(57)【要約】  側面シリコン反射鏡を採用して側面に出射された光を効果的に利用できる側面反射鏡を利用したシリコン発光素子を提供する。該シリコン発光素子は、複数の溝が形成されたｐ型シリコン基板；基板上の溝に形成された活性層、ｎ型ドーピング層及び透明電極層を具備する発光素子層；ｐ型シリコン基板の下部に形成された下部メタル電極及び発光素子層の上部に形成された上部メタル電極を具備するメタル電極を備え、溝の側面は、発光素子層と離隔されて反射鏡として利用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の溝が形成されたｐ型シリコン基板と、
前記シリコン基板の前記各溝に形成された発光素子層であって、活性層、ｎ型ドーピング層及び透明電極層を具備する発光素子層と、
前記ｐ型シリコン基板の下面に形成された下部メタル電極及び前記発光素子層の上面に形成された上部メタル電極を具備するメタル電極と
を備え、前記各溝の側面は、前記発光素子層と離隔されて反射鏡として利用されることを特徴とする側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項２】
前記活性層の上面にｎ型ドーピング層及び透明電極層が順に形成され、
前記上部メタル電極は、前記透明電極層上に形成され、前記透明電極層の外郭方向に環状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項３】
前記発光素子層は、全体的に円柱、楕円柱又は直六面体柱の形状であり、前記上部メタル電極は、円形、楕円形又は長方形の環状であることを特徴とする請求項２に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項４】
前記溝の側面は、前記溝の底面に対して傾斜しており、
前記溝の底面と９０゜未満の傾斜を有することを特徴とする請求項１に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項５】
前記シリコン基板は、シリコン結晶成長方向が１００面であり、
前記傾斜は、前記シリコン基板を非等方ウェットエッチングして形成されたことを特徴とする請求項４に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項６】
前記ウェットエッチングには、ＡＺ５００ＭＩＦ溶液が使用され、
前記溝の側面は、前記溝の底面と１０゜〜８０゜の傾斜を有することを特徴とする請求項５に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項７】
前記溝の底面は、円形、楕円形又は長方形の形態を有し、
前記シリコン基板の上面からの前記溝の深さは、０．１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項８】
前記溝の底面は、円形であり、
前記溝の底面の直径は、０．０１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項７に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項９】
前記発光素子層は、水平断面が前記溝の底面と同じ柱体に形成され、
前記発光素子層の厚さは、前記溝の深さ以下に形成されたことを特徴とする請求項７に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項１０】
前記活性層は、結晶質シリコン・ナノサイズ・ドット又は非晶質シリコン・ナノサイズ・ドットによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項１１】
前記活性層の厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【請求項１２】
前記ｎ型ドーピング層は、ｎ型化合物半導体及びｎ型シリコン半導体から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン半導体素子に関し、より詳細には、シリコン発光素子の構造を変更して発光効率を向上させたシリコン発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン発光素子、例えばシリコン・ナノサイズ・ドット（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏ−ｓｉｚｅ  ｄｏｔｓ）を利用した近赤外線、可視光及び紫外線発光素子は、間接遷移特性によって発光効率の低い従来のシリコン半導体の限界を克服した新しい構造の発光素子である。かようなシリコン発光素子は、他のシリコン基盤の光電子素子と互換が容易であって製作コストが低いので、多くの研究がなされている。しかし、今のところ相変らず低い発光効率のために、電子機器などに応用し難く、さまざまな改善事項が要求されている。
【０００３】
シリコン発光素子に主に利用される結晶質シリコン・ナノサイズ・ドットの形成及び特性は、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５，５３５５（２００４）に開示されており、シリコン発光素子の構造及び発光特性に関する結果は、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，０７１９０９（２００５）に開示されている。
【０００４】
シリコン発光素子の発光効率を落とす主要な原因のうちの一つは、発光されたあらゆる光を全般的に活用できないということに起因する。すなわち、シリコン・ナノサイズ・ドットを利用したシリコン発光素子は、シリコン基板を利用するために、四方に発光する光のうち基板の上面に向かう光だけを利用し、側面に向かう光は利用されずに損失となる。それにより、化合物半導体発光素子に比べて、相対的に低い発光効率となってしまうという短所を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする技術的課題は、シリコン発光素子において、新しい構造を採用して、側面に射出される光を効果的に利用できる側面反射鏡を利用したシリコン発光素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、複数の溝が形成されたｐ型シリコン基板と、前記シリコン基板の前記各溝に形成された、活性層、ｎ型ドーピング層及び透明電極層を有する発光素子層と、前記ｐ型シリコン基板の下面に形成された下部メタル電極及び前記発光素子層の上面に形成された上部メタル電極を備えるメタル電極とを具備し、前記各溝の側面は、前記発光素子層と離隔されて反射鏡として利用される側面反射鏡を利用したシリコン発光素子を提供する。
【０００７】
本発明の実施例によるシリコン発光素子は、シリコン基板を非等方ウェットエッチングし、前記各溝の側面が底面と傾斜するように形成されており、前記傾斜が溝の底面となす角度は、１０゜〜８０゜ほどである。
【０００８】
前記発光素子層は、前記活性層上にｎ型ドーピング層及び透明電極層を備え、前記透明電極層上には、環状の上部メタル電極が形成される。前記ｎ型ドーピング層は、ｎ型化合物半導体及びｎ型シリコン半導体からなりうる。前記活性層は、結晶質シリコン・ナノサイズ・ドット又は非晶質シリコン・ナノサイズ・ドットによってなることが望ましい。
【０００９】
前記溝の底面は、水平断面が円形、楕円形又は長方形であり、底面が円形である場合、直径が約０．０１〜１０ｍｍになるように形成される。また、前記溝は、前記基板の上面から約０．１〜１０ｍｍの深さを有するように形成される。
【００１０】
一方、前記発光素子層は、水平断面が前記溝の底面と同じ柱体に形成され、発光素子層の厚さは、前記溝の深さ以下に形成されることが望ましい。従って、溝の傾斜面が前記発光素子層を取り囲むように形成されることが望ましく、特に発光素子層の活性層は、前記溝の下部に形成され、活性層から発光された光のうち側面に向かう光は、前記溝の傾斜面を介して反射されうるようにすることが望ましい。
【００１１】
本発明のシリコン発光素子は、透明電極が形成された基板の上面のみに発光領域が限定されるものではなく、発光領域をシリコン基板の溝の傾斜面まで広げ、側面において損失されていた発光光を基板の上面方向に向けさせることによって、発光効率を画期的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるシリコン発光素子は、シリコン・ナノサイズ・ドットを活性層として利用した発光素子であり、既存のシリコン・ウェットエッチング工程が適用され、シリコン側面の反射鏡が基板の内部側面に形成されることによって、側面に発光する光を効果的に利用でき、それによって発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明によるシリコン発光素子は、発光効率が高くて工程が単純であり、安定した動作特性を有するので、全体的な素子の電界発光特性を改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下には、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。以下の説明で、ある構成要素が他の構成要素の上部に存在すると記述されるとき、それは、他の構成要素の真上に存在することもあり、その間に第３の構成要素が介在することもある。また、図面で各構成要素の厚さや大きさは、説明の便宜上及び明確性のために省略又は誇張されており、図面上で同一符号は、同じ要素を指す。一方、使われる用語は、単に本発明を説明するための目的で使われたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使われたものではない。
【００１５】
発光素子の性能向上のためには、光を生成する活性層だけではなく、キャリアが注入されたドーピング層、光を効果的に放出させるための反射層、そしてそれらの構造的配置が重要である。特に、シリコン・ナノサイズ・ドットを利用したシリコン発光素子では、自発光が化合物半導体発光素子に比べて相対的に弱いために、効果的な構造的配置がさらに重要である。
【００１６】
図１は、本発明の一実施例による側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の断面図である。
【００１７】
図１を参照すれば、シリコン発光素子は、溝が形成された基板１００、基板１００の溝の各々に形成された発光素子層２００及びメタル電極３００を備え、前記基板１００上に形成された溝の側面１１０は、前記溝の底面と一定の傾斜を有するように形成される。
【００１８】
基板１００はｐ型シリコン基板であり、発光素子層２００にキャリアを注入するために、溝の形成された部分の底面は、ｐ型ドーピング層によって形成される。基板１００の内部には複数の溝が形成され、溝の側面１１０は、傾斜するように形成され、発光素子層２００から出てくる光を基板１００の上面に反射させる機能を行う。溝の側面１１０の傾斜θは、９０゜未満に形成されるが、一般的に１０゜〜８０゜ほどに形成され、望ましくは４０゜〜６０゜ほどに形成される。
【００１９】
発光素子層２００は、発光の起こる活性層２２０、活性層２２０上部のｎ型ドーピング層２４０及びｎ型ドーピング層２４０上部の透明電極層２６０を有する。
【００２０】
活性層２２０は、結晶質シリコン・ナノサイズ・ドット又は非晶質シリコン・ナノサイズ・ドットによって形成されうる。また、活性層２２０の厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍほどが望ましい。
【００２１】
ｎ型ドーピング層２４０は、ｎ型化合物半導体及びｎ型シリコン半導体から形成され、一般的にシリコンカーボン（ＳｉxＣ1-x、０≦ｘ≦１）又はシリコンカーボンナイトライド（ＳｉＣxＮ1-x、０≦ｘ≦１）にｎ型ドーピングして形成される。ｎ型ドーピング層２４０が透明層になるということはいうまでもない。なぜならば、活性層２２０から発光された光を基板の上面側に放出せねばならないからである。ｎ型ドーピング層２４０は、例えばリン（Ｐ）系のドーパントが利用され、ドーピング濃度は、約１０16〜１０19cm-3ほどであり、厚さは、１〜４μｍほどである。しかし、発光素子の特性や構造によって、ドーピング濃度や厚さは、異なって形成されもする。
【００２２】
透明電極層２６０は、伝導性の透明な物質によって形成されるが、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ又はＩｎ2Ｏ3などが利用され、そのうちＩＴＯから形成されることが望ましい。
【００２３】
メタル電極３００は、基板１００の下部に形成された下部メタル電極３２０と、発光素子層２００の透明電極層２６０上部に形成された上部メタル電極３４０とを含むが、発光素子層２００に電圧を印加し、キャリアを活性層２２０に移動させる機能を行う。
【００２４】
本発明によるシリコン発光素子は、活性層２２０から発生する光のうち、側面に向かう光を溝の側面１１０を利用して反射させることによって、基板の上面への発光効率を向上させる。従って、シリコン材質の溝の側面１１０は、反射鏡として機能するので、以下では「側面反射鏡」とする。
【００２５】
図２は、図１のシリコン発光素子の平面図である。
【００２６】
図２には、基板１００の内部に側面反射鏡１１０、透明電極層２６０、及び透明電極層２６０の内部に長方形環状の上部メタル電極３４０を図示している。
【００２７】
本実施例では、溝の底面が長方形に形成され、発光素子層２００は、底面と一致するように、断面が長方形の柱体に形成される。このとき、発光素子層２００の水平断面又は長方形の溝の底面は、一辺の長さが約０．０１〜１０ｍｍほどに形成されるのが望ましいが、それらに限定されるものではない。かような発光素子層２００は、側面反射鏡１１０で囲まれた構造になっており、活性層２２０から側面に出射された光が側面反射鏡１１０を介して基板１００の上面に向かうようになるのは、前述の通りである。
【００２８】
一方、透明電極層２６０の上部に形成された上部メタル電極３４０は、透明電極層２６０の外郭側に、長方形の環状に形成されるが、それに限定されるものではない。すなわち、円形や楕円形などに形成されうることはいうまでもない。上部メタル電極３４０が環状に形成される理由は、透明電極層２６０にさらに等しく電圧を印加するためである。
【００２９】
図３は、本発明の他の実施例による側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の平面図である。
【００３０】
図３では、図２とは異なり、側面反射鏡１１０ａ、透明電極層２６０ａ及び上部メタル電極３４０ａが円形に形成されている。全体的に図示されてはいないが、本実施例では、透明電極層２６０ａを備えた発光素子層は、円柱状に形成される。このとき、形成された発光素子層の断面又は円形溝の直径は、０．０１〜１０ｍｍほどが適当であるが、それらに限定されるものではない。
【００３１】
２つの実施例で、長方形柱及び円柱の発光素子層を例示しているが、楕円柱又は他の角柱状に形成できることはいうまでもない。また、上部メタル電極及び側面反射鏡は、発光素子層の水平断面に合わせ、断面が円形環状や長方形環状の形態を有することが望ましいが、それらに限定されるものではなく、多様な形態の環状構造を有することができる。
【００３２】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の側面反射鏡部分を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定した写真である。
【００３３】
図４Ａの左側中央部分に、側面反射鏡が形成されていることが分かる。一方、図４Ｂの場合は、走査電子顕微鏡をさらに基板の上面側にして測定した写真であり、左側上部のコーナー部分で、中心方向に側面反射鏡が形成されていることを確認することができる。
【００３４】
かようなシリコン基板に傾斜した側面、すなわち側面反射鏡の形成は、非等方的ウェットエッチングを介して達成できるが、それに限定されるものではない。このとき使われるシリコン基板は、シリコン結晶の成長方向が１００面であることが望ましい。例えば、ＰＲパターンに利用されるＡＺ５００ＭＩＦ溶液を利用し、シリコン結晶の成長方向が１００面を有するｐ型シリコン基板に対してウェットエッチングを行えば、図４Ａ及び図４Ｂのような形の前記側面反射鏡を製作できる。
【００３５】
図５は、本発明のシリコン側面反射鏡の形成において、シリコン結晶の成長方向が１００面である基板が、エッチング溶液であるＡＺ５００ＭＩＦ溶液によってエッチングされるエッチング率を示すグラフである。
【００３６】
図５を参照すれば、横軸であるｘ軸はエッチング時間を示し、単位は時間（ｈｏｕｒ）である。縦軸であるｙ軸はエッチングされる厚さを示し、単位はｎｍである。グラフの黒い小型長方形は、結晶成長方向が１００である面の格子点を示す。点線の直線は、最小自乗法などを適用した線形フィッティングを介して得ることができる。点線の直線を介して、分単位でエッチング率を計算すれば、約２．３９ｎｍ／ｍｉｎほどであることが分かる。
【００３７】
本発明の発光素子は、メタル電極３００に電流を印加すれば、電子又は正孔からなるキャリアが透明電極２６０又は２６０ａとｎ型ドーピング層２４０とを通過し、前記活性層２２０で光を発生する。このとき発生する発光光は、基板の上面側のみに放出するのではなく、四方に放出する。しかし、側面に放出される光は、前記シリコン側面反射鏡１１０又は１１０ａを介して基板の上面側に放出され、それによって発光素子の発光効率を効果的に向上させることができる。
【００３８】
一方、本発明の発光素子は、既存のシリコン工程の非等方的エッチング工程、すなわちＡＺ５００ＭＩＦ溶液のようなエッチング溶液を利用して側面反射鏡を容易に形成でき、かような工程の単純化は、素子の安定した動作特性に寄与し、それによって発光素子の全体的な電界発光特性を向上させる。
【００３９】
以上、本発明について図面に図示された実施例を参考に説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、本技術分野の当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他実施例が可能であるという点を理解することができるであろう。よって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によっても決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、シリコン半導体素子に係り、特にシリコン発光素子の構造を変更し、発光効率を向上させたシリコン発光素子に関する。本発明によるシリコン発光素子は、発光効率が高くて工程が単純であり、安定した動作特性を有するので、全体的な素子の電界発光特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例による側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の断面図である。
【図２】図１のシリコン発光素子の平面図である。
【図３】本発明の他の実施例による側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の平面図である。
【図４Ａ】本発明の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の側面反射鏡部分の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）測定写真である。
【図４Ｂ】本発明の側面反射鏡を利用したシリコン発光素子の側面反射鏡部分の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）測定写真である。
【図５】本発明のシリコン側面反射鏡の形成において、シリコン結晶成長方向が１００面である基板が、エッチング溶液であるＡＺ５００ＭＩＦ溶液によってエッチングされるエッチング率を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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