JPH077179A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多孔質シリコンを用いた発光素子であって、
その発光強度を効果的に高め得る発光素子を提供する。 【構成】 多孔質シリコン層２と、多孔質シリコン層２
の両面に直接または間接に形成された電極４，５とを備
え、上記多孔質シリコン層２が、多孔質シリコン層２の
ポアに比べて相対的に大きく、アスペクト比が１以下の
凹凸が形成された単結晶シリコン層または多結晶シリコ
ン層を陽極酸化することにより構成されている発光素子
１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光素子に関し、特
に、陽極酸化により表面を多孔質化してなる多孔質シリ
コン層を用いて構成された発光素子の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）
素子、発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光素
子としては、直接遷移型の化合物半導体が主として用い
られてきているが、近年、間接遷移型の単結晶シリコン
を出発材料として得られた多孔質シリコンが発光素子用
材料として研究されている（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．第５７巻、第１０４６頁〜第１０４８頁（１９
９０）等）。

【０００３】結晶シリコンは、間接遷移型の狭いバンド
ギャップを有するため、通常は可視発光しない。しかし
ながら、単結晶シリコンをフッ化水素（ＨＦ）水溶液中
において、電解研磨の領域よりも小さい電流密度で陽極
酸化することにより表面に形成される多孔質シリコン層
は、室温において可視発光することが明らかにされてい
る。この場合、出発材料としては、表面が平坦なｐ型ま
たはｎ型の単結晶シリコン基板が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多孔質シリコンを用いた上記発光素子では、多孔質シリ
コンの発光スペクトルの強度が未だ十分でないという問
題があった。

【０００５】本発明の目的は、発光強度を効果的に高め
得る構造を備えた多孔質シリコンを用いた発光素子を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、多孔質シリコ
ン層と、該多孔質シリコン層の両面に直接または間接に
形成された電極とを備える発光素子において、上記多孔
質シリコン層が、多孔質シリコン層のポアに比べて大き
く、アスペクト比が１以下の凹凸の形成された単結晶シ
リコン層または多結晶シリコン層を陽極酸化することに
より構成されていることを特徴とする。

【０００７】なお、上記凹凸の大きさは、多孔質シリコ
ン層におけるポアの寸法が数μｍ程度であるため、これ
よりも相対的に大きく、例えば数十μｍ以上の大きさと
され、このような大きさの凹凸は、単結晶シリコン層ま
たは多結晶シリコン層を例えばエッチングすることによ
り形成し得る。

【０００８】また、上記アスペクト比とは、凹凸の（山
部と谷部との間の垂直距離）／（谷部−谷部間の水平距
離）を示し、このアスペクト比が１以下であることが本
発明では必要であり、それによって発光強度を効果的に
高め得る。

【０００９】

【作用】本発明では、多孔質シリコン層を形成するため
の出発材料として、多孔質シリコン層のポアよりも相対
的に大きく、アスペクト比が１以下の凹凸が形成された
単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板が用いら
れ、最終的に得られる多孔質シリコン層においても上記
凹凸が存在するため、多孔質シリコン層の実効表面積が
平坦な多孔質シリコン層に比べて増大される。従って、
上記実効表面積の増大により、発光スペクトル強度が高
められる。

【００１０】

【実施例の説明】以下、図面を参照しつつ実施例を説明
することにより、本発明を明らかにする。

【００１１】図１は、本発明の一実施例に係る発光素子
の構造を説明するための断面図である。発光素子１は、
多孔質シリコン層２の背面にｐ⁺ 層またはｎ⁺ 層を構成
するための単結晶シリコン基板３及びアルミニウムより
なる電極４を積層し、多孔質シリコン層２の表面側にＡ
ｕよりなる透明電極５を形成した構造を有する。

【００１２】上記多孔質シリコン層２は、その表面側が
凹凸Ａを有するように構成されており、凹凸Ａの大きさ
は、多孔質シリコン層２のポアの寸法よりも大きくされ
ており、かつアスペクト比が１以下とされている。上記
多孔質シリコン層２は、単結晶シリコン層をエッチング
し、例えば数十μｍ程度の凹凸を付与した後に、公知の
多孔質シリコン層形成方法に従って陽極酸化することに
より構成される。

【００１３】本実施例では、上記多孔質シリコン層２の
表面側に上記凹凸Ａが形成されている分だけ多孔質シリ
コン層の実効表面積が増大されている。従って、発光ス
ペクトルの強度がその分だけ高められる。

【００１４】なお、図１に示した実施例では、多孔質シ
リコン層２は、単結晶シリコン層の表面に上記のように
凹凸を付与した後に陽極酸化することにより構成されて
いたが、表面に多孔質シリコン層のポアサイズよりも大
きく、アスペクト比が１以下の凹凸を有する多孔質シリ
コン層は、多結晶シリコン層を用いて構成することも可
能である。

【００１５】次に、このような多結晶シリコン層を出発
材料とした実施例につき説明する。例えば、図２に示す
ように、表面に凹凸Ｂが付与された単結晶シリコン基板
６を用意する。凹凸Ｂは、単結晶シリコン基板６の表面
をＮａＯＨ等の適宜のエッチャントを用いてエッチング
することにより形成することができる。

【００１６】次に、上記単結晶シリコン基板６の凹凸Ｂ
が付与された面に、均一な厚みの非晶質シリコン層７を
形成する。この場合、非晶質シリコン層７の表面にも、
下方の凹凸Ｂに応じた凹凸Ｃが形成されることになる。
しかる後、非晶質シリコン層７を加熱し多結晶シリコン
層を固相成長させ、配向性に優れた多結晶シリコン層を
得る。この場合、さらにエッチングを併用することによ
り、形成された多結晶シリコン層の粒界部を除去するこ
とにより、図４に示すように、球状の粒に近い表面形状
を有する多結晶シリコン層８を形成することができる。

【００１７】図４から明らかなように、この例において
も、多結晶シリコン層８全体としてみた場合に、表面に
Ｄで示す凹凸が付与されている。従って、この多結晶シ
リコン層８を陽極酸化することにより、表面に凹凸を有
する多孔質シリコン層を形成することができる。よっ
て、このようにして形成された多孔質シリコン層を用い
て図１に示した実施例と同様にして発光素子を構成する
ことにより、発光スペクトル強度を効果的に高めること
ができる。

【００１８】次に、具体的な実験例を説明することによ
り、本発明を明らかにする。まず、出発材料として、平
坦な単結晶シリコン基板を用意し、該単結晶シリコン基
板の一方表面をエッチングすることにより、図２に示し
た単結晶シリコン基板６を用意した。エッチングに際し
ては、エッチャントとしてＮａＯＨ（０．２５モル）を
用い、８０℃の温度で１０〜３０分間エッチングを行っ
た。このエッチング時間については、後述の寸法の凹凸
を有するように、エッチング時間を制御した。すなわ
ち、下記の表１に示す凹凸の大きさ及びアスペクト比を
有するように表面に凹凸が形成された４種類の単結晶シ
リコン基板ａ〜ｄを用意した。なお、上記凹凸の大きさ
とは、谷部と谷部との間の水平距離を、アスペクト比と
は、（山部と谷部との間の垂直距離）／（谷部−谷部間
の水平距離）を示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、上記のようにして用意した４種類の
凹凸が付与された単結晶シリコン基板ａ〜ｄを用い、図
５に示すようにして以下の要領で多孔質化した。図５に
おいて、４５重量％ＨＦ水溶液１０内に、表面に凹凸が
付与された単結晶シリコン基板１１が浸漬されている。
単結晶シリコン基板１１の背面には、ｐ ⁺ 型単結晶シリ
コン基板３及びアルミニウムよりなる電極４がこの順序
で積層されている。また、１２は合成樹脂もしくはワッ
クス等よりなる支持部材を示す。

【００２１】多孔質化にあたっては、同じくＨＦ水溶液
１０中に浸漬された白金よりなる電極１３と電極４との
間に電流を流し、電流密度２５ｍＡ／ｃｍ² で単結晶シ
リコン基板１１を陽極化成した。また、多孔質シリコン
化を促進するために、５００Ｗのタングステンランプに
より光を照射した。

【００２２】次に、上記のようにして多孔質シリコン基
板を作製し、その表面にＡｕよりなる電極５（図１参
照）を形成し、図１に示した発光素子を作製した。得ら
れた発光素子に５Ｖの順バイアス電圧を印加した際の発
光強度（面内発光の積分強度）を測定した。この発光強
度の、表面が平坦な多孔質シリコン基板を用いた発光素
子の発光強度に対する相対強度を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２から明らかなように、表面に凹凸を形
成したとしても、出発材料としての単結晶シリコン基板
ｂ，ｃのように凹凸のアスペクト比が１より大きい場合
には、凹凸部分における下地の閉じ込めが顕著となり、
外部に光が有効に取り出せないためか、発光強度の増加
が見られなかった。

【００２５】これに対して、アスペクト比が１以下の単
結晶シリコン基板ａ，ｄを用いた場合には、実効表面積
増大効果により、平坦な単結晶シリコン基板を出発材料
として用いた場合に比べて、発光強度が著しく高められ
ることがわかった。

【００２６】また、出発材料として単結晶シリコン基板
ｄを用いた場合と、単結晶シリコン基板ａを用いた場合
とでは、凹凸のアスペクト比が同じであり、光学的には
同様に作用するものと思われるが発光強度増大作用が異
なっている。これは、凹凸の大きさが小さい方（単結晶
シリコン基板ａを用いた方）は、多孔質シリコン層のポ
アのサイズと近づくため、凹凸を付与したことによる実
効表面積増大効果が低減するからであると考えられる。
もっとも、単結晶シリコン基板ａを用いた場合において
も、表２から明らかなように、平坦な単結晶シリコン基
板を用いた場合に比べると、発光強度は５０％高められ
ている。

【００２７】次に、多結晶シリコンを出発材料として用
いた場合の実験例につき説明する。上述した第１の実験
例において用いた単結晶シリコン基板ｄの表面に、４０
０℃の温度で公知のプラズマＣＶＤ法に従って図３に示
すように厚み約１０μｍの非晶質シリコン層７を堆積
し、さらに水素雰囲気中で６５０℃の温度でアニールす
ることにより多結晶シリコンを固相成長させた。このよ
うに凹凸を付与された単結晶シリコン基板上に多結晶シ
リコン層を成長させ、該多結晶シリコン層の表面に下方
の単結晶シリコン基板の凹凸を反映した凹凸が設けられ
ている構造（すなわち図４に示した構造）を得た。この
実験では、単結晶シリコン基板の表面上に約１００μｍ
の粒径の多結晶シリコンが成長していることが認められ
た。また、この基板では、多結晶シリコン層の表面にお
いても、下方の単結晶シリコン基板の凹凸が反映した凹
凸が付与されている。

【００２８】次に、上記多結晶シリコン層の表面を第１
の実験例と同様にして陽極酸化し、得られた多孔質シリ
コン層を用い、第１の実験例と同様にして発光素子を構
成し、５Ｖの順バイアス電圧を印加し、発光強度（面発
光の積分強度）を測定した。得られた発光強度を、平坦
な単結晶シリコン基板を出発材料として用いて構成され
た多孔質シリコン発光層の発光強度に対する相対強度と
して下記の表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】表３及び前述した表２から明らかなよう
に、多結晶シリコン層を出発材料として構成された第２
の実験例の発光素子の方が、単結晶シリコン基板ｄを用
いて構成された第１の実験例において得た発光素子に比
べて、発光強度が大きいことがわかる。これは、下地の
単結晶シリコン基板の凹凸による効果と、多結晶シリコ
ン層をエッチングすることにより粒界の不純物が除去さ
れて多結晶シリコン層が３０μｍ程度の結晶粒が集合し
た状態とされていることによる表面積増大効果によると
思われる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明では、発光素子を
構成するための多孔質シリコン層が、エッチング等によ
り凹凸を付与された単結晶または多結晶シリコン層を用
いて形成されているため、該凹凸が付与されている分だ
け多孔質シリコン層の実効表面積が増大されており、従
って発光強度を大幅に高め得る。

【００３２】また、上記凹凸が付与された結晶系シリコ
ン基板として、多結晶シリコン層を有するものを用いた
場合には、単結晶シリコン基板を用いものと比べて、よ
り安価に発光強度の大きな発光素子を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の発光素子を示す断面図。

【図２】出発材料として用いた表面に凹凸の付与された
単結晶シリコン基板を示す側面図。

【図３】単結晶シリコン基板上に非晶質シリコン層を形
成した状態を示す側面図。

【図４】単結晶シリコン基板上に形成された多結晶シリ
コン層を説明するための側面図。

【図５】多孔質化するための陽極化成工程を説明するた
めの断面図。

【符号の説明】

１…発光素子 ２…多孔質シリコン層 ４，５…電極 ６…単結晶シリコン基板 ８…多結晶シリコン層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質シリコン層と、前記多孔質シリコ
   ン層の両面に直接または間接に形成された電極とを備え
   る発光素子において、 前記多孔質シリコン層が、多孔質シリコン層のポアに比
   べて相対的に大きく、アスペクト比が１以下の凹凸が形
   成された単結晶シリコン層または多結晶シリコン層を陽
   極酸化することにより構成されていることを特徴とす
   る、発光素子。