JP3723148B2 - 発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率を達成可能な発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体基板には論理素子、演算素子及びドライブ素子などを高い信頼性で高集積化でき、シリコンが安いために化合物半導体に比べてより安価で、高集積回路を実現しうる利点がある。したがって、大部分の集積回路はシリコン（Ｓｉ）を基本材料として使用している。
【０００３】
前記のようなシリコンが有する利点を十分に生かし、集積回路との製造工程上の互換性ある安価の光電子デバイスを具現するためにシリコンに基づいた発光素子を作ろうとする研究が進行しつつある。多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンは発光特性を有するのが実験的に確認され、これに関する研究が進行されている。
【０００４】
図１はバルク型の単結晶シリコンの表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）との間のエネルギーバンドギャップを示す図である。
【０００５】
多孔性シリコンは、バルク型のＳｉを、例えば、フッ酸（ＨＦ）が含まれた電解質溶液に入れ、そのバルク型Ｓｉの表面を電気化学的に陽極処理（ａｎｏｄｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）することによって製造されうる。
【０００６】
バルク型シリコンをＨＦ溶液に入れたままで陽極処理を行う時、そのバルク型シリコンの表面側には図１に示されたように、多数の孔１ａを有する多孔性シリコン領域１が形成される。孔１ａ部分には膨出部（ＨＦにより融解されない部分）１ｂに比べてＳｉ−Ｈ結合がより多く存在する。多孔性シリコン領域１での価電子帯エネルギーＥｖと伝導帯エネルギーＥｃとのネルギーバンドギャップは多孔性シリコン領域１の形状と反対に現れる。
【０００７】
したがって、エネルギーバンドギャップ図面で膨出部に取囲まれた窪み（多孔性シリコン領域１、図では孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂ）は量子拘束効果（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ）を示してバルク型シリコンのエネルギーバンドギャップより大きくなり、この部分に電子とホールとがトラップされて発光結合を行う。
【０００８】
例えば、多孔性シリコン領域１で、孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂを量子拘束効果を示す単結晶シリコンワイヤー状に形成すれば、電子とホールとはこのワイヤーにトラップされて発光結合をし、ワイヤーの大きさ（幅と長さ）によって発光波長は近赤外線から青色波長まで可能である。この際、孔１ａの周期は図１に示したように、例えば約５ｎｍ、多孔性シリコン領域の最大厚さは、例えば約３ｎｍである。
【０００９】
したがって、多孔性シリコンに基づく発光素子を製造し、多孔性シリコン領域１が形成された単結晶シリコンに所定の電圧を印加すれば、多孔性特性によって所望の波長領域の光を発光させうる。
【００１０】
しかし、前述したような多孔性シリコンに基づいた発光素子は、まだ発光素子としての信頼性が確保されておらず、外部量子効率（ＥＱＥ：ＥｘｔｅｒｎａｌＱｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が約０．１％と低い問題点がある。
【００１１】
図２はナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子は、ｐ型単結晶シリコン基板２と、基板２上に形成された非晶質シリコン層３と、非晶質シリコン層３上に形成された絶縁膜５と、基板２の下面及び絶縁膜５上に各々形成された下部、上部電極６、７を含む層構造を有し、非晶質シリコン層３内に形成された量子点状のナノクリスタルシリコン４とを具備する。
【００１２】
非晶質シリコン層３を酸素雰囲気下で７００℃に急昇温させて再結晶化させれば、量子点状のナノクリスタルシリコン４が形成される。この際、非晶質シリコン層３の厚さは３ｎｍで、ナノクリスタルシリコン４の大きさは約２〜３ｎｍである。
【００１３】
前述したようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は上下部電極７、６を通じて逆方向に電圧をかければ、シリコン基板２とナノクリスタルシリコン４との非晶質シリコンの両端に大きな電界が生じて高エネルギー状態の電子と正孔が生成され、これらがナノクリスタルシリコン４内にトンネリングされて発光結合を行う。この際、ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子において発光波長はナノクリスタルシリコン量子点の大きさが小さいほど短くなる。
【００１４】
このようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は、ナノクリスタルシリコン量子点の大きさ制御及び均一性を確保しにくく、効率が極めて低い。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を改善するために案出されたものであって、多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンを用いた発光素子より効率に優れ、かつ発光波長選択性が向上された発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置を提供することにその目的がある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明にともなう発光素子は、ｎ型またはｐ型基板と、前記基板の一面に、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、前記ｐ−ｎ接合部位で発光される光の波長選択性を向上させるための共振器と、正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極とを含むことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記共振器は、前記基板の反対面側に形成された第１反射膜と、前記第１反射膜と共振器をなして発光波長選択性を向上させるように、前記ドーピング領域上に形成された第２反射膜よりなり、前記第１及び第２反射膜のうち１つの反射膜は他の反射膜より低い反射率を有するように形成され、低反射率を有する１つの反射膜を通じて発光された光を出射させることが望ましい。
【００１８】
前記第２反射膜は、屈折率の相異なる物質を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であることが望ましい。
【００１９】
前記第１反射膜は前記基板の反対面上に形成され、前記第１電極は前記第１反射膜周辺の前記基板の反対面上に形成されうる。
【００２０】
代案として、前記第１電極は前記基板の反対面と第１反射膜との間に透明電極よりなりうる。
【００２１】
前記基板の一面に前記ドーピング領域形成時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜をさらに備えることが望ましい。
【００２２】
前記基板はシリコンを含む所定の半導体物質よりなり、前記制御膜は、前記ドーピング領域が極端に浅く形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化膜であることが望ましい。
【００２３】
前記目的を達成するために本発明は、少なくとも１つの発光素子を備える発光デバイス装置において、前記発光素子は、ｎ型またはｐ型基板と、前記基板の一面に、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、前記ｐ−ｎ接合部位で発光される光の波長選択性を向上させるための共振器と、正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極とを含み、照明システム及びディスプレーシステムのうち何れか１つに適用されることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳しく説明する。
【００２５】
図３及び図４は各々本発明の第１及び第２実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
【００２６】
図面を参照するに、本発明に係るシリコン光素子は、基板１１と、基板１１の一面に形成されたドーピング領域１５と、発光される光の波長選択性を向上させる共振器と、正孔及び電子を注入するために基板１１の反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極１７、１９とを含んで構成される。また、本発明に係る発光素子はドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能を行い、ドーピング領域１５を極端に浅く形成させる制御膜１３を基板１１の一面にさらに備えることが望ましい。この制御膜１３は本発明の発光素子のドーピング領域１５を形成するためには必要なものであって、ドーピング領域１５の形成後に選択的に除去されうる。
【００２７】
基板１１は望ましくはＳｉを含む所定の半導体物質、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣまたはダイアモンドよりなり、ｎ型ドーピングされている。
【００２８】
ドーピング領域１５は所定のドープ剤、例えば、ホウ素または燐を基板１１の一面に形成された制御膜１３の開口を通じて基板１１内に非平衡拡散させ、基板１１と反対型、例えば、ｐ＋型ドーピングされた領域である。
【００２９】
ドーピング時、ドーピング領域１５の基板１１との境界部、すなわち、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つが形成されて量子拘束効果により発光されるように、ドーピング領域１５は極端に浅くドーピングされたことが望ましい。
【００３０】
ここで、ｐ−ｎ接合部位１４には主に量子ウェルが形成され、量子点や量子線も形成されうる。また、ｐ−ｎ接合部位１４には前記量子ウェル、量子点、量子線のうち２種以上が複合形成されることもある。以下、表現の便宜上、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明する。以下、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明しても、これは量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つを意味するものと見なされる。
【００３１】
図５Ａはドーピング領域１５を非平衡拡散により極端に浅く形成する時のｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図５Ｂは非平衡拡散により図５Ａに示されたｐ−ｎ接合部位１４に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルＱＷのエネルギーバンドを示す。図５Ｂにおいて、Ｅｃは伝導帯エネルギー準位、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｆはフェルミエネルギー準位を各々示し、このようなエネルギー準位については半導体関連技術分野ではよく知られているので、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
図５Ａ及び図５Ｂに示されたように、ｐ−ｎ接合部位１４は他のドーピング層が交互に形成された量子ウェル構造を有するが、ウェルとバリヤーは約２、３ｎｍである。
【００３３】
このようにｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルを形成する極端に浅いドーピングは制御膜１３の厚さ及び拡散工程条件などを最適に制御することによって形成されうる。
【００３４】
拡散工程のうち適正な拡散温度及び基板１１表面の変形されたポテンシャルにより拡散プロファイルの厚さが、例えば、１０−２０ｎｍに調節され、このように極端に浅い拡散プロファイルには量子ウェルが生成される。ここで、基板１１表面は初期制御膜の厚さと表面前処理により変形され、このような変形は工程の進行につれて深化される。
【００３５】
基板１１がシリコンを含む所定の半導体物質よりなる場合、制御膜１３はドーピング領域１５を極端に浅く形成させる適正厚さを有するＳｉＯ２であることが望ましい。この制御膜１３は、例えば、基板１１の一面上にＳｉＯ２を形成した後、拡散工程のための開口部分をフォトリソグラフィー工程を用いてエッチングすることによってマスク構造で形成される。
【００３６】
拡散技術分野で知られたところによれば、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ（数千Å）より厚いか、または低温であれば、主に空席が拡散に影響を与えて拡散が深く起こり、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さより薄いか、または高温であれば、Ｓｉ自己間隙が主に拡散に影響を与えて拡散が深く起こる。したがって、シリコン酸化膜をＳｉ自己間隙及び空席が類似した割合で生じる適正厚さに形成すれば、Ｓｉ自己間隙と空席とが相互結合されてドープ剤の拡散を促進しなくなるので、極端に浅いドーピングが可能となる。ここで、空席及び自己間隙と関連した物理的な性質は拡散と関連した技術分野ではよく知られているので、より詳細な説明は省略する。
【００３７】
ここで、基板１１はｐ型ドーピングされ、ドーピング領域１５はｎ＋型ドーピングされうる。
【００３８】
前記共振器は、発光波長選択性を向上させるように、基板１１の反対面側に形成された第１反射膜２１と、ドーピング領域１５上に形成された第２反射膜２５を含んで構成される。発光されて所望の方向に出射される光の効率を極大化するために、第１反射膜２１は高反射率（望ましくは、ほぼ１００％）を有するように形成され、ドーピング領域１５に近い前記第２反射膜２５は第１反射膜２１より低反射率を有するように形成され、ｐ−ｎ接合部位１４で発光された光を第２反射膜２５を通じて出射させることが望ましい。逆に、第１反射膜２１が第２反射膜２５より低反射率を有するように形成されて発光された光が第１反射膜２１を通じて出射されるように構成されうる。
【００３９】
第１反射膜２１は一般の反射膜またはブラッグ反射膜（ＤＢＲ）で構成されうる。第２反射膜２５は発光スペクトルの帯域幅を減らせるようにブラッグ反射膜で形成することが望ましい。第２反射膜２５は制御膜１３の開口部の第２電極１９の形成位置を除いた領域に形成される。ここで、ブラッグ反射膜は屈折率の相異なる物質、例えば、化合物半導体物質を、交互に要求される積層数だけ積層して形成したものである。第１及び第２反射膜２１、２５が全てブラッグ反射膜よりなり、前述したように、発光された光が第２反射膜２５を通じて出射される構造であれば、第２反射膜２５は第１反射膜２１に比べて低反射率を有するように第１反射膜２１より少ない積層数で形成される。
【００４０】
前述したような共振器を備えると、結果的にその共振器の共振条件に合う特定波長帯域の光のみが増幅されて出射されるために、波長選択性が大きく向上される。前記共振器は発光して出射させようとする波長帯域に合う共振条件で形成される。
【００４１】
第１電極１７は前記基板の反対面上に形成され、第２電極１９は基板１１の一面上の第２反射膜２５の周辺に形成される。
【００４２】
本発明に係る発光素子の第１実施例を示す図３を参照するに、第１電極１７は基板１１の反対面と第１反射膜２１との間に位置されうる。この場合、第１電極１７は光が透過されるように、例えば、ＩＴＯを用いて透明な電極よりなることが望ましい。
【００４３】
本発明に係る発光素子の第２実施例を示す図４を参照するに、基板１１の反対面の最も反射効果の大きな部分にのみ第１反射膜２１を形成し、第１電極１７は基板１１の反対面上の第１反射膜２１の周辺に形成しても良い。
【００４４】
前述したように構成された本発明に係る発光素子は、ドーピング領域１５の基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４に電子と正孔対の消滅結合が起こる量子ウェルが形成されているので、前述したように発光が起こり、第１及び第２反射膜２１、２５よりなる共振器の共振条件に合う所望の波長帯域の光のみが増幅されて第２反射膜２５を通じて出射される。もちろん、放出される光量及び波長は印加される電流量にも依存する。
【００４５】
すなわち、本発明に係る発光素子は次のように発光される。例えば、第１及び第２電極１７、１９を通じて電源（電圧または電流）が与えられると、キャリア、すなわち、電子と正孔はｐ−ｎ接合部位１４の量子ウェルに注入され、量子ウェル内のサブバンドエネルギーレベルを通じて再結合（消滅結合）される。この際、キャリアが結合される状態によって所定波長の電場発光（ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）が生じ、生じる光量は第１及び第２電極１７、１９を通じて与えられた電源（電圧または電流）の量により変わる。
【００４６】
この際、本発明に係る発光素子での発光波長は一次的に基板１１の表面（実際には、ドーピング領域１５の表面）に形成される微小欠陥（ｍｉｃｒｏ−ｄｅｆｅｃｔ）による微小空隙（ｍｉｃｒｏ−ｃａｖｉｔｙ）により決まる。したがって、製作工程により微小空隙の大きさを調節すれば、所望の発光波長帯域の発光素子が得られる。
【００４７】
ここで、ＥＬの強度は基板１１の表面に形成される微小欠陥による微小空隙の共振波長とよく合う場合に増幅されうる。
【００４８】
前記微小空隙は、ドーピング領域１５の表面に形成された微小欠陥による変形されたポテンシャルのために生じる。したがって、変形されたポテンシャルを調節することによって量子ウェルの変形が可能であり、これにより微小空隙が決まり、微小空隙を調節すれば所望の波長帯域の発光が得られる。
【００４９】
前述したように本発明に係る発光素子は、極端に浅くドーピングされたドーピング領域１５のｐ−ｎ接合部位１４で電荷分布ポテンシャルの局部的な変化によって量子拘束効果が生じ、量子ウェル内にサブバンドエネルギーレベルが形成されていて高い量子効率を有する。
【００５０】
また、本発明に係る発光素子は、ｐ−ｎ接合部位１４で発光された波長帯域の光のうち第１及び第２反射膜２１、２５で構成された共振器の共振条件に合う所望の狭波長帯域の光のみを増幅するので、波長選択性が大きく向上される。
【００５１】
前述したような本発明に係る発光素子は、ディスプレーシステムまたは照明システムに発光デバイス装置として適用可能であり、ディスプレーシステムまたは照明システムへの適用時、従来の発光素子を適用した場合より鮮明な色特性が得られる。前記発光デバイス装置は本発明に係る発光素子を少なくとも１つ備える。
【００５２】
本発明に係る発光素子を適用した発光デバイス装置がディスプレーシステム用である場合、前記発光デバイス装置は２次元に配列された多数の本発明に係る発光素子よりなる。本発明に係る発光素子は半導体物質を用いて半導体製造工程を通じて超小型化が可能なので、これをディスプレーシステム、特に薄型固状ディスプレーに応用可能なのは明白である。また、本発明に係る発光素子は大きく向上された波長選択性を有するので、本発明に係る発光デバイス装置をなす各発光素子をディスプレーシステムの各カラー画素に合う共振条件を有するように形成してディスプレーシステムを構成すれば、別途のカラーフィルター無しに、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂカラーを具現しうる。より鮮明なカラーの具現のために本発明に係る発光デバイス装置にカラーフィルターを付加可能なのはもちろんである。
【００５３】
本発明に係る発光素子を適用した発光デバイス装置が照明システム用である場合、前記発光デバイス装置は照明システムの用途及び照度要求に対応して少なくとも１つ以上の本発明に係る発光素子よりなる。この際、採用される発光素子は、要求されるカラーに合わせて最適化された共振器を具備する。
【００５４】
前記のような本発明に係る発光素子を適用した発光デバイス装置の構造は、以上の説明を通じて十分に類推可能なので、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
【発明の効果】
前述したような本発明に係る発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置によれば、極端に浅くドーピングされてそのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光されるドーピング領域を備え、特定波長帯域の光のみを共振させる共振器構造が付加されているので、効率に優れ、かつ波長選択性が大きく向上される。また、共振器構造により発光強度が増幅され、出射される光の直進性が大きく改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】バルク型の単結晶シリコン表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯と伝導帯とのエネルギーバンドギャップを示す図である。
【図２】ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
【図５Ａ】ドーピング領域を非平衡拡散により極端に浅く形成する時、ｐ−ｎ接合部位の構造を概略的に示す図である。
【図５Ｂ】非平衡拡散により図５Ａに示されたｐ−ｎ接合部位に、表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルのエネルギーバンドを示す図である。
【符号の説明】
２ ｐ型単結晶シリコン基板
３ 非晶質シリコン層
４ ナノクリスタルシリコン
５ 絶縁膜
１１ 基板
１３ 制御膜
１４ ｐ−ｎ接合部位
１５ ドーピング領域
１７、１９ 第１及び第２電極
２１、２５ 第１及び第２反射膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率を達成可能な発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体基板には論理素子、演算素子及びドライブ素子などを高い信頼性で高集積化でき、シリコンが安いために化合物半導体に比べてより安価で、高集積回路を実現しうる利点がある。したがって、大部分の集積回路はシリコン（Ｓｉ）を基本材料として使用している。
【０００３】
前記のようなシリコンが有する利点を十分に生かし、集積回路との製造工程上の互換性ある安価の光電子デバイスを具現するためにシリコンに基づいた発光素子を作ろうとする研究が進行しつつある。多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンは発光特性を有するのが実験的に確認され、これに関する研究が進行されている。
【０００４】
図１はバルク型の単結晶シリコンの表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）との間のエネルギーバンドギャップを示す図である。
【０００５】
多孔性シリコンは、バルク型のＳｉを、例えば、フッ酸（ＨＦ）が含まれた電解質溶液に入れ、そのバルク型Ｓｉの表面を電気化学的に陽極処理（ａｎｏｄｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）することによって製造されうる。
【０００６】
バルク型シリコンをＨＦ溶液に入れたままで陽極処理を行う時、そのバルク型シリコンの表面側には図１に示されたように、多数の孔１ａを有する多孔性シリコン領域１が形成される。孔１ａ部分には膨出部（ＨＦにより融解されない部分）１ｂに比べてＳｉ−Ｈ結合がより多く存在する。多孔性シリコン領域１での価電子帯エネルギーＥｖと伝導帯エネルギーＥｃとのネルギーバンドギャップは多孔性シリコン領域１の形状と反対に現れる。
【０００７】
したがって、エネルギーバンドギャップ図面で膨出部に取囲まれた窪み（多孔性シリコン領域１、図では孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂ）は量子拘束効果（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ）を示してバルク型シリコンのエネルギーバンドギャップより大きくなり、この部分に電子とホールとがトラップされて発光結合を行う。
【０００８】
例えば、多孔性シリコン領域１で、孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂを量子拘束効果を示す単結晶シリコンワイヤー状に形成すれば、電子とホールとはこのワイヤーにトラップされて発光結合をし、ワイヤーの大きさ（幅と長さ）によって発光波長は近赤外線から青色波長まで可能である。この際、孔１ａの周期は図１に示したように、例えば約５ｎｍ、多孔性シリコン領域の最大厚さは、例えば約３ｎｍである。
【０００９】
したがって、多孔性シリコンに基づく発光素子を製造し、多孔性シリコン領域１が形成された単結晶シリコンに所定の電圧を印加すれば、多孔性特性によって所望の波長領域の光を発光させうる。
【００１０】
しかし、前述したような多孔性シリコンに基づいた発光素子は、まだ発光素子としての信頼性が確保されておらず、外部量子効率（ＥＱＥ：ＥｘｔｅｒｎａｌＱｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が約０．１％と低い問題点がある。
【００１１】
図２はナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子は、ｐ型単結晶シリコン基板２と、基板２上に形成された非晶質シリコン層３と、非晶質シリコン層３上に形成された絶縁膜５と、基板２の下面及び絶縁膜５上に各々形成された下部、上部電極６、７を含む層構造を有し、非晶質シリコン層３内に形成された量子点状のナノクリスタルシリコン４とを具備する。
【００１２】
非晶質シリコン層３を酸素雰囲気下で７００℃に急昇温させて再結晶化させれば、量子点状のナノクリスタルシリコン４が形成される。この際、非晶質シリコン層３の厚さは３ｎｍで、ナノクリスタルシリコン４の大きさは約２〜３ｎｍである。
【００１３】
前述したようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は上下部電極７、６を通じて逆方向に電圧をかければ、シリコン基板２とナノクリスタルシリコン４との非晶質シリコンの両端に大きな電界が生じて高エネルギー状態の電子と正孔が生成され、これらがナノクリスタルシリコン４内にトンネリングされて発光結合を行う。この際、ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子において発光波長はナノクリスタルシリコン量子点の大きさが小さいほど短くなる。
【００１４】
このようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は、ナノクリスタルシリコン量子点の大きさ制御及び均一性を確保しにくく、効率が極めて低い。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を改善するために案出されたものであって、多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンを用いた発光素子より効率に優れ、かつ発光波長選択性が向上された発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置を提供することにその目的がある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明にともなう発光素子は、ｎ型またはｐ型基板と、前記基板の一面に、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、前記ｐ−ｎ接合部位で発光される光の波長選択性を向上させるための共振器と、正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極とを含むことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記共振器は、前記基板の反対面側に形成された第１反射膜と、前記第１反射膜と共振器をなして発光波長選択性を向上させるように、前記ドーピング領域上に形成された第２反射膜よりなり、前記第１及び第２反射膜のうち１つの反射膜は他の反射膜より低い反射率を有するように形成され、低反射率を有する１つの反射膜を通じて発光された光を出射させることが望ましい。
【００１８】
前記第２反射膜は、屈折率の相異なる物質を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であることが望ましい。
【００１９】
前記第１反射膜は前記基板の反対面上に形成され、前記第１電極は前記第１反射膜周辺の前記基板の反対面上に形成されうる。
【００２０】
代案として、前記第１電極は前記基板の反対面と第１反射膜との間に透明電極よりなりうる。
【００２１】
前記基板の一面に前記ドーピング領域形成時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜をさらに備えることが望ましい。
【００２２】
前記基板はシリコンを含む所定の半導体物質よりなり、前記制御膜は、前記ドーピング領域が極端に浅く形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化膜であることが望ましい。
【００２３】
前記目的を達成するために本発明は、少なくとも１つの発光素子を備える発光デバイス装置において、前記発光素子は、ｎ型またはｐ型基板と、前記基板の一面に、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、前記ｐ−ｎ接合部位で発光される光の波長選択性を向上させるための共振器と、正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極とを含み、照明システム及びディスプレーシステムのうち何れか１つに適用されることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳しく説明する。
【００２５】
図３及び図４は各々本発明の第１及び第２実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
【００２６】
図面を参照するに、本発明に係るシリコン光素子は、基板１１と、基板１１の一面に形成されたドーピング領域１５と、発光される光の波長選択性を向上させる共振器と、正孔及び電子を注入するために基板１１の反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極１７、１９とを含んで構成される。また、本発明に係る発光素子はドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能を行い、ドーピング領域１５を極端に浅く形成させる制御膜１３を基板１１の一面にさらに備えることが望ましい。この制御膜１３は本発明の発光素子のドーピング領域１５を形成するためには必要なものであって、ドーピング領域１５の形成後に選択的に除去されうる。
【００２７】
基板１１は望ましくはＳｉを含む所定の半導体物質、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣまたはダイアモンドよりなり、ｎ型ドーピングされている。
【００２８】
ドーピング領域１５は所定のドープ剤、例えば、ホウ素または燐を基板１１の一面に形成された制御膜１３の開口を通じて基板１１内に非平衡拡散させ、基板１１と反対型、例えば、ｐ＋型ドーピングされた領域である。
【００２９】
ドーピング時、ドーピング領域１５の基板１１との境界部、すなわち、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つが形成されて量子拘束効果により発光されるように、ドーピング領域１５は極端に浅くドーピングされたことが望ましい。
【００３０】
ここで、ｐ−ｎ接合部位１４には主に量子ウェルが形成され、量子点や量子線も形成されうる。また、ｐ−ｎ接合部位１４には前記量子ウェル、量子点、量子線のうち２種以上が複合形成されることもある。以下、表現の便宜上、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明する。以下、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明しても、これは量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つを意味するものと見なされる。
【００３１】
図５Ａはドーピング領域１５を非平衡拡散により極端に浅く形成する時のｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図５Ｂは非平衡拡散により図５Ａに示されたｐ−ｎ接合部位１４に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルＱＷのエネルギーバンドを示す。図５Ｂにおいて、Ｅｃは伝導帯エネルギー準位、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｆはフェルミエネルギー準位を各々示し、このようなエネルギー準位については半導体関連技術分野ではよく知られているので、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
図５Ａ及び図５Ｂに示されたように、ｐ−ｎ接合部位１４は他のドーピング層が交互に形成された量子ウェル構造を有するが、ウェルとバリヤーは約２、３ｎｍである。
【００３３】
このようにｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルを形成する極端に浅いドーピングは制御膜１３の厚さ及び拡散工程条件などを最適に制御することによって形成されうる。
【００３４】
拡散工程のうち適正な拡散温度及び基板１１表面の変形されたポテンシャルにより拡散プロファイルの厚さが、例えば、１０−２０ｎｍに調節され、このように極端に浅い拡散プロファイルには量子ウェルが生成される。ここで、基板１１表面は初期制御膜の厚さと表面前処理により変形され、このような変形は工程の進行につれて深化される。
【００３５】
基板１１がシリコンを含む所定の半導体物質よりなる場合、制御膜１３はドーピング領域１５を極端に浅く形成させる適正厚さを有するＳｉＯ２であることが望ましい。この制御膜１３は、例えば、基板１１の一面上にＳｉＯ２を形成した後、拡散工程のための開口部分をフォトリソグラフィー工程を用いてエッチングすることによってマスク構造で形成される。
【００３６】
拡散技術分野で知られたところによれば、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ（数千Å）より厚いか、または低温であれば、主に空席が拡散に影響を与えて拡散が深く起こり、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さより薄いか、または高温であれば、Ｓｉ自己間隙が主に拡散に影響を与えて拡散が深く起こる。したがって、シリコン酸化膜をＳｉ自己間隙及び空席が類似した割合で生じる適正厚さに形成すれば、Ｓｉ自己間隙と空席とが相互結合されてドープ剤の拡散を促進しなくなるので、極端に浅いドーピングが可能となる。ここで、空席及び自己間隙と関連した物理的な性質は拡散と関連した技術分野ではよく知られているので、より詳細な説明は省略する。
【００３７】
ここで、基板１１はｐ型ドーピングされ、ドーピング領域１５はｎ＋型ドーピングされうる。
【００３８】
前記共振器は、発光波長選択性を向上させるように、基板１１の反対面側に形成された第１反射膜２１と、ドーピング領域１５上に形成された第２反射膜２５を含んで構成される。発光されて所望の方向に出射される光の効率を極大化するために、第１反射膜２１は高反射率（望ましくは、ほぼ１００％）を有するように形成され、ドーピング領域１５に近い前記第２反射膜２５は第１反射膜２１より低反射率を有するように形成され、ｐ−ｎ接合部位１４で発光された光を第２反射膜２５を通じて出射させることが望ましい。逆に、第１反射膜２１が第２反射膜２５より低反射率を有するように形成されて発光された光が第１反射膜２１を通じて出射されるように構成されうる。
【００３９】
第１反射膜２１は一般の反射膜またはブラッグ反射膜（ＤＢＲ）で構成されうる。第２反射膜２５は発光スペクトルの帯域幅を減らせるようにブラッグ反射膜で形成することが望ましい。第２反射膜２５は制御膜１３の開口部の第２電極１９の形成位置を除いた領域に形成される。ここで、ブラッグ反射膜は屈折率の相異なる物質、例えば、化合物半導体物質を、交互に要求される積層数だけ積層して形成したものである。第１及び第２反射膜２１、２５が全てブラッグ反射膜よりなり、前述したように、発光された光が第２反射膜２５を通じて出射される構造であれば、第２反射膜２５は第１反射膜２１に比べて低反射率を有するように第１反射膜２１より少ない積層数で形成される。
【００４０】
前述したような共振器を備えると、結果的にその共振器の共振条件に合う特定波長帯域の光のみが増幅されて出射されるために、波長選択性が大きく向上される。前記共振器は発光して出射させようとする波長帯域に合う共振条件で形成される。
【００４１】
第１電極１７は前記基板の反対面上に形成され、第２電極１９は基板１１の一面上の第２反射膜２５の周辺に形成される。
【００４２】
本発明に係る発光素子の第１実施例を示す図３を参照するに、第１電極１７は基板１１の反対面と第１反射膜２１との間に位置されうる。この場合、第１電極１７は光が透過されるように、例えば、ＩＴＯを用いて透明な電極よりなることが望ましい。
【００４３】
本発明に係る発光素子の第２実施例を示す図４を参照するに、基板１１の反対面の最も反射効果の大きな部分にのみ第１反射膜２１を形成し、第１電極１７は基板１１の反対面上の第１反射膜２１の周辺に形成しても良い。
【００４４】
前述したように構成された本発明に係る発光素子は、ドーピング領域１５の基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４に電子と正孔対の消滅結合が起こる量子ウェルが形成されているので、前述したように発光が起こり、第１及び第２反射膜２１、２５よりなる共振器の共振条件に合う所望の波長帯域の光のみが増幅されて第２反射膜２５を通じて出射される。もちろん、放出される光量及び波長は印加される電流量にも依存する。
【００４５】
すなわち、本発明に係る発光素子は次のように発光される。例えば、第１及び第２電極１７、１９を通じて電源（電圧または電流）が与えられると、キャリア、すなわち、電子と正孔はｐ−ｎ接合部位１４の量子ウェルに注入され、量子ウェル内のサブバンドエネルギーレベルを通じて再結合（消滅結合）される。この際、キャリアが結合される状態によって所定波長の電場発光（ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）が生じ、生じる光量は第１及び第２電極１７、１９を通じて与えられた電源（電圧または電流）の量により変わる。
【００４６】
この際、本発明に係る発光素子での発光波長は一次的に基板１１の表面（実際には、ドーピング領域１５の表面）に形成される微小欠陥（ｍｉｃｒｏ−ｄｅｆｅｃｔ）による微小空隙（ｍｉｃｒｏ−ｃａｖｉｔｙ）により決まる。したがって、製作工程により微小空隙の大きさを調節すれば、所望の発光波長帯域の発光素子が得られる。
【００４７】
ここで、ＥＬの強度は基板１１の表面に形成される微小欠陥による微小空隙の共振波長とよく合う場合に増幅されうる。
【００４８】
前記微小空隙は、ドーピング領域１５の表面に形成された微小欠陥による変形されたポテンシャルのために生じる。したがって、変形されたポテンシャルを調節することによって量子ウェルの変形が可能であり、これにより微小空隙が決まり、微小空隙を調節すれば所望の波長帯域の発光が得られる。
【００４９】
前述したように本発明に係る発光素子は、極端に浅くドーピングされたドーピング領域１５のｐ−ｎ接合部位１４で電荷分布ポテンシャルの局部的な変化によって量子拘束効果が生じ、量子ウェル内にサブバンドエネルギーレベルが形成されていて高い量子効率を有する。
【００５０】
また、本発明に係る発光素子は、ｐ−ｎ接合部位１４で発光された波長帯域の光のうち第１及び第２反射膜２１、２５で構成された共振器の共振条件に合う所望の狭波長帯域の光のみを増幅するので、波長選択性が大きく向上される。
【００５１】
前述したような本発明に係る発光素子は、ディスプレーシステムまたは照明システムに発光デバイス装置として適用可能であり、ディスプレーシステムまたは照明システムへの適用時、従来の発光素子を適用した場合より鮮明な色特性が得られる。前記発光デバイス装置は本発明に係る発光素子を少なくとも１つ備える。
【００５２】
本発明に係る発光素子を適用した発光デバイス装置がディスプレーシステム用である場合、前記発光デバイス装置は２次元に配列された多数の本発明に係る発光素子よりなる。本発明に係る発光素子は半導体物質を用いて半導体製造工程を通じて超小型化が可能なので、これをディスプレーシステム、特に薄型固状ディスプレーに応用可能なのは明白である。また、本発明に係る発光素子は大きく向上された波長選択性を有するので、本発明に係る発光デバイス装置をなす各発光素子をディスプレーシステムの各カラー画素に合う共振条件を有するように形成してディスプレーシステムを構成すれば、別途のカラーフィルター無しに、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂカラーを具現しうる。より鮮明なカラーの具現のために本発明に係る発光デバイス装置にカラーフィルターを付加可能なのはもちろんである。
【００５３】
本発明に係る発光素子を適用した発光デバイス装置が照明システム用である場合、前記発光デバイス装置は照明システムの用途及び照度要求に対応して少なくとも１つ以上の本発明に係る発光素子よりなる。この際、採用される発光素子は、要求されるカラーに合わせて最適化された共振器を具備する。
【００５４】
前記のような本発明に係る発光素子を適用した発光デバイス装置の構造は、以上の説明を通じて十分に類推可能なので、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
【発明の効果】
前述したような本発明に係る発光素子及びこれを適用した発光デバイス装置によれば、極端に浅くドーピングされてそのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光されるドーピング領域を備え、特定波長帯域の光のみを共振させる共振器構造が付加されているので、効率に優れ、かつ波長選択性が大きく向上される。また、共振器構造により発光強度が増幅され、出射される光の直進性が大きく改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】バルク型の単結晶シリコン表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯と伝導帯とのエネルギーバンドギャップを示す図である。
【図２】ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る発光素子を概略的に示す断面図である。
【図５Ａ】ドーピング領域を非平衡拡散により極端に浅く形成する時、ｐ−ｎ接合部位の構造を概略的に示す図である。
【図５Ｂ】非平衡拡散により図５Ａに示されたｐ−ｎ接合部位に、表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルのエネルギーバンドを示す図である。
【符号の説明】
２ ｐ型単結晶シリコン基板
３ 非晶質シリコン層
４ ナノクリスタルシリコン
５ 絶縁膜
１１ 基板
１３ 制御膜
１４ ｐ−ｎ接合部位
１５ ドーピング領域
１７、１９ 第１及び第２電極
２１、２５ 第１及び第２反射膜
Claims (14)
- ｎ型またはｐ型のシリコン系半導体基板またはダイヤモンド基板と、
前記基板の一面に、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、
前記ｐ−ｎ接合部位で発光される光の波長選択性を向上させるための共振器と、
正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極とを含むことを特徴とする発光素子。 - 前記共振器は、
前記基板の反対面側に形成された第１反射膜と、
前記第１反射膜と共振器をなして発光波長選択性を向上させるように、前記ドーピング領域上に形成された第２反射膜とよりなり、前記第１及び第２反射膜のうち１つの反射膜は他の反射膜より低い反射率を有するように形成され、低反射率を有する１つの反射膜を通じて発光された光を出射させることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記第２反射膜は、屈折率の相異なる物質を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
- 前記第１反射膜は前記基板の反対面上に形成され、前記第１電極は前記第１反射膜周辺の前記基板の反対面上に形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子。
- 前記第１電極は前記基板の反対面と第１反射膜との間に透明電極よりなることを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子。
- 前記基板の一面に前記ドーピング領域形成時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
- 前記制御膜は、前記ドーピング領域が極端に浅く形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 少なくとも１つの発光素子を備える発光デバイス装置において、
前記発光素子は、
ｎ型またはｐ型のシリコン系半導体基板またはダイヤモンド基板と、
前記基板の一面に、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により発光が起こるように所定のドープ剤により前記基板と反対型に極端に浅くドーピングされたドーピング領域と、
前記ｐ−ｎ接合部位で発光される光の波長選択性を向上させるための共振器と、
正孔及び電子を注入するために、前記基板反対面及び一面に各々形成された第１及び第２電極とを含み、照明システム及びディスプレーシステムのうち何れか１つに適用されることを特徴とする発光デバイス装置。 - 前記共振器は、
前記基板の反対面側に形成された第１反射膜と、
前記第１反射膜と共振器をなして発光波長選択性を向上させるように、前記ドーピング領域上に形成された第２反射膜よりなり、前記第１及び第２反射膜のうち１つの反射膜は他の反射膜より低い反射率を有するように形成され、低反射率を有する１つの反射膜を通じて発光された光を出射させることを特徴とする請求項８に記載の発光デバイス装置。 - 前記第２反射膜は、屈折率が相異なる物質を交互に積層して形成したブラッグ反射膜であることを特徴とする請求項９に記載の発光デバイス装置。
- 前記第１反射膜は前記基板の反対面上に形成され、前記第１電極は前記第１反射膜周辺の前記基板の反対面上に形成されたことを特徴とする請求項９または１０に記載の発光デバイス装置。
- 前記第１電極は前記基板の反対面と第１反射膜との間に透明電極よりなることを特徴とする請求項９または１０に記載の発光デバイス装置。
- 前記基板の一面に前記ドーピング領域の形成時マスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜をさらに備えることを特徴とする請求項８または９に記載の発光デバイス装置。
- 前記制御膜は、前記第１及び第２ドーピング領域が極端に浅く形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１３に記載の発光デバイス装置。
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