JP2006228916A

JP2006228916A - 発光素子

Info

Publication number: JP2006228916A
Application number: JP2005039969A
Authority: JP
Inventors: Akira Omae; 暁大前; Toshikazu Yasuda; 寿和安田; Muneyuki Kazetagawa; 統之風田川; Izuho Hatada; 出穂畑田; Katsunori Yanashima; 克典簗嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】量子効果を利用したシリコン系発光層を量子閉じ込め構造とすることで、発光効率が高い発光素子を得ることを可能とする。
【解決手段】基板上に形成された量子効果を利用したシリコン系発光層を有する発光素子１において、前記量子効果を利用したシリコン系発光層は量子閉じ込め構造を有するものであり、例えば、前記発光層は、電子のドブロイ波長と同等の大きさを有するシリコン系半導体微粒子１１を含んだシリコン酸化物薄膜（酸化シリコン層１２）を用いているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディスプレイやバックライトなどの発光デバイスに応用可能なもので、量子効果を利用した発光層を有する発光素子に関するものである。

現在の半導体技術の材料は、シリコンやシリコン化合物を用いたものが大半を占めている。その理由は、地球の資源の中で非常に豊富でありかつ安価で、環境に良く、高い歩留まりで集積回路を製造できるなどの利点を有するからである。しかし、シリコンやシリコン化合物を用いた発光素子は困難であるため、今日までシリコン系発光素子が実現されていない。これは、シリコン及びシリコン化合物はバンド構造が間接遷移型であることから発光が観測されにくい、発光しにくいということが大きな要因であった。

現在までは、発光ダイオードや半導体レーザにはＧａＡｓなどのIII−Ｖ族やII−VI族の化合物半導体材料が用いられてきている。しかし、これらは高価な基板を用いることや有害物質など含有すること、また作製プロセスが困難であることなどにより非常に実現が困難である。

したがって、間接遷移型であるシリコンおよびシリコン化合物を効率良く発光させることができれば、従来の困難であった点をすべて改善することができる。

シリコン、シリコン化合物における間接遷移型を直接遷移型のように効率よくキャリアを光へ変換するためにさまざまな案が提案されてきている。そのうちの一つが、キャリアの波動関数を局所化して量子効果を用いる方法である（例えば、特許文献１、２、３参照）。

この方法では、超格子、量子ワイヤ、量子ドットなどの量子構造を用いることにより、キャリアである電子やホールを小さいサイズの入れ物に閉じ込めることができる。電子及びホールを２次元平面内に局在化させることで、キャリアの状態密度をデルタ関数的に近づける。キャリア閉じ込めの大きさでキャリアの波動関数の量子化が起こり、エネルギーが離散的な値をとる。閉じ込めの方法や大きさにより、バンド端発光再結合の効率が向上する。実際にIII−Ｖ族化合物半導体などでは研究が進められており、新しい物性や従来特性向上の結果が数多く出ているが、シリコン系に関しては、まだ構造に関しての提案が少ない状況である。

また、別の方法として、不純物を添加して、不純物原子の核内遷移による発光再結合を利用する方法がある。この例には、エルビウムなどの希土類元素を添加する方法が挙げられる。しかし、母体の発光遷移の効率を高める必要があるため上記のキャリアの波動関数を局所化して量子効果を用いる方法を改善していくことが重要である。

特開平１１−１３５８３０号公報特開２０００−１６４９２１号公報特開２０００−７７７１０号公報

解決しようとする問題点は、シリコン、シリコン化合物における間接遷移型を直接遷移型のように効率よくキャリアを光へ変換することができない点である。

本発明は、基板上に形成された量子効果を利用したシリコン系発光層を有する発光素子において、前記量子効果を利用したシリコン系発光層は量子閉じ込め構造を有することを最も主要な特徴とする。特に、量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造を有する。または、量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造に、シリコン系半導体微粒子と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料を導入することで階段状の閉じ込め構造を有する。または、量子閉じ込め構造は、前記階段状の閉じ込め構造が複数層に形成されている。または、量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造に、シリコン系半導体微粒子と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料を導入することで連続的に変化する閉じ込め構造を有する。または、量子閉じ込め構造は、前記中間材料と前記シリコン系半導体微粒子とが複数層に形成されている。または、量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造を有するもので、かつシリコン系半導体微粒子のポテンシャルに対して前記二酸化シリコンのポテンシャルが非対称となっているものである。

本発明の発光素子は、量子効果を利用したシリコン系発光層が量子閉じ込め構造を有するため、シリコン、シリコン化合物における間接遷移型を直接遷移型のように効率よくキャリアを光へ変換することができるので、発光効率を向上させることができるという利点がある。また、従来の光デバイスを歩留まりが良く簡単な作製技術であるシリコン系のプロセスを使用でき、安価で資源が豊富なシリコン材料を使用することができるという利点もある。また応用技術としては、フォトニクス結晶やＤＦＢ（Distributed-FeedBack）、ＤＢＲ（Distributed-Brag-Reflection）などを垂直方向に導入することによってシリコン系量子ドットからの光の取り出し効率を向上させることができる。

発光効率が高い発光素子を得るという目的を、量子効果を利用したシリコン系発光層を量子閉じ込め構造とすることで実現した。

上記発光層は、電子のドブロイ波長と同等の大きさを有するシリコン系半導体微粒子を含んだシリコン酸化物薄膜を用いる。その量子井戸のサイズは、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲である必要がある。量子井戸のサイズが１０００ｎｍを超えると量子効果（量子サイズ効果ともいう）を得ることができない。そして、より好ましくは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にあることが求められる。量子井戸（例えば量子ドット）のサイズが小さくなる程、エネルギー準位が上昇し、発光センターである希土類元素に、より大きなエネルギーを遷移できることから、量子井戸のサイズは１００ｎｍ以下がより好ましい。さらにより好ましくは、量子井戸のサイズは数ｎｍ以上数１０ｎｍ以下の範囲、すなわち、電子のドブロイ波長と同等の大きさレベルにあることが好ましい。先に説明したように、量子井戸（例えば量子ドット）のサイズが小さくなる程、エネルギー準位が上昇し、発光センターである希土類元素に、より大きなエネルギーを遷移できることから、量子井戸のサイズは１０ｎｍ以下がさらにより好ましいことになる。

上記発光層の活性層は、０次元の量子閉じ込め構造および０次元の量子ドットの少なくとも周囲に二酸化シリコンとシリコン系半導体微粒子との中間のエネルギーギャップを持つ材料が導入された階段状の分離閉じ込め型の変調量子井戸構造からなる。その量子閉じ込め構造の一つは、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）で挟んだ構造を有する。以下に、第１実施例として説明する。また、上記量子閉じ込め構造は、上記階段状の閉じ込め構造が複数層に形成されている。以下に、第２実施例として説明する。

上記量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）で挟んだ構造に、シリコン系半導体微粒子と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料を導入することで階段状の閉じ込め構造を有する。以下、第３実施例として説明する。また、上記量子閉じ込め構造は、上記階段状の閉じ込め構造が複数層に形成されているものである。以下に、第４実施例として説明する。

上記量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）で挟んだ構造に、シリコン系半導体微粒子と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料を導入することで連続的に変化する閉じ込め構造を有するものである。以下に、第５実施例として説明する。また、上記量子閉じ込め構造は、上記中間材料と上記シリコン系半導体微粒子とが複数層に形成されているものである。以下に、第６実施例として説明する。

上記量子閉じ込め構造は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）で挟んだ構造を有するもので、かつシリコン系半導体微粒子のポテンシャルに対して二酸化シリコンのポテンシャルが非対称となるものである。以下に、第７実施例として説明する。

本発明の発光素子に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図およびポテンシャル図によって説明する。

図１（１）の概略構成断面図に示すように、０次元の量子閉じ込め構造および０次元の量子ドットの少なくとも周囲に二酸化シリコンと上記シリコン系半導体微粒子との中間のエネルギーギャップを持つ材料が導入された階段状の分離閉じ込め型の変調量子井戸構造からなる。この発光素子１は、シリコン系半導体微粒子（例えばシリコンナノクリスタル）１１を含む酸化シリコン層１２を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３（１３ａ、１３ｂ）で挟んだ構造を有するものである。上記酸化シリコン層１２は、上記二酸化シリコン膜１３と上記シリコン系半導体微粒子１１との中間のエネルギーギャップを持つ材料であり、例えばシリコンリッチな酸化シリコンからなる。このポテンシャル図を図１（２）に示す。ポテンシャル図から判るように、シングル量子井戸構造となっている。

本発明の発光素子に係る第２実施例を、図２のポテンシャル図および概略構成断面図によって説明する。

図２（１）の概略構成断面図に示すように、０次元の量子閉じ込め構造および０次元の量子ドットの少なくとも周囲に二酸化シリコンと前記シリコン系半導体微粒子との中間のエネルギーギャップを持つ材料が導入された階段状の分離閉じ込め型の変調量子井戸構造を基本構造とし、上記階段状の閉じ込め構造が複数層に形成されているものからなる。この発光素子２は、シリコン系半導体微粒子（例えばシリコンナノクリスタル）１１を含む酸化シリコン層１２を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３（１３ａ、１３ｂ、…、１３ｅ）で挟んだ多重構造を有するものである。上記酸化シリコン層１２は、上記二酸化シリコン膜１３と上記シリコン系半導体微粒子１１との中間のエネルギーギャップを持つ材料であり、例えばシリコンリッチな酸化シリコンからなる。このポテンシャル図を図２（２）に示す。ポテンシャル図から判るように、多量子井戸構造となっている。

本発明の発光素子に係る第３実施例を、図３のポテンシャル図および概略構成断面図によって説明する。

図３（１）の概略構成断面図に示すように、０次元の量子閉じ込め構造および０次元の量子ドットの少なくとも周囲に二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３とシリコン系半導体微粒子１１との中間のエネルギーギャップを持つ材料が導入された階段状の分離閉じ込め型の変調量子井戸構造からなり、シリコン系半導体微粒子１１を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３で挟んだ構造に、シリコン系半導体微粒子１１と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料層１６を導入することで階段状の閉じ込め構造を有する。すなわち、この発光素子３は、シリコン系半導体微粒子（例えばシリコンナノクリスタル）１１を含む酸化シリコン層１２をシリコン系半導体微粒子１１と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料層１６（１６ａ、１６ｂ）で挟み、さらにその積層膜を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３（１３ａ、１３ｂ）で挟んで、複数層に積層した構造を有するものである。上記酸化シリコン層１２は、上記二酸化シリコン膜１３と上記シリコン系半導体微粒子１１との中間のエネルギーギャップを持つ材料であり、例えばシリコンリッチな酸化シリコンからなる。さらに、上記中間材料層１６は、上記二酸化シリコン膜１３と上記酸化シリコン層１２との中間のエネルギーギャップを持つ材料であり、例えば酸化シリコン層１２よりシリコンリッチな酸化シリコンからなる。このポテンシャル図を図３（２）に示す。ポテンシャル図から判るように、変形量子井戸構造となっている。

本発明の発光素子に係る第４実施例を、図４のポテンシャル図および概略構成断面図によって説明する。

図４（１）の概略構成断面図に示すように、発光素子４は、前記第３実施例で説明したシリコン系半導体微粒子（例えばシリコンナノクリスタル）１１を含む酸化シリコン層１２をシリコン系半導体微粒子１１と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料層１６で挟み込むように複数層に積層したもので、さらにその積層構造を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３（１３ａ、１３ｂ）で挟んだ構造を有するものである。このポテンシャル図を図４（２）に示す。ポテンシャル図から判るように、多重変形量子井戸構造となっている。

本発明の発光素子に係る第５実施例を、図５のポテンシャル図および概略構成断面図によって説明する。

図５（１）の概略構成断面図に示すように、０次元の量子閉じ込め構造および０次元の量子ドットの少なくとも周囲に二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３とシリコン系半導体微粒子１１との中間のエネルギーギャップを持つ材料が導入された階段状の分離閉じ込め型の変調量子井戸構造からなり、シリコン系半導体微粒子１１を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３で挟んだ構造になっており、シリコン系半導体微粒子１１と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つものでポテンシャルが連続的に変化する中間材料層１７を導入することで連続的にポテンシャルが変化する階段状の閉じ込め構造を有する。すなわち、この発光素子５は、シリコン系半導体微粒子（例えばシリコンナノクリスタル）１１を含む酸化シリコン層１２をシリコン系半導体微粒子１１と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つものでポテンシャルが連続的に変化する中間材料層１７（１７ａ、１７ｂ）で挟み、さらにその積層膜を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３（１３ａ、１３ｂ）で挟んだ構造を有するものである。上記酸化シリコン層１２は、上記二酸化シリコン膜１３と上記シリコン系半導体微粒子１１との中間のエネルギーギャップを持つ材料であり、例えばシリコンリッチな酸化シリコンからなる。さらに、上記中間材料層１７は、上記二酸化シリコン膜１３と上記酸化シリコン層１２との中間のエネルギーギャップを持つ材料であり、例えば酸化シリコン層１２よりシリコンリッチな酸化シリコンからなる。このポテンシャル図を図５（２）に示す。ポテンシャル図から判るように、分布屈折率分離閉じ込め量子井戸構造となっている。

本発明の発光素子に係る第６実施例を、図６のポテンシャル図および概略構成断面図によって説明する。

図６（１）の概略構成断面図に示すように、発光素子６は、前記第５実施例で説明したシリコン系半導体微粒子（例えばシリコンナノクリスタル）１１を含む酸化シリコン層１２をシリコン系半導体微粒子１１と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つものでポテンシャルが連続的に変化する中間材料層１７で挟み込むように複数層に積層したもので、さらにその積層構造を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１３（１３ａ、１３ｂ）で挟んだ構造を有するものである。このポテンシャル図を図６（２）に示す。ポテンシャル図から判るように、多重変形量子井戸構造となっている。

本発明の発光素子に係る第７実施例を、図７のポテンシャル図によって説明する。

図７のポテンシャル図に示すように、発光素子７（図示せず）は、シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）で挟んだ構造を有するもので、かつシリコン系半導体微粒子のポテンシャルに対して二酸化シリコンのポテンシャルが非対称となるものである。

上記実施例１〜７で説明したような構成の発光素子とすることで、従来の光デバイスを超える発光効率などの特性の向上を、シリコン、シリコン化合系の半導体を用いて実現することができる。

上記実施例１〜７によって説明したシリコン系半導体微粒子１１は、例えばシリコンナノクリスタル、シリコン量子細線等を用いることができ、またシリコン系半導体微粒子１１を含む酸化シリコン層１２は、例えばシリコン単層膜を用いることができる。また、中間材料層１６は、ＳｉＯ_x（０＜ｘ＜２）で表されるシリコンリッチな酸化シリコン層で形成することができ、または、シリコン微結晶、シリコン量子細線を含む層で形成することができ、または、シリコン単層膜で形成することができる。中間材料層１７は、ＳｉＯx（０＜ｘ＜２）で表されるシリコンリッチな酸化シリコン層において酸化シリコン層１２に向かうにしたがってシリコンリッチにすることで形成することができ、または、シリコン微結晶を酸化シリコン層１２に向かうにしたがってリッチにすることで形成することができる。また、これらの層は、適宜組み合わせることで、効率よく発光層にキャリアが注入されるようになる。

上記シリコン系半導体微粒子１１は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ）などのシリコン系半導体材料で形成することも可能である。また、シリコン系半導体微粒子１１の代わりに、半導体微粒子として、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレンカドミウム（ＣｄＳｅ）、テルルカドミウム（ＣｄＴｅ）、ヨウ化リン（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、セレン（Ｓｅ）などの半導体材料を用いることも可能である。さらに、上記二酸化シリコン膜１３の代わりに、酸化シリコン（ＳｉＯ_x）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを用いることもできる。

また、上記実施例１〜７においては、ＳｉＯ₂とＳｉやシリコンリッチな酸化シリコンの間にキャリアのガイド層を設けた構造とすることもできる。この構造を取ることにより、発光層へのキャリアの注入をスムーズに行うことができる。

また、上記実施例１〜７においては、単なる障壁や電子の干渉効果で電子の反射機能を設け、キャリアのオーバーフローを妨げる構造を持たせることも可能である。例えば、ＭＱＢ（多重量子障壁）構造を用いることができる。

上記それぞれの層の作製方法は、自己組織化を用いる方法、熱アニール処理によりシリコンリッチな酸化シリコン膜をＳｉとＳｉＯ₂に分離させる方法等を用いることができる。

上記半導体微粒子は、化学気相法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、スパッタ蒸着などにより作製される。また、ＳｉＯ_x（０＜ｘ＜２）で表されるシリコンリッチな酸化シリコン層は、アニールによってシリコンに対する酸素量を変化させることにより、または、シリコンに対する酸素量を変化させた微小膜厚の酸化シリコン膜を順次堆積する方法によって作製される。

また、作製方法としては、ＳｉＯ₂膜／ＳｉＯ_A膜／ＳｉＯ_B膜／ＳｉＯ_A膜／ＳｉＯ₂膜（Ａ＜Ｂ）からなる積層膜をアニールすることにより粒径の大きいナノクリスタルシリコンを粒径の小さいナノクリスタルシリコンで挟み込む構造が形成される。

本発明の発光素子は、各種表示装置、照明装置という用途にも適用できる。

本発明の発光素子に係る第１実施例を示した概略構成断面図およびポテンシャル図である。本発明の発光素子に係る第２実施例を示した概略構成断面図およびポテンシャル図である。本発明の発光素子に係る第３実施例を示した概略構成断面図およびポテンシャル図である。本発明の発光素子に係る第４実施例を示した概略構成断面図およびポテンシャル図である。本発明の発光素子に係る第５実施例を示した概略構成断面図およびポテンシャル図である。本発明の発光素子に係る第６実施例を示した概略構成断面図およびポテンシャル図である。本発明の発光素子に係る第７実施例を示したポテンシャル図である。

符号の説明

１…発光素子、１１…シリコン系半導体微粒子、１２…酸化シリコン層

Claims

基板上に形成された量子効果を利用したシリコン系発光層を有する発光素子において、
前記量子効果を利用したシリコン系発光層は量子閉じ込め構造を有する
ことを特徴とする発光素子。
前記発光層は、電子のドブロイ波長と同等の大きさを有するシリコン系半導体微粒子を含んだシリコン酸化物薄膜を用いてなる
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記発光層の活性層は、０次元の量子閉じ込め構造および０次元の量子ドットの少なくとも周囲に二酸化シリコンと前記シリコン系半導体微粒子との中間のエネルギーギャップを持つ材料が導入された階段状の分離閉じ込め型の変調量子井戸構造からなる
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造が複数層に形成されている
ことを特徴とする請求項４記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造に、前記シリコン系半導体微粒子と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料を導入することで階段状の閉じ込め構造を有する
ことを特徴とする請求項４記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記階段状の閉じ込め構造が複数層に形成されている
ことを特徴とする請求項６記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造に、前記シリコン系半導体微粒子と二酸化シリコンとの中間のエネルギーギャップを持つ中間材料を導入することで連続的に変化する閉じ込め構造を有する
ことを特徴とする請求項６記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記中間材料と前記シリコン系半導体微粒子とが複数層に形成されている
ことを特徴とする請求項６記載の発光素子。
前記二酸化シリコンは、前記二酸化シリコンと前記シリコン系半導体微粒子との中間のエネルギーギャップを持つ材料であるＳｉＯ_x（０＜ｘ＜２）で表される酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコンもしくは粒径の小さいシリコン系半導体微粒子からなる構造
を備えたことを特徴とする請求項４記載の発光素子。
前記量子閉じ込め構造は、前記シリコン系半導体微粒子を二酸化シリコンで挟んだ構造を有するもので、
かつ前記シリコン系半導体微粒子のポテンシャルに対して前記二酸化シリコンのポテンシャルが非対称となる
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記基板は、シリコン基板、ガラス基板もしくは化合物半導体基板からなる
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。