KR20070060962A - 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자 - Google Patents

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Abstract

측면 실리콘 반사경을 채용하여 측면으로 발광하는 빛을 효과적으로 이용할 수 있는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자를 제공한다. 그 실리콘 발광소자는 다수의 홈이 형성된 p형 실리콘 기판; 홈 내부의 상기 기판 상에 형성된 활성층, n형 도핑층 및 투명 전극층을 구비하는 발광소자층; 및 p형 실리콘 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광소자층 상부에 형성된 상부 메탈전극을 구비하는 메탈전극;을 포함하고, 상기 홈의 측면은 상기 발광소자층과 이격되어 반사경으로 이용된다.
실리콘 발광소자, 실리콘 나노점, n형 도핑층, p형 실리콘 기판, 실리콘 측면반사경,

Description

측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자{Silicon-based light emitting diode using side reflecting mirror}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자에 대한 단면도이다.
도 2는 도 1의 실리콘 발광소자에 대한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자에 대한 평면도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자의 측면 반사경 부분을 주사전자현미경(SEM) 측정 사진이다.
도 5는 본 발명의 실리콘 측면 반사경형성에 있어서, 실리콘결정 성장방향이 100 면인 기판이 식각 용액인 AZ500MIF 용액에 의해 식각되는 식각율을 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:p형 실리콘 기판(100)...........110,110a:홈의 측면 또는 측면 반사경
200:발광소자층 ...................220:활성층
240: n형 도핑층...................260,260a:투명 전극층
300:메탈전극.....................320:하부 메탈전극
340,340a:상부 메탈전극
본 발명은 실리콘 반도체 소자에 관한 것으로, 특히, 실리콘 발광소자의 구조를 변경하여 발광효율을 향상시킨 실리콘 발광소자에 관한 것이다.
실리콘 발광소자, 예컨대 실리콘 나노점(silicon nano-size dots)을 이용한 근 적외선, 가시광 및 자외선 발광소자는 간접천이 특성으로 인해 발광효율이 낮은 종래 실리콘 반도체의 한계를 극복한 새로운 구조의 발광소자이다. 이러한 실리콘 발광소자는 다른 실리콘 기반 광전자 소자와 호환이 용이하고 제작 비용이 낮으므로 많은 연구가 되어오고 있다. 그러나 아직까지는 여전히 낮은 발광효율 때문에 전자기기 등에 응용하는 데에는 어려움이 많고 여러 가지 개선사항이 요구되고 있다.
실리콘 발광소자에 주로 이용되는 결정질 실리콘 나노점의 형성 및 특성은 Appl. Phys. Lett. 85, 5355 (2004)에 개시되어 있으며, 실리콘 발광소자의 구조 및 발광 특성에 관한 결과는 Appl. Phys. Lett. 86, 071909 (2005)에 개시되어 있다.
실리콘 발광소자의 발광효율을 떨어뜨리는 주요한 원인 중의 하나는 발광된 모든 빛을 전반적으로 활용할 수 없다는 데에서 기인한다. 즉, 실리콘 나노점을 이용한 실리콘 발광소자는 실리콘 기판을 이용하기 때문에 사방으로 발광하는 빛들 중 기판 상면으로 향하는 빛만을 이용하고 측면으로 향하는 빛은 이용되지 않고 손실된다. 그에 따라, 화합물 반도체 발광소자에 비하여 상대적으로 낮은 발광효율을 보이는 단점을 가진다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 실리콘 발광소자에 있어서, 새로운 구조를 채용하여 측면으로 발광하는 빛을 효과적으로 이용할 수 있는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 목적을 달성하기 위하여, 다수의 홈이 형성된 p형 실리콘 기판; 상기 홈 내부의 상기 기판 상에 형성된 활성층, n형 도핑층 및 투명 전극층을 포함하는 발광소자층; 및 상기 p형 실리콘 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광소자층 상부에 형성된 상부 메탈전극을 포함하는 메탈전극;을 구비하고, 상기 홈의 측면은 상기 발광소자층과 이격되어 반사경으로 이용되는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 발광소자는 실리콘 기판을 비등방 습식 식각하여 상기 홈 내부의 측면이 바닥면과 경사지게 형성되어 있으며, 상기 경사는 홈의 바닥면과 10°~ 80°정도이다.
상기 발광소자층은 상기 활성층 상부로 n형 도핑층 및 투명 전극층을 포함하며, 상기 투명 전극층 상면으로는 고리형의 상부 메탈전극이 형성된다. 상기 n형 도핑층은 n형 화합물 반도체 및 n형 실리콘 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 활성 층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 홈의 바닥면은 수평 단면이 원형, 타원형 또는 직사각형 형태를 가지며, 바닥면이 원형인 경우 지름이 약 0.01 ~ 10 mm 되도록 형성된다. 또한, 상기 홈은 상기 기판 상면으로부터 약 0.1 ～ 10 mm의 깊이를 가지도록 형성된다.
한편, 상기 발광소자층은 수평 단면이 상기 홈의 바닥면과 동일한 기둥의 형태로 형성되며, 발광소자층의 두께는 상기 홈의 깊이 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 홈의 경사면이 상기 발광소자층을 둘러싸도록 형성되는 것이 바람직하며, 특히, 발광소자층의 활성층은 상기 홈의 내부 하부에 형성되어 활성층에서 발광된 빛들 중 측면으로 향하는 빛들은 상기 홈의 경사면을 통해 반사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실리콘 발광소자는 투명 전극이 형성된 기판 상면으로만 발광 영역이 한정되지 않고, 발광영역을 실리콘 기판의 홈의 경사면까지 넓혀 측면으로 손실되는 발광 빛을 기판 상면 방향으로 집중시킴으로써, 발광효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 부호는 동 일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
발광소자의 성능 향상을 위하여서는 빛을 생산하는 활성층뿐만 아니라 캐리어(carrier)를 주입한 도핑층과 빛을 효과적으로 방출시키기 위한 반사층, 그리고 이들의 구조적 배치가 중요하다. 특히, 실리콘 나노점을 이용한 실리콘 발광소자에서는 자체 발광이 화합물 반도체 발광소자에 비하여 상대적으로 약하기 때문에 효과적인 구조적 배치가 더욱 중요하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자에 대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 발광소자는 홈이 형성된 기판(100), 홈 내부의 기판(100) 상에 형성된 발광소자층(200) 및 메탈전극(300)을 포함하고, 상기 기판(100) 상에 형성된 홈의 측면(110)은 상기 홈의 바닥면과 일정한 경사를 가지도록 형성된다.
기판(100)은 p형 실리콘 기판으로 발광소자층(200)으로 캐리어를 주입하기 위해 홈이 형성된 부분의 바닥면은 p형 도핑층으로 형성된다. 기판(100) 내부로는 다수의 홈이 형성되며, 홈들의 측면(110)은 경사지게 형성되어 발광소자층(200)에서 나오는 빛을 기판(100) 상면으로 반사시키는 기능을 한다. 홈의 측면(110)의 경사(θ)는 90°미만으로 형성되되, 일반적으로 10°~ 80°정도로 형성되며, 바람직하게는 40°~ 60°정도가 바람직하다.
발광소자층(200)은 발광이 일어나는 활성층(220), 활성층(220) 상부의 n형 도핑층(240) 및 n형 도핑층(240) 상부의 투명 전극층(260)을 포함한다.
활성층(220)은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점으로 형성될 수 있다. 또한, 활성층(220)의 두께는 10 nm ~ 100 ㎛ 정도가 바람직하다.
n형 도핑층(240)은 n형 화합물 반도체 및 n형 실리콘 반도체로 형성되며, 일반적으로 실리콘 카본(SixC1 -x,0≤x≤1) 또는 실리콘 카본 나이트라이드(SiCxN1 -x,0≤x≤1)에 n형 도핑하여 형성된다. n형 도핑층(240)이 투명층이 되어야 함은 당연하다. 왜냐하면, 활성층(220)으로부터 발광된 빛을 기판 상면 방향으로 방출하여야 하기 때문이다. n형 도핑층(240)은 예컨대 인(P) 계열의 도펀트가 이용될 수 있고 도핑 농도는 약 1016 ~ 1019 ㎝-3 정도이고 두께는 1 ~ 4 ㎛ 정도이다. 그러나 발광소자의 특성이나 구조에 따라 도핑 농도나 두께는 다르게 형성될 수도 있다.
투명 전극층(260)은 전도성의 투명한 물질로 형성되는데, ITO, IZO, ZnO 또는 In2O3 등이 이용될 수 있고, 그 중에서 ITO로 형성되는 것이 바람직하다.
메탈전극(300)은 기판(100) 하부로 형성된 하부 메탈전극(320)과 발광소자층(200)의 투명 전극층(260) 상부로 형성된 상부 메탈전극(340)을 포함하는데, 발광소자층(200)으로 전압을 인가하여 캐리어들이 활성층(220)으로 이동하도록 하는 기능을 한다.
본 발명에 의한 실리콘 발광소자는 활성층(220)에서 발생하는 빛들 중 측면 으로 향하는 빛을 홈의 측면(110)을 이용하여 반사시킴으로써, 기판 상면으로의 발광효율을 향상시킨다. 따라서, 실리콘 재질의 홈의 측면(110)은 반사경의 기능을 하므로, 이하 '측면 반사경'이라 한다.
도 2는 도 1의 실리콘 발광소자에 대한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 내부로 측면 반사경(110), 투명 전극층(260) 및 투명 전극층(260) 내부로 직사각형 링 형상의 상부 메탈전극(340)이 도시된다.
본 실시예에서는 홈의 바닥면이 직사각형 형태로 형성되고, 발광소자층(200)은 바닥면과 일치되게 단면이 직사각형인 기둥형상으로 형성된다. 이때, 발광소자층(200)의 수평 단면 또는 직사각형의 홈의 바닥면은 한 변의 길이가 약 0.01 ～ 10 mm 정도로 형성되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 발광소자층(200)은 측면 반사경(110)으로 둘러싸인 구조가 되며 활성층(220)에서 측면으로 발광된 빛이 측면 반사경(110)을 통해 기판(100) 전면으로 향하게 됨은 전술한 바와 같다.
한편, 투명 전극층(260) 상부에 형성된 상부 메탈전극(340)은 투명 전극층(260) 외곽 방향으로 직사각형 링의 형태로 형성되나 이에 한정되지 않는다. 즉, 원형이나 타원형 등으로 형성될 수 있음은 물론이다. 상부 메탈전극(340)이 고리형태로 형성되는 이유는 투명 전극층(260)에 좀더 고르게 전압을 인가하기 위함이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자에 대한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 도 2와 달리 측면 반사경(110a), 투명 전극층(260a) 및 상 부 메탈전극(340a)이 원형으로 형성된다. 전체적으로 도시되지는 않았지만, 본 실시예에서는 투명 전극층(260a)을 포함한 발광소자층은 원기둥 형상으로 형성된다. 이때, 형성된 발광소자층의 단면 또는 원형 홈의 지름은 0.01 ～ 10 mm 정도가 적당하나 그에 한정되는 것은 아니다.
두 실시예에서 직사각형 기둥 및 원기둥의 발광소자층을 예시하고 있으나, 타원기둥 또는 다른 각형의 기둥 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 상부 메탈전극 및 측면 반사경은 발광소자층의 수평 단면에 맞추어 단면이 원형 링이나 직사각형 링의 형태를 가지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 링의 구조를 가질 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자의 측면 반사경 부분을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy:SEM)으로 측정한 사진이다.
도 4a의 좌측 중앙부분에 측면 반사경이 형성되어 있음을 볼 수 있다. 한편, 도 4b의 경우는 주사전자현미경을 좀더 기판 상면 방향으로 하여 측정한 사진으로 좌측 상부 꼭지점 부분에서 중심방향으로 측면 반사경이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
이와 같은 실리콘 기판에 경사진 측면, 즉 측면 반사경의 형성은 비등방적 습식 식각을 통해 달성할 수 있으나 그에 한정되지는 않는다. 이때 사용되는 실리콘 기판은 실리콘결정 성장방향이 100면인 것이 바람직하다. 예컨대, PR 패턴에 이용되는 AZ500MIF 용액을 이용하여 실리콘결정 성장방향이 100면을 가지는 p형 실리 콘 기판을 습식 식각을 하면 도 4a 및 4b와 같은 모양의 상기 측면 반사경을 제작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실리콘 측면 반사경 형성에 있어서, 실리콘결정 성장방향이 100면인 기판이 식각 용액인 AZ500MIF 용액에 의해 식각되는 식각율을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 가로축인 x축은 식각 시간을 나타내며 단위는 시간(hour)이다. 세로축인 y축은 식각되는 두께를 나타내며 단위는 나노미터(㎚)이다. 그래프의 검은 소형 직사각형은 결정 성장방향이 100인 면의 격자점을 나타낸다. 점선의 직선은 최소 좌승법 등을 적용한 선형 피팅(linear fitting)을 통해 얻을 수 있다. 점선의 직선을 통해 분 단위로 식각율을 계산하면, 약 2.39 ㎚/min 정도임을 알 수 있다.
본 발명의 발광소자는 메탈전극(300)에 전류를 인가하면 전자 또는 정공으로 이루어지는 캐리어들이 투명전극(260 또는 260a))과 n형 도핑층(240)를 통과하여 상기 활성층(220)에서 빛을 발생한다. 이때 발생하는 발광 빛은 기판의 상면 방향으로만 방출하지 않고 사방으로 방출하게 된다. 그러나 측면으로 방출되는 빛들은 상기 실리콘 측면 반사경(110 또는 110a)을 통하여 기판의 상면 방향으로 방출되고 그에 따라 발광소자의 발광효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 발광소자는 기존 실리콘 공정의 비등방적 식각 공정, 즉 AZ500MIF 용액과 같은 식각 용액을 이용하여 측면 반사경을 용이하게 형성할 수 있고, 이와 같은 공정의 단순화는 소자의 안정된 동작특성에 기여하며, 그에 따라 발 광소자의 전체적인 전계 발광(electroluminescence) 특성을 향상시킨다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
지금까지 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 발광소자는 실리콘 나노점을 활성층으로 이용한 발광소자로서, 기존의 실리콘 습식 식각 공정이 적용되어 실리콘 측면 반사경이 기판 내부 측면으로 형성됨으로써, 측면으로 발광하는 빛을 효과적으로 이용할 수 있고, 그에 따라 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 발광소자는 발광 효율이 높고 공정이 단순하여, 안정된 동작 특성을 가지므로 전체적인 소자의 전계 발광(electroluminescence) 특성을 개선할 수 있다.

Claims (12)

  1. 다수의 홈이 형성된 p형 실리콘 기판;
    상기 홈 내부의 상기 기판 상에 형성된 활성층, n형 도핑층 및 투명 전극층을 구비하는 발광소자층; 및
    상기 p형 실리콘 기판 하부에 형성된 하부 메탈전극 및 상기 발광소자층 상부에 형성된 상부 메탈전극을 구비하는 메탈전극;을 포함하고,
    상기 홈의 측면은 상기 발광소자층과 이격되어 반사경으로 이용되는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층의 상면으로 n형 도핑층 및 투명 전극층이 순차적으로 위치하며,
    상기 상부 메탈전극은 상기 투명 전극층 상에 형성되며, 상기 투명 전극층의 외곽 방향으로 고리 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 발광소자층은 전체적으로 원기둥, 타원기둥 또는 직육면체 기둥 형상을 가지며,
    상기 상부 메탈전극은 원형, 타원형 또는 직사각형 고리 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 홈의 측면은 상기 홈의 바닥면에 경사지게 형성되며,
    상기 홈의 바닥면과 90°미만의 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘결정 성장방향이 100 면이고,
    상기 경사는 상기 기판을 비등방 습식 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 습식 식각은 AZ500MIF 용액이 이용되며,
    상기 홈의 측면은 바닥면과 10°~ 80°경사를 가지는 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 홈의 바닥면은 원형, 타원형 또는 직사각형 형태를 가지며,
    상기 기판 상면으로부터 상기 홈의 깊이는 0.1 ～ 10 mm을 가지는 것을 특징 으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 홈의 바닥면은 원형의 형태를 가지며,
    상기 원형의 지름은 0.01 ~ 10 mm 인 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 발광소자층은 수평 단면이 상기 홈의 바닥면의 형태를 가진 기둥 형태로 형성되며,
    상기 발광소자층의 두께는 상기 홈의 깊이 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots) 또는 비정질 실리콘 나노점으로 형성된 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층의 두께는 10 ㎚ ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 도핑층은 n형 화합물 반도체 및 n형 실리콘 반도체로 형성된 것을 특징으로 하는 측면 반사경을 이용한 실리콘 발광소자.
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