JPS6267885A - 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、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、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、Ｌ、ｅｔｔ　。

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−５ｔ：Ｈ」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能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−Ｓｉ：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Ｎ５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点〕

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、十分な発光量の可視光望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−Ｓｔ：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り、Ｏ，Ａ機器等に使用され
る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。

〔目　的〕

本発明は、上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量を有
し１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、発光特性の安定性と寿命及
び環境特性を飛躍的に向上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弗素原子を含む非単結晶シリコンで
構成された発光層と、該発光層と重ね合わせられた電気
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．ＯｅＶ以上で旦つ局在
準位密度がミツドギャップで１０１６ｃｍ−３・ｅＶ−
１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
の安定性と寿命及び環境特性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。

猶１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上に設けられ
た下部電極１０２上に、電気的絶縁層１０３、発光層１
０４及び、該発光層１０４上に設けられた上部電極１０
５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１発光層は、弗素原子（Ｈ）を含み、必
要に応じて水素原子（Ｈ）を含む非単結晶シリコン（以
後、ｒｎｏｎ−Ｓｉ：Ｆ（Ｈ）」と略記する）で構成さ
れる。

発光層中に含有される弗素原子（Ｆ）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、弗素原子（Ｆ）の含有量は
好適にはシリコン原子に対して５原子ＰＰＭ〜２５原子
％、より好適には１０原子ＰＰＭ〜２０原子％、最適に
は５０原子ＰＰＭ〜１５原子％である。

必要に応じて含有される水素原子（Ｈ）の含有量は、弗
素原子（Ｆ）の含有量との関係及び素子に要求される素
子特性に応じて適宜所望に従って決定されるが、好適に
は０．０１〜３５原子％、より好適には０．１〜３０原
子％、最適には１〜３０原子％とされる。又、弗素原子
ＣＦ）と水素原子（Ｈ）の総和量は、最大４０原子％を
越えない様に夫々の原子が層中に含有されるのが望まし
い。

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：Ｆ　（Ｈ）　で構成さ
れるものであるが、好ましくは所謂真性（１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　：Ｆ　（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、発光層１０４をＩ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、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を工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−Ｓｉ：Ｆ（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型不純物としては、所謂周期律表第■族に属する原子
（第■族原子）、即ちＢ（硼素）。

Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）。

Ｉｎ（インジウム）、１文（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、基体１０１側より発光々を外部に取り
出す為には、発光々に対して透明性である必要がある。

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　ｉ０２
　、非晶質の酸化シリコン（ａ−ＳｉｘＯｌ−ｘ但し、
Ｏ＜ｘ＜１）、ＨｆＯ２，Ｓｉ３Ｎ４．非晶質の窒化シ
リコン（ａ−５ｉ　ｙＮｌ−ｙ但し、ｏ＜ｙ＜１）、Ａ
立２０３．ＰｂＴｉＯ２，非晶質のＢ　ａ　Ｔ　ｉ　Ｏ
３、Ｔ　ａ　２０５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［！ｌ￥な基体
２０１上に、順に透明電極２０２．絶縁層２０３、発光
層２０４．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、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。

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電子−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Ｒ２０４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Ｅｇｐｏｔは、２．　Ｏｅ
　Ｖ以上とされる。

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、１０１６ａｍ−３１０１６
ａ以下、好適にはｉｏ１５ｃｍ＊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
０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、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５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い。

導電性基体としては、ＮｌＣｒ、ステンレス。

Ａ文　、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ。

Ｔｉ等を挙げることが出来る。

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、或いはガラス、セラミックス、等
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、Ａｉ
、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チあれば、ＮｉＣｒ、
Ａｕ、Ａｇ。

Ｐｂ、Ｚｎ、Ｎｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｉｒ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｆ、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
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
原料ガスなる原料物質としては、ＳｉＦ４．Ｓｉ２Ｆ６
，５ｆＨ２Ｆ２等の弗素化シランガス、及び必要に応じ
て一般式５ｉｎＨ２ｎ　（ｎ＝３　、４　、５、−−−
−）で表わされる環状水素化ケイ素化合物、Ｓ　ｉ　ｎ
Ｈ２ｎ＋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使用
される。

また、上記の発光層を形成する原料物質は、２種類以上
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、上記の原料物質のガスに水素ガスや弗素ガスを混
合して使用しても差支えない。

前記発光層形成用の原料物質のガスは、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に化学反応
を起こし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、基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
た原料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
し堆積膜を形成できるなどの便利さを有している。

第３図中、１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＆１５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、一般
に発光層の光学的バンドφギャツブ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、使用する前記弗素化シラ
ンガスや前記一般式の水素化ケイ考化合物の種類の数、
希釈ガス等を使用する場合の原料ガスとの予備混合の有
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量
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、各ガス供給源から交互に室１内に導入される。１
１は、室１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
ｌ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１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ｌＸ１（ｌＧＴｏｒｒ以下である。また、原
料ガス等を導入した状態において、室ｌ内の圧力は、好
ましくはＩＸＩ（１２〜１００Ｔｏ　ｒ　ｒ、より好ま
しくは５Ｘ１０−２〜１ＯＴｏｒｒ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−Ｓｉ：Ｈの堆積膜を形成する。このとき、
発光層の厚さは５００人〜３０００久程度とすることが
望ましい。

そして最後にアルミニウム、金などを蒸着して金属電極
を形成する。

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、ガス温度よりも低い温度に
保たれた基体上に堆積させるＨＯＭＯＣＶＤという方法
がある（Ｂ　、　Ａ　。

５ｃｏｔ　ｔ　、Ｒ，Ｍ、ＰＩｅｃｅｎｆｃｋ。

ａｎｄ　　Ｅ、Ｅ、Ｓｉｍｏｎｙｉ、Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔ　　ｔ　　、　　、ｖｏ　　１．３９
　　（１９８１）ｐ、７３）。

本発明の発光層として用いるｎｏｎ−Ｓｉ：Ｆ　（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ｆｉ２０７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Ｙ２Ｏ３薄膜を用
い、発光層は、原料ガスとして（Ｓｉ２Ｆ６＋５ｉ２Ｈ
ｓ）ガスを使用して、基体温度５０″Ｃで成膜を行った
。この際のＳ　ｉ　２Ｆ６及びＳ　ｉ　２Ｈ６の流量は
夫々８０ＳＣＣＭ、４０ＳＣＣＭであった。電極２０２
としては、ＩＴＯ透明電極、電極２０６としてはＡＭ主
電極用いた。この様にして作成した発光素子に１００Ｖ
　、ＩＫＨｚのパルス状高周波高電界を印加したところ
、４０ｆｔ−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約１．６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、上記の高周波電界を連続して長時間印加し１
発光特性の安定性と耐久性を試験したところ、と記の従
来例に較べて安定性において約７倍、耐久性において１
．７桁優れていることが結果として得られた。

又、８０％ＲＨ，４０℃の環境下で連続使用による環境
試験を行ったところ、７５時間経過後も初期の素子特性
が維持され、優れた環境特性を有することが確認された
。

〔効　果〕

上述した様に、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。又、高温多湿環境下に
おいても長時間の連続使用に対して高耐久性を示す。

【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。 １０１−−−−−−−一−−−−基体、１０２．１０５
−−−一電極、 １０３．２０３−−−一絶縁層、 １０４．２０４−−−一発光層、 ２０１−−−−−−−−−−−−ガラス基板、２０２−
−−−−−−−−−−一透明電極、２０５−−−−−−
−−−−−一金属電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 弗素原子を含む非単結晶シリコンで構成された発光層と
   、該発光層と重ね合わせら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以上で旦つ局在準位密度がミツドギ
   ヤップで１０＾１＾６ｃｍ＾−＾３・ｅＶ＾−＾１以下
   である事を特徴とする発光素子。