JPS59181683A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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JPS59181683A
JPS59181683A JP58056171A JP5617183A JPS59181683A JP S59181683 A JPS59181683 A JP S59181683A JP 58056171 A JP58056171 A JP 58056171A JP 5617183 A JP5617183 A JP 5617183A JP S59181683 A JPS59181683 A JP S59181683A
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明(ri、ケイ素を含む非晶質半導体薄膜を用いた
電場発光型の発光素子に関する。
〔発明の技術的背景とそp問題点〕
最近、極めて博い半導体薄膜の形成技術が、分子線エピ
タキシー(MBE )法等を用いることによシ発展して
きた。例えば、極薄のGaAs/GaAtAsを多数積
層した量子ウェル構造をもつ素子が試作され始めている
。このような構ズαの素子は従来のバルク利料あるいは
単一薄膜を用いた素子とは異なる電子的、光学的特性を
示す。
しかしながら、MBE法等によシ得られる結晶薄膜の極
層においては、格子不整の存在のため半導体側斜の選択
に制約がある。またMBE装置は超高真空が必要なため
きわめて大損りでめシ、しかも結晶を成長させるために
高温を心安とする。これらの理由で結晶薄膜の積層構造
の素子が高価なものとなる。
一方最近、ガス原料のグロー放電分解等によシ゛得られ
る非晶質の水素化ケイ素(a−8t:H)膜が半纏体特
性を有することを利用して、種々の素子への応用が試み
られている。例えばa −S i: H薄膜を用いた発
光素子としてpinM足のものが試作されている。しか
しこの発光素子は、発光効率が極めて低く、しかも77
°にという低温で赤〜亦外領域の発光が観測されている
のみであり、実用には程遠いものである。
〔発明の目的〕
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、ケイ素を営む
非晶質半導体薄膜を用いて低′亀圧駆動で高輝度特性が
得られる構造とした発光素子を提供することを目的とす
る。
〔発明の概髪〕
本発明は、禁制帯幅の異なるケイ素を名゛む非晶負半導
体/V膜を交互に釉層して量子ウェルを形成した発光層
を用いる。即ち、第1の電極が形成された基板上に、禁
制帯幅E、なるケイ素を含む第1の非晶質半導体N、膜
で禁制帯幅E2 (ただしEl>E2)なるケイ素を含
む第2の非晶質半導体j・、膜を挾んだ構造を単位発光
層としてこれを一層以上積層し、この発光層界面に第2
の電極を設けて発光素子を構成する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、結晶−薄膜の場合と異なシ異釉薄膜の
積層構造の形成に際して格子不整を考慮する必要がなく
、接合界面の特性が良好な発光層を得ることができる。
例えば量子ウェルとなる第2の非晶質半導体薄膜として
水素を含む非晶質ケイ素(a−8i:H)、バリア部と
なる第1の非晶質半導体薄膜として水素を含む非晶質炭
化ケイ素(a−8iC:H)を用い、これらをグロー放
電分解法により交互に積層して発光層を形成する。この
場合、低温で膜形成がb」能であるため相互拡散が小さ
く、放電のオンオフにより膜の堆8tを切れよく制御す
ることができるため、量子ウェルとバリアの遷移領域幅
をIOA程度とすることが容易である。そして、量子ウ
ェル部トfxルa−8i :H膜i10〜1’OOL 
バリア部(!: fz ル、 a −S ic : H
M ’f: 100〜1000 X トスると、優れた
量子効果が得られる。即ち、量子ウェル部の禁制帯幅は
E2=1.8〜2.OeV、バリア部の禁制帯幅はE1
=2.8〜3.2eVとなってその遷移領域での電界強
度は4〜7 X ]、 06V/cmにも達し、伝導帯
¥C走行するキャリアが強く加速されて電子なだれ増倍
効果が強調される結果、外部印7ID電圧を低くしても
常温で発光する高い発光効率が得られる。このことは、
発光素子と他のデバイスとの整合性がと9易くなること
を意味し、壕だ平均的な内部電界が小さくて済むため発
光素子の安定性向上が図られる。−18た量子効果によ
って、発光層の平均的な禁制帯幅が見かけ上量子ウェル
部のそれよシ広くなる結果、可視領域の発光も可能とな
る。
〔発明の実施例〕
以下本発明の詳細な説明する。第1図は一実施例の発光
素子の断面構造を示している。
1ノはガラス等の透明絶縁基板でちゃ、この上に第1の
電極として透明導電膜(SnO2,In2O3+In2
O3・SnO2等)を用いた透E!A電極12が形成烙
れ、この上にY2O3等の透明絶縁膜13全介してケイ
素を含む非晶質半導体膜の積層構造からなる発光層14
が形成されている。発光層14の表面にはY2O3等の
絶縁膜15を介して第2の電極である金属電極16.が
形成されている。
なおこの構造は、基板側を光の出射側とする場合である
。基板に不透明な金属前を用いノこ賜金には、上面の8
4!2の電極および絶縁膜を透明材料で形成すれはよい
発光層14は第1の半導体薄膜として a −S+C: H%第2の半導体薄膜としてa−8+
:Hを用いた積層構造であって、第2図(、)に示すと
おシである。即ち、基板側に1ず、a−sic:)(膜
14a、を500〜2000X形成し、この上にa−8
i二H膜14b1をd、−10〜100 Xの1厚さに
、続いてa−8iC:H膜14a2 ?]:d2=1°
00〜1000Xの厚さに形成し、以下同様の繰返しで
a−8i:H/a−8iC:Hの積層構造を得る。最上
層のa  SiL:H膜14anは最下層と同様に50
0〜2000Xとする。
こうして得られる発光層14のエネルギーバンド図は第
2図(b)に示すようになる。
このような発光層14のグロー放電分触による形成方法
を第3図を参照して説明する。原料ガスAはa −Sa
c : H膜形成用のHeをキャリアとするテトラメチ
ルシランであシ、原料ガスBはa−8l二Ht1%形成
用のHe Kキャリアとするシランである。それぞれ質
量流量計によって供給量が制御され、パルプ21の操作
により交互に切換えられて反応チャンバ22に供給きれ
るようになっている。
まず反応チャンバ22内の基板ホルダ23に基板24を
セットする。この基板24は既に述べたように第1の電
極が形成され、その上に絶縁膜が形成されたものである
。本実施例ではガラス基板上にITO膜とY2O51m
をEB熱蒸着ょ9それぞれ3000X形成したものを用
いた。この後、排気系25を用いてチャンバ22内を真
空に排出する。10  Torr以下の真空に達した後
、基板24をヒータ26によシ所定温匿に加熱、原料A
をチャンバ22内に流す。このときチャンバ22内の圧
力を1〜5 Torrの範囲に、基板温度を室温〜約3
50℃に、また原料ガスAの流入量をテトラメチルシラ
ンの量として1〜10ccZ分に保つ。本実施例では圧
力4Torrs基板温度300℃、テトラメチルシラン
流量8Q7分とした。
チャンバ22内が定常状態になった後、高周波′電源2
7から電力を印加すると、テトラメチルシランがグロー
放電によシ分解し、基板24上にa −Sac : H
膜が堆積し始める。このとき高周波電力の密度は0.0
2〜0.3 W/ cm2が望ましく、本実施例では0
.1.w/cm  とし、第1層のa−8iC:H膜を
1000X形成した。
この後、放電を停止し、原料ガスAの供給も停止して再
びチャンバ22内を十分に排気する。
そして原料ガスBi反応チャンバ22内に供給し、チャ
ンバ22内圧力1〜5Torrtシランガス流量5〜2
0 C(!/分となるように調整する。
本実施例ではガス圧力4Torrsシラン流量15cc
/分とした。この後放電をおこして、印加電力を0.0
5 w/cm2とし、量子ウェル部となるa−8i:H
膜′f:10〜100X埴槓する。本実施例では30X
(1)厚さとした。
次に再ひ放tt4:1苧止、パルプ操作を杓り/ζ後、
原木」ガスAを用いて前記と同様の采件でa −Sac
 : H膜を100〜1000X堆積する。本実施例で
は100Xとした。
以下同様の操作を繰返して、1膜層のa −S I :
H膜(厚さ30X)と11層のa−8iC:Hlla(
Ju上下層よび最上jりが100OX、それ以外は10
0i)2交互に積層した発光層を得た。
発光層上部の絶縁膜15、第2の電極16として本実施
例では、EB熱蒸着ょる3000XのY2O6膜、真空
蒸着による2μmのAt+換7それぞれ形成した。
こうして得られた発光系子は、交流電界の印加によシ従
来よυ高輝度の発光特性ヲンバす。即ち、発光層の両端
にかかる電位差をV1発光層の厚みをtとすると、発光
層には平均電界v7tがかかシ、これにより伝導帯の電
子は加速される。−力木実施例の素子では、この平均電
界の他に第4図に示すエネルギーバンド図から明らかな
ように、S i(−: H膜とSi二H膜の迫移領域(
〜l0X)のバンド壬ソソの差によシ局所的かつ周期的
に4〜7 X 106V/crnの強′肛界が形成され
る。この結果、電子なだれ増倍が強調きれ、従来よりも
低い印加電圧で、しかも常温で発光を生ずる。また従来
と同程度の発光強度を得るには印加電圧が従来より低く
てよく、しかも多数の薄膜の積層構造であるためピンホ
ールによる短絡事故もなく、従って発光系子の破壊が防
止される。
よシ具体的に説明すれは、従来のa −Si: Hf用
いたEL累子では発光層30001に対して106V1
0nの電界ではじめて発光が観測されるのに対し、積層
構造の発光)?43200xの本実施例の場合、これよ
91桁低い電界で発光が認められた。
しかも本実施例では量子的効果により従来より短波長の
発光が認められた。
以上の実施例は、発光層の両面に絶縁膜を介して電極を
設けたAC駆動型の場合であるが、本発明はDC駆動型
にも適用できる。その実施例を次に説明する。
発光層の両面にはpm層、n型層をそれぞれ設ける。p
型層を得る場合にはドー/′eントとしてB、AA等の
■族元素を、n型層を得る場合にはドーパントとしてP
、Sb、As等の■族元素をそれぞれ用いる。例えば、
第1のSiC:H膜の形成には予め混合したシランとメ
タンの混合ガス(混合比1対1〜1対10)を原料ガス
とし、ドーパントとして上記した■族又は■族元素のガ
ス状化合物を用いる。ドーノ4ントガスと混合ガスとの
モル比は1〜5対100程度とする。このp型層、n型
層の形成は、第3図に示す装置にドー・ぐントガス供給
系を付加することで行うことができる。
具体的な実施例を説明すると、ガラス基板上にITO膜
をEB蒸着により3000″に形成した基板をチャンバ
内に七ノドする。シランとメタンの混合ガス(7ラン対
メタン=1対5)をシラン流量5 cc/分に設定して
チャンバ内に供給し、同時にドーノぐントガスB2H6
を上6色面合ガスに対して2モルチの割合で供給する。
そしてチャンバ内圧力2.0 Torr X基板温度2
50℃、印加画周波電力0.05 W/口2の条件で1
.50 X O,r p型層−8iC:H膜を形成した
。この後、先の実施例と同様に、a  S+ : HI
模とa−8iC:HtlSkの軸層構造を形成する。即
ち、a −S+ C:T4膜は上6已したシランと7メ
タンの混合ガスを上記と同じ条件で供給して高周波電力
0.2 w/ cm2の印加により、又a−8i:Hp
の形成にはシランのみを2CC/分で供給し、高周波電
力0.2 w7 cm2の印加によ知それぞれ膜厚15
0X、50Xとして交互に15層ずつ形成した。そして
最上層にI)H3ガスの供貼系を利用してp型層形成と
同様の条件で150Xのn型層 −S+C: H,%を
形成して発光層とした。この発光層表面にはA7電極を
真空蒸着によ、!1l12μm形成した。
こうして可られた発光集子に順方向直流バイアス2を印
加したとき、エネルギーバンド図は第5図に示すように
なシ、印加電圧5V、屯流智度I A/ cm2で可視
領域の発光が認められた。
尚、以上の実施例では非晶質炭化ケイ系及び非晶質ケイ
素は原料ガスの低圧グロー放電分解によ膜形成したが、
その側熱分解、元分解寺によっても製造用能でめる。
【図面の簡単な説明】
第1図は不発ワ」の一実施例の光光素子を示す断面図、
第2図(a) 、 (b)はその発光層の、i頁層構愈
″乏拡太図とエネルギーバンド図、第3図はグロー放′
亀分解による膜形成装置を示す図、第4図は前記発光層
の′11]、土印加時のエネルギーバンド図、第5図は
別の実施例の発光層の電圧印加時のエネルギーバンド図
である。 11・・・透明i1色縁糸板、12・・・透明′1バ第
1の電極)、13.15・・・絶縁膜、14・・・発光
層、14a1.14a2I・・−74an−a−8iC
:Hm(141の半導体薄膜)、14bi ” 4b2
 ’ ”” 4bn−+ ”’a  S+:H膜(第2
の半導体薄膜)。 出願人代理人  弁理士 鈴 江 武 藤第1図 第2図 5、−几ユ話、−−−−−−−、1 第3図 (Y2O・)第4図 第5ト (P型a−5iC:H) 427− (n型a−5iC:H)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1の電極が形成された基板上に、禁制帯幅E、
    なるケイ素を含む第1の非晶質半導体薄膜と禁制帯幅F
    、2(ただしEl>E2)なるケイ素を含む第2の非晶
    質半導体薄膜をこの順に交互に積層して内部に少くとも
    一つの量子ウェルを形成した発光層を構成し、この発光
    Jw茨而面第2の電極を設けてなることを特徴とする発
    光素子。
  2. (2)  第1の非晶質半導体薄膜は水素を含む非晶質
    炭化ケイ素であシ、第2の非晶質生得体膜は水系を含む
    非晶質ケイ素である特許請求の範囲第1項記戦の発光素
    子。
  3. (3)発光層の最上層および最下層を除く第1の非晶質
    半導体薄膜の膜厚を100〜100OXとし、量子ウェ
    ル部となる第2の非晶質半導体薄膜の膜厚を10〜10
    0Xとした%許詞求の範囲第1項記載の発光素子。
  4. (4)第1および第2の非晶質半導体薄膜はケイ素を含
    む原料ガスの分解によp堆積したものである特許請求の
    範囲第1項記載の発光糸子。
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