JPH06283755A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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JPH06283755A
JPH06283755A JP9246593A JP9246593A JPH06283755A JP H06283755 A JPH06283755 A JP H06283755A JP 9246593 A JP9246593 A JP 9246593A JP 9246593 A JP9246593 A JP 9246593A JP H06283755 A JPH06283755 A JP H06283755A
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JP
Japan
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light emitting
porous silicon
silicon
type
emitting device
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Withdrawn
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JP9246593A
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English (en)
Inventor
Shusuke Mimura
秀典 三村
Toshirou Futaki
登史郎 二木
Takahiro Matsumoto
貴裕 松本
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコン用いた発光素子、特にpn接合を用
いて電荷を注入し発光させる発光素子を提供することを
目的としている。 【構成】 p型単結晶シリコン基板12上に高速熱窒化
多孔質シリコン層13を作製し、n型の微結晶を含有す
る非晶質シリコンカーボン合金14を高速熱窒化多孔質
シリコン層13上へ堆積した。上記の構成とすることに
よりシリコンを用いたpn接合型の発光素子を実現でき
た。また、高速熱窒化多孔質シリコンを用いることによ
り発光効率の低下を防止することのできる発光素子を提
供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、自発光型ディ
スプレイ、光源、光集積回路等に用いることのできる発
光素子、特にpn接合を用いた発光素子に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】シリコン半導体は間接遷移半導体である
ため発光素子の作製は実現不可能であると考えられてお
り、そのため従来pn接合を用いた発光素子はIII −V
属化合物半導体、II−VI属化合物半導体、およびIV−VI
属化合物半導体で作製されていた。しかし、シリコン半
導体は化合物半導体に比べ、資源が豊富、安価であり、
特に多結晶シリコンは、ステンレス基板、石英基板、ガ
ラス基板等種々の基板上に大面積のものを安価に作製す
ることができる。また、デバイス設計・作製技術が高く
現状の化合物半導体では実現することが難しい高集積度
でかつ高信頼性のある論理、演算、駆動、受光素子等を
同一基板上に作り込める等の利点により、シリコンを用
いた発光素子、特に最終的にはレーザへの応用が可能な
pn接合を用いた発光素子の実現が切望されていた。
【0003】ところが、1990年、L.T.Canh
amにより単結晶シリコンを弗酸溶液中で陽極化成した
多孔質シリコンが室温で強いホトルミネッセンスを示す
ことが示された(Applied Physics L
etters 57,1990,p.1046)。この
ことは、シリコンでも発光素子が実現できる可能性があ
ることを示しており、その後このホトルミネッセンスの
発生メカニズムについて盛んに研究が行われていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この多孔質シリコンを
用いた発光素子としては、特願平4−34507がある
が、従来の多孔質シリコンを用いた発光素子は赤色から
オレンジ色までの発光しか示さず、白色に発光するもの
はなかった。また、従来の発光素子は動作中に発光輝度
の低下が見られた。
【0005】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、シリコンを用いた発光素子、特に白色発光素
子を提供することを目的としたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項1記載の発明の発光素子は、p型又はn型の単
結晶シリコン上に形成された多孔質シリコンを熱窒化し
た熱窒化多孔質シリコンを用いたことを特徴とするもの
である。
【0007】請求項2記載の発明の発光素子は、p型又
はn型の単結晶シリコン上に形成された多孔質シリコン
を熱窒化した熱窒化多孔質シリコンと前記熱窒化多孔質
シリコンが形成された単結晶シリコンと異なる伝導型を
持つ半導体からなるpn接合を用いたことを特徴とする
ものである。
【0008】請求項3記載の発明の発光素子は、請求項
2記載の発明において、前記半導体が微結晶を含有する
非晶質シリコンカーボン合金からなることを特徴とする
ものである。
【0009】請求項4記載の発明の発光素子は、請求項
2記載の発明において、前記半導体が非晶質シリコンカ
ーボン合金からなることを特徴とするものである。
【0010】請求項5記載の発明の発光素子は、請求項
2記載の発明において、前記半導体が微結晶を含有する
シリコンからなることを特徴とするものである。
【0011】請求項6記載の発明の発光素子は、p型又
はn型の多結晶シリコン上に形成された多孔質シリコン
を熱窒化した熱窒化多孔質シリコンを用いたことを特徴
とするものである。
【0012】請求項7記載の発明の発光素子は、p型又
はn型の多結晶シリコン上に形成された多孔質シリコン
を熱窒化した熱窒化多孔質シリコンと前記熱窒化多孔質
シリコンが形成された多結晶シリコンと異なる伝導型を
持つ半導体からなるpn接合を用いたことを特徴とする
ものである。
【0013】請求項8記載の発明の発光素子は、請求項
7記載の発明において、前記半導体が微結晶を含有する
非晶質シリコンカーボン合金からなることを特徴とする
ものである。
【0014】請求項9記載の発明の発光素子は、請求項
7記載の発明において、前記半導体が非晶質シリコンカ
ーボン合金からなることを特徴とするものである。
【0015】請求項10記載の発明の発光素子は、請求
項7記載の発明において、前記半導体が微結晶を含有す
るシリコンからなることを特徴とするものである。
【0016】請求項11記載の発明の発光素子は、請求
項1又は6記載の発明において、前記熱窒化多孔質シリ
コン上にインジウムティンオキサイトを形成したことを
特徴とするものである。
【0017】請求項12記載の発明の発光素子は、請求
項1又は6記載の発明において、前記熱窒化多孔質シリ
コン上にAuを形成したことを特徴とするものである。
【0018】請求項13記載の発明の発光素子は、請求
項1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11又
は12記載の発明において、前記熱窒化多孔質シリコン
は、高速熱窒化した高速熱窒化多孔質シリコンであるこ
とを特徴とするものである。
【0019】
【作用】白色発光素子を作製するためには、その発光層
が青色より広いエネルギーバンドギャップ(約2.5e
V以上)を持ち、かつ電子と正孔が発光再結合し、その
発光再結合過程のエネルギー差が青から赤まで幅広く有
していることが必要である。簡便にこの必要条件を持つ
ことを確認するためには、紫外光励起によるホトルミネ
ッセンスを測定し、白色発光することを確認すればよ
い。この現象が確認できれば、発光層に電子及び正孔を
なんらかの手段で注入し、発光層で再結合を起こさせれ
ば白色発光素子が実現できる。本発明者たちは、多孔質
シリコンを熱窒化することにより作製した熱窒化多孔質
シリコンが紫外光励起により、白色発光することを見い
だした。また、発光層に正孔と電子を注入し発光層で再
結合させる手段を見いだした。
【0020】本発明者等は、p型又はn型の単結晶シリ
コン基板(面方位(111)及び(100)、抵抗率
0.05〜50Ωcm)の上に、陽極化成法(エチルア
ルコール:弗酸(48%の水溶液)=0:1〜10:1
の水溶液中で、陽極側に多結晶シリコンを接続し、また
陰極側に白金等の電極を接続して電流密度:1mA/c
2 〜200mA/cm2 の電流を流し、単結晶シリコ
ンを加工する方法)で30秒〜10分間処理することに
より、多孔質シリコン(porous Si)層を作製
し、その後前記多孔質シリコン層を高速熱窒化(窒素、
アンモニア又は窒素及びアンモニア雰囲気中において、
800℃〜1200℃で10秒〜120秒間熱窒化を行
う)することにより作製した高速熱窒化多孔質シリコン
層が紫外光励起により強い白色ホトルミネッセンスを示
すことを見いだした。また、高速熱窒化多孔質シリコン
上に、高速熱窒化多孔質シリコンを作製した単結晶シリ
コン基板と異なる伝導型の広いバンドギャップ(2.0
〜2.4eV)と高い導電率(10-2〜101 S/c
m)とを有する微結晶を含有する非晶質シリコンカーボ
ン合金(μc−SiC)を堆積すると良好なpn接合が
得られることを見いだした。また、単結晶シリコン基板
のかわりにp型又はn型の多結晶シリコン基板を用い高
速熱窒化多孔質シリコンを作製した場合にも、同様の方
法で良好なpn接合が得られることを見いだした。
【0021】LED発光するような良好なpn接合を作
製するためには、高速熱窒化多孔質シリコン層の作製方
法(基板の比抵抗、陽極化成の方法、高速熱窒化炉の温
度、雰囲気、窒化時間等)はもちろんのこと、特に高速
熱窒化多孔質シリコン層と、微結晶を含有する非晶質シ
リコンカーボン合金膜との界面特性にダメージを与えな
いように、微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合
金の堆積条件を最適化することが非常に重要である。
【0022】これらについて本発明者等は鋭意研究を行
った結果、陽極化成法によりエチルアルコール:弗酸
(48%の水溶液)=0.1:1〜5:1、電流密度5
〜50mA/cm2 、陽極化成時間1〜5分において面
方位(111)及び(100)、抵抗率0.1〜40Ω
cmのp型単結晶シリコン基板の表面に多孔質シリコン
層を作製し、さらに50℃/sec〜250℃/sec
の温度上昇を持つ、高速熱窒化炉で800℃〜1200
℃で30秒から60秒間熱窒化することにより、p型単
結晶シリコン基板から高速熱窒化多孔質シリコン層に正
孔が注入できる高速熱窒化多孔質シリコン層の作製条件
を見いだした。
【0023】また、電子サイクロトロン共鳴プラズマC
VD法によりガス圧0.001〜0.008Torr、
基板温度150〜350℃、投入電力200〜350
W、SiH4 :CH4 :PH3 :H2 =1:1〜3:
0.005〜0.03:100〜200において前記多
孔質シリコン層の表面にn型の微結晶を含有する非晶質
シリコンカーボン合金膜を作製することにより、n型の
微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜から高
速熱窒化多孔質シリコン層に電子が良好に注入できるn
型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金の堆
積条件を見いだした。その結果、白色発光素子が実現で
きたわけである。
【0024】またこの発光素子は白色発光するだけでな
く、発光効率の低下が極めて少ない。これは、一般に多
孔質シリコンは水素でターミネートされているが、水素
は熱等に対して不安定であるため多孔質シリコンから外
れ易いのに対し、窒素は熱等に対して安定しているため
多孔質シリコンから外れ難いので、多孔質シリコンをタ
ーミネートしている水素を窒素に置換することにより、
多孔質シリコンのダングリングボンドによる特性劣化を
防止することができるからである。
【0025】また、n型単結晶シリコン基板を用いて発
光素子を作製する条件について、n型単結晶シリコン基
板から高速熱窒化多孔質シリコン層に電子が良好に注入
できる高速熱窒化多孔質シリコン層の作製条件は、陽極
化成の際に光を照射しなければならないことを除けば、
p型単結晶シリコン基板を用いた場合と同じ条件である
こと、p型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン
合金膜から高速熱窒化多孔質シリコン層に正孔が良好に
注入できるp型の微結晶を含有する非晶質シリコンカー
ボン合金の堆積条件は、原料ガスとしてPH3 の代わり
にB2 6 を用いることを除けば、n型の微結晶を含有
する非晶質シリコンカーボン合金の堆積条件と同じであ
ることを見いだした。
【0026】さらに、p型多結晶シリコンを用いて発光
素子を作製する条件について、p型多結晶シリコンから
高速熱窒化多孔質シリコン層に正孔が良好に注入できる
高速熱窒化多孔質シリコン層の作製条件は、陽極化成の
際に光を照射しなければならないことを除けば、p型単
結晶シリコン基板を用いた場合と同じ条件であること、
およびn型多結晶シリコンを用いて発光素子を作製する
条件について、n型単結晶シリコン基板を用いた場合と
同じ条件であることを見いだした。
【0027】尚、発明者等が調べたところでは、単結晶
シリコンの抵抗率が40Ωcmを越えると基板の抵抗が
高くなって基板から高速熱窒化多孔質シリコン層に電荷
が良好に注入されなくなり、良好な発光素子を作製でき
ないことが分かった。なお、多結晶シリコンは薄膜で用
いるため、多結晶シリコンの抵抗率が106 Ωmまで、
多結晶シリコンから高速熱窒化多孔質シリコンに電荷が
注入される接合が得られることが分かった。
【0028】また、陽極化成法により多孔質シリコン層
を作製するに際し、エチルアルコールと弗酸の比率がエ
チルアルコール:弗酸=0.1:1未満になると陽極化
成の際に生じる泡のため多孔質シリコンが均一にでき
ず、また電流密度が50mA/cm2 を越えると除々に
シリコンの電界研磨が起こり始めてくるため、良好な発
光素子を作製できないことが分かった。
【0029】さらに、電子サイクロトロン共鳴プラズマ
CVD法により微結晶を含有する非晶質シリコンカーボ
ン合金膜を作製するに際し、ガス圧が0.001Tor
r未満ではエッチング効果により下地の高速熱窒化多孔
質シリコン層にダメージを与え、0.008Torrを
越えるとプラズマが安定せず微結晶を含有する非晶質シ
リコンカーボン合金が作製不可能となるため、良好な発
光素子を作製できないことが分かった。
【0030】また、基板温度が150℃未満では微結晶
を含有する非晶質シリコンカーボン合金が作製不可能と
なり、350℃を越えると高速熱窒化多孔質シリコン層
の表面状態が変化し発光しなくなるため、良好な発光素
子を作製できないことが分かった。
【0031】さらに、多孔質シリコン層を高速熱窒化し
て高速熱窒化多孔質シリコン層を作製するに際し、熱窒
化時間が10秒未満では多孔質シリコンをターミネート
している水素の大部分を窒素に置換することができず、
120秒を越えると多孔質シリコンの構造が変化するた
め、良好な発光を示さず、結果として発光素子を作製で
きないことが分かった。
【0032】
【実施例】本発明の第一実施例について、図1、図5、
図7を参照して説明する。図1は、本発明の第一実施例
であるp型単結晶シリコンを用いた発光素子の概略構造
図である。図5は、陽極化成法により多孔質シリコンを
作製する方法を説明するための図である。図7は、図1
に示す発光素子のインジウムティンオキサイド(IT
O)側に30Vの正電圧を印加した場合における発光ス
ペクトルを表した図である。
【0033】図1に示す発光素子1は、p型単結晶シリ
コン基板12の裏面にAl11を蒸着し、p型単結晶シ
リコン基板12の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層1
3を形成し、高速熱窒化多孔質シリコン層13の上にn
型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜1
4を形成し、さらにn型の微結晶を含有する非晶質シリ
コンカーボン合金膜14の上に透明電極としてITO1
5を形成したものである。
【0034】図1に示す発光素子1の製造方法について
説明する。先ず、p型単結晶シリコン基板12((10
0)面、抵抗率0.2〜10Ωcm)の裏面にAl11
を蒸着してオーミックコンタクトをとり、第一中間生成
物を作製する。
【0035】次に、図5に示すように、p型単結晶シリ
コン基板12の表面に多孔質化したい部分を除いて第一
中間生成物をワックスで覆い、陰極側に白金電極Ptを
接続し、また陽極側にAl11を接続して、白金電極P
t及び第一中間生成物をエチルアルコール:弗酸(48
%の水溶液)=1:1の溶液(C2 5 OH+HF+H
2 O)の中に浸す。定電流電源を用いて電流密度を10
〜30mA/cm2 に固定し約3〜5分間陽極化成を行
うことによって多孔質シリコン層を作製し、第二中間生
成物を作製する。
【0036】第二中間生成物の表面に付着したワックス
を有機溶剤で解かし、Alをエッチングし純水で洗浄し
た後、p型単結晶シリコン基板12上に作製した多孔質
シリコン層を窒素、アンモニア又は窒素及びアンモニア
雰囲気中において、赤外線高速加熱炉を用いて800℃
〜1200℃で30秒〜60秒間熱窒化することにより
高速熱窒化多孔質シリコン層13を作製し、第三中間生
成物を作製する。その後再び、p型単結晶シリコン基板
12の裏面にAl11を蒸着しオーミックコンタクトを
とる。
【0037】第三中間生成物を電子サイクロトロン共鳴
プラズマCVD装置に入れ、n型の微結晶を含有する非
晶質シリコンカーボン合金を高速熱窒化多孔質シリコン
層13の上に150オングストローム堆積してn型の微
結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜14を作
製し、第四中間生成物を作製する。堆積条件はガス圧
0.005〜0.008Torr、投入電力300W、
SiH4 :CH4 :PH3 :H2 =1:1〜3:0.0
05〜0.03:100〜200、基板温度300℃で
ある。
【0038】電子ビーム蒸着装置を用い、第四中間生成
物のn型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合
金膜14の上に透明電極としてITO15を600オン
グストローム堆積し、発光素子1を作製する。
【0039】ITO15側に30Vの負電圧を印加した
ときの発光スペクトルは、図7に示すように、発光波長
が約400〜700nmでピーク波長は600nmであ
った。
【0040】本発明の第一実施例によれば、p型単結晶
シリコン基板12上に形成された高速熱窒化多孔質シリ
コン層13とn型の微結晶を含有する非晶質シリコンカ
ーボン合金膜14からなるpn接合を用いたので、p型
単結晶シリコン基板12から正孔を、またn型の微結晶
を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜14から電子
を高速熱窒化多孔質シリコン層13に良好に注入するこ
とができる。また、第一実施例の発光素子は、図7に示
すように白色発光となる。
【0041】また、発光層である多孔質シリコン層を高
速熱窒化して高速熱窒化多孔質シリコン層13としたの
で、多孔質シリコンをターミネートしている水素を窒素
に置換することにより熱等の原因によって発光効率が低
下するのを防止することができる。
【0042】さらに、多孔質シリコン層を高速熱窒化し
て高速熱窒化多孔質シリコン層13としたので、多孔質
シリコンの構造を変化させることなく多孔質シリコンを
ターミネートしている水素を窒素に置換することができ
る。
【0043】次に、本発明の第二実施例について、図
2、図6、図8を参照して説明する。図2は、本発明の
第二実施例であるn型単結晶シリコンを用いた発光素子
の概略構造図である。図6は、陽極化成法により多孔質
シリコンを作製する方法を説明するための図である。図
8は、図2に示す発光素子のITO側に30Vの正電圧
を印加した場合における発光スペクトルを示す図であ
る。
【0044】図2に示す発光素子2は、n型単結晶シリ
コン基板22の裏面にAl21を蒸着し、n型単結晶シ
リコン基板22の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層2
3を形成し、高速熱窒化多孔質シリコン層23の上にp
型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜2
4を形成し、さらにp型の微結晶を含有する非晶質シリ
コンカーボン合金膜24の上に透明電極としてITO2
5を形成したものである。発光素子2の製造方法は、陽
極化成を行う際、図6に示すように、n型単結晶シリコ
ン基板22の多孔質シリコンを作製する面にタングステ
ンランプ光を照射すること、及び、電子サイクロトロン
共鳴プラズマCVD装置を用いてp型の微結晶を含有す
る非晶質シリコンカーボン合金を高速熱窒化多孔質シリ
コン層23上に堆積する条件がSiH4 :CH4 :B2
6 :H2 =1:1〜3:0.005〜0.03:10
0〜200であることを除けば、第一実施例と同様であ
るので、その詳細な説明を省略する。
【0045】ITO25側に30Vの正電圧を印加した
ときの発光スペクトルは、図8に示すように、発光波長
が約400〜700nmでピーク波長は600nmであ
った。
【0046】本発明の第二実施例によれば、n型単結晶
シリコン基板22上に形成された高速熱窒化多孔質シリ
コン層23とp型の微結晶を含有する非晶質シリコンカ
ーボン合金膜24からなるpn接合を用いたので、n型
単結晶シリコン基板22から電子を、またp型の微結晶
を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜24から正孔
を高速熱窒化多孔質シリコン層23に良好に注入するこ
とができる。その他の効果は、第一実施例と同様であ
る。
【0047】次に、本発明の第三実施例について、図3
を参照して説明する。図3は、本発明の第三実施例であ
るp型単結晶シリコンを用いた発光素子の概略構造図で
ある。
【0048】図3に示す発光素子3は、p型単結晶シリ
コン基板32の裏面にAl31を蒸着し、p型単結晶シ
リコン基板32の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層3
3を形成し、高速熱窒化多孔質シリコン層33の上にn
型の非晶質シリコンカーボン合金(a−SiC)膜34
を形成し、さらにn型の非晶質シリコンカーボン合金膜
34の上に透明電極としてITO35を形成したもので
ある。発光素子3の製造方法は、電子サイクロトロン共
鳴プラズマCVD装置を用いずに通常のプラズマCVD
装置を用いて、n型の非晶質シリコンカーボン合金膜を
高速熱窒化多孔質シリコン層33上に作製できる点を除
いては、第一実施例と同様であるので、その詳細な説明
を省略する。
【0049】本発明の第三実施例によれば、通常のプラ
ズマCVD装置を用いてn型の非晶質シリコンカーボン
合金膜34を高速熱窒化多孔質シリコン層33上に作製
することができるので、第一実施例に比べて発光素子の
作製装置を簡略化することができる。しかし、非晶質シ
リコンカーボン合金は、バンドギャップ2.0eVの所
で導電率10 -5 S/cmであり、微結晶を含有する非
晶質シリコンカーボン合金と比べてバンドギャップ、導
電率共に低い値を示すため、第一実施例に示す発光素子
に比べて若干発光輝度が低下する。その他の効果は、第
一実施例と同様である。
【0050】尚、第三実施例では、p型単結晶シリコン
基板32の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層33を形
成し、高速熱窒化多孔質シリコン層33の上にn型の非
晶質シリコンカーボン合金膜34を形成したが、本発明
はこれに限定されず、n型単結晶シリコン基板の表面に
高速熱窒化多孔質シリコン層を形成し、高速熱窒化多孔
質シリコン層の上にp型の非晶質シリコンカーボン合金
膜を形成するものであってもよい。
【0051】また、非晶質シリコンカーボン合金膜に代
えて微結晶を含有するシリコン(μc−Si)膜を用い
てもよい。しかし、微結晶を含有するシリコンも、微結
晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金ほどバンドギ
ャップが広い所で導電率を高くすることができなため、
非晶質シリコンカーボンを用いた場合と同様に第一実施
例に示す発光素子に比べて若干発光輝度が低下する。
【0052】次に、本発明の第四実施例について、図4
を参照して説明する。図4は、本発明の第四実施例であ
るp型単結晶シリコンを用いた発光素子の構造図であ
る。
【0053】図4に示す発光素子4は、p型単結晶シリ
コン基板42の裏面にAl41を蒸着し、p型単結晶シ
リコン基板42の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層4
3を形成し、高速熱窒化多孔質シリコン層43の上にI
TO44を直接形成したものである。発光素子4の製造
方法は、電子サイクロトロン共鳴プラズマCVD装置を
用いてn型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン
合金を多孔質シリコン層の上に作製する工程がない点を
除いては、第一実施例と同様であるので、その詳細な説
明を省略する。
【0054】本発明の第四実施例によれば、高速熱窒化
多孔質シリコン層43の上にITO44を直接形成して
いるので、第一実施例に比べて、発光素子の構造を簡単
にできる。しかし、第一実施例に示す発光素子に比べて
若干発光輝度が低下する。その他の効果は、第一実施例
と同様である。
【0055】尚、第四実施例ではp型単結晶シリコン基
板42の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層43を形成
し、高速熱窒化多孔質シリコン層43の上にITO44
を直接形成したが、本発明はこれに限定されず、n型単
結晶シリコン基板の表面に高速熱窒化多孔質シリコン層
を形成し、高速熱窒化多孔質シリコン層の上にITOを
直接形成するものであってもよい。
【0056】また、ITO44に代えてAuを用いても
よい。しかし、ITOを用いた場合と同様に第一実施例
に示す発光素子に比べて若干発光輝度が低下する。
【0057】本発明は、上記の各実施例に限定されるも
のではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可
能である。上記の各実施例では、p型又はn型単結晶シ
リコン基板上に形成された多孔質シリコン層を高速熱窒
化して高速熱窒化多孔質シリコン層を作製したが、たと
えば、ステンレス基板、石英基板等の上に低圧CVD法
等により形成されたp型又はn型多結晶シリコン層上に
形成された多孔質シリコン層を高速熱窒化して高速熱窒
化多孔質シリコン層を作製してもよい。多結晶シリコン
を用いて発光素子を作製した場合、純粋なシリコンウェ
ハから切り出した単結晶シリコン基板を用いて発光素子
を作製する場合に比べて大面積のものを安価に作製する
ことができる。
【0058】また、多孔質シリコン層を高速熱窒化して
高速熱窒化多孔質シリコン層を作製したが、多孔質シリ
コン層を通常の熱窒化炉に入れて、数秒で取り出すこと
により熱窒化多孔質シリコン層を作製するものでも代用
できる。
【0059】
【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の発明
によれば、p型又はn型の単結晶シリコン上に形成され
た多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコンを
発光層として用いたので、その発光層が青色より広いエ
ネルギーバンドギャップ(約2.5eV以上)を持ち、
かつ電子と正孔が発光再結合し、その発光再結合過程の
エネルギー差が青から赤まで幅広く有しており、このた
め白色発光素子が実現できる。
【0060】また、発光層に多孔質シリコンを熱窒化し
た熱窒化多孔質シリコンを用いたことにより、ダングリ
ングボンドによる多孔質シリコンの特性劣化を防止する
ことができ、発光効率の低下を防止することができる発
光素子を提供することができる。
【0061】請求項2記載の発明によれば、p型又はn
型の単結晶シリコン上に形成された多孔質シリコンを熱
窒化した熱窒化多孔質シリコンと前記単結晶シリコンと
異なる伝導型を持つ半導体からなるpn接合を用いたの
で、発光層である熱窒化多孔質シリコンに正孔や電子を
注入し、再結合させることができる。このため、請求項
1記載の発明の効果に加えて効率よく発光させることが
できる発光素子を提供することができる。
【0062】請求項3記載の発明によれば、請求項2記
載の発明において、半導体として微結晶を含有する非晶
質シリコンカーボン合金を用いたので、発光層である熱
窒化多孔質シリコンに正孔や電子を良好に注入し、再結
合させることができる。このため、請求項1記載の発明
の効果に加えて効率よく発光させることができる発光素
子を提供することができる。
【0063】請求項4記載の発明によれば、請求項2記
載の発明において、半導体として非晶質シリコンカーボ
ン合金を用いたので、通常のプラズマCVD装置を用い
て発光素子を作製することができる。このため、請求項
1記載の発明の効果に加えて作製が容易で安価な発光素
子を提供することができる。
【0064】請求項5記載の発明によれば、請求項2記
載の発明において、半導体として微結晶を含有するシリ
コンを用いたので、通常のプラズマCVD装置を用いて
発光素子を作製することができる。このため、請求項1
記載の発明の効果に加えて作製が容易で安価な発光素子
を提供することができる。
【0065】請求項6記載の発明によれば、多結晶シリ
コン上に形成された多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化
多孔質シリコンを用いたことにより、請求項1記載の発
明の効果に加えて純粋なシリコンウェハから切り出した
単結晶シリコン基板上に作製した熱窒化多孔質シリコン
を用いて作製した発光素子に比べて大面積のものを安価
に作製できる発光素子を提供することができる。
【0066】請求項7記載の発明によれば、多結晶シリ
コン上に形成された多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化
多孔質シリコンと前記多結晶シリコンと異なる伝導型を
持つ半導体からなるpn接合を用いたので、発光層であ
る熱窒化多孔質シリコンに正孔や電子を注入し、再結合
させることができる。このため、請求項6記載の発明の
効果に加えて効率よく発光させることができる発光素子
を提供することができる。
【0067】請求項8記載の発明によれば、請求項6記
載の発明において、半導体として微結晶を含有する非晶
質シリコンカーボン合金を用いたので、発光層である熱
窒化多孔質シリコンに正孔や電子を良好に注入し、再結
合させることができる。このため、請求項6記載の発明
の効果に加えて効率よく発光させることができる発光素
子を提供することができる。
【0068】請求項9記載の発明によれば、請求項6記
載の発明において、半導体として非晶質シリコンカーボ
ン合金を用いたので、通常のプラズマCVD装置を用い
て発光素子を作製することができる。このため、請求項
6記載の発明の効果に加えて作製が容易で安価な発光素
子を提供することができる。
【0069】請求項10記載の発明によれば、請求項6
記載の発明において、半導体として微結晶を含有するシ
リコンを用いたので、通常のプラズマCVD装置を用い
て発光素子を作製することができる。このため、請求項
5記載の発明の効果に加えて作製が容易で安価な発光素
子を提供することができる。
【0070】請求項11記載の発明によれば、p型又は
n型の単結晶又は多結晶のシリコン上に形成された多孔
質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコン上にIT
Oを直接形成したので、構造の簡単な発光素子を提供す
ることができる。
【0071】請求項12記載の発明によれば、p型又は
n型の単結晶又は多結晶のシリコン上に形成された多孔
質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコン上にAu
を直接形成したので、構造の簡単な発光素子を提供する
ことができる。
【0072】請求項13記載の発明によれば、熱窒化多
孔質シリコンは、高速熱窒化した高速熱窒化多孔質シリ
コンであるので、多孔質シリコンの構造を変化させるこ
となく多孔質シリコンをターミネートしている水素を窒
素に置換することができ、したがって特性劣化を防止す
ることができる発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例であるp型単結晶シリコン
を用いた発光素子の概略構造図である。
【図2】本発明の第二実施例であるn型単結晶シリコン
を用いた発光素子の概略構造図である。
【図3】本発明の第三実施例であるp型単結晶シリコン
を用いた発光素子の概略構造図である。
【図4】本発明の第四実施例であるp型単結晶シリコン
を用いた発光素子の概略構造図である。
【図5】陽極化成法により多孔質シリコンを作製する方
法を説明するための図である。
【図6】陽極化成法により多孔質シリコンを作製する方
法を説明するための図である。
【図7】図1に示す発光素子のITO側に30Vの正電
圧を印加した場合における発光スペクトルを表した図で
ある。
【図8】図2に示す発光素子のITO側に30Vの正電
圧を印加した場合における発光スペクトルを表した図で
ある。
【符合の説明】
1,2,3,4 発光素子 11,21,31,41 Al 12,32,42 p型単結晶シリコン基板 13,23,33,43 高速熱窒化多孔質シリコン
層 14 n型の微結晶を含有するシリコンカーボン合金
膜 15,25,35,44 ITO 22 n型単結晶シリコン基板 24 p型の微結晶を含有するシリコンカーボン合金
膜 34 n型の非晶質シリコンカーボン合金膜
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年6月18日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項5
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項10
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0010
【補正方法】変更
【補正内容】
【0010】請求項5記載の発明の発光素子は、請求項
2記載の発明において、前記半導体が微結晶を含有する
非晶質シリコンからなることを特徴とするものである。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】請求項10記載の発明の発光素子は、請求
項7記載の発明において、前記半導体が微結晶を含有す
非晶質シリコンからなることを特徴とするものであ
る。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0020
【補正方法】変更
【補正内容】
【0020】本発明者等は、p型又はn型の単結晶シリ
コン基板(面方位(111)及び(100)、抵抗率
0.05〜50Ωcm)の上に、陽極化成法(エチルア
ルコール:弗酸(48%の水溶液)=0:1〜10:1
の水溶液中で、陽極側に単結晶シリコンを接続し、また
陰極側に白金等の電極を接続して電流密度:1mA/c
2 〜200mA/cm2 の電流を流し、単結晶シリコ
ンを加工する方法)で30秒〜10分間処理することに
より、多孔質シリコン(porous Si)層を作製
し、その後前記多孔質シリコン層を高速熱窒化(窒素、
アンモニア又は窒素及びアンモニア雰囲気中において、
800℃〜1200℃で10秒〜120秒間熱窒化を行
う)することにより作製した高速熱窒化多孔質シリコン
層が紫外光励起により強い白色ホトルミネッセンスを示
すことを見いだした。また、高速熱窒化多孔質シリコン
上に、高速熱窒化多孔質シリコンを作製した単結晶シリ
コン基板と異なる伝導型の広いバンドギャップ(2.0
〜2.4eV)と高い導電率(10-2〜101 S/c
m)とを有する微結晶を含有する非晶質シリコンカーボ
ン合金(μc−SiC)を堆積すると良好なpn接合が
得られることを見いだした。また、単結晶シリコン基板
のかわりにp型又はn型の多結晶シリコン基板を用い高
速熱窒化多孔質シリコンを作製した場合にも、同様の方
法で良好なpn接合が得られることを見いだした。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0037
【補正方法】変更
【補正内容】
【0037】第三中間生成物を電子サイクロトロン共鳴
プラズマCVD装置に入れ、n型の微結晶を含有する非
晶質シリコンカーボン合金を高速熱窒化多孔質シリコン
層13の上に100〜600オングストローム堆積して
n型の微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金膜
14を作製し、第四中間生成物を作製する。堆積条件は
ガス圧0.005〜0.008Torr、投入電力30
0W、SiH4 :CH4 :PH3 :H2 =1:1〜3:
0.005〜0.03:100〜200、基板温度30
0℃である。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0051
【補正方法】変更
【補正内容】
【0051】また、非晶質シリコンカーボン合金膜に代
えて微結晶を含有する非晶質シリコン(μc−Si)膜
を用いてもよい。しかし、微結晶を含有する非晶質シリ
コンも、微結晶を含有する非晶質シリコンカーボン合金
ほどバンドギャップが広い所で導電率を高くすることが
できなため、非晶質シリコンカーボンを用いた場合と
同様に第一実施例に示す発光素子に比べて若干発光輝度
が低下する。
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0064
【補正方法】変更
【補正内容】
【0064】請求項5記載の発明によれば、請求項2記
載の発明において、半導体として微結晶を含有する非晶
質シリコンを用いたので、通常のプラズマCVD装置を
用いて発光素子を作製することができる。このため、請
求項1記載の発明の効果に加えて作製が容易で安価な発
光素子を提供することができる。
【手続補正9】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0069
【補正方法】変更
【補正内容】
【0069】請求項10記載の発明によれば、請求項6
記載の発明において、半導体として微結晶を含有する
晶質シリコンを用いたので、通常のプラズマCVD装置
を用いて発光素子を作製することができる。このため、
請求項5記載の発明の効果に加えて作製が容易で安価な
発光素子を提供することができる。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型又はn型の単結晶シリコン上に形成
    された多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコ
    ンを用いたことを特徴とする発光素子。
  2. 【請求項2】 p型又はn型の単結晶シリコン上に形成
    された多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコ
    ンと前記熱窒化多孔質シリコンが形成された単結晶シリ
    コンと異なる伝導型を持つ半導体からなるpn接合を用
    いたことを特徴とする発光素子。
  3. 【請求項3】 前記半導体が微結晶を含有する非晶質シ
    リコンカーボン合金からなることを特徴とする請求項2
    記載の発光素子。
  4. 【請求項4】 前記半導体が非晶質シリコンカーボン合
    金からなることを特徴とする請求項2記載の発光素子。
  5. 【請求項5】 前記半導体が微結晶を含有するシリコン
    からなることを特徴とする請求項2記載の発光素子。
  6. 【請求項6】 p型又はn型の多結晶シリコン上に形成
    された多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコ
    ンを用いたことを特徴とする発光素子。
  7. 【請求項7】 p型又はn型の多結晶シリコン上に形成
    された多孔質シリコンを熱窒化した熱窒化多孔質シリコ
    ンと前記熱窒化多孔質シリコンが形成された多結晶シリ
    コンと異なる伝導型を持つ半導体からなるpn接合を用
    いたことを特徴とする発光素子。
  8. 【請求項8】 前記半導体が微結晶を含有する非晶質シ
    リコンカーボン合金からなることを特徴とする請求項7
    記載の発光素子。
  9. 【請求項9】 前記半導体が非晶質シリコンカーボン合
    金からなることを特徴とする請求項7記載の発光素子。
  10. 【請求項10】 前記半導体が微結晶を含有するシリコ
    ンからなることを特徴とする請求項7記載の発光素子。
  11. 【請求項11】 前記熱窒化多孔質シリコン上にインジ
    ウムティンオキサイトを形成したことを特徴とする請求
    項1又は6記載の発光素子。
  12. 【請求項12】 前記熱窒化多孔質シリコン上にAuを
    形成したことを特徴とする請求項1又は6記載の発光素
    子。
  13. 【請求項13】 前記熱窒化多孔質シリコンは、高速熱
    窒化した高速熱窒化多孔質シリコンであることを特徴と
    する請求項1,2,3,4,5,6,7,8,9,1
    0,11又は12記載の発光素子。
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