(57)【要約】  発光素子の側面に放出される光のうち、さらに多くの光量を発光素子の前面に放出させることによって、素子の明るさを向上させた高効率のシリコン発光素子を提供する。この発光素子は、基板と、基板上に形成された活性層を有した多数の発光構造体と、基板下部に形成された下部メタル電極及び発光構造体上部に形成された上部メタル電極を備えたメタル電極とを具備し、発光構造体はカラム状であるが、垂直断面が逆台形状である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成された活性層を有した多数の発光構造体と、
前記基板の下部に形成された下部メタル電極及び前記発光構造体の上部に形成された上部メタル電極を備えたメタル電極とを具備し、
前記発光構造体は、カラム状であるが、垂直断面が逆台形状であることを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項２】
前記発光構造体は、前記活性層の上下部に少なくとも１層のドーピング層を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコン発光素子。
【請求項３】
前記ドーピング層は、前記活性層の下部に形成されたｐ型ドーピング層及び前記活性層の上部に形成されたｎ型ドーピング層であることを特徴とする請求項２に記載のシリコン発光素子。
【請求項４】
前記発光構造体は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物によって形成された絶縁層で側面が囲まれており、
前記上部メタル電極は、前記ｎ型ドーピング層の上部に形成されたことを特徴とする請求項３に記載のシリコン発光素子。
【請求項５】
前記発光構造体は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物によって形成された絶縁層で側面が囲まれており、
前記シリコン発光素子は、前記ｎ型ドーピング層及び前記絶縁層の上部に形成された透明電極層を有し、
前記上部メタル電極は、前記透明電極層の上部の一部分に形成されたことを特徴とする請求項３に記載のシリコン発光素子。
【請求項６】
前記透明電極は、ＩＴＯ又はＩｎxＺｎ１−xＯ（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項５に記載のシリコン発光素子。
【請求項７】
前記ドーピング層は、シリコンカーボンナイトライド（ＳｉＣxＮ1-x、０≦ｘ≦１）又はシリコンカーバイド（ＳｉxＣ1-x、０≦ｘ≦１）薄膜であることを特徴とする請求項２に記載のシリコン発光素子。
【請求項８】
前記ドーピング層は、前記活性層の下部に形成されたｐ型ドーピング層及び前記活性層の上部に形成されたｎ型ドーピング層であることを特徴とする請求項７に記載のシリコン発光素子。
【請求項９】
前記活性層は、結晶質シリコンナノドット又は非晶質シリコンナノドット構造によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のシリコン発光素子。
【請求項１０】
前記発光構造体は、水平断面が円形であるカラム状であり、
前記発光構造体の上部面の直径は、３０μｍ以下であり、前記発光構造体の下部面の直径は、上部面より小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載のシリコン発光素子。
【請求項１１】
基板と、
該基板上に形成された活性層を有した発光構造体と、
該発光構造体を断面が台形であるカラム状であって、前記基板までエッチングしてその内部を充填して形成された多数の絶縁層と、
前記基板の下部に形成された下部メタル電極及び前記発光構造体の上部に形成された上部メタル電極を備えたメタル電極とを具備し、
前記発光構造体は、前記絶縁層間で切った断面が逆台形状であることを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項１２】
前記絶縁層は、水平断面が円形であるカラム状であり、
前記絶縁層の下部面の直径は、３０μｍ以下であり、前記カラムの上部面の直径は、上部面より小さく形成され、
前記絶縁層に囲まれて形成された垂直断面が逆台形の発光構造体は、前記垂直断面の上部の長さが前記絶縁層の下部面の直径と同じであることを特徴とする請求項１１に記載のシリコン発光素子。
【請求項１３】
前記発光構造体は、前記活性層の上下部に少なくとも１層のドーピング層を有することを特徴とする請求項１１に記載のシリコン発光素子。
【請求項１４】
前記ドーピング層は、シリコンカーボンナイトライド（ＳｉＣxＮ1-x、０≦ｘ≦１）又はシリコンカーバイド（ＳｉxＣ1-x、０≦ｘ≦１）薄膜によって形成され、
前記ドーピング層は、前記活性層の下部に形成されたｐ型ドーピング層及び前記活性層の上部に形成されたｎ型ドーピング層であることを特徴とする請求項１３に記載のシリコン発光素子。
【請求項１５】
前記発光構造体及び前記絶縁層の上部に透明電極層を有し、
前記上部メタル電極は、前記透明電極層の上部の一部分に形成されたことを特徴とする請求項１１に記載のシリコン発光素子。
【請求項１６】
前記発光構造体の上部に透明電極層を有し、
前記絶縁層は、前記発光構造体及び透明電極層がエッチングされて形成され、
前記上部メタル電極は、前記透明電極層の上部に形成されたことを特徴とする請求項１１に記載のシリコン発光素子。
【請求項１７】
前記活性層は、結晶質シリコンナノドット又は非晶質シリコンナノドット構造によって形成されたことを特徴とする請求項１１に記載のシリコン発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン発光素子に関し、より詳細には、シリコン微細構造を活性層として利用したシリコン発光素子（半導体素子）において、発光素子の光取り出し効率を高めるための新しい構造を採用し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、シリコンナノドットを利用した近赤外線、可視光及び紫外線発光素子は間接変移特性のために、発光効率の低い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。このようなシリコン発光素子は、他のシリコン基盤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、今のところは相変らず低い発光効率のために、電子機器に応用するには困難さが伴い、さまざまな改善事項が要求されている。最近には、ドーピング層を利用したり、活性層の厚さを薄くして発光効率を改善しようという努力が進められている。
【０００３】
従来の発光素子のサイズは、普通３００μｍｘ３００μｍより大きく、このような従来の大面積の発光素子の発光効率は、さらに向上さるべきさまざまな改善点があり、かかる改善がなされれば、シリコン発光素子の商用化がかなり早まりうるであろう。
【０００４】
既存の窒化物半導体マイクロ発光素子では、ミクロサイズの構造物が円柱をなし、外部光取り出しは、効果的に増加させることができるが、横面に抽出される光のうちで散乱などにより不要に消滅される部分が発生する。従って、このような構造は、外部光取り出しの増加に比べて、実際素子の明るさは、大きく増大しない。なぜならば、一般的に普通の発光素子は、素子前面に放出される光の総量によって素子の明るさが決まるためである。従って、発光素子において、素子前面に放出される光の総量が重要である。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，８７０，１９１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５９３，６８９号明細書
【特許文献３】韓国特許公開第１０２００４００９０４６５号公報
【非特許文献１】S.X.Jin, et al., “ InGaN/GaN quantum well interconnected microdisk light emitting diodes ” APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 77, NUMBER 20 13 November 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、発光素子の構造を変更し、発光素子の側面から放出される光のうち、さらに多くの光量を発光素子の前面に放出させることによって、発光素子の明るさを向上させた高効率のシリコン発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような技術的課題を達成するために、本発明は、基板と、該基板上に形成された活性層を有した多数の発光構造体と、前記基板の下部に形成された下部メタル電極及び前記発光構造体の上部に形成された上部メタル電極を備えたメタル電極とを具備し、前記発光構造体は、カラム状であるが、垂直断面が逆台形状であるシリコン発光素子を提供する。
【０００８】
本発明の実施例によれば、前記ドーピング層は、シリコンカーボンナイトライド（ＳｉＣxＮ1-x、０≦ｘ≦１）又はシリコンカーバイド（ＳｉxＣ1-x、０≦ｘ≦１）によって形成され、前記活性層の下部に形成されたｐ型ドーピング層及び前記活性層の上部に形成されたｎ型ドーピング層を有する。
【０００９】
また、前記発光構造体は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物によって形成された絶縁層で側面が囲まれており、前記発光素子は、前記発光構造体及び絶縁層の上部に透明電極層を有し、前記上部メタル電極は、前記透明電極層の上部一部に形成されうる。
【００１０】
一方、前記活性層は、結晶質シリコンナノドット又は非晶質シリコンナノドット構造によって形成されることが望ましい。
【００１１】
本発明は、また、上述した技術的課題を達成するために、基板と、該基板上に形成された活性層を有した発光構造体と、該発光構造体を断面が台形であるカラム状であって、前記基板までエッチングしてその内部を充填して形成された多数の絶縁層と、前記基板の下部に形成された下部メタル電極及び前記発光構造体の上部に形成された上部メタル電極を備えたメタル電極とを具備し、前記発光構造体は、前記絶縁層間で切った断面が逆台形状であるシリコン発光素子を提供する。
【００１２】
本発明の実施例によれば、前記絶縁層は、垂直断面が台形状に形成されることによって、前記絶縁層間々の発光構造体は、垂直断面が逆台形状になるように形成される。また、前記シリコン発光素子は、前記発光構造体及び絶縁層の上部に透明電極層を有し、前記上部メタル電極は、透明電極層の上部一部に形成されうる。
【００１３】
本発明の実施例によれば、前記シリコン発光素子は、前記発光構造体の上部に透明電極層を有し、前記絶縁層は、前記発光構造体及び透明電極層がエッチングされて形成され、前記上部メタル電極は、前記透明電極層の上部に形成されうる。
【００１４】
このような構成により、本発明の高効率シリコン発光素子は、多数のミクロサイズに垂直断面が逆台形状である発光構造体が形成されることによって、発光素子の前面に抽出される光量を増加させて発光効率を向上させることができる。
【００１５】
また、多数の発光構造体全体の上部に透明電極層が形成されることによって、電圧が印加される場合、あらゆる発光構造体が同時に発光するようになって、同じ面積の従来の大面積の発光素子よりはるかに光出力が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。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、これは他の構成要素の真上に存在することもでき、その間に第３の構成要素が介在されることもある。また、図面で、各構成要素の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために省略されたり、誇張され、図面上で同一符号は、同じ要素を示す。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。
【００１７】
図１Ａは、本発明の第１実施例に係る高効率シリコン発光素子についての斜視図である。図１Ａを参照すれば、シリコン発光素子は、基板１００と、基板１００上に形成された多数の発光構造体２００と、基板１００上に形成されて発光構造体２００の側面を覆い包む絶縁層３００と、発光構造体２００及び絶縁層３００の上部に形成された透明電極層４００及び発光構造体２００に電圧を印加するためのメタル電極５００とを備えている。
【００１８】
基板１００は、一般的にｐ型シリコン基板が使われ、発光構造体２００は、側面に向かう光が散乱などによって損失されることを防止するために、垂直断面が逆台形の形態を有したカラム形状を有する。本実施例で円柱形状を有するが、それに限定されずに垂直断面が逆台形でありさえすれば、楕円カラムのような形状も有することができることはいうまでもない。
【００１９】
絶縁層３００は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物によって形成され、発光構造体２００の側面を覆い包むように形成される。透明電極層４００は、ＩＴＯ又はＩｎxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ≦１）で形成され、発光構造体２００の全体に電流を印加する機能を行う。
【００２０】
メタル電極５００は、基板１００の下部の下部メタル電極５２０及び透明電極層４００上部の一部に形成された上部メタル電極５４０を含み、上部メタル電極５４０は、透明電極層４００全体に電圧を印加させる。
【００２１】
本実施例では、発光構造体２００の上部全体に透明電極層４００を形成し、発光構造体２００全体に同時に電圧を印加できる構造によって形成されたが、透明電極層４００をパターニングしたり、又は上部メタル電極５４０をパターニングして発光構造体２００に連結することによって、それぞれの発光構造体２００に個別的に電圧を印加する構造に形成できることはいうまでもない。
【００２２】
図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ部分を切断した断面図であり、発光構造体２００の構造及び構成要素をさらに詳細に示している。
【００２３】
図１Ｂを参照すれば、シリコン発光素子は、下部メタル電極５２０と、基板１００と、発光構造体２００と、絶縁層３００と、透明電極層４００及び上部メタル電極５４０とが順次に形成されていることを示している。
【００２４】
発光構造体２００は、上述したように垂直断面が逆台形の形態を有し、発光領域の活性層２４０を基準に、下部にｐ型ドーピング層２２０及び上部にｎ型ドーピング層２６０を有する。ドーピング層は、シリコンカーボンナイトライド（ＳｉＣxＮ1-x、０≦ｘ≦１）又はシリコンカーバイド（ＳｉxＣ1-x、０≦ｘ≦１）薄膜を利用して形成され、ドーピング濃度は、１０16〜１０19cm-3ほどであり、厚さは０．１〜１μｍほどであるが、発光素子の特性によって変わりうる。
【００２５】
活性層２４０は、結晶質シリコンナノドット又は非晶質シリコンナノドット構造によって形成され、厚さは、１０μｍ〜１００μｍほどに形成されるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
垂直断面が逆台形状である発光構造体２００は、上部面の直径、すなわち、ｎ型ドーピング層２６０の上面の直径が３０μｍ以下に形成され、発光構造体２００下部面の直径は、垂直断面が逆台形状であるように、上面の直径より小さく形成されることが望ましい。もちろん、発光素子の特性によって発光構造体の大きさは変わることがある。
【００２７】
本実施例による高効率シリコン発光素子の形成方法について簡単に述べれば、ｐ型シリコン基板１００上にｐ型ドーピング層２２０と、シリコンナノドットを利用した活性層２４０及びｎ型ドーピング層２６０が形成される。その後、ｐ型ドーピング層２２０と、活性層２４０及びｎ型ドーピング層２６０が垂直断面が逆台形であるカラム形状にドライエッチングされて発光構造体２００が形成される。
【００２８】
逆台形状の発光構造体２００は、側面が垂直ではなくして傾いた形態を有することによって、活性層２４０で生成された光が側面に放出される場合、発光素子の前面方向に光路が変わるようになって、散乱による光の消滅を減らすことができ、それによってさらに明るい発光素子を具現させることができる。
【００２９】
その後、発光構造体２００間のエッチングされた部分は、シリコン酸化物の絶縁体によって化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって充填されて絶縁層３００が形成され、発光構造体２００及び絶縁層３００の上部に、スパッタリングによるＩＴＯ薄膜の透明電極層４００が形成される。最後に、下部電極５２０と上部電極５４０とが蒸着され、本実施例の高効率シリコン発光素子が完成する。
【００３０】
本発明に係る高効率シリコン発光素子は、発光領域が多数のミクロサイズの逆台形状の構造に形成されることによって、発光領域の活性層で生成された光が素子前面方向の外部に容易に放出され、同面積の従来の大面積発光素子よりも光出力が向上する。
【００３１】
また、注入された電流がさらに小面積に移動することによって、不要な漏れ電流が小さくなって、発光するのに効果的に電流が利用されるために、このような構造の発光素子は、量子効率が上昇する。
【００３２】
さらに、本発明に係る高効率シリコン発光素子は、発光構造体２００の下部にシリコン基板１００及び上部には透明電極層４００といずれも連結されており、それによって下部電極５２０と上部電極５４０とに外部電圧が印加される場合、全ての発光構造体２００が同時に発光するようになって、同面積の従来の大面積の発光素子より明るさがはるかに明るい優秀な素子を提供する。
【００３３】
図２Ａは、本発明の第２実施例に係る高効率シリコン発光素子についての斜視図である。図２Ａを参照すれば、本実施例のシリコン発光素子は、基板１００と、発光構造体２００ａと、発光構造体２００ａの内部に形成された多数の垂直断面が台形状の絶縁層３００ａと、発光構造体２２０ａと、絶縁層３００ａの上部に形成された透明電極層４００及びメタル電極５００とを備えている。
【００３４】
本実施例では、発光構造体２００ａの内部に垂直断面が台形状の絶縁層が形成されることによって、結果的に第１実施例のような垂直断面が逆台形状の発光構造体２００ａが形成される。しかし、第１実施例とは異なって発光構造体２００ａは、全体的に互いに連結されている構造となる。
【００３５】
本実施例の構造は、基板１００上にｐ型ドーピング層２２０ａと、シリコンナノドットを利用した活性層２４０ａ及びｎ型ドーピング層２６０ａが形成された後、垂直断面が台形状であるカラム形状にエッチングされ、その内部が絶縁体によって充填されて絶縁層３００ａが形成されることによって達成される。その他の部分は、第１実施例と同一である。
【００３６】
図２Ｂは、図２ＡのII−II部分を切断した断面図であり、断面の側面から見たとき、図１Ｂとほとんど差のないことが分かる。
【００３７】
絶縁層３００ａは、発光構造体２００ａの断面が逆台形の形態を有するように形成されねばならず、望ましくは、形成される発光構造体２００ａの上部面の直径が約３０μｍ以下に形成され、下部面の直径が上部面の直径より小さく形成されねばならない。逆に言えば、絶縁層３００ａの下部面の直径が約３０μｍ以下に形成され、上部面の直径が下部面の直径より小さく形成されることによって、発光構造体２００ａの望ましい大きさが形成されうる。もちろん、三次元的な側面で、絶縁層３００ａ間の間隔が適切に調節されねばならない。
【００３８】
本実施例での基板１００と、発光構造体２００ａを形成するｐ型ドーピング層２２０ａと、シリコンナノドットを利用した活性層２４０ａ及びｎ型ドーピング層２６０ａと、絶縁層３００ａ及び透明電極層４００の材質や厚さは、第１実施例で説明した通りである。
【００３９】
図３は、本発明の第３実施例に係る高効率シリコン発光素子に係る断面図であり、図２Ｂと類似しているが、透明電極層部分でのみ異なる。すなわち、絶縁層３００ｂは、発光構造体２００ａの上部に透明電極層４００ａまで形成された後、垂直断面が台形状のカラム形状に、発光構造体２００ａ及び透明電極層４００ａが共にエッチングされることによって形成される。断面上では透明電極層が切れているが、三次元的な構造で見れば、透明電極層４００ａは、いずれも連結された構造からなっている。
【００４０】
本実施例での発光構造体２００ａの構造は、第２実施例と同一である。また、基板１００と、発光構造体２００ａを形成するｐ型ドーピング層２２０ａと、シリコンナノドットを利用した活性層２４０ａ及びｎ型ドーピング層２６０ａと、絶縁層３００ｂ及び透明電極層４００ａの材質や厚さは、第１実施例で説明したところと同様である。
【００４１】
図４は、本発明の第１実施例に係る高効率シリコン発光素子と従来の大面積発光素子との光効率を比較したグラフを示す図である。図４を参照すれば、横軸のｘ軸は、発光素子に印加される電流であり、単位はｍＡであり、縦軸のｙ軸は、相対的な光出力を示すので、単位はない。図示されている通り、印加される電流に比例して、本発明による高効率発光素子の光出力が従来の大面積の発光素子に比べてはるかに高まるということを確認することができる。
【００４２】
本発明の高効率シリコン発光素子は、多数のミクロサイズに垂直断面が逆台形状である発光構造体が形成されることによって、発光素子の前面に抽出される光量を増加させて発光効率を向上させることができる。
【００４３】
また、多数の発光構造体全体の上部に透明電極層が形成されることによって、電圧が印加される場合、あらゆる発光構造体が同時に発光するようになって、同じ面積の従来の大面積発光素子よりはるかに光出力が向上する。
【００４４】
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のみ決まるものである。
【００４５】
このように、本発明は、シリコン発光素子に関し、特に、シリコン微細構造を活性層として利用したシリコン発光素子において、発光素子の光取り出し効率を高めるための新しい構造を採用したシリコン発光素子に関する。該高効率シリコン発光素子は、同面積を有する従来の大面積の発光素子に比べて、さらに高い発光効率を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明の第１実施例に係る高効率シリコン発光素子についての斜視図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＩ−Ｉ部分を切断した断面図である。
【図２Ａ】本発明の第２実施例に係る高効率シリコン発光素子についての斜視図である。
【図２Ｂ】図２ＡのII−II部分を切断した断面図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る高効率シリコン発光素子についての断面図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る高効率シリコン発光素子と従来の大面積発光素子との光効率を比較したグラフを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2009518848.tif 000009
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