변환층(202)으로부터 생성된 광의 내부 흡수량 및 반사량을 감소시킬 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시 예는 발광소자 외부로 방출되는 광량을 늘려 발광소자의 효율을 증가시켜 고효율의 실리콘 나노 결정 발광소자를 제공할 수 있다.
201: 정공 주입층 202: 광전변환층
203: 전자주입층 204:투명 전극
205: 상부전극 206: 하부전극

Claims (15)

  1. 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 형성된 광전변환층;
    상기 광전변환층 상부에 형성된 전자주입층; 및
    상기 광전변환층을 사이에 두고 상기 전자주입층에 대향되며, 상기 광전변환층보다 높은 에너지 밴드 갭을 가져 가시광선을 투과시키고, 실리콘 박막보다 낮은 굴절률을 가져 상기 실리콘 박막보다 큰 반사 임계각을 갖는 정공주입층을 포함하되,
    상기 정공주입층은 p형의 질화물 반도체 박막으로 형성되고,
    상기 질화물 반도체 박막은 GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN 중 어느 하나를 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자주입층은 n형 실리콘 카바이드 박막으로 형성된 실리콘 나노 결정 발광소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 박막은 SiC 또는 SiCN을 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자주입층 상에 형성된 투명 전극을 더 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명 전극 상에 형성된 상부 전극; 및
    상기 정공주입층 하부에 형성된 하부 전극을 더 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자.
  8. 실리콘 박막보다 낮은 굴절률을 가져 상기 실리콘 박막보다 큰 반사 임계각을 갖고, 가시광선을 투과하는 에너지 밴드 갭을 갖는 정공주입층을 형성하는 단계;
    상기 정공주입층 상에 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막의 광전변환층을 형성하는 단계; 및
    상기 광전변환층 상에 전자주입층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 정공주입층은 상기 광전변환층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 p형의 질화물 반도체 박막으로 형성되고,
    상기 질화물 반도체 박막은 GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN 중 어느 하나를 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 광전변환층을 형성하는 단계는,
    플라즈마 강화 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 상기 실리콘 질화막 내에 상기 실리콘 나노 결정을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자주입층은 n형 실리콘 카바이드 박막으로 형성되는 실리콘 나노 결정 발광소자의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 박막은 SiC 또는 SiCN을 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자의 제조방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자주입층 상에 투명 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 실리콘 나노 결정 발광소자의 제조방법.
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