KR20050099739A - 실리콘 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 발광층과 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위한 전극들을 포함하여 구성된 실리콘 발광소자에 있어서, 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 실리콘 카본 나이트라이드막을 구비하는 실리콘 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 실리콘 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 실리콘 발광층의 발광효율을 높이기 위하여 실리콘 카본 나이트라이드막을 구비하는 실리콘 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실리콘 발광소자, 예컨대 실리콘 나노점을 이용한 근적외선, 가시광 및 자외선 발광소자는 간접천이 특성 때문에 발광효율이 낮은 실리콘 반도체의 한계를 극복한 새로운 구조의 발광소자이다.
그러나, 실리콘 나노점이 양자효과를 일으키기 위해 기저체로 이용되는 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물 박막은 전류의 이동성이 거의 없는 절연체 물질로서 소자의 응용성을 저하시키는 원인이 되고 있다.
상기 절연체 물질은 일반적으로 도핑이 되지 않기 때문에 전하의 이동성을 향상시키기 위해서는 상부에 도핑층을 성장시켜야 한다. 그러나, 상기 실리콘 산화물이나 상기 실리콘 질화물 박막은 구조적으로 비정질 상태이기 때문에 이러한 박막 위에 성장할 수 있는 박막 또한 비정질 구조를 가지는 것이 바람직하다.
이러한 상기 실리콘 나노점의 크기를 조정하여 발광 파장을 조절할 경우에도 효과적으로 발광층으로 전하를 주입하기 위해서는 상부 도핑층의 밴드갭을 각각의 경우에 맞게 조절해야만 한다. 또한, 상부 도핑층은 발광 파장에 대해서 투명해야만 외부로 빛을 효과적으로 방출할 수 있다.
그러나, 이러한 조건들을 만족시키는 비정질 도핑층이 아직 개발되지 않아 실리콘 발광소자의 상용화에 매우 어려움을 겪고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 넓은 에너지 영역에서 띠간격을 갖고 도핑이 가능함과 아울러 비정질 박막 위에 성장이 가능한 실리콘 카본 나이트라이드막을 형성함으로써, 근적외선, 가시광 및 자외선 영역에서 발광효율을 향상시킬 수 있는 실리콘 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 실리콘 발광층과 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위한 전극들을 포함하여 구성된 실리콘 발광소자에 있어서, 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 상기 실리콘 발광층의 발광효율을 높이기 위한 실리콘 카본 나이트라이드막을 구비하는 실리콘 발광소자를 제공한다.
바람직하게는, 실리콘 발광층은 비정질 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물의 기저체에 의해 둘러싸인 결정질 실리콘 미세구조 또는 비정질 실리콘 양자점으로 이루어진다.
바람직하게는, 실리콘 카본 나이트라이드막의 두께는 0.1∼4㎛, 도핑농도는 1016∼1019cm-3, 에너지 띠간격은 2.0eV 내지 4.0eV, 발광 파장에 대한 투과율이 60 내지 99% 의 범위이다.
본 발명의 제2 측면은 실리콘 발광층과 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위한 전극들을 포함하여 구성된 실리콘 발광소자의 제조방법에 있어서, 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 상기 실리콘 발광층의 발광효율을 높이기 위한 실리콘 카본 나이트라이드막을 형성하는 실리콘 발광소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 기판; 상기 기판 상부의 소정 영역에 형성된 실리콘 발광층; 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 발광효율을 높이기 위해 형성된 실리콘 카본 나이트라이드막; 및 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위해서 배치되는 제1 및 제2 전극을 포함하여 이루어진 실리콘 발광소자를 제공한다.
바람직하게는, 실리콘 카본 나이트라이드막은 상기 실리콘 발광층 상부에 형성되고, 실리콘 발광층 측부의 상기 실리콘 기판 상에 형성된 제1 전극과 상기 실리콘 카본 나이트라이드막 상부의 소정 영역에 형성된 제2 전극을 포함한다. 더 바람직하게는, 실리콘 발광층과 상기 실리콘 기판 사이에 실리콘 카본 나이트라이드막을 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다 라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 발광소자에 적용된 실리콘 카본 나이트라이드막의 에너지 띠간격을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 통상적으로 3개의 원소로 구성된 화합물의 경우에는 두 개의 원소로 구성된 화합물 사이의 에너지 띠간격을 가지게 된다. 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN)막과 관련하여, SiCxN1-x에서 x(0≤x≤1)값의 변화에 따라 실리콘 카본 나이트라이드막의 에너지 띠간격은 연속적으로 변하게 된다. 바람직하게는, 실리콘 카본 나이트라이드막은 비정질이다.
따라서, 비정질 실리콘 카본 나이트라이드막의 제조시 탄소나 질소의 양을 조절하면, 실리콘 카바이드(SiC)의 에너지 띠간격인 2.0eV 내지 실리콘 질화물 (Si3N4)의 에너지 띠간격인 5.0eV 범위에서 에너지 띠간격을 갖는 실리콘 카본 나이트라이드막을 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 기판(100) 상부의 소정 영역에 실리콘 발광층(110)이 형성되어 있고, 실리콘 발광층(110)이 형성되지 않은 기판(100)상의 소정 영역에 p형 전극(120)이 형성되어 있다. 바람직하게는, 기판(100)은 p형 실리콘 기판이다.
기판(100)은 발광 소자의 기판으로서 사용되는 것이라면 특히 한정되지 않고 적용가능하며, 실리콘, 게르마늄 등의 반도체 기판, SiGe, SiC, GaAs, InGaAs 등의 화합물 반도체 기판, 유리, 사파이어, 석영, 수지 등의 절연성 기판 중 어느 하나의 기판을 사용할 수도 있다. 다만, 예컨대 실리콘 양자점들로 실리콘 발광층을 구성하는 경우, 실리콘 기판을 이용하면 그 기판 상에 실리콘 발광층을 바로 형성하는 것이 가능하게 되는 이점이 있다. 한편, 실리콘 기판 이외의 다른 종류의 기판을 이용하면 그 기판 상에 별도의 실리콘층을 형성하고, 그 상에 실리콘 발광층을 형성할 수 있다.
실리콘 발광층(110)의 상부에는 실리콘 카본 나이트라이드막(130)을 형성한다. 바람직하게는 실리콘 카본 나이트라이드막(130)은 n형 투명 도핑층이고, 이 상부의 소정 영역에는 n형 전극(140)이 형성되어 있다. n형 도핑을 위해서는 예컨대 인(P) 계열의 도펀트를 이용할 수 있고, p형 도핑을 위해서는 보론(B) 계열의 도펀트를 이용할 수 있다. 바람직한 비정질 실리콘 카본 나이트라이드막의 도핑농도는 약 1016 내지 1019cm-3 정도의 범위 내이고, 이 경우 에너지 갭은 약 2.0 내지 4.0 eV 정도의 범위 내에서 조절할 수 있으며, 발광파장에 대한 투과율은 60 내지 99% 정도의 범위이다.
실리콘 발광층(110)은 결정질 실리콘 미세구조가 비정질 실리콘 산화물 또는 질화물 기저체에 둘러싸이게 되거나, 비정질 실리콘 양자점이 비정질 실리콘 산화물 또는 질화물 기저체에 둘러싸이게 되어 있고, 사용하는 시스템 또는 요구하는 특성에 따라 발광파장이 단일 또는 여러 파장을 발산할 수 있도록 성장할 수 있다.
또한, 실리콘 발광층(110)은 예를 들어, 화학기상 증착법(PECVD) 또는 스퍼터링법에 의해 실란 가스와 질소원 가스(질소 또는 암모니아 가스)나 산소원 가스(산소 또는 일산화 이질소 가스)를 이용하여 플라즈마를 형성한 후, 실리콘 산화물 또는 질화물 박막과 실리콘 미세구조를 제작할 수 있으며, 실리콘 미세구조를 제작하기 위해 후열처리 공정을 이용할 수도 있다.
그리고, p형 전극(120) 및 n형 전극(140)의 재료로는 각각 Ni/Au 및 Ti/Al로 이루어짐이 바람직하며, p형 전극(120) 및 n형 전극(140)의 위치가 서로 바뀔 수도 있다.
실리콘 카본 나이트라이드막(130)은 화학기상 증착법에 의해 증착될 수 있으며, 이 경우의 성장온도는 약 100 내지 600℃ 정도의 범위이고, 성장압력은 약 0.1 내지 10Torr 정도의 범위에서 실시함이 바람직하다. 이때, 가스원료로는 실란 가스와 메탄 가스 이외에 질소나 암모니아 가스를 사용할 수 있으며, 실리콘 카본 나이트라이드막(130)의 두께는 약 0.1 내지 4㎛ 정도가 바람직하다.
한편, 실리콘 카본 나이트라이드막(130)은 스퍼터(sputter) 방법에 의해 제작될 수도 있으며, 이 경우의 성장온도는 약 상온 내지 600℃ 정도의 범위이고, 성장압력은 약 1 내지 100Torr 정도의 범위에서 실시함이 바람직하다. 이때, 가스원료로는 메탄과 질소 및 암모니아 가스를 사용할 수 있으며, 타겟으로 실리콘 기판 내지 실리콘 카바이드(SiC) 또는 실리콘 나이트라이드(SiN)를 사용함이 바람직하다.
실리콘 카본 나이트라이드막(130)은 예컨대 약 1016 내지 1019cm-3 정도 범위 내의 도핑 농도를 얻도록 불순물을 활성화하기 위해 300 내지 800℃의 온도에서 30초 내지 5분 동안 급속 열처리한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 발광소자를 나타낸 단면도이다. 설명의 편의를 위해서, 제2 실시예에 대한 설명은 제1 실시예와의 차이점을 위주로 상세히 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 기판(200)(예컨대, p형 실리콘 기판)의 상부에 제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210)이 형성되어 있고, 제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210) 상부의 소정 영역에 실리콘 발광층(220)이 형성되어 있으며, 실리콘 발광층(220)이 형성되지 않은 제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210)상의 소정 영역에 p형 전극(230)이 형성되어 있다.
또한, 실리콘 발광층(220)의 상부에 제2 실리콘 카본 나이트라이드막(240)이 형성된다. 바람직하게는, 제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210)은 p형 투명도핑층이고, 제2 실리콘 카본 나이트라이드막(240)은 n형 투명도핑층이다. 제2 실리콘 카본 나이트라이드막(240) 상부의 소정 영역에 n형 전극(250)이 형성되어 있다.
여기서, 실리콘 발광층(220)과 제1,2 실리콘 카본 나이트라이드막(210,240)은 전술한 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 바 있으므로, 설명의 편의를 위해 상세한 설명은 생략한다.
제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210)은 p형 투명도핑층으로, 두께는 약 1 내지 4㎛ 정도의 범위로 이루어짐이 바람직하며, 그 도핑농도는 약 1016 내지 1019cm-3 정도의 범위 내에서 조절할 수 있다.
한편, 도 3에서는 제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210)이 기판(200)과 p형 전극(230) 사이에도 개재된 것으로 도시되어 있으나, 제1 실리콘 카본 나이트라이드막(210)은 실리콘 발광층(220)과 기판(200) 사이에만 게재될 수 있음은 자명하다.
전술한 본 발명에 따른 실리콘 발광소자 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
예를 들어, 도 2와 도 3은 실리콘 발광층의 하부에만 실리콘 카본 나이트라이드막이 게재된 경우는 도시하고 있지 않으나 이와 같은 변형도 가능함은 자명하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실리콘 발광소자 및 그 제조방법에 따르면, 두 전극 사이에 개재된 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 실리콘 카본 나이트라이드막을 투명도핑층으로 형성함으로써, 근적외선, 가시광 및 자외선 영역에서 발광효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 발광소자에 적용된 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN)막의 에너지 띠간격을 설명하기 위해 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 발광소자를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 발광소자를 나타낸 단면도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
100,200 : 기판, 110,220 : 실리콘 발광층,
120,230 : p형 전극, 130 : 실리콘 카본 나이트라이드막,
140,250 : n형 전극, 210 : 제1 실리콘 카본 나이트라이드막,
240 : 제2 실리콘 카본 나이트라이드막
Claims (15)
- 실리콘 발광층과 상기 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위한 전극들을 포함하여 구성된 실리콘 발광소자에 있어서,상기 실리콘 발광층의 발광효율을 높이기 위하여, 상기 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 실리콘 카본 나이트라이드막을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 발광층은 비정질 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물의 기저체에 의해 둘러싸인 결정질 실리콘 미세구조 또는 비정질 실리콘 양자점으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 카본 나이트라이드막의 두께는 0.1∼4㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 카본 나이트라이드막의 도핑농도는 1016∼1019cm-3인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 카본 나이트라이드막의 에너지 띠간격은 2.0eV 내지 4.0eV 인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 발광파장에 대한 투과율이 60 내지 99% 의 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 실리콘 발광층과 상기 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위한 전극들을 포함하여 구성된 실리콘 발광소자의 제조방법에 있어서,상기 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 상기 실리콘 발광층의 발광효율을 높이기 위한 실리콘 카본 나이트라이드막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자의 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 화학기상 증착법에 의해 실란 가스와 메탄 가스, 또는 질소나 암모니아 가스를 사용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자의 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 100 내지 600℃의 온도 범위, 0.1 내지 10Torr의 성장압력 범위에서 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자의 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 스퍼터링법에 의해 형성하되, 메탄, 질소 및 암모니아 가스를 사용하며, 타겟으로 실리콘 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 또는 실리콘 나이트라이드(SiN)를 사용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 100 내지 600℃의 온도 범위, 1 내지 10Torr의 성장압력 범위에서 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자의 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 1016 내지 1019cm-3 정도 범위 내의 도핑농도를 얻도록 불순물을 활성화하기 위해 300 내지 800℃의 온도에서 30초 내지 5분 동안 급속 열처리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자의 제조방법.
- 기판;상기 기판 상부의 소정 영역에 형성된 실리콘 발광층;상기 실리콘 발광층의 상부와 하부 중 적어도 하나에 발광효율을 높이기 위해 형성된 실리콘 카본 나이트라이드막; 및상기 실리콘 발광층에 전압차를 인가하기 위해서 배치되는 제1 및 제2 전극을 포함하여 이루어진 실리콘 발광소자.
- 제 13항에 있어서,상기 실리콘 카본 나이트라이드막은 상기 실리콘 발광층 상부에 형성되고,상기 실리콘 발광층 측부의 상기 실리콘 기판 상에 형성된 제1 전극과 상기 실리콘 카본 나이트라이드막 상부의 소정 영역에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
- 제 14항에 있어서,상기 실리콘 발광층과 상기 실리콘 기판 사이에 추가로 실리콘 카본 나이트라이드막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광소자.
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