JP2002368258A - 発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置 - Google Patents
発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置Info
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- H01L33/465—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector with a resonant cavity structure
Abstract
バイス装置を提供する。 【解決手段】 n型またはp型基板と、前記基板の一面
に、前記基板とのp−n接合部位で量子拘束効果により
発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反
対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、
前記p−n接合部位で発光される光の波長選択性を向上
させるための共振器と、正孔及び電子を注入するため
に、前記基板反対面及び一面に各々形成された第1及び
第2電極とを含むことを特徴とする。これにより、極端
に浅くドーピングされてそのp−n接合部位で量子拘束
効果により発光を起こるドーピング領域を備え、特定波
長帯域の光のみを共振させる共振器構造が付加されてい
るので、効率に優れ、かつ波長選択性が大きく向上され
る。また、共振器構造により発光強度が増幅され、出射
される光の直進性が大きく改善される。
Description
な発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置に関す
る。
素子及びドライブ素子などを高い信頼性で高集積化で
き、シリコンが安いために化合物半導体に比べてより安
価で、高集積回路を実現しうる利点がある。したがっ
て、大部分の集積回路はシリコン(Si)を基本材料と
して使用している。
に生かし、集積回路との製造工程上の互換性ある安価の
光電子デバイスを具現するためにシリコンに基づいた発
光素子を作ろうとする研究が進行しつつある。多孔性シ
リコン及びナノクリスタルシリコンは発光特性を有する
のが実験的に確認され、これに関する研究が進行されて
いる。
形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シ
リコン領域での価電子帯(valence band)
と伝導帯(conduction band)との間の
エネルギーバンドギャップを示す図である。
えば、フッ酸(HF)が含まれた電解質溶液に入れ、そ
のバルク型Siの表面を電気化学的に陽極処理(ano
dic electrochemical dissol
ution)することによって製造されうる。
で陽極処理を行う時、そのバルク型シリコンの表面側に
は図1に示されたように、多数の孔1aを有する多孔性
シリコン領域1が形成される。孔1a部分には膨出部
(HFにより融解されない部分)1bに比べてSi−H
結合がより多く存在する。多孔性シリコン領域1での価
電子帯エネルギーEvと伝導帯エネルギーEcとのネル
ギーバンドギャップは多孔性シリコン領域1の形状と反
対に現れる。
面で膨出部に取囲まれた窪み(多孔性シリコン領域1、
図では孔1aに取囲まれた膨出部1b)は量子拘束効果
(quantum confinement effec
t)を示してバルク型シリコンのエネルギーバンドギャ
ップより大きくなり、この部分に電子とホールとがトラ
ップされて発光結合を行う。
に取囲まれた膨出部1bを量子拘束効果を示す単結晶シ
リコンワイヤー状に形成すれば、電子とホールとはこの
ワイヤーにトラップされて発光結合をし、ワイヤーの大
きさ(幅と長さ)によって発光波長は近赤外線から青色
波長まで可能である。この際、孔1aの周期は図1に示
したように、例えば約5nm、多孔性シリコン領域の最
大厚さは、例えば約3nmである。
素子を製造し、多孔性シリコン領域1が形成された単結
晶シリコンに所定の電圧を印加すれば、多孔性特性によ
って所望の波長領域の光を発光させうる。
基づいた発光素子は、まだ発光素子としての信頼性が確
保されておらず、外部量子効率(EQE:Extern
alQuantum Efficiency)が約0.
1%と低い問題点がある。
光素子の一例を概略的に示す断面図である。ナノクリス
タルシリコンを用いた発光素子は、p型単結晶シリコン
基板2と、基板2上に形成された非晶質シリコン層3
と、非晶質シリコン層3上に形成された絶縁膜5と、基
板2の下面及び絶縁膜5上に各々形成された下部、上部
電極6、7を含む層構造を有し、非晶質シリコン層3内
に形成された量子点状のナノクリスタルシリコン4とを
具備する。
0℃に急昇温させて再結晶化させれば、量子点状のナノ
クリスタルシリコン4が形成される。この際、非晶質シ
リコン層3の厚さは3nmで、ナノクリスタルシリコン
4の大きさは約2〜3nmである。
を用いた発光素子は上下部電極7、6を通じて逆方向に
電圧をかければ、シリコン基板2とナノクリスタルシリ
コン4との非晶質シリコンの両端に大きな電界が生じて
高エネルギー状態の電子と正孔が生成され、これらがナ
ノクリスタルシリコン4内にトンネリングされて発光結
合を行う。この際、ナノクリスタルシリコンを用いた発
光素子において発光波長はナノクリスタルシリコン量子
点の大きさが小さいほど短くなる。
いた発光素子は、ナノクリスタルシリコン量子点の大き
さ制御及び均一性を確保しにくく、効率が極めて低い。
改善するために案出されたものであって、多孔性シリコ
ン及びナノクリスタルシリコンを用いた発光素子より効
率に優れ、かつ発光波長選択性が向上された発光素子及
びこれを適用した発光デバイス装置を提供することにそ
の目的がある。
の本発明にともなう発光素子は、n型またはp型基板
と、前記基板の一面に、前記基板とのp−n接合部位で
量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤
により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされた
ドーピング領域と、前記p−n接合部位で発光される光
の波長選択性を向上させるための共振器と、正孔及び電
子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形
成された第1及び第2電極とを含むことを特徴とする。
側に形成された第1反射膜と、前記第1反射膜と共振器
をなして発光波長選択性を向上させるように、前記ドー
ピング領域上に形成された第2反射膜よりなり、前記第
1及び第2反射膜のうち1つの反射膜は他の反射膜より
低い反射率を有するように形成され、低反射率を有する
1つの反射膜を通じて発光された光を出射させることが
望ましい。
を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であることが
望ましい。
成され、前記第1電極は前記第1反射膜周辺の前記基板
の反対面上に形成されうる。
対面と第1反射膜との間に透明電極よりなりうる。
時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端
に浅く形成させる制御膜をさらに備えることが望まし
い。
質よりなり、前記制御膜は、前記ドーピング領域が極端
に浅く形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化
膜であることが望ましい。
くとも1つの発光素子を備える発光デバイス装置におい
て、前記発光素子は、n型またはp型基板と、前記基板
の一面に、前記基板とのp−n接合部位で量子拘束効果
により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基
板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領
域と、前記p−n接合部位で発光される光の波長選択性
を向上させるための共振器と、正孔及び電子を注入する
ために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第1
及び第2電極とを含み、照明システム及びディスプレー
システムのうち何れか1つに適用されることを特徴とす
る。
明を詳しく説明する。
実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
光素子は、基板11と、基板11の一面に形成されたド
ーピング領域15と、発光される光の波長選択性を向上
させる共振器と、正孔及び電子を注入するために基板1
1の反対面及び一面に各々形成された第1及び第2電極
17、19とを含んで構成される。また、本発明に係る
発光素子はドーピング領域15の形成時にマスクとして
機能を行い、ドーピング領域15を極端に浅く形成させ
る制御膜13を基板11の一面にさらに備えることが望
ましい。この制御膜13は本発明の発光素子のドーピン
グ領域15を形成するためには必要なものであって、ド
ーピング領域15の形成後に選択的に除去されうる。
導体物質、例えば、Si、SiCまたはダイアモンドよ
りなり、n型ドーピングされている。
えば、ホウ素または燐を基板11の一面に形成された制
御膜13の開口を通じて基板11内に非平衡拡散させ、
基板11と反対型、例えば、p+型ドーピングされた領
域である。
11との境界部、すなわち、p−n接合部位14に量子
ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか1つ
が形成されて量子拘束効果により発光されるように、ド
ーピング領域15は極端に浅くドーピングされたことが
望ましい。
ウェルが形成され、量子点や量子線も形成されうる。ま
た、p−n接合部位14には前記量子ウェル、量子点、
量子線のうち2種以上が複合形成されることもある。以
下、表現の便宜上、p−n接合部位14に量子ウェルが
形成されたと説明する。以下、p−n接合部位14に量
子ウェルが形成されたと説明しても、これは量子ウェ
ル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか1つを意
味するものと見なされる。
により極端に浅く形成する時のp−n接合部位14の構
造を示す。図5Bは非平衡拡散により図5Aに示された
p−n接合部位14に表面の長手方向、側方向に形成さ
れる量子ウェルQWのエネルギーバンドを示す。図5B
において、Ecは伝導帯エネルギー準位、Evは価電子
帯エネルギー準位、Efはフェルミエネルギー準位を各
々示し、このようなエネルギー準位については半導体関
連技術分野ではよく知られているので、その詳細な説明
は省略する。
n接合部位14は他のドーピング層が交互に形成された
量子ウェル構造を有するが、ウェルとバリヤーは約2、
3nmである。
ルを形成する極端に浅いドーピングは制御膜13の厚さ
及び拡散工程条件などを最適に制御することによって形
成されうる。
1表面の変形されたポテンシャルにより拡散プロファイ
ルの厚さが、例えば、10−20nmに調節され、この
ように極端に浅い拡散プロファイルには量子ウェルが生
成される。ここで、基板11表面は初期制御膜の厚さと
表面前処理により変形され、このような変形は工程の進
行につれて深化される。
質よりなる場合、制御膜13はドーピング領域15を極
端に浅く形成させる適正厚さを有するSiO2であるこ
とが望ましい。この制御膜13は、例えば、基板11の
一面上にSiO2を形成した後、拡散工程のための開口
部分をフォトリソグラフィー工程を用いてエッチングす
ることによってマスク構造で形成される。
シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ(数千Å)より厚い
か、または低温であれば、主に空席が拡散に影響を与え
て拡散が深く起こり、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ
より薄いか、または高温であれば、Si自己間隙が主に
拡散に影響を与えて拡散が深く起こる。したがって、シ
リコン酸化膜をSi自己間隙及び空席が類似した割合で
生じる適正厚さに形成すれば、Si自己間隙と空席とが
相互結合されてドープ剤の拡散を促進しなくなるので、
極端に浅いドーピングが可能となる。ここで、空席及び
自己間隙と関連した物理的な性質は拡散と関連した技術
分野ではよく知られているので、より詳細な説明は省略
する。
ドーピング領域15はn+型ドーピングされうる。
るように、基板11の反対面側に形成された第1反射膜
21と、ドーピング領域15上に形成された第2反射膜
25を含んで構成される。発光されて所望の方向に出射
される光の効率を極大化するために、第1反射膜21は
高反射率(望ましくは、ほぼ100%)を有するように
形成され、ドーピング領域15に近い前記第2反射膜2
5は第1反射膜21より低反射率を有するように形成さ
れ、p−n接合部位14で発光された光を第2反射膜2
5を通じて出射させることが望ましい。逆に、第1反射
膜21が第2反射膜25より低反射率を有するように形
成されて発光された光が第1反射膜21を通じて出射さ
れるように構成されうる。
ッグ反射膜(DBR)で構成されうる。第2反射膜25
は発光スペクトルの帯域幅を減らせるようにブラッグ反
射膜で形成することが望ましい。第2反射膜25は制御
膜13の開口部の第2電極19の形成位置を除いた領域
に形成される。ここで、ブラッグ反射膜は屈折率の相異
なる物質、例えば、化合物半導体物質を、交互に要求さ
れる積層数だけ積層して形成したものである。第1及び
第2反射膜21、25が全てブラッグ反射膜よりなり、
前述したように、発光された光が第2反射膜25を通じ
て出射される構造であれば、第2反射膜25は第1反射
膜21に比べて低反射率を有するように第1反射膜21
より少ない積層数で形成される。
にその共振器の共振条件に合う特定波長帯域の光のみが
増幅されて出射されるために、波長選択性が大きく向上
される。前記共振器は発光して出射させようとする波長
帯域に合う共振条件で形成される。
され、第2電極19は基板11の一面上の第2反射膜2
5の周辺に形成される。
図3を参照するに、第1電極17は基板11の反対面と
第1反射膜21との間に位置されうる。この場合、第1
電極17は光が透過されるように、例えば、ITOを用
いて透明な電極よりなることが望ましい。
図4を参照するに、基板11の反対面の最も反射効果の
大きな部分にのみ第1反射膜21を形成し、第1電極1
7は基板11の反対面上の第1反射膜21の周辺に形成
しても良い。
光素子は、ドーピング領域15の基板11とのp−n接
合部位14に電子と正孔対の消滅結合が起こる量子ウェ
ルが形成されているので、前述したように発光が起こ
り、第1及び第2反射膜21、25よりなる共振器の共
振条件に合う所望の波長帯域の光のみが増幅されて第2
反射膜25を通じて出射される。もちろん、放出される
光量及び波長は印加される電流量にも依存する。
うに発光される。例えば、第1及び第2電極17、19
を通じて電源(電圧または電流)が与えられると、キャ
リア、すなわち、電子と正孔はp−n接合部位14の量
子ウェルに注入され、量子ウェル内のサブバンドエネル
ギーレベルを通じて再結合(消滅結合)される。この
際、キャリアが結合される状態によって所定波長の電場
発光(electroluminescence:E
L)が生じ、生じる光量は第1及び第2電極17、19
を通じて与えられた電源(電圧または電流)の量により
変わる。
長は一次的に基板11の表面(実際には、ドーピング領
域15の表面)に形成される微小欠陥(micro−d
efect)による微小空隙(micro−cavit
y)により決まる。したがって、製作工程により微小空
隙の大きさを調節すれば、所望の発光波長帯域の発光素
子が得られる。
成される微小欠陥による微小空隙の共振波長とよく合う
場合に増幅されうる。
面に形成された微小欠陥による変形されたポテンシャル
のために生じる。したがって、変形されたポテンシャル
を調節することによって量子ウェルの変形が可能であ
り、これにより微小空隙が決まり、微小空隙を調節すれ
ば所望の波長帯域の発光が得られる。
極端に浅くドーピングされたドーピング領域15のp−
n接合部位14で電荷分布ポテンシャルの局部的な変化
によって量子拘束効果が生じ、量子ウェル内にサブバン
ドエネルギーレベルが形成されていて高い量子効率を有
する。
合部位14で発光された波長帯域の光のうち第1及び第
2反射膜21、25で構成された共振器の共振条件に合
う所望の狭波長帯域の光のみを増幅するので、波長選択
性が大きく向上される。
ディスプレーシステムまたは照明システムに発光デバイ
ス装置として適用可能であり、ディスプレーシステムま
たは照明システムへの適用時、従来の発光素子を適用し
た場合より鮮明な色特性が得られる。前記発光デバイス
装置は本発明に係る発光素子を少なくとも1つ備える。
イス装置がディスプレーシステム用である場合、前記発
光デバイス装置は2次元に配列された多数の本発明に係
る発光素子よりなる。本発明に係る発光素子は半導体物
質を用いて半導体製造工程を通じて超小型化が可能なの
で、これをディスプレーシステム、特に薄型固状ディス
プレーに応用可能なのは明白である。また、本発明に係
る発光素子は大きく向上された波長選択性を有するの
で、本発明に係る発光デバイス装置をなす各発光素子を
ディスプレーシステムの各カラー画素に合う共振条件を
有するように形成してディスプレーシステムを構成すれ
ば、別途のカラーフィルター無しに、例えば、R、G、
Bカラーを具現しうる。より鮮明なカラーの具現のため
に本発明に係る発光デバイス装置にカラーフィルターを
付加可能なのはもちろんである。
イス装置が照明システム用である場合、前記発光デバイ
ス装置は照明システムの用途及び照度要求に対応して少
なくとも1つ以上の本発明に係る発光素子よりなる。こ
の際、採用される発光素子は、要求されるカラーに合わ
せて最適化された共振器を具備する。
した発光デバイス装置の構造は、以上の説明を通じて十
分に類推可能なので、その詳細な説明は省略する。
びこれを適用した発光デバイス装置によれば、極端に浅
くドーピングされてそのp−n接合部位で量子拘束効果
により発光されるドーピング領域を備え、特定波長帯域
の光のみを共振させる共振器構造が付加されているの
で、効率に優れ、かつ波長選択性が大きく向上される。
また、共振器構造により発光強度が増幅され、出射され
る光の直進性が大きく改善される。
孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域で
の価電子帯と伝導帯とのエネルギーバンドギャップを示
す図である。
例を概略的に示す断面図である。
示す断面図である。
示す断面図である。
く形成する時、p−n接合部位の構造を概略的に示す図
である。
合部位に、表面の長手方向、側方向に形成される量子ウ
ェルのエネルギーバンドを示す図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 n型またはp型基板と、 前記基板の一面に、前記基板とのp−n接合部位で量子
拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤によ
り前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドー
ピング領域と、 前記p−n接合部位で発光される光の波長選択性を向上
させるための共振器と、 正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一
面に各々形成された第1及び第2電極とを含むことを特
徴とする発光素子。 - 【請求項2】 前記共振器は、 前記基板の反対面側に形成された第1反射膜と、 前記第1反射膜と共振器をなして発光波長選択性を向上
させるように、前記ドーピング領域上に形成された第2
反射膜とよりなり、前記第1及び第2反射膜のうち1つ
の反射膜は他の反射膜より低い反射率を有するように形
成され、低反射率を有する1つの反射膜を通じて発光さ
れた光を出射させることを特徴とする請求項1に記載の
発光素子。 - 【請求項3】 前記第2反射膜は、屈折率の相異なる物
質を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であること
を特徴とする請求項2に記載の発光素子。 - 【請求項4】 前記第1反射膜は前記基板の反対面上に
形成され、前記第1電極は前記第1反射膜周辺の前記基
板の反対面上に形成されたことを特徴とする請求項2ま
たは3に記載の発光素子。 - 【請求項5】 前記第1電極は前記基板の反対面と第1
反射膜との間に透明電極よりなることを特徴とする請求
項2または3に記載の発光素子。 - 【請求項6】 前記基板の一面に前記ドーピング領域形
成時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極
端に浅く形成させる制御膜をさらに備えることを特徴と
する請求項1または2に記載の発光素子。 - 【請求項7】 前記基板はシリコンを含む所定の半導体
物質よりなり、 前記制御膜は、前記ドーピング領域が極端に浅く形成さ
れるように適正厚さを有するシリコン酸化膜であること
を特徴とする請求項6に記載の発光素子。 - 【請求項8】 少なくとも1つの発光素子を備える発光
デバイス装置において、 前記発光素子は、 n型またはp型基板と、 前記基板の一面に、前記基板とのp−n接合部位で量子
拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤によ
り前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドー
ピング領域と、 前記p−n接合部位で発光される光の波長選択性を向上
させるための共振器と、 正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一
面に各々形成された第1及び第2電極とを含み、照明シ
ステム及びディスプレーシステムのうち何れか1つに適
用されることを特徴とする発光デバイス装置。 - 【請求項9】 前記共振器は、 前記基板の反対面側に形成された第1反射膜と、 前記第1反射膜と共振器をなして発光波長選択性を向上
させるように、前記ドーピング領域上に形成された第2
反射膜よりなり、前記第1及び第2反射膜のうち1つの
反射膜は他の反射膜より低い反射率を有するように形成
され、低反射率を有する1つの反射膜を通じて発光され
た光を出射させることを特徴とする請求項8に記載の発
光デバイス装置。 - 【請求項10】 前記第2反射膜は、屈折率が相異なる
物質を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であるこ
とを特徴とする請求項9に記載の発光デバイス装置。 - 【請求項11】 前記第1反射膜は前記基板の反対面上
に形成され、前記第1電極は前記第1反射膜周辺の前記
基板の反対面上に形成されたことを特徴とする請求項9
または10に記載の発光デバイス装置。 - 【請求項12】 前記第1電極は前記基板の反対面と第
1反射膜との間に透明電極よりなることを特徴とする請
求項9または10に記載の発光デバイス装置。 - 【請求項13】 前記基板の一面に前記ドーピング領域
の形成時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域
を極端に浅く形成させる制御膜をさらに備えることを特
徴とする請求項8または9に記載の発光デバイス装置。 - 【請求項14】 前記基板はシリコンを含む所定の半導
体物質よりなり、 前記制御膜は、前記第1及び第2ドーピング領域が極端
に浅く形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化
膜であることを特徴とする請求項13に記載の発光デバ
イス装置。
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