(57)【要約】  シリコンナノドットを利用した半導体発光素子及びその製造方法を提供する。本発明の半導体発光素子は、光を発散する発光層、発光層に形成された正孔注入層、正孔注入層と対向するように発光層に形成された電子注入層、電子注入層に形成された金属ナノドットを含む金属層、及び金属層に形成された透明伝導性電極を備える。発光層として、シリコンナノドットを含む非晶質のシリコンナイトライドを含む。
2009527918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発散する発光層と、
前記発光層に形成された正孔注入層と、
前記正孔注入層と対向するように前記発光層上に形成された電子注入層と、
前記電子注入層上に形成された、金属ナノドットを含む金属層と、
前記金属層上に形成された透明伝導性電極とを備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、シリコンナノドットを含む非晶質シリコンナイトライドを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記電子注入層は、ｎ型のシリコンカーバイド系物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記シリコンカーバイド系物質は、ＳｉＣまたはＳｉＣＮであることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記金属層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｐｔ及びＴｉからなる群から選択される少なくとも一つのナノドットを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記透明伝導性電極は、ＩＴＯ，ＳｎＯ2，Ｉｎ2Ｏ3，Ｃｄ2ＳｎＯ4及びＺｎＯからなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
光を発散する発光層上に電子注入層を形成するステップと、
前記電子注入層上に金属層を形成するステップと、
前記金属層上に透明伝導性電極を形成するステップと、
前記金属層を熱処理して、金属ナノドットを含む金属層として形成するステップとを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記電子注入層と対向するように、前記発光層に正孔注入層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記発光層としてシリコンナノドットを含む非晶質シリコンナイトライドを使用することを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記電子注入層は、前記発光層上にｎ型のシリコンカーバイド系物質を蒸着することによって、前記発光層上に形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記金属層は、前記電子注入層上にＡｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｐｔ及びＴｉからなる群から選択される少なくとも一つを含む金属を蒸着することによって、前記電子注入層上に形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理は、常温ないし１０００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記熱処理は、１０秒ないし１時間行うことを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンナノドットを利用した発光素子は、発光層の上部に形成された上部ドーピング層から発光層の内部にキャリアを注入し、外部電極からドーピング層を通じて発光層の内部に電流を流すことによって動作する。
【０００３】
従来のシリコンナノドットを利用した発光素子は、上部ドーピング層上に金属薄膜やＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）のような伝導性電極を使用して製作した。上部ドーピング層上に金属薄膜を使用する場合、発光層から発光する光が金属薄膜に吸収されることによって発光効率が低下する。また、ＩＴＯを利用する場合、透明度は良好であるが、酸化物薄膜であるため、上部ドーピング層との界面接触が円滑でなく電気的特性が優秀でない。したがって、発光素子の効率が低下する原因となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、電気的特性が優秀であり、発光素子の効率を向上させたシリコンナノドットを利用した半導体発光素子を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、電気的特性が優秀であり、発光素子の効率が向上したシリコンナノドットを利用した半導体発光素子を容易に製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明は、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子を備える。
【０００７】
前記発光素子は、光を発散する発光層、前記発光層上に形成された正孔注入層、前記正孔注入層と対向するように前記発光層に形成された電子注入層、前記電子注入層上に形成された、金属ナノドットを含む金属層、及び前記金属層上に形成された透明伝導性電極を備える。
【０００８】
前記発光層は、シリコンナノドットを含むシリコンナイトライドを含むことが望ましい。
【０００９】
前記電子注入層は、ｎ型のＳｉＣ，ＳｉＣＮなどのｎ型のシリコンカーバイド系物質を含むことが望ましい。
【００１０】
前記金属層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｔｉなど、またはそれらの合金のナノドットを含む。
【００１１】
前記透明伝導性電極は、ＩＴＯ，ＳｎＯ2，Ｉｎ2Ｏ3，Ｃｄ2ＳｎＯ4，ＺｎＯなどを含む。
【００１２】
前記透明伝導性電極及び前記正孔注入層には、それぞれ外部から前記半導体発光素子に電流を流すための上部及び下部電極をさらに形成できる。
【００１３】
前記他の目的を達成するために、本発明は、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子の製造方法を含む。前記製造方法は、光を発散する発光層上に電子注入層を形成するステップと、前記電子注入層上に金属層を形成するステップと、前記金属層上に透明伝導性電極を形成するステップとを含み、前記金属層を熱処理して、前記金属層を金属ナノドットを含む金属層として形成して半導体発光素子を製造できる。
【００１４】
また、前記製造方法は、前記電子注入層と対向するように、前記発光層に正孔注入層を形成するステップを含む。
【００１５】
前記発光層としては、シリコンナノドットを含む非晶質シリコンナイトライドを使用できる。
【００１６】
前記電子注入層は、ｎ型のシリコンカーバイド系物質を使用して、前記発光層上に蒸着することが望ましい。
【００１７】
前記金属層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｔｉまたはそれらの合金を使用して前記電子注入層上に蒸着することが望ましい。前記金属層は、１０００ｎｍ以下に形成することが望ましく、１ないし２ｎｍに形成することがさらに望ましい。
【００１８】
前記金属層は、常温ないし１０００℃で熱処理して金属ナノドットを含む金属層として形成できる。また、前記金属層は、１０秒ないし１時間熱処理を行うことによって、金属ナノドットを含む金属層として形成できる。前記温度及び時間の条件で金属のナノドットが容易に形成される。
【００１９】
このように、ＩＴＯのような前記透明伝導性電極とｎ型のシリコンカーバイド系物質を含む前記電子注入層との界面状態を良好に形成することによって、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子の電気的特性を改善し、発光効率を向上させる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体発光素子は、電子注入層と透明伝導性電極との間に金属ナノドットを含む金属層を形成することによって、電子注入層と透明伝導性電極との接触力及び電気的特性を向上させる。
【００２１】
また、本発明の半導体発光素子は、電子注入層と透明伝導性電極との間に金属層を形成し、それを常温ないし１０００℃内で熱処理することによって、金属ナノドットを含む金属層を形成できる。すなわち、電子注入層と透明伝導性電極との界面構造を調節することによって、電子注入層と透明伝導性電極との接触力及び電気的特性を向上させて、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子の効率を向上させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。後述する本発明の実施形態は、色々な他の形態に変形され、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態によるシリコンナノドットを利用した発光素子を示す断面図である。
【００２４】
図１に示すように、正孔注入層１０上に発光層２０を形成する。詳しくは、正孔注入層としてｐ型のシリコン基板を使用し、発光層２０としてシリコンナノドットを含むシリコンナイトライド（ＳｉＮ）を使用できる。
【００２５】
発光層２０上に電子注入層３０を形成する。電子注入層３０として、ｎ型のシリコンカーバイド系物質を使用できる。例えば、シリコンカーバイド系物質としてＳｉＣ，ＳｉＣＮなどがある。
【００２６】
電子注入層３０上に金属層４０を形成する。金属層４０としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｔｉなど、またはそれらの合金を使用できる。望ましくは、Ａｇを使用できる。金属層４０は、後続の工程で行う熱処理を通じて、金属ナノドットを含む金属層４０として形成される。
【００２７】
金属ナノドットを含む金属層４０の厚さは、１０００ｎｍ以下に形成される。金属層４０は、電子注入層３０と透明伝導性電極５０との界面接触性を改善するためのものであって、金属ナノドットを形成しやすいように薄い厚さ、すなわち１ないし３ｎｍの厚さに形成されることが望ましい。
【００２８】
金属層４０上にＩＴＯ，ＳｎＯ2，Ｉｎ2Ｏ3，Ｃｄ2ＳｎＯ4，ＺｎＯなどの透明伝導性電極５０を形成できる。
【００２９】
透明伝導性電極５０及び正孔注入層１０に、それぞれ上部電極６０及び下部電極７０をさらに形成できる。上部電極６０及び下部電極７０は、導電性の物質としてＮｉ，Ａｕなどの金属であることが望ましい。上部電極６０及び下部電極７０を通じて、透明伝導性電極５０及び正孔注入層６０に電流が注入され、発光層３０に電子及び正孔が注入されて光を発散する半導体発光素子を形成できる。
【００３０】
金属層４０を常温ないし１０００℃の温度で１秒ないし１時間熱処理して、金属ナノドットを含む金属層４０として形成する。熱処理は、透明伝導性電極５０を形成する前に行うことができ、透明伝導性電極５０の形成後、上部電極６０及び下部電極７０を形成した後にも行うことができる。
【００３１】
上述した層は、プラズマ補強気相蒸着（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｓ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）などの化学的気相蒸着または物理気相蒸着などの通常的な方法により蒸着される。
【００３２】
図２は、本発明の実施形態による半導体発光素子の電気的特性を示すグラフである。また、図３は、本発明の実施形態による半導体発光素子の光特性を示すグラフである。
【００３３】
本発明の実施形態による半導体発光素子の電気的特性及び光特性を知るために、下記のような方法でシリコンナノドットを含む半導体発光素子を製造した。
【００３４】
正孔注入層としてｐ型のシリコン基板を使用して、ｐ型のシリコン基板上にシリコンナノドットを含む非晶質シリコンナイトライド層をＰＥＣＶＤ法により蒸着した。蒸着時、成長ガスとしてアルゴンが溶解された１０％シランとアンモニア（ＮＨ3）とを使用し、基板温度２５０℃、チャンバー圧力０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦプラズマ電力５Ｗにして、シリコンナノドットを含む非晶質シリコンナイトライド層を４０ｎｍの厚さに成長させた。
【００３５】
シリコンナノドットを含む非晶質シリコンナイトライド層上に、ｎ型のシリコンカーバイド（ＳｉＣ）層をＰＥＣＶＤ方法により３００ｎｍの厚さに成長させた。成長ガスとしては、アルゴンが溶解された１０％シランとメタン（ＣＨ4）とを使用し、ドーピングガスとしては、トリメチルホスファイト（ＴＭＰ）メタルオーガニックソースを使用した。基板温度は３００℃、チャンバー圧力は０．２Ｔｏｒｒ、ＲＦプラズマ電力は４０Ｗとした。
【００３６】
ｎ型のＳｉＣ層に２．５ｎｍの厚さのＡｇ金属層を熱蒸着法を利用して蒸着した。
【００３７】
Ａｇ金属層上に１００ｎｍの厚さのＩＴＯをパルスレーザー蒸着（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ）法で成長させた。
【００３８】
そして、ＰＬＤチャンバー内で５００℃の温度で３０分間熱処理して、ｎ型のＳｉＣ層とＩＴＯとの間にＡｇナノドットを形成させた。
【００３９】
ＩＴＯ上及びｐ型のシリコン基板上に、上部及び下部電極を熱蒸着法を利用して蒸着した。上部電極としてＡｕを１５０ｎｍの厚さに形成し、下部電極としてＮｉを３０ｎｍの厚さに形成した。このようにして、本発明による半導体発光素子を完成させた。
【００４０】
比較例として、Ａｇ金属層を形成していない半導体発光素子を製造した。製造方法は、Ａｇ金属層の形成ステップを除いては、上述した実施形態による半導体発光素子と同様に製造した。
【００４１】
本実施形態による半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子にそれぞれ電圧を加えて、発光素子の内部を通じて流れる電流を測定した。図２を参照すれば、約６Ｖ以上の電圧を加えれば、本実施形態よる半導体発光素子（ａ）には、比較例の半導体発光素子（ｂ）より多い電流が流れるということが分かる。したがって、本実施形態による半導体発光素子は、ＩＴＯとｎ型のＳｉＣ層との界面接触性が改善されて、電気的特性が優秀であるということが分かる。
【００４２】
また、光強度測定器（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｍｅｔｅｒ）を使用して、本実施形態による半導体発光素子と比較例の半導体発光素子のＩＴＯを通じて発光する光出力を電流密度によって測定した。図３を参照すれば、本実施形態の半導体発光素子（ｃ）は、比較例の半導体発光素子（ｄ）より多くの光を出力するということが分かる。したがって、本実施形態による半導体発光素子は、ＩＴＯとｎ型のＳｉＣ層との間にＡｇナノドットを含むＡｇ金属層を挿入して、ＩＴＯとｎ型のＳｉＣ層との界面状態を良好に改善することによって、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子の光特性を顕著に向上させることを確認できた。
【００４３】
前述したような本発明の半導体発光素子は、電子注入層と透明伝導性電極との間に金属ナノドットを含む金属層を形成することによって、電子注入層と透明伝導性電極との接触力及び電気的特性を向上させる。
【００４４】
また、本発明の半導体発光素子は、電子注入層と透明伝導性電極との間に金属層を形成し、それを常温ないし１０００℃内で熱処理することによって、金属ナノドットを含む金属層を形成できる。このように、電子注入層と透明伝導性電極との間の界面構造を調節することによって、電子注入層と透明伝導性電極との接触力及び電気的特性を向上させて、シリコンナノドットを利用した半導体発光素子の効率を向上させる。
【００４５】
前述した本発明によるシリコンナノドットを利用した半導体発光素子及びその製造方法に関して、電子注入層と透明伝導性電極との接触力及び電気的特性を向上させる技術に対する望ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明に属する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による半導体発光素子の電気的特性を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態による半導体発光素子の光特性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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【国際調査報告】
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