KR100576718B1

KR100576718B1 - 실리콘 발광 소자

Info

Publication number: KR100576718B1
Application number: KR1020030096218A
Authority: KR
Inventors: 김태엽; 박래만; 성건용
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2006-05-03
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: US20050139847A1; KR20050064646A; US6998643B2

Abstract

도핑층과 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 동시에 채용한 실리콘 발광 소자에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 상호 반대 방향의 제1 면 및 제2 면을 가지는 활성층을 포함한다. 상기 활성층의 제1 면에는 제1 반사부가 대향하고 있고, 상기 활성층의 제2 면에는 제2 반사부가 대향하고 있다. 상기 활성층과 제1 반사부와의 사이에는 제1 도핑층이 개재되어 있고, 상기 활성층과 제2 반사부와의 사이에는 제2 도핑층이 개재되어 있다. 상기 제1 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제1 전극과, 상기 제2 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제2 전극이 형성되어 있다. 상기 제1 반사부 및 제2 반사부 중 적어도 하나는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR과 게이트를 포함한다.

실리콘 발광 소자, DBR, 전반사 금속막, 게이트, 도핑층, 실리콘 나노점

Description

실리콘 발광 소자{Silicon-based light emitting diode}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 발광 소자의 요부 구성을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 발광 소자의 요부 구성을 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 기판, 104: 활성층, 104a: 제1 면, 104b: 제2 면, 106: 제1 도핑층, 108: 제2 도핑층, 110: 제1 반사부, 112: 제1 DBR, 114: 제2 DBR, 120: 제2 반사부, 122: 제1 전극, 124: 제2 전극, 132: 제1 게이트, 134: 제2 게이트, 220: 제2 반사부.

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 분포 브래그 반사경 (DBR: Distributed Bragg Reflector)을 구비한 실리콘 발광 소자에 관한 것이다.

실리콘 나노점 (silicon nano-size dots)을 이용한 실리콘 발광 소자는 다른 실리콘 기반 광전자 소자와 호환이 용이하고 제작 비용이 낮으므로 많은 연구가 되어오고 있다. 그러나, 지금까지 알려진 실리콘 발광 소자는 낮은 발광 효율과 넓은 발광 스펙트럼 때문에 응용화하는데 어려움이 있었다.

발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 광 소자에서는 높은 반사율을 갖는 DBR이 이용되고 있다. DBR은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 재료를 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 반사경이다.

화합물 반도체 발광 소자에서는 DBR에 도핑 물질을 주입하여 높은 발광 효율과 좁은 발광 스펙트럼을 얻는다. 그러나, 실리콘 나노점을 이용한 실리콘 발광소자는 활성층을 포함하는 기저체의 종류에 따라 DBR로서 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같은 절연체 물질을 사용해야 하기 때문에 DBR에 직접 도핑 하는데 문제가 있다.

본 발명의 목적은 DBR에 직접 도핑할 필요 없이 도핑층과 DBR을 사용하여 높은 발광 효율 및 좁은 발광 스펙트럼을 구현할 수 있는 새로운 구조를 가지는 실리콘 발광 소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 기판상에 형성되고 상호 반대 방향의 제1 면 및 제2 면을 가지는 활성층을 포함한다. 상기 활성층의 제1 면에는 제1 반사부가 대향하고 있고, 상기 활성층의 제2 면에는 제2 반사부가 대향하고 있다. 상기 활성층과 제1 반사부와의 사이에는 제1 도핑층이 개재되어 있고, 상기 활성층과 제2 반사부와의 사이에는 제2 도핑층이 개재되어 있다. 또한, 상기 제1 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제1 전극과, 상기 제2 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 반사부 및 제2 반사부 중 적어도 하나는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR(Distributed Bragg Reflector)과 게이트를 포함한다.

상기 게이트는 상기 제1 도핑층 또는 제2 도핑층에 캐리어를 이동시키기 위하여 상기 DBR을 관통하여 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 활성층은 결정질 또는 비정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots)으로 이루어진다.

본 발명에 따른 실리콘 발광 소자의 일 양태에 있어서, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부는 각각 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR과 상기 DBR을 관통하여 형성된 게이트를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자의 다른 양태에 있어서, 상기 제1 반사부는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR과 상기 DBR을 관통하여 형성된 게이트를 포함하고, 상기 제2 반사부는 전반사 금속막으로 이루어진다. 여기서, 상기 전반사 금속막은 상기 기판에 접해 있게 된다.

바람직하게는, 상기 DBR을 구성하는 2종의 실리콘함유 절연층은 제1 절연층 및 제2 절연층으로 구성되고, 상기 제1 절연층과 제2 절연층과의 사이의 굴절율 차이는 0.1 ∼ 1.5이다. 상기 제1 절연층 및 제2 절연층이 교대로 복수 회 적층되어 상기 DBR을 구성하게 된다. 상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 이들의 복합막으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 제1 실리콘 산화막 및 제2 실리콘 산화막으로 이루어진다. 또한 바람직하게는, 상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 제1 실리콘 질화막 및 제2 실리콘 질화막으로 이루어진다.

본 발명에 따른 실리콘 발광 소자에 의하면, 발광 효율이 높고 발광 스펙트럼이 좁으며, 안정된 동작 특성을 얻을 수 있어 소자의 전계 발광 (electroluminescence) 특성을 향상시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

발광 소자의 성능 향상을 위하여서는 빛을 생산하는 활성층 뿐 만 아니라 캐리어를 주입하는 도핑층과 빛을 효과적으로 방출시키기 위한 반사부, 그리고 이들의 구조적 배치가 중요하다. 특히, 실리콘 나노점을 이용한 실리콘 발광 소자에서는 자체 발광이 상대적으로 약하기 때문에 도핑층과 반사부, 그리고 효과적인 구조적 배치가 더욱 중요하다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 발광 소자는 기판(100)상에 상호 반대 방향의 제1 면(104a) 및 제2 면(104b)을 가지는 활성층(104)이 형성되어 있다. 상기 활성층(104)은 결정질 또는 비정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots)으로 이루어진다. 바람직하게는, 상기 활성층은 150 ㎛ ∼ 30 ㎚의 두께를 가진다.

상기 활성층(104)의 제1 면(104a)에는 제1 반사부(110)가 대향하고 있고, 상기 활성층(104)의 제2 면(104a)에는 제2 반사부(120)가 대향하고 있다.

상기 활성층(104)과 제1 반사부(110)와의 사이에는 제1 도핑층(106)이 개재되어 있고, 상기 활성층(104)과 제2 반사부(120)와의 사이에는 제2 도핑층(108)이 개재되어 있다.

또한, 제1 전극(122)이 상기 제1 도핑층(106)에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있고, 제2 전극(124)이 상기 제2 도핑층(108)에 전기적으로 연결 가능하게 형성되어 있다. 바람직하게는, 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)은 금속으로 이루어진다. 또한 바람직하게는, 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)은 각각 100 ㎛ ∼ 5 mm의 두께를 가진다.

도 1의 구성에 있어서, 상기 제1 반사부(110)는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 제1 DBR(112)을 포함하고, 상기 제2 반사부(120)는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 제2 DBR(114)을 포함한다. 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)에 있어서, 상기 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층 사이에는 약 0.1 ∼ 1.5의 굴절율 차이가 있는 것이 바람직하다. 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)은 각각 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 이들의 복합막으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)은 각각 서로 다른 조성을 가지는 제1 실리콘 산화막 및 제2 실리콘 산화막이 교대로 복수 회 적층된 구조, 또는 서로 다른 조성을 가지는 제1 실리콘 질화막 및 제2 실리콘 질화막이 교대로 복수 회 적층된 구조를 가진다. 예를 들면, 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)은 각각 상기 제1 및 제2 실리콘 산화막의 적층 구조 또는 상기 제1 및 제2 실리콘 질화막의 적층 구조를 2 ∼ 20 쌍 적층하여 구성할 수 있다.

상기 제1 반사부(110)에는 제1 게이트(132)가 상기 제1 DBR(112)을 관통하도록 형성되어 있고, 상기 제2 반사부(120)에는 제2 게이트(134)가 상기 제2 DBR(114)을 관통하도록 형성되어 있다. 상기 제1 게이트(132)는 전자 또는 정공으로 이루어지는 캐리어를 상기 제1 도핑층(106)으로 이동시키는 역할을 한다. 또한, 상기 제2 게이트(134)는 전자 또는 정공으로 이루어지는 캐리어를 상기 제2 도핑층(108)으로 이동시키는 역할을 한다. 바람직하게는, 상기 제1 게이트(132) 및 제2 게이트(134)는 각각 1 ∼ 500 ㎛의 폭을 가진다.

도 1의 구성에 있어서, 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)에 전류을 가하면, 전자 또는 정공으로 이루어지는 캐리어는 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)을 통하여 상기 제1 도핑층(106) 및 제2 도핑층(108)에 도달한다. 여기서, 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)은 각각 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어지는 절연체이므로 캐리어가 상기 제1 도핑층(106) 및 제2 도핑층(108)에 도달하기 위해서는 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114)을 관통하는 상기 제1 게이트(132) 및 제2 게이트(134)의 형성이 필수적이다. 여기서, 상기 제1 도핑층(106) 및 제2 도핑층(108)은 캐리어를 효과적으로 상기 활성층(104)에 주입하는 역할을 한다. 케리어가 주입된 상기 활성층(104)은 실리콘 나노점에서 자체 발광한다. 이렇게 발광한 빛은 상기 활성층(104)과 제1 및 제2 도핑층(106, 108)의 양 측에 각각 위치한 상기 제1 DBR(112) 및 제2 DBR(114) 사이에 갇히어 진동하면서 좁은 영역의 스펙트럼을 선택적으로 증폭하고 방출하게 된다.

제2 실시예는 제1 실시예와 대체로 동일하나, 제1 실시예와 다른 점은 제2 반사부(220)가 전반사 금속막으로 이루어진다는 것이다. 즉, 제1 반사부(110)는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 DBR(112)과 상기 DBR(112)을 관통하여 형성된 게이트(132)를 포함하여 구성되고, 상기 제2 반사부(220)은 전반사 금속막으로 이루어진다. 도 2에 있어서, 특별한 설명이 없는 한 제1 실시예에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다.

도 2에 있어서, 상기 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)에 전류를 가하면 전자 또는 정공으로 이루어지는 캐리어는 상기 제1 DBR(112)을 통하여 제1 도핑층(106)에 도달 한다. 상기 제1 도핑층(106)은 캐리어를 효과적으로 활성층(104)에 주입하는 역할을 한다. 캐리어가 주입된 활성층(104)은 실리콘 나노점에서 자체 발광한다. 이렇게 발광한 빛은 활성층(104)과 제1 도핑층(106) 및 제2 도핑층(108)의 양 측에 위치한 상기 제1 DBR(112) 및 제2 반사부(220) 사이에 갇히어 진동하면서 좁은 영역의 스펙트럼을 선택적으로 증폭하고 방출한다.

본 발명에 따른 실리콘 발광 소자는 실리콘 나노점을 활성층으로 이용한 발광 소자에서의 성능 향상을 위하여 도핑층과 DBR을 동시에 채용하는 구성을 가진다. 본 발명에 따른 실리콘 발광 소자에 의하면, 발광 효율이 높고 발광 스펙트럼이 좁으며, 안정된 동작 특성을 얻을 수 있어 소자의 전계 발광 (electroluminescence) 특성을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims

기판상에 형성되고 상호 반대 방향의 제1 면 및 제2 면을 가지고 실리콘 나노점으로 이루어지는 활성층과,

상기 활성층의 제1 면에 대향하고 있는 제1 반사부과,

상기 활성층의 제2 면에 대향하고 있는 제2 반사부과,

상기 활성층과 제1 반사부와의 사이에 개재되어 있는 제1 도핑층과,

상기 활성층과 제2 반사부와의 사이에 개재되어 있는 제2 도핑층과,

상기 제1 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제1 전극과,

상기 제2 도핑층에 전기적으로 연결 가능한 제2 전극을 포함하고,

상기 제1 반사부는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 절연체인 제1 DBR(Distributed Bragg Reflector)과, 상기 제1 도핑층과 상기 제1 전극과의 사이를 전기적으로 연결시키기 위하여 상기 제1 DBR을 관통하여 형성된 제1 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2 반사부는 서로 다른 조성을 가지는 2종의 실리콘함유 절연층이 교대로 적층되어 있는 절연체인 제2 DBR과, 상기 제2 도핑층과 상기 제2 전극과의 사이를 전기적으로 연결시키기 위하여 상기 제2 DBR을 관통하여 형성된 제2 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제2항에 있어서,

상기 제1 게이트 및 제2 게이트는 각각 1 ∼ 500 ㎛의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 결정질 실리콘 나노점(silicon nano-size dots)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 비정질 실리콘 나노점으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 150 ㎛ ∼ 30 ㎚의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
삭제
제1항에 있어서,

상기 제2 반사부는 전반사 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제8항에 있어서,

상기 전반사 금속막은 상기 기판에 접해 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 100 ㎛ ∼ 5 mm의 두께를 가지는 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제2항에 있어서,

상기 제1 DBR 및 제2 DBR을 각각 구성하는 상기 2종의 실리콘함유 절연층은 제1 절연층 및 제2 절연층으로 구성되고, 상기 제1 절연층과 제2 절연층과의 사이의 굴절율 차이는 0.1 ∼ 1.5인 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제11항에 있어서,

상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 이들의 복합막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제12항에 있어서,

상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 제1 실리콘 산화막 및 제2 실리콘 산화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제12항에 있어서,

상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 각각 서로 다른 조성을 가지는 제1 실리콘 질화막 및 제2 실리콘 질화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.
제12항에 있어서,

상기 DBR은 상기 제1 절연층 및 제2 절연층의 적층 구조를 2 ∼ 20 쌍 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 발광 소자.