JPS6266688A

JPS6266688A - 発光素子

Info

Publication number: JPS6266688A
Application number: JP60207021A
Authority: JP
Inventors: Katsuji Takasu; 高須　克二; Masafumi Sano; 政史佐野; Hisanori Tsuda; 津田　尚徳; Yutaka Hirai; 裕平井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-09-19
Filing date: 1985-09-19
Publication date: 1987-03-26

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、Ｏ，Ａ機器等に使用される光源或いは表示に
使用される発光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来１発光素子の発光層を構成する材料左しては、種々
のものが報告されているが、その巾でも例えばＡＰＰｌ
、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ　。

２９　　（１９７６）　　、ＰＰ６２０−６２２゜Ｊ、
１．Ｐａｎｋｏｖｅ、Ｄ、Ｅ、Ｃａｒｌｓｏｎ、やＪｐ
ｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ。

２１　　（１９８２）ＰＰＬ４７３−Ｌ４７５゜Ｋ、Ｔ
ａｋａｈａｓｈｉ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−５ｉ：ＨＪと記す）は、単結晶シリコンと同
様の半導体工学の適用が可能であること、及び潜在的特
性に優れたものがある可使性があること等の為に注目さ
れている材料の１つである。。

上記引用文献に記載されたｎｏｎ−３ｔ：Ｈを発光材料
に用いた発光素子の構成は、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（／ンドーブ層）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点〕

しかしながら、この様な４Ｉ戊の従来報告されている発
光素子では、十分な発光量の可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。上記改良案の１つとして、ｎｏｎ−３ｉ
：１、Ｈに炭素原子を加えて、光学的バンドギャップを
拡大し、可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１　　　　　リ、Ｏ
，Ａ４１１器等に使用される光源素子や表示１　　　　
　素子としては、未だ工業化されるには至ってい１　　
　　　ない。

成〔目　的〕２ｉ　　　　　　　本発明′れ上記従来の欠点を゛改良
した発光素１　　　　　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Ｉｌｌ□
　　　　　光量を有し、発光効率と再現性の向上を計っ
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、発光特性の安定性酸　　　
　　と寿命を飛躍的に向上させた発光素子を提供す１　
　　　　ることである。

（Ｉｔ〔問題点を解決するための１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、該発光層と重畳された電気的絶縁
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
度がミツドギャップで１０１６ｃｍ−３・６ｙ−を以下
である事を特徴とする。

〔作　用〕

本発明の発光素子は、上記の構成とすることによって、
可視波長領域に発光ピークを有すると共に充分な発光量
を得、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上させることが出来る。

以下、本発明を図面に従って具体的に説明する。

ｗＩＪ１図は、本発明の発光素子の好適な実施態様例の
層構成を示す模式的層構成図である。

第１図に示される発光素子は、基体１０１上に１　　　
　　設けられた下部電極１０２上に、電気的絶縁層□’
　　　　　　１０３　、発光層１０４及び該発光層１０
４上に１　　　　設けられた上部電極１０５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１０５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１発光量を利用するのであれば、発光する光に対して
透光性であるのが望ましい、電極１０２側より発光々、
、１　　“５゛″３　ｔ　ｊｊＡ　４ｈ　＋：　ｔ”１
″”°”′”′”°′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−３ｔ：Ｈで構成さ
れる。

発光層中に含有される水素原子（Ｈ）は、シ’ｊ；’：
：＋　　　ＩＪ　：１　ｙｌｉ“ｔｙ＞＠＊ｆｙｆ“）
７’ｊＨ７Ｖ“１″′５１．　　　　　し、その含有量
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）の含有量は
好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０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−Ｓｉ：Ｈで構成されるもので
あるが、好ましくは所謂真性（Ｎ型）の半導体特性を示
す層として作成されるのが望ましい、ｎｏｎ−３ｉ：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型の不純物を含有し
ない場合には僅かにＮ型傾向を示すので１発光層１０４
を工型伝導層とするには、僅かにＰ型不純物を含有させ
る。

発光層１０４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■型伝導層とするには、層形成する際に
Ｐ型伝導特性を与、えるＰ型不純物を含有させるか或い
は既にｎｏｎ−５ｉ：Ｈ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法等の手段で注入し
てやれば良い。

Ｐや不純物としては、所謂周期律表第ｍ族に属する原子
（第ｍ族原子）、即ちＢ（硼素）。

Ａｉ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）。

Ｉｎ（インジウム）、Ｔｕ（タリウム）等があり、殊に
好適に用いられるのは、Ｂ、Ｇａである。

電気的絶縁層１０３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与えないもので、成膜
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は、発光々を外部に取り出す為に、発光々
に対して透明性である必要があ４゜絶縁層１０３を構成
する材料として、本発明において、好適に使用さ、れる
のは具体的にはＹ２Ｏ３、Ｓ　ｉｏ２．非晶質の酸化シ
リコン（ａ−ＳｉｘＯｌ−ｘ但し、Ｏ＜Ｘ＜１）。

ＨｆＯ２，５ｉ３Ｎａ、非晶質の窒化シリコン（ａ−Ｓ
ｉｙＮｌ−ｙ但し、ｏ＜ｙ＜ｔ）。

Ａ文２０３　、ＰｂＴｉＯ３，非晶質ｃ７）ＢａＴｉＯ
２、Ｔａ２０５等を挙げることが出来る。

本発明の発光素子に於いては、電気的絶縁層１０５は１
発光層１０４の基板側又は電極１′０５側のいずれに設
けても良い。

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
上に、順に、透明電極２０２．絶縁層２０３９発光層２
０４．金属電極２０５が積層された層構造を有し、電極
２０２及び金属電極２０５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２０６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２０６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１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。

このときの発光の過程は、以下の様に考えられる。すな
わち、絶縁層２０３と発光層２０４との界面に形成され
る界面準位に捕えられていた゛重子−正孔対が、電界に
よって加速され、衝突して発光再結合する過程と、金属
電極２０５と発光層２０４との界面に生じるショットキ
ー障壁を通して高いエネルギーの電子が注入される過程
とが励起高周波高電界の半サイクルごとに繰り返される
。この２つの過程によってエレクトロルミネッセンス発
光が生じる。

本発明の発光素子は、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．　Ｏｅ
　Ｖ以りとされる。

又、発光層の光学的バンドギャップの中心（ミツドギャ
ップ）での局在準位密度は、１０１１０１６Ｃ拳ｅＶ−
１以下、好適には１０１５ｃｍ−３拳ｅＶ−１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
光効率の向上を計ることが出来る。

又、発光層の外部量子効率を１０−４％以上になる様に
再結合の準位の分布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。

上述した様な特性を有する発光素子は、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
６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１光ＣＶＤ法に限定されるもＧではなく
、適宜所望の条件に設定して、例えばＨＯＭＯＣＶＤ法
。

プラズマＣＶＤ法等によって成されても良い。

本発明の発光素子を構成する基体を構成する材料として
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。

導電性基体の場合には、基体と発光層との間に設けられ
る電極は、必ずしも設ける必要はな１　　　　い。

１　　　′″′″″″“°゛′”、　ＮｉＣｒ、Ｘ？ｙ
ｙＸ。

Ｊ　　　　　　Ａｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｖ。

（Ｔｉ等を挙げることが出来る。

□）　゛１　　　　　電気絶縁性基体としては、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、　　　　；
ｔｆ　５　ｘ　、　−ｔ　５”′″、＃＃ｔｉｆ６Ｃ“
′１！　　　　　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４電処理される。

１　　　　　　例えば、ガラスであれば、その表面に、
ＮＩ」Ｃｒ　　、Ａ文　、Ｃｒ、Ｍｏ、、Ａｕ、Ｉｒ、Ｎｂ。

Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ２０３Ｓｎ０２　、
ＩＴＯ（Ｉ　ｎ２０３＋５ｎ０２）等から成る薄膜を設
けることによって導電性が付与され、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、Ｎ　ｓ　Ｃ
ｒ　、　Ａ　ｌ　＋　Ａ　ｇ　＊Ｐｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａ
ｕ、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ト処理して、その
表面に導電性が付与される。

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
ＣＶＤ９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、一般式５ｉｎＨ２ｎ　（ｎ＝３　、
４　、５、−−−−）で表わされる環状水素化ケイ素化
合物、５ｉｎＨ２ｎ＋２（ｎ　＝　２、−−−−）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種類以上を併用し
てもよいが、この場合、各化合物に′ｊ　　　　　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ｌ　　　　　る・ ′　　　　　また、通常は上記の原料ガスに水素ガスを
島′：―、　　　　　駅用ガ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易１
　　　′″４１′Ｇ　ｔ　ｇ　ＣＬ、−Ｔ　＆　＊　／
ｘ　ｈ　ＩＪ　Ｄ　７　＊　ＪＡ　ｔ１５１　＋」　　
　　形成することができ、またこれに際し、基体温ｊ　
　　　度も比較的低い温度とすることができる。ま１　
　　　た、励起エネルギーは基体近傍に到達した原料１
　　　　ガスに一様に或いは選択的制御的に付与される
が、適宜の光学系を用いて基体の全体に照射して堆積膜
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
射し塩１１１膜を形成できるなどの便利さを有している
。

第３図中、ｌは堆積室であり、内部の基体支持台２上に
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、導線５を介して給電さ
れ１発熱する。基体温度は特に制限されないが、一般に
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、２００℃以下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、適宜の気化装置を具備させる。気化装置には、
加熱ＳＲ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、使用する前記一般式の
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０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、ｄ又はｅを付したのは各基体流の
開閉及び流μ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、図示しない換気装首に付勢さ
れて、室１内に導入される。

又は、各ガス供給源から交互に室１内に導入される。１
１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はレギュレーターバルブである。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５Ｘ１０−５Ｔｏｒｒ以下、より
好ましくは１×１０４Ｔｏｒｒ以下である。また、原料
ガー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Ｉ　Ｘ　ｌ　Ｏ−２〜ｊ００Ｔｏ　ｒ　ｒ、よ
り好ましくは５Ｘ　Ｉ　Ｏ−２〜１ＯＴｏ　ｒ　ｒ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１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、波長域を間。

うものではない。

光エネルギー発生装置１４から適宜の光学系を用いて基
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の向きに流れている原料ガス等に照射され、励起
・分解又は重合を起こして基体３上の全体或いは所望部
分にｎｏｎ−Ｓｔ：Ｈの堆ｖＬ膜を形成する。このとき
、発光層のＨさは５００人〜３０００人程程度すること
が望ましい。

そして最後にアルミニウム、金などの金属電極をＭ着す
る。

その他の作成方法としては、反応管中に流す反応ガスを
外部の電気炉で加熱分解し、カス温度よりも低い温度に
保たれた基体玉に堆積させるＨＯＭＯＣＶＤという方法
がある（Ｂ、Ａ、５ｃｏｔｔ　、Ｒ，Ｍ、Ｐｌｅｃｅｎ
ｉｃｋ、ａｎｄ　　Ｅ、Ｅ、Ｓｉｍｏｎｙｉ。

Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、ｖｏｌ、３９（１９
８１）９．７３）。

本発明の発光層として用いるｎｏｎ−３ｉ：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〕

上記した第３図に示す光ＣＶＤ装置を用い、上記の手順
と条件によって、以下の様にして第２図に示す構造の発
光素子を作成、し、′電源２０６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としては３０００人厚のｙ２゜３薄膜を用
い、発光層２０４は、原料ガスとしてＳ　ｉ　２Ｈ６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
２電極を用いた。この様にして作成した発光素子に１０
０ｖＩＫＨｚのパルス状高周波高電界を印加したところ
、２４ｆｔ−Ｌの可視光域に発光ピークがある発光が得
られた。これは、これまでに実現された非単結晶シリコ
ンを用いた発光素子の発光に比べて１桁以上大きい値で
あり、発光効率の改善がなされていることが判った。更
に、」二記の高周波電界を連続して長時間印加し、発光
特性の安定性と耐久性を試験したところ、上記の従来例
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〕

北述した様に、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、充分な発光量を得、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１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。１０１−−−−−−−−−−−一基体１０２．１０５−−−一電極ＬＯ３，２０３−−ｍ−絶縁層１０４．２０４−−−一発光層２０１−−−−−−−−−−−−ガラス基板２０２−−
−−−−−−−−−一透明電極２０４−−−−−−−−
−−−一発光層２０５−−−−−−−−−−ｍ−金属電
極２０６−−−−−−−−−−−一高周波電源。ｈど

Claims

【特許請求の範囲】

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、該発光層と重畳された電気的絶縁層と、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。