JPH03183172A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は発光素子に関し、特に光源又は表示に使用され
る発光素子に関する。

［従来の技術］ シリコン系材料を用いた発光素子の素子構造としては、
シランガス（Ｓｉｎ４４）とメタンガス（Ｃ）１４１と
の混合ガスを原料としてＥＣＲプラズマＣＶＤ法で分解
して堆積させたＢ−３ｉＣ膜を電荷注入層及び発光層に
用い、ＰＩＮ構造としたもの（Ｊ。

Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　　５ｏｌｆｄｓ　　
９７＆９ｇ（１９８７）２９３−２９６゜１ｍｐｒｏｖ
ｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　　１ｎｊｅｃｔｉ
ｏｎ　ｅｆｆｉｃｔｅｎｃｙｉｎ　　ａ−３ｉＣｐ−１
−ｎ　　ＬＥＤ　　ｕｓｉｎｇ　　ｈｉｇｈｌｙ−ｃｏ
ｎｄｕｃｔｉｖｅｗｔｄｅ−ｇａｐ　　Ｐ、Ｎ　　Ｔｙ
ｐｅ　　ａ−３ｉＣｐｒｅｐａｒｅｄ　　ｂｙ　　ＥＣ
ＲＣＶＤ　”　、　Ｄ、Ｋｒｕａｎｇａｎ　ｅｔ　ａｌ
）が既に報告されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記発光素子に用いられる電荷注入層の屈折率が前記発
光層の屈折率よりも大きい場合が多く、光の閉じこめ効
果による発熱で前記発光素子の劣化が促進されるという
問題点があった。

更に、前記電荷注入層における局在準位が多いため、電
荷注入効率が低く、それにともなって発光効率が低下す
るという問題点があった。

更に、前記電荷注入層における禁制帯幅が前記発光層の
禁制帯幅よりも小さい場合が多く、注入された電荷の多
くの部分が発光に寄与することなくそのまま発光素子を
通り抜けてしまい、そのため発光効率が低下するという
問題点があった。

本発明は、前記従来技術の問題点を解決することにより
、発光効率が高く、かつ経時的変化の少ない発光素子を
提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成する本発明の発光素子は、基体と、該
基体上の第一導電層と、該第−導電層上の価電子制御剤
を含有するリン化ガリウムで構成された第一電荷注入層
と、該第−電荷注入層上の水素原子を含有し、必要に応
じてハロゲン原子を含有する非単結晶炭化シリコンで構
成された発光層と、該発光層上の価電子制御剤を含有す
るリン化ガリウムで構成された第二電荷注入層と、該第
二電荷注入層上の第二導電層とを有している。

第１図は本発明の発光素子の概念的模式図である。本発
明の発光素子１００は、下部より基体１０１、第一導電
層１０２、価電子制御剤を含有するリン化ガリウムで構
成された第一電荷注入層１０３、水素原子を含有し、必
要に応じてハロゲン原子を含有する非単結晶炭化シリコ
ンで構成された発光層１０４、価電子制御剤を含有する
リン化ガリウムで構成された第二電荷注入層１０５゜第
二導電層１０６が順次積層された構造を有し、更にコン
タクト電極１０７．１０９及びリード線１０８．１１０
が設けられている。

本発明において使用される基体１０１としては、導電性
であっても電気絶縁性であっても良い。導電性基体の材
質としては、例えばＮｉ、　Ｃｒ。

Ａ１．　Ｍｏ、　Ａｇ、　Ａｕ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｖ
、　Ｔｉ、　Ｐｔ、　Ｐｂ等の金属の単体、またはこれ
らの合金、例えばステンレス鋼等が挙げられる。

電気絶縁性基体の材質としては、ポリエステル、ポリエ
チレン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポ
リプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、
ポリスチレン、ポリアミド等の合成樹脂、ガラス、セラ
ミック等が挙げられる。

基体１０１の形状は平滑表面あるいは凹凸表面の板状、
無端ベルト状または円筒状等であることができ、その厚
さは所望の発光素子を形成し得るように適宜決定できる
が、発光素子の製造上および取り扱い上の機械的強度の
点から、通常は１０μ以上とされる。

また、基体１０１として、導電性の材質を用いることに
より、該基体１０１が前記第一導電層１０２を兼ねるこ
とも可能であり、この際には、該第−導電層１０２を省
く構造とすることが可能である。

本発明において使用される第一導電層１０２及び第二導
電層１０６の材質としては、例えば、Ｎｉ、　Ｃｒ、　
ＡＩ、　Ｉｎ、　Ｓｎ、　Ｍｏ、　Ａｇ、　Ａｕ、　Ｎ
ｂ、　Ｔａ、　Ｖ。

Ｔｉ、　Ｐｔ、　Ｐｂ等の金属の単体またはこれらの合
金、例えばステンレス鋼、あるいは酸化物、例えばＩｎ
ｚＯｓ、　ＩＴＯ（ＩｎｔＯ３＋５ｎＯＪ等が挙げられ
る。

また基体ｌｏｔの材質がガラス、ポリエステル等の透明
なものであり、発光素子によって発光した光を支持体１
０１側を透過させて取り出す場合には、第一導電膜１０
２として、基体上に真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッ
タリング等の方法を用いて堆積させた上記金属、合金ま
たは酸化物等の透明導電膜を用いれば良い。

本発明において使用される第一電荷注入層１０３及び第
二電荷注入層１０５はリン化ガリウムで構成され、発光
層１０４に対してＰ型・Ｎ型、あるいはＮ型・Ｐ型の対
の導電の型を有するように価電子制御剤が添加されてお
り、その結果として電荷注入機能を有している。

本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５を構成するリン化ガリウム膜は、膜中の欠陥が
極めて少ないために、価電子制御剤によるドーピング効
率がよく、過剰ドーパントによって形成される局在準位
の密度が小さく、電荷注入効率が高いという特徴を有し
ている。

また、本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電
荷注入層１０５を構成するリン化ガリウム膜及び発光層
１０４を構成するａ−３ｉＣ膜の可視光に対する屈折率
が共に３〜３．５と近いため、光の閉じ込め効果による
発光素子内での発熱が小さく、発光素子の劣化が抑えら
れる。

更に、本発明において発光層１０４を構成するａ−３ｉ
Ｃ膜の禁制帯幅（１，９〜２．２ｅＶ）に対して第一電
荷注入Ｉｌｌ　０３及び第二電荷注入層１０５を構成す
るリン化ガリウム膜の禁制帯幅（２，３ｅＶ）が広いた
め、注入された電荷が発光に寄与することなしに発光層
を通り抜けてしまうことを防ぐ効果、いわゆる電荷の閉
じ込め効果によって、発光効率が高められる。

本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５に導入される価電子制御剤としては、第一電荷
注入層１０３及び第二電荷注入層１０５の導電の型をＰ
型に制御する場合には、アクセプターとして機能するド
ーパントが用いられ、Ｎ型に制御する場合にはドナーと
して機能するドーパントが用いられる。具体的には、前
者のドーパントの例として、ベリリウム原子（Ｂｅ）、
マグネシウム原子（Ｍｇ）　、亜鉛原子（Ｚｎ）　、カ
ドミウム原子（Ｃｄ）　、炭素原子（Ｃ）、ケイ素原子
（Ｓｉ）　、ゲルマニウム原子（Ｇｅ）等の単独、ある
いはこれらのうちの２種以上を混合したものが挙げられ
、後者のドーパントの例として、ケイ素原子（ＳＬ）　
、ゲルマニウム原子（Ｇｅ）　、イオウ原子（Ｓ）、セ
レン原子（Ｓｅ）等の単独、あるいはこれらのうちの２
種以上を混合したものが挙げられる。

本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５に導入される価電子制御剤の量は、通常は１〜
１０００原子９１）Ｉｌ、好ましくは２〜５００原子ｐ
ｐｍである。

本発明における第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５の層厚は所望の目的に応じて適宜決定されるも
のであるが、通常は４０〜６０００人、好ましくは７０
〜２０００人である。

本発明において発光層１０４を構成するａ−３ｉＣは水
素原子を含有し、必要に応じてハロゲン原子を含有する
非単結晶炭化シリコン（“ａ−３ｉ（：：Ｈ（Ｘ）　”
と表記する）である。

本発明において発光層１０４を構成するａ−３ｉＣ：Ｈ
（Ｘ）の光学的バンドギャップは、本発明の発光素子の
発光スペクトル、あるいは発光効率に対して大きな影響
を与える重要なパラメータの１つであり、所望の素子特
性に応じて適宜決定されるものである。本発明において
は、発光層１０４を構成するａ−８ｉＣ：Ｈ（Ｘ）の光
学的バンドギャップは好ましくはり、９ｅＶ〜２．２ｅ
Ｖであり、短波長の発光を得る場合には光学的バンドギ
ャップの大きいものを用い、長波長の発光を得る場合に
は光学的バンドギャップの小さいものを用いる。

本発明において発光層１０４の層厚は、目的に応じて適
宜決定されるものであるが、好ましくは０．１μ履〜Ｉ
ｕｍとされ、より好ましくは０．２μ１ｍ〜０．６μ厘
とされる。該発光層１０４の層厚が０．１μｍ未満であ
ると、該発光層が薄いために５発光強度が低いものとな
る。また、該発光層１０４の層厚が１μｍを越えると発
光層自体での発光の吸収が増加し、発生した熱によって
発光素子が劣化すると共に、外部に取り出される実質的
な発光強度が低下するので好ましくない。

本発明の発光素子の作製方法を、以下に概略的に説明す
る。

第２図は本発明の発光素子の製造に用いられる堆積膜形
成装置の断面を表す概略的模式図である。本発明の発光
素子の製造に用いられる堆積膜形成装置は、図示しない
真空ポンプによって減圧にし得る反応容器２０１、アル
ミナセラミックス製のマイクロ波導入窓２０２、図示し
ないマイクロ波電源装置によって発生したマイクロ波を
該反応容器２０１に導くマイクロ波導波路２０３、排気
管２０４、基体２０５を加熱する基体加熱用ヒーター２
０６を内蔵した基体ホルダー２０７、堆積膜形成用原料
ガス導入管（側面ガス管）２０８、装置の他の部分と電
気的に絶縁されている堆積膜形成用原料ガス導入管（中
央ガス管）２０９、ガス導入管２０９にＤＣあるいはＡ
Ｃのバイアス電圧を印加するためのバイアス電源２１０
によって構成されている。ガス導入管２０８及び２０９
は、図示しない原料ガスボンベとマスフローコントロー
ラーを介して接続されている。

本発明の発光素子は、上記の堆積膜形成装置を用いて、
以下のような手順に従って作製される。

反応容器２０１内の基体ホルダー２０７に、第一導電層
の堆積されている基体２０５を設置し、不図示の真空ポ
ンプを作動させ、排気管２０４を介して反応容器２０１
内を１０−’Ｔｏｒｒ以下の真空度に排気する。基体加
熱用ヒーター２０８に通電し、基体２０５を所望の温度
に加熱、保持する。

基体２０５が所定の温度に達した後、電荷注入層形成用
ガスを、ガス導入管２０８及び２０９を介して反応容器
２０１内に導入する。次に反応容器２０１内の圧力を０
．　ＩＴｏｒｒ以下の所定の値に調整する。圧力が安定
した後、図示しないマイクロ波電源を作動させ、マイク
ロ波導波路２０３、マイクロ波導入窓２０２を介してマ
イクロ波を反応容器２０１内に導入する。この時のマイ
クロ波のエネルギーは、堆積膜形成用ガスの全流量に対
して３０　Ｗ　／　ｓｃｃｍ以上の値を持つように定め
られる。

更に、必要に応じて、ガス導入管２０９にバイアス電源
２１０によってＤＣあるいはＡＣのバイアス電圧を印加
する。

この状態を所定の時間維持することにより、第一導電層
１０２の堆積されていた基体上に第一電荷注入層１０３
が形成される。

第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入層１０５の堆積
に用いられる原料ガスとしては、Ｇ３２Ｈａ、　Ｇａ（
ＣＨＩ）ｌ、　ＧａＧｌｍ、　ＰＨＩ、　Ｐｄ２．　Ｐ
Ｆｓ、　ＰＣｌａ等のガス状態のまたはガス化しやすい
化合物が挙げられる。

また、価電子制御剤導入用の原料ガスの内、ドナーとし
て機能するドーパント導入用の原料ガスとしては、Ｓｉ
Ｈ＋、　Ｓｉ＊Ｈａ、　５ｉＦｎ、　ＧｅＨｉ、　Ｇｅ
Ｆｎ。

ＳＦ４．　ＳＦ８．　ＳＣ１＊、　５ｔｅｒｎ、　Ｉｔ
ｓ、　５ｅＦ４．５ｅＦａ、　５ｅ）１＊等のガス状態
のまたはガス化しやすい化合物が挙げられ、アクセプタ
ーとして機能するドーパント導入用の原料ガスとしては
、Ｂｅ（ＣＨｓ）ｚ。

Ｂｅ（ＣＪｓ）ａ、ＭｇｃＨｓｃｌ、　Ｚｎ（ＣＨｓ）
ｚ、　ｚｎ（ｃａｎｓ）ｚ。

Ｃｄ（ＣＨ３）ｚ、　Ｃｄ（ＣＪＰ）ｚ、Ｃｄ（ＣＪｔ
）２．　Ｈｇ、　Ｈｇ（ＣＨｓ）２゜ＣＨ＜、ＣａＨａ
、　ＣａＯ，ＣｔＨｔ、　ＳｉＨ４，ＳｉＪ＠、　Ｓｉ
Ｆ４゜ＧｅＬ、ＧｅＬ等のガス状態のまたはガス化しや
すい化合物が挙げられる。

上述の方法で第一電荷注入層を形成した後、同一装置内
で引続き以下の方法で、発光層１０４の形成を行う。

発光層の形成の際には、ガス導入バイブ２０９からは炭
素含有ガスを主に導入し、ガス導入管２０８からはシリ
コン含有ガス、水素ガスを導入することが好ましい。炭
素含有ガスはプラズマ内で長時間プラズマにさらされる
ことなく、なるべく短い時間で支持体上に堆積させた方
が良い。なぜなら、プラズマ内で炭素含有ガスの分解が
進み、炭素原子が存在するようになると、炭素原子は非
常に反応性が高いために、未分解の炭素含有ガスと反応
したり堆積した炭素原子と反応して、堆積膜中にグラフ
ァイト構造を持ち込みやすいと考えられるからである。

また、更に堆積膜の欠陥を減少させ、電気的特性を向上
させるために、水素の添加が必要となる。水素はＬとい
う形ではあまり特性向上には役に立たず、水素ラジカル
になった場合に特性向上に役立つ。そして、水素ラジカ
ルはできるだけ多く存在した方が特性が向上する。

反応容器２０！内を１０−’Ｔｏｒｒ以下の真空度に排
気した後、上記のようにしてガスを導入して、反応容器
２０１内の圧力を０．　ＩＴｏｒｒ以下の所定の圧力に
調整する。反応容器２０１内の圧力が安定した後、図示
しないマイクロ波電源からマイクロ波導波路２０３、マ
イクロ波導入窓２０２を介して反応容器２０１内にマイ
クロ波を導入する。該マイクロ波のエネルギーは発光層
形成用原料ガスの全流量に対して２０　Ｗ　／　ｓｃｃ
ｍ以上の値を持つように設定する。更に、必要に応じて
、バイアス電源２１０によってガス導入管２０９にＤＣ
あるいはＡＣのバイアス電圧を印加する。

良質なａ−３ｉＣ：Ｈ（Ｘ）膜を堆積させるためには反
応容器２０１内の圧力線０．３ｍＴｏｒｒ〜１００＋５
Ｔｏｒｒとする。

良質なａ−ＳｉＣ：：１（（Ｘ）膜を堆積するに適する
原料ガスとしては次のようなものがある。

シリコン系の原料ガスとしては、５ＩＨ４１５ｌａＨａ
＋５ｉａＨａ、・・・、５ｉＦｎ、　５ｉｔＦａ、・・
・等のシラン系のガスが利用される。

炭素系の原料ガスとしては、ＣＨ４，ＣＪｓ、　Ｃ５Ｈ
ａ。

、Ｃ，Ｈ４，ＣｌＨ６，・　・　・、Ｃ，Ｈ，、・　・
　・Ｃ，Ｈ，、ＣＦ４．・・・等のガスが利用される。

また、シリコンと炭素とを共に含む原料ガスとしては、
（ＣＨｍ）４ｓｉ、　　・・・等のガスが利用できる。

上記シリコン系原料ガスと炭素系原料ガスの混合比（重
量比）は、所望の発光素子の特性に応じて適宜決定され
るものであるが、好ましくは２：１〜１００：１、より
好ましくは５：１〜２０：１である。

上記各種原料ガスは、複数種混合して用いることもでき
る。

上述の方法で発光層を形成した後、同一装置内で引き続
き第二電荷注入層１０５の形成を行う。

その方法は、前記第一電荷注入層とは導電の型が異なる
ように価電子制御剤を変えるだけで、前記第一電荷注入
層の形成法と同様である。

上述の方法で第二電荷注入層を形成した後、この上に第
二導電層を形成する。本発明において使用される第二導
電層は、基体１０１側に光を放出する場合には透光性で
あっても、非透光性であってもよい。第二導電層側に光
を放出する場合は、第二導電層は透光性であることが望
ましい。

本発明において使用されるコンタクト電極は、リード線
と、第一または第二導電層との間の電気的導通性をよく
する材料が望ましい。その様な材料として、Ａｇ、　Ｐ
ｔ、　Ａ１等が挙げられる。コンタクト電極は、第一ま
たは第二の導電層上にマスクを置いてこれらの金属を蒸
着させることによって形成することが可能である。

［実施例］ 以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明する
が、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１） 第２図に示すようなマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用
いて、上述した手順にしたがって、第１表に示すような
堆積膜形成条件下で発光素子を形成した。

該発光素子は、コーニング社製７０５９ガラス基板上に
形成した。該発光素子の構造は、コーニング社製７０５
９ガラス基板上にＣｒ電極をエレクトロンビーム蒸着法
により形成し、この上に第一電荷注入層として５００人
のＮ型結晶質リン化ガリウム、発光層として５０００人
のａ−ＳｉＣ：８層、第二電荷注入層として５００人の
Ｐ型結晶質リン化ガリウム、透明電極としてＩＴＯを順
次積層した構造である。

このようにして作製した発光素子の評価を、第３図に示
す評価装置を用いて行った。

第３図に概略的模式図で示した評価装置は、外面に外部
からの光を遮断するためのアルミニウム膜３０２が設け
られ且つ内面に完全反射面としての酸化マグネシウム膜
３０３が設けられたガラス製チャンバー３０１、発光素
子３０７を固定しこれに通電する発光素子ホルダー３０
５、及びすりガラス３０４で隔てられた光電管３０６か
ら構成されている。

実施例１において作製した発光素子の発光強度と発光寿
命を前記評価装置を用い、ＤＣ，ＩＯＶの電圧をかけて
評価した。その結果を第１表に示す。但し、発光強度及
び発光寿命の値は、次の比較例における発光素子によっ
て得られた値をｌとして規格化されている。

（比較例） 第−及び第二電荷注入層としてリン化ガリウムの代わり
にａ−３ｉＣを用いて実施例１と同様にして発光素子を
作製し、これを比較例とした。

（実施例２） 第２表に示すような堆積膜形成条件を採用して、実施例
１と同様な方法で発光素子を作製した。

該発光素子は、コーニング社製７０５９ガラス基板上に
透明電極としてＩＴＯをスパッタ蒸着にて形成し、その
上に第一電荷注入層として５００ÅのＮ型リン化ガリウ
ム、発光層として４０００人のａ−３ｉＣ：）Ｉ、第二
電荷注入層として５００人のＰ型リン化ガリウム、Ｃｒ
電極を順次積層した構造を有する。このように作製した
発光素子に対し、実施例１と同様に比較例との相対評価
を行い、その結果を第２表に示す。

（実施例３） 第３表に示すような堆積膜形成条件を採用して、実施例
１と同様な方法で発光素子を作製した。

該発光素子は、コーニング社製７０５９ガラス基板上に
透明電極としてＩＴＯをスパッタ蒸着にて形成し、その
上に第一電荷注入層として５００六のＰ型リン化ガリウ
ム、発光層として４０００人のａ−３ｉＣ：Ｈ（Ｆ）、
第二電荷注入層として５００人のＮ型リン化ガリウム、
Ｏｒ電極を順次積層した構造を有する。このように作製
した発光素子に対し、実施例１と同様に比較例との相対
評価を行い、その結果を第３表に示す。

（実施例４） 実施例１の方法において発光層の膜厚だけを第４表に示
すように変えて発光素子を作製し、実施例１と同様の評
価を行い、その結果を第４表に示す。

（実施例５） 実施例１の方法において第一電荷注入層の膜厚だけを第
５表に示すように変えて発光素子を作製し、実施例１と
同様の評価を行い、その結果を第５表に示す。

（実施例６） 実施例１の方法において第二電荷注入層の含まれる価電
子制御剤の量だけを第６表に示すように変えて発光素子
を作製し、実施例１と同様の評価を行い、その結果を第
６表に示す。

第４表 第５表 第６表 ［発明の効果］ 本発明の発光素子においてａ−３ｉＣ：Ｈ（Ｘ）からな
る発光層を挟持する電荷注入層に禁制帯幅がａ−８ｉＣ
よりも広く、屈折率がａ−３ｉＣにほぼ等しく、かつ膜
内の局在準位が少ないリン化ガリウムを用いることによ
って、発生した光の閉じ込め効果をなくし、かつ電荷の
閉じ込め効果を得ることが可能となり、電荷注入効率及
び発熱等が改善され、発光効率及び発光寿命を大きく向
上することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の発光素子の概略的模式図である。 第２図は、本発明の発光素子の作製に使用したマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置の概略的模式図である。 第３図は、本発明の発光素子の評価に用いた発光強度測
定機の概略的模式図である。 第１図において、１０１は基体、１０２は第一導電層、
１０３は第一の電荷注入層、１０４は発光層、１０５は
第二の電荷注入層、１０６は第二の導電層、１０７．１
０９はコンタクト電極、１０８．１１０はリード線であ
る。 第２図において２０１は反応容器、２０２はマイクロ波
導入窓、２０３はマイクロ波導波路、２０４は排気管、
２０５は基体、２０６は基体加熱用ヒーター、２０７は
基体ホルダー、２０８は堆積膜形成用原料ガス導入管（
側面ガス管）、２０９は堆積膜形成用原料ガス導入管（
中央ガス管）、２１０はバイアス電源である。 第３図において３０１はガラス製チャンバー、３０２は
アルミニウム膜、３０３は酸化マグネシウム膜、３０４
はすりガラス、３０５は発光素子ホルダー、３０６は光
電管、３０７は発光素子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　発光層及び該発光層の両面上に形成された電荷注入層
   を有する発光素子において、該発光層が水素原子を含む
   非単結晶炭化シリコンで構成されており、該電荷注入層
   が価電子制御剤を含有するリン化ガリウムで構成されて
   いることを特徴とする発光素子。