JPS61105834A - 発光材料 - 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、発光効率が高く、発光波長が広い範囲で制御
できる発光材料に関するものである。

従来の技術 従来、発光材料には、ＧａＡｓ、　ＩｎＰ等の二元系、
ＡｌＧａＡｓ、　１ｎＧａＰ等の三元系、１ｎＧａＡｓ
Ｐ、　１ｎＧａ八ｓｓｈ等の四元系の各ｍ＝ｖ族半導体
や、ＣｄＳｅ、　（：ｄ　Ｓ等の［１−ＩＶ族半導体、
それに非晶質シリコン等の非晶質半導体、更には、有機
系色素を含む溶液やプラスチック等、多種類のものが存
在している。

３週尤算決しようとする問題点 しかし、それら発光材料の発光波長は、三元系、四元系
ｎＴ　−Ｖ族半導体では組成の変化、非晶質シリコンで
は水素濃度、有機系色素を含むものではその濃度を調整
することにより変化させることができるが、その範囲は
せいぜい］００ｎｍ前後であった。

非晶質シリコンは、発光波長範囲の制御は困難であるが
、反面、比較的広い波長範囲で発光させることができる
。しかし、その内部欠陥のために、発光効率が低い問題
があった。

そこで、本発明は、発光効率が高く、発光波長が広い範
囲で制御できる発光材料を提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、大きさが３〜１００人
のシリコンの微小クラスターと、該クラスターを相互に
結合して、三次元網目構造を形成する、シリコンと水素
からなる１次元鋼（Ｓｉｌ（２）、。

（ｎ−２以上の整数）とから構成されていることを特徴
とする発光材料が提供される。

昨月 上記した発光材料の構成元素は、ＳｌとＨのみで、その
構造は、第１図（ａ）に示すように、−次元鋼１と、そ
の−次元鋼１の両端に結合した結晶状態または非晶質の
Ｓ１微小クラスクー２とからなる三次元網目構造である
。そして、その−次元鋼１は、第１図（ｂ）に示すよう
に、ＳｌとＨからなるポリシランである。

以上のようなＳｉの微小クラスターとポリシランの一次
元鎖からなる発光材料のバンド構造は、実空間では、第
２図（ａ）のようになり、これを平均化することにより
第２図（ｂ）のようになる。すなわち、ポリシランのバ
ンドギャップは６〜３ｅＶであり、釦の長さの増加に応
じて減少する。一方、Ｓｌクラスターのバンドギャップ
は］、、ｌｅＶ程度であるため、８１クラスターの両端
はポリシランのポテンシャル壁に囲まれることになる。

このため、Ｓｌクラスクーは３次元量子井戸として振舞
うことになる。

更に、クラスターの大きさが３人〜１０人の範囲で量子
べ６位が形成され、それ以上の大きさでは２つ以上の準
位が存在し、１００Å以上では、バルクの非晶質シリコ
ン（ａ　−３ｉ　）と同じエネルギー準位を持つように
なる。一方、クラスクーの大きさが３八以下では指子準
位が形成されない。

従って、クラスターの大きさが３へ〜１００人の範囲で
ランダムに存在すると、第２図（１））に示すように、
バンド構造は長い裾を引いた形となっている。それ故、
クラスターの大きさを３〜１００人の範囲で制御するこ
とにより、そのエネルギー差を１１（コシ〜３ｅＶの範
囲で制御することができる。波長に換算すると、４００
ｎｍ〜１ｌ１００ｎの範囲である。

従って、クラスクーの大きさを均一にした場合、その量
子準位に対応した特定の局在準位がバンド内に存在する
ことになる。それ故、クラスターの大きさを特定の大き
さに均一化することにより、発光材料の発光波長を４０
０ｎｍ〜１ｌ１００ｎの範囲内の特定な波長に制御する
ことができる。

そして、励起によって生じた電子と正孔は３次元量子井
戸に落ち込むが、高いエネルギー障壁があるため、分離
することなく再結合して発光する。

このことは、本発明による発光材料は、発光効率の温度
依存性が小さく目つ発光効率が高いことを意味している
。

更に、−次元鋼は幾何的な自由度が大きいため、発光材
料膜中に歪に帰因する欠陥が生じにくい。

欠陥は非発光再結合中心として振舞うので、低欠陥は高
い発光効率に結果する。この点からも、本発明による発
光材料は、発光効率が高いと言うことができる。

実施例 以下、本発明による発光材料の実施例を説明す実施例 第３図は、本発明による発光材料を作製したプラズマＣ
ＶＤ装置の概略構成図である。

第３図において、プラズマＣＶＤ装置の反応室１０には
、一対の対向電極１２及び１４が配置されている。それ
ら電極の一方すなわち」―方電極１２は、流量制御器１
６を介して原料供給＃ｉ１８に接続されて、Ｓ　ｉ　２
　ｔ−１ｓガスを反応室１０に供給するようになされ、
基板２０が置かれる下方の電極１４は、温度制御電極で
あり、それら電極間には、ＲＦ電源２２が接続されてい
る。更に、反応室１０は、真空装置２４に接続され、反
応室内を低圧力状態に維持するようになされている。

以上のようなプラズマＣＶＤ装置において、基板２０と
してザファイヤ板を使用し、圧力を０．１Ｔｏｒｒに維
持しつつジシランガスＳ１゜Ｈ６を供給して、／ｉＫ電
電力２ＸＩＯｍＷ／ｃｎｌ、基板温度２９０にの条件で
、プラズマＣＶＤ成長させたところ、基板２０上に０５
μｍの厚さの発光材料層が形成された。

以上のように形成された発光材料層の水素含有量を測定
したところ原子比で約５０％であった。また、遠赤外線
吸収スペクトル分析を実施したところ、Ｓ　ｉ　Ｈ２の
吸収スペクトルである６４０．８５０．８９０．２１０
０ｃｍ　’のみが表れた。しかし、発光材料の組成が総
て５ｉｌ１２であれば、」１記した水素含有量は原子比
で約６７％となる筈である。従って、以上の測定から発
光材料が８１　とＳ　＋　８２とから構成されているこ
とがわかり、また、水素含有量が約５０％とすると、シ
リコンクラスターとポリシランとから構成されているこ
とがわかる。

以上のように作製された発光材料層に、３５０．４００
．４５０．５００ｎ…の各波長の光を照射したところ、
それぞれ４０（１−１１０Ｏｎ＋ｎ、　４００〜１ｌ１
００ｎ、４５０−１１０（ｌｎｍ。

５００〜１ｌ１００ｎの範囲の光を発するホトルミネセ
ンス効果が確認された。以上のことから、」１記した発
光材料は、４００〜１］００ｎｍの広い範囲の発光範囲
を持つことがわかる。第４図は、本発明による発光材料
のホトルミネセンス効果を示すグラフであり、参考まで
に、アモルファスシリコンのホトルミネセンス特性を併
せて示している。但し、アモルファスシリコンのホトル
ミネセンス特性は強度を５倍にして示しである。両者の
比較から、本発明による発光材料が、発光スペクトルが
広く１つ発光強度が著しく高いことがわかろう。

以」―の発光材料の作製条件を検討するに、本発明によ
る発光材料の作製条件は、従来のプラズマＣＶＤを利用
してのａ−３ｉ：Ｈの作製条件と比べて、放電電力が３
桁小さく、圧力で１桁小さく、また、基板温度で１００
℃以上低い。このような作製条件が本発明による発光材
料の作製条件の特徴と言うことができる。

特に、温度の条件を見ると、種々の実験の結果、２２０
〜３７０にの範囲が適当である。第５図は、温度Ｔｓと
、ポリシランの長さすなわち重合度ｎと、Ｓｌ　の未結
合手すなわちダングリングボンドの密度Ｎｓとの関係を
示すグラフである。第５図かられかるように、３４０に
付近で、ポリシランの重合度ηが高く、それより高くて
も低くても重合度は低くなる。反面、３４０Ｋを越える
き、Ｓｉ　の未納合手すなわちダングリングボンドの密
度が低くなる。

一方、温度範囲の下限である２２０には、製造」二の制
約である。すなわち、基板を２２０に以下に維持するに
は、電極などをそれより更に低い温度にしなければなら
ず、原料ガスが凝結する問題が生じてくる。従って、こ
の問題を解消できれば、更に低い温度条件でも作製する
こともできる。

従って、ポリシラン（ＳｉＨ２）ｎの重合度ｎＪｓｉの
微小クラスターの大きさは、作製方法と条件により変化
する。実験の結果、ｎ＝２〜２０に対し、クラスターの
サイズは１００〜３への範囲で変わることがわかった。

なお、以上の作製方法で作製された発光材片４のシリコ
ンクラスクーは、非晶質状態と考えられるが、シリコン
クラスターが結晶状態でも、その大きさが３〜１００人
の範囲内に成る限り、同様なバンド構成となるので、シ
リコンクラスターは、非晶質状態でも結晶状態でもよい
。

更に、以−Ｌの実施例は、圧力をＩｔ、　］Ｔｏｒｒ、
放電電力２　Ｘ　ｌＯｍＷ　／　ｃｌとしているが、圧
力及び放電電力はそれ以下であれば作製可能である。

また、原ネミ１として、ジシランガスを使用しているが
、シランガスやトリシランガスも使用可能である。

更に、基板としては、サファイヤだけでなく、□石英や
シリコン結晶なども使用できる。

また、上記実施例は、ホトルミネセンス効果を確認した
が、ＰＮ接合を形成することにより、電圧を印加して発
光させることもできる。

１那の効果 以」−説明したように、本発明による発光材料は、３次
元量子井戸として振舞うＳｉクラスターを有する構造な
ので、発光波長範囲が広く、しかも発光効率が高く、温
度に対し安定である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は、本発明による発光材料の原
子配列の概念図であり、 第２図（ａ）及び（ｂ）は、本発明による発光材料のバ
ンド構造の実空間変化と、平均したハンド構造とをそれ
ぞれ示したバンド構造図であり、第３図は、本発明によ
る発光材料を作製することができるプラズマＣＶＤ装置
の概略構成図であり、 第４図は、本発明による発光材料のホトルミネセンス特
性を示すグラフであり、 第５図は、プラズマＣＶＤによる本発明による発光材料
の作製の際の温度Ｔｓと、ポリシランの重合度ｎと、Ｓ
ｉ　のダングリングボンドの密度Ｎｓとの関係を示すグ
ラフである。 〔主な参照番号〕 ■・・ポリシランの一次元鎖、 ２・・ａ−８ｉクラスクー、 １０・・反応室、１２．１４・・電極、１６・・流量制
御器、１８・・原）ｌ”ｌ供給源、２０・・基板、２２
・・ＲＦ電源、 ２４・・真空装置 第１回 ２・・ａ　Ｓｉクラ入ター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 大きさが３〜１００Åのシリコンの微小クラスターと、
   該クラスターを相互に結合して、三次元網目構造を形成
   する、シリコンと水素からなる１次元鎖（ＳｉＨ＿２）
   ＿ｎ（ｎ＝２以上の整数）とから構成されていることを
   特徴とする発光材料。