KR102464365B1 - 광 캐비티를 포함하는 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시에 따른 발광 소자는, 광 캐비티(photonic cavity)를 포함하며 게이트로 기능하는 기판, 이차원 물질로 형성되는 활성층, 제1 도전형 컨택트 및 제 2 도전형 컨택트를 포함한다. 광 캐비티로 인하여 발광 소자가 형성하는 광의 파장 영역이 좁아지고, 게이트로 기능하는 기판을 통해 생성하는 광의 세기 및 파장 영역을 조절할 수 있다.
Description
본 개시는 광 캐비티를 포함하는 발광 소자에 관한 것이다.
종래의 3족 내지 5족 물질을 이용한 발광 소자는 광 물질 상호작용(light matter interaction)이 약하므로 광 흡수 계수(light absorption coefficient)가 낮고, 대형 면적으로의 성장과 의도한 기판으로의 전이(transfer)가 어려웠다.
이를 극복하기 위해, 3족 내지 5족 물질을 이차원 물질(2-dimensional material)로 대체하려는 시도가 이루어지고 있다. 2차원 물질을 포함하는 발광 소자는 종래 기술 대비 광 물질 상호 작용이 강하며, 대형 면적으로의 성장이 용이하다. 또한, 이차원 물질을 포함하는 발광 소자는 적외선부터 자외선까지 광 스펙트럼이 넓다. 그러나, 이차원 물질을 포함하는 발광 소자는 간접 천이(indirect bandgap) 로 인한 광 효율의 감소 및 여러 결함(defect)으로 인한 광 효율의 감소가 문제된다. 특히, 이차원 물질이 간접 천이(indirect bandgap)를 가지는 경우 발광 소자가 필요한 수준보다 넓은 대역의 광을 형성하는 것이 문제되었다.
본 개시는 광 캐비티를 포함하는 발광 소자에 관한 것을 제공하고자 한다.\
일 실시예에 따른 발광 소자는, 광 캐비티(photonic cavity)를 포함하는기판; 상기 광 캐비티 상에 마련되며, 이차원 물질로 형성되는 활성층; 상기 활성층과 전기적으로 연결되는 제1 도전형 컨택트; 및 상기 활성층과 전기적으로 연결되는 제 2 도전형 컨택트;을 포함한다.
상기 제 2 도전형 컨택트 및 상기 제1 도전형 컨택트와 상기 활성층의 사이에 접하도록 마련되는 터널링층;을 더 포함할수 있다.
상기 터널링층은 상기 제1 도전형 컨택트와 상기 활성층 사이에 접하는 제1 터널링층과, 상기 제 2 도전형 컨택트와 상기 활성층 사이에 접하는 제2 터널링층을 포함할 수 있다.
상기 터널링층은, 상기 활성층을 둘러싸는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 2 도전형 컨택트는 상기 터널링층의 상부면 상에 마련되고, 상기 제1 도전형 컨택트는 상기 터널링층의 측면과 접할 수 있다.
상기 제 2 도전형 컨택트와 접하며, 수평방향으로 연장되는 투명 전극;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 컨택트와 상기 기판 사이에 마련되는 절연층;을 더 포함할 수 있다.
상기 활성층과 상기 기판의 사이에 마련되며, 상기 활성층을 상기 기판과 전기적으로 절연시키는 절연층;을 더 포함할 수 있다.
상기 절연층은 두께 프로파일이 균일하지 않을 수 있다.
상기 절연층은 상기 제1 도전형 컨택트의 수직선상의 영역에서의 두께와 상기 제 2 도전형 컨택트의 수직선상의 영역에서의 두께가 서로 상이할 수 있다.
상기 절연층은 상기 기판 상에 마련되는 제1 절연층과 상기 제1 절연층의 적어도 일부 영역에 형성되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 활성층은, 상기 제1 도전형 컨택트와 접하는 제1 도전형 활성층과 상기 제 2 도전형 컨택트와 접하는 제 2 도전형 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 활성층과 상기 제 2 도전형 활성층은 적층 구조를 형성할 수 있다.
상기 제1 도전형 컨택트와 상기 제1 도전형 활성층 사이에 마련되는 제1 터널링층과 상기 제 2 도전형 컨택트와 상기 제 2 도전형 활성층 사이에 마련되는 제2 터널링층을 포함하는 터널링층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 컨택트와 접하고, 상기 광 캐비티 상에 마련되는 제1 터널링층;을 더 포함하고, 상기 활성층은 상기 제1 터널링층 상에 형성될 수 있다.
상기 제1 터널링층 상에 적층되는 제1 도전형 활성층, 상기 제1 도전형 활성층 상에 적층되며 상기 제 2 도전형 컨택트와 접하는 제 2 도전형 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 터널링층 및 상기 제1 도전형 활성층과 측면에서 접하고, 상기 제 2 도전형 활성층과 상부면에서 접하며, 상기 기판 상에 마련되는 절연층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 도전형 컨택트와 상기 활성층 사이에 마련되는 제2 터널링층;을 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 도전성 소재로 형성될 수 있다.
상기 이차원 물질은 전이금속 다이칼코게나이드(TMD)로 형성될 수 있다.
상기 광 캐비티는 게이트 전극으로 기능할 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 광원은 전술한 실시예에 따른 발광 소자를 포함한다.
본 개시에 따른 발광 소자는, 게이트로 기능하며, 광 캐비티를 포함하는 기판을 포함하여 활성층에서 형성되는 광의 세기를 증폭(amplification)시키고, 파장 대역을 좁게할 수 있다.
본 개시에 따른 발광 소자는, 제1 도전형 활성층과 제2 도전형 활성층을 포함하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 개략적인 레이저 광원을 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 개략적인 레이저 광원을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 발광 소자에 대해 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 개시에서 사용되는 용어는 실시예들에서 구성요소들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 실시예에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자(100)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 광 캐비티(photonic cavity;pc)를 포함하는 기판(101), 절연층(102), 제1 도전형 컨택트(103), 제 2 도전형 컨택트(104), 활성층(105)를 포함한다.
기판(101)은 표면 상에 광 캐비티(pc)를 포함할 수 있다. 광 캐비티(pc)는 기판(101)의 표면에 형성되는 빈 공간을 의미한다. 예를 들어, 광 캐비티(pc)는 기판(101)의 표면을 식각함으로써 형성될 수 있다. 광 캐비티(pc)는 발광 소자(100)가 형성하고자 하는 광의 파장 영역에 대응되는 길이 요소를 가질 수 있다. 예를 들어, 발광 소자(100)가 수백 nm 영역의 광을 생성하고자 한다면, 광 캐비티(pc) 각각의 너비는 수백 nm 영역 수준일 수 있다. 캐비티(pc)의 높이는 특별히 한정되지 않으며 1um 내지 1nm 수준일 수 있다. 광 캐비티(pc)는 복수 개 일 수 있다. 광 캐비티(pc)는 서로 간에 균일한 간격으로 이격되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 광 캐비티(pc)는 육각 패턴(hexagonal pattern)을 가지도록 배열될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 광 캐비티(pc)의 형상은 원기둥, 사각기둥 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 광 캐비티(pc)는 활성층(105)과의 광학적 커플링을 통해 생성되는 광의 세기를 증가시키거나 광전 변환 효율을 증가 시킬 수 있다. 광 캐비티(pc)는 전극으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 광 캐비티(pc)는 게이트 전극으로 기능할 수 있다. 광 캐비티(pc)는 발광 소자(100)의 공명 파장에 해당하는 파장을 흡수하지 않기 위한 소재로 형성될 수 있다.
기판(101)은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(101)은 금속(metal)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(101)은 Pd, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Mg, Al, W, Ti, Ir, Ni, Cr, Nd 또는 Cu 등의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(101)은 그래핀(graphene) 또는 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 도전성 금속 산화물을 사용할 수도 있다. 기판(101)은 활성층(105)에서 생성되는 광의 파장을 고려할 때, 해당 파장의 빛 흡수율이 낮은 소재로 형성될 수 있다.
절연층(102)은 기판(101)상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연층(102)은 SiO2, SiNx, fO2, Al2O3, La2O3, ZrO2, HfSiO, HfSiON, HfLaO, LaAlO, SrTiO 등과 같은 일반적인 반도체 트랜지스터의 게이트 절연막 재료로 형성 될 수 있다.
제1 도전형 컨택트(103) 및 제 2 도전형 컨택트(104)는 어느 하나가 투명 전극으로 형성될 때, 나머지 하나는 과도핑된 반도체로 형성될 수 있다. 또는, 제1 도전형 컨택트(103) 및 제 2 도전형 컨택트(104)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 제1 도전형 컨택트(103) 및 제 2 도전형 컨택트(104)는 절연층(102)상에서 서로 이격되도록 마련할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 컨택트(103) 및 제 2 도전형 컨택트(104)는 광 캐비티(pc)를 수직선상에서 가리지 않도록 마련될 수 있다.
활성층(105)은 이차원 물질(2-dimensional material)로 형성될 수 있다. 활성층(105)은 예를 들어, 그래핀(graphene), Black phosphorus, hBN(hexagonal Boron nitride) 등의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성층(105)은 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2를 비롯한 전이금속 다이칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 형성될 수 있다. 활성층(105)은 전이금속 다이칼코게나이드 단일층(TMD monolayer)일 수 있다. 활성층(105)이 전이금속 다이칼코게나이드 단일층으로 형성되는 경우는, 직접 천이(Direct Bandgap) 특성을 가져 발광 소자의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 활성층(105)은 다이칼코게나이드 복수층(bilayer, multilayer) 구조 일수도 있다. 활성층(105)의 광학적 밴드갭(optical bandgap) 및 광 스펙트럼에 따라 발광 소자(100)의 공명 파장(resonant wavelength)이 정의될 수 있다. 활성층(105)은 퀀텀닷(quantum dots) 필름이거나, 3 내지 5족 물질로 형성될 수도 있다. 활성층(105)의 두께는 1nm 내지 1um 일 수 있다.
본 실시예에 따른 발광 소자(100)는 수평 p-i-n 구조를 가질 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 도전형 컨택트(103) 및 제 2 도전형 컨택트(104)가 활성층(105)의 양 측면에서 접할 수 있다. 이러한 구조를 가지는 경우, 제1 도전형 컨택트(103) 및 제 2 도전형 컨택트(104)에 전압이 인가되는 경우, 활성층(105)을 기준으로 수평방향으로 제1 도전형 영역(p or n), 공핍층 영역(i), 제 2 도전형 영역(n or p)이 순차적으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 발광 소자(100)는 예를 들어, 제1 도전형 컨택트(103)을 그라운드 전극(GND)으로 삼고, 제 2 도전형 컨택트(104)에 바이어스 전압(Vbias)을 인가하여 구동시킬 수 있다. 발광 소자(100)의 구동 특성은 기판(101)으로 인가되는 게이트 전압(Vgate)에 의해서 조절될 수 있다. 본 실시예에 따른, 발광 소자(100)는 기판(101) 자체를 게이트 전극으로 삼음으로써 간이하면서도 발광 소자(100)에서 생성하는 광의 특성(i.e, 세기, 파장 영역)을 용이하게 바꿀 수 있다. 또한, 기판(101)에 마련되는 광 캐비티(pc)로 인하여 발광 소자(100)에서 좁은 파장 영역의 광을 생성할 수 있다. 이러한 구동 방법은 발광 소자(100)뿐 아니라 후술하는 모든 실시예도 공통적으로 적용될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 발광 소자(200)는 광 캐비티(pc)를 포함하는 기판(201), 절연층(202), 제1 도전형 컨택트(203), 제 2 도전형 컨택트(204), 활성층(205), 터널링층(206,207)을 포함할 수 있다.
기판(201), 절연층(202), 제1 도전형 컨택트(203), 제 2 도전형 컨택트(204) 및 활성층(205)의 특성 및 조성은 도 1에 따른 실시예에서 이미 전술한 바 있으므로 중복되는 내용은 생략한다.
터널링층(206,207)은 제1 도전형 컨택트(203) 및 제 2 도전형 컨택트(204)와 활성층(205)의 사이에 마련될 수 있다. 터널링층(206,207)은 제1 도전형 컨택트(203) 및 제 2 도전형 컨택트(204)와 활성층(205)의 전기적 직접 접촉을 방지하되, 임계치 이상의 전압이 인가되면 터널링 현상(tunneling effect)이 발생할 수 있다. 전자와 정공은 제1 도전형 컨택트(203) 및 제 2 도전형 컨택트(204)에 바이어스 전압이 인가될 때는 터널링 효과로 활성층(205)으로 이동하고, 바이어스 전압이 인가되지 않을 때는 활성층(205)에 가두어질 수 있다(trap). 따라서, 터널링층(206, 207)은 전자 및 정공이 활성층(205)에 오래 머무르는 기능을 제공할 수 있다.
터널링층(206, 207)은 발광 소자(200)가 구동하는 바이어스 전압의 크기에 따라 적절한 항복 전압(threshold voltage)을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 터널링층(206, 207)은 예를 들어 Ti 산화물, Ta 산화물, Ni 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Co 산화물, Nb 산화물, TiNi 산화물, LiNi 산화물, InZn 산화물, V 산화물, SrZr 산화물, SrTi 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Cu 산화물, Hf 산화물, Zr 산화물, Al 산화물 및 이들의 혼합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는 예를 들어, 터널링층(206, 207)은 hBN, black phosphorus, 그래핀 을 비롯한 이차원 물질로 형성될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 제1 도전형 컨택트(203) 및 제 2 도전형 컨택트(204)는 활성층(205)의 양 끝단 상에 마련될 수 있다. 제1 터널링층(206)은 제1 도전형 컨택트(203)와 활성층(205)의 사이에 마련될 수 있다. 제2 터널링층(207)은 제 2 도전형 컨택트(204)와 활성층(205)의 사이에 마련될 수 있다. 그러나, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 제1 도전형 컨택트(203) 및 제 2 도전형 컨택트(204)는 도 1에 따른 발광 소자(100)와 마찬가지로, 활성층(205)을 사이에 두도록 마련될 수 있다. 이 경우, 제1 도전형 컨택트(203) 및 제 2 도전형 컨택트(204)는 광 캐비티(pc)를 수직선 상에서 가리지 않으면서, 활성층(205)을 사이에 두며 마련될 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 발광 소자(300)는 광 캐비티(pc)를 포함하는 기판(301), 절연층(302), 제1 도전형 컨택트(303), 제 2 도전형 컨택트(304), 제1 도전형 활성층(305-1), 제 2 도전형 활성층(305-2)을 포함할 수 있다.
기판(301), 절연층(302), 제1 도전형 컨택트(303) 및 제 2 도전형 컨택트(304) 의 특성 및 조성은 도 1에 따른 실시예에서 이미 전술한 바 있으므로 중복되는 내용은 생략한다.
제1 도전형 활성층(305-1) 및 제 2 도전형 활성층(305-2)은 전술한 실시예와 마찬가지로 이차원 물질로 형성될 수 있다. 전이금속 다이칼고게나이드(TMD) 물질의 경우, 조성에 따라 제1 도전형 성질을 가지거나, 제 2 도전형 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, MoS2 는 제 2 도전형 성질을 가지고, WSe2는 제1 도전형 성질을 가질 수 있다. 제1 도전형 활성층(305-1)을 제1 도전형 성질을 가지는 전이금속 다이칼코게나이드로 형성하고, 제 2 도전형 활성층(305-2)을 제 2 도전형 성질을 가지는 전이금속 다이칼코게나이드로 형성함으로써, p-i-n 구조에 있어서 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또는 예를 들어, 제1 도전형 활성층(305-1) 및 제 2 도전형 활성층(305-2)을 동일한 이차원 물질로 형성하되, 서로 다른 도펀트로 도핑할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 활성층(305-1)은 제1 도전형 도펀트로 도핑하고, 제 2 도전형 활성층(305-2)은 제 2 도전형 도펀트로 도핑할 수 있다. 이 경우, 발광 소자(200)의 공정 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 도전형 활성층(305-1) 및 제 2 도전형 활성층(305-2)은 서로 다른 이차원 물질로 형성하며, 서로 다른 도펀트로 도핑하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 두 제1 도전형 활성층(305-1) 및 제 2 도전형 활성층(305-2)의 제1 도전형 및 제 2 도전형의 성질 차이가 커져 광전 변환 효율이 더 크게 향상될 수 있다.
본 개시에 따른 발광 소자(300)의 구조를 살피면, 기판(301) 상에 불균일한 두께를 가지는 절연층(302)이 마련될 수 있다. 절연층(302)은 제1 도전형 컨택트(303)가 마련되는 위치와 제 2 도전형 컨택트(304)가 마련되는 위치에 있어서 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 절연층(302)은 제1 도전형 컨택트(303)가 마련되는 위치에서의 두께가 제 2 도전형 컨택트(304)가 마련되는 위치에서의 두께보다 작을 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 그 반대도 가능할 수 있다.
절연층(302)은 제1 절연층(302-1) 및 제2 절연층(302-2)을 포함할 수 있다. 제1 절연층(302-1)의 두께는 균일할 수 있다. 제2 절연층(302-2)의 두께는 균일할 수 있다. 절연층(302)을 제1 절연층(302-1) 및 제2 절연층(302-2)의 층상 구조로 구현함으로써 간이한 공정으로도 두께 프로파일을 조절할 수 있다. 제1 절연층(302-1)은 기판(301)의 상부면을 덮도록 마련될 수 있다. 제2 절연층(302-2)은 제1 절연층(302-1)의 적어도 일부면에 마련될 수 있다. 제2 절연층(302-2)은 제1 도전형 컨택트(303) 또는 제 2 도전형 컨택트(304)가 마련되는 위치에 마련될 수 있다.
제1 절연층(302-1) 및 제2 절연층(302-2)은 서로 동일한 소재로 형성되거나 또는 서로 상이한 소재로 형성될 수 있다. 제1 절연층(302-1) 및 제2 절연층(302-2)은 절연 효과를 가지기 위한 일체의 소재로 형성될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
제1 활성층(305-1)은 절연층(302) 상에 형성될 수 있다. 제1 활성층(305-1)은 제1 도전형 컨택트(303)와 접하고, 제 2 도전형 컨택트(304)와 접하지 않도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 활성층(305-1)은 제1 절연층(302-1) 상에 마련되며, 제2 절연층(302-2)과 동일한 평면 상에 마련될 수 있다.
제2 활성층(305-2)은 절연층(302) 상에 형성될 수 있다. 제2 활성층(305-2)은 제 2 도전형 컨택트(304)와 접하고, 제1 도전형 컨택트(303)와 접하지 않도록 마련될 수 있다. 제2 활성층(305-2)은 제1 활성층(305-1)과 접하도록 마련될 수 있다. 제2 활성층(305-2)과 제1 활성층(305-1)이 접하는 면은 수직선 상에서 광 캐비티(pc) 상에 위치할 수 있다. 제2 활성층(305-2)은 제2 절연층(302-2) 상에 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 발광 소자(300)는 수직 p-i-n 구조를 가질 수 있다. 제1 활성층(305-1) 및 제2 활성층(305-2)이 수직선 상에서 층상 구조를 형성하기 때문이다. 제1 도전형 컨택트(303) 및 제 2 도전형 컨택트(304)에 바이어스 전압이 인가되면, 정공이 제1 활성층(305-1)으로 전달되고, 전자가 제2 활성층(305-2)으로 전달될 수 있다. 전자와 정공은 제1 활성층(305-1) 및 제2 활성층(305-2)이 접하는 면에서 결합하여 광을 형성할 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(400)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 발광 소자(400)는 광 캐비티(pc)를 포함하는 기판(401), 절연층(402), 제1 도전형 컨택트(403), 제 2 도전형 컨택트(404), 제1 도전형 활성층(405-1), 제 2 도전형 활성층(405-2), 제1 터널링층(406), 제2 터널링층(407)을 포함할 수 있다.
기판(401), 절연층(402), 제1 도전형 컨택트(403), 제 2 도전형 컨택트(404), 제1 도전형 활성층(405-1), 제 2 도전형 활성층(405-2)의 특성 및 조성은 도 3에 따른 실시예에서 이미 전술한 바 있으므로 중복되는 내용은 생략한다.
터널링층(406,407)은 제1 도전형 컨택트(403) 및 제 2 도전형 컨택트(404)와 활성층(405-1, 405-2)의 사이에 마련될 수 있다. 터널링층(406,407)은 제1 도전형 컨택트(403) 및 제 2 도전형 컨택트(404)와 활성층(405-1, 405-2)의 전기적 직접 접촉을 방지하되, 임계치 이상의 전압이 인가되면 터널링 현상을 발생시킬 수 있다. 전자와 정공은 제1 도전형 컨택트(403) 및 제 2 도전형 컨택트(404)에 바이어스 전압이 인가될 때는 터널링 효과로 활성층(405-1, 405-2)으로 이동하고, 바이어스 전압이 인가되지 않을 때는 활성층(405-1, 405-2) 에 가두어질 수 있다(trap). 따라서, 터널링층(406,407)은 전자 및 정공이 활성층(405-1, 405-2)에 오래 머무르는 기능을 제공할 수 있다. 구체적으로는, 제1 터널링층(406)은 제1 도전형 컨택트(403)와 제1 도전형 활성층(405-1) 사이에 마련될 수 있다. 제1 터널링층(406)은 제1 도전형 컨택트(403)에 바이어스 전압이 인가되는 경우에 정공을 제1 도전형 활성층(405-1)으로 전달할 수 있다. 제2 터널링층(407)은 제 2 도전형 컨택트(404)와 제 2 도전형 활성층(405-2) 사이에 마련될 수 있다. 제2 터널링층(407)은 제 2 도전형 컨택트(404)에 바이어스 전압이 인가되는 경우에 전자를 제 2 도전형 활성층(405-2)으로 전달할 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(500)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 발광 소자(500)는 광 캐비티(pc)를 포함하는 기판(501), 절연층(502), 제1 도전형 컨택트(503), 제 2 도전형 컨택트(504), 제1 도전형 활성층(505-1), 제 2 도전형 활성층(505-2), 제1 터널링층(506), 제2 터널링층(507)을 포함할 수 있다.
기판(501), 절연층(502), 제1 도전형 컨택트(503), 제 2 도전형 컨택트(504), 제1 도전형 활성층(505-1), 제 2 도전형 활성층(505-2)의 특성 및 조성은 도 3에 따른 실시예에서 이미 전술한 바 있으므로 중복되는 내용은 생략한다
본 실시예에 따른, 발광 소자(500)의 구조를 살피면, 기판(501)과 접하도록 제1 도전형 컨택트(503)와 제1 터널링층(506)이 마련될 수 있다. 절연층(502)은 제 2 도전형 컨택트(504)와 기판(501)이 접하지 않도록 그 사이에 마련될 수 있다. 제1 도전형 컨택트(503)는 광 캐비티(pc)를 수직선상에서 가리지 않도록 마련될 수 있다. 제1 터널링층(506)은 광 캐비티(pc)의 수직선상에 마련될 수 있다. 제1 터널링층(506)은 제1 절연층(502-1)과 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 제1 도전형 활성층(505-1)은 제1 터널링층(506) 상에 마련될 수 있다. 제1 도전형 활성층(505-1)은 제2 절연층(502-2)와 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 제 2 도전형 활성층(505-2)는 제1 도전형 활성층(505-1) 상에 마련되며, 제1 도전형 활성층(505-1)과 접할 수 있다. 제 2 도전형 활성층(505-2)는 제2 절연층(502-2) 상에 마련될 수 있다. 제2 터널링층(507)은 제 2 도전형 컨택트(504)와 제 2 도전형 활성층(505-2)의 사이에 마련될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(600)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6을 참조하면, 발광 소자(600)는 광 캐비티(pc)를 포함하는 기판(601), 제1 도전형 컨택트(603), 제 2 도전형 컨택트(604), 활성층(605), 활성층(605)을 둘러싸는 터널링층(606)을 포함할 수 있다.
기판(601), 제1 도전형 컨택트(603), 제 2 도전형 컨택트(604), 활성층(605), 터널링층(606) 의 특성 및 조성은 도 1에 따른 실시예에서 이미 전술한 바 있으므로 중복되는 내용은 생략한다.
본 실시예에 따른, 발광 소자(600)의 구조를 살피면, 기판(601)과 접하도록 제1 도전형 컨택트(603)와 터널링층(606)이 마련될 수 있다. 제1 도전형 컨택트(603)는 광 캐비티(pc)를 수직선상에서 가리지 않도록 마련될 수 있다. 터널링층(606)은 절연층의 기능과 터널링 기능을 동시에 수행할 수 있다. 터널링층(606)은 제 2 도전형 컨택트(604)와 기판(601)이 접하지 않도록 이격시킬 수 있다. 터널링층(606)은 활성층(605)을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 제 2 도전형 컨택트(604)는 활성층(605) 및 터널링층(606) 상에 마련될 수 있다.
투명 전극(609)는 활성층(605)의 수직선상에 위치하며, 제 2 도전형 컨택트(604)와 접하도록 마련될 수 있다. 투명 전극(609)은 제 2 도전형 컨택트(604)와 접하며 수평방향으로 연장되도록 마련될 수 있다. 투명 전극(609)은 활성층(605)에 대해 수직선상 방향으로 바이어스 전압을 넓은 영역에 걸쳐 인가시킬 수 있다. 투명 전극(609)은 그래핀이나, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 도전성 금속 산화물이 이용될 수 있다. 또는 발광 소자(600)가 생성하는 광 파장 영역에 따라서, 투명 전극(609)은 금속 재질로 형성될 수도 있다.
제1 도전형 컨택트(603)는 수평 방향을 기준으로 터널링층(606)을 사이에 두고 활성층(605)과 인접할 수 있다. 제 2 도전형 컨택트(604)는 수직 방향을 기준으로 터널링층(606)을 사이에 두고 활성층(605)과 인접할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(700)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 발광 소자(700)는 광 캐비티(pc)를 포함하는 기판(701), 제1 도전형 컨택트(703), 제 2 도전형 컨택트(704), 활성층(705), 활성층(705)을 둘러싸는 터널링층(706) 및 제1 도전형 컨택트(703)와 기판(701) 사이에 마련되는 절연층(702)을 포함할 수 있다.
기판(701), 제1 도전형 컨택트(703), 제 2 도전형 컨택트(704), 활성층(705), 터널링층(706) 및 절연층(702) 의 특성 및 조성은 도 1에 따른 실시예에서 이미 전술한 바 있으므로 중복되는 내용은 생략한다.
본 실시예에 따른, 발광 소자(700)의 구조를 살피면, 기판(601)과 제1 도전형 컨택트(603)의 사이에 절연층(702)이 마련될 수 있다. 터널링층(706)은 기판(701) 상에 직접 마련될 수 있다. 활성층(705)은 광 캐비티(pc)의 수직선 상에 마련될 수 있다. 제1 도전형 컨택트(703)는 광 캐비티(pc)를 수직선상에서 가리지 않도록 마련될 수 있다. 터널링층(706)은 절연층의 기능과 터널링 기능을 동시에 수행할 수 있다. 터널링층(706)은 제 2 도전형 컨택트(704)와 기판(701)이 접하지 않도록 이격시킬 수 있다. 터널링층(706)은 활성층(705)을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 제 2 도전형 컨택트(704)는 활성층(705) 및 터널링층(706) 상에 마련될 수 있다.
제1 도전형 컨택트(703)는 수평 방향을 기준으로 터널링층(706)을 사이에 두고 활성층(705)과 인접할 수 있다. 제 2 도전형 컨택트(704)는 수직 방향을 기준으로 터널링층(706)을 사이에 두고 활성층(705)과 인접할 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 발광 소자는 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 예를 들어, 상술한 실시예들에 따른 발광 소자는 광학적 이득이 1이상이 되도록 구성하여, 레이저 광원에 이용될 수 있다. 도 8을 참조하면, 레이저 광원(ls)에 전술한 실시예에 따른 발광 소자(led)가 포함될 수 있다.
지금까지, 본 개시의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 예시를 위한 것이고 이에 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 : 발광 소자
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701 : 기판
102, 202, 302, 402, 502, 702 : 절연층
103, 203, 303, 403, 503, 603, 703 : 제1 도전형 컨택트
104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 : 제 2 도전형 컨택트
105, 205, 305, 405, 505, 605, 705 : 활성층
206, 207 : 터널링층
pc : 광 캐비티
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701 : 기판
102, 202, 302, 402, 502, 702 : 절연층
103, 203, 303, 403, 503, 603, 703 : 제1 도전형 컨택트
104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 : 제 2 도전형 컨택트
105, 205, 305, 405, 505, 605, 705 : 활성층
206, 207 : 터널링층
pc : 광 캐비티
Claims (22)
- 광 캐비티(photonic cavity)를 포함하는 기판;
상기 광 캐비티 상에 마련되며, 이차원 물질로 형성되는 활성층;
상기 활성층과 전기적으로 연결되는 제1 도전형 컨택트; 및
상기 활성층과 전기적으로 연결되는 제 2 도전형 컨택트;을 포함하며,
상기 광 캐비티는 상기 기판의 표면 상에 형성되고,
상기 활성층 내부에는 상기 광 캐비티가 마련되지 않으며,
상기 제1 도전형 컨택트 및 제 2 도전형 컨택트 사이에 전압이 인가되는 경우, 상기 활성층을 기준으로 수평방향으로 제1 도전형 영역(p or n), 공핍층 영역(i), 제 2 도전형 영역(n or p)이 순차적으로 형성되도록, 상기 상기 제1 도전형 컨택트와 상기 제 2 도전형 컨택트는 상기 기판의 상부 표면 상에 상기 활성층을 사이에 두고 서로 이격되어 마련되는, 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제 2 도전형 컨택트 및 상기 제1 도전형 컨택트와 상기 활성층의 사이에 접하도록 마련되는 터널링층;을 더 포함하는 발광 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 터널링층은 상기 제1 도전형 컨택트와 상기 활성층 사이에 접하는 제1 터널링층과, 상기 제 2 도전형 컨택트와 상기 활성층 사이에 접하는 제2 터널링층을 포함하는 발광 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 터널링층은, 상기 활성층을 둘러싸는 형상을 가지는 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 제 2 도전형 컨택트는 상기 터널링층의 상부면 상에 마련되고, 상기 제1 도전형 컨택트는 상기 터널링층의 측면과 접하는 발광 소자. - 제5 항에 있어서,
상기 제 2 도전형 컨택트와 접하며, 수평방향으로 연장되는 투명 전극;을 더 포함하는 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 도전형 컨택트와 상기 기판 사이에 마련되는 절연층;을 더 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 활성층과 상기 기판의 사이에 마련되며, 상기 활성층을 상기 기판과 전기적으로 절연시키는 절연층;을 더 포함하는 발광 소자. - 제8 항에 있어서,
상기 절연층은 두께 프로파일이 균일하지 않은 발광 소자. - 제9 항에 있어서,
상기 절연층은 상기 제1 도전형 컨택트의 수직선상의 영역에서의 두께와 상기 제 2 도전형 컨택트의 수직선상의 영역에서의 두께가 서로 상이한 발광 소자. - 제10 항에 있어서,
상기 절연층은 상기 기판 상에 마련되는 제1 절연층과 상기 제1 절연층의 적어도 일부 영역에 형성되는 제2 절연층을 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 활성층은, 상기 제1 도전형 컨택트와 접하는 제1 도전형 활성층과 상기 제 2 도전형 컨택트와 접하는 제 2 도전형 활성층을 포함하는 발광 소자. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 도전형 활성층과 상기 제 2 도전형 활성층은 적층 구조를 형성하는 발광 소자. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 도전형 컨택트와 상기 제1 도전형 활성층 사이에 마련되는 제1 터널링층과 상기 제 2 도전형 컨택트와 상기 제 2 도전형 활성층 사이에 마련되는 제2 터널링층을 포함하는 터널링층;을 더 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 도전형 컨택트와 접하고, 상기 광 캐비티 상에 마련되는 제1 터널링층;을 더 포함하고,
상기 활성층은 상기 제1 터널링층 상에 형성되는 발광 소자. - 제15 항에 있어서,
상기 활성층은,
상기 제1 터널링층 상에 적층되는 제1 도전형 활성층, 상기 제1 도전형 활성층 상에 적층되며 상기 제 2 도전형 컨택트와 접하는 제 2 도전형 활성층을 포함하는 발광 소자. - 제16 항에 있어서,
상기 제1 터널링층 및 상기 제1 도전형 활성층과 측면에서 접하고, 상기 제 2 도전형 활성층과 상부면에서 접하며, 상기 기판 상에 마련되는 절연층;을 더 포함하는 발광 소자. - 제15 항에 있어서,
상기 제 2 도전형 컨택트와 상기 활성층 사이에 마련되는 제2 터널링층;을 더 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 기판은 도전성 소재로 형성되는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 이차원 물질은 전이금속 다이칼코게나이드(TMD)로 형성되는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광 캐비티는 게이트 전극으로 기능하는 발광 소자. - 제1 항에 따른 발광 소자를 포함하는 레이저 광원.
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|---|---|---|---|
| US15/962,600 US10910794B2 (en) | 2017-07-04 | 2018-04-25 | Light-emitting device comprising photonic cavity |
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|---|---|---|---|
| US201762528473P | 2017-07-04 | 2017-07-04 | |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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Families Citing this family (1)
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-
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20150069443A1 (en) * | 2013-09-09 | 2015-03-12 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies | Light-emitting diode with local photonic crystals |
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