JP2009522713A - 固体発光体用の加工構造 - Google Patents

Abstract

発光デバイスの加工構造は、電界を発生するＡＣまたはＤＣ電極間に配設された交互になった活性材料とバッファ材料の複数層を備える。活性層は、ホスト・マトリックス、たとえば、二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどのバンドギャップが広い半導体または誘電体材料内に、発光中心、たとえば、第ＩＶ族半導体ナノ粒子を含む。バッファ層は、バンドギャップが広い半導体または誘電体材料で構成され、隣接する活性層内の発光中心を、所望の波長で効率的に光を放出させる励起エネルギーで励起するのに十分なエネルギーを、バッファ層を通過する電子が受け取ることを保証する厚さを、印加される電界の方向に有するように設計される。

Description

本発明は、参照により本明細書に組み込まれる、２００５年１２月２８日に出願された米国特許出願第６０／７５４，１８５号および２００６年３月２９日に出願された米国特許出願第６０／７８６，７３０号からの優先権を主張する。

本発明は、固体照明デバイスに関し、特に、固体発光体で使用するための発光中心を含む半導体膜の加工（engineered）構造に関する。

次世代の固体照明は、輝度、効率、色、純度、実装、スケーラビリティ、信頼性、およびコスト低減における進歩を提供しようとしている。現代の電子産業が足場とするシリコン・ベース材料からの発光デバイスの作製は、世界中で集中的な研究開発の主題になってきた。主要な障害は、効率を著しく低いレベルに制限するバルク・シリコンの間接エネルギー・ギャップであった。しかし、種々の技法によって形成される、シリコン・ナノ粒子、たとえば、ナノ結晶に基づく１つの特定の技術は、この困難さを克服することができた。

参照により本明細書に組み込まれる、Hillの名の下で２００６年７月２５日に発行された「Doped Semiconductor Powder and Preparation Thereof」という名称の米国特許第７，０８１，６６４号、Hillに対する２００６年１０月１７日に発行された「Solid State White Light Emitter and Display Using Same」という名称の第７，１２２，８４２号、Hillの名の下で２００４年８月５日に公開された「Broadband Optical Pump Source for Optical Amplifiers, Planar Optical Amplifiers, Planar Optical Circuits and Planar Optical Lasers Fabricated Using Group IV Semiconductor Nanocrystals」という名称の米国公開特許出願第２００４／１５１，４６１号、Hill他の名の下で２００４年１０月２８日に公開された「Doped Semicunductor Nanocrystal Layers and Preparation Thereof」という名称の米国公開特許出願第２００４／２１４，３６２号、およびHillの名の下で２００４年１２月１６日に公開された「Light Emitting Diodes and Planar Optical Lasers Using IV Semiconductor Nanocrystals」という名称の米国公開特許出願第２００４／２５２，７３８号に開示されるデバイスなどの従来技術の発光デバイスは、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２またはガラス）マトリックス内に埋め込まれたシリコン・ナノ粒子からなるシリコンリッチ・シリコン酸化物(silicon-rich silicon oxide)（ＳＲＳＯ）を使用することが、バルク・シリコンに関連する問題の多くを減らし、また、エルビウムまたは他の希土類材料をドープされると、励起されたナノ結晶から希土類イオンへのエネルギー移動プロセスの効率が高いため、効率的な室温希土類ルミネンスを示す可能性があることを実証した。したがって、ＳＲＳＯは、薄膜エレクトロルミネセント材料に対する代替物を提供する。シリコン・ナノ粒子は、入射光子または電子を吸収し、次に、エネルギーを希土類イオンに移動させ、その後、赤外または可視波長範囲内の蛍光を発する（希土類の直接蛍光と比較していくつかの利点がある）古典的な増感剤原子の役目を果たす。第１に、シリコン・ナノ粒子の吸収断面は、希土類イオンの吸収断面に比べて３桁以上大きい。第２に、励起が、オージェ・タイプ(Auger-type)相互作用またはシリコン・ナノ粒子のキャリアと希土類イオンのキャリアとの間のフォルスタ移動プロセス(Forster transfer process)によって起こるため、入射光子は、希土類の狭い吸収帯のうちの１つと共鳴する必要はない。残念ながら、こうしたシリコン・ナノ粒子材料を開発する既存の手法は、非常に低濃度の希土類元素を生成するときにうまくいくだけであり、多くの実用的な用途には十分でない。

観測結果によれば、こうした技法によって形成されたシリコン・ナノ粒子は、一般に、サイズ分布が広いにもかかわらず、フォトルミネセント（ＰＬ）波長またはエネルギーの比較的狭い分布を有する、すなわち、観測されるエネルギーは、ナノ結晶の量子閉じ込めから期待できるほどは高くない。低減されたナノ粒子励起エネルギーは、これらの構造が電気的に駆動されるとき、伝導電子からのエネルギー移動の効率に影響を及ぼし、それにより、こうした膜からの光発生効率を制限する。

一般に、希土類元素をドープされたＩＶ族タイプ半導体ナノ粒子の製造は、シリコン・ナノ粒子を成長させ、イオン注入損傷(ion implantation damage)を低減するために、シリコン酸化物層へのシリコン・イオンのイオン注入と、それに続く、高温アニールによって行われる。シリコン・イオンの注入に続いて、アニールされたシリコン・ナノ粒子酸化物層への希土類イオンのイオン注入が行われる。結果得られる層は、やはりアニールされて、イオン・インプラント損傷を低減し、希土類イオンを光学的に活性にする。

この方法に関して、いくつかの問題が存在する。
ｉ）この方法は、イオン注入により、層表面均一性の減少をもたらす。
ｉｉ）この方法は、高価なイオン注入ステップを必要とする。
ｉｉｉ）この方法は、多くの注入ステップを実施しなければ、ＩＶ族半導体ナノ粒子と希土類イオンの均一な分布を達成することができない。
ｉｖ）この方法は、イオン・インプラント損傷を熱アニールによって低減することと、光学的に活性な希土類を最大にしようと試みることとの間での均衡を必要とする。
ｖ）注入されたイオンが、実用的なインプラント・エネルギーについて、膜内に深く貫入しないため、膜の厚さが制限される。

上記欠点を減ずるために、ＩＶ族半導体ナノ粒子層を作るのに、プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）が利用された。調製された層は、希土類イオン注入ステップおよび後続のアニール・サイクルを受けて、ＩＶ族半導体ナノ粒子を形成し、ナノ粒子領域内でドープされた希土類イオンを光学的に活性にする。残念ながら、この方法で調製された層には、注入ステップが依然として行われ、悪い表面均一性、希土類元素の不均一分布、および制限された膜厚をもたらす。

ドープされたＩＶ族半導体ナノ粒子層を得るのに使用されてきた別の堆積法は、通常、酸素プラズマ中で、ＩＶ族半導体および希土類金属を同時スパッタリングすることからなる。この方法では、ＩＶ族半導体および希土類金属は、ターゲット基板上に設置され、ターゲット基板は、その後、真空チャンバ内に設置され、アルゴン・イオン・ビームに露光された。アルゴン・イオン・ビームは、共に受け取り側のシリコン・ウェハ上に堆積された、ＩＶ族半導体および希土類金属をスパッタオフした。シリコン・ウェハ上の新たに形成された膜をアニールして、ナノ粒子が成長し、希土類イオンが光学的に活性になった。この方法によって作られたドープされたＩＶ族半導体ナノ粒子層は、ｉ）層が、ナノ粒子と希土類イオンのそれほど均一な分布を持たず、ｉｉ）層が、膜内での希土類クラスタリングにより、アップコンバージョン効率の喪失を受け、ｉｉｉ）膜内の希土類膜の濃度が、多くて０．１％に制限されるという欠点を有する。

フォトルミネセンス用の光刺激などの外部刺激に対する膜の応答レベルが濃度に比例するため、半導体ナノ粒子層内の１つまたは複数の希土類元素の濃度は、好ましくは、できる限り高い。半導体層内に高い濃度の希土類元素が存在するときに遭遇する１つの問題は、２つの希土類金属が互いに非常に接近すると、クエンチング緩和相互作用(quenching relaxation interaction)が起こり、観測される光応答レベルが減少する。そのため、半導体膜内の希土類元素の濃度は、最も多くの蛍光を提供するためにできる限り高いが、クエンチング相互作用を制限するのに十分低くなるように均衡化される。

こうした技法によって形成されたシリコン・ナノ粒子は、一般に、サイズ分布が比較的広く、同様に空間分布が広い、すなわち、こうした構造が電気的に駆動されるとき、伝導電子からのエネルギー移動の効率に影響を及ぼすナノ粒子間の分離距離が長い。電気伝導の方向におけるナノ粒子間の平均距離は、電子が、ナノ粒子間で電界から十分なエネルギーを受け取って、発光物体を励起し、正しい色の光子を生成するように十分に大きくなければならない。しかし、空間分布が等方性であるため、これらの膜内のナノ粒子の全体の密度は、かなり低く（約５×１０^１８ｃｍ^−２）なければならない。残念ながら、ナノ粒子密度がこうして低い場合で、かつ、ある分布のナノ粒子サイズおよび分離である場合、ナノ粒子を埋め込まれたこうした膜からの光発生能力に厳しい制限が課せられる。

希土類イオンが膜内に導入されると、励起されたナノ粒子から希土類イオンへの効率的なエネルギー移動を容易にするために、希土類イオンをナノ粒子の近くに配置することが望ましい。しかし、イオン注入またはイン・シトゥー（in situ）堆積技法は、ランダムに分布した希土類イオンを組み込む。特に、白色光の発生は、それぞれの異なる種が異なる色を提供するので、複数の希土類種を膜内に組み込むことを必要とする。励起されたナノ粒子のエネルギーが、希土類イオンの発光波長に整合するように、正しい希土類イオンが適切なサイズのナノ粒子の近くに配置されることを保証することは不可能である。換言すれば、最も近くにある希土類イオンは、短過ぎる波長で放射する、すなわち、最も近くにある希土類イオンがナノ粒子によって励起されることができない、または、長過ぎる波長で放射する、すなわち、エネルギーが、励起プロセスで浪費される可能性が高い。希土類イオンの放射発光波長に対する励起されたナノ粒子エネルギーのこうした不整合を（少なくとも部分的に）回避するために、十分に高い濃度の希土類が使用されても、希土類イオンが密接した間隔であるときに、希土類イオン間の相互作用によって、やはり喪失が生じる。

サイズおよび分離距離がかなり変動した状態でナノ粒子が形成される膜では、希土類イオンなどの過剰のシリコン原子およびドーパントは、膜全体にわたっては均一に組み込まれるが、局所的な観点からは不均一に組み込まれる。したがって、過剰のシリコン原子の一部が、核形成部位から離れて配置され、ナノ粒子内に沈降しないが、代わりに、二酸化シリコン・ホスト・マトリックス内に分布したままになる可能性が存在する。さらに、一部の希土類イオンはまた、ナノ粒子の十分近くに配置しない場合がある。最後に、その励起エネルギーを上げるために、かなりの炭素含有物が、ナノ粒子内に組み込まれなければならない場合、炭素原子は、ナノ粒子の近くに配置される必要がある。炭素の組み込みが無い状態で、２ｎｍ径を有するシリコン・ナノ粒子は、量子閉じ込め効果によって２．３ｅＶ程度の励起エネルギーを有するべきであることが一般に観測されてきたが、１．４〜１．８ｅＶの範囲で放射するだけであることが観測されている。過剰のシリコン原子、希土類イオン、および炭素原子などの不純物が、酸化物マトリックス内に残っている場合、不純物は、酸化物の物理特性、特に、絶縁破壊電界、したがって、デバイスの信頼性および寿命に強く影響を及ぼす可能性がある。
米国特許第７，０８１，６６４号 米国特許第７，１２２，８４２号 米国公開特許出願第２００４／１５１，４６１号 米国公開特許出願第２００４／２１４，３６２号 米国公開特許出願第２００４／２５２，７３８号

本発明の目的は、バンドギャップが広い半導体または誘電体バッファ層が、特定の波長の光を放出するように設計された非常に薄い活性ルミネセント層に隣接して配設される多層加工構造を提供することによって従来技術の欠点を克服することである。バッファ層は、電気伝導の方向に正確な距離を提供するため、衝撃イオン化または衝撃励起によって、正しい色の光子を生成するように、活性層内の発光中心を励起するのに十分なエネルギーを、バッファ層を通過するときに電子が電界から受け取る。

したがって、本発明は、発光構造に関し、発光構造は、
第１波長の光を放出する発光中心の集合体を含む第１活性層と、
第１活性層に隣接する広バンドギャップまたは誘電体材料を含む第１バッファ層と、
第１活性層と第１誘電体層に電界を印加する一組の電極とを備え、
第１バッファ層がある厚さを有し、それにより電子が、第１バッファ層を通過するときに、第１波長の光を放出するのに十分な励起エネルギーでの衝撃イオン化または衝撃励起によって第１活性層内の発光中心を励起させるのに十分なエネルギーを電界から獲得する。

本発明は、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照してより詳細に述べられるであろう。

図１を参照すると、本発明の実施形態は、Ｎ型またはＰ型シリコン・ウェハなどの導電性基板１１を組み込むエレクトロルミネセント固体デバイス１を提供する。広バンドギャップ半導体誘電体マトリックスまたは他の半導体材料内に発光中心、たとえば、半導体ナノ粒子を有する１つまたは複数の比較的薄い活性層を含む発光膜構造２０は、導電性基板１１の上部に堆積される。膜構造２０は、プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、分子ビーム・エピタキシ、パルス・レーザ堆積、スパッタリング、およびゾルゲル・プロセスなどの多くの適した方法のうちの１つの方法によって堆積されることができる。上部の光学的に透明な電流注入（電極）層２１、たとえば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）は、膜構造２０上に搭載され、背面電気接触部２５と共に、膜構造２０にＡＣまたはＤＣ電力が印加されることを可能にする。好ましくは、透明電流注入層２１は、１５０〜５００ｎｍの厚さを有する。好ましくは、透明電流注入層２１の化学組成と厚さは、発光構造２０が７０Ω・ｃｍ未満の抵抗率を有するようなものである。バッファ電気接触部２２、たとえば、ＴｉＮは、透明電流注入層２１と上部電気接触部２３、たとえば、アルミニウムなどの金属との間に配置される。バッファ電気接触部２２は、上部電気接触部２３が、ワイヤ・ボンディング接触部用の適した表面を提供しながら、前面透明電流注入層２１と上部電気接触部２３との間にオーム性接触点を提供する。あるいは、透明電流注入層２１およびバッファ電気接触部２２用の他の適した材料が使用されるであろう。背面反射器２４は、膜構造２０と基板１１との間に設けられて、基板１１の方に内側に放出される光を、発光表面、すなわち、透明電流注入層２１の方に戻るように反射することができる。

膜構造２０がその上に形成される基板１１は、およそ１０００℃以上の高温に耐えることが可能であるように選択される。適した基板の例は、いずれも、たとえば、１×１０^２０〜５×１０^２１ドーパント／ｃｍ^３でｎドープされるか、または、ｐドープされることができるシリコン・ウェハまたはポリ・シリコン層、溶融シリカ、亜鉛酸化物層、石英、サファイア・シリコン・カーバイド、または金属基板を含む。基板１１は、任意選択で、熱成長した酸化物層を有することができ、その酸化物層は、厚さが約２０００ｎｍまでであることができ、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さが好ましい。基板１１は、任意選択で、堆積された導電性層を有することができ、堆積された導電性層は、５０〜２０００ｎｍの厚さを有することができるが、好ましくは、１００〜５００ｎｍである。熱的安定性と機械的安定性が保持される限り、基板の厚さは重要でない。

膜構造２０は、単一活性層または複数の活性層からなることができ、それぞれの層は、独立に選択された組成と厚さ、たとえば、以降で述べるように、希土類ドーピング元素が有る場合または無い場合で、かつ、炭素ドーピングが有る場合または無い場合の、ＩＶ族（たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂ）酸化物または窒化物マトリックスなどの広バンドギャップ半導体または誘電体マトリックス内のＩＶ族半導体（たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂ）などの半導体ナノ粒子を有する。あるいは、活性層は、衝撃イオン化または衝撃励起によって活性にされる発光中心を有する希土類酸化物または他の半導体材料で構成されることができる。異なる組成を有する活性層を使用することによって、多色構造が調製されることができる。たとえば、エルビウム、ツリウム、およびユウロピウムをドープした半導体ナノ粒子層を単一構造内で組み合わせることは、緑色（テルビウム）、青色（セリウム）、および赤色（ユウロピウム）またはその色の組み合わせ、たとえば、白色の蛍光を発することができる構造を提供する。層は、個別に制御可能な回路要素として、積層されるか、または、並べて構築されることができる。

本発明の実施形態によって提供される１つのタイプの好ましい多層構造２０は、図２の例によって示す超格子構造であり、その構造は、基板１１上で、広バンドギャップ半導体または誘電体バッファ層１３を有する、複数の活性層１２および１４、たとえば、半導体ナノ粒子を備える。活性層１２および１４はそれぞれ、１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有し、基板１１上に堆積される。活性層１２および１４はそれぞれ、同じかまたは異なる波長の光を発生するために、同じかまたは異なる材料、たとえば、希土類ドーピング元素を含むことができる、たとえば、活性層１２は全て、１つの波長を放出し、活性層１４は全て、第２波長を放出する。活性層１２と１４の２つの組によって発生する光の２つの波長は、一緒に組み合わされ、または、付加的な層（図示せず）と組み合わされて、所望の色、たとえば、白色が生成される。活性層１２および１４は、二酸化シリコン層などのバッファ層１３によって分離される。透明電流注入層２１は、超格子構造の多層構造２０の上部に堆積される。超格子構造について、最大厚さは存在しないが、利用可能な電圧の大きさに応じて、５０ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さが好ましく、１５０ｎｍ〜７５０ｎｍの厚さがより好ましい。

図２に示す構造および以下に続く図は、介在する層が無い状態で互いに接触する隣接層を示すが、付加的な層は、列挙した層に干渉しない程度まで利用されることができる。したがって、コーティング(coating)および接触する(in contact)という用語は、付加的に介在するものの、干渉はしない層の可能性を排除しない。

半導体窒化物マトリックス内に小さな半導体ナノ粒子を、たとえば、ＩＶ族半導体（たとえばシリコン）窒化物マトリックス内にＩＶ族半導体（たとえばシリコン）ナノ粒子を埋め込むことによって、半導体ナノ粒子の放射寿命は、チッソ原子によるナノ粒子の表面パッシベーション作用および励起子の電子および正孔波動関数の強い結合作用によって、ナノ秒および／またはサブ・ナノ秒領域に近づく可能性がある。しかし、半導体ナノ粒子がその中に形成される均一に堆積されたＳｉＮ_ｘ膜は、一般に、サイズの範囲が比較的広く、空間分布、特に、ナノ粒子間の分離距離がランダムである。さらに、半導体窒化物膜内に形成される半導体ナノ粒子は、高温にさらされると、連結した小さいクラスタを形成する場合があり、発光効率に影響を及ぼすことになり、それにより、膜堆積後のデバイス処理の柔軟性を厳しく制限する。ナノ粒子サイズと分離距離の変動の組み合わせは、こうした膜内に形成される半導体ナノ粒子構造のエレクトロルミネセンス効率に著しい影響をもたらす可能性がある。

半導体ナノ粒子が半導体窒化物マトリックス内に埋め込まれる膜では、膜内の電流伝導が、半導体窒化物ホストの高トラップ密度によって著しく影響を受け、したがって、半導体ナノ粒子内に励起子を生成するためのエネルギーを電界から獲得する注入された電荷キャリアの効率に有害な影響を与える場合がある。しかし、本発明による加工構造は、半導体窒化物の活性層間にバッファ層を設けることによって、上述の問題を全てなくし、それにより、ナノ粒子間に適切な距離を保証する。さらに、薄い活性層、すなわち、ナノ粒子、サイズを提供することにより、ナノ粒子のサイズをより厳密に制御することができる。

図３を特に参照すると、本発明の別の実施形態による加工膜構造３１は、編成された層の複数の異なるスタック３２、３３、および３４によって形成され、この構造では、活性層３５、３６、および３７は、それぞれ純粋の広バンドギャップ半導体または誘電体材料からなるバッファ層３８、３９、および４０によって分離される。

ＡＣ電圧によって駆動される加工膜構造３１の場合、一対の電極５２および５３が、層３５〜４０のスタックの両側に配置される。電圧が振動すると、電流が両方向に流れることになるため、バッファ層３８および４０は、それぞれ、電極４４および４５の近くに配設される。理想的には、電極の一方、たとえば電極５２は透明な、たとえばＩＴＯであり、電極の一方、たとえば電極５３と層３５〜４０の残りのスタックとの間に反射層または皮膜５０が追加されて、光を反射し、透明電極５２を通して戻るようにする。

ナノ粒子、たとえば、ナノ結晶のサイズは、ナノ粒子がそこに存在する（＋１０％）活性層３５、３６、および３７（または、先の１２および１４）の厚さにほぼ等しい。それぞれの活性層３５、３６、および３７内のナノ粒子のサイズ、すなわち、活性層３５、３６、および３７の厚さは、所望の色の発光を生じるための特定の励起エネルギーについて設計される。希土類をドープされた二酸化シリコン・マトリックス・ホスト内のシリコン・ナノ粒子の場合の、ナノ粒子径ｄ（ナノメートル単位）と励起エネルギーＥ（電子ボルト単位）との間の理論的関係は、

Ｅ＝１．１４３＋５．８４５／（ｄ^２＋１．２７４ｄ＋０．９０５）−６．２３４／（ｄ^２＋３．３９１ｄ＋１．４１２）
で与えられる。

たとえば、赤色光子（ｄ＝２．９ｎｍ）の場合、約１．９ｅＶであり、緑色光子（ｄ＝２．１ｎｍ）の場合、約２．３ｅＶであり、青色光子（ｄ＝１．６ｎｍ）の場合、約２．８ｅＶである。ナノ粒子層内にまたはナノ粒子層の近くに設置される希土類イオン種は、層内のナノ粒子（または、その逆）の励起エネルギーに整合する波長で放射するように選択される。

希土類ドーピングが無い状態のＩＶ族（たとえば、シリコン）窒化物マトリックス・ホスト内のＩＶ族（たとえば、シリコン）ナノ粒子の場合、または、希土類ドーピングが無い状態の二酸化シリコン・マトリックス・ホスト内のＩＶ族（たとえば、シリコン）ナノ粒子の場合、ナノ粒子から所望の色の発光を生じるための特定の励起エネルギーを生成する励起エネルギー式は、

Ｅ＝Ｅ_０＋Ｃ／ｄ^２
であることが示された。

ここで、Ｅ_０＝１．１６ｅＶであり、Ｃ＝１１．８ｅＶ-ｎｍ^２である。

したがって、赤色発光層の厚さ、すなわち、シリコン窒化物マトリックス内にシリコン・ナノ粒子を有する活性層内のナノ粒子の径は、４ｎｍであり、緑色発光層の場合、３．２５ｎｍであり、青色発光層の場合、２．６ｎｍである。

ナノ粒子が無い状態の活性層の厚さは、通常、エネルギー要件と光の輝度とのトレードオフに基づいて実験的に決定される。一方、活性層が無限に薄い場合、エネルギーは、全体の層について正確にわかっていることになり、したがって、エネルギー整合が最適化されることができる。しかし、活性層が無限に薄い場合、発光中心が存在せず、光が存在しないことになる。活性層が厚くなればなるほど、平方ｍｍ当たりに、より多くの発光中心が存在することになるため、層が明るくなる。しかし、エネルギーは、厚さ全体にわたって最適でないため、効率の喪失が存在するであろう。

バッファ層３８、３９、および４０（または、先の１３）の厚さは、隣り合うナノ粒子活性層３５、３６、および３７（または、先の１２および１４）内のナノ粒子のサイズによく一致する。層３５〜４０の平面に垂直に印加される電界の場合、ナノ粒子を正しいエネルギーに励起するのに十分なエネルギーを、印加された電界から電子が獲得しなければならず、バッファ層３８、３９、および４０内で獲得されるエネルギー（ｅＶで測定される）は、バッファ層３８、３９、または４０の厚さで乗算された電界に等しい。たとえば、５ＭＶ／ｃｍの印加電界の場合、バッファ層の厚さは、ナノ粒子を１．９ｅＶに励起するために３．８ｎｍ（１．９ｅＶ／０．５ｅＶ／ｎｍ＝３．８ｎｍ）以上でなければならず、ナノ粒子を２．３ｅＶに励起するために４．６ｎｍ以上でなければならず、または、ナノ粒子を２．８ｅＶに励起するために５．６ｎｍ以上でなければならない。隣り合うナノ粒子層、たとえば、３５および３６が、異なる波長で放出する、ＡＣ電力によって駆動される加工膜構造３１の場合、介在するバッファ層、たとえば３８は、ナノ粒子をより高いエネルギー層に励起するのに十分に厚くなければならない。

加工膜構造３１は、シリコン酸化物マトリックス内で、希土類イオンおよび炭素などの他の不純物をドープされたシリコン・ナノ粒子に基づく固体発光デバイスの、光束（光出力電力）、効率（内部電力変換効率および外部発光効率）、カラー・レンダリング指数（ＣＲＩ）、デバイス信頼性および寿命、ならびに、デバイス製造性／コスト／収率の大幅な改善を提供する。

希土類イオンは、活性層３５、３６、および３７内に、バッファ層３８、３９、および４０内に、または、両方に組み込まれてもよい。好ましい構造は、ナノ粒子から希土類イオンへのエネルギー移動効率が最大になり、励起された希土類イオンの放射発光効率が最大になるような濃度で希土類を活性層３５、３６、および３７内にだけ組み込まれる。関係する物理的プロセスの複雑さのために、最適化は、一般に、実験的プロセスである。ナノ粒子活性層内にまたはナノ粒子活性層の近くに設置される希土類イオン種は、活性層内のナノ粒子（または、その逆）の励起エネルギーに整合する波長で放射するように選択される。好ましくは、希土類元素は、セリウム、プラセオジウム、ネオジニウム、プロメチウム、ガドリニウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、サマリウム、ジスプロシウム、テルビウム、ユウロピウム、ホルミウム、またはルテチウムなどのランタニド元素である。しかし、希土類元素は、トリウムなどのアクチニド元素であるように選択されることもできる。

他の不純物は、必要である場合、ナノ粒子活性層３５、３６、または３７内にだけ組み込まれるが、構造３１内のどこにでも設置されることができる。たとえば、ナノ粒子の測定された励起エネルギーは理論的に予想されるほどには高くないことを観測結果が判定したため、広バンドギャップ半導体または誘電体マトリックス、たとえば、シリコン酸化物マトリックス内の希土類イオンに移動するナノ粒子の励起エネルギーを上げるために、炭素原子が必要とされる場合がある。

バッファ層３８、３９、および４０は、最も高い品質であるべきである、すなわち、特定の処理技術の能力内でこうした材料に関して達成可能な、ほとんど欠陥の無い状態で密であるべきであり、それにより、印加された高電界下で、デバイスの寿命および信頼性が最大になるであろう。

活性層３５、３６、および３７用の、炭素および希土類ドーピングが有る状態または無い状態のシリコンリッチ・シリコン酸化物、ならびに、バッファ層３８、３９、および４０用の、二酸化シリコンは、加工膜構造における好ましい材料である。活性層３５、３６、および３７用の、希土類ドーピングが有る状態または無い状態のシリコンリッチ・シリコン窒化物、ならびに、バッファ層３８、３９、および４０用の、シリコン窒化物などの他の材料システムもまた、この加工構造で使用されることができる。発光中心を同様に含む希土類酸化物もまた、活性層３５、３６、および３７で使用されることができる。

任意の層内のナノ粒子の密度は、堆積中に、前記層内の過剰のシリコン含有量を変えることによって、また、アニール条件（たとえば、アニール温度および時間）を変えることによって変更することができる。ナノ粒子層３５、３６、および３７内のナノ粒子密度は、ナノ粒子間の相互作用またはナノ粒子の凝集をもたらすことになる密度より低いままにされながら、放出光の強度を増加させるために、好ましくは、できる限り高い。

構造３１内の反復層３５〜４０の総数は、膜全体に印加される電圧によって、また、効率的でかつ確実な動作に必要とされる電界によって決定される。簡単な近似では、ナノ粒子層３５、３６、および３７にわたって、ほんのわずかの電圧が降下するため、必要とされる層の数は、印加電圧を電界で割り、かつ、バッファ層３８、３９、および４０の厚さで割った値に等しいであろう。たとえば、印加電圧が１１０Ｖであるとき、１つの誘電体層３９内の所望の電界は５ＭＶ／ｃｍ（すなわち、０．５Ｖ／ｎｍ）であり、所望の励起エネルギーは２．３ｅＶであり、それにより、ナノ粒子活性層３６は２．１ｎｍ厚であり、誘電体層は４．６ｎｍ厚であり、反復層対３６／３９の総数は、

（１１０Ｖ）／（０．５Ｖ／ｎｍ）／（４．６ｎｍ）＝４８層または対
である。

活性層と誘電体層の同じ対を反復することによる、たとえば、同じ活性層１２と１４を有する多層構造２０による加工膜構造によって、単一色が放出されることができる。膜全体が、それぞれの構成色についていくつかの層対を備えるため、混合色、たとえば、白色が、加工構造３１によって放出されることができる。たとえば、活性層／誘電体層のＮ個の対は、全体で、青色用のｋ個の対３５／３８、緑色用のｍ個の対３６／３９、および、琥珀色／赤色／橙色用のｎ個の対３７／４０を備えてもよい。ここで、ｋ＋ｍ＋ｎ＝Ｎである。色対、たとえば、３５／３８、３６／３９、および３７／４０のそれぞれの数は、所望のカラー・レンダリング指数（ＣＲＩ）が達成されることができるように変わってもよい。たとえば、暖かい白色は、青色３５／３８に比べて赤色の多くの対を必要とし、一方、冷たい白色は、逆のことを必要とする。

白色または他の多色発光の場合、また、背面反射器５０が構造内に含まれるデバイス３１の場合、エネルギーの最も低い（波長の最も長い、たとえば、赤色の）発光層を反射器５０の最も近くに、エネルギーの最も高い（波長の最も短い、たとえば、青色の）層を発光表面の最も近くに設置することが好ましい。中間波長、たとえば、緑色を放出する層は、最も長い波長と最も短い波長を放出する層の中間に設置される。

図４は、ＤＣ電力、すなわち、アノード６２とカソード６３によって駆動される加工膜構造６１を示す。活性層３５、３６、および３７ならびにバッファ層３８、３９、および４０のほとんどは、加工膜構造３１のものと同じである。しかし、電子が一方向に進むだけであるため、異なるタイプの活性層間の介在するバッファ層は、アノード６２に近いナノ粒子活性層内のナノ粒子を励起するために、正確な厚さでなければならない。したがって、加工膜構造６１は、好ましくは、カソード６３において第１バッファ層３８のうちの１つの層によって、また、アノード６２においてナノ粒子層３７によって終端される。さらに、電極は一方向にだけ、すなわち、カソードからアノードへ進むため、第２バッファ層３９のうちの１つの層は、第１スタック３２と第２スタック３３との間にあり、第３バッファ層４０のうちの１つの層は、第２スタック３３と第３スタック３４との間にある。

プロセス詳細
多層膜構造２０、３１、または６１を堆積させるために使用される任意のプロセス技術は、約１ｎｍのスケールで膜組成を変えることが可能でなければならない。好ましい堆積技術は、プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）であり、好ましくは、電子サイクロトロン共鳴によって増強される（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ）、または、誘導結合プラズマによって増強される（ＩＣＰ−ＰＥＣＶＤ）。あるいは、金属有機化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）。要求される能力内の他の堆積技術は、分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）、化学ビーム・エピタキシ（ＣＢＥ）、原子層エピタキシ（ＡＬＥ）、およびパルス・レーザ堆積（ＰＬＤ）（パルス・レーザ・エピタキシ（ＰＬＥ）とも呼ばれる）である。上述した技法に関する変形である多くの他の薄膜成長プロセスが存在する。これらの技法はいずれも、先の章で述べた構造化膜の堆積に適していてもよい。

本発明者等のオリジナルな均質構造において、ナノ粒子サイズは、過剰のシリコン濃度、アニール温度および時間によって影響を受ける、すなわち、これらのうちの任意のものを増加させることは、ナノ粒子サイズを増加させ、また、おそらく、膜の他の成分、たとえば、炭素によって影響を受ける。シリコンリッチ・活性層を有する加工構造の場合、平面に垂直な方向のサイズは、シリコンリッチ層の厚さによって制限され、過剰のシリコン含有量が非常に低くない限り、ほぼシリコンリッチ層の厚さに等しくあるべきである。アニールもまた作用を有するが、その作用は、ナノ粒子サイズが堆積された層厚にほぼ等しくなると、なくなるであろう。すなわち、ナノ粒子サイズは、平面に平行に、かつ、非常にゆっくりと成長することができるだけである。不純物含有量もまた、依然として作用を有してもよい。

本明細書で引用された全ての出版物、特許、および特許出願は、それぞれの個々の出版物、特許、または特許出願が、参照によって組み込まれることを、明確にかつ個々に指示されたかのように、参照によって本明細書に組み込まれる。いずれの出版物の引用も、出願日に先だってそれを開示するためであり、従来の発明によるこうした出版物に本発明が先立つ資格が与えられていないことを認めることであると考えられるべきでない。

本発明の実施形態によるエレクトロルミネセント固体デバイスの断面図である。 図１のデバイスによる、超格子半導体構造の断面図である。 図１のデバイスによる、代替の超格子半導体構造の断面図である。 図１のデバイスによる、代替の超格子半導体構造の断面図である。

Claims (23)

1. 発光構造であって、
   第１波長の光を放出する発光中心の集合体を含む第１活性層と、
   前記第１活性層に隣接する第１誘電体層と、
   前記第１活性層と前記第１誘電体層に電界を印加する一組の電極とを備え、
   前記第１誘電体層がある厚さを有し、それにより電子が、前記第１誘電体層を通過するときに、前記第１波長の光を放出する励起エネルギーでの衝撃イオン化または衝撃励起によって前記第１活性層内の前記発光中心を励起させるのに十分なエネルギーを前記電界から獲得する発光構造。
2. 複数の付加的な第１活性層と、
   複数の付加的な第１誘電体層とをさらに備え、第１活性層が前記一組の電極の間で第１誘電体層と交互になった状態の第１スタックを形成する請求項１に記載の発光構造。
3. 前記一組の電極は交流電源によって駆動され、前記第１誘電体層のうちの１つは、前記第１スタックの両端に配設されて、前記電界が方向を変えると、前記第１活性層の全ての中の発光中心が励起されることが保証される請求項２に記載の発光構造。
4. それぞれが、前記第１波長と異なる第２波長の光を放出する、発光中心の集合体を含む、複数の第２活性層と、
   複数の第２誘電体層とをさらに備え、前記複数の第２誘電体層のそれぞれの１つが前記複数の第２活性層のうちの１つに隣接した状態の第２スタックを形成し、
   前記第２誘電体層がそれぞれある厚さを有し、それにより電子が、前記第２誘電体層を通過するときに、前記第２波長の光を放出する励起エネルギーでの衝撃イオン化または衝撃励起によって前記第２活性層内の前記発光中心を励起させるのに十分なエネルギーを前記電界から獲得する請求項２に記載の発光構造。
5. 前記一組の電極は交流電源によって駆動され、前記第１誘電体層のうちの１つは、前記第１スタックの外側端に配設され、前記第２誘電体層のうちの１つは、前記第２スタックの外側端に配設され、前記第１誘電体層または前記第２誘電体層の一方は、いずれか大きい方が、前記第１スタックと前記第２スタックとの間に配置されて、前記電界が方向を変えると、前記第１活性層と前記第２活性層の全てにおける発光中心が励起されることが保証される請求項４に記載の発光構造。
6. 前記第１活性層と異なる第２波長の光を放出する、発光中心の集合体を含む第２活性層と、
   前記第２活性層に隣接する第２誘電体層とをさらに備え、
   前記第２誘電体層がある厚さを有し、それにより電子が、前記第２誘電体層を通過するときに、前記第２波長の光を放出する励起エネルギーまたは衝撃励起での衝撃イオン化によって前記第２活性層内の前記発光中心を励起させるのに十分なエネルギーを前記電界から獲得する請求項１に記載の発光構造。
7. 前記第１波長および前記第２波長は、さらなる波長が有る状態または無い状態で組み合わされて、白色光を形成する請求項４、５、または６に記載の発光構造。
8. 前記第１活性層は、半導体ホスト・マトリックス内に分散した半導体ナノ粒子を備え、それぞれのナノ粒子は、前記第１活性層の厚さに実質的に等しい直径を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の発光構造。
9. 前記半導体ナノ粒子の直径は、前記第１波長に対応する前記半導体ナノ粒子の励起エネルギーに対応する請求項８に記載の発光構造。
10. 半導体ホスト・マトリックス内に分散し、それぞれが前記第２活性層の厚さに実質的に等しい直径を有する半導体ナノ粒子を備える第２活性層と、
    前記第２活性層に隣接する第２誘電体層とをさらに備え、前記第２誘電体層はある厚さを有し、それにより電子が、前記第２活性層内の前記半導体ナノ粒子を、前記第１波長と異なる第２波長の光を放出する励起エネルギーで励起するのに十分なエネルギーを前記電界から獲得し、
    前記第２活性層内の前記半導体ナノ粒子の直径は、前記第２波長に対応する前記第２活性層内の前記半導体ナノ粒子の前記励起エネルギーに対応する請求項９に記載の発光構造。
11. 発光構造がさらに
    複数の付加的な第１活性層と、
    複数の付加的な第１誘電体層とを備え、第１活性層が前記一組の電極の間で第１誘電体層と交互になった状態の第１スタックを形成し、発光構造がさらに
    複数の付加的な第２活性層と、
    複数の付加的な第２誘電体層とを備え、第２活性層が前記一組の電極の間で第２誘電体層と交互になった状態の第２スタックを形成する請求項１０に記載の発光構造。
12. 複数の第３活性層であって、それぞれが第３の厚さによって画定されたホスト・マトリックス内に半導体ナノ粒子を有し、前記第３活性層内の前記半導体ナノ粒子はそれぞれ、前記第３の厚さに実質的に等しい直径を有し、前記第３活性層内の前記半導体ナノ粒子の直径は、前記第１および第２の所望の波長と異なる第３波長に対応する前記半導体ナノ粒子の前記励起エネルギーに対応する、第３の活性層と、
    前記複数の第３活性層それぞれを分離する複数の第３誘電体バッファ層であって、それぞれがある厚さを有し、それにより電子が、層内部を通過するときに、前記第３波長の光を放出する励起エネルギーで前記第３活性層内の前記半導体ナノ粒子を励起させるのに十分なエネルギーを前記電界から獲得する、第３の誘電体バッファ層とをさらに備える請求項１１に記載の発光構造。
13. 前記第１活性層は、前記第１活性層内の前記ナノ粒子の前記励起エネルギーに整合する波長で放射するように選択された第１の希土類材料をドープされ、それにより、エネルギーが前記第１希土類材料に移動し、前記第１希土類材料が、前記第１波長の光を放出する請求項８に記載の発光構造。
14. 半導体ホスト・マトリックス内に分散した半導体ナノ粒子を備える第２活性層をさらに備え、それぞれのナノ粒子は、前記第２活性層の厚さに実質的に等しい直径を有し、
    前記第２活性層は、前記第２活性層内の前記ナノ粒子の前記励起エネルギーに整合する波長で放射するように選択された、前記第１の希土類材料と異なる第２の希土類材料をドープされ、それにより、エネルギーが前記第２希土類材料に移動し、前記第２希土類材料が、前記第２波長の光を放出する請求項１３に記載の発光構造。
15. 発光構造がさらに
    複数の付加的な第１活性層と、
    複数の付加的な第１誘電体層とを備え、第１活性層が第１誘電体層と交互になった状態の第１スタックを形成し、発光構造がさらに
    複数の付加的な第２活性層と、
    複数の付加的な第２誘電体層とを備え、第２活性層が第２誘電体層と交互になった状態の第２スタックを形成する請求項１４に記載の発光構造
16. 複数の第３活性層であって、それぞれが第３の厚さによって画定されたホスト・マトリックス内に半導体ナノ粒子を有し、前記第３活性層内の前記半導体ナノ粒子はそれぞれ、前記第３の厚さに実質的に等しい直径を有し、前記第３活性層内の前記半導体ナノ粒子の直径は、前記第１および第２の所望の波長と異なる第３波長に対応する前記半導体ナノ粒子の前記励起エネルギーに対応する、第３の活性層と、
    前記複数の第３活性層それぞれを分離する複数の第３誘電体バッファ層であって、それぞれがある厚さを有し、それにより電子が、層内部を通過するときに、前記第３波長の光を放出する励起エネルギーで前記第３活性層内の前記半導体ナノ粒子を励起させるのに十分なエネルギーを前記電界から獲得する、第３の誘電体バッファ層とをさらに備える請求項１５に記載の発光構造。
17. 前記第１の所望の波長は、赤色波長の範囲内にあり、
    前記第２の所望の波長は、緑色波長の範囲内にあり、
    前記第３の所望の波長は、青色波長の範囲内にあり、
    それにより、実質的に白色光が、前記第１、第２、および第３の所望の波長の組み合わせから放出される請求項１２または１６に記載の発光構造。
18. 前記一組の電極は、第１透明電極および第２ベース電極を備え、前記発光構造は、前記第１透明電極を通して光を反射して返すために、前記第２ベース電極と前記第１透明電極との間に反射層をさらに備える請求項１７に記載の発光構造。
19. 最も長い波長の光を放出する前記複数の活性層は、前記反射層の最も近くに配設され、最も短い波長の光を放出する前記活性層は、前記第１透明電極の最も近くに配設される請求項１８に記載の発光構造。
20. 前記第１活性層は、二酸化シリコン・マトリックス・ホスト内に第ＩＶ族ナノ粒子を含む請求項１から１９のいずれか１項に記載の発光構造。
21. 前記第１活性層は、窒化シリコン・マトリックス・ホスト内に第ＩＶ族ナノ粒子を含む請求項１から１９のいずれか１項に記載の発光構造。
22. 前記第１活性層は、希土類の酸化物を含む請求項１から７のいずれか１項に記載の発光構造。
23. 前記一組の電極は、第１透明電極および第２ベース電極を備え、前記発光構造は、前記第１透明電極を通して光を反射して返すために、前記第２ベース電極と前記第１透明電極との間に反射層をさらに備える請求項１から７のいずれか１項に記載の発光構造。

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