JP3772130B2 - 発光素子及びこれを適用したディスプレー装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光効率に優れかつ発光効率を極大化させうる構造を有する発光素子及びこれを適用したディスプレー装置に関する。
【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。
【０００５】
多孔性シリコンは、バルク型の単結晶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、前記非晶質シリコン層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との間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発光効率に優れ、かつ両側面で発光される構造を有して発光効率を極大化させる発光素子及びこれを適用したディスプレー装置を提供するのにその目的がある。
【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係る発光素子は、ｎ型またはｐ型のシリコンまたはダイヤモンド基板と、前記基板の少なくとも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生じるように所定のドープ剤により前記基板と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域と、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光された光を前記基板の両面を通じて出射させる電極とを含み、前記基板のドーピング領域は、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜の開口部に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
前記ドーピング領域は、前記基板の一面に形成され、前記電極は、前記基板の一面及びその反対面上に、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光された光の両面出射が可能に形成された第１及び第２電極とを含みうる。
【００１８】
この際、前記第１及び第２電極のうち少なくとも何れか１つは透明電極よりなることが望ましい。
【００１９】
前記ドーピング領域は、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、前記電極は、前記第１ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光させるために、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２電極と、前記第２ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光させるために、前記基板の反対面及び一面に各々形成された第３及び第４電極とを含み、前記基板の一面に形成された第１及び第４電極は相互離隔され、前記基板の反対面に形成された第２及び第３電極は相互離隔されるように形成されうる。
【００２０】
前記基板は、第１及び第２基板よりなり、前記ドーピング領域は、前記第１及び第２基板の外面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、前記電極は、前記第１及び第２基板の外面上に各々形成された第１及び第２電極と、前記第１及び第２基板間に形成された共通電極とを含みうる。
【００２１】
前記制御膜は、前記ドーピング領域の形成時マスクとして機能することが望ましい。
【００２２】
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な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、複数の発光素子を備えるディスプレー装置において、前記発光素子は、ｎ型またはｐ型のシリコンまたはダイヤモンド基板と、前記基板の少なくとも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生じるように所定のドープ剤により前記基板と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域と、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位で光を発光させ、前記基板の両面を通じて出射させるように形成された電極とを含み、前記ドーピング領域は、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜の開口部に形成され、両面に発光された光を出射させ、両方向ディスプレーを可能にしたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図に基づき本発明をく詳しく説明する。
【００２５】
図３を参照するに、本発明に係る発光素子は、基板１１と、基板１１の少なくとも一面に基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４で量子拘束効果により発光されるように所定のドープ剤により基板１１と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域１５と、ドーピング領域１５のｐ−ｎ接合部位１４で光を発光させ、基板１１の両面を通じて出射させる電極構造とを含んで構成される。また、本発明に係る発光素子は基板１１のドーピング領域１５が形成される面上に、ドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能をし、ドーピング領域１５を極端に浅く形成させる制御膜１３をさらに具備することが望ましい。この制御膜１３は、本発明に係る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。
【００２６】
基板１１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型にドーピングされたことが望ましい。
【００２７】
ドーピング領域１５は所定のドープ剤、例えば、ホウ素または燐を制御膜１３の開口を通じて前記基板１１内に拡散させ、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。
【００２８】
ドーピング時にドーピング領域１５の基板１１との境界部分、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る発光が起こるように、ドーピング領域１５は極端に浅く形成されたことが望ましい。
【００２９】
ここで、ｐ−ｎ接合部位１４には、量子ウェルが主に形成され、量子点や量子線が形成されることもある。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種以上を複合形成することもある。以下、説明の便宜上、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たとしても、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。
【００３０】
図４Ａ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、ｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図４Ｂは非平衡拡散により図４Ａ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４Ｂ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。
【００３１】
図４Ａ及び図４Ｂ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、ウェルとバリヤーとは約２、３ｎｍである。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、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、ＳｉＯ２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。
【００３６】
本発明の第１実施例に係る発光素子はドーピング領域１５が基板１１の一面にのみ形成された構造である。
【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】
本発明の第１実施例において、電極構造はドーピング領域１５が形成された基板１１の一面及びその反対面上にドーピング領域１５のｐ−ｎ接合部位１４で発光された光の両面出射が可能に形成された第１及び第２電極１７、１９で構成される。
【００３９】
第１電極１７は基板１１の一面にドーピング領域１５と電気的に接続されるように不透明金属電極で形成されうる。このように、第１電極を不透明金属で形成する場合、第１電極１７は、図３に示されたように、制御膜１７のドーピング領域１５を形成するための開口内に形成され、光を出射するためのウィンドウを除いた領域に形成される。この第１電極１７はドーピング領域１５の形成後に形成される。ここで、第１電極１７はドーピング領域１５の全般に亙って、例えば、ＩＴＯを用いて透明電極よりなる。
【００４０】
第２電極１９は、基板１１の反対面の全般に亙って、例えば、ＩＴＯを用いて透明電極で形成されうる。代案として、前記第２電極１９は不透明金属より形成されうるが、この場合、第２電極１９は図３に示された第１電極１７と同様に光を出射するためのウィンドウ（図示せず）を除いた領域に形成される。
【００４１】
前述したように構成された本発明に係る発光素子の第１電極１７と第２電極１９に電源（電流）を与えることによって注入された電子と正孔は量子ウェルで量子拘束効果により光を放出する。発光された光は第１電極１７に取囲まれたウィンドウ及び透明な第２電極１９を通じて基板１１の両面に出射される。ここで、前記放出される光量及び波長は印加される電流量に依存する。
【００４２】
図５を参照するに、本発明に係る発光素子は、基板１１の一面及び反対面に各々極端に浅い第１及び第２ドーピング領域２５、３５及びドーピング領域２５、３５のｐ−ｎ接合部位２４、３４で光を発光させ、基板１１の両面を通じて出射させる電極構造を備えられる。ここで、図３と同一な参照符号は実質的に同一部材を示す。
【００４３】
例えば、前記電極構造は、本発明の第２実施例に係る発光素子を示した図５のように、第１ドーピング領域２５のｐ−ｎ接合部位２４で発光させるために、基板１１の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２電極２７、２９と、第２ドーピング領域３５のｐ−ｎ接合部位３４で発光させるために、基板１１の反対面及び一面に各々形成された第３及び第４電極３７、３９とを含んで構成されうる。
【００４４】
基板１１の一面に形成された第１及び第４電極２７、３９は相異なる符号の電源端子を連結可能に相互離隔されたことが望ましい。同様に、基板１１の反対面に形成された第２及び第３電極２９、３７も相異なる符号の電源端子を連結可能に相互離隔されたことが望ましい。また、第１電極２７は第４電極３９の内側に第１ドーピング領域２５に電気的に接触するように形成され、第３電極３７は第２電極２９の内側に第２ドーピング領域３５に電気的に接触するように形成されたことが望ましい。そして、第１ドーピング領域２５を極端に浅くドーピングさせる制御膜２３は基板１１の一面上の第１及び第４電極２７、３９間に形成され、第２ドーピング領域３５を極端に浅くドーピングさせる制御膜３３は基板１１の反対面上の第２及び第３電極２９、３７間に形成されたことが望ましい。
【００４５】
第１及び第３電極２７、３７は各々ドーピング領域２５、３５のｐ−ｎ接合部位２４、３４で発光された光が出射されるように、基板１１の一面及び反対面にウィンドウを除いた領域に不透明金属で形成されうる。代案として、第１及び第３電極２７、３７は、例えば、ＩＴＯを用いて透明電極として別途のウィンドウ無しに形成されうる。
【００４６】
前述したような本発明の第２実施例において、ドーピング領域２５、３５を形成する方法及びその物理的な特性、制御膜２３、３３の材質、その物理的な機能は、図３に基づいて本発明の第１実施例で説明したドーピング領域１５及び制御膜１３と同一なので、ここではその反復的な説明は省略する。
【００４７】
図６を参照するに、本発明の第３実施例に係る発光素子は一面にドーピング領域１５が形成された基本発光素子の一対を、ドーピング領域１５の形成されていない面とを対向して結合させ、基板１１間に共通電極４９を形成した構造である。ここで、図３と同一な参照符号は実質的に同一な機能を行う部材を示す。
【００４８】
したがって、本発明の第３実施例に係る発光素子は、１対の基板１１、基板１１のそれぞれの外面に形成されたドーピング領域１５、基板１１の外面に各々形成された電極１７、基板１１間に形成された共通電極を含んで構成される。本実施例において、共通電極４９はＩＴＯなどを用いて透明電極で形成されうる。このような本発明の第３実施例に係る発光素子は、図３に示された本発明の第１実施例に係る発光素子１対をその第２電極１９とを相互対向するように結合して形成しうる。ここで、共通電極４９は不透明金属よりなりうる。
【００４９】
前述したような本発明の実施例に係る発光素子は、ｐ−ｎ接合部位で発光された光を両方向に全て出射させうる構造であるために、両方向に出射される光を全て利用できて発光効率を極大化しうる。
【００５０】
前述したような本発明に係る発光素子は、ディスプレー装置に発光デバイスとして適用されうる。図７に示されたように、本発明に係る発光素子を発光デバイス１０として採用したディスプレー装置は両方向ディスプレーができる。この際、発光デバイス１０は複数個の本発明に係る発光素子よりなる。一方、前記ディスプレー装置は、発光デバイス１０の背面から出射された光路を所望の方向に変えられる少なくとも１つの反射ミラー７０をさらに備えられる。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に形成されうるので、２次元に配列された本発明に係る発光素子アレイを用いて、両方向性を有する薄型固状ディスプレー装置を具現可能なのは明白である。
【００５１】
一方、本発明に係る発光素子は照明システムに適用可能であるが、この際、照明システム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。
【００５２】
【発明の効果】
前述したような本発明に係る発光素子は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うるドーピング領域を備え、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発光効率に優れ、かつ前記ｐ−ｎ接合部位で発光された光を両側に出射させ、両方向に出射された光を全て利用可能なので、発光効率を極大化しうる。
【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実施例に係るシリコン発光素子を概略的に示す図である。
【図４Ａ】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４Ｂ】非平衡拡散により図４Ａ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。
【図５】本発明の第２実施例に係る発光素子を概略的に示す図である。
【図６】本発明の第３実施例に係る発光素子を概略的に示す図である。
【図７】本発明に係る発光素子を発光デバイスとして適用した両方向性を有するディスプレー装置を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０ 発光デバイス
１１ 基板
１３ 制御膜
１４ ｐ−ｎ接合部位
１５ ドーピング領域
１７、２７ 第１電極
１９、２９ 第２電極
２３ 制御膜
２４ 第１ｐ−ｎ接合部位
２５ 第１ドーピング領域
３４ 第２ｐ−ｎ接合部位
３５ 第２ドーピング領域
３７ 第３電極
３９ 第４電極
４９ 共通電極
【発明の属する技術分野】
本発明は発光効率に優れかつ発光効率を極大化させうる構造を有する発光素子及びこれを適用したディスプレー装置に関する。
【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。
【０００５】
多孔性シリコンは、バルク型の単結晶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、前記非晶質シリコン層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との間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発光効率に優れ、かつ両側面で発光される構造を有して発光効率を極大化させる発光素子及びこれを適用したディスプレー装置を提供するのにその目的がある。
【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係る発光素子は、ｎ型またはｐ型のシリコンまたはダイヤモンド基板と、前記基板の少なくとも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生じるように所定のドープ剤により前記基板と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域と、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光された光を前記基板の両面を通じて出射させる電極とを含み、前記基板のドーピング領域は、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜の開口部に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
前記ドーピング領域は、前記基板の一面に形成され、前記電極は、前記基板の一面及びその反対面上に、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光された光の両面出射が可能に形成された第１及び第２電極とを含みうる。
【００１８】
この際、前記第１及び第２電極のうち少なくとも何れか１つは透明電極よりなることが望ましい。
【００１９】
前記ドーピング領域は、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、前記電極は、前記第１ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光させるために、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２電極と、前記第２ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光させるために、前記基板の反対面及び一面に各々形成された第３及び第４電極とを含み、前記基板の一面に形成された第１及び第４電極は相互離隔され、前記基板の反対面に形成された第２及び第３電極は相互離隔されるように形成されうる。
【００２０】
前記基板は、第１及び第２基板よりなり、前記ドーピング領域は、前記第１及び第２基板の外面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、前記電極は、前記第１及び第２基板の外面上に各々形成された第１及び第２電極と、前記第１及び第２基板間に形成された共通電極とを含みうる。
【００２１】
前記制御膜は、前記ドーピング領域の形成時マスクとして機能することが望ましい。
【００２２】
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な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、複数の発光素子を備えるディスプレー装置において、前記発光素子は、ｎ型またはｐ型のシリコンまたはダイヤモンド基板と、前記基板の少なくとも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生じるように所定のドープ剤により前記基板と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域と、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位で光を発光させ、前記基板の両面を通じて出射させるように形成された電極とを含み、前記ドーピング領域は、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜の開口部に形成され、両面に発光された光を出射させ、両方向ディスプレーを可能にしたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図に基づき本発明をく詳しく説明する。
【００２５】
図３を参照するに、本発明に係る発光素子は、基板１１と、基板１１の少なくとも一面に基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４で量子拘束効果により発光されるように所定のドープ剤により基板１１と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域１５と、ドーピング領域１５のｐ−ｎ接合部位１４で光を発光させ、基板１１の両面を通じて出射させる電極構造とを含んで構成される。また、本発明に係る発光素子は基板１１のドーピング領域１５が形成される面上に、ドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能をし、ドーピング領域１５を極端に浅く形成させる制御膜１３をさらに具備することが望ましい。この制御膜１３は、本発明に係る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。
【００２６】
基板１１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型にドーピングされたことが望ましい。
【００２７】
ドーピング領域１５は所定のドープ剤、例えば、ホウ素または燐を制御膜１３の開口を通じて前記基板１１内に拡散させ、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。
【００２８】
ドーピング時にドーピング領域１５の基板１１との境界部分、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る発光が起こるように、ドーピング領域１５は極端に浅く形成されたことが望ましい。
【００２９】
ここで、ｐ−ｎ接合部位１４には、量子ウェルが主に形成され、量子点や量子線が形成されることもある。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種以上を複合形成することもある。以下、説明の便宜上、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たとしても、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。
【００３０】
図４Ａ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、ｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図４Ｂは非平衡拡散により図４Ａ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４Ｂ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。
【００３１】
図４Ａ及び図４Ｂ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、ウェルとバリヤーとは約２、３ｎｍである。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、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、ＳｉＯ２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。
【００３６】
本発明の第１実施例に係る発光素子はドーピング領域１５が基板１１の一面にのみ形成された構造である。
【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】
本発明の第１実施例において、電極構造はドーピング領域１５が形成された基板１１の一面及びその反対面上にドーピング領域１５のｐ−ｎ接合部位１４で発光された光の両面出射が可能に形成された第１及び第２電極１７、１９で構成される。
【００３９】
第１電極１７は基板１１の一面にドーピング領域１５と電気的に接続されるように不透明金属電極で形成されうる。このように、第１電極を不透明金属で形成する場合、第１電極１７は、図３に示されたように、制御膜１７のドーピング領域１５を形成するための開口内に形成され、光を出射するためのウィンドウを除いた領域に形成される。この第１電極１７はドーピング領域１５の形成後に形成される。ここで、第１電極１７はドーピング領域１５の全般に亙って、例えば、ＩＴＯを用いて透明電極よりなる。
【００４０】
第２電極１９は、基板１１の反対面の全般に亙って、例えば、ＩＴＯを用いて透明電極で形成されうる。代案として、前記第２電極１９は不透明金属より形成されうるが、この場合、第２電極１９は図３に示された第１電極１７と同様に光を出射するためのウィンドウ（図示せず）を除いた領域に形成される。
【００４１】
前述したように構成された本発明に係る発光素子の第１電極１７と第２電極１９に電源（電流）を与えることによって注入された電子と正孔は量子ウェルで量子拘束効果により光を放出する。発光された光は第１電極１７に取囲まれたウィンドウ及び透明な第２電極１９を通じて基板１１の両面に出射される。ここで、前記放出される光量及び波長は印加される電流量に依存する。
【００４２】
図５を参照するに、本発明に係る発光素子は、基板１１の一面及び反対面に各々極端に浅い第１及び第２ドーピング領域２５、３５及びドーピング領域２５、３５のｐ−ｎ接合部位２４、３４で光を発光させ、基板１１の両面を通じて出射させる電極構造を備えられる。ここで、図３と同一な参照符号は実質的に同一部材を示す。
【００４３】
例えば、前記電極構造は、本発明の第２実施例に係る発光素子を示した図５のように、第１ドーピング領域２５のｐ−ｎ接合部位２４で発光させるために、基板１１の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２電極２７、２９と、第２ドーピング領域３５のｐ−ｎ接合部位３４で発光させるために、基板１１の反対面及び一面に各々形成された第３及び第４電極３７、３９とを含んで構成されうる。
【００４４】
基板１１の一面に形成された第１及び第４電極２７、３９は相異なる符号の電源端子を連結可能に相互離隔されたことが望ましい。同様に、基板１１の反対面に形成された第２及び第３電極２９、３７も相異なる符号の電源端子を連結可能に相互離隔されたことが望ましい。また、第１電極２７は第４電極３９の内側に第１ドーピング領域２５に電気的に接触するように形成され、第３電極３７は第２電極２９の内側に第２ドーピング領域３５に電気的に接触するように形成されたことが望ましい。そして、第１ドーピング領域２５を極端に浅くドーピングさせる制御膜２３は基板１１の一面上の第１及び第４電極２７、３９間に形成され、第２ドーピング領域３５を極端に浅くドーピングさせる制御膜３３は基板１１の反対面上の第２及び第３電極２９、３７間に形成されたことが望ましい。
【００４５】
第１及び第３電極２７、３７は各々ドーピング領域２５、３５のｐ−ｎ接合部位２４、３４で発光された光が出射されるように、基板１１の一面及び反対面にウィンドウを除いた領域に不透明金属で形成されうる。代案として、第１及び第３電極２７、３７は、例えば、ＩＴＯを用いて透明電極として別途のウィンドウ無しに形成されうる。
【００４６】
前述したような本発明の第２実施例において、ドーピング領域２５、３５を形成する方法及びその物理的な特性、制御膜２３、３３の材質、その物理的な機能は、図３に基づいて本発明の第１実施例で説明したドーピング領域１５及び制御膜１３と同一なので、ここではその反復的な説明は省略する。
【００４７】
図６を参照するに、本発明の第３実施例に係る発光素子は一面にドーピング領域１５が形成された基本発光素子の一対を、ドーピング領域１５の形成されていない面とを対向して結合させ、基板１１間に共通電極４９を形成した構造である。ここで、図３と同一な参照符号は実質的に同一な機能を行う部材を示す。
【００４８】
したがって、本発明の第３実施例に係る発光素子は、１対の基板１１、基板１１のそれぞれの外面に形成されたドーピング領域１５、基板１１の外面に各々形成された電極１７、基板１１間に形成された共通電極を含んで構成される。本実施例において、共通電極４９はＩＴＯなどを用いて透明電極で形成されうる。このような本発明の第３実施例に係る発光素子は、図３に示された本発明の第１実施例に係る発光素子１対をその第２電極１９とを相互対向するように結合して形成しうる。ここで、共通電極４９は不透明金属よりなりうる。
【００４９】
前述したような本発明の実施例に係る発光素子は、ｐ−ｎ接合部位で発光された光を両方向に全て出射させうる構造であるために、両方向に出射される光を全て利用できて発光効率を極大化しうる。
【００５０】
前述したような本発明に係る発光素子は、ディスプレー装置に発光デバイスとして適用されうる。図７に示されたように、本発明に係る発光素子を発光デバイス１０として採用したディスプレー装置は両方向ディスプレーができる。この際、発光デバイス１０は複数個の本発明に係る発光素子よりなる。一方、前記ディスプレー装置は、発光デバイス１０の背面から出射された光路を所望の方向に変えられる少なくとも１つの反射ミラー７０をさらに備えられる。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に形成されうるので、２次元に配列された本発明に係る発光素子アレイを用いて、両方向性を有する薄型固状ディスプレー装置を具現可能なのは明白である。
【００５１】
一方、本発明に係る発光素子は照明システムに適用可能であるが、この際、照明システム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。
【００５２】
【発明の効果】
前述したような本発明に係る発光素子は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うるドーピング領域を備え、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発光効率に優れ、かつ前記ｐ−ｎ接合部位で発光された光を両側に出射させ、両方向に出射された光を全て利用可能なので、発光効率を極大化しうる。
【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実施例に係るシリコン発光素子を概略的に示す図である。
【図４Ａ】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４Ｂ】非平衡拡散により図４Ａ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。
【図５】本発明の第２実施例に係る発光素子を概略的に示す図である。
【図６】本発明の第３実施例に係る発光素子を概略的に示す図である。
【図７】本発明に係る発光素子を発光デバイスとして適用した両方向性を有するディスプレー装置を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０ 発光デバイス
１１ 基板
１３ 制御膜
１４ ｐ−ｎ接合部位
１５ ドーピング領域
１７、２７ 第１電極
１９、２９ 第２電極
２３ 制御膜
２４ 第１ｐ−ｎ接合部位
２５ 第１ドーピング領域
３４ 第２ｐ−ｎ接合部位
３５ 第２ドーピング領域
３７ 第３電極
３９ 第４電極
４９ 共通電極
Claims (16)
- ｎ型またはｐ型のシリコンまたはダイヤモンド基板と、
前記基板の少なくとも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生じるように所定のドープ剤により前記基板と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域と、
前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光された光を前記基板の両面を通じて出射させる電極とを含み、
前記ドーピング領域は、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜の開口部に形成されていることを特徴とする発光素子。 - 前記ドーピング領域は前記基板の一面に形成され、
前記電極は、
前記基板の一面及びその反対面上に、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光された光の両面出射が可能に形成された第１及び第２電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記第１及び第２電極のうち少なくとも何れか１つは透明電極よりなることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
- 前記ドーピング領域は、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、
前記電極は、
前記第１ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位で発光させるために、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２電極と、
前記第２ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位で発光させるために、前記基板の反対面及び一面に各々形成された第３及び第４電極とを含み、前記基板の一面に形成された第１及び第４電極は相互離隔され、前記基板の反対面に形成された第２及び第３電極は相互離隔されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記第１電極は前記第４電極の内側に形成され、前記第３電極は前記第２電極の内側に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
- 前記基板は、第１及び第２基板よりなり、
前記ドーピング領域は、
前記第１及び第２基板の外面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、
前記電極は、
前記第１及び第２基板の外面上に各々形成された第１及び第２電極と、
前記第１及び第２基板間に形成された共通電極とを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記制御膜は、前記ドーピング領域の形成時マスクとして機能することを特徴とする請求項１ないし６のうち何れか一項に記載の発光素子。
- 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１に記載の発光素子。
- 複数の発光素子を備えるディスプレー装置において、
前記発光素子は、
ｎ型またはｐ型のシリコンまたはダイヤモンド基板と、
前記基板の少なくとも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生じるように所定のドープ剤により前記基板と反対型にドーピングされた少なくとも１つのドーピング領域と、
前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位で光を発光させ、前記基板の両面を通じて出射させるように形成された電極とを含み、
前記ドーピング領域は、前記ドーピング領域を極端に浅く形成させる制御膜の開口部に形成され、
両面に発光された光を出射させ、両方向ディスプレーを可能にしたことを特徴とするディスプレー装置。 - 前記ドーピング領域は前記基板の一面に形成され、
前記電極は、
前記基板の一面及びその反対面上に、前記ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位で発光された光の両面出射が可能に形成された第１及び第２電極を含むことを特徴とする請求項９に記載のディスプレー装置。 - 前記第１及び第２電極のうち少なくとも何れか１つは透明電極よりなることを特徴とする請求項１０に記載のディスプレー装置。
- 前記ドーピング領域は、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、
前記電極は、
前記第１ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光させるために、前記基板の一面及び反対面に各々形成された第１及び第２電極と、
前記第２ドーピング領域のｐ−ｎ接合部位から発光させるために、前記基板の反対面及び一面に各々形成された第３及び第４電極とを含み、前記基板の一面に形成された第１及び第４電極は相互離隔され、前記基板の反対面に形成された第２及び第３電極は相互離隔されたことを特徴とする請求項９に記載のディスプレー装置。 - 前記第１電極は前記第４電極の内側に形成され、前記第３電極は前記第２電極の内側に形成されたことを特徴とする請求項１２に記載のディスプレー装置。
- 前記基板は、第１及び第２基板よりなり、
前記ドーピング領域は、
前記第１及び第２基板の外面に各々形成された第１及び第２ドーピング領域を含み、
前記電極は、
前記第１及び第２基板の外面上に各々形成された第１及び第２電極と、
前記第１及び第２基板間に形成された共通電極とを含むことを特徴とする請求項９に記載のディスプレー装置。 - 前記制御膜は、前記ドーピング領域の形成時マスクとして機能することを特徴とする請求項９ないし１４のうち何れか一項に記載のディスプレー装置。
- 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９に記載のディスプレー装置。
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