JP4949423B2 - LIGHT EMITTING ELEMENT HAVING NANOCRYSTALLINE SILICON-CONTAINING INSULATING FILM, MANUFACTURING METHOD FOR THE LIGHT EMITTING ELEMENT, AND LIGHT EMITTING METHOD - Google Patents

LIGHT EMITTING ELEMENT HAVING NANOCRYSTALLINE SILICON-CONTAINING INSULATING FILM, MANUFACTURING METHOD FOR THE LIGHT EMITTING ELEMENT, AND LIGHT EMITTING METHOD Download PDF

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Description

本発明は、概して集積回路(IC)の製造に関するものであり、特に、微晶質性シリコン(Si)含有酸化シリコン膜を用いて得られる発光素子に関する。   The present invention relates generally to the manufacture of integrated circuits (ICs), and more particularly to light emitting devices obtained using microcrystalline silicon (Si) -containing silicon oxide films.

ナノ結晶性のシリコンは、特有の構造的、電気的および光学特性を有しており、その利用が光電子工学および集積メモリ装置の分野において注目されている。シリコンはその処理技術が発達しているため、光電子装置の製造において材料として選択される。しかしながら、発光素子に関しては間接バンドギャップに起因して十分な材料とはいえない。長年に亘って、シリコンを基礎とした発光光電子工学を実現するため、シリコンの光学機能を調整する点に焦点を絞って研究開発がなされてきた。結晶性のシリコンについて室温での光放射効果を達成することは、シリコンを基礎とした光電子工学の大きな発展に貢献する重要な一歩といえる。   Nanocrystalline silicon has unique structural, electrical and optical properties, and its use is drawing attention in the fields of optoelectronics and integrated memory devices. Silicon is selected as a material in the manufacture of optoelectronic devices because of its advanced processing technology. However, the light-emitting element is not a sufficient material due to the indirect band gap. Over the years, research and development has been focused on adjusting the optical functions of silicon in order to realize silicon-based light emitting optoelectronics. Achieving the room-temperature light emission effect for crystalline silicon is an important step that contributes to the significant development of silicon-based optoelectronics.

光電子装置の安定で信頼性のある製造には、光ルミネセンス(PL)および電子ルミネセンス(EL)の高い量子効率が必要となる。集積光光電子装置向上させる手法として、シリコンを含有したナノ結晶を有するSiO(X≦2)薄膜を製造することが挙げられる。シリコンナノ結晶において電子‐空孔対の再結合が確認されるため、上記両ルミネセンスは、ナノ結晶のサイズに強く依存する。また、シリコンを含有するナノ結晶を有するSiO薄膜の電気的および光学的特性は、シリコンナノ結晶の粒子サイズ、濃度および粒度分布に依存する。容量結合プラズマ源を用いたスパッタリングおよびプラズマ化学気相成長法(PECVD)などの様々な薄膜堆積技術は、安定で信頼性のあるナノ結晶性のシリコン薄膜を製造するにあたり研究されている。 Stable and reliable manufacture of optoelectronic devices requires high quantum efficiencies of photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL). As a technique for improving the integrated optoelectronic device, it is possible to manufacture a SiO x (X ≦ 2) thin film having nanocrystals containing silicon. Both luminescence are strongly dependent on the size of the nanocrystal, since recombination of electron-hole pairs is confirmed in silicon nanocrystals. In addition, the electrical and optical properties of SiO X thin films having nanocrystals containing silicon depend on the particle size, concentration and particle size distribution of the silicon nanocrystals. Various thin film deposition techniques, such as sputtering using a capacitively coupled plasma source and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), have been investigated for producing stable and reliable nanocrystalline silicon thin films.

しかしながら、従来のPECVDおよびスパッタリング技術には、高いイオン衝撃エネルギーに起因して、プラズマの密度が低く、プラズマに伝達する出力が不十分であり、イオン/中性比率が低く、容量を制御し難く、界面への損傷を及ぼすという制限がある。そこで、イオン種に衝突する高衝撃エネルギーに対する酸化膜によって信頼性の高い結果を生じさせることができる。上記酸化膜は、プラズマにより発生した従来の容量結合プラズマ(CCP)から形成されたものである。プラズマが誘導された容量または界面の損傷はどのような程度のものであっても、これらを制御または最小化することは重要である。   However, due to high ion bombardment energy, conventional PECVD and sputtering techniques have low plasma density, insufficient power to transfer to the plasma, low ion / neutral ratio, and difficult to control capacity. There is a limitation of causing damage to the interface. Therefore, a highly reliable result can be produced by an oxide film against high impact energy that collides with ion species. The oxide film is formed from conventional capacitively coupled plasma (CCP) generated by plasma. Regardless of the extent of plasma induced capacitance or interface damage, it is important to control or minimize these.

しかしながら、プラズマを発生するCCPの高周波数(RF)を用いたイオンエネルギーを制御することはできない。このため、適応電力を増加させることによって、反応速度を増大させる試みは、いずれも堆積膜の衝撃を増加させる結果となる。これにより、高い欠陥濃度の低品質の膜が生成されることとなる。さらに、これらの種類の供給源(1×10〜10cm−3程度)に関するプラズマ密度が低いことは、プラズマ中および膜表面上において、反応の発生を制限すること、加工速度の増大に関して活性ラジカルを十分に生成しないこと、非効率な酸化、および、低熱量にて不純物が減少する事態を招く。このような事態は、低温にて電子デバイスを製造するにあたり、実用性を低下させることとなる。 However, it is not possible to control ion energy using the high frequency (RF) of CCP that generates plasma. For this reason, any attempt to increase the reaction rate by increasing the adaptive power will result in an increase in the impact of the deposited film. As a result, a low-quality film having a high defect concentration is generated. Furthermore, the low plasma density for these types of sources (on the order of 1 × 10 8 to 10 9 cm −3 ) limits the generation of reactions in the plasma and on the film surface, and increases the processing speed. Insufficient generation of active radicals, inefficient oxidation, and a situation in which impurities are reduced at a low heat amount are caused. Such a situation reduces the practicality of manufacturing electronic devices at low temperatures.

スパッタリング、PECVDなどの従来のプラズマに基づく技術よりもより処理範囲を広くし、プラズマ特性を向上させる堆積処理では、装置の発達に基づくPL/ELに関して、粒径を制御して粒子を発生させることが必要である。このような制御によれば、プラズマ密度を向上させ、プラズマの衝撃を最小化させ得る処理によって、プラズマ誘導による微細構造の損傷を生じさせることなく、高品質な膜を確実に成長させることができる。上記処理は、膜の界面および容量に係る各品質を制御し得るものであり、高品質および高信頼性を有する電子デバイスを製造することが可能となる。また、効率的に活性プラズマ種、ラジカルおよびイオンを発生させることのできるプラズマ処理によって、処理および品質管理が制御され、優れた薄膜の開発が可能となる。   In deposition processes that increase the processing range and improve plasma characteristics compared to conventional plasma-based technologies such as sputtering and PECVD, the particle size is controlled and generated for PL / EL based on device development. is required. According to such control, a process capable of improving the plasma density and minimizing the impact of the plasma can reliably grow a high-quality film without causing damage to the fine structure due to plasma induction. . The above process can control each quality related to the interface and capacity of the film, and it is possible to manufacture an electronic device having high quality and high reliability. In addition, the plasma treatment capable of efficiently generating active plasma species, radicals and ions controls the treatment and quality control, and enables the development of an excellent thin film.

一方、高品質のSiO薄膜の製造に関して、結晶性のシリコン粒子が分散した高品質の絶縁膜を得るためには成長膜の酸化も非常に重要である。高濃度の活性酸素ラジカルを発生させる処理によって、酸素マトリックス中でシリコンナノ結晶を囲む効率的な不動態化を確実に行うことができる。さらに、プラズマが誘導されることに起因する損傷を最小限に止めるプラズマ処理によって、高品質な装置を製造するために重要で高品質な表面を形成することができる。 On the other hand, regarding the production of a high-quality SiO x thin film, the oxidation of the growth film is very important in order to obtain a high-quality insulating film in which crystalline silicon particles are dispersed. By the process of generating a high concentration of active oxygen radicals, an efficient passivation surrounding the silicon nanocrystals in the oxygen matrix can be ensured. In addition, plasma processing that minimizes the damage caused by plasma induction can create important and high quality surfaces for manufacturing high quality devices.

また、低熱量にて効率的に酸化および水素化処理を行うことは、高品質な光電子装置の処理に関して重要であり、意義がある。高温の熱処理は他のデバイス層に干渉し得る。さらに、熱活性種の低い反応性のため、効率および熱収支に関しても好ましくない。さらに、プラズマ処理は、新規な膜構造、酸化、水素化、粒子の生成、粒径の制御、並びに、プラズマ密度およびイオンエネルギーの独立した制御の成長/堆積に関するより完全な解決手法および可能性を提供するものであり、このようなプラズマ処理および広範囲における処理が、高品質な光電気装置の発達にとって切望されている。   In addition, efficient oxidation and hydrogenation treatment with a low heat quantity is important and significant for processing high-quality optoelectronic devices. High temperature heat treatment can interfere with other device layers. Furthermore, because of the low reactivity of the thermoactive species, it is not preferred with respect to efficiency and heat balance. In addition, plasma processing offers a more complete solution and possibility for growth / deposition of new film structures, oxidation, hydrogenation, particle generation, particle size control, and independent control of plasma density and ion energy. There is a need for such plasma processing and extensive processing for the development of high quality optoelectronic devices.

また、薄膜の物性および目的とする用途により決定される所望の膜特性に影響する様々なプラズマのパラメータとして、薄膜の特性とプラズマ処理を関連付けることは重要である。目的とする用途により決定される重要なプラズマおよび薄膜の特性は、堆積率、温度、熱収支、密度、微細構造、界面の品質、不純物、プラズマ誘導による損傷、活性種(ラジカル/イオン)を発生したプラズマの状態、プラズマ電位、処理およびシステムのサイズ、並びに、電気的な品質および信頼性である。これらのパラメータを相関付けることは、目的とする用途にとって膜特性に影響を及ぼす処理関数としての膜特性を評価するために重要である。   It is also important to relate the properties of the thin film to the plasma treatment as various plasma parameters that affect the desired film properties determined by the physical properties of the thin film and the intended application. Important plasma and thin film properties determined by the intended application include deposition rate, temperature, heat balance, density, microstructure, interface quality, impurities, plasma induced damage, and active species (radicals / ions) Plasma state, plasma potential, process and system size, and electrical quality and reliability. Correlating these parameters is important for evaluating the membrane properties as a processing function that affects the membrane properties for the intended application.

プラズマエネルギー、組成(イオンに対するラジカル量)、プラズマ電位、電子温度および温度条件が、上記処理関数によって依存して個々に相互関連する際、低密度プラズマまたは他の高品質プラズマシステムを発達させる処理を単に拡大適用するだけでは、薄膜に関する知見を得、または、発達させることはできないと考えられる。   Processes that develop low density plasmas or other high quality plasma systems when plasma energy, composition (amount of radicals relative to ions), plasma potential, electron temperature and temperature conditions are individually interrelated depending on the above processing functions It is considered that the knowledge about the thin film cannot be obtained or developed by simply applying the expansion.

透明なガラス、石英またはプラスチック基板上に比較的大きなスケールのデバイスが形成される液晶ディスプレイ(LCD)の製造は低温でなされることが通常好ましい。これらの透明基板は、650℃を超える温度に晒されると損傷を受け得る。この温度問題に対応するため、低温のシリコン酸化処理が発展しつつある。上記処理では、誘導結合プラズマ(ICP)のような高密度のプラズマ源が用いられ、1200℃の熱酸化法での品質と同程度の高い品質を有するシリコン酸化物を形成することが可能である。   It is usually preferred that the manufacture of liquid crystal displays (LCDs) in which relatively large scale devices are formed on transparent glass, quartz or plastic substrates be made at low temperatures. These transparent substrates can be damaged when exposed to temperatures above 650 ° C. In order to cope with this temperature problem, low-temperature silicon oxidation treatment is being developed. In the above process, a high-density plasma source such as inductively coupled plasma (ICP) is used, and it is possible to form a silicon oxide having a quality comparable to that of the thermal oxidation method at 1200 ° C. .

米国特許第7141936号明細書(2006年11月28日公開)US Pat. No. 7,141,936 (published Nov. 28, 2006) 米国特許第5216303号明細書(1993年6月1日公開)US Pat. No. 5,216,303 (published June 1, 1993) 米国特許出願公報第2006/0097654号明細書(2006年5月11日公開)US Patent Application Publication No. 2006/0097654 (published May 11, 2006) 米国特許出願公報第2002/0043943号明細書(2002年4月18日公開)US Patent Application Publication No. 2002/0043943 (published April 18, 2002) 米国特許出願公報第2006/0211267号明細書(2006年9月21日公開)US Patent Application Publication No. 2006/0211267 (published on September 21, 2006)

これまで活性層として、ナノ結晶性シリコン(nc)含有シリコン酸化物(SiO)膜が用いられ、電気的に往復運動する発光素子は比較的大きなターン‐オン電圧を必要とするものであった。上記ターン‐オン電圧は通常80Vを超え、発光素子の実用的な適用が妨げられている。シリコンナノ結晶含有SiO膜に伴う高いバンドギャップを通じて電流注入が可能な方法によって発光素子が製造可能であれば、発光素子は低いターン‐オン電圧にて動作可能となるため有益である。 Conventionally, a nanocrystalline silicon (nc) -containing silicon oxide (SiO x ) film has been used as an active layer, and a light-emitting element that reciprocates electrically requires a relatively large turn-on voltage. . The turn-on voltage usually exceeds 80V, which impedes practical application of the light emitting device. If the light emitting device can be manufactured by a method that allows current injection through the high band gap associated with the silicon nanocrystal-containing SiO X film, it is beneficial because the light emitting device can be operated at a low turn-on voltage.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低いターン‐オン電圧にて動作可能な発光素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a light-emitting element that can operate at a low turn-on voltage.

本発明の発光素子の製造方法は、上記課題を解決するために、ナノ結晶性シリコンを含有する絶縁膜が用いられた発光素子の製造方法において、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極を供給する工程と、高密度プラズマ化学気相成長法を用いて、上記底部電極上に、30nm以上、200nm以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むシリコン絶縁膜を堆積する工程と、シリコン絶縁膜をアニール処理する工程と、アニール処理に応じて、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶を形成する工程と、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶が形成されたナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜上に透明な金属電極または半導体電極を形成する工程とを含むことを特徴としている。   In order to solve the above problems, a method for manufacturing a light emitting device of the present invention is selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal in a method for manufacturing a light emitting device using an insulating film containing nanocrystalline silicon. And using a high density plasma chemical vapor deposition method, a thickness in the range of 30 nm or more and 200 nm or less, and a group consisting of O, N and C are selected on the bottom electrode. Depositing a silicon insulating film containing the selected material, annealing the silicon insulating film, forming silicon nanocrystals in the silicon insulating film according to the annealing process, and silicon in the silicon insulating film And a step of forming a transparent metal electrode or semiconductor electrode on the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film on which the nanocrystal is formed.

上記の発光素子の製造方法は、シリコン絶縁膜の厚さおよびシリコン濃度を最適化することによって実施され、高密度プラズマ化学気相成長法を用いて堆積がなされる際、表面効果および電荷捕獲効果が最小化されるため、ターン‐オン電圧を大きく減少した発光素子を製造することができる。   The above-described light emitting device manufacturing method is performed by optimizing the thickness and silicon concentration of the silicon insulating film, and the surface effect and the charge trapping effect when the deposition is performed using the high-density plasma chemical vapor deposition method. Therefore, a light emitting device having a greatly reduced turn-on voltage can be manufactured.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程は、Xが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCからなる群から選ばれた膜を堆積する工程を含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a light-emitting element according to the present invention, the step of depositing the silicon insulating film includes SiO X with X exceeding 0 and less than 2, and Si 3 N X or X with X exceeding 0 and less than 4, Preferably, the method includes the step of depositing a film selected from the group consisting of SiC X greater than 0 and less than 1.

また、本発明の発光素子の製造方法では、シリコン絶縁膜を堆積する工程は、シランを20SCCM以上、30SCCM以下の範囲内にて導入する工程と、NOを25SCCM以上、35SCCM以下の範囲内にて導入する工程と、13.56MHz以上、300MHz以下の範囲内の周波数、および、1W/cm以上、20W/cm以下の電力密度の範囲内にて、上部電極に電力を供給する工程と、50キロヘルツ以上、13.56MHz以下の範囲内の周波数、および、1W/cm以上、5W/cm以下の電力密度の範囲内にて、下部電極に電力を供給する工程とを含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a light-emitting element of the present invention, the step of depositing the silicon insulating film includes the step of introducing silane within a range of 20 SCCM or more and 30 SCCM or less, and the step of N 2 O within a range of 25 SCCM or more and 35 SCCM or less. And a step of supplying power to the upper electrode within a frequency range of 13.56 MHz to 300 MHz and a power density of 1 W / cm 2 to 20 W / cm 2. And supplying power to the lower electrode within a frequency range of 50 kHz to 13.56 MHz and a power density of 1 W / cm 2 to 5 W / cm 2. Is preferred.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記シリコン絶縁膜をアニール処理する工程では、10分以上、120分以下の範囲内の継続時間、および、上記底部電極が半導体の場合、550℃以上、600℃以下の範囲内の温度にて、または、上記底部電極が金属の場合、200℃以上、350℃以下の範囲内の温度にて、ナノ結晶性シリコン含有SiO膜をアニール処理することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, In the step of annealing the silicon insulating film, at a duration in the range of 10 minutes or more and 120 minutes or less, and in the case where the bottom electrode is a semiconductor, at a temperature in the range of 550 ° C. or more and 600 ° C. or less, Alternatively, when the bottom electrode is a metal, it is preferable to anneal the nanocrystalline silicon-containing SiO X film at a temperature in the range of 200 ° C. to 350 ° C.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、少なくとも1Mv/cmの電界に関して、1×10Ω/cm未満の導電率を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The nanocrystalline silicon-containing SiO X film preferably has a conductivity of less than 1 × 10 6 Ω / cm for an electric field of at least 1 Mv / cm.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、2.5%以上、20%以下の範囲内のシリコン体積充填率を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The nanocrystalline silicon-containing SiO X film preferably has a silicon volume filling rate in the range of 2.5% to 20%.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、60nm未満の厚さおよび18%のシリコン体積充填率を有しており、0.03W/mを超える表面放射出力にて規定された20ボルト未満のターン‐オン電圧を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The nanocrystalline silicon-containing SiO x film has a thickness of less than 60 nm and a silicon volume filling factor of 18% and is less than 20 volts as defined by a surface radiation output greater than 0.03 W / m 2 . Preferably it has a turn-on voltage.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、半値全幅が150nmのスペクトル幅であり、800nm付近を中心とした放射波長を有することが好ましい。 In the method for producing a light-emitting device of the present invention, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film preferably has a spectral width with a full width at half maximum of 150 nm and a radiation wavelength centered around 800 nm.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、200nmの厚さであり、0.6Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The nanocrystalline silicon-containing SiO X film is 200 nm thick and preferably has a spatial electric field and a charge trapping electric field of 0.6 Mv / cm.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、50nmの厚さであり、18%のシリコン体積充填率の場合、0.7Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有し、または、10%以下のシリコン体積充填率の場合、1.2Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicone insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The nanocrystalline silicon-containing SiO x film is 50 nm thick and has a space electric field and a charge trapping electric field of 0.7 Mv / cm at a silicon volume filling rate of 18%, or 10% or less. In the case of silicon volume filling rate, it is preferable to have a spatial electric field and a charge trapping electric field of 1.2 Mv / cm.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、シリコン体積充填率が18%であり、1.93の光学指数(光学定数n(屈折率))を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The nanocrystalline silicon-containing SiO X film preferably has a silicon volume filling rate of 18% and an optical index (optical constant n (refractive index)) of 1.93.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、上記SiO膜内のシリコンナノ結晶は、4nmの直径、1.0×1017/cm以上、5.4×1018/cm以下の密度、および、5.7nm以上、10nm以下の範囲内におけるシリコンナノ結晶間の距離を有することが好ましい。 In the manufacturing method of the light emitting device of the present invention, in the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film, The silicon nanocrystals in the SiO X film have a diameter of 4 nm, a density of 1.0 × 10 17 / cm 3 or more, a density of 5.4 × 10 18 / cm 3 or less, and a range of 5.7 nm or more and 10 nm or less. It is preferable to have a distance between the silicon nanocrystals inside.

また、本発明の発光素子の製造方法では、上記シリコンナノ結晶は、シリコン体積充填率に依存する密度およびナノ結晶間の距離を有することが好ましい。   In the method for producing a light emitting device of the present invention, the silicon nanocrystals preferably have a density depending on the silicon volume filling factor and a distance between the nanocrystals.

本発明の発光素子は、上記課題を解決するために、ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜が用いられた発光素子において、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極と、上記底部電極上に形成された、30nm以上、200nm以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜と、上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜上に形成された透明な金属電極または半導体電極とを備えることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the light-emitting device of the present invention is a light-emitting device using a nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film, a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, and the bottom A nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film comprising a material selected from the group consisting of O, N and C, having a thickness in the range of 30 nm or more and 200 nm or less, formed on the electrode, and the nanocrystalline silicon A transparent metal electrode or a semiconductor electrode formed on the containing silicon insulating film is provided.

上記の発明によれば、シリコン絶縁膜の厚さおよびシリコン濃度を最適化されており、ターン‐オン電圧を大きく減少した発光素子を提供することができる。   According to the above-described invention, it is possible to provide a light emitting device in which the thickness of the silicon insulating film and the silicon concentration are optimized and the turn-on voltage is greatly reduced.

また、本発明の発光素子では、上記シリコン絶縁膜は、Xが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCからなる群から選ばれた材料から構成されていることが好ましい。 Further, in the light emitting device of the present invention, the silicon insulating film is composed of SiO X with X exceeding 0 and less than 2, Si 3 N X with X exceeding 0 and less than 4, or X exceeding 0 and less than 1. It is preferably made of a material selected from the group consisting of SiC X.

また、本発明の発光素子では、上記シリコン絶縁膜は、Xが0を超えて2未満のSiOであるナノ結晶性シリコン含有SiO膜であり、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、2.5%以上、20%以下の範囲内のシリコン体積充填率を有することが好ましい。 Further, the light-emitting device of the present invention, the silicon insulating film, X is nanocrystalline silicon-containing SiO X film is less than 2 SiO X greater than 0, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film, It is preferable to have a silicon volume filling factor in the range of 2.5% or more and 20% or less.

また、本発明の発光素子では、上記シリコン絶縁膜は、上記Xが0を超えて2未満のSiOであるナノ結晶性シリコン含有SiO膜であり、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、少なくとも1Mv/cmの電界に関して、1×10Ω/cm未満の導電率を有することが好ましい。 Further, the light-emitting device of the present invention, the silicon insulating film, the X is nanocrystalline silicon-containing SiO X film is less than 2 SiO X greater than 0, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film Preferably, it has a conductivity of less than 1 × 10 6 Ω / cm for an electric field of at least 1 Mv / cm.

また、本発明の発光素子では、上記シリコン絶縁膜は、上記Xが0を超えて2未満のSiOであるナノ結晶性シリコン含有SiO膜であり、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、60nm未満の厚さおよび18%のシリコン体積充填率を有する膜に関して、0.03W/mを超える表面放射出力に対して20ボルト未満のターン‐オン電圧を有することが好ましい。 Further, the light-emitting device of the present invention, the silicon insulating film, the X is nanocrystalline silicon-containing SiO X film is less than 2 SiO X greater than 0, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film For a film having a thickness of less than 60 nm and a silicon volume filling factor of 18%, it is preferable to have a turn-on voltage of less than 20 volts for a surface radiation output greater than 0.03 W / m 2 .

また、本発明の発光素子では、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、半値全幅が150nmのスペクトル幅であり、800nm付近を中心とした放射波長を有することが好ましい。 In the light-emitting device of the present invention, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film preferably has a spectral width with a full width at half maximum of 150 nm and a radiation wavelength centered around 800 nm.

また、本発明の発光素子では、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、50nmの厚さであり、18%のシリコン体積充填率の場合、0.7メガボルト毎センチメートルの空間電界および電荷捕獲電界を有し、10%以下のシリコン体積充填率の場合、1.2メガボルト毎センチメートルの空間電界および電荷捕獲電界を有することが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, the nanocrystalline silicon-containing SiO x film has a thickness of 50 nm, and a space electric field and charge trapping of 0.7 megavolt per centimeter when the silicon volume filling factor is 18%. For a silicon volume filling factor of 10% or less with an electric field, it is preferable to have a space field and a charge trapping field of 1.2 megavolts per centimeter.

また、本発明の発光素子では、上記シリコン絶縁膜は、上記Xが0を超えて2未満のSiOであるナノ結晶性シリコン含有SiO膜であり、上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、シリコン体積充填率が18%であり、1.93の光学指数(光学定数n(屈折率))を有することが好ましい。 Further, the light-emitting device of the present invention, the silicon insulating film, the X is nanocrystalline silicon-containing SiO X film is less than 2 SiO X greater than 0, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film It is preferable that the silicon volume filling factor is 18% and the optical index (optical constant n (refractive index)) is 1.93.

また、本発明の発光素子では、上記SiO膜内のシリコンナノ結晶は、4nmの直径、1.0×1017/cm以上、5.4×1018/cm以下の密度、および、5.7nm以上、10nm以下の範囲内におけるシリコンナノ結晶間の距離を有することが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, the silicon nanocrystal in the SiO X film has a diameter of 4 nm, a density of 1.0 × 10 17 / cm 3 or more and 5.4 × 10 18 / cm 3 or less, and It is preferable to have a distance between silicon nanocrystals within a range of 5.7 nm or more and 10 nm or less.

本発明の発光方法は、発光素子を用いた発光方法において、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極と、上記底部電極上に形成された、60nm未満の厚さおよび18%のシリコン体積充填率を有しており、Xが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCからなる群から選ばれたナノ結晶性シリコン含有シリコン膜と、上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン膜上に形成された透明な金属電極または半導体電極とを含む発光素子を供給し、上記底部電極、並びに、金属電極または半導体電極に対して20ボルト未満の電位を供給し、0.03W/mを超える表面放射出力を発生させることを特徴としている。 The light-emitting method of the present invention is a light-emitting method using a light-emitting element, in which a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, a thickness of less than 60 nm and 18% formed on the bottom electrode. The silicon volume filling ratio is X , and X is more than 0 and less than 2 SiO X , X is more than 0 and less than 4 Si 3 N X, or X is more than 0 and less than 1 SiC X Supplying a light emitting device comprising a nanocrystalline silicon-containing silicon film selected from the group and a transparent metal electrode or semiconductor electrode formed on the nanocrystalline silicon-containing silicon film, the bottom electrode, and a metal A potential of less than 20 volts is supplied to the electrode or the semiconductor electrode to generate a surface radiation output exceeding 0.03 W / m 2 .

上記発明によれば、シリコン絶縁膜の厚さおよびシリコン濃度が最適化された発光素子を用いるため、低いターン‐オン電圧での発光が可能である。   According to the above-described invention, since the light-emitting element in which the thickness of the silicon insulating film and the silicon concentration are optimized is used, light emission with a low turn-on voltage is possible.

本発明の発光素子の製造方法は、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極を供給する工程と、高密度プラズマ化学気相成長法を用いて、上記底部電極上に、30nm以上、200nm以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むシリコン絶縁膜を堆積する工程と、シリコン絶縁膜をアニール処理する工程と、アニール処理に応じて、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶を形成する工程と、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶が形成されたナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜上に透明な金属電極または半導体電極を形成する工程とを含む方法である。   The method of manufacturing a light emitting device of the present invention includes a step of supplying a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, and a high-density plasma chemical vapor deposition method on the bottom electrode to 30 nm. In accordance with the thickness of 200 nm or less and the step of depositing a silicon insulating film containing a material selected from the group consisting of O, N and C, the step of annealing the silicon insulating film, and the annealing treatment Forming a silicon nanocrystal in the silicon insulating film; forming a transparent metal electrode or semiconductor electrode on the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film in which the silicon nanocrystal is formed in the silicon insulating film; It is a method including.

本発明によれば、0.03ワット毎平方メートル(W/m)の表面放射出力に関して規定された20V未満のターン‐オン電圧を有する発光素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to provide a light emitting device having a turn-on voltage of less than 20 V specified for a surface radiation output of 0.03 watt per square meter (W / m 2 ).

また、本発明の発光素子は、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極と、上記底部電極上に形成された、30nm以上、200nm以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜と、上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜上に形成された透明な金属電極または半導体電極とを備えるものである。   The light emitting device of the present invention includes a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, a thickness of 30 nm or more and 200 nm or less formed on the bottom electrode, and O, A nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film containing a material selected from the group consisting of N and C, and a transparent metal electrode or semiconductor electrode formed on the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film. .

上記の発明によれば、シリコン絶縁膜の厚さおよびシリコン濃度を最適化されており、ターン‐オン電圧を大きく減少した発光素子を提供することができるという効果を奏する。   According to the above invention, the thickness of the silicon insulating film and the silicon concentration are optimized, and it is possible to provide a light emitting device that can greatly reduce the turn-on voltage.

本発明の発光方法は、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極と、上記底部電極上に形成された、60nm未満の厚さおよび18%のシリコン体積充填率を有しており、Xが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCからなる群から選ばれたナノ結晶性シリコン含有シリコン膜と、上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン膜上に形成された透明な金属電極または半導体電極とを含む発光素子を供給し、上記底部電極、並びに、金属電極または半導体電極に対して20ボルト未満の電位を供給し、0.03W/mを超える表面放射出力を発生させることを特徴としている。 The light emitting method of the present invention has a bottom electrode selected from the group consisting of doped semiconductors and metals, and a thickness of less than 60 nm and a silicon volume filling rate of 18% formed on the bottom electrode. A nanocrystalline silicon selected from the group consisting of SiO X with X greater than 0 and less than 2, Si 3 N X with X greater than 0 and less than 4, or SiC X with X greater than 0 and less than 1 A light emitting device including a silicon-containing film and a transparent metal electrode or semiconductor electrode formed on the nanocrystalline silicon-containing silicon film is supplied, and is 20 volts with respect to the bottom electrode and the metal electrode or semiconductor electrode. It is characterized by supplying a potential less than 0.03 W / m 2 and generating a surface radiation output exceeding 0.03 W / m 2 .

上記発明によれば、シリコン絶縁膜の厚さおよびシリコン濃度が最適化された発光素子を用いるため、低いターン‐オン電圧での発光ができるという効果を奏する。   According to the above-described invention, since the light-emitting element in which the thickness of the silicon insulating film and the silicon concentration are optimized is used, it is possible to emit light with a low turn-on voltage.

シリコン(Si)ナノ結晶シリコン絶縁膜を有する発光素子を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a light emitting element which has a silicon (Si) nanocrystal silicon insulating film. 活性層としてナノ結晶性シリコン含有SiOを用いた発光素子を示す部分断面図である。It is a partial sectional view showing a light emitting device using the nano-crystalline silicon containing SiO X as an active layer. SIM発光素子を用いた発光方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the light emission method using a SIM light emitting element. 図2Aの発光素子の光放射スペクトルを測定するために用いられるプローブとして使用されるマルチモードファイバ(a multiple-mode fiber)を備えるモノクロメーターの描写結果を示すグラフである。It is a graph which shows the description result of the monochromator provided with the multimode fiber (a multiple-mode fiber) used as a probe used in order to measure the light emission spectrum of the light emitting element of FIG. 2A. 電子ルミネセンス光の捕集装置を示す図である。It is a figure which shows the collection apparatus of electroluminescent light. 基板ウェハの種類およびアニール処理の後処理に関する光放射特性の依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the dependence of the light emission characteristic regarding the kind of substrate wafer, and the post-process of annealing treatment. Fowler-Nordheimモデルを用いた算出データとの比較データを示すグラフである。It is a graph which shows the comparison data with the calculation data using a Fowler-Nordheim model. 表1に記載されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜サンプルのターン‐オン電圧を示すグラフである。2 is a graph showing the turn-on voltage of the nanocrystalline silicon-containing SiO X film sample described in Table 1. FIG. ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜を用いた発光素子の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the light emitting element using a nano crystalline silicon containing silicon insulating film. 誘導結合プラズマ源を有する高密度プラズマ(HDP)システムを概略的に示す図である。FIG. 1 schematically illustrates a high density plasma (HDP) system having an inductively coupled plasma source.

本発明はSiO活性層の厚さおよびシリコン濃度を最適化することによって実施され、HDPECVD法(高密度プラズマ化学気相成長法)を用いて堆積がなされる際、表面効果および電荷捕獲効果が最小化されるため、発光素子のターン‐オン電圧を大きく減少させることができる。このような発光素子(light emitting devise:LED)では、20V以下のターン‐オン電圧が測定される。この種のLEDの電界ルミネセンス(EL)出力は、電流注入の度合いに強く関連する。従来、高い電流注入は、シリコン活性層の厚さの減少によって生じると考えられていた。その結果、高い電界が生成されていた。しかしながら、SiO活性層の厚さが減少することによって、単純に表面および電荷捕獲効果に固有の逆反応が生じることが実験的に示されている。これら逆反応の場は、LEDに適用される‘真の’(true)場を減少させる。このように、電流注入の有効限界が妨げられる。 The present invention is implemented by optimizing the thickness of the SiO X active layer and the silicon concentration, and when deposited using HDPECVD (high density plasma chemical vapor deposition), surface and charge trapping effects are present. Since it is minimized, the turn-on voltage of the light emitting device can be greatly reduced. In such a light emitting device (LED), a turn-on voltage of 20 V or less is measured. The electroluminescence (EL) output of this type of LED is strongly related to the degree of current injection. Traditionally, high current injection was thought to be caused by a decrease in the thickness of the silicon active layer. As a result, a high electric field was generated. However, it has been experimentally shown that a reduction in the thickness of the SiO X active layer simply results in the reverse reaction inherent in the surface and charge trapping effects. These reverse reaction fields reduce the 'true' field applied to the LEDs. In this way, the effective limit of current injection is hindered.

結果として、作製された従来のSiO発光素子は、200nmを超える厚さを有している。本発明は、薄膜のSiO活性層を有するLEDに関して効率的な電流注入を達成するHDPECVDおよび堆積処理後の処理方法を最適化するためのものである。HDPECVDおよび堆積後のアニール処理を最適化することによって、200nm以下の厚さおよび80V程度から、20V以下に減少されたターン‐オン電圧を有するナノ結晶性シリコン含有SiO膜を製造することが可能である。 As a result, the fabricated conventional SiO X light emitting device has a thickness exceeding 200 nm. The present invention is for optimizing HDPECVD and post-deposition processing methods to achieve efficient current injection for LEDs having thin film SiO x active layers. By optimizing HDPECVD and post-deposition annealing treatment, it is possible to produce nanocrystalline silicon-containing SiO X films with a thickness of 200 nm or less and a turn-on voltage reduced from about 80 V to 20 V or less It is.

これに応じて、本発明は、ナノ結晶性シリコン含有SiO膜が用いられた発光素子の製造方法についても関する。当該製造方法は、ドープされた半導体または金属の底部電極を供給し(準備し)、高密度プラズマ化学気相成長法(HDPECVD)を用いて、シリコン絶縁膜を、30ナノメートル(nm)以上、200nm以下の範囲の厚さにて半導体電極上に(覆うように)堆積する。上記シリコン絶縁膜は、さらにO、NまたはC元素を含んでいてもよい。例えば、シリコン絶縁膜は、Xが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCであってもよい。なお、以下、Xが0を超えて2未満のSiOから構成されたシリコン絶縁膜をナノ結晶性シリコン含有SiO膜と称する。シリコン絶縁膜を堆積した後、シリコン膜をアニール処理する。その結果、シリコンナノ結晶が形成される。さらに、透明な金属電極をナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜上に形成する。なお、上記透明な金属電極に代えて、半導体電極を形成してもよい。 Accordingly, the present invention also relates to a method for manufacturing a light emitting device using a nanocrystalline silicon-containing SiO X film. The manufacturing method supplies (prepars) a doped semiconductor or metal bottom electrode, and uses high-density plasma chemical vapor deposition (HDPECVD) to form a silicon insulating film of 30 nanometers (nm) or more, Deposit (cover) on the semiconductor electrode with a thickness in the range of 200 nm or less. The silicon insulating film may further contain an O, N, or C element. For example, the silicon insulating film may be SiO X with X exceeding 0 and less than 2, Si 3 N X with X exceeding 0 and less than 4, or SiC X with X exceeding 0 and less than 1. Hereinafter, a silicon insulating film composed of SiO X with X exceeding 0 and less than 2 is referred to as a nanocrystalline silicon-containing SiO X film. After depositing the silicon insulating film, the silicon film is annealed. As a result, silicon nanocrystals are formed. Further, a transparent metal electrode is formed on the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film. Instead of the transparent metal electrode, a semiconductor electrode may be formed.

アニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、1メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)以下の電界に相当する1×10Ω/cmの導電率を有し、シリコンの充填率が2.5%以上、20%以下である。さらに、60nm未満のアニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜を有するLEDは、0.03ワット毎平方メートル(W/m)の表面放射出力に関して規定された20V未満のターン‐オン電圧を有している。上記アニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約150nm(半値全幅)のスペクトル幅を有し、中心が800nm付近の放射波長を有する。また、上記アニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約200nmの膜厚に関して、約0.6メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)の空間電界および電荷捕獲電界を有している。 The annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a conductivity of 1 × 10 6 Ω / cm corresponding to an electric field of 1 megavolt per centimeter (Mv / cm) or less, and a silicon filling rate of 2 .5% or more and 20% or less. In addition, LEDs with annealed nanocrystalline silicon-containing SiO x films less than 60 nm have turn-on voltages of less than 20 V defined for a surface radiation output of 0.03 watts per square meter (W / m 2 ). Have. The annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a spectral width of about 150 nm (full width at half maximum), and a center having a radiation wavelength near 800 nm. Further, the annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a space electric field and a charge trapping electric field of about 0.6 megavolt per centimeter (Mv / cm) for a film thickness of about 200 nm.

本発明に係る製造方法、ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜を用いた発光素子、および、発光素子を用いた発光方法については、以下に詳述する。   The production method according to the present invention, the light emitting element using the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film, and the light emitting method using the light emitting element will be described in detail below.

図1は、シリコン(Si)ナノ結晶シリコン絶縁膜を有する発光素子を示す部分断面図である。発光素子100は、nまたはp型ドーパントがドープされた底部電極102を備えている。また、底部電極102は、半導体または金属にて構成されていてもよい。ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、底部電極102上に配置されている。ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104の厚さは、30ナノメートル(nm)以上、200nm以下である。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a light emitting device having a silicon (Si) nanocrystalline silicon insulating film. The light emitting device 100 includes a bottom electrode 102 doped with an n-type or p-type dopant. Further, the bottom electrode 102 may be made of a semiconductor or metal. The nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 is disposed on the bottom electrode 102. The thickness of the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 is not less than 30 nanometers (nm) and not more than 200 nm.

ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、Xが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCであってもよい。ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104の最適な範囲の厚さは予想外な値である。すなわち、従来、特に高い光学放射出力は、少なくとも200nmの膜厚に起因すると考えられていた。予想外な膜厚範囲は、ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104のシリコンが高濃度であることに依存するものである。 The nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 is SiO X with X exceeding 0 and less than 2, Si 3 N X with X exceeding 0 and less than 4, or SiC X with X exceeding 0 and less than 1. May be. The optimum thickness of the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 is an unexpected value. That is, it has been conventionally considered that a particularly high optical radiation output is caused by a film thickness of at least 200 nm. The unexpected film thickness range depends on the high concentration of silicon in the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104.

上部電極である透明な金属電極108は、ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104上に配置されている。透明な金属電極108は、例えば、伝導性金属である金または白金などにて構成可能である。また、金属電極108に代えて、インジウムスズ酸化物(ITO)などの半導体電極が配置されていてもよい。ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104では、例えば、シリコンの体積充填率を、2.5%以上、20%以下の範囲内とすることができ、1メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)未満の電界に対して、導電率を1×10Ω/cmとすることができる。 A transparent metal electrode 108 as an upper electrode is disposed on the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104. The transparent metal electrode 108 can be composed of, for example, a conductive metal such as gold or platinum. Further, instead of the metal electrode 108, a semiconductor electrode such as indium tin oxide (ITO) may be disposed. In the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104, for example, the volume filling rate of silicon can be in the range of 2.5% or more and 20% or less, and less than 1 megavolt per centimeter (Mv / cm). The electric conductivity can be 1 × 10 6 Ω / cm with respect to the electric field.

発光素子100に動力源が供給された際(図2を参照)、60nm未満であり、Xが0を超えて2未満のSiOから構成されたナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、0.03ワット毎平方メートル(W/m)を超える表面放射出力に対して20ボルト未満のターン‐オン電圧を有する。また、上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、約150nmのスペクトル幅(半値全幅)を有し、中心が約800nmである放射波長を有する。以下に示すように、約50nmの厚さ、および、約18%のシリコン体積充填率を有する上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、約0.7Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有し、シリコンの体積充填率が10%以下の場合、約0.6メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)の空間電界および電荷捕獲電界を有している。 When a power source is supplied to the light-emitting element 100 (see FIG. 2), the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 made of SiO X having a thickness of less than 60 nm and X of more than 0 and less than 2 is 0 0.03 watts per square meter (W / m 2 ) for surface radiant power with a turn-on voltage of less than 20 volts. The nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 has a spectral width (full width at half maximum) of about 150 nm and a radiation wavelength whose center is about 800 nm. As shown below, the nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 having a thickness of about 50 nm and a silicon volume filling rate of about 18% has a spatial electric field and a charge trapping electric field of about 0.7 Mv / cm. When the volume filling rate of silicon is 10% or less, it has a space electric field and a charge trapping electric field of about 0.6 megavolt per centimeter (Mv / cm).

Xが0を超えて2未満のSiOから構成されたナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、約18%のシリコン体積充填率の場合、光学指数が約1.93である。SiO膜中のナノ結晶性のシリコンは、概して約4nm直径、約1.0×1017/cmから5.4×1018/cmの密度および約5.7nm以上、10nm以下の範囲内であるシリコンナノ結晶間の距離を有している。 Nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 X is composed of less than 2 SiO X greater than zero, when about 18% of the silicon volume filling rate, optical index of about 1.93. Nanocrystalline silicon in the SiO X film is typically about 4 nm in diameter, about 1.0 × 10 17 / cm 3 to 5.4 × 10 18 / cm 3 in density and about 5.7 nm or more and 10 nm or less. It has a distance between silicon nanocrystals that are within.

〔機能的説明〕
高密度プラズマ化学堆積法(HDPCVD)は、高密度なシリコンナノ結晶を有するシリコン絶縁膜を生成させるために、従来のCVD法またはプラズマ化学気相成長法(PECVD)よりも発展してきた。生成されたシリコン絶縁膜を有する発光素子(LED)は、低いターン‐オン電圧にて作動させることが可能である。上記シリコン絶縁膜は電極キャリア注入層間に挟まれている。上記高密度のシリコンナノ結晶によれば、所定のガス配合(gas combination)、ガス比率、RF出力および処理温度を変更することが可能となる。高いシリコン含有率(充填率が2%以上、20%以下)は、光学指数として使用され、測定されるものである。
[Functional explanation]
High density plasma chemical deposition (HDPCVD) has evolved over conventional CVD or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) to produce silicon insulation films with high density silicon nanocrystals. The generated light emitting device (LED) having a silicon insulating film can be operated with a low turn-on voltage. The silicon insulating film is sandwiched between electrode carrier injection layers. The high density silicon nanocrystals can change the predetermined gas combination, gas ratio, RF output and processing temperature. A high silicon content (filling ratio of 2% or more and 20% or less) is used and measured as an optical index.

シリコンナノ粒子の濃度を増加させると、シリコンナノ結晶間の距離を減少させることによってFowler-Nordheim トンネル現象(以下、適宜「FNトンネル現象」と略す)を通じてキャリア注入を効率的に行うことができ、最終的には低いターン‐オン電圧がもたらされる。さらにシリコンナノ結晶の濃度が高まると(充填率が20%を超えると)、SiO発光素子はより高い伝導率を示す。しかし、発光量が低下する。上記SiO処理および方法論は、SiNおよびSiC膜にも適用することができる。 Increasing the concentration of silicon nanoparticles enables efficient carrier injection through Fowler-Nordheim tunneling (hereinafter referred to as “FN tunneling” as appropriate) by decreasing the distance between silicon nanocrystals. The net result is a low turn-on voltage. Further, when the concentration of silicon nanocrystals is increased (when the filling rate exceeds 20%), the SiO X light emitting device exhibits higher conductivity. However, the light emission amount is reduced. The above-mentioned SiO X treatment and methodology can also be applied to SiN X and SiC X films.

比較的高い濃度(18%の体積充填率)のSiO発光素子に関して、平均4.0nmの直径を有するシリコンナノ粒子の全ての球面を考慮して、シリコンナノ粒子の平均数は5.4×1018/cmである。5.7nmであるシリコンナノ結晶の球面間の距離を考慮して、特にサイズ変化を考慮すると、シリコンナノ粒子の球面間に充填されているシリコンナノ粒子は非常に密接であることが観測される。シリコン濃度がより高くなると、発光に関して、励起子(結合)の形成を妨げる上記粒子が特に電気的に短絡し易くなるため、この高い密度によりシリコン濃度がより高い含有率になり、冷却効果がもたらされることが示唆される。 For a relatively high concentration (18% volume filling factor) SiO X light emitting device, the average number of silicon nanoparticles is 5.4 × considering all spheres of silicon nanoparticles having an average diameter of 4.0 nm. 10 18 / cm 3 . Considering the distance between the spheres of silicon nanocrystals, which is 5.7 nm, and especially considering the size change, the silicon nanoparticles filled between the spheres of the silicon nanoparticles are observed to be very close. . The higher the silicon concentration, the easier it is to electrically short-circuit the particles that prevent the formation of excitons (bonds) in terms of light emission, so this high density results in a higher silicon concentration and a cooling effect. It is suggested that

従来のPECVD処理は、上記濃度のシリコンナノ粒子を形成させるに十分なイオンプラズマを発生させることができない。従来のイオン注入によれば、高濃度のシリコンを発生させることができる。しかし、イオン注入処理では、良質な(大きな粒径の)シリコンのナノ結晶性構造を形成させることができない。これは、高エネルギーのシリコンイオンは、シリコン絶縁膜に損傷を及ぼすからである。なお、シリコン濃度(体積充填率)の増加はこの限りではなく、シリコンナノ粒子の密度についても同様である。   Conventional PECVD processing cannot generate ion plasma sufficient to form silicon nanoparticles with the above concentration. According to conventional ion implantation, high concentration silicon can be generated. However, the ion implantation process cannot form a high-quality (large particle size) silicon nanocrystalline structure. This is because high-energy silicon ions damage the silicon insulating film. The increase in the silicon concentration (volume filling rate) is not limited to this, and the same applies to the density of silicon nanoparticles.

図1に示す発光素子100の電気ルミネセンス(EL)出力は、電流注入の度合いに強く関連する。同様の度合いの電流注入に関して、ほとんどの堆積処理条件下の発光素子間でのEL強度はわずかな差異を示すのみである。従来のナノ結晶性シリコン含有SiO膜の厚さを単純に減少させることによって、光放射出力を増加させることはできない。つまり、従来のSiO活性層の厚さを単純に減少させることによって、固有の逆反応の場を生じさせる強い表面効果および電荷捕獲効果が結果として生じることが実験データによって示されている。これらの逆反応の場は、発光素子に適用される実際の場を減少させる。このようにして、効率の良い電流注入が妨げられる。さらに、単純にSiOが減少すると、シリコンナノ結晶の放射への関与が減少され、高い放射出力が妨げられる。SiO膜を単純に減少させることによって、これら全ての要素は、従来の発光素子におけるターン‐オン電圧の減少を妨げることとなる。当該問題を解決するため、本発明のHDPCVDおよび堆積処理の後処理に係る処理手法は、薄層のSiO活性層を有する発光素子に係る効率的な電流注入を実現するために最適化されている。最適化されたHDPCVDおよび堆積後のアニール処理によって、ターン‐オン電圧を80V付近から20V以下に減少せることができる。 The electroluminescence (EL) output of the light emitting device 100 shown in FIG. 1 is strongly related to the degree of current injection. For similar degrees of current injection, the EL intensity between light emitting devices under most deposition processing conditions shows only a slight difference. The light emission output cannot be increased by simply reducing the thickness of a conventional nanocrystalline silicon-containing SiO x film. In other words, experimental data show that simply reducing the thickness of a conventional SiO X active layer results in a strong surface effect and charge trapping effect that creates an inherent reverse reaction field. These reverse reaction fields reduce the actual field applied to the light emitting device. In this way, efficient current injection is prevented. Furthermore, simply reducing SiO x reduces the contribution of silicon nanocrystals to radiation and prevents high radiation output. By simply reducing the SiO x film, all these factors prevent the decrease in turn-on voltage in conventional light emitting devices. To solve the problems, the processing method according to the post-HDPCVD and deposition process of the present invention may be optimized to achieve efficient current injection according to the light-emitting element having a SiO X active layer of the thin layer Yes. With optimized HDPCVD and post-deposition annealing, the turn-on voltage can be reduced from around 80V to below 20V.

図2Aは、活性層としてナノ結晶性シリコン含有SiOを用いた発光素子を示す部分断面図である。また、図2bは、SIM発光素子(高効率集光素子)を用いた発光方法を示すフローチャートである。電気的に往復運動する発光素子100は、ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104が使用されて供給される。ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、ドープされたシリコンウェハおよび透明金属の間に挟まれている。上記透明な金属電極108の材料としては、例えば、伝導性金属である金または白金などが挙げられる。 FIG. 2A is a partial cross-sectional view showing a light emitting device using nanocrystalline silicon-containing SiO X as an active layer. FIG. 2B is a flowchart showing a light emitting method using a SIM light emitting element (high efficiency condensing element). The light emitting element 100 that reciprocates electrically is supplied using a nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104. The nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 is sandwiched between a doped silicon wafer and a transparent metal. Examples of the material of the transparent metal electrode 108 include gold or platinum which is a conductive metal.

工程202において、HDPECVD処理を用いて、上記活性層を、30nm以上、200nm以下の範囲内の厚さ106にて堆積する。また、透明な金属電極を、SiO膜上に形成する。20ボルト未満の電位が発光素子100に適用された際(工程204)、60nm未満の膜厚および約18%のSi体積充填率と仮定すると、0.03ワット毎平方メートル(W/cm)を超える表面放射出力が発生する(工程206)。基板(底部電極)が、n型ドープされている場合、上記基板は、アース、および、負の電圧源に接続された透明な金属電極108に接続されていてもよい。なお、金属電極108に代えて半導体電極をSiO膜上に形成してもよい。 In step 202, the active layer is deposited at a thickness 106 in the range of 30 nm to 200 nm using HDPECVD. A transparent metal electrode is formed on the SiO X film. When a potential of less than 20 volts is applied to the light emitting device 100 (step 204), assuming a film thickness of less than 60 nm and a Si volume filling factor of about 18%, 0.03 watt per square meter (W / cm 2 ) Greater surface radiation output is generated (step 206). If the substrate (bottom electrode) is n-doped, the substrate may be connected to ground and a transparent metal electrode 108 connected to a negative voltage source. In place of the metal electrode 108, a semiconductor electrode may be formed on the SiO X film.

図3に示すように、表面放射波長は、約150nm(半値全幅)のスペクトル幅を有し、中心が800nm付近の放射波長を有する。約200nmの膜厚106を有する、SiOから構成されるナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、約0.6メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)の空間電界および電荷捕獲電界を生じさせる。また、約50nmの膜厚106および約18%のシリコン体積充填率を有する上記ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜104は、約0.7Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を生じさせる。これは、SiO膜が適用されていない従来の発光素子の約半分の値である。 As shown in FIG. 3, the surface radiation wavelength has a spectral width of about 150 nm (full width at half maximum), and the center has a radiation wavelength near 800 nm. A nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 made of SiO 2 X having a thickness 106 of about 200 nm produces a spatial electric field and a charge trapping electric field of about 0.6 megavolts per centimeter (Mv / cm). The nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film 104 having a film thickness 106 of about 50 nm and a silicon volume filling rate of about 18% generates a spatial electric field and a charge trapping electric field of about 0.7 Mv / cm. This is about half the value of a conventional light emitting device to which no SiO X film is applied.

図3は、図2Aの発光素子の光放射スペクトルを測定するために用いられるプローブとして使用されるマルチモードファイバ(a multiple-mode fiber)を備えるモノクロメーターの描写結果を示すグラフである。同図は、光ルミネセンス(PL)波長の非常に近接して、800nm付近に放射ピークが生じていることを示している。   FIG. 3 is a graph showing a depiction result of a monochromator including a multi-mode fiber used as a probe used for measuring a light emission spectrum of the light emitting device of FIG. 2A. The figure shows that a radiation peak occurs near 800 nm, very close to the photoluminescence (PL) wavelength.

図4は、電子ルミネセンス光の捕集装置を示す図である。発光素子(図中のLED)は、距離Rに対する断面積比率が小さいため、点光源であるとみなすことができる。   FIG. 4 is a diagram showing an electroluminescent light collecting device. Since the light emitting element (LED in the figure) has a small cross-sectional area ratio with respect to the distance R, it can be regarded as a point light source.

図5は、基板ウェハの種類およびアニール処理の後処理に関する光放射特性の依存性を示すグラフである。光出力は図4に示す捕集装置を用いて捕集される。図1および図2Aに示すように、発光素子は3層構造である。発光素子100の発光出力は、3層間の界面によって大きく影響される。また、底部のシリコンウェハにおけるドーパントの種類によって顕著な影響が示される。n型の基板ウェハ上に作製された発光素子は、P型の基板ウェハに比較して、バイアスされた際により発光する。さらに、堆積後のアニール処理の条件(特に温度)は、発光特性に重要な影響を及ぼす。 FIG. 5 is a graph showing the dependence of the light emission characteristics on the type of substrate wafer and the post-treatment of the annealing process. The light output is collected using the collection device shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2A, the light-emitting element has a three-layer structure. The light emission output of the light emitting element 100 is greatly influenced by the interface between the three layers. Also, a significant effect is shown by the type of dopant in the bottom silicon wafer. A light emitting element manufactured on an n + type substrate wafer emits light when biased, compared to a P + type substrate wafer. Furthermore, the conditions (particularly temperature) of the annealing treatment after the deposition have an important influence on the light emission characteristics.

図5に要約された結果によれば、他の処理条件および発光素子の構成が同様であれば、n型の基板ウェハ上にて作製された発光素子(LED)は、p型の基板ウェハ上にて作製された発光素子よりもより効率的な光出力を示すことが明確に示されていることがわかる。また、800℃および15分間の条件にてアニール処理された発光素子と比較して、アニール処理後に600℃および15分間処理された発光素子の方がより発光する性能が高い。 According to the results summarized in FIG. 5, if other processing conditions and the configuration of the light emitting element are the same, the light emitting element (LED) fabricated on the n + type substrate wafer is a p + type substrate. It can be clearly seen that the light output is more efficient than the light emitting device fabricated on the wafer. In addition, the light-emitting element treated at 600 ° C. for 15 minutes after the annealing treatment has higher performance than the light-emitting element annealed at 800 ° C. for 15 minutes.

従来、電気装置の活性層に係るターン‐オン電圧は、活性層の厚さが減少することによって減少することが知られている(定電流の状態を維持している間)。しかしながら、このように、SiO発光素子の電圧、活性層の厚さ、および、放射出力の間に関連があることは知られていない。薄膜を備える発光素子は通常、発光が弱い(発光に関与する物質が少ない)。このように、素子の活性層からより多く発光させるためには、電圧を増加させる必要がある。つまり、単純にSiO膜の厚さが減少することによって低下した電圧を補う必要がある。 Conventionally, it is known that the turn-on voltage associated with the active layer of an electrical device decreases as the thickness of the active layer decreases (while maintaining a constant current state). However, it is not known that there is a relationship between the voltage of the SiO X light emitting device, the thickness of the active layer, and the radiation output. A light-emitting element including a thin film usually has low light emission (there are few substances involved in light emission). Thus, in order to emit more light from the active layer of the element, it is necessary to increase the voltage. In other words, it is necessary to compensate for the voltage that is reduced by simply reducing the thickness of the SiO X film.

ナノ結晶性シリコン含有SiO活性層に関して、実用的な最小厚さは200nmである。実験的な研究によって、従来のSiO層が、外部場に対する強い固有の逆反応場を形成することが確認されている。なお、200nmよりも薄層であると、効率的な電流注入が妨げられる。ナノ結晶性シリコン含有SiO発光素子に関して電流注入を予測する修正された Fowler Nordheim 理論モデルは、以下のように表され得る。 For a nanocrystalline silicon-containing SiO X active layer, a practical minimum thickness is 200 nm. Experimental studies have confirmed that the conventional SiO x layer forms a strong intrinsic reverse reaction field against the external field. Note that if the layer is thinner than 200 nm, efficient current injection is hindered. A modified Fowler Nordheim theoretical model for predicting current injection for a nanocrystalline silicon-containing SiO X light emitting device can be expressed as follows:

Figure 0004949423
Figure 0004949423

上記式において、Eeff=Eext−Ebuiであり、Eeffは有効磁界、Eextは外部場、Ebuiは固有の逆反応場である。上記逆反応場は、発光素子に適用される‘真の’場を減少させることによって外部場を弱める。Eextは概して複雑な関数である。さらに: In the above equation, E eff = E ext −E bui , where E eff is an effective magnetic field, E ext is an external field, and E bui is a specific inverse reaction field. The reverse reaction field weakens the external field by reducing the 'true' field applied to the light emitting device. E ext is generally a complex function. further:

Figure 0004949423
Figure 0004949423

上記式において、mはキャリアの有効質量であり、qは各キャリアの電荷であり、φは障壁高さであり、hはプランク定数である。EBarrierは、キャリアがFNトンネル現象にて越える必要がある障壁電位高さに相当する。 In the above formula, m * is the effective mass of the carrier, q is the charge of each carrier, φ B is the barrier height, and h is the Planck's constant. E Barrier corresponds to the barrier potential height at which carriers need to be overcome by the FN tunnel phenomenon.

図6は、修正された Fowler-Nordheimモデルを用いた算出データとの比較データを示すグラフである。上記データにおいて良好な一致が達成されている。従来の50nmのSiO活性層を有する発光素子に関して、Ebuiを200nmの発光素子のものに対して2倍の値とすることができ、効率的な電流注入を妨げ、低いターン‐オン電圧を達成することができる。これらは同じ処理、および、厚さを除いて同じ配置の発光素子にて作製されるものの、EBarrierはこれら2つの種類の発光素子に関して同じではない。この結果は、この結果は、異なる有効磁界Eeffにおいて異なる障壁電位の傾きによって説明される。 FIG. 6 is a graph showing comparison data with calculated data using the modified Fowler-Nordheim model. Good agreement is achieved in the above data. For a light emitting device having a conventional 50 nm SiO x active layer, E bui can be doubled compared to that of a 200 nm light emitting device, preventing efficient current injection and lowering the turn-on voltage. Can be achieved. Although they are fabricated with the same processing and the same arrangement of light emitting elements except for thickness, E Barrier is not the same for these two types of light emitting elements. This result is explained by different barrier potential slopes at different effective magnetic fields E eff .

要約すると、低いターン‐オン電圧を有するナノ結晶性シリコン含有SiO発光素子は、電流注入が改善された薄膜の活性層を用いることのない、従来の手法では作製することができない。しかしながら、薄膜(すなわち、200nmまたはそれより薄い)の場合、逆反応場Ebuiは同様に電流注入を妨げる。本発明によれば、薄膜のナノ結晶性シリコン含有SiO発光素子に関する逆反応場を最小限に抑える方法を提供することができ、低いターン‐オン電圧の発光装置を製造できる。さらに、導入された堆積後の処理を最適化することができる。最適化されたHDPECVD処理は、以下の工程を有している。(1)全ての処理パラメータを固定して、NOの流速を段階的に減少させる。本工程では、最適条件において、200nmの厚さを有する発光素子に関して40V未満の範囲にてターン‐オン電圧を有する発光装置を製造する。(2)SiO活性層の厚さを減少させ、一方、固定されたNO/SiHの流速に関する他のHDPECVDのパラメータを最適化し、比較的高いシリコン濃度にてSiO膜を製造する。本工程では、急激に薄膜による電荷注入の効率を低下させる空間電荷効果を最小化させる。最適条件を用いて、空間および電荷捕獲効果(space and charge trap effect)を減少させることができるので、高いターン‐オン電圧を低下させることができる。 In summary, nanocrystalline silicon-containing SiO x light-emitting devices with low turn-on voltage cannot be fabricated by conventional techniques that do not use thin film active layers with improved current injection. However, for thin films (ie, 200 nm or thinner), the reverse reaction field E ui similarly prevents current injection. According to the present invention, it is possible to provide a method for minimizing the reverse reaction field of a thin film nanocrystalline silicon-containing SiO X light emitting device, and to produce a light emitting device with a low turn-on voltage. Furthermore, the introduced post-deposition treatment can be optimized. The optimized HDPECVD process has the following steps. (1) All process parameters are fixed, and the flow rate of N 2 O is decreased stepwise. In this step, a light-emitting device having a turn-on voltage in a range of less than 40 V with respect to a light-emitting element having a thickness of 200 nm is manufactured under optimum conditions. (2) Reducing the thickness of the SiO X active layer while optimizing other HDPECVD parameters for fixed N 2 O / SiH 4 flow rates to produce SiO X films at relatively high silicon concentrations . In this step, the space charge effect that rapidly lowers the efficiency of charge injection by the thin film is minimized. Optimum conditions can be used to reduce space and charge trap effects, thus reducing high turn-on voltage.

HDPECVD製造方法にて用いられるパラメータは、SiO層が約50nmおよび200nmの2つのグループの発光素子に関する表1にまとめられている。ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、シリコンが高濃度な酸化シリコン(SRSO)膜である。図7に示されていように、17.5Vが測定されており、20V以下の低いターン‐オン電圧(約0.05W/mに相当し、図4に示す測定システムにて0.1nWにて規定される)が実証されている。 Parameters used in HDPECVD manufacturing method, SiO X layer are summarized in Table 1 relates to a light emitting element of the two groups of about 50nm and 200 nm. The nanocrystalline silicon-containing SiO X film is a silicon oxide (SRSO) film having a high silicon concentration. As shown in FIG. 7, 17.5V is measured, and a low turn-on voltage of 20V or less (corresponding to about 0.05 W / m 2, which is 0.1 nW in the measurement system shown in FIG. 4). Have been demonstrated).

Figure 0004949423
Figure 0004949423

図7は、表1に記載されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜サンプルのターン‐オン電圧を示すグラフである。表2は、HDPECVD製造方法において用いられたパラメータが記載されている。上記パラメータは、シリコン濃度および種々のフィルム厚さの度合いを対比するものである。 FIG. 7 is a graph showing the turn-on voltage of the nanocrystalline silicon-containing SiO X film sample described in Table 1. Table 2 lists the parameters used in the HDPECVD manufacturing method. The above parameters contrast the silicon concentration and the degree of various film thicknesses.

Figure 0004949423
Figure 0004949423

表3は、光学指数(n)(光学定数n(屈折率))に対して、HDPECVD作製条件を相互参照するものである。   Table 3 cross-references HDPECVD fabrication conditions with respect to the optical index (n) (optical constant n (refractive index)).

Figure 0004949423
Figure 0004949423

SiO膜内のシリコン濃度は、SiO膜の光学指数を用いて測定可能である。シリコンは、酸化シリコン(誘電率εOXを有する)内において同じ誘電率εSiを維持するとの前提に基づき、実効誘電率εeffは、以下のように算出され得る。 Silicon concentration in the SiO X film can be measured using the optical index of the SiO X film. Based on the assumption that silicon maintains the same dielectric constant ε Si in silicon oxide (having a dielectric constant ε OX ), the effective dielectric constant ε eff can be calculated as follows.

Figure 0004949423
Figure 0004949423

上記式において、fは、酸化シリコン膜内におけるシリコンの充填率であり、実効誘電率εeffは実質、想定量よりも遥かに大きいため(損失のため)、測定されたSiO膜の光学指数であるneffは、以下のように表され得る。 In the above formula, f is the filling rate of silicon in the silicon oxide film, and since the effective dielectric constant ε eff is substantially larger than the expected amount (due to loss), the measured optical index of the SiO X film N eff can be expressed as:

Figure 0004949423
Figure 0004949423

誘電率εOXを2.37、誘電率εSiを11.68とすると、シリコン濃度を制御することによって、実効光学指数は、1.54(f=0)以上、3.44(f=100%)以下の範囲内にて変化する。表3に要約されたサンプルは、2.8%以上、17.2%以下の範囲内でのシリコンの充填率に相当する、1.64以上、2.02以下にて変化する光学指数を有する。 When the dielectric constant ε OX is 2.37 and the dielectric constant ε Si is 11.68, the effective optical index is 1.54 (f = 0) or more and 3.44 (f = 100) by controlling the silicon concentration. %) It varies within the following range. The samples summarized in Table 3 have an optical index that varies from 1.64 to 2.02, corresponding to a silicon filling factor in the range of 2.8% to 17.2%. .

表3から、シリコンの充填率が18%(例えば、サンプル0725-34AB)に近付くにつれて、電流注入が非常に効率的になるにも関わらず、強い発光が観測されなくなる。シリコン充填率が2.8%程度に低い(例えば、0725-33AB)場合、強い発光が観測される。しかしながら、高いターン‐オン電圧が必要となる。これらの結果に基づいて、シリコン充填率手法に係る最適条件は、約2.8%および約18%の間とすべきである。しかし、この範囲よりもわずかに広い範囲で実効性があると考えられる。   From Table 3, as the silicon fill rate approaches 18% (eg, sample 0725-34AB), no intense luminescence is observed despite the very efficient current injection. When the silicon filling rate is as low as 2.8% (for example, 0725-33AB), strong light emission is observed. However, a high turn-on voltage is required. Based on these results, the optimal condition for the silicon fill rate approach should be between about 2.8% and about 18%. However, it is considered effective in a slightly wider range than this range.

上述のように、作動電圧を減少させる試みにおいて、電子装置におけるSiO活性層の厚さを減少させる概念は新しいものではない。200nmおよび50nmの厚さを有する発光素子を比較すると、理想的には、50nmの発光素子の方が、200nmの発光素子の1/4の作動電圧を有することとなる。すなわち、V200nm/200nm=V50nm/50nmとなる。このように、理想的な作動電圧は、200nmの発光素子では40Vであり、50nmの発光素子では10nmになると考えられる。 As mentioned above, the concept of reducing the thickness of the SiO X active layer in an electronic device in an attempt to reduce the operating voltage is not new. Comparing light emitting elements having thicknesses of 200 nm and 50 nm, ideally, a 50 nm light emitting element has an operating voltage that is ¼ that of a 200 nm light emitting element. That is, V200nm / 200nm = V50nm / 50nm. Thus, the ideal operating voltage is considered to be 40 V for a 200 nm light emitting device and 10 nm for a 50 nm light emitting device.

しかしながら、従来の膜を用いてこれらの結果を達成することはできない。空間および電荷捕獲効果は、膜厚が200nmから50nmに減少すると、理想的な場の発生を妨げる。従来の発光素子に関して、空間電荷からの固有の逆反応場は、1.5mv/cmから3.0mv/cmへ増加する。空間電荷に起因して、従来の200nmの発光素子は、実効作動電圧が、測定結果および上述したように、40V以上、70V以下となる(200nmの発光素子に関して1mv/cm以上、20v以下)。厚さが200nmから50nmに減少すると、空間電荷間の離間距離は減少する。そして、空間電荷の効果は更に高まる。このように、従来の50nmのSiOに関する作動電圧は理論的な10Vではなく、40Vである。 However, these results cannot be achieved using conventional membranes. Spatial and charge trapping effects prevent ideal field generation when the film thickness is reduced from 200 nm to 50 nm. For conventional light emitting devices, the intrinsic reverse reaction field from space charge increases from 1.5 mv / cm to 3.0 mv / cm. Due to the space charge, the effective operating voltage of the conventional 200 nm light emitting element is 40 V or more and 70 V or less as described above and as described above (1 mv / cm or more and 20 v or less for the 200 nm light emitting element). As the thickness decreases from 200 nm to 50 nm, the spacing between space charges decreases. And the effect of space charge is further enhanced. Thus, the operating voltage for conventional 50 nm SiO x is 40V, not the theoretical 10V.

しかし、本発明に係る処理によれば、50nmの厚さのSiO膜であっても低い作動電圧を有する発光素子を提供することができる。上述したように、上記作動電圧は20V未満であり、従来の50nmの発光素子に関して必要な40Vのターン‐オン電圧の半分である。本発明に係る処理は、厚さに伴い電圧のさらなる拡大縮小を許容する空間および電荷捕獲効果を最小限に抑制することができる。 However, according to the treatment according to the present invention, it is possible to provide a light emitting device having a low operating voltage even with a 50 nm thick SiO X film. As mentioned above, the operating voltage is less than 20V, which is half of the 40V turn-on voltage required for conventional 50 nm light emitting devices. The processing according to the present invention can minimize the space and charge trapping effects that allow further voltage scaling with thickness.

図8は、ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜を用いた発光素子の製造方法を示すフローチャートである。明確にするため、連続して番号工程が番号付けされているが、当該製造方法において、番号は工程の順番を必ずしも決定付けるものではない。並行して、または、順番を厳格に守る必要が無くなされる処理の中には省略され得るものもある。上記製造方法は、工程800から開始する。   FIG. 8 is a flowchart showing a method for manufacturing a light emitting device using a nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film. For the sake of clarity, numbering steps are consecutively numbered, but in the manufacturing method, the numbers do not necessarily determine the order of the steps. Some processes that can be done in parallel or without having to strictly follow the order may be omitted. The manufacturing method starts at Step 800.

工程802では、底部電極を供給する。具体的には、n型ドープされたもしくはp型ドープされた半導体、または、金属底部電極を供給する。工程804では、HDPECVD処理を用いて、30nm以上、200nm以下の範囲内の厚さを有する上記底部電極上にシリコン絶縁膜を堆積する。上記シリコン絶縁膜は、O、N、またはCなどを含んでいてもよい。例えば、シリコン絶縁膜はXが0を超えて2未満のSiO、Xが0を超えて4未満のSiまたはXが0を超えて1未満のSiCであってもよい。工程806では、上記シリコン絶縁膜をアニール処理する。一形態において、アニール処理の継続時間は、約10分以上、120分未満である。底部電極が半導体である場合、アニール処理温度は、約550℃以上、600℃以下の範囲内である。一方、底部電極が金属である場合、アニール処理温度は、200℃以上、350℃以下の範囲内である。工程808では、アニール処理に応じて、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶が形成される。次に工程810では、上記シリコン絶縁膜上に透明な金属電極を形成する。具体的には、シリコン絶縁膜が、Xが0を超えて2未満のSiOの場合、SiO膜上に透明な金属電極を形成する。 Step 802 supplies a bottom electrode. Specifically, an n-type doped or p-type doped semiconductor or metal bottom electrode is provided. Step 804 deposits a silicon insulating film on the bottom electrode having a thickness in the range of 30 nm to 200 nm using HDPECVD. The silicon insulating film may contain O, N, C, or the like. For example, the silicon insulating film may be SiO X with X exceeding 0 and less than 2, Si 3 N X with X exceeding 0 and less than 4, or SiC X with X exceeding 0 and less than 1. In step 806, the silicon insulating film is annealed. In one form, the duration of the annealing process is about 10 minutes or more and less than 120 minutes. When the bottom electrode is a semiconductor, the annealing temperature is in the range of about 550 ° C. to 600 ° C. On the other hand, when the bottom electrode is a metal, the annealing temperature is in the range of 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. In step 808, silicon nanocrystals are formed in the silicon insulating film in accordance with the annealing process. Next, in Step 810, a transparent metal electrode is formed on the silicon insulating film. Specifically, when the silicon insulating film is SiO X with X exceeding 0 and less than 2, a transparent metal electrode is formed on the SiO X film.

工程804におけるシリコン絶縁膜の堆積処理は、サブ工程を含んでいてもよい。工程804aでは、約20立方センチメートル毎分(以下、適宜「SCCM」と略す)以上、30SCCM以下の範囲内でシラン(SiH)を導入する。さらに、工程804bでは、約25以上、35SCCM以下の範囲内にてNOを導入する。なお、当該製造方法をチャンバ内で行っている場合には、上記シランおよびNOをチャンバ内に導入する。 The deposition process of the silicon insulating film in Step 804 may include a sub-step. In step 804a, silane (SiH 4 ) is introduced within a range of about 20 cubic centimeters per minute (hereinafter, abbreviated as “SCCM” where appropriate) to 30 SCCM. Further, in step 804b, N 2 O is introduced within a range of about 25 or more and 35 SCCM or less. Note that when the manufacturing method is performed in the chamber, the silane and N 2 O are introduced into the chamber.

工程804cでは、13.56メガヘルツ(MHz)以上、300MHz以下の範囲内の周波数、および、約1ワット毎平方センチメートル(W/cm)以上、20W/cm以下の電力密度の範囲内にて、上部電極に電力を供給する。工程804dでは、50キロヘルツ以上、13.56MHz以下の範囲内の周波数、および、約1ワット毎平方センチメートル(W/cm)以上、5W/cm以下の電力密度の範囲内にて、下部電極に電力を供給する。 In step 804c, within a frequency range of 13.56 megahertz (MHz) to 300 MHz and a power density of about 1 watt per square centimeter (W / cm 2 ) to 20 W / cm 2 , Power is supplied to the upper electrode. In step 804d, the lower electrode is applied at a frequency in the range of 50 kHz to 13.56 MHz and a power density of about 1 watt per square centimeter (W / cm 2 ) to 5 W / cm 2. Supply power.

アニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、1Mv/cmの電界に関して、1×10Ω/cmの導電率を有している。他の形態において、アニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、2.5%以上、20%以下の範囲内のシリコン充填率を有している。 The annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a conductivity of 1 × 10 6 Ω / cm for an electric field of 1 Mv / cm. In another embodiment, the annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon filling rate in the range of 2.5% to 20%.

さらに他の形態において、約18%のシリコン充填率であり、60nm未満のアニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、20V未満のターン‐オン電圧を有する。上記ターン‐オン電圧は、0.03ワット毎平方メートル(W/cm)を超える表面放射出力、および、約150nm(半値全幅)のスペクトル幅であり、中心が800nm付近の放射波長に対して規定される。また、他の形態として、アニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、200nmの膜厚に関して、約0.6Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有している。約50nmの膜厚に関して、約18%のシリコン体積充填率を有するアニール処理されたナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約0.7Mv/cmの空間電荷電界を有している。さらに、10%以下のシリコン体積充填率を有する50nmの膜厚のSiO膜は、約1.2Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有している。 In yet another form, an annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film having a silicon loading of about 18% and having a turn-on voltage of less than 20V is less than 60 nm. The turn-on voltage has a surface radiant output exceeding 0.03 watts per square meter (W / cm 2 ) and a spectral width of approximately 150 nm (full width at half maximum), and is specified for a radiation wavelength centered around 800 nm. Is done. As another form, the annealed nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a spatial electric field and a charge trapping electric field of about 0.6 Mv / cm with respect to a film thickness of 200 nm. For a film thickness of about 50 nm, an annealed nanocrystalline silicon-containing SiO x film having a silicon volume filling factor of about 18% has a space charge electric field of about 0.7 Mv / cm. Furthermore, a 50 nm thick SiO x film having a silicon volume filling factor of 10% or less has a spatial electric field and a charge trapping electric field of about 1.2 Mv / cm.

また、一形態において、ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約18%のシリコン体積充填率の場合、約1.93の光学指数を有している。SiO膜中のシリコンナノ結晶は、約4nmの直径、約1.0×1017/cm以上、5.4×1018/cm以下の範囲内の密度、および、約5.7nm以上、10nm以下の範囲内のシリコンナノ結晶間距離を有する。上記シリコンナノ結晶は、シリコンの体積充填率に依存した密度およびナノ結晶間の距離を有している。 Also, in one form, the nanocrystalline silicon-containing SiO x film has an optical index of about 1.93 for a silicon volume fill factor of about 18%. The silicon nanocrystals in the SiO X film have a diameter of about 4 nm, a density in the range of about 1.0 × 10 17 / cm 3 or more, 5.4 × 10 18 / cm 3 or less, and about 5.7 nm or more. It has a distance between silicon nanocrystals within a range of 10 nm or less. The silicon nanocrystal has a density and a distance between the nanocrystals depending on the volume filling rate of silicon.

図9は、誘導結合プラズマ源を有する高密度プラズマ(HDP)システムを概略的に示す図である。同図に示された上記システムは、シリコン結晶性SiO膜を堆積する上記HDPECVD処理を可能とするシステムの一例である。上部電極1は、高周波出力(RF)源2によって駆動される。一方、下部電極3は低周波出力源4によって駆動される。高密度の誘導結合プラズマ(ICP)源である高周波出力源2からのRF電力は、マッチング回路5およびハイパスフィルター7を通じて上部電極1に伝えられる。さらに、ローパスフィルター9および整合変成器11を通じて、下部電極3への電力は上部電極1の電力とは独立して変更することができる。 FIG. 9 schematically illustrates a high density plasma (HDP) system having an inductively coupled plasma source. The system shown in the figure is an example of a system that enables the HDPECVD process for depositing a silicon crystalline SiO x film. The upper electrode 1 is driven by a radio frequency output (RF) source 2. On the other hand, the lower electrode 3 is driven by a low frequency output source 4. RF power from a high-frequency output source 2 that is a high-density inductively coupled plasma (ICP) source is transmitted to the upper electrode 1 through a matching circuit 5 and a high-pass filter 7. Furthermore, the power to the lower electrode 3 can be changed independently of the power of the upper electrode 1 through the low-pass filter 9 and the matching transformer 11.

上部電極の電力周波数は、ICP(inductively coupled plasma)の設定に依存し、約13.56〜約300メガヘルツ(MHz)の範囲内とすることができる。下部電極の電力周波数は、イオンエネルギーを制御するため、約50キロヘルツ(KHz)から約13.56MHzまでの範囲内にて変更することができる。また、圧力の上限は、500mTorr(66.65Pa)である。上部電極の電力は、約10ワット毎平方センチメートル(W/cm)の大きさにすることができる。一方、下部電極の電力は、3ワット毎平方センチメートル(W/cm)の大きさとすることができる。 The power frequency of the upper electrode depends on the setting of ICP (inductively coupled plasma) and can be in the range of about 13.56 to about 300 megahertz (MHz). The power frequency of the lower electrode can be varied within a range from about 50 kilohertz (KHz) to about 13.56 MHz to control ion energy. The upper limit of the pressure is 500 mTorr (66.65 Pa). The power of the top electrode can be as large as about 10 watts per square centimeter (W / cm 2 ). On the other hand, the power of the lower electrode can be as large as 3 watts per square centimeter (W / cm 2 ).

高密度プラズマ(HDP)システムの重要な特徴は、プラズマに晒される誘導コイルが用いられないという点である。上記誘導コイルは、不純物の発生源を排除するものである。上記上部電極および下部電極の電力は、独立して制御することができる。また、上記電極がプラズマに晒されないように、種々のコンデンサを用いたシステム筐体を適用させる必要はない。すなわち、上部電極および下部電極の間でクロストークは生じず、上記プラズマ電位は低く、通常20V未満である。システム筐体の電位は、フローティングタイプの電位であり、上記システム設計および電力結合の性質に依存する。   An important feature of high density plasma (HDP) systems is that no induction coil is used that is exposed to the plasma. The induction coil eliminates a source of impurities. The power of the upper electrode and the lower electrode can be controlled independently. Further, it is not necessary to apply a system casing using various capacitors so that the electrodes are not exposed to plasma. That is, no crosstalk occurs between the upper electrode and the lower electrode, and the plasma potential is low, usually less than 20V. The electric potential of the system casing is a floating type electric potential and depends on the system design and the nature of the power coupling.

HDP処理(HDP tool)は、実際には、1×1011cm−3以上の電子濃度および10eV以下の電子温度での高密度プラズマ処理である。容量結合プラズマツールなどの多くの高密度プラズマシステムおよび従来の設計におけるように、上部電極およびシステム筐体に連結されたコンデンサ間において、異なるバイアスを維持する必要はない。他の形態では、上部電極および下部電極は、RFおよび低周波数(LF)の電力を受けてもよい。 The HDP process (HDP tool) is actually a high-density plasma process with an electron concentration of 1 × 10 11 cm −3 or more and an electron temperature of 10 eV or less. As in many high density plasma systems such as capacitively coupled plasma tools and conventional designs, there is no need to maintain a different bias between the capacitor connected to the top electrode and the system housing. In other forms, the upper and lower electrodes may receive RF and low frequency (LF) power.

ナノ結晶性シリコン含有絶縁膜活性層から作製される発光素子は、関連する製造処理と共に示されている。また、本発明に係る具体的な構成および処理は図面に示されているが、本発明は図示された具体例に限定されるものではない。本発明に係る他の変形例および具体例については、当業者によって適宜変更することができる。すなわち、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。なお、本明細書において、所定の数値に「約」が付されている表記は、上記所定の数値自体の値をも含んでいるものとする。   A light emitting device made from a nanocrystalline silicon-containing insulating film active layer is shown with associated manufacturing processes. The specific configuration and processing according to the present invention are shown in the drawings, but the present invention is not limited to the illustrated specific examples. Other modifications and specific examples according to the present invention can be appropriately changed by those skilled in the art. In other words, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims, and the present invention can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Such embodiments are also included in the technical scope of the present invention. In the present specification, the notation in which “about” is added to a predetermined numerical value includes the value of the predetermined numerical value itself.

また、本発明には、以下の発光素子の製造方法、発光素子、および、発光方法が含まれる。   Further, the present invention includes the following light emitting device manufacturing method, light emitting device, and light emitting method.

(1)シリコン(Si)ナノ結晶性シリコン絶縁膜が用いられた発光素子の製造方法において、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極を供給する工程と、高密度プラズマ化学気相成長法(HDPECVD)を用いて、上記底部電極上に、30ナノメートル(nm)以上、200ナノメートル(nm)以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むシリコン絶縁膜を堆積する工程と、シリコン絶縁膜をアニール処理する工程と、上記アニール処理に応じて、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶を形成する工程と、シリコンナノ結晶シリコン絶縁膜上に透明な金属電極を形成する工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。   (1) In a method for manufacturing a light emitting device using a silicon (Si) nanocrystalline silicon insulating film, a step of supplying a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, and a high-density plasma chemical Using the phase growth method (HDPECVD), a thickness ranging from 30 nanometers (nm) to 200 nanometers (nm) on the bottom electrode and selected from the group consisting of O, N and C A step of depositing a silicon insulating film containing the selected material, a step of annealing the silicon insulating film, a step of forming silicon nanocrystals in the silicon insulating film according to the annealing treatment, and a silicon nanocrystalline silicon insulating film And a step of forming a transparent metal electrode thereon.

(2)上記シリコン絶縁膜を堆積する工程は、Xが2未満のSiO、Xが4未満のSiまたはXが1未満のSiCからなる群から選ばれた膜を堆積する工程を含むことを特徴とする(1)に記載の発光素子の製造方法。 (2) The step of depositing the silicon insulating film is a step of depositing a film selected from the group consisting of SiO X where X is less than 2, Si 3 N X where X is less than 4, or SiC X where X is less than 1. The manufacturing method of the light emitting element as described in (1) characterized by including.

(3)上記SiO膜を堆積する工程は、シラン(SiH)を約20立方センチメートル毎分(SCCM)以上、30立方センチメートル毎分以下(SCCM)の範囲内にて導入する工程と、NOを約25SCCM以上、35SCCM以下の範囲内にて導入する工程と、13.56メガヘルツ(MHz)以上、300メガヘルツ(MHz)以下の範囲内の周波数、および、約1ワット毎平方センチメートル(W/cm)以上、20ワット毎平方センチメートル(W/cm)以下の電力密度の範囲内にて、上部電極に電力を供給する工程と、50キロヘルツ以上、13.56MHz以下の範囲内の周波数、および、約1W/cm以上、5W/cm以下の電力密度の範囲内にて、下部電極に電力を供給する工程とを含むことを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。
(3) The step of depositing the SiO X film includes introducing silane (SiH 4 ) within a range of about 20 cubic centimeters per minute (SCCM) to 30 cubic centimeters per minute (SCCM), and N 2 O. about 25SCCM or higher, a step of introducing within the scope of the following 35 SCCM, 13.56 megahertz (MHz) or higher, frequency in the range of 300 megahertz (MHz) or less, and about 1 watt per square centimeter (W / cm 2 ) Supplying power to the upper electrode in a power density range of 20 watts per square centimeter (W / cm 2 ) or less, a frequency in the range of 50 kilohertz to 13.56 MHz, and about 1W / cm 2 or more, within the scope of 5W / cm 2 or less power density, to include a step of supplying a power to the lower electrode Method of manufacturing a light-emitting device according to (2).

(4)シリコン絶縁膜をアニール処理する工程では、約10分以上、120分以下の範囲内の継続時間、および、上記底部電極が半導体の場合、約550℃以上、600℃以下の範囲内の温度にて、上記底部電極が金属の場合、約200℃以上、350℃以下の範囲内の温度にて、SiO膜をアニール処理することを特徴とする(3)に記載の発光素子の製造方法。 (4) In the step of annealing the silicon insulating film, the duration is in the range of about 10 minutes to 120 minutes, and in the case where the bottom electrode is a semiconductor, the duration is in the range of about 550 ° C. to 600 ° C. When the bottom electrode is made of metal at a temperature, the SiO X film is annealed at a temperature within a range of about 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. Method.

(5)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、少なくとも1メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)の電界に関して、少なくとも1×10Ω/cm未満の導電率を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (5) The nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a conductivity of at least less than 1 × 10 6 Ω / cm with respect to an electric field of at least 1 megavolt per centimeter (Mv / cm) (2 The manufacturing method of the light emitting element as described in).

(6)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、2.5%以上、20%以下の範囲内のシリコン体積充填率を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (6) The method for producing a light-emitting element according to (2), wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon volume filling rate in a range of 2.5% to 20%.

(7)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、60nm未満の厚さおよび約18%のシリコン体積充填率を有する膜に対して、0.03ワット毎平方メートル(W/m)を超える表面放射出力に関して規定された20ボルト未満のターン‐オン電圧を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (7) The nanocrystalline silicon-containing SiO x film has a surface greater than 0.03 watts per square meter (W / m 2 ) for a film having a thickness of less than 60 nm and a silicon volume filling factor of about 18%. The method for manufacturing a light-emitting element according to (2), wherein the light-emitting element has a turn-on voltage of less than 20 volts specified for radiation output.

(8)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、半値全幅(Full Width at Half Maximum)が約150nmのスペクトル幅であり、800nm付近を中心とした放射波長を有することを特徴とする(7)に記載の発光素子の製造方法。 (8) The nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a full width at half maximum of about 150 nm and a radiation wavelength centered around 800 nm (7) The manufacturing method of the light emitting element as described in any one of.

(9)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約200nmの厚さであり、約0.6Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (9) The light-emitting element according to (2), wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a thickness of about 200 nm and a spatial electric field and a charge trapping electric field of about 0.6 Mv / cm. Manufacturing method.

(10)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約50nmの厚さであり、約18%のシリコン体積充填率の場合、約0.7メガボルト毎センチメートルの空間電界および電荷捕獲電界を有し、約10%以下のシリコン体積充填率の場合、約1.2メガボルト毎センチメートルの空間電界および電荷捕獲電界を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (10) The nanocrystalline silicon-containing SiO X film is about 50 nm thick and has a space electric field and a charge trapping electric field of about 0.7 megavolt per centimeter when the silicon volume filling factor is about 18%. The method for manufacturing a light-emitting element according to (2), which has a space electric field and a charge trapping electric field of about 1.2 megavolts per centimeter when the silicon volume filling factor is about 10% or less.

(11)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、シリコン体積充填率が約18%であり、約1.93の光学指数を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (11) The method for producing a light-emitting element according to (2), wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon volume filling factor of about 18% and an optical index of about 1.93. .

(12)上記SiO膜内のシリコンナノ結晶は、約4nmの直径、約1.0×1017/cm以上、5.4×1018/cm以下の密度、および、約5.7nm以上、10nm以下の範囲内におけるシリコンナノ結晶間の距離を有することを特徴とする(2)に記載の発光素子の製造方法。 (12) The silicon nanocrystal in the SiO X film has a diameter of about 4 nm, a density of about 1.0 × 10 17 / cm 3 or more, and a density of 5.4 × 10 18 / cm 3 or less, and about 5.7 nm. The method for producing a light-emitting element according to (2), wherein the distance between silicon nanocrystals is in the range of 10 nm or less.

(13)上記シリコンナノ結晶は、シリコン体積充填率に依存する密度およびナノ結晶間の距離を有することを特徴とする(12)に記載の発光素子の製造方法。   (13) The method for producing a light-emitting element according to (12), wherein the silicon nanocrystal has a density depending on a silicon volume filling factor and a distance between the nanocrystals.

(14)シリコン(Si)ナノ結晶性シリコン絶縁膜が用いられた発光素子において、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極と、上記底部電極上に形成された、30ナノメートル(nm)以上、200ナノメートル(nm)以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜と、SiO膜上に形成された透明な金属電極とを備えることを特徴とする発光素子。 (14) In a light emitting device using a silicon (Si) nanocrystalline silicon insulating film, a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, and 30 nm formed on the bottom electrode A nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film containing a material selected from the group consisting of O, N, and C, and a thickness in the range of (nm) to 200 nanometers (nm) and on the SiO x film A light emitting element comprising: a formed transparent metal electrode.

(15)上記シリコン絶縁膜は、Xが2未満のSiO、Xが4未満のSiおよびXが1未満のSiCからなる群から選ばれたことを特徴とする(14)に記載の発光素子。 (15) In the above (14), the silicon insulating film is selected from the group consisting of SiO X with X less than 2, Si 3 N X with X less than 4, and SiC X with X less than 1. The light emitting element of description.

(16)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、2.5%以上、20%以下の範囲内のシリコン体積充填率を有することを特徴とする(14)に記載の発光素子。 (16) The light-emitting element according to (14), wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon volume filling factor in a range of 2.5% to 20%.

(17)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、少なくとも1メガボルト毎センチメートル(Mv/cm)の電界に関して、1×10Ω/cm未満の導電率を有することを特徴とする(15)に記載の発光素子。 (17) The nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a conductivity of less than 1 × 10 6 Ω / cm with respect to an electric field of at least 1 megavolt per centimeter (Mv / cm) (15) The light emitting element as described in.

(18)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、60nm未満の厚さおよび約18%のシリコン体積充填率を有する膜に関して、0.03ワット毎平方メートル(W/m)を超える表面放射出力に対して20ボルト未満のターン‐オン電圧を有することを特徴とする(15)に記載の発光素子。 (18) The nanocrystalline silicon-containing SiO x film is greater than 0.03 watts per square meter (W / m 2 ) for a film having a thickness less than 60 nm and a silicon volume filling factor of about 18%. The light emitting device according to (15), wherein the light emitting device has a turn-on voltage of less than 20 volts.

(19)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、半値全幅(Full Width at Half Maximum)が約150nmのスペクトル幅であり、800nm付近を中心とした放射波長を有することを特徴とする(18)に記載の発光素子。 (19) The nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a full width at half maximum of about 150 nm and a radiation wavelength centered around 800 nm (18) The light emitting element as described in.

(20)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、約50nmの厚さであり、
約18%のシリコン体積充填率の場合、約0.7メガボルト毎センチメートルの、空間電界および電荷捕獲電界を有し、約10%以下のシリコン体積充填率の場合、約1.2メガボルト毎センチメートルの空間電界および電荷捕獲電界を有することを特徴とする(18)に記載の発光素子。
(20) The nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a thickness of about 50 nm,
For a silicon volume filling factor of about 18%, it has a spatial and charge trapping field of about 0.7 megavolts per centimeter, and for a silicon volume filling factor of about 10% or less, it is about 1.2 megavolts per centimeter. The light emitting device according to (18), which has a space electric field and a charge trapping electric field of meters.

(21)上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、シリコン体積充填率が約18%であり、約1.93の光学指数を有することを特徴とする(15)に記載の発光素子。 (21) The light-emitting element according to (15), wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon volume filling factor of about 18% and an optical index of about 1.93.

(22)上記SiO膜内のシリコンナノ結晶は、約4nmの直径、約1.0×1017/cm以上、5.4×1018/cm以下の密度、および、約5.7nm以上、10nm以下の範囲内におけるシリコンナノ結晶間の距離を有することを特徴とする(15)に記載の発光素子。 (22) The silicon nanocrystal in the SiO X film has a diameter of about 4 nm, a density of about 1.0 × 10 17 / cm 3 or more, and a density of 5.4 × 10 18 / cm 3 or less, and about 5.7 nm. The light-emitting element according to (15), which has a distance between silicon nanocrystals within a range of 10 nm or less.

(23)発光素子を用いた発光方法において、ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極と、上記底部電極上に形成された、60ナノメートル(nm)以下の厚さおよび約18%のシリコン体積充填率を有しており、Xが2未満のSiO、Xが4未満のSiまたはXが1未満のSiCからなる群から選ばれたナノ結晶性シリコン含有シリコン膜と、上記SiO膜上に形成された透明な金属電極とを含む素子を供給し、上記半導体電極に対して20ボルト未満の電位を供給し、0.03ワット毎平方メートル(W/m)を超える表面放射出力を発生させることを特徴とする発光方法。 (23) In a light emitting method using a light emitting device, a bottom electrode selected from the group consisting of a doped semiconductor and a metal, a thickness of about 60 nanometers (nm) or less formed on the bottom electrode, and about Contains nanocrystalline silicon having a silicon volume filling factor of 18% and selected from the group consisting of SiO X with X less than 2, Si 3 N X with X less than 4, or SiC X with X less than 1 An element including a silicon film and a transparent metal electrode formed on the SiO x film is supplied, a potential of less than 20 volts is supplied to the semiconductor electrode, and 0.03 watt per square meter (W / m 2. A light emitting method characterized by generating a surface radiation output exceeding 2 ).

〔関連出願〕
本願は、Pooran Joshi等により発明された、ナノ結晶性シリコン含有酸化シリコン薄膜に係る米国特許出願第11/418,273(代理人 Docket,No.SLA0963, 2006年5月4日出願)の一部継続出願である。米国特許出願第11/418,273は以下の出願の一部継続出願である。
・Pooran Joshi等により発明された薄膜酸化プロセスの促進に係る米国特許出願第11/327,612(代理人 Docket,シリアルNo.SLA8012,2006年1月6日出願)。
・Pooran Joshi等により発明された高密度プラズマ水素化に係る米国特許出願第11/013,605(2004年12月15日出願,)。
・Pooran Joshi等により発明された酸素結合を改善した酸化物の堆積に係る米国特許出願第10/801,377(2004年3月15日出願)。
・Pooran Joshi等により発明されたゲート酸化物の高濃度プラズマ酸化の促進に係る米国特許出願第11/139,726(2005年5月26日出願)。
・Pooran Joshi等により発明されたシリコン薄膜のための高濃度プラズマプロセスに係る米国特許出願第10/871,939(2004年6月17日出願)。
・Pooran Joshi等により発明された酸化物薄膜の製造方法に係る米国特許出願第10/801,374(2004年3月15日出願)。
上述の全ての出願が、本願の参考文献として援用される。
[Related applications]
This application is a continuation-in-part of US patent application No. 11 / 418,273 (attorney Docket, No. SLA0963, filed on May 4, 2006) relating to nanocrystalline silicon-containing silicon oxide thin films invented by Pooran Joshi et al. It is. US patent application Ser. No. 11 / 418,273 is a continuation-in-part of the following applications.
-US Patent Application No. 11 / 327,612 (Attorney Docket, Serial No. SLA8012, filed January 6, 2006) relating to the promotion of thin film oxidation process invented by Pooran Joshi et al.
-US patent application No. 11 / 013,605 for high density plasma hydrogenation invented by Pooran Joshi et al.
US patent application Ser. No. 10 / 801,377 (filed Mar. 15, 2004) for depositing oxide with improved oxygen bonding, invented by Pooran Joshi et al.
A US patent application Ser. No. 11 / 139,726 (filed May 26, 2005) for promoting high concentration plasma oxidation of gate oxides invented by Pooran Joshi et al.
US patent application Ser. No. 10 / 871,939 (filed Jun. 17, 2004) for a high concentration plasma process for silicon thin films invented by Pooran Joshi et al.
US patent application Ser. No. 10 / 801,374 (filed on Mar. 15, 2004) relating to a method of manufacturing an oxide thin film invented by Pooran Joshi et al.
All the above-mentioned applications are incorporated as references for this application.

本発明は、発光素子およびこれを用いる光電子工学分野および集積メモリ装置の分野にて利用することが可能である。   The present invention can be used in the fields of light-emitting elements, optoelectronics using the same, and integrated memory devices.

1 上部電極
3 下部電極
100 発光素子
102 底部電極
104 ナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜
108 金属電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Upper electrode 3 Lower electrode 100 Light emitting element 102 Bottom electrode 104 Nanocrystalline silicon containing silicon insulating film 108 Metal electrode

Claims (9)

ナノ結晶性シリコンを含有する絶縁膜が用いられた発光素子の製造方法において、
ドープされた半導体および金属からなる群から選ばれた底部電極を供給する工程と、
高密度プラズマ化学気相成長法を用いて、上記底部電極上に、30nm以上、200nm以下の範囲の厚さ、および、O、NおよびCからなる群から選ばれた材料を含むシリコン絶縁膜を堆積する工程と、
シリコン絶縁膜をアニール処理する工程と、
アニール処理に応じて、シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶を形成する工程と、
シリコン絶縁膜内にシリコンナノ結晶が形成されたナノ結晶性シリコン含有シリコン絶縁膜上に透明な金属電極または半導体電極を形成する工程とを含み、
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程は、Xが0を超えて2未満のSiO 、Xが0を超えて4未満のSi またはXが0を超えて1未満のSiC からなる群から選ばれた膜を堆積する工程を含み、
シリコン絶縁膜を堆積する工程は、
シランを20SCCM以上、30SCCM以下の範囲内にて導入する工程と、
Oを25SCCM以上、35SCCM以下の範囲内にて導入する工程と、
13.56MHz以上、300MHz以下の範囲内の周波数、および、1W/cm 以上、20W/cm 以下の電力密度の範囲内にて、上部電極に電力を供給する工程と、
50キロヘルツ以上、13.56MHz以下の範囲内の周波数、および、1W/cm 以上、5W/cm 以下の電力密度の範囲内にて、下部電極に電力を供給する工程とを含み、
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiO を堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO 膜を堆積し、
上記シリコン絶縁膜をアニール処理する工程では、
10分以上、120分以下の範囲内の継続時間、および、
上記底部電極が半導体の場合、550℃以上、600℃以下の範囲内の温度にて、
または、上記底部電極が金属の場合、200℃以上、350℃以下の範囲内の温度にて、ナノ結晶性シリコン含有SiO 膜をアニール処理し、
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiO を堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO 膜を堆積し、
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO 膜は、少なくとも1Mv/cmの電界に関して、1×10 Ω/cm未満の導電率を有することを特徴とする発光素子の製造方法。
In a method for manufacturing a light emitting device using an insulating film containing nanocrystalline silicon,
Providing a bottom electrode selected from the group consisting of doped semiconductors and metals;
A silicon insulating film containing a material selected from the group consisting of O, N, and C, having a thickness in the range of 30 nm or more and 200 nm or less on the bottom electrode by using a high-density plasma chemical vapor deposition method. Depositing, and
Annealing the silicon insulating film;
Forming a silicon nanocrystal in the silicon insulating film in accordance with the annealing treatment;
And forming a transparent metal electrode or a semiconductor electrode in the silicon nanocrystals formed nanocrystalline silicon-containing silicon insulating film in the silicon insulating film seen including,
The step of depositing the silicon insulating film includes a group consisting of SiO X with X exceeding 0 and less than 2, Si 3 N X with X exceeding 0 and less than 4, or SiC X with X exceeding 0 and less than 1. Depositing a film selected from
The process of depositing the silicon insulating film is
Introducing silane within a range of 20 SCCM or more and 30 SCCM or less;
Introducing N 2 O within a range of 25 SCCM or more and 35 SCCM or less;
Supplying power to the upper electrode within a frequency range of 13.56 MHz or more and 300 MHz or less and a power density of 1 W / cm 2 or more and 20 W / cm 2 or less;
Supplying power to the lower electrode within a frequency range of 50 kHz to 13.56 MHz and a power density of 1 W / cm 2 to 5 W / cm 2 .
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
In the step of annealing the silicon insulating film,
A duration in the range of 10 minutes or more and 120 minutes or less, and
When the bottom electrode is a semiconductor, at a temperature in the range of 550 ° C. or more and 600 ° C. or less,
Alternatively, when the bottom electrode is a metal, the nanocrystalline silicon-containing SiO X film is annealed at a temperature in the range of 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower ,
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
The method for producing a light-emitting element, wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a conductivity of less than 1 × 10 6 Ω / cm with respect to an electric field of at least 1 Mv / cm .
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、2.5%以上、20%以下の範囲内のシリコン体積充填率を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
2. The method of manufacturing a light emitting device according to claim 1 , wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon volume filling rate in a range of 2.5% to 20%.
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、60nm未満の厚さおよび18%のシリコン体積充填率を有しており、
0.03W/mを超える表面放射出力にて規定された20ボルト未満のターン‐オン電圧を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
The nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a thickness of less than 60 nm and a silicon volume filling factor of 18%,
The method of manufacturing a light-emitting element according to claim 1 , wherein the light-emitting element has a turn-on voltage of less than 20 volts defined by a surface radiation output exceeding 0.03 W / m 2 .
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、半値全幅が150nmのスペクトル幅であり、800nm付近を中心とした放射波長を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。 The nanocrystalline silicon-containing SiO X film, a spectrum width of the full width at half maximum 150 nm, a manufacturing method of a light emitting device according to claim 3, characterized in that it comprises a radiation wavelengths centered around 800 nm. 上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、200nmの厚さであり、0.6Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
2. The method of manufacturing a light emitting device according to claim 1 , wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a thickness of 200 nm and has a spatial electric field and a charge trapping electric field of 0.6 Mv / cm.
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、50nmの厚さであり、
18%のシリコン体積充填率の場合、0.7Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有し、または、10%以下のシリコン体積充填率の場合、1.2Mv/cmの空間電界および電荷捕獲電界を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
The nanocrystalline silicon-containing SiO X film is 50 nm thick,
For 18% silicon volume filling, it has a 0.7 Mv / cm space and charge trapping field, or for 10% or less silicon volume filling, 1.2 Mv / cm space and charge trapping The method of manufacturing a light emitting device according to claim 1 , further comprising an electric field.
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、
上記ナノ結晶性シリコン含有SiO膜は、シリコン体積充填率が18%であり、1.93の光学指数を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
2. The method of manufacturing a light emitting device according to claim 1 , wherein the nanocrystalline silicon-containing SiO X film has a silicon volume filling rate of 18% and an optical index of 1.93. 3.
上記シリコン絶縁膜を堆積する工程では、上記Xが0を超えて2未満のSiOを堆積してナノ結晶性シリコン含有SiO膜を堆積し、
上記SiO膜内のシリコンナノ結晶は、4nmの直径、1.0×1017/cm以上、5.4×1018/cm以下の密度、および、5.7nm以上、10nm以下の範囲内におけるシリコンナノ結晶間の距離を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。
In the step of depositing the silicon insulating film, the X is greater than 0 deposited SiO X of less than 2 by depositing a nano-crystalline silicon containing SiO X film,
The silicon nanocrystals in the SiO X film have a diameter of 4 nm, a density of 1.0 × 10 17 / cm 3 or more, a density of 5.4 × 10 18 / cm 3 or less, and a range of 5.7 nm or more and 10 nm or less. The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 1 , wherein the distance between the silicon nanocrystals is within.
上記シリコンナノ結晶は、シリコン体積充填率に依存する密度およびナノ結晶間の距離を有することを特徴とする請求項に記載の発光素子の製造方法。 The method according to claim 8 , wherein the silicon nanocrystal has a density depending on a silicon volume filling factor and a distance between the nanocrystals.
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