CN101023532A - 发光元件和发光装置以及信息显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光元件，具有：具备层叠了具有背面电极的半导体或者导电性衬底、生成热电子或者准弹道或弹道电子的生成层、发光层以及半透明表面电极的构造，或者在同一构造的元件的发光层和半透明表面电极之间设置了空穴供给层的构造，用比注入型或者本征EL还少的电流注入量从红外到紫外整个范围内实现高效率的发光。
Description
技术领域
本发明涉及具有薄型、低功耗、高解像度、高速应答、低成本等的特征，作为面发光、自发光显示器、光集成用发光元件等有用的固体发光元件。
背景技术
以往，发光器件被广泛用于包含便携终端的信息设备的显示装置、光通信、照明等中。例如可见范围的发光器件是用于实现在显示品质中有利的自发光型的显示器、信息终端设备的电键器件。此外在光通信中，高效率的近红外发光元件也是极其重要的。
不使用真空和气体的固体发光器件因为不仅在薄型化以及轻型化方面有利，而且在耐受环境性和可靠性方面也优异，所以一直以来进行了许多研究开发。这种固体发光器件大致分为两种，一种是靠注入到发光层中的电子和空穴的复合实现发光的载流子注入型EL，另一种是靠在发光层中行进的电子自身的激励实现发光的本征EL。但是，虽然有满足发光波长的控制性、功耗、应答速度、对大面积的适应性、耐受环境性、可靠性、制作的容易度等重要条件中的一部分的器件，但满足全部这些条件的器件还尚未实现。
发明内容
因为在载流子注入型EL中通过了pn节的少数载流子的扩散注入是发光的基本原理，而在本征EL中由在发光层中发生的热电子产生的发光中心的激励是发光的基本原理，所以两者在电子的注入和漂移的过程中都不能避免损失，在使发光效率和功耗两个方面都实现这一点上存在大的限制。此外，在向显示器进行应用时，受到为了控制发光颜色而可使用的发光材料的限制，制作工序也变得复杂，高度集成化变得困难。
因而，本申请发明的目的就是为了解决以上那样的以往技术上的问题，提供一种低功耗、且能够提高发光效率，即使在对显示器进行应用时，发光颜色材料的选择自由度也很大，还可以简单的加工实现高度的集成化的发光元件，以及使用该发光元件的装置。
本申请发明作为解决上述那样问题的方法，第1是提供一种以具备元件构成为特征的发光元件，这种元件构成是叠层以下部分：即层叠了具有背面电极的半导体或者导电性衬底、生成热电子或者准弹道或弹道电子的电子漂移层、发光层以及半透明表面电极，第2是提供一种具有以下特征的发光元件，在发光层和半透明表面电极之间层叠空穴供给层，在动作时向发光层注入空穴。
而后，本申请发明第3是提供一种具有以下特征的发光元件，在上述元件中，衬底包括覆盖了电极的玻璃板或者塑料薄板，第4是提供一种具有以下特征的发光元件，电子漂移层包括半绝缘性膜、或者具有纳米结晶构造的半导体膜、或者在单晶半导体膜或者多晶半导体膜上实施了纳米结晶化处理后的层，第5是提供一种具有以下特征的发光元件，发光层包括有发光性半导体、或者发光性半导体纳米构造、或者无机或有机的荧光体，可以发出从红外到紫外的任意波长的光，第6是提供一种发光元件，半透明表面电极包括有金属薄膜、或者碳薄膜、或者n型或p型导电性薄膜。
进而，本申请发明第7是提供一种对发光波长带不同，或者控制了发光波长带的如权利要求1至6的任意一项的发光元件进行了微细阵列化而形成的。
在以上那样的本申请发明中，通过把以弹道式加速的电子高效率地注入发光层，生成高密度的电子-空穴对从而提高发光效率。此外，还利用来自空穴供给层一侧的空穴注入进一步提高发光效率。因为发光层的选择性扩宽，所以从红外到紫外的发光波长的调整也变得容易。进而，该发光器件通过使用单片工艺制成，能够实现高度的集成化。
附图说明
图1是模式地例示了实施例1的元件构造的图。
图2是表示相对电子漂移层的有无的电压-电流特性图。
图3是表示相对电子漂移层的有无的电压-发光强度特性图。
图4是表示相对电子漂移层的有无的电流-发光强度特性图。
图5是表示相对空穴供给层的有无的电压-电流特性图。
图6是表示相对空穴供给层的有无的电压-发光强度特性图。
图7是表示相对空穴供给层的有无的电流-发光强度特性图。
图8是表示从没有发光层的二极管发出的电子能量分布图。
图9是表示用微微秒飞行时间法观测到的在电子漂移层中的光传导信号的图。
图10是表示电子漂移速度的比较的图，nc-PS表示电子漂移层，c-Si表示单晶硅。
图11是模式地例示了实施例2的元件构造的图。
图12是表示相对电子漂移层以及空穴供给层的有无的电压-电流特性的图，表示把纳米结晶硅作为发光层的元件的特性。
图13是表示相对电子漂移层以及空穴供给层的有无的电压-发光强度特性的图，表示把纳米结晶硅作为发光层的元件的发光强度。
图14是表示基于附加电子漂移层的发光波长带的控制性的图。
图15是表示发光元件的单片集成化的图。
具体实施方式
本申请发明具有以上那样的特征，以下对其实施方式进行说明。
通过上述那样的元件构造，在本申请发明中起到重要的作用的电子漂移层是在注入到发光层前以低散射损失加速电子的层。它可以有多种形态，例如，示例了半绝缘性膜、具有纳米结晶硅等纳米结晶构造的半导体膜、在硅等单晶半导体膜或者多晶半导体膜上实施了纳米结晶化处理后的层。尤其作为优选的是可以利用出现量子效应的纳米结晶硅层。在该层中，电子的一部分通过在纳米结晶界面上产生的电场集中连续地隧穿纳米结晶间，没有散射和能量损失地按照弹道行进，得到和在真空中加速同等的运动能量。该电子漂移层例如可以利用由阳极氧化等实现的自身组织过程而形成。
在发光层上注入在电子漂移层上生成的高能量电子，生成高密度的电子-空穴对，可以进行从红外至紫外的高效率发光。此外，通过设置空穴供给层能够进一步提高发光复合。
此外作为发光层，如果使用控制了尺寸的纳米结晶硅或者渗杂铒等稀土元素的纳米结晶硅，则能够实现具有从红外至紫外的任意的发光波长的硅基底的发光元件，还能够实现高度的单片光集成化。
以下表示实施例，进一步详细说明实施方式。当然，发明并不限于以下的例子。
实施例
<实施例1>
图1表示作为本发明的一例的面发光元件的概略结构图。在该例子中，在单晶n型硅衬底(～0.01Ωcm)上使用LPCVD法堆积厚度1.6μm的多晶硅层，从表面开始用离子注入法在加速电压150KeV、剂量4.5×1015cm-2下注入施主杂质P+后，在1000℃下进行10分钟退火。这种情况下，通过适宜地改变剂量的量，能够得到任意的发光波长。
以下，首先使用阳极氧化法在多晶硅层内形成发光层和电子漂移层的2层构造。为了设置成2层构造，按发光层、电子漂移层的顺序分阶段改变条件进行阳极氧化。最初通过在HF和C2H5OH的混合溶液中经过30秒，把电流密度设置在50mA/cm2，一边照射1W/cm2的白色光一边进行阳极氧化，从而形成从表面至700nm深的发光层。接着在25秒期间，把电流密度设置在65mA/cm2，一边照射1W/cm2的白色光一边进行阳极氧化，由此形成从700nm到1.4μm的电子漂移层。
而且在该例子中，作为衬底使用单晶n型硅衬底，但即使使用在如玻璃衬底和塑料薄板那样的绝缘性衬底上堆积电极，在其上堆积了多晶硅层的衬底，也可以制作同样的元件，实现大面积化很容易。
在1M的H2SO4中以电流密度3mA/cm-2下进行阳极氧化后电化学性氧化处理，直至处理中的电化学的EL发光强度变为最大的时刻为止。当然，在电化学性氧化处理以外，也可以使用氧等离子体处理或者极速热氧化处理等方法。
接着通过在发光层的上面蒸镀α-NPD而形成空穴供给层。α-NPD作为有机空穴供给层是公知的，而且抗热性也很强。
除了把α-NPD作为空穴供给层之外，还可以在多晶硅层的最外层上以加速电压30Kev、剂量的量1×1015cm-2注入受主杂质B形成PN型层后，在1000℃下进行10分钟的退火，使用阳极氧化法在多晶硅层内形成空穴供给层、发光层和电子漂移层的3层构造。虽然通过这种空穴供给层的导入可以提高发光效率，但即使不形成空穴供给层，而在发光层上直接形成表面电极也可以得到充分的发光强度。
最后在发光层上形成半透明的表面电极。在图1的例子中使用的ITO膜可以和半透明电极同时都变成空穴供给层。
如果对所得到的元件的特性进行说明，则可首先在图2和图3中表示典型的电流-电压特性和与之对应的发光强度的变化。图中driftlayer表示电子漂移层。此外as-anodized表示没有设置电子漂移层的元件的特性。在作为表面电极的半透明电极上相对背面电极施加比正偏置3V高的电压时，能够确认元件在电极面内均匀的发光。在负偏置中不产生发光。发光强度相对偏置电压的增加急剧增大，在大于等于5V的电压下在室内照明下能够明确确认发光。
该发光的机构是和以往的LED明显不同的。在以往的LED中为了得到发光，需要在发光层中同时注入电子和空穴。与此相反，在本元件中还能够诱发提高与固体中的阴极发光机构同时进行空穴注入而产生的发光复合。可以认为这些叠加效应与高效率发光相关联。
图4是为了验证电子漂移层的效果，而对[ITO表面电极/发光层/电子漂移层/导电性衬底/背面电极]的元件和[ITO表面电极/发光层/导电性衬底/背面电极]的元件的二极管电流-发光强度特性进行比较所表示的图。通过插入电子漂移层，得知相对同一电流注入量，发光强度提高2位数以上。这表示因为在电子漂移层中发生的弹道以及准弹道成分急剧增大，所以在发光层上的电子-空穴对高密度地发生。
图5和图6表示[由ITO表面电极/α-NPD形成的空穴供给层/发光层/电子漂移层/导电性衬底/背面电极]的元件的电流-电压特性和与之对应的发光强度的变化。此外图7表示二极管电流-发光强度特性。从这些结果可知通过设置空穴供给层能够进一步把电流效率提高1位数以上。
作为支撑由上述弹道电子产生的固体中的阴极发光的机构的事项，分别说明电子的能量分布、电子的漂移速度。为了验证在电子漂移层上的弹道电子生成的机构，调查对于不具有发光层的元件释放的电子的能量分布和载流子输送过程。
在真空中在该元件上如果对表面电极施加正偏置则释放电子。图8是对于几个偏置电压使用交流逆电场法测定释放电子的运动能量的图。能量取真空水平作为基准。全部分布的峰值位于高能量一侧，相对偏置电压的增加峰值向高能量一侧偏移是表示电子的能量未在热平衡状态下被缓和。特别是在不进行热激励的小于等于150K的温度下能量分布窄带化，如果考虑半透明电极的功函数，则峰值的位置达到由弹道输送所期待的能量的90％以上。
以下为了在调查电子漂移层上的电子的输送过程而使用了飞行时间法来调查电子的漂移速度。在同样地使用阳极氧化形成了纳米晶层后，用电化学性剥离法得到纳米结晶硅的自支撑膜。在该膜的两面上用真空蒸镀法堆积电极。进行光照射一侧的电极作为半透明电极。图9表示在加上了正偏置的状态下在半透明一侧的电极上照射了微微秒紫外脉冲光后的、相对各电场强度的光电流瞬态应答特性。所插入的图表示在更长的时间下的瞬态特性。在测定中，在光照射一侧的电极附近生成的电子向着相对电极漂移时诱发瞬态电流信号。在电子达到了相对电极后，因为电流减少，所以从信号电流开始衰减的时间起能够求电子的漂移速度。图10表示相对电场强度的漂移速度的变化。为了进行比较，而表示在未发生弹道输送的单晶硅中的漂移速度。单晶硅的数据源自C.Canali，G.Ottaviani and A.AlberigiQuaranta，J.Phys.Chem，Solids，32，1707(1971)。可知在单晶硅上在30kV/cm中因为频繁的散射和能量损失，所以相对电子的漂移速度完全饱和，在纳米结晶硅层中即使处于高电场下，漂移速度也不会饱和，能够抑制能量的损耗。
在30kV/cm下的电子漂移速度达到在单晶硅下的其20倍以上。漂移速度为了得到该值，需要在存在许多电子势垒的微结晶硅之间以相当于微结晶尺寸的数百倍的距离的平均自由行程，在1.6μm范围中用弹道方式加速电子。如果根据同时从光电流瞬态特性得到的移动度-寿命期限积求电子的漂移长度，则是3.2μm。这表示在电子漂移层上加速的电子几乎都未被陷阱捕获地传输，以高的能量注入到发光层。
作为电子漂移层的纳米结晶硅层由相互连结的许多微结晶硅构成。如果在该层上施加偏置电压，则主要的电压下降发生在微结晶界面的电子势垒上。因为在纳米结晶界面上发生的电场强度呈尖峰状，所以在电子每次隧穿纳米结晶界面的电子势垒时，电子能够获得运动能量。如果电子连续隧穿纳米结晶之间，则在能量缓和发生前，电子能够得到高的能量。这样在电子漂移层中保持电子能量的非平衡状态，高效率发生弹道或者准弹道电子。在该过程中生成的电子的能量如图8所示因为达到10eV，所以能够在发光层上发生高密度的电子-空穴对。
<实施例2>
把n型0.02～0.07Ωcm的单晶Si衬底置于HF和C2H5OH的混合溶液中150秒钟，把电流密度设置为100mA/cm2，通过一边照射1W/cm2的白色光一边进行阳极氧化，来制成发光层。接着在同一溶液中通过电流调制阳极氧化把电流密度从100mA/cm2提升到200mA/cm2，在发光层的下部制成电子漂移层。其后为了元件的稳定化在氢气环境中经过12小时，进行表面悬挂空键(ダングリ ングボンド)终端处理。接着通过在发光层的上面蒸镀α-NPD形成空穴供给层。在该例子中，是把α-NPD作为空穴供给层，而在多晶硅层的最上面以加速电压30KeV、剂量的量1×1015cm-2注入受主杂质B形成PN型层后，在1000℃进行10分钟退火，使用阳极氧化法，能够形成空穴供给层、发光层和电子漂移层3层构造。最后用溅射法堆积ITO薄膜作为表面电极。图11表示已制成的元件的构造。
如果对该元件的特性进行说明，则首先可在图12和图13中表示典型的电流-电压特性和与之对应的发光强度的变化。图中drift layer表示电子漂移层。能够确认元件在电极面内均匀的发光，在负偏置下不会产生发光。在设置了电子漂移层的元件中，能够明确地确认在5V以上的电压下在室内照明下发光。如在实施例1中所示的那样，在本发明的元件下因为在电子漂移层中生成的弹道以及准弹道成分急剧增大，所以通过用固体中的阴极发光的机构高密度倍增的电子和已注入的空穴的复合，将得到高效率的发光，发光强度增大近2位数。此外，通过设置空穴供给层可知电流效率进一步改善近2位数。
图14表示同时测定的发光光谱。表示设置有电子漂移层的元件其峰值波长约是590nm的黄色发光，与不具有电子漂移层的元件相比较，如果在100nm的能量下考虑则变成0.3eV高的值。在不具有电子漂移层的元件中，因为注入到发光层中的电子处于热平衡状态，所以纳米结晶的尺寸小，不能激励禁带宽度大(即需要高的激励能量)的发光层。另一方面，在具有电子漂移层的元件中，因为注入到发光层的电子是弹道电子，所以能够激励用纳米结晶的尺寸决定的发光层的原本的能量间隙，发光能量也变高。该实验结果的启示是电子漂移层能够设置成高效率的多彩色EL。
此外，在发光层面内的规定的位置上得到任意的发光波长这一点可以通过增减杂质剂量的量，用阳极氧化法制成元件来实现。图15表示例子。因为能够根据剂量的量任意控制发光层面内的纳米微结晶的大小，所以能够任意选择发光波长，能够把多彩色EL元件集成化在单片上。
工业上可利用性
如以上详细说明的那样，采样本申请发明，作为新的发光元件，可在提高发光效率、发光波长的控制性、功耗、应答速度、对大面积化的适合性、耐受环境性、可靠性、制作的容易度、薄型·集成化等有关领域中解决重要的诸问题。这并不停留在发光元件的开发上，还将对整个信息通信技术带来大的产业效果。
Claims (7)
1、一种发光元件，其特征在于：具备层叠了以下部分的元件结构，即层叠了具有背面电极的半导体或者导电性衬底、生成热电子或者准弹道或弹道电子的电子漂移层、发光层以及半透明表面电极。
2、如权利要求1所述的发光元件，其特征在于：在发光层和半透明表面电极之间层叠空穴供给层，在动作时向发光层注入空穴。
3、如权利要求1或者2所述的发光元件，其特征在于：衬底包括覆盖了电极的玻璃板或者塑料薄板。
4、如权利要求1至3的任意一项所述的发光元件，其特征在于：电子漂移层包括半绝缘性膜、或者具有纳米结晶构造的半导体膜、或者在单晶半导体膜或者多晶半导体膜上实施了纳米结晶化处理后的层。
5、如权利要求1至3的任意一项所述的发光元件，其特征在于：发光层包括有发光性半导体、或者发光性半导体纳米构造、或者无机或有机的荧光体，可以发出从红外到紫外的任意波长的光。
6、如权利要求1至3的任意一项所述的发光元件，其特征在于：半透明表面电极包括有金属薄膜、或者碳薄膜、或者n型或p型导电性薄膜。
7、一种多彩色发光装置或者信息显示器装置，其特征在于：是对发光波长带不同，或者控制了发光波长带的如权利要求1至6的任意一项的发光元件进行了微细阵列化而形成的。
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