JP3478710B2 - 光電子材料及びその応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法 - Google Patents
光電子材料及びその応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法Info
- Publication number
- JP3478710B2 JP3478710B2 JP22781697A JP22781697A JP3478710B2 JP 3478710 B2 JP3478710 B2 JP 3478710B2 JP 22781697 A JP22781697 A JP 22781697A JP 22781697 A JP22781697 A JP 22781697A JP 3478710 B2 JP3478710 B2 JP 3478710B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrafine particles
- optoelectronic material
- optoelectronic
- layer
- material layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 341
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims description 299
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 40
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 claims description 391
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 140
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 108
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 104
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 89
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 82
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 82
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 61
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 57
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 55
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 51
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 35
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 35
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 34
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 30
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 29
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 27
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 24
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 24
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 19
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 19
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 18
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 17
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 16
- 238000002679 ablation Methods 0.000 claims description 15
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 15
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 15
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 12
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 9
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 8
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 8
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 7
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims description 6
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 5
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 292
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 31
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 29
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 27
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 27
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 25
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 230000006870 function Effects 0.000 description 20
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 19
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 16
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 13
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 13
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 12
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 11
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 11
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 7
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 6
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 5
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 4
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 4
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 4
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 2
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 argon ion Chemical class 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Inorganic materials [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Cd+2] CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 238000001194 electroluminescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 2
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 229920000548 poly(silane) polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- 206010001497 Agitation Diseases 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000011982 device technology Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- GRPQBOKWXNIQMF-UHFFFAOYSA-N indium(3+) oxygen(2-) tin(4+) Chemical compound [Sn+4].[O-2].[In+3] GRPQBOKWXNIQMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L magnesium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Mg+2] ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002926 oxygen Chemical class 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N tungsten trioxide Chemical compound O=[W](=O)=O ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光電子材料及びそ
の応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法に関する
ものであり、特に、無尽埋蔵量かつ環境汚染フリーな材
料から形成される粒径の制御され得る半導体超微粒子を
中核として構成され、さらに、シリコン（Ｓｉ）−ＬＳ
Ｉ技術整合性、自発光性、高速応答性、細密画素性、低
消費電力、高耐環境性及びアセンブリーレス工程におい
て優れた特徴を有する光電子材料及びその応用デバイ
ス、並びに光電子材料の製造方法に関するものである。
の応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法に関する
ものであり、特に、無尽埋蔵量かつ環境汚染フリーな材
料から形成される粒径の制御され得る半導体超微粒子を
中核として構成され、さらに、シリコン（Ｓｉ）−ＬＳ
Ｉ技術整合性、自発光性、高速応答性、細密画素性、低
消費電力、高耐環境性及びアセンブリーレス工程におい
て優れた特徴を有する光電子材料及びその応用デバイ
ス、並びに光電子材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、シリコン（Ｓｉ）は間接遷移型半
導体であり、さらにバンドギャップが１．１ｅＶと近赤
外領域にあるため、可視光領域での発光素子の実現は不
可能であるとされてきた。そのため、発光素子としては
III−Ｖ族あるいはII−VI族を中心とした化合物半導体
が用いられてきた。そこで、まず、第１の従来例とし
て、化合物半導体を用いた発光素子について説明をす
る。
導体であり、さらにバンドギャップが１．１ｅＶと近赤
外領域にあるため、可視光領域での発光素子の実現は不
可能であるとされてきた。そのため、発光素子としては
III−Ｖ族あるいはII−VI族を中心とした化合物半導体
が用いられてきた。そこで、まず、第１の従来例とし
て、化合物半導体を用いた発光素子について説明をす
る。
【０００３】直接遷移型半導体であるガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）等の化合物半導体を用いてｐ−ｎ接合を形成
し、ダイオードとして順方向電圧を印加すれば、少数キ
ャリアとしてｐ−型領域にドリフトした電子とｐ−型領
域多数キャリアである正孔の輻射再結合が、ｐ−ｎ接合
面近傍で効率的に起こるので発光が可能となる。これが
所謂注入型ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄ
ｉｏｄｅ）の原理である。このＬＥＤの発光波長は構成
する半導体の種類により決まる。
ａＡｓ）等の化合物半導体を用いてｐ−ｎ接合を形成
し、ダイオードとして順方向電圧を印加すれば、少数キ
ャリアとしてｐ−型領域にドリフトした電子とｐ−型領
域多数キャリアである正孔の輻射再結合が、ｐ−ｎ接合
面近傍で効率的に起こるので発光が可能となる。これが
所謂注入型ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄ
ｉｏｄｅ）の原理である。このＬＥＤの発光波長は構成
する半導体の種類により決まる。
【０００４】一方、１９９０年における多孔質Ｓｉの室
温可視発光の確認（例えば、“アプライド フィジック
ス レターズ”（Ｌ．Ｔ．Ｃａｎｈａｍ，Ａｐｐｌｉｅ
ｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．５７，Ｎ
ｏ．１０，１０４６（１９９０））等に開示されてい
る。）から、Ｓｉを母材とした室温可視発光特性の研究
が盛んになってきた。これらの報告の大多数は、多孔質
形状のＳｉに関するものであるから、第２の従来例とし
て、この発光性多孔質Ｓｉについて説明する。
温可視発光の確認（例えば、“アプライド フィジック
ス レターズ”（Ｌ．Ｔ．Ｃａｎｈａｍ，Ａｐｐｌｉｅ
ｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．５７，Ｎ
ｏ．１０，１０４６（１９９０））等に開示されてい
る。）から、Ｓｉを母材とした室温可視発光特性の研究
が盛んになってきた。これらの報告の大多数は、多孔質
形状のＳｉに関するものであるから、第２の従来例とし
て、この発光性多孔質Ｓｉについて説明する。
【０００５】この発光性多孔質Ｓｉは、基本的に、単結
晶Ｓｉ基板表面を弗化水素を主体とした溶液中における
陽極化成により形成されるものであり、これまでに、８
００ｎｍ（赤）から４２５ｎｍ（青）の領域における幾
つかの波長のフォトルミネッセンス（ＰＬ）が確認され
ている。また、最近では、電流注入励起による発光（エ
レクトロルミネッセンス；ＥＬ）の試みも為されるよう
になってきた。
晶Ｓｉ基板表面を弗化水素を主体とした溶液中における
陽極化成により形成されるものであり、これまでに、８
００ｎｍ（赤）から４２５ｎｍ（青）の領域における幾
つかの波長のフォトルミネッセンス（ＰＬ）が確認され
ている。また、最近では、電流注入励起による発光（エ
レクトロルミネッセンス；ＥＬ）の試みも為されるよう
になってきた。
【０００６】この技術については、例えば特開平５−２
０６５１４号公報に記載されているが、図１６を用いて
具体的に説明する。
０６５１４号公報に記載されているが、図１６を用いて
具体的に説明する。
【０００７】図１６は、従来の多孔質Ｓｉを用いたＥＬ
素子の断面構造を示す。図１６において、まず、面方位
（１００）、ｐ−型導電性のＳｉ単結晶基板１６１の表
面に対し、エタノールで希釈された弗化水素溶液中で陽
極化成することにより多孔質Ｓｉ層１６２を形成する。
次に、プラズマＣＶＤ法により、ｎ−型導電性の微結晶
炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜１６３を堆積する。最後に、上
部に半透明電極である酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄
膜１６４を、下部に金属電極１６５を配し、オーミック
コンタクトを形成して完成する。
素子の断面構造を示す。図１６において、まず、面方位
（１００）、ｐ−型導電性のＳｉ単結晶基板１６１の表
面に対し、エタノールで希釈された弗化水素溶液中で陽
極化成することにより多孔質Ｓｉ層１６２を形成する。
次に、プラズマＣＶＤ法により、ｎ−型導電性の微結晶
炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜１６３を堆積する。最後に、上
部に半透明電極である酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄
膜１６４を、下部に金属電極１６５を配し、オーミック
コンタクトを形成して完成する。
【０００８】多孔質Ｓｉ領域１６２は、ｎ−型ＳｉＣ薄
膜１６３とｐ−型Ｓｉ基板１６１により構成されるｐ−
ｎ接合領域に存在するので、ｎ−型領域から電子を、ｐ
−型領域から正孔を注入し、多孔質Ｓｉ領域１６２内部
でこれらを再結合させることで発光が可能となるもので
ある。
膜１６３とｐ−型Ｓｉ基板１６１により構成されるｐ−
ｎ接合領域に存在するので、ｎ−型領域から電子を、ｐ
−型領域から正孔を注入し、多孔質Ｓｉ領域１６２内部
でこれらを再結合させることで発光が可能となるもので
ある。
【０００９】これら多孔質ＳｉのＥＬにおいて特徴的な
性質として以下のことが挙げられる。（１）ＥＬとＰＬ
の発光スペクトルが、強度において差があるにしても、
ほぼ同様の形状をしていること。（２）実使用状態と想
定される注入電流密度の領域では、ＥＬの発光強度が注
入電流に比例すること。但し、注入電流密度がこれより
低い領域では、ＥＬの発光強度が注入電流の２乗に比例
することを報告する例もある。
性質として以下のことが挙げられる。（１）ＥＬとＰＬ
の発光スペクトルが、強度において差があるにしても、
ほぼ同様の形状をしていること。（２）実使用状態と想
定される注入電流密度の領域では、ＥＬの発光強度が注
入電流に比例すること。但し、注入電流密度がこれより
低い領域では、ＥＬの発光強度が注入電流の２乗に比例
することを報告する例もある。
【００１０】（１）はＥＬとＰＬの発光が、概ね同じ発
光準位を介したキャリア（励起された電子−正孔対）の
再結合により発生することを示唆し、（２）はＥＬに不
可欠なキャリアの生成が主に、ｐ−ｎ接合付近における
少数キャリアの注入により行われていることを示してい
る。
光準位を介したキャリア（励起された電子−正孔対）の
再結合により発生することを示唆し、（２）はＥＬに不
可欠なキャリアの生成が主に、ｐ−ｎ接合付近における
少数キャリアの注入により行われていることを示してい
る。
【００１１】間接遷移型半導体であるＳｉの発光機構に
ついては、多孔質形状の内ナノメートル（ｎｍ）オーダ
ーの３次元的微細構造領域において、光遷移の波数選択
則の緩和が生じ、電子−正孔対の輻射再結合過程が可能
になるとする説と、Ｓｉの多員環酸化物（シロキセン）
が多孔質Ｓｉの表面に形成され、このシロキセン／Ｓｉ
の界面において輻射再結合過程に寄与する新たなエネル
ギー準位が形成されるとする説等がある。しかし、いず
れにしても、光励起過程に関しては量子閉じ込め効果に
よるエネルギーバンド構造変化（ギャップ幅の増大現
象）が発生していることは確実のようである。
ついては、多孔質形状の内ナノメートル（ｎｍ）オーダ
ーの３次元的微細構造領域において、光遷移の波数選択
則の緩和が生じ、電子−正孔対の輻射再結合過程が可能
になるとする説と、Ｓｉの多員環酸化物（シロキセン）
が多孔質Ｓｉの表面に形成され、このシロキセン／Ｓｉ
の界面において輻射再結合過程に寄与する新たなエネル
ギー準位が形成されるとする説等がある。しかし、いず
れにしても、光励起過程に関しては量子閉じ込め効果に
よるエネルギーバンド構造変化（ギャップ幅の増大現
象）が発生していることは確実のようである。
【００１２】この分野に関する総括的解説は、例えば、
“ポーラスシリコン”（Ｚ．Ｃ．Ｆｅｎｇ ａｎｄ
Ｒ．Ｔｓｕ編著，“Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ”，
Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（１９９４））に開
示されている。
“ポーラスシリコン”（Ｚ．Ｃ．Ｆｅｎｇ ａｎｄ
Ｒ．Ｔｓｕ編著，“Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ”，
Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（１９９４））に開
示されている。
【００１３】さらに、多孔質Ｓｉからの発光は、概ね
０．３ｅV以上の広いスペクトル幅を有する。そのた
め、この多孔質Ｓｉを用いてキャビティ構造を形成し、
元来発する連続スペクトルの内、特定の波長領域の強度
を増強しようとする試みがなされている。そこで、第３
の従来例として、この技術について説明をする。
０．３ｅV以上の広いスペクトル幅を有する。そのた
め、この多孔質Ｓｉを用いてキャビティ構造を形成し、
元来発する連続スペクトルの内、特定の波長領域の強度
を増強しようとする試みがなされている。そこで、第３
の従来例として、この技術について説明をする。
【００１４】この技術については、例えば、“アプライ
ド フィジックス レターズ”（Ｌ．Ｐａｖｅｓｉ ｅ
ｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ Ｖｏｌ．６７，３２８０（１９９５））に記
載されている。
ド フィジックス レターズ”（Ｌ．Ｐａｖｅｓｉ ｅ
ｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ Ｖｏｌ．６７，３２８０（１９９５））に記
載されている。
【００１５】以下、図１７を用いて具体的に説明する。
図１７は、従来の多孔質Ｓｉを用いた発光素子の構造断
面図を示す。図１７において、１７１はｐ型Ｓｉ基板、
１７２及び１７４は多層反射膜層、１７３は活性層であ
り、多層反射膜層、活性層とも多孔質Ｓｉにて構成され
ている。本図の構成において、まず、ｐ型Ｓｉ基板１７
１を陽極化成する際に、化成時間及び電流密度を交互に
変えることにより、屈折率の異なる多孔質Ｓｉ層を６層
対形成し、多層反射膜層１７２を形成する。この多層反
射膜層１７２の各層の光学膜厚（屈折率×膜厚）は、発
光波長（λ）の１／４に設定される。次に、以上の多層
反射膜層を形成する際と異なる条件で陽極化成を行うこ
とにより、活性層１７３を形成する。この活性層１７３
の光学膜厚はλに設定される。さらに、多層反射膜層１
７２と同様の多層反射膜層１７４を形成する。
図１７は、従来の多孔質Ｓｉを用いた発光素子の構造断
面図を示す。図１７において、１７１はｐ型Ｓｉ基板、
１７２及び１７４は多層反射膜層、１７３は活性層であ
り、多層反射膜層、活性層とも多孔質Ｓｉにて構成され
ている。本図の構成において、まず、ｐ型Ｓｉ基板１７
１を陽極化成する際に、化成時間及び電流密度を交互に
変えることにより、屈折率の異なる多孔質Ｓｉ層を６層
対形成し、多層反射膜層１７２を形成する。この多層反
射膜層１７２の各層の光学膜厚（屈折率×膜厚）は、発
光波長（λ）の１／４に設定される。次に、以上の多層
反射膜層を形成する際と異なる条件で陽極化成を行うこ
とにより、活性層１７３を形成する。この活性層１７３
の光学膜厚はλに設定される。さらに、多層反射膜層１
７２と同様の多層反射膜層１７４を形成する。
【００１６】次に、以上の構造を有する発光素子におけ
る、発光の動作原理を説明する。まず、本発光素子に対
し、アルゴンイオン（Ａｒ+）レーザ光（波長：４８８
ｎｍ）を照射すると、表面に垂直な方向に発光を呈す
る。活性層１０３のみの典型的な発光スペクトルは、７
５０ｎｍをピークとし、スペクトルの半値全幅が１３０
ｎｍ（０．３ｅＶ）程度の広がりを有するのに対し、こ
の発光素子により得られた発光スペクトルは、ピーク波
長は７５０ｎｍと同様であるが、スペクトルの半値全幅
が１５ｎｍ（３４ｍｅＶ）と非常に狭くなっている。ま
た、この発光素子の発光スペクトルにおいて、ピーク波
長での発光強度の増大が見られる。これは、活性層及び
多層反射膜層により形成されたキャビティ構造により、
活性層で発せられた光が多重干渉され、λをピークとす
る波長領域の発光強度のみが増強されたためである。
る、発光の動作原理を説明する。まず、本発光素子に対
し、アルゴンイオン（Ａｒ+）レーザ光（波長：４８８
ｎｍ）を照射すると、表面に垂直な方向に発光を呈す
る。活性層１０３のみの典型的な発光スペクトルは、７
５０ｎｍをピークとし、スペクトルの半値全幅が１３０
ｎｍ（０．３ｅＶ）程度の広がりを有するのに対し、こ
の発光素子により得られた発光スペクトルは、ピーク波
長は７５０ｎｍと同様であるが、スペクトルの半値全幅
が１５ｎｍ（３４ｍｅＶ）と非常に狭くなっている。ま
た、この発光素子の発光スペクトルにおいて、ピーク波
長での発光強度の増大が見られる。これは、活性層及び
多層反射膜層により形成されたキャビティ構造により、
活性層で発せられた光が多重干渉され、λをピークとす
る波長領域の発光強度のみが増強されたためである。
【００１７】一方、半導体は光電変換素子としても広く
用いられている。そこで、第４の従来例として、半導体
を用いた光電変換素子として、フォトダイオードについ
て説明をする。
用いられている。そこで、第４の従来例として、半導体
を用いた光電変換素子として、フォトダイオードについ
て説明をする。
【００１８】図１８は、従来のフォトダイオードの構造
断面図を示す。図１８において、ｐ型領域層１８１とｎ
型領域層１８２はｐ−ｎ接合を形成している。例えば、
Ｓｉフォトダイオードの場合には、ｎ型基板に対して、
ボロンの選択拡散によりｐ型領域層１８１が１μｍ以下
の厚さに形成されている。
断面図を示す。図１８において、ｐ型領域層１８１とｎ
型領域層１８２はｐ−ｎ接合を形成している。例えば、
Ｓｉフォトダイオードの場合には、ｎ型基板に対して、
ボロンの選択拡散によりｐ型領域層１８１が１μｍ以下
の厚さに形成されている。
【００１９】次に、以上の構造を有するフォトダイオー
ドにおける、受光の動作原理を説明する。
ドにおける、受光の動作原理を説明する。
【００２０】このフォトダイオードは、ｐ−ｎ接合に対
して、フォトダイオードを構成する半導体のバンドギャ
ップエネルギー（Ｅｇ）よりもフォトンエネルギーの大
きい光を照射すると、電子−正孔対のキャリアが発生
し、これによる光起電力を検出することにより、受光機
能を有する。その分光感度は構成する半導体の種類によ
り決まり、例えばＳｉフォトダイオードの場合には、Ｅ
ｇが１．１ｅＶであるため、紫外線から近赤外線までの
広い波長領域に受光感度を有する。
して、フォトダイオードを構成する半導体のバンドギャ
ップエネルギー（Ｅｇ）よりもフォトンエネルギーの大
きい光を照射すると、電子−正孔対のキャリアが発生
し、これによる光起電力を検出することにより、受光機
能を有する。その分光感度は構成する半導体の種類によ
り決まり、例えばＳｉフォトダイオードの場合には、Ｅ
ｇが１．１ｅＶであるため、紫外線から近赤外線までの
広い波長領域に受光感度を有する。
【００２１】ついで、第５の従来例として、Ｓｉを主成
分として構成された電気的信号処理部を主な構成要素と
しながら、化合物半導体による電気−光変換素子部（発
光素子に相当）、光導波路、光−電気変換素子（受光素
子に相当）を内蔵する、光電子集積回路について述べ
る。
分として構成された電気的信号処理部を主な構成要素と
しながら、化合物半導体による電気−光変換素子部（発
光素子に相当）、光導波路、光−電気変換素子（受光素
子に相当）を内蔵する、光電子集積回路について述べ
る。
【００２２】これまで、大規模集積回路（ＬＳＩ）にお
ける、各素子の微細化と動作速度の高速化は、いわゆる
比例縮小則に従ってなされてきた。即ち、能動素子であ
るＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の寸法とと
もに電源電圧を、スケーリングファクタをαとして、１
／α（α＞1）に３次元的に比例縮小すると、消費電力
は１／α2に低減でき、しかも動作速度はα倍に向上す
る、というものである。
ける、各素子の微細化と動作速度の高速化は、いわゆる
比例縮小則に従ってなされてきた。即ち、能動素子であ
るＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の寸法とと
もに電源電圧を、スケーリングファクタをαとして、１
／α（α＞1）に３次元的に比例縮小すると、消費電力
は１／α2に低減でき、しかも動作速度はα倍に向上す
る、というものである。
【００２３】しかしながら、単体ＭＯＳＦＥＴとしては
この法則に従って低消費電力化と高速化が進むものの、
配線部の効果を取り入れ、ＬＳＩチップ全体の動作を考
えると大きな課題がある。
この法則に従って低消費電力化と高速化が進むものの、
配線部の効果を取り入れ、ＬＳＩチップ全体の動作を考
えると大きな課題がある。
【００２４】というのは、配線部、特にＬＳＩチップ内
を横断的に配された配線（所謂ブロック間配線）では、
比例縮小による効果が、寄生容量と配線抵抗の増大によ
る、ＲＣ遅延及び消費電力の増大として現われてくるか
らである。
を横断的に配された配線（所謂ブロック間配線）では、
比例縮小による効果が、寄生容量と配線抵抗の増大によ
る、ＲＣ遅延及び消費電力の増大として現われてくるか
らである。
【００２５】特に、昨今の、０．５μｍ以下のデザイン
ルールの超ＬＳＩでは、このＲＣ遅延及び電力損失によ
る課題が深刻化している。
ルールの超ＬＳＩでは、このＲＣ遅延及び電力損失によ
る課題が深刻化している。
【００２６】そこで、基本的にブロック内演算は、ＭＯ
ＳＦＥＴを主体として電気的に行うものとし、ＲＣ遅延
と電力損失が深刻なブロック間配線を、光通信に置き換
え、高速動作性と低消費電力性を維持するという光電子
集積回路が提案されてきている。
ＳＦＥＴを主体として電気的に行うものとし、ＲＣ遅延
と電力損失が深刻なブロック間配線を、光通信に置き換
え、高速動作性と低消費電力性を維持するという光電子
集積回路が提案されてきている。
【００２７】図１９を用いて、これらの動作を説明す
る。光通信部は、基本的に電気-光変換素子（発光素
子）１９１、光導波路１９２、光-電気変換素子（受光
素子）１９３の３要素で構成されるが、これらをまとめ
て光インターコネクション部１９４と称する。
る。光通信部は、基本的に電気-光変換素子（発光素
子）１９１、光導波路１９２、光-電気変換素子（受光
素子）１９３の３要素で構成されるが、これらをまとめ
て光インターコネクション部１９４と称する。
【００２８】ここにおいて、要素的演算は、基本的に、
複数のＭＯＳＦＥＴにより構成される電気的信号処理ブ
ロック１９５の内部で行われるものとする。
複数のＭＯＳＦＥＴにより構成される電気的信号処理ブ
ロック１９５の内部で行われるものとする。
【００２９】この電気的信号処理ブロック１９５は、半
導体材料としてＳｉを主成分として構成されている。
導体材料としてＳｉを主成分として構成されている。
【００３０】このような構成において、ブロック１９５
間のデータ転送（所謂バスライン転送）は、ブロック１
９５の内の一方の送信側ブロックの電気的信号を、一旦
発光素子１９１により近赤外光に変換し、光導波路１９
２を通じて、他方の受信側ブロック内の受光素子１９３
に転送し、ここで光信号を、再度電気的信号に変換して
から、次の演算処理を行う。
間のデータ転送（所謂バスライン転送）は、ブロック１
９５の内の一方の送信側ブロックの電気的信号を、一旦
発光素子１９１により近赤外光に変換し、光導波路１９
２を通じて、他方の受信側ブロック内の受光素子１９３
に転送し、ここで光信号を、再度電気的信号に変換して
から、次の演算処理を行う。
【００３１】この方式におけるキーデバイスである発光
素子１９１は、ＧａＡｓなど化合物半導体で作られた近
赤外半導体レーザであるため、電気的信号処理ブロック
を構成するＳｉ基板と同じモノリシックプロセスでは作
製できない。
素子１９１は、ＧａＡｓなど化合物半導体で作られた近
赤外半導体レーザであるため、電気的信号処理ブロック
を構成するＳｉ基板と同じモノリシックプロセスでは作
製できない。
【００３２】そこで、別体の化合物半導体近赤外半導体
レーザチップを基板上に組み立てる手法（アセンブリ行
程）により搭載している。
レーザチップを基板上に組み立てる手法（アセンブリ行
程）により搭載している。
【００３３】以上のような、電気的信号処理部を構成す
る半導体材料と、光信号処理部の発光素子のそれとが異
なり、アセンブリ工程によって製造される光電子集積回
路については、例えば、”プロシーディングス・オブ・
ザ・アイ イー イー イー”（Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｏｄｍ
ａｎ，Ｆ．Ｉ．Ｌｅｏｎｂｅｒｇｅｒ，Ｓ−Ｙ．Ｋｕｎ
ｇ，ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ａｔｈａｌｅ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．
７，８５０（１９８４））などに記載されている。
る半導体材料と、光信号処理部の発光素子のそれとが異
なり、アセンブリ工程によって製造される光電子集積回
路については、例えば、”プロシーディングス・オブ・
ザ・アイ イー イー イー”（Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｏｄｍ
ａｎ，Ｆ．Ｉ．Ｌｅｏｎｂｅｒｇｅｒ，Ｓ−Ｙ．Ｋｕｎ
ｇ，ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ａｔｈａｌｅ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．
７，８５０（１９８４））などに記載されている。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１の
従来例では、直接遷移型であるIII−Ｖ族あるいはII−V
I族を中心とした化合物半導体により構成されているた
め、発光効率は高いが、有害物質（Ｃｄ、Ａｓ等）、あ
るいは埋蔵量が極めて少なく精製コストが高い材料（Ｉ
ｎ等）が含まれている。また、これらの化合物半導体は
Ｓｉと比較すると半導体製造プロセス技術としての微細
加工技術がいまだ成熟していないため、ミクロン（μ
ｍ）以下の微細パターンを形成することは困難である。
さらに、III族及びＶ族元素は、各々Ｓｉ中でドーパン
トとして働くため、導電性に影響を与える。つまり、半
導体材料を主体として自発光性素子が構成されるもの
の、電子素子の代表であるＳｉ−ＬＳＩのプロセス・デ
バイス技術との整合性が悪く、実質的にＳｉ−ＬＳＩと
一体化された素子の作製は不可能といえる。そして、さ
らに、本質的課題として、発光波長を調整するために
は、材料種を変更（つまり新たに探索）し、製法を全般
にわたり再構築しなければならないという課題がある。
従来例では、直接遷移型であるIII−Ｖ族あるいはII−V
I族を中心とした化合物半導体により構成されているた
め、発光効率は高いが、有害物質（Ｃｄ、Ａｓ等）、あ
るいは埋蔵量が極めて少なく精製コストが高い材料（Ｉ
ｎ等）が含まれている。また、これらの化合物半導体は
Ｓｉと比較すると半導体製造プロセス技術としての微細
加工技術がいまだ成熟していないため、ミクロン（μ
ｍ）以下の微細パターンを形成することは困難である。
さらに、III族及びＶ族元素は、各々Ｓｉ中でドーパン
トとして働くため、導電性に影響を与える。つまり、半
導体材料を主体として自発光性素子が構成されるもの
の、電子素子の代表であるＳｉ−ＬＳＩのプロセス・デ
バイス技術との整合性が悪く、実質的にＳｉ−ＬＳＩと
一体化された素子の作製は不可能といえる。そして、さ
らに、本質的課題として、発光波長を調整するために
は、材料種を変更（つまり新たに探索）し、製法を全般
にわたり再構築しなければならないという課題がある。
【００３５】次に、第２の従来技術では、溶液中の陽極
化成により、単結晶Ｓｉ基板の表面に多孔質状の層を形
成するため、多孔質層における微結晶の結晶性は良好で
あるものの、微結晶の形状と大きさを制御することが難
しい。特に、粒径５ｎｍ以下の球状微結晶を効率的に生
成することが困難である。Ｓｉ系IV族材料における可視
発光のメカニズムが量子サイズ効果（波数選択則の緩
和、量子閉じ込め効果によるバンド構造変化等）である
とすると、やはり粒径がｎｍレベルで制御された球形微
粒子の生成が不可欠となるが、この点から判断すると、
最適な作製技術とはいえない。また、これら多孔質Ｓｉ
による発光素子を規則的に配列した上、独立に動作させ
ることにより表示素子の機能を発揮しようと意図した際
に困難が生じる。即ち、上記の多孔質ＳｉはＳｉ基板に
直接作り込むため、各素子間の電気的独立性（絶縁性）
を保つことが不可能である。
化成により、単結晶Ｓｉ基板の表面に多孔質状の層を形
成するため、多孔質層における微結晶の結晶性は良好で
あるものの、微結晶の形状と大きさを制御することが難
しい。特に、粒径５ｎｍ以下の球状微結晶を効率的に生
成することが困難である。Ｓｉ系IV族材料における可視
発光のメカニズムが量子サイズ効果（波数選択則の緩
和、量子閉じ込め効果によるバンド構造変化等）である
とすると、やはり粒径がｎｍレベルで制御された球形微
粒子の生成が不可欠となるが、この点から判断すると、
最適な作製技術とはいえない。また、これら多孔質Ｓｉ
による発光素子を規則的に配列した上、独立に動作させ
ることにより表示素子の機能を発揮しようと意図した際
に困難が生じる。即ち、上記の多孔質ＳｉはＳｉ基板に
直接作り込むため、各素子間の電気的独立性（絶縁性）
を保つことが不可能である。
【００３６】さらに、半導体により構成されたＬＥＤ
は、広いスペクトル幅を持つ。そこで、第３の従来例で
は、キャビティ構造を形成してスペクトル幅を狭くして
いるが、周期構造を形成している層が全て多孔質Ｓｉか
ら構成されているため、可視光領域での吸収が大きく、
結果として発光効率が低くなってしまう。しかしなが
ら、多孔質Ｓｉは、先に述べたようにＳｉ基板に直接作
り込むため、可視域での透過率の高い透明材質等の他の
物質との積層構造を形成することは不可能である。
は、広いスペクトル幅を持つ。そこで、第３の従来例で
は、キャビティ構造を形成してスペクトル幅を狭くして
いるが、周期構造を形成している層が全て多孔質Ｓｉか
ら構成されているため、可視光領域での吸収が大きく、
結果として発光効率が低くなってしまう。しかしなが
ら、多孔質Ｓｉは、先に述べたようにＳｉ基板に直接作
り込むため、可視域での透過率の高い透明材質等の他の
物質との積層構造を形成することは不可能である。
【００３７】また、第４の従来例では、受光波長を調整
するためには、材料種を変更しなければならないという
課題がある。ここで、化合物半導体を用いた場合には、
第１の従来例で生じる課題と同様の課題を有する。ま
た、Ｓｉを用いた光電変換素子では、可視光全領域で感
度を有するため、受光波長を調整するためには、カラー
フィルターを介する必要がある。
するためには、材料種を変更しなければならないという
課題がある。ここで、化合物半導体を用いた場合には、
第１の従来例で生じる課題と同様の課題を有する。ま
た、Ｓｉを用いた光電変換素子では、可視光全領域で感
度を有するため、受光波長を調整するためには、カラー
フィルターを介する必要がある。
【００３８】さらに、第４の従来例で述べた光電変換素
子を紫外線センサとして用いようとすると、この波長領
域でのＳｉの吸収係数が大きいため、ｐ−ｎ接合部を非
常に浅い部分に作らなければならないという課題を有す
る。
子を紫外線センサとして用いようとすると、この波長領
域でのＳｉの吸収係数が大きいため、ｐ−ｎ接合部を非
常に浅い部分に作らなければならないという課題を有す
る。
【００３９】そしてさらに、第５の従来例では、電気的
信号処理ブロックのＳｉ基板上に、別体の化合物半導体
の近赤外半導体レーザチップを、アセンブリ工程で搭載
するがために、各素子の微細化による高集積化を図る上
での大きな支障となる。この課題を解決するために、最
近では、Ｓｉ基板上でのIII−Ｖ族半導体の結晶成長技
術が進歩してきてはいるが、これが実用化されたとして
も、一般に蒸発し易い（高蒸気圧、低融点）上に、Ｓｉ
にとってドーパントとなるＶ族元素自体を、Ｓｉと同一
のモノリシックプロセスで扱うことはきわめて困難であ
る。
信号処理ブロックのＳｉ基板上に、別体の化合物半導体
の近赤外半導体レーザチップを、アセンブリ工程で搭載
するがために、各素子の微細化による高集積化を図る上
での大きな支障となる。この課題を解決するために、最
近では、Ｓｉ基板上でのIII−Ｖ族半導体の結晶成長技
術が進歩してきてはいるが、これが実用化されたとして
も、一般に蒸発し易い（高蒸気圧、低融点）上に、Ｓｉ
にとってドーパントとなるＶ族元素自体を、Ｓｉと同一
のモノリシックプロセスで扱うことはきわめて困難であ
る。
【００４０】本発明は上記の課題に鑑みなされたもので
あって、無尽埋蔵量かつ環境汚染フリーな材料から構成
され、Ｓｉ−ＬＳＩ技術整合性、自発光性、高速応答
性、細密画素性、低消費電力、高耐環境性、アセンブリ
ーレス性等の特徴を有する光電子材料及びその応用デバ
イス、並びに光電子材料の製造方法を提供することを目
的とする。
あって、無尽埋蔵量かつ環境汚染フリーな材料から構成
され、Ｓｉ−ＬＳＩ技術整合性、自発光性、高速応答
性、細密画素性、低消費電力、高耐環境性、アセンブリ
ーレス性等の特徴を有する光電子材料及びその応用デバ
イス、並びに光電子材料の製造方法を提供することを目
的とする。
【００４１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光電子材料は、超微粒子が、導電率または
誘電率が制御可能であって実質的に均質な媒質中に分散
された構成としている。これにより、超微粒子へのキャ
リア注入、あるいは超微粒子内のキャリアの量子閉じ込
めを効果的に実現しかつ制御することができる。
に、本発明の光電子材料は、超微粒子が、導電率または
誘電率が制御可能であって実質的に均質な媒質中に分散
された構成としている。これにより、超微粒子へのキャ
リア注入、あるいは超微粒子内のキャリアの量子閉じ込
めを効果的に実現しかつ制御することができる。
【００４２】また、本発明の光電子材料は、超微粒子
が、前記超微粒子に対して、導電率または誘電率が相対
的に制御可能であって実質的に均質な媒質中に分散さ
れ、さらに、前記媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子
の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の導電体で構成され
て成る活性層と透明材質層が交互に積層した周期構造を
有するものである。これにより、超微粒子が受発光する
連続スペクトルの内、特定の波長領域の強度を増強する
特性を有する光電子材料を得ることができる。
が、前記超微粒子に対して、導電率または誘電率が相対
的に制御可能であって実質的に均質な媒質中に分散さ
れ、さらに、前記媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子
の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の導電体で構成され
て成る活性層と透明材質層が交互に積層した周期構造を
有するものである。これにより、超微粒子が受発光する
連続スペクトルの内、特定の波長領域の強度を増強する
特性を有する光電子材料を得ることができる。
【００４３】また、本発明の光電子材料は、超微粒子を
含む活性層と、それを挟んで設けられた高反射層と部分
反射層とを設けている。これにより、受発光する光の波
長が狭帯域化され、かつ強度も増大できる。
含む活性層と、それを挟んで設けられた高反射層と部分
反射層とを設けている。これにより、受発光する光の波
長が狭帯域化され、かつ強度も増大できる。
【００４４】もちろん、以上のような光電子材料を用い
て、各種応用デバイスをも実現できる。
て、各種応用デバイスをも実現できる。
【００４５】例えば、少なくとも一方の電極はその光電
子材料に直接的に接触するように一対の電極で挟んで、
発光素子あるいは光電変換素子として構成することも可
能であり、電極と光電子材料層との電気的接続性を好適
に制御し得て、効果的に発光現象を呈したり、光電変換
機能を実現することもできる。
子材料に直接的に接触するように一対の電極で挟んで、
発光素子あるいは光電変換素子として構成することも可
能であり、電極と光電子材料層との電気的接続性を好適
に制御し得て、効果的に発光現象を呈したり、光電変換
機能を実現することもできる。
【００４６】さらには、このような光電変換素子を用い
て、紫外線センサや青色センサを構成したり、このよう
な発光素子、光電変換素子、紫外線センサや青色センサ
用いてモノリシックな装置を構成することもできるし、
電気的信号処理部と、電気−光変換素子、光導波路及び
光−電気変換素子の３要素から構成されることが一般的
な光インターコネクション部と、を有する光電子集積回
路の、特に電気−光変換素子、即ち発光素子部に、この
ような発光素子を用いることにより、電気的信号処理部
と発光素子部を構成するＳｉ等の半導体材料を共通化を
することができ、これらが同様のモノリシックプロセス
により製造され得て、アセンブリ工程を伴わない光電子
集積回路を実現することもできる。
て、紫外線センサや青色センサを構成したり、このよう
な発光素子、光電変換素子、紫外線センサや青色センサ
用いてモノリシックな装置を構成することもできるし、
電気的信号処理部と、電気−光変換素子、光導波路及び
光−電気変換素子の３要素から構成されることが一般的
な光インターコネクション部と、を有する光電子集積回
路の、特に電気−光変換素子、即ち発光素子部に、この
ような発光素子を用いることにより、電気的信号処理部
と発光素子部を構成するＳｉ等の半導体材料を共通化を
することができ、これらが同様のモノリシックプロセス
により製造され得て、アセンブリ工程を伴わない光電子
集積回路を実現することもできる。
【００４７】このような各種デバイスは、無尽埋蔵量か
つ環境汚染フリーな材料から形成される半導体等の超微
粒子を含む光電子材料により構成され、Ｓｉ−ＬＳＩ技
術整合性、高速応答性、低消費電力、高耐環境性及びア
センブリーレス工程において優れた特徴を有するものと
なる。
つ環境汚染フリーな材料から形成される半導体等の超微
粒子を含む光電子材料により構成され、Ｓｉ−ＬＳＩ技
術整合性、高速応答性、低消費電力、高耐環境性及びア
センブリーレス工程において優れた特徴を有するものと
なる。
【００４８】さて、本発明の光電子材料の製造方法は、
第１のターゲット材を低圧希ガス雰囲気の第１の反応室
の内部に配置する第１のターゲット材配置工程と、堆積
基板を真空反応室の内部に配置する基板配置工程と、第
２のターゲット材を前記第１のターゲット材が配置され
ている第１の反応室と独立に雰囲気ガス種及びガス圧を
調整できる第２の反応室内に配置する第２のターゲット
材配置工程と、第１のターゲット材配置工程で配置され
た第１のターゲット材にレーザ光を照射して前記ターゲ
ット材の脱離・射出を生じるアブレーション工程と、第
２のターゲット材配置工程で配置された第２のターゲッ
ト材にレーザ光を照射して前記ターゲット材の脱離・射
出を生じるアブレーション工程を有する。この構成によ
り、第１のターゲット材上のアブレーション工程におい
て脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長させて得ら
れた超微粒子が、堆積基板上に補集されるのと実質的に
同時に、第２のターゲット材上のアブレーション工程で
の生成物質を堆積基板上に補集して、前記第２のターゲ
ット材から構成される均質な物質中に超微粒子が分散さ
れた光電子材料を効果的かつ確実に得ることが可能とな
る。
第１のターゲット材を低圧希ガス雰囲気の第１の反応室
の内部に配置する第１のターゲット材配置工程と、堆積
基板を真空反応室の内部に配置する基板配置工程と、第
２のターゲット材を前記第１のターゲット材が配置され
ている第１の反応室と独立に雰囲気ガス種及びガス圧を
調整できる第２の反応室内に配置する第２のターゲット
材配置工程と、第１のターゲット材配置工程で配置され
た第１のターゲット材にレーザ光を照射して前記ターゲ
ット材の脱離・射出を生じるアブレーション工程と、第
２のターゲット材配置工程で配置された第２のターゲッ
ト材にレーザ光を照射して前記ターゲット材の脱離・射
出を生じるアブレーション工程を有する。この構成によ
り、第１のターゲット材上のアブレーション工程におい
て脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長させて得ら
れた超微粒子が、堆積基板上に補集されるのと実質的に
同時に、第２のターゲット材上のアブレーション工程で
の生成物質を堆積基板上に補集して、前記第２のターゲ
ット材から構成される均質な物質中に超微粒子が分散さ
れた光電子材料を効果的かつ確実に得ることが可能とな
る。
【００４９】
【発明の実施の形態】本発明は、超微粒子が、前記超微
粒子に対して、導電率または誘電率が相対的に制御可能
であって実質的に均質な媒質中に分散されて構成される
光電子材料であり、これにより、超微粒子内のキャリア
の量子閉じ込め効果を制御することが可能となる。具体
的には、導電率の制御は活性層の導電特性に対応して量
子閉じ込め作用に寄与し、また、誘電率の制御は活性層
の光学特性に対応して発光等の諸機能の発揮に寄与し、
結果として、これら諸特性の制御により、確実に超微粒
子内のキャリアの量子閉じ込め効果を呈し得て、応用デ
バイスとして用いた場合に種々の機能を発揮することに
なる。
粒子に対して、導電率または誘電率が相対的に制御可能
であって実質的に均質な媒質中に分散されて構成される
光電子材料であり、これにより、超微粒子内のキャリア
の量子閉じ込め効果を制御することが可能となる。具体
的には、導電率の制御は活性層の導電特性に対応して量
子閉じ込め作用に寄与し、また、誘電率の制御は活性層
の光学特性に対応して発光等の諸機能の発揮に寄与し、
結果として、これら諸特性の制御により、確実に超微粒
子内のキャリアの量子閉じ込め効果を呈し得て、応用デ
バイスとして用いた場合に種々の機能を発揮することに
なる。
【００５０】ここで、超微粒子が、前記超微粒子に対し
て、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実
質的に均質な媒質中に分散された光電子材料であって、
前記媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同
程度あるいはそれ以上の導電体であることが好適であ
り、これにより、超微粒子内のキャリアの量子閉じ込め
効果を効率よく発現させることが可能となる。
て、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実
質的に均質な媒質中に分散された光電子材料であって、
前記媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同
程度あるいはそれ以上の導電体であることが好適であ
り、これにより、超微粒子内のキャリアの量子閉じ込め
効果を効率よく発現させることが可能となる。
【００５１】また、超微粒子の直径が、前記超微粒子を
構成する材料に内在するキャリアに付随するド・ブロイ
波長の略２倍以下であることが好ましく、これにより、
超微粒子の量子閉じ込めを効率よく発現できる。
構成する材料に内在するキャリアに付随するド・ブロイ
波長の略２倍以下であることが好ましく、これにより、
超微粒子の量子閉じ込めを効率よく発現できる。
【００５２】そして、媒質中に分散された超微粒子の間
の距離が、前記超微粒子の半径以上であることが好まし
い。あるいは、媒質中の超微粒子の充填率が３０％以下
であり、前記充填率が前記超微粒子の粒径と独立して制
御可能であってもよい。これにより、超微粒子の量子閉
じ込めを効果的に発現できる。
の距離が、前記超微粒子の半径以上であることが好まし
い。あるいは、媒質中の超微粒子の充填率が３０％以下
であり、前記充填率が前記超微粒子の粒径と独立して制
御可能であってもよい。これにより、超微粒子の量子閉
じ込めを効果的に発現できる。
【００５３】さらに、媒質の標準生成エンタルピーが、
前記媒質中に分散された超微粒子の酸化物の標準生成エ
ンタルピーより低ければ、超微粒子が媒質中に安定して
存在し得る。
前記媒質中に分散された超微粒子の酸化物の標準生成エ
ンタルピーより低ければ、超微粒子が媒質中に安定して
存在し得る。
【００５４】あるいは、媒質の標準生成エンタルピー
が、前記媒質中に分散された超微粒子の酸化物の標準生
成エンタルピーより高い光電子材料の場合、前記媒質中
に分散された超微粒子が、超微粒子を構成する元素の酸
化物で被覆されていてもよい。この場合、超微粒子が媒
質中に安定して存在できる。
が、前記媒質中に分散された超微粒子の酸化物の標準生
成エンタルピーより高い光電子材料の場合、前記媒質中
に分散された超微粒子が、超微粒子を構成する元素の酸
化物で被覆されていてもよい。この場合、超微粒子が媒
質中に安定して存在できる。
【００５５】以上の光電子材料において、超微粒子がIV
族半導体を含んで構成されているものが好適である。こ
の構成により、無尽埋蔵量かつ環境汚染フリーな材料か
ら構成され、Ｓｉ−ＬＳＩ技術整合性、耐環境性、アセ
ンブリーレス性の点で優れた特徴を有する。
族半導体を含んで構成されているものが好適である。こ
の構成により、無尽埋蔵量かつ環境汚染フリーな材料か
ら構成され、Ｓｉ−ＬＳＩ技術整合性、耐環境性、アセ
ンブリーレス性の点で優れた特徴を有する。
【００５６】または、超微粒子が III−Ｖ族あるいはII
−VI族化合物半導体を含んで構成されていてもよい。
−VI族化合物半導体を含んで構成されていてもよい。
【００５７】そして、媒質が、薄膜状の透明な導電体あ
るいは誘電体であるものが好適である。
るいは誘電体であるものが好適である。
【００５８】本発明は、超微粒子が、前記超微粒子に対
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されて成る活性層と透明材
質層とが交互に積層した周期構造を有する光電子材料で
あって、この構造により、前記活性層中の超微粒子が受
発光する連続スペクトルの内、一部の波長領域の強度を
増強させる特性を有する。
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されて成る活性層と透明材
質層とが交互に積層した周期構造を有する光電子材料で
あって、この構造により、前記活性層中の超微粒子が受
発光する連続スペクトルの内、一部の波長領域の強度を
増強させる特性を有する。
【００５９】ここで、透明材質層が、透明な導電体薄膜
あるいは誘電体薄膜にて構成されているものが好適であ
る。
あるいは誘電体薄膜にて構成されているものが好適であ
る。
【００６０】
【００６１】本発明は、活性層と、前記活性層の下部に
設けられた高反射層と、前記活性層の上部に設けられた
部分反射層とを有する光電子材料であって、活性層は、
超微粒子が、前記超微粒子に対して、導電率または誘電
率が相対的に制御可能であって実質的に均質な媒質中に
分散され、さらに、前記媒質が、その比抵抗が、前記超
微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の導電体で構
成されている光電子材料であり、これにより、活性層に
含まれる超微粒子が受発光する連続スペクトルの内、特
定の波長領域の強度を増強させることが可能となる。
設けられた高反射層と、前記活性層の上部に設けられた
部分反射層とを有する光電子材料であって、活性層は、
超微粒子が、前記超微粒子に対して、導電率または誘電
率が相対的に制御可能であって実質的に均質な媒質中に
分散され、さらに、前記媒質が、その比抵抗が、前記超
微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の導電体で構
成されている光電子材料であり、これにより、活性層に
含まれる超微粒子が受発光する連続スペクトルの内、特
定の波長領域の強度を増強させることが可能となる。
【００６２】ここで、部分反射層と高反射層の少なくと
も一つの層が、金属薄膜にて構成されていてもよい。
も一つの層が、金属薄膜にて構成されていてもよい。
【００６３】また、部分反射層と高反射層の少なくとも
一つの層が、屈折率の異なる少なくとも２種類の層が交
互に積層された構造を有する多層膜層から構成されてい
ることが好ましい。これにより、活性層に含まれる超微
粒子が受発光する連続スペクトルの内、特定の波長領域
の強度をさらに増強させることができる。
一つの層が、屈折率の異なる少なくとも２種類の層が交
互に積層された構造を有する多層膜層から構成されてい
ることが好ましい。これにより、活性層に含まれる超微
粒子が受発光する連続スペクトルの内、特定の波長領域
の強度をさらに増強させることができる。
【００６４】または、高反射層が、屈折率の異なる少な
くとも２種類の層が交互に積層された期構造を有する多
層膜層と、金属薄膜層から構成されていてもよい。
くとも２種類の層が交互に積層された期構造を有する多
層膜層と、金属薄膜層から構成されていてもよい。
【００６５】そして、多層膜層が、上記いずれかに記載
の光電子材料を含んでいてもよい。
の光電子材料を含んでいてもよい。
【００６６】
【００６７】
【００６８】本発明は、超微粒子が、前記超微粒子に対
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料層
と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極と
を有し、前記１対の電極により少数キャリアを前記光電
子材料層の超微粒子に注入して電子−正孔対を生成し、
前記電子−正孔対の輻射再結合過程により発光現象を呈
する発光素子であり、これにより、電極と光電子材料層
との電気的接続性の制御が可能となる。
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料層
と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極と
を有し、前記１対の電極により少数キャリアを前記光電
子材料層の超微粒子に注入して電子−正孔対を生成し、
前記電子−正孔対の輻射再結合過程により発光現象を呈
する発光素子であり、これにより、電極と光電子材料層
との電気的接続性の制御が可能となる。
【００６９】ここで、超微粒子の粒径を調整することに
より発光光子エネルギーが制御されるものでもよく、ま
た、超微粒子の表面原子配列の構造を調整することによ
り発光光子エネルギーが制御されるものでもよい。
より発光光子エネルギーが制御されるものでもよく、ま
た、超微粒子の表面原子配列の構造を調整することによ
り発光光子エネルギーが制御されるものでもよい。
【００７０】また、１対の電極が、透明あるいは半透明
な電極であることが好適であり、これにより良好な外部
光の透過性を有することもできる。
な電極であることが好適であり、これにより良好な外部
光の透過性を有することもできる。
【００７１】さらに、光電子材料層の超微粒子が半導体
を含み、前記光電子材料層に薄膜状の金属電極が接触す
る構成でもよく、この場合、光電子材料層と金属電極と
はショットキー接合型の接触をなしていることが好まし
い。
を含み、前記光電子材料層に薄膜状の金属電極が接触す
る構成でもよく、この場合、光電子材料層と金属電極と
はショットキー接合型の接触をなしていることが好まし
い。
【００７２】ここで、薄膜状の金属電極は、マグネシウ
ム、インジウム、アルミニウム、白金、金、銀、タング
ステン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニ
ッケル、パラジウムのいずれかを含むことが好適であ
る。
ム、インジウム、アルミニウム、白金、金、銀、タング
ステン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニ
ッケル、パラジウムのいずれかを含むことが好適であ
る。
【００７３】さらに、一方の電極を設けた半導体基板
と、前記半導体基板の前記一方の電極の反対側に設けら
れ一部に前記半導体基板が露出する開口部が形成された
絶縁体層とを有し、光電子材料層は前記開口部を被覆す
る状態で形成された前記開口部を活性領域とする構成
で、増倍現象により超微粒子の内部または表面近傍にお
ける電子−正孔対が生成されることが好適であり、発光
強度は、発光素子への注入電流に比例するよりも急峻に
増大する特性を有する。このような、増倍現象を利用す
ることは、当初の電子注入に消費される電力と、衝突イ
オン化時の限られた量子効率を、極めて有効に利用し得
るものであり、発光強度のダイナミックレンジを大きく
することに極めて有効である。
と、前記半導体基板の前記一方の電極の反対側に設けら
れ一部に前記半導体基板が露出する開口部が形成された
絶縁体層とを有し、光電子材料層は前記開口部を被覆す
る状態で形成された前記開口部を活性領域とする構成
で、増倍現象により超微粒子の内部または表面近傍にお
ける電子−正孔対が生成されることが好適であり、発光
強度は、発光素子への注入電流に比例するよりも急峻に
増大する特性を有する。このような、増倍現象を利用す
ることは、当初の電子注入に消費される電力と、衝突イ
オン化時の限られた量子効率を、極めて有効に利用し得
るものであり、発光強度のダイナミックレンジを大きく
することに極めて有効である。
【００７４】そして、光電子材料層にｐ−ｎ接合が形成
されている構成とすれば、単にショットキー接合型の接
触を有する場合には確かに発光素子を実現する上で最も
簡易的な構成になるが、これに対してより電力効率の高
い構成となる。
されている構成とすれば、単にショットキー接合型の接
触を有する場合には確かに発光素子を実現する上で最も
簡易的な構成になるが、これに対してより電力効率の高
い構成となる。
【００７５】本発明は、超微粒子が、前記超微粒子に対
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料層
と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極と
を有する光電変換素子であり、前記光電子材料層への光
照射によるキャリア発生による内部抵抗の変化を検出す
ることによる受光機能を呈する。
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料層
と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極と
を有する光電変換素子であり、前記光電子材料層への光
照射によるキャリア発生による内部抵抗の変化を検出す
ることによる受光機能を呈する。
【００７６】また、本発明は、超微粒子が、前記超微粒
子に対して、導電率または誘電率が相対的に制御可能で
あって実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記
媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度
あるいはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料
層と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極
とを有し、前記光電子材料層と前記電極界面におけるシ
ョットキー接合あるいは前記光電子材料層内部における
ｐ−ｎ接合が形成されている光電変換素子であり、光照
射による電子−正孔対等のキャリア発生による光起電力
を検出することによる受光機能を呈する。
子に対して、導電率または誘電率が相対的に制御可能で
あって実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記
媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度
あるいはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料
層と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極
とを有し、前記光電子材料層と前記電極界面におけるシ
ョットキー接合あるいは前記光電子材料層内部における
ｐ−ｎ接合が形成されている光電変換素子であり、光照
射による電子−正孔対等のキャリア発生による光起電力
を検出することによる受光機能を呈する。
【００７７】ここで、超微粒子の粒径を調整することに
より受光光子エネルギーが制御されるものでもよく、ま
た、超微粒子の表面原子配列の構造を調整することによ
り受光光子エネルギーが制御されるものでもよい。
より受光光子エネルギーが制御されるものでもよく、ま
た、超微粒子の表面原子配列の構造を調整することによ
り受光光子エネルギーが制御されるものでもよい。
【００７８】本発明は、超微粒子が、前記超微粒子に対
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料層
と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極と
を有する光電変換素子であり、前記１対の電極により少
数キャリアを前記光電子材料層の超微粒子に注入した場
合には生成された電子−正孔対の輻射再結合過程により
発光現象を呈する機能を有するとともに、前記光電子材
料層に光を照射した場合にはキャリア発生による内部抵
抗の変化を検出することによる受光機能を呈する機能を
有する。
して、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって
実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質
が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料層
と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極と
を有する光電変換素子であり、前記１対の電極により少
数キャリアを前記光電子材料層の超微粒子に注入した場
合には生成された電子−正孔対の輻射再結合過程により
発光現象を呈する機能を有するとともに、前記光電子材
料層に光を照射した場合にはキャリア発生による内部抵
抗の変化を検出することによる受光機能を呈する機能を
有する。
【００７９】また、本発明は、超微粒子が、前記超微粒
子に対して、導電率または誘電率が相対的に制御可能で
あって実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記
媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度
あるいはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料
層と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極
とを有し、前記光電子材料層と前記電極界面におけるシ
ョットキー接合あるいは前記光電子材料層内部における
ｐ−ｎ接合が形成されている光電変換素子であり、前記
１対の電極により少数キャリアを前記光電子材料層の超
微粒子に注入した場合には生成された電子−正孔対の輻
射再結合過程により発光現象を呈する機能を有するとと
もに、前記光電子材料層に光を照射した場合にはキャリ
ア発生による光起電力を検出することによる受光機能を
呈する機能を有する。
子に対して、導電率または誘電率が相対的に制御可能で
あって実質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記
媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度
あるいはそれ以上の導電体で構成されている光電子材料
層と、前記光電子材料層の上下に設けられた１対の電極
とを有し、前記光電子材料層と前記電極界面におけるシ
ョットキー接合あるいは前記光電子材料層内部における
ｐ−ｎ接合が形成されている光電変換素子であり、前記
１対の電極により少数キャリアを前記光電子材料層の超
微粒子に注入した場合には生成された電子−正孔対の輻
射再結合過程により発光現象を呈する機能を有するとと
もに、前記光電子材料層に光を照射した場合にはキャリ
ア発生による光起電力を検出することによる受光機能を
呈する機能を有する。
【００８０】以上の光電変換素子において、１対の電極
が、透明あるいは半透明な電極で構成されていてもよ
い。
が、透明あるいは半透明な電極で構成されていてもよ
い。
【００８１】本発明は、上記いずれかに記載の光電変換
素子において、前記光電変換素子の超微粒子の平均粒径
あるいは表面原子配列の構造を調整して光学ギャップエ
ネルギーを制御することにより、紫外線に対する受光機
能を呈する光電変換素子から構成される紫外線センサで
ある。この構成により、フィルター等を必要とせず、Ｓ
ｉ−ＬＳＩ技術整合性、耐環境性、アセンブリーレス性
の点で優れた特徴を有する。
素子において、前記光電変換素子の超微粒子の平均粒径
あるいは表面原子配列の構造を調整して光学ギャップエ
ネルギーを制御することにより、紫外線に対する受光機
能を呈する光電変換素子から構成される紫外線センサで
ある。この構成により、フィルター等を必要とせず、Ｓ
ｉ−ＬＳＩ技術整合性、耐環境性、アセンブリーレス性
の点で優れた特徴を有する。
【００８２】本発明は、上記いずれかに記載の光電変換
素子において、前記光電変換素子の超微粒子の平均粒径
あるいは表面原子配列の構造を調整して光学ギャップエ
ネルギーを制御することにより、青色に対する受光機能
を呈する光電変換素子から構成される青色センサであ
る。この構成により、フィルター等を必要とせず、Ｓｉ
−ＬＳＩ技術整合性、耐環境性、アセンブリーレス性の
点で優れた特徴を有する。
素子において、前記光電変換素子の超微粒子の平均粒径
あるいは表面原子配列の構造を調整して光学ギャップエ
ネルギーを制御することにより、青色に対する受光機能
を呈する光電変換素子から構成される青色センサであ
る。この構成により、フィルター等を必要とせず、Ｓｉ
−ＬＳＩ技術整合性、耐環境性、アセンブリーレス性の
点で優れた特徴を有する。
【００８３】本発明は、上記いずれかに記載の発光素
子、光電変換素子、紫外線センサ、及び青色センサの
内、少なくとも１つ以上を備えたモノリシック一体化半
導体装置である。この構成により、無尽埋蔵量かつ環境
汚染フリーな材料から構成され、Ｓｉ−ＬＳＩ技術整合
性、耐環境性、アセンブリーレス性の点で優れた特徴を
有する。
子、光電変換素子、紫外線センサ、及び青色センサの
内、少なくとも１つ以上を備えたモノリシック一体化半
導体装置である。この構成により、無尽埋蔵量かつ環境
汚染フリーな材料から構成され、Ｓｉ−ＬＳＩ技術整合
性、耐環境性、アセンブリーレス性の点で優れた特徴を
有する。
【００８４】本発明は、光インターコネクション部と電
気的信号処理部とを有し、前記光インターコネクション
部は、電気−光変換素子、光導波路及び光−電気変換素
子を含み、前記電気的信号処理部を構成する半導体材料
を主成分とする光電子集積回路であって、前記電気−光
変換素子または光−電気変換素子の少なくとも一方が、
前記電気的信号処理部を構成する半導体材料の超微粒子
を含み、前記超微粒子が、前記超微粒子に対して、導電
率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的に均
質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その比抵
抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上
の導電体で構成されている光電子材料を活性領域とする
光電子集積回路であり、このような構成により、例えば
電気的信号処理部がそのＳｉ基板上にＭＯＳＦＥＴを有
する場合など、同様に光インターコネクション部も半導
体材料としてＳｉを主成分として構成され得る。
気的信号処理部とを有し、前記光インターコネクション
部は、電気−光変換素子、光導波路及び光−電気変換素
子を含み、前記電気的信号処理部を構成する半導体材料
を主成分とする光電子集積回路であって、前記電気−光
変換素子または光−電気変換素子の少なくとも一方が、
前記電気的信号処理部を構成する半導体材料の超微粒子
を含み、前記超微粒子が、前記超微粒子に対して、導電
率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的に均
質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その比抵
抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上
の導電体で構成されている光電子材料を活性領域とする
光電子集積回路であり、このような構成により、例えば
電気的信号処理部がそのＳｉ基板上にＭＯＳＦＥＴを有
する場合など、同様に光インターコネクション部も半導
体材料としてＳｉを主成分として構成され得る。
【００８５】換言すれば、光インターコネクション部と
電気的信号処理部とを有し、前記光インターコネクショ
ン部は、電気−光変換素子、光導波路及び光−電気変換
素子を含み、電気的信号処理部と同様のモノリシックプ
ロセスにより製造される光電子集積回路であって、前記
電気−光変換素子または光−電気変換素子の少なくとも
一方が、前記電気的信号処理部を構成する半導体材料の
超微粒子を含み、前記超微粒子が、前記超微粒子に対し
て、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実
質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、
その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいは
それ以上の導電体で構成されている光電子材料を活性領
域とする光電子集積回路であり、アセンブリ工程を伴わ
ず、例えばＳｉ−ＬＳＩ用のモノリシックプロセスを用
いることができるため、光インターコネクション部の微
細化と高集積化は、電気的信号処理部と同等なまでに、
飛躍的に高まり得る。
電気的信号処理部とを有し、前記光インターコネクショ
ン部は、電気−光変換素子、光導波路及び光−電気変換
素子を含み、電気的信号処理部と同様のモノリシックプ
ロセスにより製造される光電子集積回路であって、前記
電気−光変換素子または光−電気変換素子の少なくとも
一方が、前記電気的信号処理部を構成する半導体材料の
超微粒子を含み、前記超微粒子が、前記超微粒子に対し
て、導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実
質的に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、
その比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいは
それ以上の導電体で構成されている光電子材料を活性領
域とする光電子集積回路であり、アセンブリ工程を伴わ
ず、例えばＳｉ−ＬＳＩ用のモノリシックプロセスを用
いることができるため、光インターコネクション部の微
細化と高集積化は、電気的信号処理部と同等なまでに、
飛躍的に高まり得る。
【００８６】ここで、電気−光変換素子は、発光素子部
であって、上記いずれかに記載の発光素子から構成され
ることがより好ましい。
であって、上記いずれかに記載の発光素子から構成され
ることがより好ましい。
【００８７】また、光−電気変換素子が、上記いずれか
に記載の光電変換素子から構成されることがより好まし
い。
に記載の光電変換素子から構成されることがより好まし
い。
【００８８】本発明は、第１のターゲット材を低圧希ガ
ス雰囲気の第１の反応室の内部に配置する第１のターゲ
ット材配置工程と、堆積基板を真空反応室の内部に配置
する基板配置工程と、第２のターゲット材を前記第１の
ターゲット材が配置されている第１の反応室と独立に雰
囲気ガス種及びガス圧を調整できる第２の反応室内に配
置する第２のターゲット材配置工程と、前記第１のター
ゲット材配置工程で配置された第１のターゲット材にレ
ーザ光を照射して前記ターゲット材の脱離・射出を生じ
るアブレーション工程と、前記第２のターゲット材配置
工程で配置された第２のターゲット材にレーザ光を照射
して前記ターゲット材の脱離・射出を生じるアブレーシ
ョン工程を有する光電子材料の製造方法である。この構
成により、前記第１のターゲット材上のアブレーション
工程において脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長
させて得られた超微粒子が前記堆積基板上に補集される
のと実質的に同時に、前記第２のターゲット材上のアブ
レーション工程での生成物質を前記堆積基板上に補集し
て、前記第２のターゲット材から構成される物質中に前
記超微粒子が分散された光電子材料を得ることが可能と
なる。
ス雰囲気の第１の反応室の内部に配置する第１のターゲ
ット材配置工程と、堆積基板を真空反応室の内部に配置
する基板配置工程と、第２のターゲット材を前記第１の
ターゲット材が配置されている第１の反応室と独立に雰
囲気ガス種及びガス圧を調整できる第２の反応室内に配
置する第２のターゲット材配置工程と、前記第１のター
ゲット材配置工程で配置された第１のターゲット材にレ
ーザ光を照射して前記ターゲット材の脱離・射出を生じ
るアブレーション工程と、前記第２のターゲット材配置
工程で配置された第２のターゲット材にレーザ光を照射
して前記ターゲット材の脱離・射出を生じるアブレーシ
ョン工程を有する光電子材料の製造方法である。この構
成により、前記第１のターゲット材上のアブレーション
工程において脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長
させて得られた超微粒子が前記堆積基板上に補集される
のと実質的に同時に、前記第２のターゲット材上のアブ
レーション工程での生成物質を前記堆積基板上に補集し
て、前記第２のターゲット材から構成される物質中に前
記超微粒子が分散された光電子材料を得ることが可能と
なる。
【００８９】ここで、さらに、低圧希ガスの導入圧力を
変化させる工程を有することが好ましく、この構成によ
り、前記超微粒子の平均粒径を制御することが可能とな
る。
変化させる工程を有することが好ましく、この構成によ
り、前記超微粒子の平均粒径を制御することが可能とな
る。
【００９０】また、さらに、アブレーション工程に起因
して得られた超微粒子を質量分離する工程を有していて
もよい。この構成により、前記超微粒子の平均粒径を制
御することができる。この場合、超微粒子を質量分離す
る工程が、超微粒子をイオン化する工程と、イオン化さ
れた超微粒子に対して電界あるいは磁界を加える工程を
含んでいてもよい。
して得られた超微粒子を質量分離する工程を有していて
もよい。この構成により、前記超微粒子の平均粒径を制
御することができる。この場合、超微粒子を質量分離す
る工程が、超微粒子をイオン化する工程と、イオン化さ
れた超微粒子に対して電界あるいは磁界を加える工程を
含んでいてもよい。
【００９１】
【００９２】以上において、第１のターゲット材が半導
体を含むものであってもよい。
体を含むものであってもよい。
【００９３】そして、堆積基板上に補集された超微粒子
が半導体層を形成し、さらに前記半導体層に対して、ｎ
−型導電性不純物とｐ−型導電性不純物とを導入する工
程を有していてもよく、半導体中にｐ−ｎ接合が形成さ
れる。
が半導体層を形成し、さらに前記半導体層に対して、ｎ
−型導電性不純物とｐ−型導電性不純物とを導入する工
程を有していてもよく、半導体中にｐ−ｎ接合が形成さ
れる。
【００９４】この場合、半導体層に対して導入されるｎ
−型導電性不純物とｐ−型導電性不純物は、互いの拡散
深さを異ならせて導入されてもよく、所望の位置にｐ−
ｎ接合を形成できる。
−型導電性不純物とｐ−型導電性不純物は、互いの拡散
深さを異ならせて導入されてもよく、所望の位置にｐ−
ｎ接合を形成できる。
【００９５】一方、第２のターゲット材が透明導電体あ
るいは誘電体であることが好適である。
るいは誘電体であることが好適である。
【００９６】また、さらに、超微粒子の表面を酸化する
酸化工程を有していてもよく、この構成により、結晶欠
陥あるいは不純物の混入した表面層を除去し、結晶性と
純度を向上する。
酸化工程を有していてもよく、この構成により、結晶欠
陥あるいは不純物の混入した表面層を除去し、結晶性と
純度を向上する。
【００９７】そして、酸化工程では、空中会合工程で得
られた超微粒子を酸素含有の雰囲気ガス中にて加熱処理
することにより、前記超微粒子の表面を熱酸化膜で被覆
する被覆工程を含むことが好適である。
られた超微粒子を酸素含有の雰囲気ガス中にて加熱処理
することにより、前記超微粒子の表面を熱酸化膜で被覆
する被覆工程を含むことが好適である。
【００９８】かかる場合、さらに、被覆工程の熱酸化膜
の形成時の温度よりも高い温度の非酸化性雰囲気での熱
処理を、前記被覆工程より以前に実施する工程を有する
ことが好適であり、超微粒子の結晶性をより完全なもの
に回復し得る。
の形成時の温度よりも高い温度の非酸化性雰囲気での熱
処理を、前記被覆工程より以前に実施する工程を有する
ことが好適であり、超微粒子の結晶性をより完全なもの
に回復し得る。
【００９９】本発明は、上記いずれかに記載の光電子材
料の製造方法により製造されている光電子材料である。
この構成により、超微粒子の粒径が制御された超微粒子
分散材料を得ることができる。
料の製造方法により製造されている光電子材料である。
この構成により、超微粒子の粒径が制御された超微粒子
分散材料を得ることができる。
【０１００】本発明は、超微粒子分散層が、上記いずれ
かに記載の光電子材料の製造方法により製造された光電
子材料を含み、また、本発明は、活性層が、上記いずれ
かに記載の光電子材料の製造方法により製造された光電
子材料を含む。この構成により、超微粒子の粒径が制御
された超微粒子分散材料を得ることができる。
かに記載の光電子材料の製造方法により製造された光電
子材料を含み、また、本発明は、活性層が、上記いずれ
かに記載の光電子材料の製造方法により製造された光電
子材料を含む。この構成により、超微粒子の粒径が制御
された超微粒子分散材料を得ることができる。
【０１０１】また、本発明は、光電子材料層が、上記い
ずれかに記載の光電子材料から成る発光素子である。
ずれかに記載の光電子材料から成る発光素子である。
【０１０２】また、本発明は、光電子材料層が、上記い
ずれかに記載の光電子材料から成る光電変換素子であ
る。
ずれかに記載の光電子材料から成る光電変換素子であ
る。
【０１０３】また、本発明は、上記の光電変換素子から
構成される紫外線センサ及び青色センサである。
構成される紫外線センサ及び青色センサである。
【０１０４】また、本発明は、上記いずれかに記載の発
光素子、光電変換素子、紫外線センサ、及び青色センサ
の内、少なくとも１つ以上を備えたモノリシック一体化
半導体装置である。
光素子、光電変換素子、紫外線センサ、及び青色センサ
の内、少なくとも１つ以上を備えたモノリシック一体化
半導体装置である。
【０１０５】また、本発明は、電気−光変換素子や光−
電気変換素子が、上記の発光素子、あるいは上記の光電
変換素子から構成されている光電子集積回路である。
電気変換素子が、上記の発光素子、あるいは上記の光電
変換素子から構成されている光電子集積回路である。
【０１０６】以上の各発明では、確実に超微粒子を含む
光電子材料を有する各種応用デバイスを実現する。
光電子材料を有する各種応用デバイスを実現する。
【０１０７】（実施の形態１）以下、本発明の光電子材
料を用いた発光素子の原理的な構成を、実施の形態１と
して、図１から図６を用いて詳細に説明する。
料を用いた発光素子の原理的な構成を、実施の形態１と
して、図１から図６を用いて詳細に説明する。
【０１０８】本実施の形態においては、IV族半導体の内
でも、代表的に表面が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳ
ｉの超微粒子が、導電率あるいは誘電率が制御可能であ
って、実質的に均質な透明媒質中に分散された光電子材
料層を発光（活性）領域としたエレクトロルミネッセン
ス（ＥＬ）素子について説明するものである。
でも、代表的に表面が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳ
ｉの超微粒子が、導電率あるいは誘電率が制御可能であ
って、実質的に均質な透明媒質中に分散された光電子材
料層を発光（活性）領域としたエレクトロルミネッセン
ス（ＥＬ）素子について説明するものである。
【０１０９】ここで、本実施の形態及びそれ以降の実施
の形態において、実質的に均質な媒質とは、媒質中の導
電率や誘電率といった電気的性質、特に導電率が媒質中
でほぼ均一であるという意味であり、媒質中に分散され
る超微粒子が、数１０個から数１００個の原子・分子の
集合体であるのに対して、媒質自体は、それよりも小さ
な原子・分子あるいは数個の原子・分子の集合体（クラ
スター）が、所定の基板等の上に均質な膜として付着さ
れていくことにより形成されたものが一例として上げら
れる。
の形態において、実質的に均質な媒質とは、媒質中の導
電率や誘電率といった電気的性質、特に導電率が媒質中
でほぼ均一であるという意味であり、媒質中に分散され
る超微粒子が、数１０個から数１００個の原子・分子の
集合体であるのに対して、媒質自体は、それよりも小さ
な原子・分子あるいは数個の原子・分子の集合体（クラ
スター）が、所定の基板等の上に均質な膜として付着さ
れていくことにより形成されたものが一例として上げら
れる。
【０１１０】さらにまた、本実施の形態及びそれ以降の
実施の形態において、超微粒子の充填率が、任意の微少
な領域（例えば超微粒子１０個程度を含有）を抽出して
も、互いに等しいと認められることをもって、均質な超
微粒子分散透明媒質と呼ぶことにする。
実施の形態において、超微粒子の充填率が、任意の微少
な領域（例えば超微粒子１０個程度を含有）を抽出して
も、互いに等しいと認められることをもって、均質な超
微粒子分散透明媒質と呼ぶことにする。
【０１１１】そして、このような均質な超微粒子分散透
明媒質を形成することにより、その中の電子の運動エネ
ルギーの分布幅が抑えられ、効率的な発光が得られるこ
とになる。
明媒質を形成することにより、その中の電子の運動エネ
ルギーの分布幅が抑えられ、効率的な発光が得られるこ
とになる。
【０１１２】図１は、本実施の形態における光電子材料
を用いた発光素子の断面構造を示す。
を用いた発光素子の断面構造を示す。
【０１１３】図１（ａ）は、光電子材料層がいわゆるシ
ョットキー接合を形成した構成例を示し、図１（ｂ）
は、光電子材料層の構成概要を示し、及び図１（ｃ）
は、光電子材料層中にｐ−ｎ接合した構成例を示す。
ョットキー接合を形成した構成例を示し、図１（ｂ）
は、光電子材料層の構成概要を示し、及び図１（ｃ）
は、光電子材料層中にｐ−ｎ接合した構成例を示す。
【０１１４】まず、光電子材料層がショットキー接合を
形成した構成例から説明する。図１（ａ）において、１
１は基板である。この基板１１は、面方位（１００）、
導電性がリンドープのｎ−型、比抵抗が１０Ω・ｃｍで
あるｎ−型Ｓｉ基板を一例として用いた。このｎ−型Ｓ
ｉ基板１１の上部表面には、一例としての二酸化珪素
（ＳｉＯ2）膜である分離絶縁膜１２が厚さ１００ｎｍ
で形成されている。この分離絶縁膜１２には、発光素子
の発光（活性）領域たるべき箇所に、直径１〜２ｍｍ程
度以下の開口部１２ａが形成され、基板１１の表面が露
出した形状になっている。
形成した構成例から説明する。図１（ａ）において、１
１は基板である。この基板１１は、面方位（１００）、
導電性がリンドープのｎ−型、比抵抗が１０Ω・ｃｍで
あるｎ−型Ｓｉ基板を一例として用いた。このｎ−型Ｓ
ｉ基板１１の上部表面には、一例としての二酸化珪素
（ＳｉＯ2）膜である分離絶縁膜１２が厚さ１００ｎｍ
で形成されている。この分離絶縁膜１２には、発光素子
の発光（活性）領域たるべき箇所に、直径１〜２ｍｍ程
度以下の開口部１２ａが形成され、基板１１の表面が露
出した形状になっている。
【０１１５】そして、少なくとも開口部１２ａを被覆す
るように、光電子材料層１３が堆積されている。この光
電子材料層１３は、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ超微
粒子１４が透明媒質１５中に分散されて構成されてい
る。ここで、Ｓｉ超微粒子１４は、形状がほぼ球形であ
り、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶構造を有し、かつ
導電性は低濃度にリンがド−プされたｎ−型であって、
粒径（直径）は３〜１０ｎｍ程度に調整されている。こ
の超微粒子堆積層の厚さは約１５０ｎｍである。さら
に、このＳｉ超微粒子１４は、その表面が不図示のＳｉ
Ｏ2膜により被覆されており、その厚さは例えば３ｎｍ
以下とすればよい。ここで、光電子材料層と１３と基板
１１はともにｎ−型であるので、これらの界面には電気
的障壁は形成されていない。
るように、光電子材料層１３が堆積されている。この光
電子材料層１３は、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ超微
粒子１４が透明媒質１５中に分散されて構成されてい
る。ここで、Ｓｉ超微粒子１４は、形状がほぼ球形であ
り、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶構造を有し、かつ
導電性は低濃度にリンがド−プされたｎ−型であって、
粒径（直径）は３〜１０ｎｍ程度に調整されている。こ
の超微粒子堆積層の厚さは約１５０ｎｍである。さら
に、このＳｉ超微粒子１４は、その表面が不図示のＳｉ
Ｏ2膜により被覆されており、その厚さは例えば３ｎｍ
以下とすればよい。ここで、光電子材料層と１３と基板
１１はともにｎ−型であるので、これらの界面には電気
的障壁は形成されていない。
【０１１６】また、透明媒質１５は、可視光領域での透
過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が制御可能な均
質薄膜であり、ここでは、一例として、酸化錫（ＳｎＯ
2）薄膜を用いた。このＳｎＯ2薄膜は、可視光透過率８
０％以上であり、さらに、その作製条件（基板温度、酸
素分圧等）を調整することにより、導電率あるいは誘電
率を制御することが可能である。
過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が制御可能な均
質薄膜であり、ここでは、一例として、酸化錫（ＳｎＯ
2）薄膜を用いた。このＳｎＯ2薄膜は、可視光透過率８
０％以上であり、さらに、その作製条件（基板温度、酸
素分圧等）を調整することにより、導電率あるいは誘電
率を制御することが可能である。
【０１１７】ここで、媒質の比抵抗は、分散させる超微
粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上であることが好
適である。例えば、Ｓｉ超微粒子の比抵抗は不純物濃度
により１０〜１０-3Ω・ｃｍ程度の範囲であるので、Ｓ
ｎＯ2薄膜の比抵抗は、分散させる超微粒子の比抵抗に
応じて１０3〜１０-2Ω・ｃｍ程度の範囲で制御できれ
ばよい。このような比抵抗は、例えば基板温度を室温〜
６００℃程度の範囲で作製することにより実現できる。
以上により、超微粒子内のキャリアの量子閉じ込め効果
を制御することが可能となる。
粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上であることが好
適である。例えば、Ｓｉ超微粒子の比抵抗は不純物濃度
により１０〜１０-3Ω・ｃｍ程度の範囲であるので、Ｓ
ｎＯ2薄膜の比抵抗は、分散させる超微粒子の比抵抗に
応じて１０3〜１０-2Ω・ｃｍ程度の範囲で制御できれ
ばよい。このような比抵抗は、例えば基板温度を室温〜
６００℃程度の範囲で作製することにより実現できる。
以上により、超微粒子内のキャリアの量子閉じ込め効果
を制御することが可能となる。
【０１１８】さて、光電子材料層１３内のＳｉ超微粒子
１４の充填率は、光電子材料層１３全体からの発光量が
大きくなるため、高い方が望ましい。
１４の充填率は、光電子材料層１３全体からの発光量が
大きくなるため、高い方が望ましい。
【０１１９】しかしながら、充填率が高くなる、即ち超
微粒子間の距離が近くなると、超微粒子中のキャリアの
波動関数が広がりを有し、透明媒質中にもしみ出すた
め、隣り合う超微粒子中のキャリアの波動関数の重なり
が大きくなる。この結果、超微粒子中のキャリアの量子
閉じ込め効果が低減されてしまう。
微粒子間の距離が近くなると、超微粒子中のキャリアの
波動関数が広がりを有し、透明媒質中にもしみ出すた
め、隣り合う超微粒子中のキャリアの波動関数の重なり
が大きくなる。この結果、超微粒子中のキャリアの量子
閉じ込め効果が低減されてしまう。
【０１２０】従って、超微粒子間の距離は、波動関数の
絶対値の二乗の重なりが、例えば、そのピーク高さの百
分の一以下になるように相互間の距離を保って分散させ
ることが望ましく、この間隔は超微粒子の半径ｒの距離
に相当する。そして、この場合の充填率は、半径１．５
ｒの球形超微粒子が最密充填されているとして、２２％
程度となる。以上により、光電子材料層１３内のＳｉ超
微粒子１４の充填率は２０％程度とした。但し、超微粒
子中のキャリアの量子閉じ込め効果を最低限確保する観
点からいうと、充填率は３０％以下であれば好適と考え
られる。
絶対値の二乗の重なりが、例えば、そのピーク高さの百
分の一以下になるように相互間の距離を保って分散させ
ることが望ましく、この間隔は超微粒子の半径ｒの距離
に相当する。そして、この場合の充填率は、半径１．５
ｒの球形超微粒子が最密充填されているとして、２２％
程度となる。以上により、光電子材料層１３内のＳｉ超
微粒子１４の充填率は２０％程度とした。但し、超微粒
子中のキャリアの量子閉じ込め効果を最低限確保する観
点からいうと、充填率は３０％以下であれば好適と考え
られる。
【０１２１】さらに、光電子材料層１３の上部表面に
は、一例として厚さ１０ｎｍで材質が白金（Ｐｔ）の半
透明電極１６が接触し、導電率の制御された透明媒質１
５を含む光電子材料層１３と電気的にはいわゆるショッ
トキー接合を形成している。また、基板１１の下部表面
には、一例として銀（Ａｇ）製の裏面電極１７が設けら
れ、基板１１と電気的にはオーミック接触を形成してい
る。また、基板１１と裏面電極１７の中間に、界面の電
気的障壁高さを低減するために、膜厚２０ｎｍ程度の薄
いマグネシウム（Ｍｇ）膜を配置してもよい。
は、一例として厚さ１０ｎｍで材質が白金（Ｐｔ）の半
透明電極１６が接触し、導電率の制御された透明媒質１
５を含む光電子材料層１３と電気的にはいわゆるショッ
トキー接合を形成している。また、基板１１の下部表面
には、一例として銀（Ａｇ）製の裏面電極１７が設けら
れ、基板１１と電気的にはオーミック接触を形成してい
る。また、基板１１と裏面電極１７の中間に、界面の電
気的障壁高さを低減するために、膜厚２０ｎｍ程度の薄
いマグネシウム（Ｍｇ）膜を配置してもよい。
【０１２２】なお、電極１６と１７は、Ｐｔ、Ａｇ以外
にも、Ｍｇ、インジウム、アルミニウム、金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
にも、Ｍｇ、インジウム、アルミニウム、金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
【０１２３】そして、半透明電極１６と裏面電極１７
は、必要に応じ導電性ペースト１８等を介して、ワイヤ
リード線等により電源に接続されている。ここで、半透
明電極１６側における電源接続位置である導電性ペース
ト１８の位置は、発光（活性）領域を避けて配置するこ
とが好適である。
は、必要に応じ導電性ペースト１８等を介して、ワイヤ
リード線等により電源に接続されている。ここで、半透
明電極１６側における電源接続位置である導電性ペース
ト１８の位置は、発光（活性）領域を避けて配置するこ
とが好適である。
【０１２４】なお、ここでは光電子材料層を構成する超
微粒子の材料としてＳｉを用いたが、他にゲルマニウム
（Ｇｅ）あるいはその混晶等のIV族半導体が好適に使用
可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化合物半導体を用い
てもよい。そして、均質な透明媒質としてＳｎＯ2薄膜
を用いたが、分散させる超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の比抵抗を有する他の導電体薄膜、例えば
酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化インジウム（Ｉｎ
2Ｏ3）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）、酸化カドミウ
ム（ＣｄＯ）、酸化タングステン（ＷＯ3）、酸化亜鉛
（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、硫化亜鉛
（ＺｎＳ）薄膜を用いてもよい。または、トンネリング
あるいはホッピングによる電気伝導が可能な膜厚範囲で
あれば、ＳｉＯ2、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、弗
化マグネシウム（ＭａＦ2）、弗化カルシウム（Ｃａ
Ｆ2）等の誘電体薄膜を用いることも可能である。
微粒子の材料としてＳｉを用いたが、他にゲルマニウム
（Ｇｅ）あるいはその混晶等のIV族半導体が好適に使用
可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化合物半導体を用い
てもよい。そして、均質な透明媒質としてＳｎＯ2薄膜
を用いたが、分散させる超微粒子の比抵抗と同程度ある
いはそれ以上の比抵抗を有する他の導電体薄膜、例えば
酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化インジウム（Ｉｎ
2Ｏ3）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）、酸化カドミウ
ム（ＣｄＯ）、酸化タングステン（ＷＯ3）、酸化亜鉛
（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、硫化亜鉛
（ＺｎＳ）薄膜を用いてもよい。または、トンネリング
あるいはホッピングによる電気伝導が可能な膜厚範囲で
あれば、ＳｉＯ2、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、弗
化マグネシウム（ＭａＦ2）、弗化カルシウム（Ｃａ
Ｆ2）等の誘電体薄膜を用いることも可能である。
【０１２５】また、ここでは、Ｓｉ超微粒子が自身の熱
酸化膜に被覆されているが、超微粒子の酸化膜は必ずし
も必要ない。即ち、光電子材料層を構成する超微粒子の
酸化物と透明媒質の標準生成エンタルピーの比較によ
り、透明媒質の方がその値が低ければ、より安定である
ことを意味し、超微粒子が透明媒質中に分散された時に
酸化されることはないため、酸化膜は必要ない。
酸化膜に被覆されているが、超微粒子の酸化膜は必ずし
も必要ない。即ち、光電子材料層を構成する超微粒子の
酸化物と透明媒質の標準生成エンタルピーの比較によ
り、透明媒質の方がその値が低ければ、より安定である
ことを意味し、超微粒子が透明媒質中に分散された時に
酸化されることはないため、酸化膜は必要ない。
【０１２６】これに対し、透明媒質の方の標準生成エン
タルピーが高い場合には、超微粒子の酸化物の方が安定
であるため、超微粒子を透明媒質中に分散させた時に、
透明媒質を還元しつつ超微粒子の表面が酸化されること
になる。従って、この場合には、超微粒子を透明媒質中
に分散させる前にあらかじめ酸化膜で被覆されているこ
とが好ましい。
タルピーが高い場合には、超微粒子の酸化物の方が安定
であるため、超微粒子を透明媒質中に分散させた時に、
透明媒質を還元しつつ超微粒子の表面が酸化されること
になる。従って、この場合には、超微粒子を透明媒質中
に分散させる前にあらかじめ酸化膜で被覆されているこ
とが好ましい。
【０１２７】具体的に、光電子材料を構成する超微粒子
及び透明媒質の材料の代表的な組み合わせを以下の（表
１）に示す。
及び透明媒質の材料の代表的な組み合わせを以下の（表
１）に示す。
【０１２８】
【表１】
【０１２９】この（表１）において、Ａの組み合わせ
は、透明媒質の標準生成エンタルピーが超微粒子の酸化
物のそれよりも低い場合であり、超微粒子の酸化膜は必
要ない。
は、透明媒質の標準生成エンタルピーが超微粒子の酸化
物のそれよりも低い場合であり、超微粒子の酸化膜は必
要ない。
【０１３０】一方、Ｂの組み合わせは、透明媒質の標準
生成エンタルピーが超微粒子の酸化物のそれよりも高い
場合であり、超微粒子が酸化膜で被覆されていることが
好ましい。
生成エンタルピーが超微粒子の酸化物のそれよりも高い
場合であり、超微粒子が酸化膜で被覆されていることが
好ましい。
【０１３１】次に、以上の構成において、ＥＬ素子とし
ての動作特性について説明する。まず、本実施の形態の
ＥＬ素子としての動作は、半透明電極１６側に対して、
裏面電極１７側に、負の直流バイアスを印加する。これ
は、本実施の形態の発光素子が順方向バイアスで動作す
ることを意味する。
ての動作特性について説明する。まず、本実施の形態の
ＥＬ素子としての動作は、半透明電極１６側に対して、
裏面電極１７側に、負の直流バイアスを印加する。これ
は、本実施の形態の発光素子が順方向バイアスで動作す
ることを意味する。
【０１３２】このような条件により本実施の形態の光電
子材料を用いた発光素子を動作させた場合において、図
２は、発光素子の電流−電圧特性曲線図を示す。
子材料を用いた発光素子を動作させた場合において、図
２は、発光素子の電流−電圧特性曲線図を示す。
【０１３３】図２（ａ）は、縦軸（電流）・横軸（電
圧）ともにリニアスケール表示とし、横軸の印加電圧に
ついては、図１における半透明電極１６と光電子材料層
１３の界面に形成されるショットキー接合における順方
向電位をグラフ上の正方向としている。この図２（ａ）
によると、半透明電極１６と光電子材料層１３の界面の
ショットキー接合による強い整流特性が示されている。
また、順方向電圧印加時の高電流側での外挿から推定さ
れる発光素子全体としての外部直列抵抗は、４００Ω程
度である。
圧）ともにリニアスケール表示とし、横軸の印加電圧に
ついては、図１における半透明電極１６と光電子材料層
１３の界面に形成されるショットキー接合における順方
向電位をグラフ上の正方向としている。この図２（ａ）
によると、半透明電極１６と光電子材料層１３の界面の
ショットキー接合による強い整流特性が示されている。
また、順方向電圧印加時の高電流側での外挿から推定さ
れる発光素子全体としての外部直列抵抗は、４００Ω程
度である。
【０１３４】次に、図２（ｂ）は、縦軸（電流）のみ対
数スケール表示とし、横軸（電圧）はショットキー接合
における順方向電位をグラフ上の正方向としてリニアス
ケール表示したものである。この図の特性曲線の傾きか
らは、ショットキー接合の理想因子ｎ値を求めることが
できるが、本実施の形態の発光素子のｎ値は印加電圧依
存性を持っており、０．２Ｖ以下では１．８、これより
高い領域では１５程度まで増加していることがわかる。
一般に１を大きく越えて高いｎ値は、界面準位密度が高
く、かつこれらが帯電していることを意味する。つま
り、この点からも、本実施の形態の発明のＥＬ素子が発
光するのは、半透明電極１６と光電子材料層１３の界面
に形成されるショットキー接合に対し、順方向電圧を印
加した際であると考えられる。
数スケール表示とし、横軸（電圧）はショットキー接合
における順方向電位をグラフ上の正方向としてリニアス
ケール表示したものである。この図の特性曲線の傾きか
らは、ショットキー接合の理想因子ｎ値を求めることが
できるが、本実施の形態の発光素子のｎ値は印加電圧依
存性を持っており、０．２Ｖ以下では１．８、これより
高い領域では１５程度まで増加していることがわかる。
一般に１を大きく越えて高いｎ値は、界面準位密度が高
く、かつこれらが帯電していることを意味する。つま
り、この点からも、本実施の形態の発明のＥＬ素子が発
光するのは、半透明電極１６と光電子材料層１３の界面
に形成されるショットキー接合に対し、順方向電圧を印
加した際であると考えられる。
【０１３５】図３に、本実施の形態の光電子材料を用い
たＥＬ素子の発光強度−電流特性曲線図を示す。
たＥＬ素子の発光強度−電流特性曲線図を示す。
【０１３６】ここでは、縦軸（発光強度）・横軸（電
流）ともに対数スケール表示を用いている。図３によれ
ば、順方向の電流密度が３０ｍＡ／ｃｍ2（この際の順
方向電圧は約７．０Ｖ）の時に発光がはじまり、その
後、順方向電流の増加に従い、発光強度は単調に増大し
てゆくことがわかる。つまり、発光強度ＩELと、順方向
電流ｊとは、以下の関係式（数１）で表わせることにな
る。
流）ともに対数スケール表示を用いている。図３によれ
ば、順方向の電流密度が３０ｍＡ／ｃｍ2（この際の順
方向電圧は約７．０Ｖ）の時に発光がはじまり、その
後、順方向電流の増加に従い、発光強度は単調に増大し
てゆくことがわかる。つまり、発光強度ＩELと、順方向
電流ｊとは、以下の関係式（数１）で表わせることにな
る。
【０１３７】
【数１】
【０１３８】このように発光強度が順方向電流の３．５
乗に比例するとういことは、発光強度の順方向電流に対
する依存性がきわめて急峻であるということであり、こ
れまでの微結晶Ｓｉを活性層とする発光素子には、全く
観察されなかった新規な結果である。例えば、多孔質Ｓ
ｉ層を活性領域としたＥＬ素子においては、従来の技術
で述べたように、基本的に発光強度は、順方向電流に比
例し増大するに過ぎないものであった。このように、発
光強度の順方向電流に対する依存性が急峻であること
は、ダイナミックレンジが大きい、即ちコントラスト比
の高い、高画質な発光・表示素子を実現できることを意
味している。
乗に比例するとういことは、発光強度の順方向電流に対
する依存性がきわめて急峻であるということであり、こ
れまでの微結晶Ｓｉを活性層とする発光素子には、全く
観察されなかった新規な結果である。例えば、多孔質Ｓ
ｉ層を活性領域としたＥＬ素子においては、従来の技術
で述べたように、基本的に発光強度は、順方向電流に比
例し増大するに過ぎないものであった。このように、発
光強度の順方向電流に対する依存性が急峻であること
は、ダイナミックレンジが大きい、即ちコントラスト比
の高い、高画質な発光・表示素子を実現できることを意
味している。
【０１３９】図４に、本実施の形態のＥＬ素子のパルス
駆動時の発光強度−デューティー比特性曲線図を示す。
ここでは、縦軸（発光強度）・横軸（デューティー比）
ともに対数スケール表示を用いている。また、ＥＬ素子
への印加電圧は、パルス幅２０μｓ、電圧値３２Ｖと
し、周波数を変えることによりデューティー比を０．２
５％〜１００％（ＤＣ）まで変化させた。図４によれ
ば、発光強度はデューティー比の減少に比例して減少し
ていることがわかる。この結果は、発光効率が一定であ
ることを示している。つまり、本実施の形態のＥＬ素子
は、ＥＬ素子内での発熱の影響をほとんど受けないとい
える。さらに、２０μｓのパルス幅で駆動させても、Ｄ
Ｃと同等の発光効率が得られることから、μｓレベル以
下の応答速度を有しているといえる。
駆動時の発光強度−デューティー比特性曲線図を示す。
ここでは、縦軸（発光強度）・横軸（デューティー比）
ともに対数スケール表示を用いている。また、ＥＬ素子
への印加電圧は、パルス幅２０μｓ、電圧値３２Ｖと
し、周波数を変えることによりデューティー比を０．２
５％〜１００％（ＤＣ）まで変化させた。図４によれ
ば、発光強度はデューティー比の減少に比例して減少し
ていることがわかる。この結果は、発光効率が一定であ
ることを示している。つまり、本実施の形態のＥＬ素子
は、ＥＬ素子内での発熱の影響をほとんど受けないとい
える。さらに、２０μｓのパルス幅で駆動させても、Ｄ
Ｃと同等の発光効率が得られることから、μｓレベル以
下の応答速度を有しているといえる。
【０１４０】図５に、本実施の形態の光電子材料を用い
たＥＬ素子のフォトルミネッセンス（ＰＬ）及びＥＬ双
方のスペクトル（発光強度−光子エネルギー特性曲線
図）を示す。
たＥＬ素子のフォトルミネッセンス（ＰＬ）及びＥＬ双
方のスペクトル（発光強度−光子エネルギー特性曲線
図）を示す。
【０１４１】ここで、ＰＬの励起手法は、光子エネルギ
ー２．５４ｅＶ、パワー１０ｍＷのアルゴンイオン（Ａ
ｒ+）レーザを用い、活性層となる光電子材料層に直接
レーザ光を照射した。また、ＥＬの励起条件は、光電子
材料層への注入パワーを０．５５Ｗ〜１．１０Ｗとし、
発光活性領域は円形（３．１×１０-2ｃｍ2）とした。
ー２．５４ｅＶ、パワー１０ｍＷのアルゴンイオン（Ａ
ｒ+）レーザを用い、活性層となる光電子材料層に直接
レーザ光を照射した。また、ＥＬの励起条件は、光電子
材料層への注入パワーを０．５５Ｗ〜１．１０Ｗとし、
発光活性領域は円形（３．１×１０-2ｃｍ2）とした。
【０１４２】図５によれば、ＰＬでは、２．１０ｅＶ
（緑色）を中心としたメインピークと、１．６５ｅＶ
（赤色）を中心としたサブピークを持つ発光スペクトル
となっている。これに対し、ＥＬでは、中心光子エネル
ギーが１．６５ｅＶ（赤色）のブロードな発光スペクト
ルとなっている。また、ＥＬスペクトルのピーク位置
は、ＥＬ素子への注入パワーが増加するのに伴い低エネ
ルギー側に若干シフトしている。
（緑色）を中心としたメインピークと、１．６５ｅＶ
（赤色）を中心としたサブピークを持つ発光スペクトル
となっている。これに対し、ＥＬでは、中心光子エネル
ギーが１．６５ｅＶ（赤色）のブロードな発光スペクト
ルとなっている。また、ＥＬスペクトルのピーク位置
は、ＥＬ素子への注入パワーが増加するのに伴い低エネ
ルギー側に若干シフトしている。
【０１４３】この結果は、本実施の形態の光電子材料を
用いたＥＬ素子の発光原理が、発熱による黒体輻射によ
るものではないことを示している。なぜなら、黒体輻射
においては、温度の上昇に伴い輻射のピークが高エネル
ギー側にシフトするが、本実施の形態では、先に述べた
ように、注入パワーの増加（即ち温度上昇）に伴いむし
ろ低エネルギー側にシフトしている。さらに、黒体が
１．６５ｅＶにピークを持つ光を発する場合、その温度
は３８００Ｋと見積られるが、本実施の形態においてこ
のような高温になっていることはありえない。
用いたＥＬ素子の発光原理が、発熱による黒体輻射によ
るものではないことを示している。なぜなら、黒体輻射
においては、温度の上昇に伴い輻射のピークが高エネル
ギー側にシフトするが、本実施の形態では、先に述べた
ように、注入パワーの増加（即ち温度上昇）に伴いむし
ろ低エネルギー側にシフトしている。さらに、黒体が
１．６５ｅＶにピークを持つ光を発する場合、その温度
は３８００Ｋと見積られるが、本実施の形態においてこ
のような高温になっていることはありえない。
【０１４４】以上のような結果を呈する本実施の形態に
おける発光素子の動作原理は以下のごとく説明されると
考える。
おける発光素子の動作原理は以下のごとく説明されると
考える。
【０１４５】まず、順方向印加電圧により加速されたホ
ットエレクトロンは、光電子材料層１３に注入される。
注入されたホットエレクトロンは、Ｓｉ超微粒子１４本
体にまで到達すると、衝突イオン化により電子−正孔対
を励起（生成）する。この励起過程における量子効率
は、注入電子のエネルギーが４．０ｅＶのとき約１．０
に到達し、さらにエネルギーの上昇に伴い上昇してい
く。
ットエレクトロンは、光電子材料層１３に注入される。
注入されたホットエレクトロンは、Ｓｉ超微粒子１４本
体にまで到達すると、衝突イオン化により電子−正孔対
を励起（生成）する。この励起過程における量子効率
は、注入電子のエネルギーが４．０ｅＶのとき約１．０
に到達し、さらにエネルギーの上昇に伴い上昇してい
く。
【０１４６】ついで、一旦、注入された電子や励起され
た電子−正孔対は、Ｓｉ超微粒子１４と、その表面に形
成されているＳｉＯ2膜あるいは透明媒質１５との界面
によりＳｉ超微粒子１４内に閉じこめられ、印加電圧中
でＳｉ超微粒子１４内において電子−正孔対を生成して
いき、つまり、いわば増倍（ｍｕｔｉｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎ）現象を呈し、さらに多数の励起電子−正孔対を生成
していくことになる。そして、このように増倍的に生成
され続ける励起電子−正孔対に対応した輻射再結合中心
を介した再結合現象により、発光強度の順方向電流に対
する依存性がきわめて急峻である発光現象を呈すること
になるわけである。
た電子−正孔対は、Ｓｉ超微粒子１４と、その表面に形
成されているＳｉＯ2膜あるいは透明媒質１５との界面
によりＳｉ超微粒子１４内に閉じこめられ、印加電圧中
でＳｉ超微粒子１４内において電子−正孔対を生成して
いき、つまり、いわば増倍（ｍｕｔｉｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎ）現象を呈し、さらに多数の励起電子−正孔対を生成
していくことになる。そして、このように増倍的に生成
され続ける励起電子−正孔対に対応した輻射再結合中心
を介した再結合現象により、発光強度の順方向電流に対
する依存性がきわめて急峻である発光現象を呈すること
になるわけである。
【０１４７】さらにつけ加えると、本実施の形態では、
対象となるＳｉ超微粒子１４が粒径ｎｍレベルの球形を
しているため、超微粒子１４内に閉じこめられた電子や
励起電子−正孔対が移動する平均自由行程が短く、より
効果的に衝突イオン化による励起電子−正孔対を生成し
得ているとも考えられる。
対象となるＳｉ超微粒子１４が粒径ｎｍレベルの球形を
しているため、超微粒子１４内に閉じこめられた電子や
励起電子−正孔対が移動する平均自由行程が短く、より
効果的に衝突イオン化による励起電子−正孔対を生成し
得ているとも考えられる。
【０１４８】一方、従来の技術における第２の従来例で
説明した多孔質Ｓｉを活性層とするＥＬ素子では、基本
的に接合（ｐ−ｎ）における少数キャリアの注入により
励起電子−正孔対を生成しているものに過ぎず、励起電
子−正孔対の数は注入電流に比例し、結果として発光強
度も注入電流に比例することになるわけである。また、
この従来例では、多孔質Ｓｉがｎｍレベルの微細な構造
を有しているものの、実際には多孔質Ｓｉが線状の形状
をしているため、多孔質Ｓｉ中をキャリアがドリフトす
る際の平均自由行程が比較的長いことも、励起電子−正
孔対の発生効率に悪影響しているとも考えられる。
説明した多孔質Ｓｉを活性層とするＥＬ素子では、基本
的に接合（ｐ−ｎ）における少数キャリアの注入により
励起電子−正孔対を生成しているものに過ぎず、励起電
子−正孔対の数は注入電流に比例し、結果として発光強
度も注入電流に比例することになるわけである。また、
この従来例では、多孔質Ｓｉがｎｍレベルの微細な構造
を有しているものの、実際には多孔質Ｓｉが線状の形状
をしているため、多孔質Ｓｉ中をキャリアがドリフトす
る際の平均自由行程が比較的長いことも、励起電子−正
孔対の発生効率に悪影響しているとも考えられる。
【０１４９】さらに、図５で示したように、ＰＬとＥＬ
の発光スペクトルが一致しない理由は次のように考えら
れる。
の発光スペクトルが一致しない理由は次のように考えら
れる。
【０１５０】即ち、ＥＬ過程における衝突イオン化とそ
の増倍による励起電子−正孔対の生成では、注入される
ホットエレクトロンが、Ｓｉのバンドギャップ（１．１
ｅＶ）よりはるかに高いエネルギーを持っているために
（図５の励起条件では印加電圧２６〜３２Ｖであ
る。）、伝導帯中でもより高エネルギー側への遷移（い
わゆるハイヤーインターバンド遷移）が可能となる。故
に、最小バンド幅における輻射再結合のみならず、より
高いエネルギー差をもった輻射再結合も発生するように
なり、結果として発光スペクトルの幅がより幅広くなっ
てしまうと考えられる。
の増倍による励起電子−正孔対の生成では、注入される
ホットエレクトロンが、Ｓｉのバンドギャップ（１．１
ｅＶ）よりはるかに高いエネルギーを持っているために
（図５の励起条件では印加電圧２６〜３２Ｖであ
る。）、伝導帯中でもより高エネルギー側への遷移（い
わゆるハイヤーインターバンド遷移）が可能となる。故
に、最小バンド幅における輻射再結合のみならず、より
高いエネルギー差をもった輻射再結合も発生するように
なり、結果として発光スペクトルの幅がより幅広くなっ
てしまうと考えられる。
【０１５１】対して、ＰＬでは、注入される光子エネル
ギーが２．５４ｅＶと相対的に低いため、ハイヤーイン
ターバンド遷移が発生する割合は低く、発光スペクトル
の幅はＥＬよりも狭くなると考えられるのである。
ギーが２．５４ｅＶと相対的に低いため、ハイヤーイン
ターバンド遷移が発生する割合は低く、発光スペクトル
の幅はＥＬよりも狭くなると考えられるのである。
【０１５２】さらに、ＥＬでは、注入電子による衝突イ
オン化が、Ｓｉ超微粒子表面近傍のＳｉ超微粒子１４本
体で発生する。そのため、この励起過程は界面状態に極
めて敏感であるが、界面には帯電した界面準位が多数存
在しているため、バルクと同様な電子−正孔対の励起は
期待できず、特に高エネルギー側の励起効率が低下して
いると考えられる。
オン化が、Ｓｉ超微粒子表面近傍のＳｉ超微粒子１４本
体で発生する。そのため、この励起過程は界面状態に極
めて敏感であるが、界面には帯電した界面準位が多数存
在しているため、バルクと同様な電子−正孔対の励起は
期待できず、特に高エネルギー側の励起効率が低下して
いると考えられる。
【０１５３】対して、ＰＬでは、エネルギー２．５４ｅ
Ｖの励起光を照射した際の吸収係数の大きさから、Ｓｉ
超微粒子１４全体にわたってほぼ同一の強度の励起光が
貫くと考えられ、各々のＳｉ超微粒子１４の中心部も含
んだほぼ全体で、バルク的に電子−正孔対が励起される
と見積られ、高エネルギー側の励起効率が低下しないと
考えられるのである。
Ｖの励起光を照射した際の吸収係数の大きさから、Ｓｉ
超微粒子１４全体にわたってほぼ同一の強度の励起光が
貫くと考えられ、各々のＳｉ超微粒子１４の中心部も含
んだほぼ全体で、バルク的に電子−正孔対が励起される
と見積られ、高エネルギー側の励起効率が低下しないと
考えられるのである。
【０１５４】さて次に、本実施の形態の光電子材料を用
いた発光素子の構成において、光電子材料層１３中にｐ
−ｎ接合を形成することもでき、このような構成につい
て説明する。
いた発光素子の構成において、光電子材料層１３中にｐ
−ｎ接合を形成することもでき、このような構成につい
て説明する。
【０１５５】一例として、ｐ−ｎ接合を有する発光素子
の断面構造を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）において、
基板２１は、面方位（１００）、導電性がホウ素ドープ
のｐ−型、比抵抗が１０Ω・ｃｍであるｐ−型Ｓｉ基板
を一例として用いた。
の断面構造を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）において、
基板２１は、面方位（１００）、導電性がホウ素ドープ
のｐ−型、比抵抗が１０Ω・ｃｍであるｐ−型Ｓｉ基板
を一例として用いた。
【０１５６】ついで、ｐ−型Ｓｉ基板２１の上部表面に
は、ｐ−型光電子材料層２２が堆積されている。このｐ
−型光電子材料層２２は、Ｓｉ超微粒子２３が、透明媒
質２４中に分散されて構成されている。ここで、Ｓｉ超
微粒子２３は、形状がほぼ球形であり、結晶性はバルク
Ｓｉと同一の結晶構造を有し、かつ導電性は低濃度にホ
ウ素がド−プされたｐ−型であって、粒径は３〜１０ｎ
ｍ程度に調整されている。また、透明媒質２４は、一例
として、ＳｉＯ2薄膜を用い、Ｓｉ超微粒子２３の充填
率は２０％程度とした。この超微粒子堆積層であるｐ−
型光電子材料層２２の厚さは約１００ｎｍである。な
お、ｐ−型光電子材料層２２と基板２１はともにｐ−型
であるので、これらの界面には電気的障壁は形成されて
いない。
は、ｐ−型光電子材料層２２が堆積されている。このｐ
−型光電子材料層２２は、Ｓｉ超微粒子２３が、透明媒
質２４中に分散されて構成されている。ここで、Ｓｉ超
微粒子２３は、形状がほぼ球形であり、結晶性はバルク
Ｓｉと同一の結晶構造を有し、かつ導電性は低濃度にホ
ウ素がド−プされたｐ−型であって、粒径は３〜１０ｎ
ｍ程度に調整されている。また、透明媒質２４は、一例
として、ＳｉＯ2薄膜を用い、Ｓｉ超微粒子２３の充填
率は２０％程度とした。この超微粒子堆積層であるｐ−
型光電子材料層２２の厚さは約１００ｎｍである。な
お、ｐ−型光電子材料層２２と基板２１はともにｐ−型
であるので、これらの界面には電気的障壁は形成されて
いない。
【０１５７】ついで、ｐ−型光電子材料層２２に接し
て、ｎ−型光電子材料層２５を堆積する。このｎ−型光
電子材料層２５は、図１（ａ）の光電子材料層１３と同
様の構成であり、このｎ−型光電子材料層の厚さは約５
０ｎｍとした。さらに、このｎ−型光電子材料層の堆積
が完了した時点で、ボロンをイオン注入法により導入す
ることにより、高濃度ドープｎ−型とした。この際のイ
オン注入条件は、加速エネルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量
５×１０15ｃｍ-2とした。
て、ｎ−型光電子材料層２５を堆積する。このｎ−型光
電子材料層２５は、図１（ａ）の光電子材料層１３と同
様の構成であり、このｎ−型光電子材料層の厚さは約５
０ｎｍとした。さらに、このｎ−型光電子材料層の堆積
が完了した時点で、ボロンをイオン注入法により導入す
ることにより、高濃度ドープｎ−型とした。この際のイ
オン注入条件は、加速エネルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量
５×１０15ｃｍ-2とした。
【０１５８】さらに、ｎ−型光電子材料層２５の上部表
面には、一例として厚さ１０ｎｍで材質がＡｇの半透明
電極２６が接触し、ｎ−型光電子材料層２５と電気的に
はオーミック接触を形成している。
面には、一例として厚さ１０ｎｍで材質がＡｇの半透明
電極２６が接触し、ｎ−型光電子材料層２５と電気的に
はオーミック接触を形成している。
【０１５９】一方、基板２１の下部表面には、一例とし
てＡｇ製の裏面電極２７が設けられ、基板２１と電気的
にはオーミック接触を形成している。
てＡｇ製の裏面電極２７が設けられ、基板２１と電気的
にはオーミック接触を形成している。
【０１６０】もちろん、ｎ−型光電子材料層２５と半透
明電極２６との中間、及び基板２１と裏面電極２７との
中間に、各々、界面の電気的障壁高さを低減するため
に、膜厚２０ｎｍ程度の薄いＭｇ膜を配置してもよい。
明電極２６との中間、及び基板２１と裏面電極２７との
中間に、各々、界面の電気的障壁高さを低減するため
に、膜厚２０ｎｍ程度の薄いＭｇ膜を配置してもよい。
【０１６１】また、電極２６、２７は、Ａｇ以外にも、
Ｍｇ、インジウム、アルミニウム、金、白金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
Ｍｇ、インジウム、アルミニウム、金、白金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
【０１６２】そして、半透明電極２６と裏面電極２７
は、必要に応じ導電性ペースト２８等を介して、ワイヤ
リード線等により電源に接続されている。
は、必要に応じ導電性ペースト２８等を介して、ワイヤ
リード線等により電源に接続されている。
【０１６３】以上の構成において、順方向電圧（半透明
電極２６側が、裏面電極２７側に対して負）を印加する
と、電子が高濃度ｎ−型領域から低濃度ｐ−型領域へ、
正孔が低濃度ｐ−型領域から高濃度ｎ−型領域へと、少
数キャリアが相互に注入されることとなる。このｐ−ｎ
接合は、ショットキー接合を介して電子のみの注入を行
う先の構成よりも、電子−正孔対の生成が効率的に実現
できる効果を有する。
電極２６側が、裏面電極２７側に対して負）を印加する
と、電子が高濃度ｎ−型領域から低濃度ｐ−型領域へ、
正孔が低濃度ｐ−型領域から高濃度ｎ−型領域へと、少
数キャリアが相互に注入されることとなる。このｐ−ｎ
接合は、ショットキー接合を介して電子のみの注入を行
う先の構成よりも、電子−正孔対の生成が効率的に実現
できる効果を有する。
【０１６４】次に、以上の本実施の形態の光電子材料を
用いた発光素子において、可視光域で発光波長（光子エ
ネルギー）を制御する方法について説明する。
用いた発光素子において、可視光域で発光波長（光子エ
ネルギー）を制御する方法について説明する。
【０１６５】まず、第１の方法としては、光電子材料層
中のＳｉ超微粒子の本体の粒径（サイズ）を調整し、こ
の際生じる量子閉じ込め効果により、バンドギャップ幅
とこれに伴う吸収端発光エネルギーを直接可変するもの
である。
中のＳｉ超微粒子の本体の粒径（サイズ）を調整し、こ
の際生じる量子閉じ込め効果により、バンドギャップ幅
とこれに伴う吸収端発光エネルギーを直接可変するもの
である。
【０１６６】ここで、量子閉じ込め効果を発現させるた
めには、超微粒子のサイズとして、ド・ブロイ波長の２
倍程度が目安となる。以下の（表２）に、超微粒子の材
料となる半導体の、ド・ブロイ波長及び量子閉じ込め効
果を発現し得る粒径（直径）を示す。
めには、超微粒子のサイズとして、ド・ブロイ波長の２
倍程度が目安となる。以下の（表２）に、超微粒子の材
料となる半導体の、ド・ブロイ波長及び量子閉じ込め効
果を発現し得る粒径（直径）を示す。
【０１６７】
【表２】
【０１６８】この（表２）より、例えばＳｉを用いて量
子閉じ込め効果を発現させるには、Ｓｉ超微粒子の直径
は５ｎｍ以下となる。
子閉じ込め効果を発現させるには、Ｓｉ超微粒子の直径
は５ｎｍ以下となる。
【０１６９】また、図６（ａ）は、各種半導体超微粒子
からの吸収端発光エネルギーを、有効質量近似の成立す
る領域の量子閉じ込め効果を原理として、理論的に算出
したものである。
からの吸収端発光エネルギーを、有効質量近似の成立す
る領域の量子閉じ込め効果を原理として、理論的に算出
したものである。
【０１７０】この図より、可視領域での発光を得るため
には、（表２）で示した粒径にすればよいことがわか
る。
には、（表２）で示した粒径にすればよいことがわか
る。
【０１７１】さらに、図６（ｂ）は、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳ
ｉ−Ｇｅ混晶の球状超微粒子からの吸収端発光エネルギ
ーを、有効質量近似の成立する領域の量子閉じ込め効果
を原理として、理論的に算出したものである。この図に
よれば、３原色（ＲＧＢ）発光を得るためには、例えば
Ｓｉ単体超微粒子では、２．８ｎｍから４．０ｎｍの範
囲において粒径を制御することにより達成できることが
わかる。即ち、直径４．０ｎｍで赤色、３．２ｎｍで緑
色が発光できる。
ｉ−Ｇｅ混晶の球状超微粒子からの吸収端発光エネルギ
ーを、有効質量近似の成立する領域の量子閉じ込め効果
を原理として、理論的に算出したものである。この図に
よれば、３原色（ＲＧＢ）発光を得るためには、例えば
Ｓｉ単体超微粒子では、２．８ｎｍから４．０ｎｍの範
囲において粒径を制御することにより達成できることが
わかる。即ち、直径４．０ｎｍで赤色、３．２ｎｍで緑
色が発光できる。
【０１７２】しかし青色については、直径２．８ｎｍが
対応することになるが、実際には直径２ｎｍ台でのサイ
ズ制御はかなり困難である上に、前述したごとく衝突イ
オン化による電子−正孔対の励起は、高エネルギー側に
なるほど効率が低下してしまう。さらに、直径２ｎｍ台
の超微粒子の表面原子割合は７０％近くに達し、当然表
面欠陥とこれに伴う界面準位の影響は無視できないもの
になる。故に、Ｓｉ単体超微粒子において量子閉じ込め
効果による青色発生は実現が容易ではないともいえる。
対応することになるが、実際には直径２ｎｍ台でのサイ
ズ制御はかなり困難である上に、前述したごとく衝突イ
オン化による電子−正孔対の励起は、高エネルギー側に
なるほど効率が低下してしまう。さらに、直径２ｎｍ台
の超微粒子の表面原子割合は７０％近くに達し、当然表
面欠陥とこれに伴う界面準位の影響は無視できないもの
になる。故に、Ｓｉ単体超微粒子において量子閉じ込め
効果による青色発生は実現が容易ではないともいえる。
【０１７３】そこで、第２の方法として、Ｓｉ単体超微
粒子を活性発光層として青色を発生させるためには、Ｓ
ｉ超微粒子１４と表面酸化膜の界面における表面酸化膜
の分子配列を再構成し、青色の光子エネルギーに対応す
る局在発光中心を形成することが有効である。より具体
的には、Ｓｉ超微粒子の最表面を、例えば鎖状シロキセ
ン構造（鎖状ポリシラン骨格）とすることにより、青色
の発光が可能となる。
粒子を活性発光層として青色を発生させるためには、Ｓ
ｉ超微粒子１４と表面酸化膜の界面における表面酸化膜
の分子配列を再構成し、青色の光子エネルギーに対応す
る局在発光中心を形成することが有効である。より具体
的には、Ｓｉ超微粒子の最表面を、例えば鎖状シロキセ
ン構造（鎖状ポリシラン骨格）とすることにより、青色
の発光が可能となる。
【０１７４】また、化合物半導体の場合には、化合物半
導体の超微粒子が酸化できる場合にはその酸化膜の、酸
化できない場合には別種の誘電膜の分子配列を再構成す
る等により、発光光子エネルギーが制御できる。
導体の超微粒子が酸化できる場合にはその酸化膜の、酸
化できない場合には別種の誘電膜の分子配列を再構成す
る等により、発光光子エネルギーが制御できる。
【０１７５】（実施の形態２）以下、本発明の光電子材
料を用いた光電変換素子の原理的な構成を、実施の形態
２として、図７を用いて詳細に説明する。
料を用いた光電変換素子の原理的な構成を、実施の形態
２として、図７を用いて詳細に説明する。
【０１７６】本実施の形態においては、実施の形態１と
同様に、IV族半導体の内でも、代表的に表面が自身の熱
酸化膜にて被覆されたＳｉの超微粒子が、導電率あるい
は誘電率の制御可能な均質透明媒質中に分散された光電
子材料層を受光（活性）領域とした、光起電力型の受光
素子について説明するものである。
同様に、IV族半導体の内でも、代表的に表面が自身の熱
酸化膜にて被覆されたＳｉの超微粒子が、導電率あるい
は誘電率の制御可能な均質透明媒質中に分散された光電
子材料層を受光（活性）領域とした、光起電力型の受光
素子について説明するものである。
【０１７７】図７は、本実施の形態における光電子材料
を用いた光電変換素子の断面構造を示す。
を用いた光電変換素子の断面構造を示す。
【０１７８】図７において、７１は基板であり、一例と
して、面方位（１００）、導電性がリンドープのｎ−
型、比抵抗が０．０２〜０．０５Ω・ｃｍであるｎ−型
Ｓｉ基板を用いた。このｎ−型Ｓｉ基板７１の上部表面
には、一例としてのＳｉＯ2膜である分離絶縁膜７２が
厚さ１００ｎｍで形成されている。この分離絶縁膜７２
には、光電変換素子の受光（活性）領域たるべき箇所
に、直径１〜１０ｍｍ程度の開口部７２ａが形成され、
基板７１の表面が露出した形状になっている。
して、面方位（１００）、導電性がリンドープのｎ−
型、比抵抗が０．０２〜０．０５Ω・ｃｍであるｎ−型
Ｓｉ基板を用いた。このｎ−型Ｓｉ基板７１の上部表面
には、一例としてのＳｉＯ2膜である分離絶縁膜７２が
厚さ１００ｎｍで形成されている。この分離絶縁膜７２
には、光電変換素子の受光（活性）領域たるべき箇所
に、直径１〜１０ｍｍ程度の開口部７２ａが形成され、
基板７１の表面が露出した形状になっている。
【０１７９】そして、少なくとも開口部７２ａを被覆す
るように、光電子材料層７３が堆積されている。この光
電子材料層７３は、先に述べたように、Ｓｉ超微粒子７
４が透明媒質７５中に分散されて構成されている。この
光電子材料層７３の構成は、実施の形態１で述べた光電
子材料層１３と同様の構成である。即ち、Ｓｉ超微粒子
７４は、形状がほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと
同一の結晶構造を有し、かつ導電性は１０16〜１０18ｃ
ｍ-3程度の濃度にリンがド−プされたｎ−型であって、
粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整されている。この光電子
材料層７３の厚さは約１５０ｎｍである。さらに、この
Ｓｉ超微粒子７４は、その表面が不図示のＳｉＯ2膜に
より被覆されており、その厚さは例えば３ｎｍ以下とす
ればよい。
るように、光電子材料層７３が堆積されている。この光
電子材料層７３は、先に述べたように、Ｓｉ超微粒子７
４が透明媒質７５中に分散されて構成されている。この
光電子材料層７３の構成は、実施の形態１で述べた光電
子材料層１３と同様の構成である。即ち、Ｓｉ超微粒子
７４は、形状がほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと
同一の結晶構造を有し、かつ導電性は１０16〜１０18ｃ
ｍ-3程度の濃度にリンがド−プされたｎ−型であって、
粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整されている。この光電子
材料層７３の厚さは約１５０ｎｍである。さらに、この
Ｓｉ超微粒子７４は、その表面が不図示のＳｉＯ2膜に
より被覆されており、その厚さは例えば３ｎｍ以下とす
ればよい。
【０１８０】また、透明媒質７５は、可視光領域での透
過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が制御可能な均
質薄膜であり、ここでは、一例として、ＳｎＯ2薄膜を
用いた。このＳｎＯ2薄膜は、可視光透過率８０％以上
であり、その作製条件（基板温度、酸素分圧等）を調整
することにより、導電率あるいは誘電率を制御すること
が可能である。
過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が制御可能な均
質薄膜であり、ここでは、一例として、ＳｎＯ2薄膜を
用いた。このＳｎＯ2薄膜は、可視光透過率８０％以上
であり、その作製条件（基板温度、酸素分圧等）を調整
することにより、導電率あるいは誘電率を制御すること
が可能である。
【０１８１】そして、媒質７５の比抵抗は、分散させる
超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上であること
が好適である。ここでは、Ｓｉの比抵抗が０．０２〜
０．０５Ω・ｃｍであるので、ＳｎＯ2薄膜の比抵抗は
０．１〜１Ω・ｃｍとした。
超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上であること
が好適である。ここでは、Ｓｉの比抵抗が０．０２〜
０．０５Ω・ｃｍであるので、ＳｎＯ2薄膜の比抵抗は
０．１〜１Ω・ｃｍとした。
【０１８２】また、光電子材料層７３内のＳｉ超微粒子
７４の充填率は、実施の形態１で述べたように、量子閉
じ込めを効果的に行うために、２０％程度とし、実施の
形態１で定義した、均質な超微粒子分散透明媒質を形成
した。
７４の充填率は、実施の形態１で述べたように、量子閉
じ込めを効果的に行うために、２０％程度とし、実施の
形態１で定義した、均質な超微粒子分散透明媒質を形成
した。
【０１８３】さらに、光電子材料層７３の上部表面に
は、一例として厚さ１０ｎｍで材質がＰｔの半透明電極
７６が接触し、導電率の制御された透明媒質７５を含む
光電子材料層７３と電気的にはいわゆるショットキー接
合を形成している。また、基板７１の下部表面には、一
例としてＡｇ製の裏面電極７７が設けられ、基板７１と
電気的にはオーミック接触を形成している。もちろん、
基板７１と裏面電極７７の間に、界面の電気的障壁高さ
を低減するために、膜厚２０ｎｍ程度の薄いＭｇ膜を配
置してもよい。
は、一例として厚さ１０ｎｍで材質がＰｔの半透明電極
７６が接触し、導電率の制御された透明媒質７５を含む
光電子材料層７３と電気的にはいわゆるショットキー接
合を形成している。また、基板７１の下部表面には、一
例としてＡｇ製の裏面電極７７が設けられ、基板７１と
電気的にはオーミック接触を形成している。もちろん、
基板７１と裏面電極７７の間に、界面の電気的障壁高さ
を低減するために、膜厚２０ｎｍ程度の薄いＭｇ膜を配
置してもよい。
【０１８４】なお、電極７６と７７は、Ｐｔ、Ａｇ以外
にも、Ｍｇ、インジウム、アルミニウム、金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
にも、Ｍｇ、インジウム、アルミニウム、金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
【０１８５】そして、半透明電極７６と裏面電極７７
は、必要に応じ導電性ペースト７８等を介して、ワイヤ
リード線等により電源に接続されている。ここで、半透
明電極７６側における電源接続位置である導電性ペース
ト７８の位置は、受光（活性）領域を避けて配置するこ
とが好適である。
は、必要に応じ導電性ペースト７８等を介して、ワイヤ
リード線等により電源に接続されている。ここで、半透
明電極７６側における電源接続位置である導電性ペース
ト７８の位置は、受光（活性）領域を避けて配置するこ
とが好適である。
【０１８６】なお、ここでは光電子材料層を構成する超
微粒子の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態１でも
述べたように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV族半導
体が好適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化合
物半導体を用いてもよい。そして、均質な透明媒質とし
てＳｎＯ2薄膜を用いたが、分散させる超微粒子の比抵
抗と同程度あるいはそれ以上の比抵抗を有する他の導電
体薄膜あるいは誘電体薄膜を用いてもよい。
微粒子の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態１でも
述べたように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV族半導
体が好適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化合
物半導体を用いてもよい。そして、均質な透明媒質とし
てＳｎＯ2薄膜を用いたが、分散させる超微粒子の比抵
抗と同程度あるいはそれ以上の比抵抗を有する他の導電
体薄膜あるいは誘電体薄膜を用いてもよい。
【０１８７】例えば、超微粒子の比抵抗を不純物濃度に
より１〜１０-3Ω・ｃｍ程度の範囲で制御し、この超微
粒子の比抵抗に応じて、透明媒質の比抵抗を１０2〜１
０-2Ω・ｃｍ程度の範囲で制御すればよい。さらに、Ｓ
ｉ超微粒子が酸化膜に被覆されているが、実施の形態１
において、（表１）に示したように、微粒子と透明媒質
の組み合わせにより、酸化膜は省略してもかまわない。
より１〜１０-3Ω・ｃｍ程度の範囲で制御し、この超微
粒子の比抵抗に応じて、透明媒質の比抵抗を１０2〜１
０-2Ω・ｃｍ程度の範囲で制御すればよい。さらに、Ｓ
ｉ超微粒子が酸化膜に被覆されているが、実施の形態１
において、（表１）に示したように、微粒子と透明媒質
の組み合わせにより、酸化膜は省略してもかまわない。
【０１８８】次に、以上の構成において、光起電力型の
受光素子としての動作原理を説明する。
受光素子としての動作原理を説明する。
【０１８９】まず、本実施の形態の光電子材料を用いた
受光素子としての動作は、裏面電極７７側に対して、半
透明電極７６側に、負の直流バイアスを印加する。本素
子構造では、実施の形態１において図２（ａ）に示した
ように、半透明電極７６と光電子材料層７３の界面のシ
ョットキー接合による強い整流特性が示されており、こ
の逆方向バイアスは、数〜数十Ｖ程度とすればよい。
受光素子としての動作は、裏面電極７７側に対して、半
透明電極７６側に、負の直流バイアスを印加する。本素
子構造では、実施の形態１において図２（ａ）に示した
ように、半透明電極７６と光電子材料層７３の界面のシ
ョットキー接合による強い整流特性が示されており、こ
の逆方向バイアスは、数〜数十Ｖ程度とすればよい。
【０１９０】この状態で、光電子材料層７３にＳｉ超微
粒子７４のバンドギャップエネルギーよりも光子エネル
ギーの大きい光を照射すると、Ｓｉ超微粒子７４内で電
子−正孔対のキャリアが生成され、生成された電子は光
電子材料層７３側へ、正孔は半透明電極７６側へと、各
々移動する。この結果、半透明電極７６と光電子材料層
７３により形成されているショットキー接合部に光起電
力が生じる。この光起電力を検出することにより、受光
機能を呈する。
粒子７４のバンドギャップエネルギーよりも光子エネル
ギーの大きい光を照射すると、Ｓｉ超微粒子７４内で電
子−正孔対のキャリアが生成され、生成された電子は光
電子材料層７３側へ、正孔は半透明電極７６側へと、各
々移動する。この結果、半透明電極７６と光電子材料層
７３により形成されているショットキー接合部に光起電
力が生じる。この光起電力を検出することにより、受光
機能を呈する。
【０１９１】さて、本実施の形態の光電子材料を用いた
受光素子の構成においても、実施の形態１で図１（ｃ）
を用いて説明したように、光電子材料層７３の上層側半
分を高濃度ｎ−型とし、下層側半分及び基板を低濃度ｐ
−型としておくと、光電子材料層７３と金属半透明電極
７６の接触はオーミック性となり、光電子材料層７３の
中央にはｐ−ｎ接合が形成される。
受光素子の構成においても、実施の形態１で図１（ｃ）
を用いて説明したように、光電子材料層７３の上層側半
分を高濃度ｎ−型とし、下層側半分及び基板を低濃度ｐ
−型としておくと、光電子材料層７３と金属半透明電極
７６の接触はオーミック性となり、光電子材料層７３の
中央にはｐ−ｎ接合が形成される。
【０１９２】一例として、以下にｐ−ｎ接合を有する受
光素子の構造を概略説明する。まず、基板は、面方位
（１００）、導電性がホウ素ドープのｐ−型、比抵抗が
１Ω・ｃｍであるｐ−型Ｓｉ基板を用いた。
光素子の構造を概略説明する。まず、基板は、面方位
（１００）、導電性がホウ素ドープのｐ−型、比抵抗が
１Ω・ｃｍであるｐ−型Ｓｉ基板を用いた。
【０１９３】また、光電子材料層の下層側の低濃度ｐ−
型領域は、Ｓｉ超微粒子が透明媒質中に分散されて構成
されている。ここで、Ｓｉ超微粒子は、形状がほぼ球形
であり、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶構造を有し、
かつ導電性は低濃度にホウ素がド−プされたｐ−型であ
って、粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整されている。
型領域は、Ｓｉ超微粒子が透明媒質中に分散されて構成
されている。ここで、Ｓｉ超微粒子は、形状がほぼ球形
であり、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶構造を有し、
かつ導電性は低濃度にホウ素がド−プされたｐ−型であ
って、粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整されている。
【０１９４】この透明媒質は、一例として、ＳｉＯ2薄
膜を用い、Ｓｉ超微粒子の充填率は２０％程度とした。
このｐ−型超微粒子堆積層の厚さは約１００ｎｍであ
る。
膜を用い、Ｓｉ超微粒子の充填率は２０％程度とした。
このｐ−型超微粒子堆積層の厚さは約１００ｎｍであ
る。
【０１９５】ここで、低濃度ｐ−型領域と基板はともに
ｐ−型であるので、これらの界面には電気的障壁は形成
されていない。
ｐ−型であるので、これらの界面には電気的障壁は形成
されていない。
【０１９６】一方、光電子材料層の上層側の高濃度ｎ−
型領域は、図７の光電子材料層７３と同様の構成であ
り、この高濃度ｎ−型領域の厚さは約５０ｎｍとした。
なお、このｎ−型領域の堆積が完了した時点で、ボロン
をイオン注入法により導入することにより、高濃度ドー
プｎ−型とした。この際のイオン注入条件は、加速エネ
ルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０15ｃｍ-2とした。
型領域は、図７の光電子材料層７３と同様の構成であ
り、この高濃度ｎ−型領域の厚さは約５０ｎｍとした。
なお、このｎ−型領域の堆積が完了した時点で、ボロン
をイオン注入法により導入することにより、高濃度ドー
プｎ−型とした。この際のイオン注入条件は、加速エネ
ルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０15ｃｍ-2とした。
【０１９７】以上の構成において、逆方向電圧（半透明
電極側が、基板側に対して正）を印加した状態で光電子
材料層にＳｉ超微粒子のバンドギャップエネルギーより
も光子エネルギーの大きい光を照射すると、Ｓｉ超微粒
子内で電子−正孔対のキャリアが生成される。そして、
光電子材料層の内部で、電子が高濃度ｎ−型領域へ、正
孔が低濃度ｐ−型領域へと、少数キャリアが相互に加速
されることとなり、ｐ−ｎ接合部に光起電力が生じる。
このｐ−ｎ接合は、ショットキー接合の構成よりも、暗
電流が小さいという効果を有する。
電極側が、基板側に対して正）を印加した状態で光電子
材料層にＳｉ超微粒子のバンドギャップエネルギーより
も光子エネルギーの大きい光を照射すると、Ｓｉ超微粒
子内で電子−正孔対のキャリアが生成される。そして、
光電子材料層の内部で、電子が高濃度ｎ−型領域へ、正
孔が低濃度ｐ−型領域へと、少数キャリアが相互に加速
されることとなり、ｐ−ｎ接合部に光起電力が生じる。
このｐ−ｎ接合は、ショットキー接合の構成よりも、暗
電流が小さいという効果を有する。
【０１９８】ところで、Ｓｉのバンドギャップエネルギ
ーは１．１ｅＶ（限界受光波長は１１００ｎｍ）である
ため、バルクＳｉはほぼ可視光領域全域に受光感度を有
する。 これに対し、以上の本実施の形態の光電変換素
子において、受光波長領域を制御する方法について説明
する。
ーは１．１ｅＶ（限界受光波長は１１００ｎｍ）である
ため、バルクＳｉはほぼ可視光領域全域に受光感度を有
する。 これに対し、以上の本実施の形態の光電変換素
子において、受光波長領域を制御する方法について説明
する。
【０１９９】まず、第１の方法としては、Ｓｉ超微粒子
本体の粒径（サイズ）を調整し、この際生じる量子閉じ
込め効果により、バンドギャップエネルギーを直接可変
するものである。この量子閉じ込め効果を発現させるた
めの超微粒子のサイズは材料により異なり、前述の（表
２）に示した通りである。
本体の粒径（サイズ）を調整し、この際生じる量子閉じ
込め効果により、バンドギャップエネルギーを直接可変
するものである。この量子閉じ込め効果を発現させるた
めの超微粒子のサイズは材料により異なり、前述の（表
２）に示した通りである。
【０２００】例えば、Ｓｉ単体超微粒子では、図６に示
したように、直径４．０ｎｍで赤色、３．２ｎｍで緑
色、２．８ｎｍで青色が吸収端領域となる。従って、Ｓ
ｉ単体超微粒子の直径を３ｎｍ以下とすれば、カラーフ
ィルターを用いることなく青色領域より高エネルギー側
に感度を有する受光素子が実現できる。
したように、直径４．０ｎｍで赤色、３．２ｎｍで緑
色、２．８ｎｍで青色が吸収端領域となる。従って、Ｓ
ｉ単体超微粒子の直径を３ｎｍ以下とすれば、カラーフ
ィルターを用いることなく青色領域より高エネルギー側
に感度を有する受光素子が実現できる。
【０２０１】しかしながら、実施の形態１でも述べたよ
うに、実際には直径２ｎｍ台でのサイズ制御はかなり困
難である上に、直径２ｎｍ台の超微粒子の表面原子割合
は７０％近くに達し、当然表面欠陥とこれに伴う界面準
位の影響は無視できないものになる。
うに、実際には直径２ｎｍ台でのサイズ制御はかなり困
難である上に、直径２ｎｍ台の超微粒子の表面原子割合
は７０％近くに達し、当然表面欠陥とこれに伴う界面準
位の影響は無視できないものになる。
【０２０２】そこで、第２の方法として、Ｓｉ超微粒子
と表面酸化膜の界面における表面酸化膜の分子配列を再
構成し、例えば青色の光子エネルギーに対応する局在発
光中心を形成することが有効である。より具体的には、
Ｓｉ超微粒子の最表面を、例えば鎖状シロキセン構造
（鎖状ポリシラン骨格）とすることにより、青色領域で
の受光感度が向上する。
と表面酸化膜の界面における表面酸化膜の分子配列を再
構成し、例えば青色の光子エネルギーに対応する局在発
光中心を形成することが有効である。より具体的には、
Ｓｉ超微粒子の最表面を、例えば鎖状シロキセン構造
（鎖状ポリシラン骨格）とすることにより、青色領域で
の受光感度が向上する。
【０２０３】また、化合物半導体の場合には、化合物半
導体の超微粒子が酸化できる場合にはその酸化膜の、酸
化できない場合には別種の誘電膜の分子配列を再構成す
る等により、受光波長領域が制御できる。
導体の超微粒子が酸化できる場合にはその酸化膜の、酸
化できない場合には別種の誘電膜の分子配列を再構成す
る等により、受光波長領域が制御できる。
【０２０４】以上のような受光特性を有する本実施の形
態の光電変換素子を用いれば、フィルター等を用いる必
要の無い、IV族半導体から成る紫外線センサあるいは青
色センサを構成することができる。
態の光電変換素子を用いれば、フィルター等を用いる必
要の無い、IV族半導体から成る紫外線センサあるいは青
色センサを構成することができる。
【０２０５】さらに、実施の形態１及び以上の説明から
明らかなように、本実施の形態の光電子材料を用いた光
電変換素子は、発光素子としての機能も有する。即ち、
図７において、半透明電極７６側に対して、裏面電極７
７側に負の直流バイアスを印加すると、光電子材料層７
３にホットエレクトロンが注入され、電子−正孔対を励
起させる。励起された電子−正孔対は、再結合過程にお
いて、超微粒子のバンドギャップエネルギーに応じた発
光を呈することになる。従って、受発光が同じ構成で可
能な光電変換素子を得ることができる。
明らかなように、本実施の形態の光電子材料を用いた光
電変換素子は、発光素子としての機能も有する。即ち、
図７において、半透明電極７６側に対して、裏面電極７
７側に負の直流バイアスを印加すると、光電子材料層７
３にホットエレクトロンが注入され、電子−正孔対を励
起させる。励起された電子−正孔対は、再結合過程にお
いて、超微粒子のバンドギャップエネルギーに応じた発
光を呈することになる。従って、受発光が同じ構成で可
能な光電変換素子を得ることができる。
【０２０６】（実施の形態３）以下、本発明の他の光電
変換素子の原理的な構成を、実施の形態３として、図８
を用いて詳細に説明する。
変換素子の原理的な構成を、実施の形態３として、図８
を用いて詳細に説明する。
【０２０７】本実施の形態においては、実施の形態１と
同様にIV族半導体であるＳｉの超微粒子が、導電率ある
いは誘電率の制御可能な均質な透明媒質中に分散された
光電子材料層を受光（活性）領域とした、光導電型の受
光素子について説明するものである。
同様にIV族半導体であるＳｉの超微粒子が、導電率ある
いは誘電率の制御可能な均質な透明媒質中に分散された
光電子材料層を受光（活性）領域とした、光導電型の受
光素子について説明するものである。
【０２０８】図８は、本実施の形態における光電子材料
が用いられた光電変換素子の断面構造を示す。
が用いられた光電変換素子の断面構造を示す。
【０２０９】図８において、８１は基板であり、一例と
して、ガラス基板を用いた。このガラス基板８１の上部
表面には、一例としてのＰｔの下部電極８２が形成され
ている。そして、この下部電極８２の上部表面には、光
電子材料層８３が堆積されている。この光電子材料層８
３は、先に述べたように、Ｓｉ超微粒子８４が透明媒質
８５中に分散されて構成されている。このＳｉ超微粒子
８４は、形状がほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと
同一の結晶構造を有し、かつ導電性は低濃度にホウ素が
ド−プされたｐ−型であって、粒径は３〜１０ｎｍ程度
に調整されている。また、透明媒質８５は、可視光領域
での透過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が制御可
能な均質薄膜であり、ここでは、一例として、ＳｎＯ2
薄膜を用いた。このＳｎＯ2薄膜は、可視光透過率８０
％以上であり、さらに、その作製条件（基板温度、酸素
分圧等）を調整することにより、導電率あるいは誘電率
を制御することが可能である。
して、ガラス基板を用いた。このガラス基板８１の上部
表面には、一例としてのＰｔの下部電極８２が形成され
ている。そして、この下部電極８２の上部表面には、光
電子材料層８３が堆積されている。この光電子材料層８
３は、先に述べたように、Ｓｉ超微粒子８４が透明媒質
８５中に分散されて構成されている。このＳｉ超微粒子
８４は、形状がほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと
同一の結晶構造を有し、かつ導電性は低濃度にホウ素が
ド−プされたｐ−型であって、粒径は３〜１０ｎｍ程度
に調整されている。また、透明媒質８５は、可視光領域
での透過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が制御可
能な均質薄膜であり、ここでは、一例として、ＳｎＯ2
薄膜を用いた。このＳｎＯ2薄膜は、可視光透過率８０
％以上であり、さらに、その作製条件（基板温度、酸素
分圧等）を調整することにより、導電率あるいは誘電率
を制御することが可能である。
【０２１０】ここで、本実施の形態では、光導電型の受
光素子であるため、暗状態では抵抗値が最大になり、明
状態（光照射時）では抵抗値が二桁程度以上低下するこ
とが好適である。
光素子であるため、暗状態では抵抗値が最大になり、明
状態（光照射時）では抵抗値が二桁程度以上低下するこ
とが好適である。
【０２１１】例えば、暗状態での抵抗は百〜数百ｋΩで
あり、光照射時には抵抗値が十〜数十ｋΩ程度になるよ
うにすればよい。ここでは、一例として、Ｓｉ超微粒子
８４及び透明媒質８５であるＳｎＯ2の比抵抗を１Ω・
ｃｍとし、光電子材料層８３の厚さを１００ｎｍとし
た。この構成の光電子材料層の暗状態での抵抗は１００
ｋΩ程度となる。
あり、光照射時には抵抗値が十〜数十ｋΩ程度になるよ
うにすればよい。ここでは、一例として、Ｓｉ超微粒子
８４及び透明媒質８５であるＳｎＯ2の比抵抗を１Ω・
ｃｍとし、光電子材料層８３の厚さを１００ｎｍとし
た。この構成の光電子材料層の暗状態での抵抗は１００
ｋΩ程度となる。
【０２１２】一方、この光電子材料層に光が照射される
と、後に動作原理で説明するようにキャリアが生成さ
れ、外部電界によって加速されて増倍現象を呈すること
により、抵抗値が１０ｋΩ程度にまで低下することにな
る。
と、後に動作原理で説明するようにキャリアが生成さ
れ、外部電界によって加速されて増倍現象を呈すること
により、抵抗値が１０ｋΩ程度にまで低下することにな
る。
【０２１３】なお、ここでは光電子材料層を構成する超
微粒子の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態１及び
２でも述べたように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV
族半導体が好適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI
族化合物半導体を用いてもよい。そして、均質な透明媒
質としてＳｎＯ2薄膜を用いたが、分散させる超微粒子
の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の比抵抗を有する他
の導電体薄膜あるいは誘電体薄膜を用いてもよい。
微粒子の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態１及び
２でも述べたように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV
族半導体が好適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI
族化合物半導体を用いてもよい。そして、均質な透明媒
質としてＳｎＯ2薄膜を用いたが、分散させる超微粒子
の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の比抵抗を有する他
の導電体薄膜あるいは誘電体薄膜を用いてもよい。
【０２１４】さらに、光電子材料層８３の上部表面に
は、一例として厚さ１０ｎｍで材質がＰｔの半透明電極
８６が接触している。
は、一例として厚さ１０ｎｍで材質がＰｔの半透明電極
８６が接触している。
【０２１５】なお、電極８２と８６は、Ｐｔ以外にも、
Ｍｇ、Ａｇ、インジウム、アルミニウム、金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
Ｍｇ、Ａｇ、インジウム、アルミニウム、金、タングス
テン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッ
ケル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも
可能である。
【０２１６】そして、半透明電極８６と下部電極８２
は、必要に応じ導電性ペースト等を介して、ワイヤリー
ド線等により抵抗計に接続されている。
は、必要に応じ導電性ペースト等を介して、ワイヤリー
ド線等により抵抗計に接続されている。
【０２１７】次に、以上の構成において、光導電型の受
光素子としての動作原理を説明する。
光素子としての動作原理を説明する。
【０２１８】本実施の形態の光電子材料を用いた受光素
子としての動作は、光電子材料層８３に光が照射される
と、光電子材料層８３のＳｉ超微粒子８４内で光エネル
ギーが吸収され、価電子帯あるいはドナー準位にある電
子が伝導帯に励起される。これが自由電子となり、外部
電界によって加速され、増倍現象を呈してさらに多数の
自由電子を生成して、電極に達する。この結果、光電子
材料層８３の内部抵抗が減少する。この内部抵抗の変化
を検出することにより、受光機能を呈する。
子としての動作は、光電子材料層８３に光が照射される
と、光電子材料層８３のＳｉ超微粒子８４内で光エネル
ギーが吸収され、価電子帯あるいはドナー準位にある電
子が伝導帯に励起される。これが自由電子となり、外部
電界によって加速され、増倍現象を呈してさらに多数の
自由電子を生成して、電極に達する。この結果、光電子
材料層８３の内部抵抗が減少する。この内部抵抗の変化
を検出することにより、受光機能を呈する。
【０２１９】本実施の形態の光電子材料を用いた光電変
換素子において、受光波長領域を制御する方法について
は、実施の形態２で述べたように、Ｓｉ超微粒子８４本
体の粒径（サイズ）を調整し、この際に生じる量子閉じ
込め効果により、バンドギャップエネルギーを直接可変
する方法と、超微粒子が酸化できる場合にはその酸化膜
の、酸化できない場合には別種の誘電膜の分子配列を再
構成する等により制御する方法がある。
換素子において、受光波長領域を制御する方法について
は、実施の形態２で述べたように、Ｓｉ超微粒子８４本
体の粒径（サイズ）を調整し、この際に生じる量子閉じ
込め効果により、バンドギャップエネルギーを直接可変
する方法と、超微粒子が酸化できる場合にはその酸化膜
の、酸化できない場合には別種の誘電膜の分子配列を再
構成する等により制御する方法がある。
【０２２０】以上のような受光特性を有する本実施の形
態の光電変換素子を用いれば、フィルター等を用いる必
要の無い、IV族半導体から成る紫外線センサあるいは青
色センサを構成することができる。
態の光電変換素子を用いれば、フィルター等を用いる必
要の無い、IV族半導体から成る紫外線センサあるいは青
色センサを構成することができる。
【０２２１】（実施の形態４）以下、本発明の他の光電
子材料の原理的な構成を、実施の形態４として、図９及
び図１０を用いて詳細に説明する。
子材料の原理的な構成を、実施の形態４として、図９及
び図１０を用いて詳細に説明する。
【０２２２】本実施の形態においては、IV族半導体の内
でも、代表的に表面が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳ
ｉの超微粒子が均質透明媒質中に分散された超微粒子分
散層を発光（活性）領域とした、フォトルミネッセンス
（ＰＬ）発光部材としての光電子材料について説明する
ものである。
でも、代表的に表面が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳ
ｉの超微粒子が均質透明媒質中に分散された超微粒子分
散層を発光（活性）領域とした、フォトルミネッセンス
（ＰＬ）発光部材としての光電子材料について説明する
ものである。
【０２２３】なお、実施の形態１において、（表１）を
用いて説明したように、超微粒子と透明媒質の組み合わ
せによっては、超微粒子の酸化膜は省略してもかまわな
い。
用いて説明したように、超微粒子と透明媒質の組み合わ
せによっては、超微粒子の酸化膜は省略してもかまわな
い。
【０２２４】図９は、本実施の形態の光電子材料の断面
構造を示す。図９（ａ）において、９１は基板であり、
一例として、面方位（１００）、導電性がリンドープの
ｎ−型、比抵抗が１０Ω・ｃｍであるｎ−型Ｓｉ基板を
用いた。このｎ−型Ｓｉ基板９１の上部表面には、低屈
折率を有する透明材質層９２と、高屈折率を有する超微
粒子分散層９３とが交互に所定の周期で積層され、周期
構造を形成している。ここで、透明材質層９２は、可視
光領域での透過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が
制御可能な均質薄膜であり、一例として、酸化インジウ
ム−錫（Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2：ＩＴＯ）薄膜を用いた。
このＩＴＯ薄膜は、可視光透過率９０％以上であり、さ
らに、その作製条件（基板温度、酸素分圧等）を調整す
ることにより、導電率及び誘電率を制御することが可能
である。例えば、蒸着法によりＩＴＯ薄膜を作製する際
のＳｎＯ2の添加率を数〜数十重量％の範囲で調整する
ことにより、比抵抗を１０-4〜１０-2Ω・ｃｍ程度の範
囲で制御することができる。また、誘電率も、４〜５程
度の範囲で制御することができる。
構造を示す。図９（ａ）において、９１は基板であり、
一例として、面方位（１００）、導電性がリンドープの
ｎ−型、比抵抗が１０Ω・ｃｍであるｎ−型Ｓｉ基板を
用いた。このｎ−型Ｓｉ基板９１の上部表面には、低屈
折率を有する透明材質層９２と、高屈折率を有する超微
粒子分散層９３とが交互に所定の周期で積層され、周期
構造を形成している。ここで、透明材質層９２は、可視
光領域での透過率が高く、かつ導電率あるいは誘電率が
制御可能な均質薄膜であり、一例として、酸化インジウ
ム−錫（Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2：ＩＴＯ）薄膜を用いた。
このＩＴＯ薄膜は、可視光透過率９０％以上であり、さ
らに、その作製条件（基板温度、酸素分圧等）を調整す
ることにより、導電率及び誘電率を制御することが可能
である。例えば、蒸着法によりＩＴＯ薄膜を作製する際
のＳｎＯ2の添加率を数〜数十重量％の範囲で調整する
ことにより、比抵抗を１０-4〜１０-2Ω・ｃｍ程度の範
囲で制御することができる。また、誘電率も、４〜５程
度の範囲で制御することができる。
【０２２５】なお、ここでは均質な透明材質層としてＩ
ＴＯ薄膜を用いたが、後述する周期構造の設計に従い、
低屈折率層として所望の誘電率を有する均質薄膜を用い
ることが好ましく、他の導電体薄膜、例えばＳｎＯ2、
ＴｉＯ2、ＩｎＯ2薄膜等を用いてもよく、ＳｉＯ2、Ａ
ｌ2Ｏ3等の誘電体薄膜を用いることも可能である。さら
に、本実施の形態の光電子材料は、実施の形態１〜３で
述べた発光素子あるいは光電変換素子の光電子材料層と
して用いることができるが、この場合、この透明材質層
は導電率の高いことが好ましい。
ＴＯ薄膜を用いたが、後述する周期構造の設計に従い、
低屈折率層として所望の誘電率を有する均質薄膜を用い
ることが好ましく、他の導電体薄膜、例えばＳｎＯ2、
ＴｉＯ2、ＩｎＯ2薄膜等を用いてもよく、ＳｉＯ2、Ａ
ｌ2Ｏ3等の誘電体薄膜を用いることも可能である。さら
に、本実施の形態の光電子材料は、実施の形態１〜３で
述べた発光素子あるいは光電変換素子の光電子材料層と
して用いることができるが、この場合、この透明材質層
は導電率の高いことが好ましい。
【０２２６】さらに、超微粒子分散層９３は、図９
（ｂ）に示すように、透明媒質９４中にＳｉ超微粒子９
５が分散されて構成されている。この超微粒子分散層９
３の構成は、実施の形態１で述べた光電子材料層１３と
同様の構成である。即ち、Ｓｉ超微粒子９５は、形状が
ほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶構造
を有し、かつ導電性は低濃度にリンがド−プされたｎ−
型であって、粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整されてい
る。さらに、このＳｉ超微粒子９５は、その表面が不図
示のＳｉＯ2膜により被覆されており、その厚さは例え
ば３ｎｍ以下とすればよい。
（ｂ）に示すように、透明媒質９４中にＳｉ超微粒子９
５が分散されて構成されている。この超微粒子分散層９
３の構成は、実施の形態１で述べた光電子材料層１３と
同様の構成である。即ち、Ｓｉ超微粒子９５は、形状が
ほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶構造
を有し、かつ導電性は低濃度にリンがド−プされたｎ−
型であって、粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整されてい
る。さらに、このＳｉ超微粒子９５は、その表面が不図
示のＳｉＯ2膜により被覆されており、その厚さは例え
ば３ｎｍ以下とすればよい。
【０２２７】また、透明媒質９４は、可視光領域での透
過率が高く、かつ導電率及び誘電率が制御可能な均質薄
膜であり、ここでは、一例として、ＳｎＯ2薄膜を用い
た。さらに、媒質の比抵抗は、分散させる超微粒子の比
抵抗と同程度あるいはそれ以上であることが好適であ
り、ここでは、一例として、１００Ω・ｃｍ程度とし
た。
過率が高く、かつ導電率及び誘電率が制御可能な均質薄
膜であり、ここでは、一例として、ＳｎＯ2薄膜を用い
た。さらに、媒質の比抵抗は、分散させる超微粒子の比
抵抗と同程度あるいはそれ以上であることが好適であ
り、ここでは、一例として、１００Ω・ｃｍ程度とし
た。
【０２２８】さらに、光電子材料層９３内のＳｉ超微粒
子９５の充填率は、実施の形態１で述べたように、キャ
リアの量子閉じ込めを効果的に行うために、２０％程度
とした。
子９５の充填率は、実施の形態１で述べたように、キャ
リアの量子閉じ込めを効果的に行うために、２０％程度
とした。
【０２２９】なお、ここでは超微粒子分散層を構成する
超微粒子の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態１で
も述べたように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV族半
導体が好適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化
合物半導体を用いてもよい。そして、均質な透明媒質と
してＳｎＯ2薄膜を用いたが、後述する周期構造の設計
に従い、高屈折率層として所望の誘電率を有する均質薄
膜を用いることが好ましく、他の導電体薄膜あるいは誘
電体薄膜を用いてもよい。さらに、本実施の形態の光電
子材料は、実施の形態１〜３で述べた発光素子あるいは
光電変換素子の光電子材料層として用いることができる
が、この場合、この超微粒子分散層の透明媒質は、分散
させる超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の比
抵抗を有することが望ましい。
超微粒子の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態１で
も述べたように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV族半
導体が好適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化
合物半導体を用いてもよい。そして、均質な透明媒質と
してＳｎＯ2薄膜を用いたが、後述する周期構造の設計
に従い、高屈折率層として所望の誘電率を有する均質薄
膜を用いることが好ましく、他の導電体薄膜あるいは誘
電体薄膜を用いてもよい。さらに、本実施の形態の光電
子材料は、実施の形態１〜３で述べた発光素子あるいは
光電変換素子の光電子材料層として用いることができる
が、この場合、この超微粒子分散層の透明媒質は、分散
させる超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の比
抵抗を有することが望ましい。
【０２３０】次に、本実施の形態の光電子材料におけ
る、周期構造の設計方法について説明する。
る、周期構造の設計方法について説明する。
【０２３１】本実施の形態の光電子材料が後述するよう
な発光現象を呈する場合、所望の発光光の中心波長をλ
とした場合、透明材質層９２と超微粒子分散層９３との
積層の１周期の光学膜厚（屈折率×膜厚）がλ／２とな
るように交互に積層する。本実施の形態では、周期構造
の設計の一例として、λを６００ｎｍとし、各層の光学
膜厚が１５０ｎｍ（λ／４）となるようにした。より具
体的には、ＩＴＯ薄膜の典型的な屈折率は２．１なの
で、低屈折率層である透明材質層９２の膜厚は７１ｎｍ
とした。
な発光現象を呈する場合、所望の発光光の中心波長をλ
とした場合、透明材質層９２と超微粒子分散層９３との
積層の１周期の光学膜厚（屈折率×膜厚）がλ／２とな
るように交互に積層する。本実施の形態では、周期構造
の設計の一例として、λを６００ｎｍとし、各層の光学
膜厚が１５０ｎｍ（λ／４）となるようにした。より具
体的には、ＩＴＯ薄膜の典型的な屈折率は２．１なの
で、低屈折率層である透明材質層９２の膜厚は７１ｎｍ
とした。
【０２３２】また、超微粒子分散層９３については、平
均有効媒質理論を基に設計した。即ち、超微粒子分散層
が、誘電率εmの透明媒質中に誘電率εの球形超微粒子
が充填率ｆで分散されて構成されているとする。超微粒
子の粒径が波長に比べて十分小さい場合、超微粒子分散
層の平均としての誘電率εavは、以下の関係式（数２）
で表される。
均有効媒質理論を基に設計した。即ち、超微粒子分散層
が、誘電率εmの透明媒質中に誘電率εの球形超微粒子
が充填率ｆで分散されて構成されているとする。超微粒
子の粒径が波長に比べて十分小さい場合、超微粒子分散
層の平均としての誘電率εavは、以下の関係式（数２）
で表される。
【０２３３】
【数２】
【０２３４】本実施の形態では、ＳｎＯ2薄膜の典型的
な誘電率は４．８であり、Ｓｉ超微粒子の誘電率は、近
似的にバルクＳｉの値（１１．９）を用いる。また、充
填率ｆは２０％とすると、超微粒子分散層の平均の誘電
率は、上式より５．８となる。屈折率は、誘電率の１／
２乗と近似できるので、超微粒子分散層の平均の屈折率
は、２．４と得られる。従って、高屈折率層である超微
粒子分散層の膜厚は６３ｎｍとした。
な誘電率は４．８であり、Ｓｉ超微粒子の誘電率は、近
似的にバルクＳｉの値（１１．９）を用いる。また、充
填率ｆは２０％とすると、超微粒子分散層の平均の誘電
率は、上式より５．８となる。屈折率は、誘電率の１／
２乗と近似できるので、超微粒子分散層の平均の屈折率
は、２．４と得られる。従って、高屈折率層である超微
粒子分散層の膜厚は６３ｎｍとした。
【０２３５】なお、ここでは、各層の光学膜厚をλ／４
としたが、超微粒子分散層９３での吸収を考慮して、透
明材質層９２と超微粒子分散層９３との積層の１周期の
光学膜厚はλ／２とした上で、超微粒子分散層９３の光
学膜厚をλ／４より小さくしてもよい。これにより、本
実施の形態の光電子材料の発光光を取り出す効率を高め
ることができる。
としたが、超微粒子分散層９３での吸収を考慮して、透
明材質層９２と超微粒子分散層９３との積層の１周期の
光学膜厚はλ／２とした上で、超微粒子分散層９３の光
学膜厚をλ／４より小さくしてもよい。これにより、本
実施の形態の光電子材料の発光光を取り出す効率を高め
ることができる。
【０２３６】次に、以上の構成の光電子材料における発
光の動作原理を説明する。まず、本実施の形態の光電子
材料のＰＬ発光部材としての動作は、実施の形態１で詳
細に述べたように、超微粒子のバンドギャップエネルギ
ー（Ｅｇ）以上の光子エネルギーを有する光を照射する
と、超微粒子分散層９３中のＳｉ超微粒子９５において
電子−正孔対が生成される。生成された電子−正孔対
は、対応した輻射再結合中心を介した再結合現象によ
り、超微粒子のＥｇに応じた発光を呈する。
光の動作原理を説明する。まず、本実施の形態の光電子
材料のＰＬ発光部材としての動作は、実施の形態１で詳
細に述べたように、超微粒子のバンドギャップエネルギ
ー（Ｅｇ）以上の光子エネルギーを有する光を照射する
と、超微粒子分散層９３中のＳｉ超微粒子９５において
電子−正孔対が生成される。生成された電子−正孔対
は、対応した輻射再結合中心を介した再結合現象によ
り、超微粒子のＥｇに応じた発光を呈する。
【０２３７】元来IV族半導体は間接遷移型なので、輻射
再結合の発生確率は極めて少ないが、形状を粒径が数ｎ
ｍオーダーの超微粒子にするとその確率が増大し、強い
発光を呈することが可能となる。ここで、発光波長の制
御方法は、実施の形態１で述べたように、量子閉じ込め
効果によるＥｇの増大現象を利用する。即ち、Ｓｉ超微
粒子の粒径（サイズ）、表面原子配列の構造等を調整す
ることにより、必要とする発光波長を得ることが可能と
なる。
再結合の発生確率は極めて少ないが、形状を粒径が数ｎ
ｍオーダーの超微粒子にするとその確率が増大し、強い
発光を呈することが可能となる。ここで、発光波長の制
御方法は、実施の形態１で述べたように、量子閉じ込め
効果によるＥｇの増大現象を利用する。即ち、Ｓｉ超微
粒子の粒径（サイズ）、表面原子配列の構造等を調整す
ることにより、必要とする発光波長を得ることが可能と
なる。
【０２３８】しかしながら、この超微粒子単体の発光ス
ペクトルは、図１０（ａ）に示すように、広いスペクト
ル幅を有する。本実施の形態のＳｉ超微粒子では、実施
の形態１で図５に示したように、０．３ｅＶ程度のスペ
クトル幅となる。
ペクトルは、図１０（ａ）に示すように、広いスペクト
ル幅を有する。本実施の形態のＳｉ超微粒子では、実施
の形態１で図５に示したように、０．３ｅＶ程度のスペ
クトル幅となる。
【０２３９】これに対し、本実施の形態では、前述した
周期構造の設計に従い、透明材質層９２と超微粒子分散
層９３を１周期の光学膜厚がλ／２となるように交互に
積層しているため、透明材質層と超微粒子分散層の屈折
率の差により各層の界面で多重干渉が生じ、λを中心と
する波長領域の発光強度のみを増強することができた。
この様子を図１０（ｂ）に示す。このスペクトル幅は、
周期構造の積層数が多いほど狭くなるため、必要なスペ
クトル幅に応じて積層数を調整すればよい。
周期構造の設計に従い、透明材質層９２と超微粒子分散
層９３を１周期の光学膜厚がλ／２となるように交互に
積層しているため、透明材質層と超微粒子分散層の屈折
率の差により各層の界面で多重干渉が生じ、λを中心と
する波長領域の発光強度のみを増強することができた。
この様子を図１０（ｂ）に示す。このスペクトル幅は、
周期構造の積層数が多いほど狭くなるため、必要なスペ
クトル幅に応じて積層数を調整すればよい。
【０２４０】さらに、Ｓｉ超微粒子元来の発光の中心波
長と、周期構造により増強される中心波長が一致するよ
うに、Ｓｉ超微粒子の粒径あるいは表面原子配列を調整
するとともに、前述した周期構造の設計に従って各層の
膜厚を調整することにより、超微粒子が元来発する連続
スペクトルの内、所望の波長領域の強度を増強する効果
が高められる。
長と、周期構造により増強される中心波長が一致するよ
うに、Ｓｉ超微粒子の粒径あるいは表面原子配列を調整
するとともに、前述した周期構造の設計に従って各層の
膜厚を調整することにより、超微粒子が元来発する連続
スペクトルの内、所望の波長領域の強度を増強する効果
が高められる。
【０２４１】なお、本実施の形態では、ＰＬ発光部材と
しての光電子材料について述べたが、本実施の形態の光
電子材料を実施の形態１〜３における光電子材料層とし
て用いることができる。この場合、実施の形態１〜３で
述べた発光素子あるいは光電変換素子において、超微粒
子が元来受発光する連続スペクトルの内、所望の波長領
域の受発光強度を増強することが可能となる。
しての光電子材料について述べたが、本実施の形態の光
電子材料を実施の形態１〜３における光電子材料層とし
て用いることができる。この場合、実施の形態１〜３で
述べた発光素子あるいは光電変換素子において、超微粒
子が元来受発光する連続スペクトルの内、所望の波長領
域の受発光強度を増強することが可能となる。
【０２４２】（実施の形態５）以下、本発明の他の光電
子材料の原理的な構成を、実施の形態５として、図１１
を用いて詳細に説明する。
子材料の原理的な構成を、実施の形態５として、図１１
を用いて詳細に説明する。
【０２４３】本実施の形態においては、IV族半導体の内
でも、代表的に表面が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳ
ｉの超微粒子が均質透明媒質中に分散された活性層を発
光（活性）領域とした、フォトルミネッセンス（ＰＬ）
発光部材としての光電子材料について説明するものであ
る。
でも、代表的に表面が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳ
ｉの超微粒子が均質透明媒質中に分散された活性層を発
光（活性）領域とした、フォトルミネッセンス（ＰＬ）
発光部材としての光電子材料について説明するものであ
る。
【０２４４】なお、実施の形態１において、（表１）を
用いて説明したように、超微粒子と透明媒質の組み合わ
せによっては、超微粒子の酸化膜は省略してもかまわな
い。
用いて説明したように、超微粒子と透明媒質の組み合わ
せによっては、超微粒子の酸化膜は省略してもかまわな
い。
【０２４５】図１１は、本実施の形態の光電子材料の断
面構造を示す。図１１において、１１１は基板であり、
一例としてガラス基板を用いた。このガラス基板１１１
の上部表面には、一例として厚さ１００ｎｍで材質がア
ルミニウム（Ａｌ）の金属薄膜層１１２が設けられてい
る。
面構造を示す。図１１において、１１１は基板であり、
一例としてガラス基板を用いた。このガラス基板１１１
の上部表面には、一例として厚さ１００ｎｍで材質がア
ルミニウム（Ａｌ）の金属薄膜層１１２が設けられてい
る。
【０２４６】なお、金属薄膜層１１２には可視光領域で
高反射率を有する材料を用いればよく、 Ａｌ以外に
も、Ｐｔ、Ｍｇ、インジウム、金、銀、タングステン、
モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、
パラジウム等のいずれかを主体に形成することも可能で
ある。
高反射率を有する材料を用いればよく、 Ａｌ以外に
も、Ｐｔ、Ｍｇ、インジウム、金、銀、タングステン、
モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、
パラジウム等のいずれかを主体に形成することも可能で
ある。
【０２４７】金属薄膜層１１２の上部表面には多層膜層
１１３が形成されている。この多層膜層１１３は、屈折
率の異なる少なくとも２種類の層が交互に積層して周期
構造を成したものであり、一例として、実施の形態４で
述べた、ＩＴＯ薄膜から成る透明媒質層と、Ｓｉ超微粒
子をＳｎＯ2薄膜中に分散した超微粒子分散層とが交互
に積層されて成る光電子材料にて構成されている。
１１３が形成されている。この多層膜層１１３は、屈折
率の異なる少なくとも２種類の層が交互に積層して周期
構造を成したものであり、一例として、実施の形態４で
述べた、ＩＴＯ薄膜から成る透明媒質層と、Ｓｉ超微粒
子をＳｎＯ2薄膜中に分散した超微粒子分散層とが交互
に積層されて成る光電子材料にて構成されている。
【０２４８】この多層膜層１１３の周期構造は、本実施
の形態の光電子材料が後述するような発光現象を呈する
場合、実施の形態４で詳細に述べた設計に従い、その１
周期の光学膜厚（屈折率×膜厚）が、λ／２（λ：発光
光の中心波長）となるようにした。即ち、本実施の形態
では、一例としてλを６００ｎｍとし、透明媒質層の膜
厚を７１ｎｍ、超微粒子分散層の膜厚を６３ｎｍとして
交互に積層することにより、多層膜層１１３を形成し
た。
の形態の光電子材料が後述するような発光現象を呈する
場合、実施の形態４で詳細に述べた設計に従い、その１
周期の光学膜厚（屈折率×膜厚）が、λ／２（λ：発光
光の中心波長）となるようにした。即ち、本実施の形態
では、一例としてλを６００ｎｍとし、透明媒質層の膜
厚を７１ｎｍ、超微粒子分散層の膜厚を６３ｎｍとして
交互に積層することにより、多層膜層１１３を形成し
た。
【０２４９】なお、ここでは多層膜層１１３として実施
の形態４の光電子材料を用いたが、可視光領域での多層
反射膜として従来用いられている誘電体多層膜等を用い
てもよい。
の形態４の光電子材料を用いたが、可視光領域での多層
反射膜として従来用いられている誘電体多層膜等を用い
てもよい。
【０２５０】次に、多層膜層１１３の上部表面には、活
性層１１４が形成されている。この活性層１１４は、実
施の形態４で述べた超微粒子分散層１８３と同様の構成
であり、Ｓｉ超微粒子１１５が透明媒質１１６中に分散
されて構成されている。このＳｉ超微粒子１１５は、形
状がほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶
構造を有し、かつ導電性は低濃度にホウ素がド−プされ
たｐ−型であって、粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整され
ている。さらに、このＳｉ超微粒子１１５は、その表面
が不図示のＳｉＯ2膜により被覆されており、その厚さ
は例えば３ｎｍ以下とすればよい。また、透明媒質１１
６は、可視光領域での透過率が高く、かつ導電率及び誘
電率が制御可能な均質薄膜であり、ここでは、一例とし
て、ＳｎＯ2薄膜を用いた。
性層１１４が形成されている。この活性層１１４は、実
施の形態４で述べた超微粒子分散層１８３と同様の構成
であり、Ｓｉ超微粒子１１５が透明媒質１１６中に分散
されて構成されている。このＳｉ超微粒子１１５は、形
状がほぼ球形であり、結晶性はバルクＳｉと同一の結晶
構造を有し、かつ導電性は低濃度にホウ素がド−プされ
たｐ−型であって、粒径は３〜１０ｎｍ程度に調整され
ている。さらに、このＳｉ超微粒子１１５は、その表面
が不図示のＳｉＯ2膜により被覆されており、その厚さ
は例えば３ｎｍ以下とすればよい。また、透明媒質１１
６は、可視光領域での透過率が高く、かつ導電率及び誘
電率が制御可能な均質薄膜であり、ここでは、一例とし
て、ＳｎＯ2薄膜を用いた。
【０２５１】さらに、この活性層１１４の光学膜厚（屈
折率×膜厚）は、λの整数倍とする。本実施の形態で
は、一例としてλを６００ｎｍとし、活性層１１４の光
学膜厚を２λとした。より具体的には、活性層１１４の
屈折率は、実施の形態４で求めたように、一例として充
填率を２０％とした場合、２．４となる。従って、活性
層１１４の膜厚は５００ｎｍとした。
折率×膜厚）は、λの整数倍とする。本実施の形態で
は、一例としてλを６００ｎｍとし、活性層１１４の光
学膜厚を２λとした。より具体的には、活性層１１４の
屈折率は、実施の形態４で求めたように、一例として充
填率を２０％とした場合、２．４となる。従って、活性
層１１４の膜厚は５００ｎｍとした。
【０２５２】なお、ここでは活性層を構成する超微粒子
の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態４でも述べた
ように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV族半導体が好
適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化合物半導
体を用いてもよい。そして、均質な透明媒質としてＳｎ
Ｏ2薄膜を用いたが、実施の形態４で述べた周期構造の
設計に従い、所望の誘電率を有する均質薄膜を用いるこ
とが好ましく、他の導電体薄膜あるいは誘電体薄膜を用
いてもよい。さらに、本実施の形態の光電子材料は、実
施の形態１〜３で述べた発光素子あるいは光電変換素子
の光電子材料層として用いることができるが、この場
合、この活性層の透明媒質は、分散させる超微粒子の比
抵抗と同程度あるいはそれ以上の比抵抗を有することが
望ましい。
の材料としてＳｉを用いたが、実施の形態４でも述べた
ように、他にＧｅあるいはその混晶等のIV族半導体が好
適に使用可能であり、III−Ｖ族やII−VI族化合物半導
体を用いてもよい。そして、均質な透明媒質としてＳｎ
Ｏ2薄膜を用いたが、実施の形態４で述べた周期構造の
設計に従い、所望の誘電率を有する均質薄膜を用いるこ
とが好ましく、他の導電体薄膜あるいは誘電体薄膜を用
いてもよい。さらに、本実施の形態の光電子材料は、実
施の形態１〜３で述べた発光素子あるいは光電変換素子
の光電子材料層として用いることができるが、この場
合、この活性層の透明媒質は、分散させる超微粒子の比
抵抗と同程度あるいはそれ以上の比抵抗を有することが
望ましい。
【０２５３】さらに、活性層１１４の上部表面には、一
例として厚さが１０ｎｍで材質がＰｔの部分反射膜層１
１７が設けられている。
例として厚さが１０ｎｍで材質がＰｔの部分反射膜層１
１７が設けられている。
【０２５４】なお、部分反射膜層１１７には可視光領域
で適当な反射率を有する材料を用いればよく、Ｐｔ以外
にも、Ｍｇ、インジウム、Ａｌ、金、銀、タングステ
ン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケ
ル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも可
能である。また、可視光領域で部分反射膜として従来用
いられている誘電体多層膜を用いることも可能である。
で適当な反射率を有する材料を用いればよく、Ｐｔ以外
にも、Ｍｇ、インジウム、Ａｌ、金、銀、タングステ
ン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケ
ル、パラジウム等のいずれかを主体に形成することも可
能である。また、可視光領域で部分反射膜として従来用
いられている誘電体多層膜を用いることも可能である。
【０２５５】次に、以上の構成の光電子材料における、
発光の動作原理を説明する。超微粒子を含む活性層１１
４に対し、超微粒子のバンドギャップエネルギー（Ｅ
ｇ）以上の光子エネルギーを有する光を照射すると、実
施の形態４で述べた原理により、図１０（ａ）に示した
ような広いスペクトル幅を有する発光を呈する。
発光の動作原理を説明する。超微粒子を含む活性層１１
４に対し、超微粒子のバンドギャップエネルギー（Ｅ
ｇ）以上の光子エネルギーを有する光を照射すると、実
施の形態４で述べた原理により、図１０（ａ）に示した
ような広いスペクトル幅を有する発光を呈する。
【０２５６】そこで、前述のように、多層膜層１１３の
１周期の光学膜厚がλ／２となるように交互に積層して
周期構造を形成し、さらに、活性層１１４の光学膜厚が
λの整数倍になるように形成すると、活性層１１４が多
層膜層１１３と部分反射膜層１１７に挟まれた共振器構
造を構成するため、図１０（ｂ）に示すように、λをピ
ークとする波長領域の発光強度のみを増強することがで
きる。
１周期の光学膜厚がλ／２となるように交互に積層して
周期構造を形成し、さらに、活性層１１４の光学膜厚が
λの整数倍になるように形成すると、活性層１１４が多
層膜層１１３と部分反射膜層１１７に挟まれた共振器構
造を構成するため、図１０（ｂ）に示すように、λをピ
ークとする波長領域の発光強度のみを増強することがで
きる。
【０２５７】さらに、本実施の形態では、多層膜層１１
３として実施の形態４で述べた光電子材料を用いている
ため、多層膜層１１３中のＳｉ超微粒子も発光を呈する
ことになり、より発光強度が増強される。
３として実施の形態４で述べた光電子材料を用いている
ため、多層膜層１１３中のＳｉ超微粒子も発光を呈する
ことになり、より発光強度が増強される。
【０２５８】また、Ｓｉ超微粒子元来の発光の中心波長
と、周期構造により増強される中心波長が一致するよう
に、Ｓｉ超微粒子の粒径あるいは表面原子配列を調整す
るとともに、前述した周期構造の設計に従って各層の膜
厚を調整することにより、超微粒子が元来発する連続ス
ペクトルの内、所望の波長領域の強度を増強する効果が
高められる。
と、周期構造により増強される中心波長が一致するよう
に、Ｓｉ超微粒子の粒径あるいは表面原子配列を調整す
るとともに、前述した周期構造の設計に従って各層の膜
厚を調整することにより、超微粒子が元来発する連続ス
ペクトルの内、所望の波長領域の強度を増強する効果が
高められる。
【０２５９】なお、本実施の形態では、ＰＬ発光部材と
しての光電子材料について述べたが、本実施の形態の光
電子材料を実施の形態１〜３における光電子材料層とし
て用いることができる。この場合、実施の形態１〜３で
述べた発光素子あるいは光電変換素子において、超微粒
子が元来受発光する連続スペクトルの内、所望の波長領
域の受発光強度を増強することが可能となる。
しての光電子材料について述べたが、本実施の形態の光
電子材料を実施の形態１〜３における光電子材料層とし
て用いることができる。この場合、実施の形態１〜３で
述べた発光素子あるいは光電変換素子において、超微粒
子が元来受発光する連続スペクトルの内、所望の波長領
域の受発光強度を増強することが可能となる。
【０２６０】（実施の形態６）以下、本発明の光電子材
料を用いた光電子集積回路について、実施の形態６とし
て、図１２及び図１３を用いて詳細に説明する。
料を用いた光電子集積回路について、実施の形態６とし
て、図１２及び図１３を用いて詳細に説明する。
【０２６１】ここでも、中核となる能動素子は、これま
での実施の形態で述べてきた、量子機能を発揮するよう
に平均粒径が数ｎｍの領域において制御され、かつ表面
が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳｉの超微粒子を、導
電率及び誘電率が制御された均質な透明媒質中に分散さ
せた光電子材料層を、活性領域として有するものであ
る。
での実施の形態で述べてきた、量子機能を発揮するよう
に平均粒径が数ｎｍの領域において制御され、かつ表面
が自身の熱酸化膜にて被覆されたＳｉの超微粒子を、導
電率及び誘電率が制御された均質な透明媒質中に分散さ
せた光電子材料層を、活性領域として有するものであ
る。
【０２６２】なお、ここで場合によっては、超微粒子の
酸化膜は、省略する場合もある。また、均質な媒質と
は、媒質中の電気的性質、特に導電率や誘電率が媒質中
でほぼ均一であるという意味であり、媒質中に分散され
る超微粒子が、数１０個から数１００個の原子・分子の
集合体であるのに対して、媒質自体は、それよりも小さ
な数個の原子・分子の集合体が、所定の基板等の上に積
もっていくことにより形成されたものが一例としてあげ
られる。
酸化膜は、省略する場合もある。また、均質な媒質と
は、媒質中の電気的性質、特に導電率や誘電率が媒質中
でほぼ均一であるという意味であり、媒質中に分散され
る超微粒子が、数１０個から数１００個の原子・分子の
集合体であるのに対して、媒質自体は、それよりも小さ
な数個の原子・分子の集合体が、所定の基板等の上に積
もっていくことにより形成されたものが一例としてあげ
られる。
【０２６３】図１２は、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料
を用いた、モノリシック光電子集積回路の全体構成図で
ある。
を用いた、モノリシック光電子集積回路の全体構成図で
ある。
【０２６４】図１２において、Ｓｉ超微粒子分散型光電
子材料は、電気的信号を光信号に変換する電気-光変換
素子、いわば発光素子として、光信号送信部のキーデバ
イスとなっている。
子材料は、電気的信号を光信号に変換する電気-光変換
素子、いわば発光素子として、光信号送信部のキーデバ
イスとなっている。
【０２６５】本実施の形態のモノリシック光電子集積回
路は、Ｓｉ大規模集積回路（ＬＳＩ）用の単結晶Ｓｉを
基板１２１とし、１チップで構成されている。
路は、Ｓｉ大規模集積回路（ＬＳＩ）用の単結晶Ｓｉを
基板１２１とし、１チップで構成されている。
【０２６６】このＳｉ基板１２1表面には、電気的信号
処理を行う領域が、各機能毎に複数のブロック１２２に
分れて構成されている。各々の電気的信号処理用ブロッ
ク１２２は、通常のＳｉ−ＬＳＩに用いられるモノリシ
ックプロセスで製造された、多数のＭＯＳＦＥＴの集合
で構成されている。
処理を行う領域が、各機能毎に複数のブロック１２２に
分れて構成されている。各々の電気的信号処理用ブロッ
ク１２２は、通常のＳｉ−ＬＳＩに用いられるモノリシ
ックプロセスで製造された、多数のＭＯＳＦＥＴの集合
で構成されている。
【０２６７】ここで、この各々の電気的信号処理用ブロ
ック１２２間の相互の信号伝達には、チップ内を横断的
に走る、所謂ブロック間配線が必要となる。通常、Ｓｉ
−ＬＳＩモノリシックプロセスではこれに金属配線を用
るが、第５の従来例でも述べたように、寄生容量・配線
抵抗によるＲＣ遅延の問題が、微細化による高速動作化
・低消費電力化の促進を阻害している。
ック１２２間の相互の信号伝達には、チップ内を横断的
に走る、所謂ブロック間配線が必要となる。通常、Ｓｉ
−ＬＳＩモノリシックプロセスではこれに金属配線を用
るが、第５の従来例でも述べたように、寄生容量・配線
抵抗によるＲＣ遅延の問題が、微細化による高速動作化
・低消費電力化の促進を阻害している。
【０２６８】そこで本実施の形態では、ブロック間配線
を寄生容量・配線抵抗の影響が極めて少ない、光インタ
ーコネクション部１２３で行っている。さらに、従来の
光インターコネクションの構成では、電気−光変換素子
（発光素子）をIII−Ｖ族による近赤外半導体レーザや
高輝度発光ダイオードをアセンブリせざるを得なかった
のに対し、本実施の形態では、薄膜堆積されたＳｉ超微
粒子分散型光電子材料を活性領域とする発光素子を光信
号送信部のキーデバイスとして用いている。
を寄生容量・配線抵抗の影響が極めて少ない、光インタ
ーコネクション部１２３で行っている。さらに、従来の
光インターコネクションの構成では、電気−光変換素子
（発光素子）をIII−Ｖ族による近赤外半導体レーザや
高輝度発光ダイオードをアセンブリせざるを得なかった
のに対し、本実施の形態では、薄膜堆積されたＳｉ超微
粒子分散型光電子材料を活性領域とする発光素子を光信
号送信部のキーデバイスとして用いている。
【０２６９】かかる光インターコネクション部１２３の
内、光信号受信部となる光−電気変換素子（受光素子）
はＳｉ基板１２１表面のＰＩＮフォトダイオード、光導
波路はコアをＳｉ窒化物（ＳｉＮ）クラッドをＳｉ酸化
物（ＳｉＯ）とする光伝送ファイバーとしている。
内、光信号受信部となる光−電気変換素子（受光素子）
はＳｉ基板１２１表面のＰＩＮフォトダイオード、光導
波路はコアをＳｉ窒化物（ＳｉＮ）クラッドをＳｉ酸化
物（ＳｉＯ）とする光伝送ファイバーとしている。
【０２７０】従って、本実施の形態の光電子集積回路
は、すべてＳｉ-ＬＳＩモノリシックプロセスに整合性
のあるＳｉ系材料で構成されていることとなる。
は、すべてＳｉ-ＬＳＩモノリシックプロセスに整合性
のあるＳｉ系材料で構成されていることとなる。
【０２７１】次に、図１３を用いて、本実施の形態の光
電子集積回路内のＳｉ系材料光インターコネクション構
造について、より詳しく説明する。
電子集積回路内のＳｉ系材料光インターコネクション構
造について、より詳しく説明する。
【０２７２】図１３（ａ）は、実施の形態１において記
載されているものを基本構成とするＳｉ超微粒子分散型
光電子材料を活性領域とした発光ダイオードの断面構造
図及びＰＩＮフォトダイオードの断面構造図を、各々左
右に記載している。
載されているものを基本構成とするＳｉ超微粒子分散型
光電子材料を活性領域とした発光ダイオードの断面構造
図及びＰＩＮフォトダイオードの断面構造図を、各々左
右に記載している。
【０２７３】図１３（ａ）において、発光素子部は、Ｓ
ｉ超微粒子分散型光電子材料層１３１を活性領域として
構成されており、高輝度（外部量子効率１．０〜２．０
％）で、狭スペクトル幅（半値全幅０．０２ｅＶ）の赤
色光（波長７７５ｎｍ）を発する発光ダイオードとして
動作する。
ｉ超微粒子分散型光電子材料層１３１を活性領域として
構成されており、高輝度（外部量子効率１．０〜２．０
％）で、狭スペクトル幅（半値全幅０．０２ｅＶ）の赤
色光（波長７７５ｎｍ）を発する発光ダイオードとして
動作する。
【０２７４】このＳｉ超微粒子分散型光電子材料層１３
１の上面は、透明電極１３２ａとオーミック接触し、こ
の透明電極１３２ａは電源電圧側に接続されている。
１の上面は、透明電極１３２ａとオーミック接触し、こ
の透明電極１３２ａは電源電圧側に接続されている。
【０２７５】また、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１
３１の側面は、分離絶縁膜１３３ａで仕切られ活性領域
を画定することとなっている。この分離絶縁膜１３３ａ
は、熱酸化膜で構成されている。
３１の側面は、分離絶縁膜１３３ａで仕切られ活性領域
を画定することとなっている。この分離絶縁膜１３３ａ
は、熱酸化膜で構成されている。
【０２７６】さらに、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層
１３１の底面は、Ｓｉ基板１３４の表面に形成されたｎ
+拡散層に接続されている。
１３１の底面は、Ｓｉ基板１３４の表面に形成されたｎ
+拡散層に接続されている。
【０２７７】ここで、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層
１３１中のＳｉ超微粒子はｐ型にドーピングされてお
り、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１３１全体として
もｐ型の振舞いをする。従って、Ｓｉ基板１３４ａの表
面のｎ+拡散層とは、ｐ−ｎ接合を形成することで、ダ
イオード動作をする。
１３１中のＳｉ超微粒子はｐ型にドーピングされてお
り、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１３１全体として
もｐ型の振舞いをする。従って、Ｓｉ基板１３４ａの表
面のｎ+拡散層とは、ｐ−ｎ接合を形成することで、ダ
イオード動作をする。
【０２７８】かかるＳｉ超微粒子分散型光電子材料層１
３１の発光原理としては、先のダイオードとして順方向
バイアスされた状態では、Ｓｉ基板１３４ａの表面ｎ+
拡散層側から、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１３１
にとって少数キャリアである電子が注入される。それと
ともに、注入電子がＳｉ超微粒子分散型光電子材料層１
３１内部のＳｉ超微粒子に到達した時点で、衝突電離に
よる電子−正孔対生成を行い、さらにこれらがカスケー
ド的に増倍して行く。先の注入電子と多数キャリアであ
る正孔、及び衝突電離・増倍による電子−正孔対がＳｉ
超微粒子内部で放射再結合する際に、波長中心７７５ｎ
ｍの赤色光を発する。
３１の発光原理としては、先のダイオードとして順方向
バイアスされた状態では、Ｓｉ基板１３４ａの表面ｎ+
拡散層側から、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１３１
にとって少数キャリアである電子が注入される。それと
ともに、注入電子がＳｉ超微粒子分散型光電子材料層１
３１内部のＳｉ超微粒子に到達した時点で、衝突電離に
よる電子−正孔対生成を行い、さらにこれらがカスケー
ド的に増倍して行く。先の注入電子と多数キャリアであ
る正孔、及び衝突電離・増倍による電子−正孔対がＳｉ
超微粒子内部で放射再結合する際に、波長中心７７５ｎ
ｍの赤色光を発する。
【０２７９】ここで、図１３（ｂ）は、ドライバｎチャ
ンネルＭＯＳＦＥＴも含んだ発光ダイオードの等価回路
図を、対応させて記載している。なお、図１３（ａ）と
図１３（ｂ）の電気的接続関係は、Ａ、Ｂで対応させて
ある。
ンネルＭＯＳＦＥＴも含んだ発光ダイオードの等価回路
図を、対応させて記載している。なお、図１３（ａ）と
図１３（ｂ）の電気的接続関係は、Ａ、Ｂで対応させて
ある。
【０２８０】図１３（ａ）に加え図１３（ｂ）をも参照
すると、Ｓｉ基板１３４ａの表面のｎ+拡散層は、発光
ダイオードのドライバであるｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ
のドレイン電極に接続されている。このドライバｎチャ
ンネルＭＯＳＦＥＴは、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料
層１３１の付近に、通常のＳｉ−ＬＳＩモノリシックプ
ロセスにて作製されたものである。
すると、Ｓｉ基板１３４ａの表面のｎ+拡散層は、発光
ダイオードのドライバであるｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ
のドレイン電極に接続されている。このドライバｎチャ
ンネルＭＯＳＦＥＴは、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料
層１３１の付近に、通常のＳｉ−ＬＳＩモノリシックプ
ロセスにて作製されたものである。
【０２８１】一方、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１
３１を活性領域とした発光ダイオードの上層は、比較的
屈折率の低い層間絶縁膜１３５ａで被覆されている。こ
の層間絶縁膜１３５ａは、シランまたはテトラエトキシ
シランを原料ガスとする化学的気相成長法（ＣＶＤ）に
より形成されたＳｉ酸化膜であり、屈折率が１．４４〜
１．４６に設定されている。さらに、電気的信号処理ブ
ロック内の金属配線に対する、層間絶縁膜も兼ねるもの
である。
３１を活性領域とした発光ダイオードの上層は、比較的
屈折率の低い層間絶縁膜１３５ａで被覆されている。こ
の層間絶縁膜１３５ａは、シランまたはテトラエトキシ
シランを原料ガスとする化学的気相成長法（ＣＶＤ）に
より形成されたＳｉ酸化膜であり、屈折率が１．４４〜
１．４６に設定されている。さらに、電気的信号処理ブ
ロック内の金属配線に対する、層間絶縁膜も兼ねるもの
である。
【０２８２】また、Ｓｉ超微粒子分散型光電子材料層１
３１の直上方には、層間絶縁膜１３５ａの中に埋め込む
形で形成されたコリメータレンズ１３６を有する。これ
は、ＣＶＤにより成長させたＳｉ窒化膜を材料とするマ
イクロレンズであり、屈折率を２．０に設定している。
３１の直上方には、層間絶縁膜１３５ａの中に埋め込む
形で形成されたコリメータレンズ１３６を有する。これ
は、ＣＶＤにより成長させたＳｉ窒化膜を材料とするマ
イクロレンズであり、屈折率を２．０に設定している。
【０２８３】この層間絶縁膜１３５ａの上表面には、同
じくＣＶＤにより成長させたＳｉ窒化膜を微細加工して
形成した、スラブ型の光導波路１３７が設けられてい
る。この屈折率は２．４と高めに設定され、光導波路内
の全反射臨界角を大きくとれる設定にしてあり、全反射
臨界角は約３７°である。
じくＣＶＤにより成長させたＳｉ窒化膜を微細加工して
形成した、スラブ型の光導波路１３７が設けられてい
る。この屈折率は２．４と高めに設定され、光導波路内
の全反射臨界角を大きくとれる設定にしてあり、全反射
臨界角は約３７°である。
【０２８４】以上の構成において、Ｓｉ超微粒子分散型
光電子材料層１３１から上方に発っせられた赤色光は、
コリメータレンズ１３６で、ほぼ平行光線に成形された
後、光導波路１３７の端部に水平面と４５°をなすよう
に加工されたミラー面１３７ａに照射される。
光電子材料層１３１から上方に発っせられた赤色光は、
コリメータレンズ１３６で、ほぼ平行光線に成形された
後、光導波路１３７の端部に水平面と４５°をなすよう
に加工されたミラー面１３７ａに照射される。
【０２８５】ついで、このミラー面から光導波路１３７
内部の長手方向に反射された赤色光は、光導波路１３７
内部を対向側ミラー面１３７ｂまで伝搬して行く。
内部の長手方向に反射された赤色光は、光導波路１３７
内部を対向側ミラー面１３７ｂまで伝搬して行く。
【０２８６】この対向側ミラー面１３７ｂでは、ほぼ下
方向に反射した赤色光の内、全反射の臨界角に満たない
部分は、光導波路１３７から下方外部に出射し、ミラー
面直下方に設置された集光レンズ１３８を介して集光さ
れた後、直下方に設置された受光素子部としてのＰＩＮ
フォトダイオード１３９に照射される。このＰＩＮフォ
トダイオード１３９は、通常のＳｉ−ＬＳＩモノリシッ
クプロセスにより作製されているものである。
方向に反射した赤色光の内、全反射の臨界角に満たない
部分は、光導波路１３７から下方外部に出射し、ミラー
面直下方に設置された集光レンズ１３８を介して集光さ
れた後、直下方に設置された受光素子部としてのＰＩＮ
フォトダイオード１３９に照射される。このＰＩＮフォ
トダイオード１３９は、通常のＳｉ−ＬＳＩモノリシッ
クプロセスにより作製されているものである。
【０２８７】図１３（ｃ）は、負荷用ｎチャンネルＭＯ
ＳＦＥＴ及びＣＭＯＳインバータ型出力バッファーも含
んだＰＩＮフォトダイオードの等価回路図を示す。な
お、図１３（ａ）と図１３（ｃ）の電気的接続関係は、
Ｃ、Ｄで対応させてある。
ＳＦＥＴ及びＣＭＯＳインバータ型出力バッファーも含
んだＰＩＮフォトダイオードの等価回路図を示す。な
お、図１３（ａ）と図１３（ｃ）の電気的接続関係は、
Ｃ、Ｄで対応させてある。
【０２８８】図１３（ａ）に加え、図１３（ｃ）をも参
照すると、ＰＩＮフォトダイオード１３９の上面は、透
明電極１３２ｂとオーミック接触し、この透明電極１３
２ｂは負荷用ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのソース電極に
接続されている。
照すると、ＰＩＮフォトダイオード１３９の上面は、透
明電極１３２ｂとオーミック接触し、この透明電極１３
２ｂは負荷用ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのソース電極に
接続されている。
【０２８９】また、ＰＩＮフォトダイオード１３９の側
面は、分離絶縁膜１３３ｂで仕切られ活性領域を画定す
ることとなっている。この分離絶縁膜１３３ｂは熱酸化
膜で構成されている。
面は、分離絶縁膜１３３ｂで仕切られ活性領域を画定す
ることとなっている。この分離絶縁膜１３３ｂは熱酸化
膜で構成されている。
【０２９０】さらに、ＰＩＮフォトダイオード１３９の
ｐ+側は、ｐ-型のＳｉ基板１３４ｂの内部（深さ３．５
μｍ）に、ホウ素の高エネルギーイオン注入により形成
したｐ+層であり、このｐ+層は接地されている。
ｐ+側は、ｐ-型のＳｉ基板１３４ｂの内部（深さ３．５
μｍ）に、ホウ素の高エネルギーイオン注入により形成
したｐ+層であり、このｐ+層は接地されている。
【０２９１】一方、ＰＩＮフォトダイオード１３９のｎ
+側は、Ｓｉ基板１３４ｂの表面にヒ素が浅く拡散され
たものであり、透明電極１３２ｂを介して、負荷用ｎチ
ャンネルＭＯＳＦＥＴのソース電極に接続されている。
+側は、Ｓｉ基板１３４ｂの表面にヒ素が浅く拡散され
たものであり、透明電極１３２ｂを介して、負荷用ｎチ
ャンネルＭＯＳＦＥＴのソース電極に接続されている。
【０２９２】なお、ＰＩＮフォトダイオード１３９の真
性領域は、ｐ-型であるＳｉ基板１３４ｂ自体としてい
る。
性領域は、ｐ-型であるＳｉ基板１３４ｂ自体としてい
る。
【０２９３】かかるＰＩＮフォトダイオード１３９は、
逆バイアス印加された状態で、負荷用ｎチャンネルＭＯ
ＳＦＥＴのソース側に、ドライバとして直列接続された
構成となっている。
逆バイアス印加された状態で、負荷用ｎチャンネルＭＯ
ＳＦＥＴのソース側に、ドライバとして直列接続された
構成となっている。
【０２９４】ＰＩＮフォトダイオード１３９への逆バイ
アス値を２０Ｖとすると、応答時間は１０-10秒のオー
ダーに到達し、遮断周波数も２００ＭＨｚの超高速応答
に充分対応できる。
アス値を２０Ｖとすると、応答時間は１０-10秒のオー
ダーに到達し、遮断周波数も２００ＭＨｚの超高速応答
に充分対応できる。
【０２９５】そして、負荷用ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ
のソース側は、ＣＭＯＳインバータ型出力バッファーの
ゲート入力に接続されているため、ＰＩＮフォトダイオ
ード１３９が、光導波路１３７から下方外部に出た赤色
光を、ミラー面直下方に設置された集光レンズ１３８を
介して受光すると、この光信号を電気的信号として、Ｃ
ＭＯＳインバータ型出力バッファーから出力することが
できる。
のソース側は、ＣＭＯＳインバータ型出力バッファーの
ゲート入力に接続されているため、ＰＩＮフォトダイオ
ード１３９が、光導波路１３７から下方外部に出た赤色
光を、ミラー面直下方に設置された集光レンズ１３８を
介して受光すると、この光信号を電気的信号として、Ｃ
ＭＯＳインバータ型出力バッファーから出力することが
できる。
【０２９６】（実施の形態７）以下、前述してきた本発
明の光電子材料の好適な製造方法を、実施の形態７とし
て、図１４及び図１５を用いて詳細に説明する。
明の光電子材料の好適な製造方法を、実施の形態７とし
て、図１４及び図１５を用いて詳細に説明する。
【０２９７】本実施の形態においては、Ｓｉ超微粒子が
分散した透明導電体薄膜からなる光電子材料の製造方法
について説明する。本実施の形態では、Ｓｉ超微粒子と
透明導電体材料の堆積を同時に同一基板上に対して行
い、透明導電体薄膜中にＳｉ超微粒子を分散させる工程
を有し、Ｓｉ超微粒子は希ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）雰囲気
中におけるレーザアブレーションを用いて作製されて基
板上に付着堆積され、透明導電体薄膜は蒸発工程、好適
には酸化性ガス雰囲気中におけるレーザアブレーション
を介して、Ｓｉ超微粒子を内部に分散するように同一基
板上に形成するものである。
分散した透明導電体薄膜からなる光電子材料の製造方法
について説明する。本実施の形態では、Ｓｉ超微粒子と
透明導電体材料の堆積を同時に同一基板上に対して行
い、透明導電体薄膜中にＳｉ超微粒子を分散させる工程
を有し、Ｓｉ超微粒子は希ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）雰囲気
中におけるレーザアブレーションを用いて作製されて基
板上に付着堆積され、透明導電体薄膜は蒸発工程、好適
には酸化性ガス雰囲気中におけるレーザアブレーション
を介して、Ｓｉ超微粒子を内部に分散するように同一基
板上に形成するものである。
【０２９８】なお、レーザアブレーション法とは、高い
エネルギー密度（パルスエネルギー：１．０Ｊ／ｃｍ2
程度かそれ以上とする。）のレーザ光をターゲット材に
照射し、被照射ターゲット材表面の溶融・脱離を起こす
ものであり、非熱平衡性及び無質量性プロセスであるこ
とに特徴がある。
エネルギー密度（パルスエネルギー：１．０Ｊ／ｃｍ2
程度かそれ以上とする。）のレーザ光をターゲット材に
照射し、被照射ターゲット材表面の溶融・脱離を起こす
ものであり、非熱平衡性及び無質量性プロセスであるこ
とに特徴がある。
【０２９９】このような非熱平衡性における具体的効果
としては、空間的・時間的選択励起が可能であることが
挙げられる。特に、空間的選択励起性を有することか
ら、従来の熱プロセスやプラズマプロセスにおいては反
応槽のかなり広い領域あるいは全体が熱やイオンに曝さ
れるのに対し、必要な物質源のみを励起することができ
るので、不純物混入が抑制されたクリーンなプロセスと
なる。
としては、空間的・時間的選択励起が可能であることが
挙げられる。特に、空間的選択励起性を有することか
ら、従来の熱プロセスやプラズマプロセスにおいては反
応槽のかなり広い領域あるいは全体が熱やイオンに曝さ
れるのに対し、必要な物質源のみを励起することができ
るので、不純物混入が抑制されたクリーンなプロセスと
なる。
【０３００】また、無質量性とは、同じ非熱平衡性のイ
オンプロセスに比較して、格段な低ダメージ性を意味し
ている。レーザアブレーションにおける脱離物質は、主
にイオン及び中性粒子である原子・分子・クラスター
（数個から数十個程度の原子から構成される。）であ
り、その運動エネルギーは、イオンで数十ｅＶ、中性粒
子の場合は数ｅＶのレベルに達する。これは、加熱蒸発
原子よりはるかに高エネルギーであるが、イオンビーム
よりはるかに低エネルギーの領域である。
オンプロセスに比較して、格段な低ダメージ性を意味し
ている。レーザアブレーションにおける脱離物質は、主
にイオン及び中性粒子である原子・分子・クラスター
（数個から数十個程度の原子から構成される。）であ
り、その運動エネルギーは、イオンで数十ｅＶ、中性粒
子の場合は数ｅＶのレベルに達する。これは、加熱蒸発
原子よりはるかに高エネルギーであるが、イオンビーム
よりはるかに低エネルギーの領域である。
【０３０１】このようにクリーンでダメージの少ないレ
ーザアブレーションプロセスは、不純物の混入・結晶性
・表面状態等が制御された超微粒子の作製に適してい
る。これは、表面積率が極めて大きく構造に敏感な超微
粒子の作製においては低ダメージ性が不可欠であるとと
もに、熱平衡プロセスにより超微粒子を成長させると粒
径等の構造パラメータの分布が避け得なくなるためであ
る。
ーザアブレーションプロセスは、不純物の混入・結晶性
・表面状態等が制御された超微粒子の作製に適してい
る。これは、表面積率が極めて大きく構造に敏感な超微
粒子の作製においては低ダメージ性が不可欠であるとと
もに、熱平衡プロセスにより超微粒子を成長させると粒
径等の構造パラメータの分布が避け得なくなるためであ
る。
【０３０２】具体的に、図１４において、Ｓｉターゲッ
ト及び透明導電体ターゲットのレーザアブレーションを
同時に行うことにより、均質な透明導電体薄膜中にＳｉ
超微粒子が分散した光電子材料薄膜を形成するための光
電子材料製造装置の概念図を示す。
ト及び透明導電体ターゲットのレーザアブレーションを
同時に行うことにより、均質な透明導電体薄膜中にＳｉ
超微粒子が分散した光電子材料薄膜を形成するための光
電子材料製造装置の概念図を示す。
【０３０３】図１４において、まず全金属製の第１反応
室１４０ａは、ターボ分子ポンプを主体とする高真空排
気系により到達真空１．０×１０-9Ｔｏｒｒまで排気し
た後、マスフローコントローラ１４１ａを経由して、希
ガス導入ライン１４２ａより、Ｈｅガスの導入を行う。
ここで、ドライロータリーポンプもしくは高圧用ターボ
分子ポンプを主体としたガス排気系１４３ａの動作と連
動することにより、第１反応室１４０ａ内の希ガス圧力
を、０．１〜１０Ｔｏｒｒの範囲の一圧力値に設定す
る。
室１４０ａは、ターボ分子ポンプを主体とする高真空排
気系により到達真空１．０×１０-9Ｔｏｒｒまで排気し
た後、マスフローコントローラ１４１ａを経由して、希
ガス導入ライン１４２ａより、Ｈｅガスの導入を行う。
ここで、ドライロータリーポンプもしくは高圧用ターボ
分子ポンプを主体としたガス排気系１４３ａの動作と連
動することにより、第１反応室１４０ａ内の希ガス圧力
を、０．１〜１０Ｔｏｒｒの範囲の一圧力値に設定す
る。
【０３０４】そして、この状態で、自転機構を有する第
１ターゲットホルダー１４４ａに配置されたＳｉターゲ
ット１４５ａの表面に対して、第１パルスレーザ光源１
４６ａからレーザ光を照射する。すると、Ｓｉターゲッ
ト１４５ａ表面では、レーザアブレーション現象が発生
し、Ｓｉのイオンあるいは中性粒子（原子、クラスタ
ー）が脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５
ｅＶのオーダーの運動エネルギーで、主にターゲット法
線方向に射出して行く。そして、脱離物質は、希ガス原
子と衝突することにより、飛行方向が乱雑になるととも
に、運動エネルギーが雰囲気に散逸され、空中での会合
と凝縮が促進される。この結果、粒径数ｎｍから数十ｎ
ｍの超微粒子に成長する。
１ターゲットホルダー１４４ａに配置されたＳｉターゲ
ット１４５ａの表面に対して、第１パルスレーザ光源１
４６ａからレーザ光を照射する。すると、Ｓｉターゲッ
ト１４５ａ表面では、レーザアブレーション現象が発生
し、Ｓｉのイオンあるいは中性粒子（原子、クラスタ
ー）が脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５
ｅＶのオーダーの運動エネルギーで、主にターゲット法
線方向に射出して行く。そして、脱離物質は、希ガス原
子と衝突することにより、飛行方向が乱雑になるととも
に、運動エネルギーが雰囲気に散逸され、空中での会合
と凝縮が促進される。この結果、粒径数ｎｍから数十ｎ
ｍの超微粒子に成長する。
【０３０５】一方、全金属製の第２反応室１４０ｂにお
いては、高真空排気系により到達真空１．０×１０-9Ｔ
ｏｒｒまで排気した後、マスフローコントローラ１４１
ｂを経由して、酸化性ガス導入ライン１４２ｂより、酸
素混入ガスの導入を行う。酸素混入割合は、数％のオー
ダーでＨｅガスに対して混入することが好適である。こ
こで、ドライロータリーポンプもしくは高圧用ターボ分
子ポンプを主体としたガス排気系１４３ｂの動作と連動
することにより、第２反応室１４０ｂ内のガス圧力を、
０．１〜１０Ｔｏｒｒ程度の範囲の一圧力値に設定す
る。そして、この状態で、自転機構を有する第２ターゲ
ットホルダー１４４ｂに配置されたＳｎＯ 2ターゲット
１４５ｂの表面に対して、第２パルスレーザ光源１４６
ｂからのレーザ光を照射すると、ＳｎＯ2ターゲット１
４５ｂ表面でレーザアブレーション現象が発生し、Ｓｎ
Ｏ2のイオンあるいは中性粒子（分子、クラスター）が
脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５ｅＶの
オーダーの運動エネルギーで、主にターゲット法線方向
に分子、クラスターレベルの大きさを維持して、射出し
て行く。この際に、酸素ガス雰囲気にすることにより、
射出物質がＳｎＯ2の分子あるいは分子を単位とするク
ラスターとなり、いずれも準安定な状態であり、化学量
論的組成が保たれる。
いては、高真空排気系により到達真空１．０×１０-9Ｔ
ｏｒｒまで排気した後、マスフローコントローラ１４１
ｂを経由して、酸化性ガス導入ライン１４２ｂより、酸
素混入ガスの導入を行う。酸素混入割合は、数％のオー
ダーでＨｅガスに対して混入することが好適である。こ
こで、ドライロータリーポンプもしくは高圧用ターボ分
子ポンプを主体としたガス排気系１４３ｂの動作と連動
することにより、第２反応室１４０ｂ内のガス圧力を、
０．１〜１０Ｔｏｒｒ程度の範囲の一圧力値に設定す
る。そして、この状態で、自転機構を有する第２ターゲ
ットホルダー１４４ｂに配置されたＳｎＯ 2ターゲット
１４５ｂの表面に対して、第２パルスレーザ光源１４６
ｂからのレーザ光を照射すると、ＳｎＯ2ターゲット１
４５ｂ表面でレーザアブレーション現象が発生し、Ｓｎ
Ｏ2のイオンあるいは中性粒子（分子、クラスター）が
脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５ｅＶの
オーダーの運動エネルギーで、主にターゲット法線方向
に分子、クラスターレベルの大きさを維持して、射出し
て行く。この際に、酸素ガス雰囲気にすることにより、
射出物質がＳｎＯ2の分子あるいは分子を単位とするク
ラスターとなり、いずれも準安定な状態であり、化学量
論的組成が保たれる。
【０３０６】さらに、真空反応室１４７内には堆積基板
１４８が配置され、ターボ分子ポンプを主体とする高真
空排気系１４９により到達真空１．０×１０-6Ｔｏｒｒ
程度まで排気されている。この真空反応室１４７と第１
反応室１４０ａとの差圧により、第１反応室１４０ａ内
で生成されたＳｉ超微粒子は、第１ノズル１５０ａ及び
第１スキマー１５０ｂを通過して真空反応室１４７内に
噴射され、基板１４８に堆積する。
１４８が配置され、ターボ分子ポンプを主体とする高真
空排気系１４９により到達真空１．０×１０-6Ｔｏｒｒ
程度まで排気されている。この真空反応室１４７と第１
反応室１４０ａとの差圧により、第１反応室１４０ａ内
で生成されたＳｉ超微粒子は、第１ノズル１５０ａ及び
第１スキマー１５０ｂを通過して真空反応室１４７内に
噴射され、基板１４８に堆積する。
【０３０７】同様に、真空反応室１４７と第２反応室１
４０ｂとの差圧により、第２反応室１４０ｂ内で生成さ
れたＳｎＯ2の分子あるいはクラスターは、第２ノズル
１５０ｃ及び第２スキマー１５０ｄを通過して真空反応
室１４７内に噴射され、基板１４８に均質な薄膜として
堆積する。
４０ｂとの差圧により、第２反応室１４０ｂ内で生成さ
れたＳｎＯ2の分子あるいはクラスターは、第２ノズル
１５０ｃ及び第２スキマー１５０ｄを通過して真空反応
室１４７内に噴射され、基板１４８に均質な薄膜として
堆積する。
【０３０８】従って、以上のＳｉ及びＳｎＯ2のレーザ
アブレーションを同時に行うことにより、堆積基板１４
８上にはＳｉ超微粒子が分散した均質なＳｎＯ2（透明
導電体）薄膜を形成することが可能となる。さらに、本
実施の形態においては、透明導電体薄膜作製のための活
性酸素が存在するのは第２反応室１４０ｂのみであるの
で、非常に酸化されやすいＳｉ超微粒子を、活性酸素雰
囲気に晒すことなく、透明導電体薄膜中に分散させるこ
とができる。
アブレーションを同時に行うことにより、堆積基板１４
８上にはＳｉ超微粒子が分散した均質なＳｎＯ2（透明
導電体）薄膜を形成することが可能となる。さらに、本
実施の形態においては、透明導電体薄膜作製のための活
性酸素が存在するのは第２反応室１４０ｂのみであるの
で、非常に酸化されやすいＳｉ超微粒子を、活性酸素雰
囲気に晒すことなく、透明導電体薄膜中に分散させるこ
とができる。
【０３０９】なお、堆積された超微粒子の充填率は、レ
ーザアブレーション時にターゲットに照射するレーザパ
ワー及び繰り返し周波数により制御する。あるいは、ノ
ズル及びスキマーの形状、真空反応室と各反応室との差
圧を調整することによっても制御可能である。
ーザアブレーション時にターゲットに照射するレーザパ
ワー及び繰り返し周波数により制御する。あるいは、ノ
ズル及びスキマーの形状、真空反応室と各反応室との差
圧を調整することによっても制御可能である。
【０３１０】また、雰囲気希ガスとしてＡｒを用いる場
合とＨｅを用いる場合との差は、堆積時で同等の超微粒
子平均粒径を得るためには、Ａｒの場合はＨｅを基準と
すると０．１から０．２倍の圧力に設定する必要がある
という点にある。
合とＨｅを用いる場合との差は、堆積時で同等の超微粒
子平均粒径を得るためには、Ａｒの場合はＨｅを基準と
すると０．１から０．２倍の圧力に設定する必要がある
という点にある。
【０３１１】堆積直後のＳｉ超微粒子表面には、高エネ
ルギー粒子や輻射による損傷による結晶欠陥あるいは不
純物の混入がある。そこで、これら好ましくない表面層
を除去し、結晶性と純度の優れたＳｉ超微粒子を形成す
る上で、Ｓｉ超微粒子を酸素雰囲気中で酸化したり、熱
処理をすることが有効である。この表面処理工程として
は、実施の形態１で（表１）を用いて説明した超微粒子
と透明媒質の組み合わせに応じて、以下の方法が好適で
ある。
ルギー粒子や輻射による損傷による結晶欠陥あるいは不
純物の混入がある。そこで、これら好ましくない表面層
を除去し、結晶性と純度の優れたＳｉ超微粒子を形成す
る上で、Ｓｉ超微粒子を酸素雰囲気中で酸化したり、熱
処理をすることが有効である。この表面処理工程として
は、実施の形態１で（表１）を用いて説明した超微粒子
と透明媒質の組み合わせに応じて、以下の方法が好適で
ある。
【０３１２】まず、（表１）のＡの組み合わせの場合、
即ち、透明媒質の標準生成エンタルピーが超微粒子の酸
化物のそれより低い場合には、超微粒子を透明媒質中に
分散させた時に透明媒質中の酸素による酸化が生じにく
いため、超微粒子が分散した透明媒質薄膜を堆積した後
に熱処理工程を実施する。
即ち、透明媒質の標準生成エンタルピーが超微粒子の酸
化物のそれより低い場合には、超微粒子を透明媒質中に
分散させた時に透明媒質中の酸素による酸化が生じにく
いため、超微粒子が分散した透明媒質薄膜を堆積した後
に熱処理工程を実施する。
【０３１３】具体的には、堆積終了後、一旦、真空反応
室１４７を高真空排気した後、窒素ガスを導入すること
により、窒素雰囲気を形成する。そして、堆積基板１４
８上の超微粒子が分散した透明媒質薄膜を加熱する。こ
の加熱処理の際に、温度は、超微粒子の融点（絶対温
度）の０．５〜０．８倍とし、また、透明媒質の融点よ
り低くする。さらに、透明媒質の融点は、超微粒子のそ
れよりも高いことが望ましい。例えば、Ｓｉの融点は１
４１４℃、ＳｎＯ2の融点は１１２７℃であるので、加
熱処理温度は、６００〜１０００℃の範囲に設定すれば
よい。この窒素雰囲気による表面処理工程によりこれら
好ましくない表面層を除去し、結晶性と純度の優れた超
微粒子を形成することができる。
室１４７を高真空排気した後、窒素ガスを導入すること
により、窒素雰囲気を形成する。そして、堆積基板１４
８上の超微粒子が分散した透明媒質薄膜を加熱する。こ
の加熱処理の際に、温度は、超微粒子の融点（絶対温
度）の０．５〜０．８倍とし、また、透明媒質の融点よ
り低くする。さらに、透明媒質の融点は、超微粒子のそ
れよりも高いことが望ましい。例えば、Ｓｉの融点は１
４１４℃、ＳｎＯ2の融点は１１２７℃であるので、加
熱処理温度は、６００〜１０００℃の範囲に設定すれば
よい。この窒素雰囲気による表面処理工程によりこれら
好ましくない表面層を除去し、結晶性と純度の優れた超
微粒子を形成することができる。
【０３１４】なお、ここでは窒素ガス雰囲気で熱処理を
行ったが、酸素ガス等の雰囲気中で行ってもよい。この
場合、超微粒子の表面に酸化膜を形成することもでき
る。
行ったが、酸素ガス等の雰囲気中で行ってもよい。この
場合、超微粒子の表面に酸化膜を形成することもでき
る。
【０３１５】次に、本実施の形態のように（表１）のＢ
の組み合わせの場合には、超微粒子を透明媒質中に分散
させた時に、透明媒質中の酸素により酸化されてしま
う。そこで、超微粒子を透明媒質中に分散させる前に、
あらかじめ酸化膜で被覆しておけばよい。具体的には、
上記のＳｉ及びＳｎＯ2のレーザアブレーションを行う
際に、真空反応室１４７に酸素ガスを導入しておく。そ
の圧力は、第１反応室及び第２反応室との差圧が生じる
ように設定し、例えば１０-2Ｔｏｒｒ以下とすればよ
い。第１反応室１４０ａ内で生成されたＳｉ超微粒子
は、第１ノズル１５０ａを通過して真空反応室１４７内
に噴射されると、真空反応室内の酸素分子に接触して表
面酸化が促進される。一方、この酸素ガス混入によって
は、堆積ＳｎＯ 2薄膜の酸素組成は減少されず化学量論
的組成が保たれている。この酸素雰囲気による表面処理
工程により、好ましくない表面層を除去し、結晶性と純
度の優れた超微粒子を形成することができた。
の組み合わせの場合には、超微粒子を透明媒質中に分散
させた時に、透明媒質中の酸素により酸化されてしま
う。そこで、超微粒子を透明媒質中に分散させる前に、
あらかじめ酸化膜で被覆しておけばよい。具体的には、
上記のＳｉ及びＳｎＯ2のレーザアブレーションを行う
際に、真空反応室１４７に酸素ガスを導入しておく。そ
の圧力は、第１反応室及び第２反応室との差圧が生じる
ように設定し、例えば１０-2Ｔｏｒｒ以下とすればよ
い。第１反応室１４０ａ内で生成されたＳｉ超微粒子
は、第１ノズル１５０ａを通過して真空反応室１４７内
に噴射されると、真空反応室内の酸素分子に接触して表
面酸化が促進される。一方、この酸素ガス混入によって
は、堆積ＳｎＯ 2薄膜の酸素組成は減少されず化学量論
的組成が保たれている。この酸素雰囲気による表面処理
工程により、好ましくない表面層を除去し、結晶性と純
度の優れた超微粒子を形成することができた。
【０３１６】以上のように、本実施の形態においては、
Ｓｉ超微粒子が分散したＳｎＯ2薄膜を得ることができ
るため、多孔質形状を排することができ、電極を接続し
て素子化するに簡便で、量子サイズ効果をも効果的に引
き出し得る超微粒子を含む薄膜を作製することができた
ものであり、さらに、超微粒子の表面処理工程により、
好ましくない表面層を除去し、結晶性と純度の優れたIV
族超微粒子を形成することができたものである。
Ｓｉ超微粒子が分散したＳｎＯ2薄膜を得ることができ
るため、多孔質形状を排することができ、電極を接続し
て素子化するに簡便で、量子サイズ効果をも効果的に引
き出し得る超微粒子を含む薄膜を作製することができた
ものであり、さらに、超微粒子の表面処理工程により、
好ましくない表面層を除去し、結晶性と純度の優れたIV
族超微粒子を形成することができたものである。
【０３１７】なお、以上の説明では、Ｓｉ超微粒子をＳ
ｎＯ2薄膜中に分散させて成る光電子材料の製造方法に
ついて述べたが、超微粒子の材料としては、他の種類や
組成比の単体または混晶を用いることももちろん可能で
あるし、超微粒子を分散させる透明媒質材料としては、
透明導電体薄膜の他にも、ＳｉＯ2等の誘電体薄膜を用
いることも可能である。
ｎＯ2薄膜中に分散させて成る光電子材料の製造方法に
ついて述べたが、超微粒子の材料としては、他の種類や
組成比の単体または混晶を用いることももちろん可能で
あるし、超微粒子を分散させる透明媒質材料としては、
透明導電体薄膜の他にも、ＳｉＯ2等の誘電体薄膜を用
いることも可能である。
【０３１８】ところで、以上の説明では、第１反応室内
で生成されたＳｉ超微粒子を第１ノズルを介して直接基
板に堆積させていたが、この場合、超微粒子の粒径分布
に広がりが生じる。そこで、さらに、本発明の光電子材
料の製造工程において、Ｓｉ超微粒子の粒径を制御する
方法を、図１５を用いて説明する。
で生成されたＳｉ超微粒子を第１ノズルを介して直接基
板に堆積させていたが、この場合、超微粒子の粒径分布
に広がりが生じる。そこで、さらに、本発明の光電子材
料の製造工程において、Ｓｉ超微粒子の粒径を制御する
方法を、図１５を用いて説明する。
【０３１９】図１５は、レーザアブレーション法により
超微粒子を堆積する際に、質量分離を用いて粒径を制御
する粒径制御装置の概略図である。
超微粒子を堆積する際に、質量分離を用いて粒径を制御
する粒径制御装置の概略図である。
【０３２０】図１５において、前述のように、希ガス雰
囲気の反応室内で、その中に配置されたターゲット１５
１の表面に対してパルスレーザ光を照射すると、ターゲ
ット１５１表面でレーザアブレーション現象が発生し、
空中での会合と成長が促進されて超微粒子１５２が生成
される。この生成微粒子１５２に対して、質量分離部１
５４を用いて、超微粒子１５２を導入するためのオリフ
ィス１５５、導入された超微粒子をイオン化するための
イオン化室１５６、イオン化した超微粒子の速度を電界
で加速するための加速管１５７、及び、超微粒子を質量
分離するための電界を印加する偏向電極１５８により構
成されている。
囲気の反応室内で、その中に配置されたターゲット１５
１の表面に対してパルスレーザ光を照射すると、ターゲ
ット１５１表面でレーザアブレーション現象が発生し、
空中での会合と成長が促進されて超微粒子１５２が生成
される。この生成微粒子１５２に対して、質量分離部１
５４を用いて、超微粒子１５２を導入するためのオリフ
ィス１５５、導入された超微粒子をイオン化するための
イオン化室１５６、イオン化した超微粒子の速度を電界
で加速するための加速管１５７、及び、超微粒子を質量
分離するための電界を印加する偏向電極１５８により構
成されている。
【０３２１】次に、以上の構成における、超微粒子の粒
径制御方法を説明する。まず、先に述べたように、希ガ
ス雰囲気の真空反応室内に配置されたターゲット１５１
の表面に対してパルスレーザ光を照射すると、超微粒子
１５２が生成される。この超微粒子１５２は、オリフィ
ス１５５を通過してイオン化室１５６に導入される。こ
のイオン化室１５６内にはグロー放電領域が形成されて
おり、導入された超微粒子はこのグロー放電領域を通過
する際にイオン化される。次に、イオン化された超微粒
子は、加速管１５７に印加された電圧に応じて加速され
た後、偏向電極１５８に到達する。ここで、偏向電極１
５８に電界を印加しておくと、一部の超微粒子の射出方
向が堆積基板１５３の方向へ変えられる。この射出方向
は、堆積すべき超微粒子の粒径（正確に言えば質量）、
加速管１５７での加速電圧、及び、偏向電極１５８での
印加電界により決定されるので、これらの物理量の制御
により、堆積すべき超微粒子のみ堆積基板１５３の方向
に射出することができる。
径制御方法を説明する。まず、先に述べたように、希ガ
ス雰囲気の真空反応室内に配置されたターゲット１５１
の表面に対してパルスレーザ光を照射すると、超微粒子
１５２が生成される。この超微粒子１５２は、オリフィ
ス１５５を通過してイオン化室１５６に導入される。こ
のイオン化室１５６内にはグロー放電領域が形成されて
おり、導入された超微粒子はこのグロー放電領域を通過
する際にイオン化される。次に、イオン化された超微粒
子は、加速管１５７に印加された電圧に応じて加速され
た後、偏向電極１５８に到達する。ここで、偏向電極１
５８に電界を印加しておくと、一部の超微粒子の射出方
向が堆積基板１５３の方向へ変えられる。この射出方向
は、堆積すべき超微粒子の粒径（正確に言えば質量）、
加速管１５７での加速電圧、及び、偏向電極１５８での
印加電界により決定されるので、これらの物理量の制御
により、堆積すべき超微粒子のみ堆積基板１５３の方向
に射出することができる。
【０３２２】従って、以上の質量分離部１５４を、ター
ゲット１５１と堆積基板１５３の間に組み込むことによ
り、堆積基板１５３上には粒径の揃った超微粒子を堆積
することが可能となる。
ゲット１５１と堆積基板１５３の間に組み込むことによ
り、堆積基板１５３上には粒径の揃った超微粒子を堆積
することが可能となる。
【０３２３】なお、以上の説明では、超微粒子の射出方
向を変えるのに、偏向電極を用いて電界を印加したが、
磁界を印加することにより射出方向を変えることも可能
である。
向を変えるのに、偏向電極を用いて電界を印加したが、
磁界を印加することにより射出方向を変えることも可能
である。
【０３２４】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超微粒
子が、導電率あるいは誘電率が制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散された構成とすることにより、超
微粒子へのキャリア注入、あるいは超微粒子内のキャリ
アの量子閉じ込めを効果的に実現しかつ制御することが
でき、ひいては波長等の受発光特性が制御可能でかつ受
発光効率の高い発光素子や受光素子を実現することがで
きる。
子が、導電率あるいは誘電率が制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散された構成とすることにより、超
微粒子へのキャリア注入、あるいは超微粒子内のキャリ
アの量子閉じ込めを効果的に実現しかつ制御することが
でき、ひいては波長等の受発光特性が制御可能でかつ受
発光効率の高い発光素子や受光素子を実現することがで
きる。
【０３２５】また、このような光電子材料を用いた超微
粒子を含む活性層と、さらに透明材質層とが交互に積層
された周期構造を有することにより、超微粒子が受発光
する連続スペクトルの内、特定の波長領域の強度を増強
する特性を有する光電子材料、ひいては受発光の光子エ
ネルギーの制御も可能な発光素子や受光素子等を実現す
ることができる。
粒子を含む活性層と、さらに透明材質層とが交互に積層
された周期構造を有することにより、超微粒子が受発光
する連続スペクトルの内、特定の波長領域の強度を増強
する特性を有する光電子材料、ひいては受発光の光子エ
ネルギーの制御も可能な発光素子や受光素子等を実現す
ることができる。
【０３２６】また、このような光電子材料を用いた活性
層と、それを挟んで高反射層と部分反射層とを設けるこ
とにより、受発光光の波長が狭帯域化され、かつ強度の
増大できる光電子材料、ひいては発光素子や受光素子等
を得ることができる。
層と、それを挟んで高反射層と部分反射層とを設けるこ
とにより、受発光光の波長が狭帯域化され、かつ強度の
増大できる光電子材料、ひいては発光素子や受光素子等
を得ることができる。
【０３２７】また、このような光電子材料を含む光電子
材料層を挟んで少なくとも一方の電極が直接的に接触し
た一対の電極を設けることにより、電極と光電子材料層
との電気的接続性が適宜制御でき、受発光効率の高い発
光素子や受光素子等を得る事ができる。
材料層を挟んで少なくとも一方の電極が直接的に接触し
た一対の電極を設けることにより、電極と光電子材料層
との電気的接続性が適宜制御でき、受発光効率の高い発
光素子や受光素子等を得る事ができる。
【０３２８】また、このような光電子材料を具体的に紫
外線センサ等に適用した場合には、カラーフィルター等
を必要としない構成とすることができる。
外線センサ等に適用した場合には、カラーフィルター等
を必要としない構成とすることができる。
【０３２９】そして、本発明の光電子材料及びその種々
の応用された素子、装置や集積回路は、無尽埋蔵量かつ
環境汚染フリーな材料を用い、Ｓｉ−ＬＳＩ整合性、高
耐環境性、アセンブリーレス性等の優れた効果を有する
ものであり、種々のマルチメディア対応機器に適用でき
る。
の応用された素子、装置や集積回路は、無尽埋蔵量かつ
環境汚染フリーな材料を用い、Ｓｉ−ＬＳＩ整合性、高
耐環境性、アセンブリーレス性等の優れた効果を有する
ものであり、種々のマルチメディア対応機器に適用でき
る。
【０３３０】さらに、以上の光電子材料の製造方法は、
第１のターゲット材を低圧希ガス雰囲気の第１の反応室
の内部に配置する第１のターゲット材配置工程と、第２
のターゲット材を前記第１のターゲット材が配置されて
いる第１の反応室と独立に雰囲気ガス種及びガス圧を調
整できる第２の反応室内に配置する第２のターゲット材
配置工程と、第１のターゲット材配置工程で配置された
第１のターゲット材にレーザ光を照射して前記ターゲッ
ト材の脱離・射出を生じるアブレーション工程と、第２
のターゲット材配置工程で配置された第２のターゲット
材にレーザ光を照射して前記ターゲット材の脱離・射出
を生じるアブレーション工程を有するものが好適であ
り、第１のターゲット材上のアブレーション工程におい
て脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長させて得ら
れた超微粒子が堆積基板上に補集されるのと実質的に同
時に、第２のターゲット材上のアブレーション工程での
生成物質を前記堆積基板上に補集して、第２のターゲッ
ト材から構成される均質な物質中に超微粒子が分散され
た光電子材料を実際に得ることが可能となる。
第１のターゲット材を低圧希ガス雰囲気の第１の反応室
の内部に配置する第１のターゲット材配置工程と、第２
のターゲット材を前記第１のターゲット材が配置されて
いる第１の反応室と独立に雰囲気ガス種及びガス圧を調
整できる第２の反応室内に配置する第２のターゲット材
配置工程と、第１のターゲット材配置工程で配置された
第１のターゲット材にレーザ光を照射して前記ターゲッ
ト材の脱離・射出を生じるアブレーション工程と、第２
のターゲット材配置工程で配置された第２のターゲット
材にレーザ光を照射して前記ターゲット材の脱離・射出
を生じるアブレーション工程を有するものが好適であ
り、第１のターゲット材上のアブレーション工程におい
て脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長させて得ら
れた超微粒子が堆積基板上に補集されるのと実質的に同
時に、第２のターゲット材上のアブレーション工程での
生成物質を前記堆積基板上に補集して、第２のターゲッ
ト材から構成される均質な物質中に超微粒子が分散され
た光電子材料を実際に得ることが可能となる。
【図１】本発明の実施の形態１における発光素子の断面
構造図
構造図
【図２】同発光素子の電流−電圧特性曲線図
【図３】同発光素子の発光強度−電流特性曲線図
【図４】同発光素子の発光強度−デューティ比特性曲線
図
図
【図５】同発光素子のＰＬ及びＥＬの発光強度−光子エ
ネルギー特性曲線図
ネルギー特性曲線図
【図６】同超微粒子粒径−吸収端発光エネルギーの関係
を示す特性図
を示す特性図
【図７】本発明の実施の形態２における光電変換素子の
断面構造図
断面構造図
【図８】本発明の実施の形態３における光電変換素子の
断面構造図
断面構造図
【図９】本発明の実施の形態４における光電子材料の断
面構造図
面構造図
【図１０】同光電子材料の発光スペクトルを示す図
【図１１】本発明の実施の形態５における光電子材料の
断面構造図
断面構造図
【図１２】本発明の実施の形態６における光電子集積回
路の全体構成図
路の全体構成図
【図１３】同光電子集積回路内Ｓｉ系材料光インターコ
ネクション部の断面構造図
ネクション部の断面構造図
【図１４】本発明の実施の形態７における光電子材料製
造装置の概念図
造装置の概念図
【図１５】同超微粒子の粒径制御装置の概念図
【図１６】従来の多孔質Ｓｉを用いたＥＬ素子の断面構
造図
造図
【図１７】従来の多孔質Ｓｉを用いた発光素子の断面構
造図
造図
【図１８】従来のフォトダイオードの断面構造図
【図１９】従来の光電子集積回路の全体構成図
１１、２１、７１、８１、９１、１１１、１２１、１３
４ａ、１３４ｂ 基板 １２、７２ 分離絶縁膜 １２ａ、７２ａ 開口部 １３、２２、２５、７３、８３、１３１ 光電子材料層 １４、２３、７４、８４、９５、１１５ 超微粒子 １５、２４、７５、８５、９４、１１６ 透明媒質 １６、２６、７６、８６、 半透明電極 １７、２７、７７ 裏面電極 １８、２８、７８ 導電性ペースト ８２ 下部電極 ９２ 透明材質層 ９３ 超微粒子分散層 １１２ 金属薄膜層 １１３ 多層膜層 １１４ 活性層 １１７ 部分反射膜層 １２２ 電気的信号処理用ブロック １２３ 光インターコネクション部 １３２ａ、１３２ｂ 透明電極 １３３ａ、１３３ｂ 分離絶縁膜 １３５ａ、１３５ｂ 層間絶縁膜 １３６ コリメータレンズ １３７ 光導波路 １３８ 集光レンズ １３９ ＰＩＮフォトダイオード １４０ａ 第１反応室 １４１ａ、１４１ｂ マスフローコントローラ １４２ａ 希ガス導入ライン １４３ａ、１４３ｂ ガス排気系 １４４ａ 第１ターゲットホルダー １４５ａ Ｓｉターゲット １４６ａ 第１パルスレーザ光源 １４０ｂ 第２反応室 １４２ｂ 酸化性ガスライン １４４ｂ 第２ターゲットホルダー １４５ｂ ＳｎＯ2ターゲット １４６ｂ 第２パルスレーザ光源 １４７ 真空反応室 １４８、１５３ 堆積基板 １４９ 高真空排気系 １５０ａ 第１ノズル １５０ｂ 第１スキマー １５０ｃ 第２ノズル １５０ｄ 第２スキマー １５１ ターゲット １５２ 生成超微粒子 １５４ 質量分離部 １５５ オリフィス １５６ イオン化室 １５７ 加速管 １５８ 偏向電極
４ａ、１３４ｂ 基板 １２、７２ 分離絶縁膜 １２ａ、７２ａ 開口部 １３、２２、２５、７３、８３、１３１ 光電子材料層 １４、２３、７４、８４、９５、１１５ 超微粒子 １５、２４、７５、８５、９４、１１６ 透明媒質 １６、２６、７６、８６、 半透明電極 １７、２７、７７ 裏面電極 １８、２８、７８ 導電性ペースト ８２ 下部電極 ９２ 透明材質層 ９３ 超微粒子分散層 １１２ 金属薄膜層 １１３ 多層膜層 １１４ 活性層 １１７ 部分反射膜層 １２２ 電気的信号処理用ブロック １２３ 光インターコネクション部 １３２ａ、１３２ｂ 透明電極 １３３ａ、１３３ｂ 分離絶縁膜 １３５ａ、１３５ｂ 層間絶縁膜 １３６ コリメータレンズ １３７ 光導波路 １３８ 集光レンズ １３９ ＰＩＮフォトダイオード １４０ａ 第１反応室 １４１ａ、１４１ｂ マスフローコントローラ １４２ａ 希ガス導入ライン １４３ａ、１４３ｂ ガス排気系 １４４ａ 第１ターゲットホルダー １４５ａ Ｓｉターゲット １４６ａ 第１パルスレーザ光源 １４０ｂ 第２反応室 １４２ｂ 酸化性ガスライン １４４ｂ 第２ターゲットホルダー １４５ｂ ＳｎＯ2ターゲット １４６ｂ 第２パルスレーザ光源 １４７ 真空反応室 １４８、１５３ 堆積基板 １４９ 高真空排気系 １５０ａ 第１ノズル １５０ｂ 第１スキマー １５０ｃ 第２ノズル １５０ｄ 第２スキマー １５１ ターゲット １５２ 生成超微粒子 １５４ 質量分離部 １５５ オリフィス １５６ イオン化室 １５７ 加速管 １５８ 偏向電極
Claims (61)
- 【請求項１】 超微粒子が、前記超微粒子に対して、導
電率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的に
均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その比
抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以
上の導電体で構成されて成る活性層と透明材質層とが交
互に積層した周期構造を有する光電子材料であって、前
記活性層中の超微粒子が受発光する連続スペクトルの
内、一部の波長領域の強度を増強する特性を有する光電
子材料。 - 【請求項２】 透明材質層が、透明な導電体薄膜である
請求項１記載の光電子材料。 - 【請求項３】 透明材質層が、透明な誘電体薄膜である
請求項１記載の光電子材料。 - 【請求項４】 活性層と、前記活性層の下部に設けられ
た高反射層と、前記活性層の上部に設けられた部分反射
層とを有する光電子材料であって、活性層は、超微粒子
が、前記超微粒子に対して、導電率または誘電率が相対
的に制御可能であって実質的に均質な媒質中に分散さ
れ、さらに、前記媒質が、その比抵抗が、前記超微粒子
の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の導電体で構成され
ている光電子材料。 - 【請求項５】 部分反射層及び高反射層の少なくとも一
方が、金属薄膜である請求項４記載の光電子材料。 - 【請求項６】 部分反射層及び高反射層の少なくとも一
方が、屈折率の異なる少なくとも２種類の層が交互に積
層された構造の多層膜層である請求項４記載の光電子材
料。 - 【請求項７】 高反射層が、屈折率の異なる少なくとも
２種類の層が交互に積層された構造の多層膜層と、金属
薄膜層とを有する請求項４記載の光電子材料。 - 【請求項８】 多層膜層が、請求項１から３のいずれか
に記載の光電子材料を含む請求項６または７に記載の光
電子材料。 - 【請求項９】 超微粒子の直径が、前記超微粒子を構成
する材料に内在するキャリアに付随するド・ブロイ波長
の略２倍以下である請求項１から８のいずれかに記載の
光電子材料。 - 【請求項１０】 媒質中に分散された超微粒子の間の距
離が、前記超微粒子の半径以上である請求項１から９の
いずれかに記載の光電子材料。 - 【請求項１１】 媒質の標準生成エンタルピーが、前記
媒質中に分散された超微粒子の酸化物の標準生成エンタ
ルピーより低い請求項１から１０のいずれかに記載の光
電子材料。 - 【請求項１２】 媒質の標準生成エンタルピーが、前記
媒質中に分散された超微粒子の酸化物の標準生成エンタ
ルピーより高い光電子材料であって、前記媒質中に分散
された超微粒子が、前記超微粒子を構成する元素の酸化
物で被覆されている請求項１から１０のいずれかに記載
の光電子材料。 - 【請求項１３】 超微粒子が、ＩＶ族半導体を含む請求
項１から１２のいずれかに記載の光電子材料。 - 【請求項１４】 超微粒子が、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ
−ＶＩ族化合物半導体を含む請求項１から１２のいずれ
かに記載の光電子材料。 - 【請求項１５】 媒質が、薄膜状の透明な導電体である
請求項１から１４のいずれかに記載の光電子材料。 - 【請求項１６】 超微粒子が、前記超微粒子に対して、
導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その
比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ
以上の導電体で構成されている光電子材料層と、前記光
電子材料層の上下に設けられた１対の電極とを有し、前
記１対の電極により少数キャリアを前記光電子材料層の
超微粒子に注入して電子−正孔対を生成し、前記電子−
正孔対の輻射再結合過程により発光現象を呈する発光素
子。 - 【請求項１７】 さらに、超微粒子の粒径を調整するこ
とにより、発光光子エネルギーが制御される請求項１６
記載の発光素子。 - 【請求項１８】 さらに、超微粒子の表面原子配列の構
造を調整することにより、発光光子エネルギーが制御さ
れる請求項１６記載の発光素子。 - 【請求項１９】 １対の電極が、透明または半透明な電
極である請求項１６から１８のいずれかに記載の発光素
子。 - 【請求項２０】 光電子材料層の超微粒子は、半導体を
含み、前記光電子材料層に薄膜状の金属電極が接触する
請求項１６から１９のいずれかに記載の発光素子。 - 【請求項２１】 光電子材料層と金属電極とは、ショッ
トキー接合型の接触をなしている請求項２０記載の発光
素子。 - 【請求項２２】 薄膜状の金属電極は、マグネシウム、
インジウム、アルミニウム、白金、金、銀、タングステ
ン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケ
ル、パラジウムのいずれかを含む請求項２０または２１
に記載の発光素子。 - 【請求項２３】 さらに、一方の電極を設けた半導体基
板と、前記半導体基板の前記一方の電極の反対側に設け
られ一部に前記半導体基板が露出する開口部が形成され
た絶縁体層とを有し、光電子材料層は前記開口部を被覆
する状態で形成された前記開口部を活性領域とする請求
項１６から２２のいずれかに記載の発光素子。 - 【請求項２４】 増倍現象により超微粒子の内部または
表面近傍における電子−正孔対が生成される請求項１６
から２３のいずれかに記載の発光素子。 - 【請求項２５】 発光強度は、発光素子への注入電流に
比例するよりも急峻に増大する請求項２４記載の発光素
子。 - 【請求項２６】 光電子材料層にｐ−ｎ接合が形成され
ている請求項１６から２５のいずれかに記載の発光素
子。 - 【請求項２７】 超微粒子が、前記超微粒子に対して、
導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その
比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ
以上の導電体で構成されている光電子材料層と、前記光
電子材料層の上下に設けられた１対の電極とを備え、前
記光電子材料層への光照射によるキャリア発生による内
部抵抗の変化を検出することによる受光機能を有する光
電変換素子。 - 【請求項２８】 超微粒子が、前記超微粒子に対して、
導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その
比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ
以上の導電体で構成されている光電子材料層と、前記光
電子材料層の上下に設けられた１対の電極とを備え、前
記光電子材料層と前記電極界面におけるショットキー接
合、または前記光電子材料層内部におけるｐ−ｎ接合 が形成されており、光照射によるキャリア発生による光
起電力を検出することによる受光機能を有する光電変換
素子。 - 【請求項２９】 さらに、超微粒子の粒径を調整するこ
とにより、受光光子エネルギーが制御される請求項２７
または２８記載の光電変換素子。 - 【請求項３０】 さらに、超微粒子の表面原子配列の構
造を調整することにより、受光光子エネルギーが制御さ
れる請求項２７または２８記載の光電変換素子。 - 【請求項３１】 超微粒子が、前記超微粒子に対して、
導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その
比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ
以上の導電体で構成されている光電子材料層と、前記光
電子材料層の上下に設けられた１対の電極とを備えた光
電変換素子であって、前記１対の電極により少数キャリ
アを前記光電子材料層の超微粒子に注入した場合には生
成された電子−正孔対の輻射再結合過程により発光現象
を呈する発光機能を有するとともに、前記光電子材料層
に光を照射した場合にはキャリア発生による内部抵抗の
変化を検出することによる受光機能を有する光電変換素
子。 - 【請求項３２】 超微粒子が、前記超微粒子に対して、
導電率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的
に均質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その
比抵抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ
以上の導電体で構成されている光電子材料層と、前記光
電子材料層の上下に設けられた１対の電極とを備え、前
記光電子材料層と前記電極界面におけるショットキー接
合または前記光電子材料層内部におけるｐ−ｎ接合が形
成されている光電変換素子であって、前記１対の電極に
より少数キャリアを前記光電子材料層の超微粒子に注入
した場合には生成された電子−正孔対の輻射再結合過程
により発光現象を呈する発光機能を有するとともに、前
記光電子材料層に光を照射した場合にはキャリア発生に
よる光起電力を検出することによる受光機能を有する光
電変換素子。 - 【請求項３３】 １対の電極が、透明または半透明な電
極である請求項２７から３２のいずれかに記載の光電変
換素子。 - 【請求項３４】 請求項２７から３３のいずれかに記載
の光電変換素子の超微粒子の平均粒径または表面原子配
列の構造を調整して光学ギャップエネルギーを制御する
ことにより、紫外線に対する受光機能を有する光電変換
素子を備えた紫外線センサ。 - 【請求項３５】 請求項２７から３３のいずれかに記載
の光電変換素子の超微粒子の平均粒径または表面原子配
列の構造を調整して光学ギャップエネルギーを制御する
ことにより、青色に対する受光機能を有する光電変換素
子を備えた青色センサ。 - 【請求項３６】 請求項１６から３５のいずれかに記載
の発光素子、光電変換素子、紫外線センサ、及び青色セ
ンサの内の少なくとも１つ以上を備えたモノリシック一
体化半導体装置。 - 【請求項３７】 光インターコネクション部と電気的信
号処理部とを有し、前記光インターコネクション部は、
電気−光変換素子、光導波路及び光−電気変換素子を含
み、前記電気的信号処理部を構成する半導体材料を主成
分とする光電子集積回路であって、前記電気−光変換素
子または光−電気変換素子の少なくとも一方が、前記電
気的信号処理部を構成する半導体材料の超微粒子を含
み、前記超微粒子が、前記超微粒子に対して、導電率ま
たは誘電率が相対的に制御可能であって実質的に均質な
媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その比抵抗
が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上の
導電体で構成されている光電子材料を活性領域とする光
電子集積回路。 - 【請求項３８】 光インターコネクション部と電気的信
号処理部とを有し、前記光インターコネクション部は、
電気−光変換素子、光導波路及び光−電気変換素子を含
み、電気的信号処理部と同様のモノリシックプロセスに
より製造される光電子集積回路であって、前記電気−光
変換素子または光−電気変換素子の少なくとも一方が、
前記電気的信号処理部を構成する半導体材料の超微粒子
を含み、前記超微粒子が、前記超微粒子に対して、導電
率または誘電率が相対的に制御可能であって実質的に均
質な媒質中に分散され、さらに、前記媒質が、その比抵
抗が、前記超微粒子の比抵抗と同程度あるいはそれ以上
の導電体で構成されている光電子材料を活性領域とする
光電子集積回路。 - 【請求項３９】 電気−光変換素子は、発光素子部であ
って、請求項１６から２６のいずれかに記載の発光素子
から構成される請求項３７または３８記載の光電子集積
回路。 - 【請求項４０】 光−電気変換素子が、請求項２７から
３３のいずれかに記載の光電変換素子から構成される請
求項３７または３８記載の光電子集積回路。 - 【請求項４１】 第１のターゲット材を低圧希ガス雰囲
気の第１の反応室の内部に配置する第１のターゲット材
配置工程と、堆積基板を真空反応室の内部に配置する基
板配置工程と、第２のターゲット材を前記第１のターゲ
ット材が配置されている第１の反応室と独立に雰囲気ガ
ス種及びガス圧を調整できる第２の反応室内に配置する
第２のターゲット材配置工程と、前記第１のターゲット
材配置工程で配置された第１のターゲット材にレーザ光
を照射して前記ターゲット材の脱離・射出を生じるアブ
レーション工程と、前記第２のターゲット材配置工程で
配置された第２のターゲット材にレーザ光を照射して前
記ターゲット材の脱離・射出を生じるアブレーション工
程を有し、前記第１のターゲット材上のアブレーション
工程において脱離・射出された物質を空中で凝縮・成長
させて得られた超微粒子が前記堆積基板上に補集される
のと実質的に同時に、前記第２のターゲット材上のアブ
レーション工程での生成物質を前記堆積基板上に補集し
て、前記第２のターゲット材から構成される物質中に前
記超微粒子が分散された光電子材料を得る光電子材料の
製造方法。 - 【請求項４２】 さらに、低圧希ガスの導入圧力を変化
させる工程を有し，前記超微粒子の平均粒径を制御する
請求項４１に記載の光電子材料の製造方法。 - 【請求項４３】 さらに、アブレーション工程に起因し
て得られた超微粒子を質量分離する工程を有し、前記超
微粒子の平均粒径を制御する請求項４１または４２に記
載の光電子材料の製造方法。 - 【請求項４４】 超微粒子を質量分離する工程は、超微
粒子をイオン化する工程と、イオン化された超微粒子に
対して電界または磁界を加える工程とを含む請求項４３
記載の光電子材料の製造方法。 - 【請求項４５】 第１のターゲット材が半導体を含む請
求項４１から４４のいずれかに記載の光電子材料の製造
方法。 - 【請求項４６】 堆積基板上に補集された超微粒子が半
導体層を形成し、さらに前記半導体層に対して、ｎ−型
導電性不純物とｐ−型導電性不純物とを導入する工程を
有する請求項４５記載の光電子材料の製造方法。 - 【請求項４７】 半導体層に対して導入されるｎ−型導
電性不純物とｐ−型導電性不純物は、互いの拡散深さを
異ならせて導入される請求項４６記載の光電子材料の製
造方法。 - 【請求項４８】 第２のターゲット材が透明導電体であ
る請求項４１から４７のいずれかに記載の光電子材料の
製造方法。 - 【請求項４９】 第２のターゲット材が誘電体である請
求項４１から４７のいずれかに記載の光電子材料の製造
方法。 - 【請求項５０】 さらに、超微粒子の表面を酸化する酸
化工程を有する請求項４１から４９のいずれかに記載の
光電子材料の製造方法。 - 【請求項５１】 酸化工程では、空中会合工程で得られ
た超微粒子を酸素含有の雰囲気ガス中にて加熱処理する
ことにより、前記超微粒子の表面を熱酸化膜で被覆する
被覆工程を含む請求項５０記載の光電子材料の製造方
法。 - 【請求項５２】 さらに、被覆工程の熱酸化膜の形成時
の温度よりも高い温度の非酸化性雰囲気での熱処理を、
前記被覆工程より以前に実施する工程を有する請求項５
１記載の光電子材料の製造方法。 - 【請求項５３】 超微粒子分散層が、請求項４１から５
２のいずれかに記載の光電子材料の製造方法により製造
された光電子材料を含む請求項１から３のいずれかに記
載の光電子材料。 - 【請求項５４】 活性層が、請求項４１から５２のいず
かに記載の光電子材料の製造方法により製造された光電
子材料を含む請求項４から８のいずれかに記載の光電子
材料。 - 【請求項５５】 光電子材料層が、請求項５３または５
４に記載の光電子材料を含む請 求項１６から２６のいずれかに記載の発光素子。 - 【請求項５６】 光電子材料層が、請求項５３または５
４に記載の光電子材料を含む請求項２７から３３のいず
れかに記載の光電変換素子。 - 【請求項５７】 請求項５６記載の光電変換素子を含む
請求項３４記載の紫外線センサ。 - 【請求項５８】 請求項５６記載の光電変換素子を含む
請求項３５記載の青色センサ。 - 【請求項５９】 請求項５５から５８のいずれかに記載
の発光素子、光電変換素子、紫外線センサ、及び青色セ
ンサの内の少なくとも１つ以上を備えたモノリシック一
体化半導体装置。 - 【請求項６０】 電気−光変換素子が、請求項５５記載
の発光素子から構成される請求項３７から４０のいずれ
かに記載の光電子集積回路。 - 【請求項６１】 光−電気変換素子が、請求項５６記載
の光電変換素子から構成される請求項３７から４０のい
ずれかに記載の光電子集積回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22781697A JP3478710B2 (ja) | 1996-11-27 | 1997-08-25 | 光電子材料及びその応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31593496 | 1996-11-27 | ||
| JP8-315934 | 1996-11-27 | ||
| JP22781697A JP3478710B2 (ja) | 1996-11-27 | 1997-08-25 | 光電子材料及びその応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10214995A JPH10214995A (ja) | 1998-08-11 |
| JP3478710B2 true JP3478710B2 (ja) | 2003-12-15 |
Family
ID=26527885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22781697A Expired - Fee Related JP3478710B2 (ja) | 1996-11-27 | 1997-08-25 | 光電子材料及びその応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3478710B2 (ja) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020024153A1 (en) | 2000-07-14 | 2002-02-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Light-emitting device and optical intergrated device |
| US7150910B2 (en) * | 2001-11-16 | 2006-12-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Nanocrystal structures |
| JP2003282944A (ja) * | 2002-03-26 | 2003-10-03 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 可視光発光装置 |
| US6995371B2 (en) * | 2003-06-12 | 2006-02-07 | Sirica Corporation | Steady-state non-equilibrium distribution of free carriers and photon energy up-conversion using same |
| JPWO2005004545A1 (ja) * | 2003-07-02 | 2006-08-17 | 松下電器産業株式会社 | 発光素子及び表示デバイス |
| JP4566663B2 (ja) * | 2004-03-26 | 2010-10-20 | キヤノン株式会社 | 発光材料及びその製造方法 |
| JP4529855B2 (ja) | 2005-09-26 | 2010-08-25 | 日新電機株式会社 | シリコン物体形成方法及び装置 |
| US8093604B2 (en) * | 2005-12-28 | 2012-01-10 | Group Iv Semiconductor, Inc. | Engineered structure for solid-state light emitters |
| US7800117B2 (en) * | 2005-12-28 | 2010-09-21 | Group Iv Semiconductor, Inc. | Pixel structure for a solid state light emitting device |
| KR100833489B1 (ko) * | 2006-02-21 | 2008-05-29 | 한국전자통신연구원 | 실리콘 나노 점을 이용한 반도체 발광 소자 및 그 제조방법 |
| JP4904207B2 (ja) * | 2007-06-06 | 2012-03-28 | シャープ株式会社 | 発光素子、半導体チップ、チップモジュール、発光素子の製造方法 |
| JP2009193991A (ja) * | 2008-02-12 | 2009-08-27 | Murata Mfg Co Ltd | 酸化亜鉛量子ドットおよびその製造方法 |
| JP5069163B2 (ja) * | 2008-03-28 | 2012-11-07 | 三菱電機株式会社 | 太陽電池およびその製造方法 |
| US8000571B2 (en) * | 2009-04-29 | 2011-08-16 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Light emitting device and planar waveguide with single-sided periodically stacked interface |
| JP2012169521A (ja) * | 2011-02-16 | 2012-09-06 | Fujitsu Ltd | 紫外光センサー及びその製造方法 |
| KR101192934B1 (ko) | 2011-02-28 | 2012-10-18 | 성균관대학교산학협력단 | 금속산화물 나노구조체를 구비한 자외선 센서 및 이를 응용한 화재경보장치 |
| JP2014180610A (ja) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Hitachi Zosen Corp | 微粒子製造装置 |
| JP2014180611A (ja) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Hitachi Zosen Corp | 微粒子製造装置 |
| JP2015141983A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | 京セラ株式会社 | 半導体粒子ペーストおよびその製法、ならびに光電変換装置 |
| WO2019150971A1 (ja) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | ソニー株式会社 | 光電変換素子および撮像装置 |
-
1997
- 1997-08-25 JP JP22781697A patent/JP3478710B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10214995A (ja) | 1998-08-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3478710B2 (ja) | 光電子材料及びその応用デバイス、並びに光電子材料の製造方法 | |
| KR100291456B1 (ko) | 광전자재료및그를이용한장치와,광전자재료의제조방법 | |
| US7928317B2 (en) | Thin film solar cell | |
| JP3405099B2 (ja) | カラーセンサ | |
| CN1516917A (zh) | 电子隧道效应器件 | |
| US6017811A (en) | Method of making improved electrical contact to porous silicon | |
| Sung et al. | Physics and device structures of highly efficient silicon quantum dots based silicon nitride light-emitting diodes | |
| Liu et al. | Optoelectronic devices based on the integration of halide perovskites with silicon-based materials | |
| US20110146784A1 (en) | Photovoltaic device back contact | |
| Vivaldo et al. | Study of the photon down‐conversion effect produced by thin silicon‐rich oxide films on silicon solar cells | |
| Lu et al. | Si nanocrystals-based multilayers for luminescent and photovoltaic device applications | |
| KR100308419B1 (ko) | 질화갈륨계발광소자의전극제작방법 | |
| WO2008140627A1 (en) | Thin film solar cell | |
| Galkin et al. | Mechanisms of visible electroluminescence in diode structures on the basis of porous silicon: a review | |
| CN114361283B (zh) | 一种深紫外探测器件及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Voltage-controlled electroluminescence from SiO2 films containing Ge nanocrystals and its mechanism | |
| AU728975B2 (en) | Photoelectronic material, device using the same, and method for manufacturing the same | |
| US20230320115A1 (en) | Process for the halogen treatment of metal oxide layers | |
| AU752891B2 (en) | Photoelectronic material, device using the same, and method for manufacturing the same | |
| Hirschman | Light emission from nanoscale silicon: the king of microelectronics advancing toward optoelectronic integrated circuits | |
| JP5920818B2 (ja) | 光電変換素子及びその製造方法 | |
| CN114765343A (zh) | 一种基于铒掺杂的氧化钽薄膜电致发光器件及其制备方法 | |
| Sugawa et al. | An experimental observation of photo-induced carrier multiplication in hydrogenated amorphous silicon | |
| Starikov et al. | Diode structures based on p-GaN for optoelectronic applications in the near-ultraviolet range of the spectrum | |
| Sung et al. | Nanocrystal silicon light emitting devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071003 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081003 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091003 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091003 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101003 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111003 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121003 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131003 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |