JPS6247172A - 発光素子 - 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、光源或いは表示に使用される発光素子に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、発光素子の発光層を構成する材料としては、種々
のものが報告されているが、その中でも例えばＡｐｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　２８（＋９７８）、ＰＰ
８２０−６２２゜Ｊ、１．Ｐａｎｋｏｕ、Ｄ、Ｅ、Ｃａ
ｒｌｓｏｎ　、やＪｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、ｊ
ｊ（＋９８２）ＰＰ４７３−４７５．に、↑ａｋａｈａ
ｓｈｉ他、に記載されている水素原子を含む非単結晶シ
リコン（以後、ｒｎｏｎ−９ｉ：旧と記す）は、単結晶
シリコンと同様の゛（′導体ｌ゛学の適用がｎ１能であ
ること、及び潜在的特性に優れたものがある可能慴があ
ること等の為に汀［１されている材ネ１の１つである。

１−置引用文献に記載されたｎｏｎ−９ｉ：Ｈを発光材
ネ１に用いた発光素イの構成は、Ｐ型不純物を含有する
Ｐ型伝導層（Ｐ層）と、Ｐ型及びＮ型のいずれの不純物
も含有しない層（ノンドープ層）と、Ｎ型不純物を含有
するＮ型伝導層（Ｎ層）とを積層したホモ接合を有する
。

〔解決しようとする問題へ〕

しかしながら、この様な構成の従来報告されている発光
素子では、十分な発光層のＭ７視光領域の発光が得られ
ておらず、加えて発光強度が弱く、寿命も短い、発光特
性の安定性に欠けると実用的には改良すべき点の多くを
残している。Ｌ記改貞案の１つとして、ｎｏｎ−８ｉ　
：Ｈに炭素原子を加えて、光学的バンドギャップを拡大
し、０■視波長領域の発光を得る試みもなされているが
、実用的には未だ問題を残しており、光源素子や表示素
子としては、未だ工業化されるには至っていない。

〔［１的〕 本発明は、１．記従来の欠点を改良した発光素子を提供
することを主たる目的とする。

本発明の別の目的は、可視波長領域に充分な発光Ｖを有
し、発光効率と再現性の向−１；をＪｌった発光素子を
提供することである。

本発明のもう１つの目的は、発光特性の安定＋＋と寿命
を飛躍的に向［−させた発光素子を提供することである
。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明の発光素子は水素原子を含む非単結晶シリコンで
構成された発光層と、該発光層を挟持する−・対の電気
的絶縁層と、これ等の発光層と絶縁層とを挟持し電気的
に接続された少なくとも−・対の電極とを有し、前記発
光層の光学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以−［−で口
つ局在準位密度がミツドギャップで１０　”　ｃ「３φ
ｅＶ−’以ドである東を４￥徴とする。

〔作　用〕

本発明の発光素子は、ト記の構成とすることによって、
ｒｒｆ視波長波長領域光ピークをイ１すると共に充分な
発光１８−得、発光効率と再現性を高めることが出来、
発光特性の安定性と寿命を飛躍的に向１−コせることが
出来る。

以ド、本発明を図面に従って具体的に説明する。

ｐｉＴｊ１図は１本発明の発光素ｒのｔｌＴ’ｌｔな実
施態様例の層構成を示す模式的層構成図である。

第１図に示される発光素子は、基体、１０１．１−にＪ
ぐけられた下部電極１０２上に、Ｆ部電気的絶縁層１０
３１発光層１０４及びｌ一部電気的絶縁層１０５、該絶
縁層１０５１−に設けられた１一部電極１０６とで構成
されている。

第１図に示す発光素子を面状発光素子として使用する場
合には、電極１０２又は／及び電極１０６は発光色の色
までも利用するのであれば、透明であることが必要であ
り、発光層を利用するのであれば、発光する光に対して
透光性であるのが９ましい。電極１０２側より発光々を
取り出す場合には、基体１０１は電極１０２と同様透明
であるか若しくは発光する光に対して透光性であること
が望ましい。

本発明において、発光層は、ｎｏｎ−３ｉ　：Ｈで構成
される。

発光層中に含有される水素原子（Ｈ）は、シリコン原子
の自由ダングリングボンドを補償し、その含有υは形成
される層の半導体特性、光学的特性、及び素子の発光特
性を左右する重要因子であって、本発明においては、水
素原子（Ｈ）の含有皐はＮ適にはシリコン原子に対して
０．１〜４０原子％、より好適には０．５〜３５原子％
、最適には１〜３０原子％である。

本発明においては、光ＣＶＤ法（光エネルギーを反応に
利用した化学的気相法による堆積膜形成法）の採用によ
り前述の構成を与えることが出来るものであり、発光層
を形成する為の原料物質も光ＣＶＤ法に適合するものを
選択して使用するのが望ましい。

発光層１０４は、ｎｏｎ−３ｉ：Ｈで構成ｙれるもので
あるが、好ましくは所謂真性（Ｎ型）の半導体重Ｐ１を
示す層として作成されるのが望ましい。

ｎｏｎ−Ｓｉ：Ｈで構成される層は、その一般的傾向よ
り所謂Ｐ型又はＮ型の不純物を含有１．ない場合には僅
かにＮ型傾向を示すので、発光層１０４をＮ型伝導層と
するには、僅かにＰ型不純物を含有させる。

発光Ｗ１０４は１発光特性は僅かに低下はするが、Ｐ型
又はＮ型の不純物を含有しない所謂ノンドープ層とする
ことも出来る。

発光層１０４をＮ型伝導層とするには、層形成する際に
Ｐ型伝導特性なり、えるＰ型不純物を含有させるか或い
は既にｎｏｎ−９ｉ：）ｌで構成された層中に、Ｐ型の
不純物をイオンインプランテーションが、等の手段で注
入してやれば良い。

Ｐ型不純物としては、所謂周期律表第璽族に属する原子
（第璽族原子）、即ちＢ（硼素）、ＡＭ（アルミニウム
）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（イタリウム）、Ｔｅ（タ
リウム）等があり、殊に好適に用いられるのは、Ｂ、Ｇ
ａである。

′電気的絶縁層１０３，１０５を構成する材料としては
、′電気的に良好な絶縁特性を有し、発光層１０４での
発光々を効率良く外部に取り出すのに悪影響をり、オな
いもので、成１１りが容易なものであれば大概のものを
採用することが出来る。

絶縁層１０３．１０５のいずれか一方は、発光々を外部
に取り出す為に５発光層に対して透明Ｐ）である必要が
ある。絶縁層１０３，１０５を構成する材Ｉ’ｌとして
、本発明において、好適ｌこ使用されるのは具体的には
Ｙ２０３．Ｓ　ｔ０７　　。

１１品質の酸化シリコ７　（ａ−５ｉ　ｘｏｉｘイ！１
し、０＜ｘ＜１）、ＨｆＯ，、Ｓｉ３　Ｎ４．非晶質の
空化シリコン（ａ−３ｉｙＮ１−ｙ但し、０＜ｙ＜１）
、Ａす２０．、ＰｂＴｉＯ３，１１品質のＢａＴｉＯ３
、Ｔａ、、Ｏｓ等を挙げることが出来る。

第２図には、本発明の発光素子の別の好適な実施態様例
が示される。

第２図に示す発光素子は、その構造は基本的には第１図
に示す発光素子と同様である。

第２図に示す発光素子は、ガラス等の透明な基体２０１
１−に、順に透明電極２０２．Ｆ部絶縁層２０３２発光
層２０４　、　ｌ：部絶縁層２０５．金属電極２０６が
ｆＡ層された層構造を有し、電極２０２及び金属電極２
０６には夫々パルス状の又は鋸歯状の高周波高電界を印
加する為の電源２０７の接続端子が電気的に接続されて
いる。

第２図に示す発光素子の場合、高周波電源２０７によっ
て高周波電界が印加されると１発光層２０４より発光が
起こり、発光した光は絶縁層２０３、透明電極２０２．
基体２０１を透過して外部へ放出される。

未発明の発光素子は、可視域の発光波長を得る為に、発
光層の光学的バンドギャップＥｇｏｐｔは、２．ＯｅＶ
以Ｉ−とｙれる。

又１発光層の光学的バンドギャップの中心（ミツドギャ
ップ）での局在準位密！■は、　　１０　ｌ６ｃｔｓ−
”・ｅＶ−’以Ｆ、好適には１０”ｃａｂ−３ｅｅｌ−
’とされる。

この様に、発光層の物性値を制御することによって、再
結合の効率を飛躍的に向上させることが出来、従って発
光効率の向１−を計ることが出来る。

又、発光層の外部Ｍｆ−効率を１０−４％以１−になる
様に再結合の準位の分２Ｉｊを制御することによって、
高い強度の発光を示す発光素子を得ることが出来る。

１−述した様な特性を有する発光素イは、前記した様に
光ＣＶＤ法によって後述の条件で作成されるのが望まし
い。本発明の発光素子の作成法は、本発明の目的が達成
されるのであれば、光ＣＶＤ法に限定されるものではな
く、適宜所望の条件に設定して１例えばＨＯＭＯＣＶＤ
法、プラズマＣＶ　Ｄ　９１：等によって成されても良
い。

本発明の発光素イを構成する基体を構成する材ネ；１と
しては、通常発光素子分野において使用されている材料
の殆んどを挙げることが出来る。

基体としては、導電性でも電気絶縁性であっても良いが
、比較的耐熱性に優れているのが望ましい。

導電Ｍ基体の場合には、基体と発光層との間に設けられ
る電極！±、必ずしも設ける必要はない。

導電性基体としては、ＮｉＣｒ、ステンレス。

ＡＭ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ等を挙
げることが出来る。

’ｉｌｔ気絶縁気絶体性基体は、ポリエステル、ポリエ
チレン、ポリカーボネイト、ポリアミド、等々の合成樹
脂のフィルム、又はシート、或いはガラス、セラミック
ス、ｈ４々を挙げることが出来る。

基体として電気絶縁性のものを採用する場合には、発光
層との間の電極として、その表面が導電処理される。

例えば、ガラスであれば、その表面に、ＮｉＣｒ、Ａｆ
ｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｉｒ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒｚＯ３Ｓ　ｎ
０７　、ＩＴＯ（Ｉ　ｎ２　ｏ：ｔ　＋５ｎ０２　）等
から成る薄膜を設けることによって導電性が付ケＳれ、
或いはポリエステルフィルム等の合成樹脂フィルムであ
れば、ＮｉＣｒ、ＡＱ、Ａｇ。

Ｐｂ、Ｚｎ、Ｎｉ　、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｉｒ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ　、Ｐｔ等の金属の薄膜を真空蒸
着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等でその表面に設
け、又は前記金属でその表面をラミネーＩ・処理して、
その表面に導電Ｐ１が付与−される。

次に本発明の発光素子を作成する場合の例を第３図の光
ＣＶＤ装置を以って説明する。

光ＣＶＤ法の場合に使用される発光層を形成するための
原料ガスとしては、−・般式５ｉｎＨ２ｎ（ｎ　＝　３
　、４　、５、−−−−）で表わされる環状水素化ケイ
素化合物、Ｓ　ｒ　ｎＨ７ｎ＋２　（ｎ＝２　。

−−−一）で表わされる直鎖状又は分岐を有する鎖状水
素化ケイ素化合物などが挙げられる。

また、前記一般式の原料化合物は、２種類以にを併用し
てもよいが、この場合、各化合物によって期待される膜
特性を平均化した程度の特性、ないしは相乗的に改良さ
れた特性が得られる。

また、通常は１．記の原ネ１ガス番ご水素ガスを昂釈用
カスとして混合して使用しても差支えない。

前記一般式のケイ素化合物は、光エネルギー又は比較的
低い熱エネルギーの付与により容桔に化学反応を起こし
７て良質なシリコン堆積膜を形成することができ、また
これに際し、ツ（体温度も比較的低い温度とすることが
できる。また、励起エネルギーは基体近傍に到達した原
ネ１ガスに−・様に或いは選択的制御的に付すされるが
、適宜の光学系を用いて基体の全体に照射してｔ４ｉ結
膜を形成することもできるし、或いは所望部分のみに選
択的制御的に照射して部分的に堆積膜を形成することも
でき、またレジスト等を使用して所定の図形部分のみに
照射し堆積膜を形成できるなどの便利Ｓを看している。

第３図中、１は堆積室であり、内部の基体支持台２Ｌに
所望の基体３が載置される。

４は基体加熱用のヒータであり、導ｖｉ５を介して給電
され、発熱する。基体温度は特に制限されないが、　・
般に発光層の光学的バンド・ギャップを大きくして可視
の発光を得るためには、２０００Ｃ以ドであることが望
ましい。

６〜９は、ガス供給源であり、前記一般式で示される鎖
状水素化ケイ素化合物のうち液状のものを使用する場合
には、適宜の気化装−を具備させる。気化装置には、加
熱沸騰を利用するタイプ、液体原料中にキャリアガスを
通過させるタイプ等があり、いずれでもよい。ガス供給
源の個数は４個に限定されず、使用する前記−・般式の
水素化ケイ素化合物の種類の数、希釈ガス等を使用する
場合において、原料ガスである前記一般式の化合物との
予備混合の有無等に応じて適宜選択される。

図中、ガス供給源６〜９の符合に、ａを付したのは分岐
管、ｂを付したのは流量計、Ｃを付したのは各流量計の
高圧側の圧力を計測する圧力計、ｄｙはｅを伺したのは
各基体流の開閉及び流線の調整をするためのバルブであ
る。

各ガス供給源から供給される原料ガス等は、ガス導入管
１０の途中で混合され、図示しない換気装置に付勢され
て、室１内に導入される。又は、名カス供給源から交ｑ
に室ｌ内に導入される。

１１は、室ｌ内に導入されるガスの圧力を計測するため
の圧力計である。また、１２はガス排気管であり、堆積
室１内を減圧したり、導入ガスを強制排気するための図
示しない排気装置と接続されている。

１３はレギュレータ・バルブである。原料ガス等を導入
する前に、室ｌ内を排気し、減圧状態とする場合、室内
の気圧は、好ましくは５×１Ｏ−Ｔｏｒｒ以下、より好
ましくはＩ　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒ以下である。また、
原ネ１ガス等を導入した状態において、室１内の圧力は
、好ましくはｌＸｌ０−２〜１００Ｔｏｒｒ、より好ま
しくは５×１０−２〜１０ＴＯｒｒである。

本発明で使用する励起エネルギー供給源の一例として、
１４は光エネルギー発生装置であって、例えば水銀ラン
プ、キセノンランプ、炭酸ガスレーザ、アルゴンイオン
レーザ、エキシマレーザ等が用いられる。なお、本発明
で用いる光エネルギーは紫外線エネルギーに限定されず
、原料ガスに化学反応を起こさせ堆積膜を形成すること
ができるものであれば、波長域を問うものではない。

光エネルキー発生装置１４から適宜の光学系を用いてノ
、（体全体或いは基体の所望部分に向けられた光１５は
、矢印１６の向きに波れている原車１ガス等に照射され
、励起・分解又は重合を起こして基体３Ｉ−の全体或い
は所望部分にｎｏｎ−９ｉ　：Ｈの堆積膜を形成する。

このとき、発光層の厚さは５００Ａ〜３０００人程度と
することが望ましい。

この後に、発光層の−１−から前記材料と同様な絶縁層
を市ねる。そして最後にアルミニウム、金などの金属電
極を蒸着する。

その他の作成、）１法としては、反応管中に流す反応ガ
スを外部の電気炉で加熱分解し、ガス温度よりも低い温
度に保たれた基体Ｉ−に堆積させるＨ　ＯＭ　ＯＣＶ　
Ｄという方法がある（　Ｂ、Ａ、５ｃｏｔｔ　、Ｒ。

Ｍ、Ｐｌｅｃｅｎｉｃｋ、ａｎｄ　Ｅ、Ｅ、Ｓｉｍｏｎ
ｙｉ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、。

ｖｏｌ、３９（１９８Ｎ）ｐ、７３）。

本発明の発光層として用いるｎｏｎ−９ｉ：Ｈを堆積さ
せる際にこの方法を用いても、光学的バンド・ギャップ
が大きく、局在準位密度の低い膜を作ることができる。

〔実施例〕

！、記した第３図に示す光ＣＶＤ！＋置を用い、１記の
・「順と条！１によって、以ドの様にして第２図に示す
構造の発光素ｒ−を作成し、′市原２０７によりパルス
状の高周波高電界を印加して、特性試験を行った。

絶縁層２０３，２０５としては３０００人厚のＹ２Ｏ３
薄膜を用い、発光層は、原料ガスとして５ｉ７Ｈ，、ガ
スを使用して、基体温度５０℃で成膜を行った。電極２
０２としては、ＩＴＯ透明電極、電極２０６としてはＡ
ｇ、電極を用いた。この様にして作成した発光素イに１
００ＶＩＫＨｚのパルス状高周波高電界を印加したとこ
ろ、３０ｆｔ−Ｌのｉｆｒ視光域に発光ピークがある発
光が１！Ｉられた。これは、これまでに実現された非単
結晶シリコンを用いた発光素イの発光に比べて１桁以１
−大きい値であり、発光効率の改善がなされていること
か判った。更に、１−記の高周波電界を連続して長時間
印加し、発光特にｔの安定性と耐久性を試験したところ
、−１，記の従来例に較べて安定性において約５倍、耐
久性において１．５桁優れていることが結果として得ら
れた。

〔効　果〕 −１，述した様に、本発明の発光素子は、可視波長領域
に発光ピークを有すると共に、充分な発光層をａ＋、発
光効率と再現性を高めることが出来、発光特性の安定性
と寿命を飛翔的に高めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明の発光素子の好適な実施態
様例の層構成を示す模式図、第３図は本発明の発光素子
を作成する為の装置の一例を示す゛模式図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素原子を含む非単結晶シリコンで構成された発光層と
   、該発光層を挟持する一対の電気的絶縁層と、これ等の
   発光層と絶縁層とを挟持し電気的に接続された少なくと
   も一対の電極とを有し、前記発光層の光学的バンドギャ
   ップが２．０ｅＶ以上で且つ局在準位密度がミツドギヤ
   ツプで１０＾１＾６ｃｍ＾−＾３・ｅＶ＾−＾１以下で
   ある事を特徴とする発光素子。