JPH03183173A

JPH03183173A - 光学素子

Info

Publication number: JPH03183173A
Application number: JP1321278A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Niwa; 光行丹羽; Keishi Saito; 恵志斉藤; Masafumi Sano; 政史佐野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-13
Filing date: 1989-12-13
Publication date: 1991-08-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は発光素子に関し、特に光源又は表示に使用され
る発光素子に関する。

［従来の技術］シリコン系材料を用いた発光素子の素子構造としては、
シランガス（Ｓｉｎ−）とメタンガス（Ｃ）１４）との
混合ガスを原料としてＥＣＲプラズマＣＶＤ法で分解し
て堆積させたａ−３ｉＣ膜を電荷注入層及び発光層に用
い、ＰＩＮ構造としたもの（Ｊ。

Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　　５ｏｌｉｄｓ　　
９７＆９８（１９８７）２９３−２９６；”Ｉｍｐｒｏ
ｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　　１ｎｊｅｃｔ
ｉｏｎ　　ｅｆｆｆｃｆｅｎｃｙｉｎ　　ａ−３ｉＣｐ
−１−ｎ　　ＬＥＤ　　ｕｓｉｎｇ　　ｈｉｇｈｌｙ−
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｗｉｄｅ−ｇａｐ　　Ｐ、Ｎ　　
Ｔｙｐｅ　　ａ−３ｉＣｐｒｅｐａｒｅｄ　　ｂｙ　　
ＥＣＲＣＶＤ”、　Ｄ、Ｋｒｕａｎｇａｎ　ｅｔ　ａｌ
）が既に報告されている。

［発明が・解決しようとする課題〕前記発光素子に用いられる電荷注入層の屈折率が前記発
光層の屈折率よりも大きい場合が多く、光の閉じこめ効
果による発熱で前記発光素子の劣化が促進されるという
問題点があった。

更に、前記電荷注入層における局在準位が多いため、電
荷注入効率が低く、それにともなって発光効率が低下す
るという問題点があった。

更に、前記電荷注入層における禁制帯幅が前記発光層の
禁制帯幅よりも小さい場合が多く、注入された電荷の多
（の部分が発光に寄与することなくそのまま発光素子を
通り抜けてしまい、そのため発光効率が低下するという
問題点があった。

本発明は、前記従来技術の問題点を解決することにより
、発光効率が高く、かつ経時的変化の少ない発光素子を
提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成する本発明の発光素子は、基体と、該
基体上の第一導電層と、該第−導電層上の不純物を含有
する窒化ガリウムで構成された第一電荷注入層と、該第
−電荷注入層上の水素原子を含有し、必要に応じてハロ
ゲン原子を含有する非単結晶炭化シリコンで構成された
発光層と、該発光層上の不純物を含有する窒化ガリウム
で構成された第二電荷注入層と、該第二電荷注入層上の
第二導電層とを有している。

第１図は本発明の発光素子の概念的模式図である。本発
明の発光素子１００は、下部より基体ｌｏｔ、第一導電
層１０２、不純物を含有する窒化ガリウムで構成された
第一電荷注入層１０３、水素原子を含有し、必要に応じ
てハロゲン原子を含有する非単結晶炭化シリコンで構成
された発光層１０４、不純物を含有する窒化ガリウムで
構成された第二電荷注入層１０５、第二導電層１０６が
順次積層された構造を有し、更にコンタクト電極１０７
．１０９及びリード線１０８，１１０が設けられている
。

本発明において使用される基体１０１としては、導電性
であっても電気絶縁性であっても良い。導電性基体の材
質としては、例えばＮｉ、　Ｃｒ。

Ａｌ、　Ｍｏ、　Ａｇ、　Ａｕ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｖ
、　ＴＬ　Ｐｔ、　Ｐｂ等の金属の単体、またはこれら
の合金、例えばステンレス鋼等が挙げられる。

電気絶縁性基体の材質としては、ポリエステル、ポリエ
チレン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポ
リプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、
ポリスチレン、ポリアミド等の合成樹脂、ガラス、セラ
ミック等が挙げられる。

基体１０１の形状は平滑表面あるいは凹凸表面の板状、
無端ベルト状または円筒状等であることができ、その厚
さは所望の発光素子を形成し得るように適宜決定できる
が、発光素子の製造上及び取り扱い上の機械的強度の点
から、通常は１０ｔＬ以上とされる。

また、基体１０１として、導電性の材質を用いることに
より、該基体１０１が前記第一導電層１０２を兼ねるこ
とも可能であり、この際には、該第−導電層１０２を省
く構造とすることが可能である。

本発明において使用される第一導電層１０２及び第二導
電層１０６の材質としては、例えば、Ｎｉ、　Ｃｒ、　
ＡＩ、　Ｉｎ、　Ｓｎ、　Ｍｏ、　Ａｇ、　Ａｕ、　Ｎ
ｂ、　Ｔａ、　Ｖ。

Ｔｉ、　Ｐｔ、　Ｐｂ等の金属の単体またはこれらの合
金、例えばステンレス鋼、あるいは酸化物、例えばＩｎ
ｚＯｓ、　ＩＴＯ（ＩｎｉＯｍ＋５ｎＯａ）等が挙げら
れる。

また基体１０１の材質がガラス、ポリエステル等の透明
なものであり、発光素子によって発光した光を支持体１
０１側を透過させて取り出す場合には、第一導電膜１０
２として、基体上に真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッ
タリング等の方法を用いて堆積させた上記金属、合金ま
たは酸化物等の透明導電膜を用いれば良い。

本発明において使用される第一電荷注入層１０３及び第
二電荷注入層１０５は窒化ガリウムで構成され、各々異
なる不純物が添加されており、その結果として電荷注入
機能を有している。

本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５を構成する窒化ガリウム膜は、膜中の欠陥が極
めて少ないために電荷注入効率が高いという特徴を有し
ている。

また、本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電
荷注入層１０５を構成する窒化ガリウム膜及び発光層１
０４を構成するａ−３ｉＣ膜の可視光に対する屈折率が
共に２．８〜３．２と近いため、光の閉じ込め効果によ
る発光素子内での発熱が小さく、発光素子の劣化が抑え
られる。

更に、本発明において発光層１０４を構成するａ−３ｔ
（：膜の禁制帯幅（１，９〜２．３ｅＶ）に対して第一
電荷注入層１０３及び第二電荷注入層１０５を構成する
窒化ガリウム膜の禁制帯幅（２，３ｅＶ）が広いため、
注入された電荷が発光に寄与することなしに発光層を通
り抜けてしまうことを防ぐ効果、いわゆる電荷の閉じ込
め効果によって、発光効率が高められる。

本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５に導入される不純物としては、ベリリウム原子
（Ｂｅ）　、マグネシウム原子（Ｍｇ　）、亜鉛原子（
Ｚｎ）　、カドミウム原子（Ｃｄ）　、炭素原子（Ｃ１
，ケイ素原子（Ｓｉ）　、ゲルマニウム原子（Ｇｅ）、
イオウ原子（Ｓ）、セレン原子（Ｓｅ）等の単独、ある
いはこれらのうちの２種以上を混合したものが挙げられ
る。

本発明において第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５に導入される不純物の量は、通常は１〜１００
０原子ｐｐｍ、好ましくは２〜５００原子ｐｐｍである
。

本発明における第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入
層１０５の層厚は所望の目的に応じて適宜決定されるも
のであるが、通常は４０〜６０００Å、好ましくは７０
〜２０００Åである。

本発明において発光層１０４を構成するａ−３ｉＣは水
素原子を含有し、必要に応じてハロゲン原子を含有する
非単結晶炭化シリコン（“ａ−３ｉＣ：）Ｉ（Ｘ）”と
表記する）である。

本発明において発光層１０４を構成するａ−３ｉＣ：Ｈ
（Ｘ）の光学的バンドギャップは、本発明の発光素子の
発光スペクトル、あるいは発光効率に対して大きな影響
を与える重要なパラメータの１つであり、所望の素子特
性に応じて適宜決定されるものである。本発明において
は１発光層１０４を構成するａ−３ｉＣ：Ｈ（Ｘ）の光
学的バンドギャップは好ましくは１．９ｅＶ〜２．２ｅ
Ｖであり、短波長の発光を得る場合には光学的バンドギ
ャップの大きいものを用い、長波長の発光を得る場合に
は光学的バンドギャップの小さいものを用いる。

本発明において発光層１０４の層厚は、目的に応じて適
宜決定されるものであるが、好ましくは０．１μｒｍ〜
１μｍとされ、より好ましくは０．２μＩ１１〜０．６
μｍとされる。該発光層１０４の層厚が０．１ＬＬｍ未
満であると、該発光層が薄いために、発光強度が低いも
のとなる。また、該発光層１０４の層厚が１μｍを越え
ると発光層自体での発光の吸収が増加し、発生した熱に
よって発光素子が劣化すると共に、外部に取り出される
実質的な発光強度が低下するので好ましくない。

本発明の発光素子の作製方法を、以下に概略的に説明す
る。

第２図は本発明の発光素子の製造に用いられる堆積膜形
成装置の断面を表す概略的模式図である。本発明の発光
素子の製造に用いられる堆積膜形成装置は、図示しない
真空ポンプによって減圧にし得る反応容器２０！、アル
ミナセラミックス製のマイクロ波導入窓２０２、図示し
ないマイクロ波電源装置によって発生したマイクロ波を
該反応容器２０１に導くマイクロ波導波路２０３、排気
管２０４、基体２０５を加熱する基体加熱用ヒーター２
０６を内蔵した基体ホルダー２０７、堆積膜形成用原料
ガス導入管（側面ガス管）２０８、装置の他の部分と電
気的に絶縁されている堆積膜形成用原料ガス導入管（中
央ガス管）２０９、ガス導入管２０９にＤＣあるいはＡ
Ｃのバイアス電圧を印加するためのバイアス電源２１０
によって構成されている。ガス導入管２０８及び２Ｏ９
は、図示しない原料ガスボンベとマスフローコントロー
ラーを介して接続されている。

本発明の発光素子は、上記の堆積膜形成装置を用いて、
以下のような手順に従って作製される。

反応容器２０１内の基体ホルダー２０７に、第一導電層
の堆積されている基体２０５を設置し。

不図示の真空ポンプを作動させ、排気管２０４を介して
反応容器２０１内を１０−　’Ｔｏｒｒ以下の真空度に
排気する。基体加熱用ヒーター２０６に通電し、基体２
０５を所望の温度に加熱、保持する。

基体２０５が所定の温度に達した後、電荷注入層形成用
ガスを、ガス導入管２０８及び２０９を介して反応容器
２０１内に導入する０次に反応容器２０１内の圧力をＯ
，１Ｔｏｒｒ以下の所定の値に調整する。圧力が安定し
た後、図示しないマイクロ波電源を作動させ、マイクロ
波導波路２０３、マイクロ波導入窓２０２を介してマイ
クロ波を反応容器２０１内に導入する。この時のマイク
ロ波のエネルギーは、堆積膜形成用ガスの全流量に対し
て３０　Ｗ　／　ｓｃｃｍ以上の値を持つように定めら
れる。

更に、必要に応じて、ガス導入管２０９にバイアス電源
２１０によってＤＣあるいはＡＣのバイアス電圧を印加
する。

この状態を所定の時間維持することにより、第一導電層
１０２の堆積されていた基体上に第一電荷注入層１０３
が形成される。

第一電荷注入層１０３及び第二電荷注入層１０５の堆積
に用いられる原料ガスとしては、ＧａｔＨａ。

ＧａＦｍ、　ＧａＣ１５，Ｎ＊、ＮＨｓ、　ＮＯ＋ｔ、
　ＮＦｓ等のガス状態のまたはガス化しやすい化合物が
挙げられる。

また、不純物導入用の原料ガス・とじては、ＳｉＨ４゜
５ＩＪａ、　５ｔＦ４．　ＧｅＨ４，ＧｅＦ４＋　５Ｆ
４１　ＳＦ＄１５Ｃ１ｉ。

５ａＢｒｉ、　ＨａＳ、　　５ｅＦ４．　５ｅＦｓ、　
ＳｅＨ＊、Ｂｅ（ＣＨｓ）ｔ。

Ｂｅ（ＣＪＪａ、　ＭｇＣＨｍＣｌ、　Ｚｎ（ＣＨｍ）
ａ、　Ｚｎ（ＣｘＨｓ）＊。

Ｃｄ（ＣＨｍ）ｚ、　Ｃｄ（ＣＪｓ）＊、Ｃｄ（ＣｓＨ
ｙ）ｚ、　Ｈｇ、　Ｈｇ（Ｃ）Ｉｓ）ｚ。

Ｃ）！、、ＣｌＨ８，Ｃ２Ｆ［、、Ｃ，旧等のガス状態
のまたはガス化しやすい化合物が挙げられる。

上述の方法で第一電荷注入層を形成した後、同一装置内
で引続き以下の方法で、発光層１０４の形成を行う。

発光層の形成の際には、ガス導入バイブ２０９からは炭
素含有ガスを主に導入し、ガス導入管２０８からはシリ
コン含有ガス、水素ガスを導入することが好ましい。炭
素含有ガスはプラズマ内で長時間プラズマにさらされる
ことなく、なるべく短い時間で支持体上に堆積させた方
が良い。なぜなら、プラズマ内で炭素含有ガスの分解が
進み、炭素原子が存在するようになると、炭素原子は非
常に反応性が高いために、未分解の炭素含有ガスと反応
したり堆積した炭素原子と反応して、堆積膜中にグラフ
ァイト構造を持ち込みやすいと考えられるからである。

また、更に堆積膜の欠陥を減少させ、電気的特性を向上
させるために、水素の添加が必要となる。水素はＨ２と
いう形ではあまり特性向上には役に立たず、水素ラジカ
ルになった場合に特性向上に役立つ。そして、水素ラジ
カルはできるだけ多く存在した方が特性が向上する。

反応容器２０１内を１０−’Ｔｏｒｒ以下の真空度に排
気した後、上記のようにしてガスを導入して１反応容器
２０１内の圧力を０．　ＩＴｏｒｒ以下の所定の圧力に
調整する０反応容器２０１内の圧力が安定した後、図示
しないマイクロ波電源からマイクロ波導波路２０３、マ
イクロ波導入窓２０２を介して反応容器２０１内にマイ
クロ波を導入する。該マイクロ波のエネルギーは発光層
形成用原料ガスの全流量に対して２０　Ｗ　／　ｓｅｃ
ｍ以上の値を持つように設定する。更に、必要に応じて
、バイアス電源２１０によってガス導入管２０９にＤＣ
あるいはＡＣのバイアス電圧を印加する。

良質なａ−ＳｉＣ：Ｈ（Ｘ）ＷＡを堆積させるためには
反応容器２０１内の圧力は０．３ｍＴｏｒｒｘ　１００
ｍＴｏｒｒとする。

良質なａ−３ｉＣ：Ｈ（Ｘ）膜を堆積するに適する原料
ガスとしては次のようなものがある。

シリコン系の原料ガスとしては、ＳＬ）＋４．５ｉＪｓ
。

ＳｉＪ□・・・、　ＳｉＦ４．５ｉＪｓ、・・・等のシ
ラン系のガスが利用される。

炭素系の原料ガスとしては、ＣＨ４，Ｃ，Ｈ，、Ｃ，Ｈ
，。

、ＣｘＨ４，Ｃ５Ｈａ、　　・　・　・　、Ｃ，Ｈ，、
・　・　・Ｃ，Ｈ，、ＣＦ４．・・・等のガスが利用さ
れる。

また、シリコンと炭素とを共に含む原料ガスとしては、
（ＣＨｓ）４Ｓｔ、　　・・・等のガスが利用できる。

上記シリコン系原料ガスと炭素系原料ガスの混合比（重
量比）は、所望の発光素子の特性に応じて適宜決定され
るものであるが、好ましくは２：１〜１００：１、より
好ましくは５：１〜２０：１である。

上記各種原料ガスは、複数種混合して用いることもでき
る。

上述の方法で発光層を形成した後、同一装置内で引き続
き第二電荷注入層１０５の形成を行う。

その方法は、前記第一電荷注入層とは不純物導入用の原
料ガスを変えるだけで、前記第一電荷注入層の形成法と
同様である。

上述の方法で第二電荷注入層を形成した後、この上に第
二導電層を形成する。本発明において使用される第二導
電層は、基体１０１側に光を放出する場合には透光性で
あっても、非透光性であってもよい。第二導電層側に光
を放出する場合は、第二導電層は透光性であることが望
ましい。

本発明において使用されるコンタクト電極は、リード線
と、第一または第二導電層との間の電気的導通性をよく
する材料が望ましい。その様な材料として、Ａｇ、　Ｐ
ｔ、　ＡＩ等が挙げられる。コンタクト電極は、第一ま
たは第二の導電層上にマスクを置いてこれらの金属を蒸
着させることによって形成することが可能である。

［実施例］以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明する
が、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）第２図に示すようなマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用
いて、上述した手順にしたがって、第１表に示すような
堆積膜形成条件下で発光素子を形成した。

該発光素子は、コーニング社製７０５９ガラス基板上に
形成した。該発光素子の構造は、コーニング社製７０５
９ガラス基板上にＣｒ電極をエレクトロンビーム蒸着法
により形成し、この上に第一電荷注入層として不純物Ｓ
を含む５００λの窒化ガリウム、発光層として５０００
人のａ−３ｉＣ：）１層、第二電荷注入層として不純物
ＳＬを含む５００人の窒化ガリウム、透明電極としてＩ
ＴＯを順次積層した構造である。

このようにして作製した発光素子の評価を、第３図に示
す評価装置を用いて行った。

第３図に概略的模式図で示した評価装置は、外面に外部
からの光を遮断するためのアルミニウム膜３０２が設け
られ且つ内面に完全反射面としての酸化マグネシウム膜
３０３が設けられたガラス製チャンバー３０１、発光素
子３０７を固定しこれに通電する発光素子ホルダー３０
５、及びすりガラス３０４で隔てられた光電管３０６か
ら構成されている。

実施例１において作製した発光素子の発光強度と発光寿
命を前記評価装置を用い、ＤＣ，ＩＯＶの電圧をかけて
評価した。その結果を第１表に示す。但し、発光強度及
び発光寿命の値は、次の比較例における発光素子によっ
て得られた値を１として規格化されている。

（比較例）第−及び第二電荷注入層として窒化ガリウムの代わりに
ａ−３ｉＣを用いて実施例１と同様にして発光素子を作
製し、これを比較例とした。

（実施例２）第２表に示すような堆積膜形成条件を採用して、実施例
１と同様な方法で発光素子を作製した。

該発光素子は、コーニング社製７０５９ガラス基板上に
透明電極としてＩＴＯをスパッタ蒸着にて形成し、その
上に第一電荷注入層として不純物Ｓを含む５００人の窒
化ガリウム、発光層として４０００人のａ−３ｉＣ：）
ｌ　、第二電荷注入層として不純物ＳＬを含む５００人
の窒化ガリウム、Ｃ「電極を順次積層した構造を有する
。このように作製した発光素子に対し、実施例１と同様
に比較例との相対評価を行い、その結果を第２表に示す
。

（実施例３）第３表に示すような堆積膜形成条件を採用して、実施例
１と同様な方法で発光素子を作製した。

該発光素子は、コーニング社製７０５９ガラス基板上に
透明電極としてＩＴＯをスパッタ蒸着にて形成し、その
上に第一電荷注入層として不純物Ｓｔを含む５００人の
窒化ガリウム、発光層として４０００人のａ−３ｉＣ：
Ｈ（Ｆ）、第二電荷注入層として不純物ＳＬを含む５０
０人の窒化ガリウム、Ｃｒ電極を順次積層した構造を有
する。このように作製した発光素子に対し、実施例１と
同様！；比較例との相対評価を行い、その結果を第３表
に示す。

（実施例４）実施例１の方法において発光層の膜厚だけを第４表に示
すように変えて発光素子を作製し、実施例１と同様の評
価を行い、その結果を第４表に示す。

（実施例５）実施例１の方法において第一電荷注入層の膜厚だけを第
５表に示すように変えて発光素子を作製し、実施例１と
同様の評価を行い、その結果を第５表に示す。

（実施例６）実施例１の方法において第二電荷注入層の含まれる不純
物の量だけを第６表に示すように変えて発光素子を作製
し、実施例１と同様の評価を行い、その結果を第６表に
示す。

第４表第５表第６表［発明の効果］本発明の発光素子においてａ−３ｉＣ：Ｈ（Ｘ）からな
る発光層を挟持する電荷注入層に禁制帯幅がａ−３ｉＣ
よりも広く、屈折率がａ−３ｉＣにほぼ等しく、かつ膜
内の局在準位が少ない窒化ガリウムを用いることによっ
て、発生した光の閉じ込め効果をなくし、かつ電荷の閉
じ込め効果を得ることが可能となり、電荷注入効率及び
発熱等が改善され１発光効率及び発光寿命を大きく向上
することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の発光素子の概略的模式図である。第２図は、本発明の発光素子の作製に使用したマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置の概略的模式図である。第３図は、本発明の発光素子の評価に用いた発光強度測
定機の概略的模式図である。第１図において、１０１は基体、１０２は第一導電層、
１０３は第一の電荷注入層、１０４は発光層、１０５は
第二の電荷注入層、１０６は第二の導電層、１０７．１
０９はコンタクト電極、１０８．１１０はリード線であ
る。第２図において２０１は反応容器、２０２はマイクロ波
導入窓、２０３はマイクロ波導波路、２０４は排気管、
２０５は基体、２０６は基体加熱用ヒーター、２０７は
基体ホルダー、２０８は堆積膜形成用原料ガス導入管（
側面ガス管）、２０９は堆積膜形成用原料ガス導入管（
中央ガス管）、２１０はバイアス電源である。第３図において３０１はガラス製チャンバー３０２はア
ルミニウム膜、３０３は酸化マグネシウム膜、３０４は
すりガラス、３０５は発光素子ホルダー、３０６は光電
管、３０７は発光素子である。

Claims

【特許請求の範囲】

　発光層及び該発光層の両面上に形成された電荷注入層
を有する発光素子において、該発光層が水素原子を含む
非単結晶炭化シリコンで構成されており、該電荷注入層
が不純物を含有する窒化ガリウムで構成されていること
を特徴とする発光素子。