JPS60111480A - 薄膜発光素子 - Google Patents

薄膜発光素子

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JPS60111480A
JPS60111480A JP58218587A JP21858783A JPS60111480A JP S60111480 A JPS60111480 A JP S60111480A JP 58218587 A JP58218587 A JP 58218587A JP 21858783 A JP21858783 A JP 21858783A JP S60111480 A JPS60111480 A JP S60111480A
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JP
Japan
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film
amorphous semiconductor
thin film
light
sic
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JP58218587A
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English (en)
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Yasuto Kawahisa
川久 慶人
Hiroshi Ito
宏 伊東
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/34Materials of the light emitting region containing only elements of group IV of the periodic system
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier

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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、ケイ素を含む非晶質半導体薄膜を用いたt場
発光型の発光素子に関する。
〔従来技術とその問題点〕
禁制帯幅の異なるケイ素を含む非晶質半導体薄膜を交互
に積層して量子井戸を形成した発光層を有する、電場印
加によって発光を呈する発光素子は、従来の薄膜発光素
子に比べて、低電圧、駆動が可能であり。高輝度特性を
有するといった特徴を有していることが当発明者らによ
り示された特願昭58−56171゜ 低電圧駆動、高輝度特性を有する理由としては、禁制帯
幅の異なる非晶質半導体層界面において、非常に強い電
界領域が生じ、キャリアが強く加速され、電子なだれ増
倍効果が強調されるだめと考えられる。しかし、禁制帯
幅の広い非晶質半導体薄膜を炭素、ケイ素、幹よび水素
含む非質晶炭化ケイ素膜で形成し、禁制帯幅の狭い非晶
質半導体薄膜として、水素を含む非晶質ケイ素膜で形成
した場合は、輝度が比較的小さかった事、また、可視領
域全体にわたった白色発光が得られないといった問題が
あった。この原因としては、発光層の発光効率が不十分
であること、および禁制帯幅の狭い非晶質半導体層の禁
制帯幅が可視領域にないだめと考えられる。
〔発明の目的〕
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、炭素、ケイ素
、酸素、水素を含む非晶質半導体薄膜を用いて、高輝度
で可傾領域全域にスペクトルを有する発光が得られる構
造とした発光素子を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明は、禁制帯幅の異なる2種の非晶質半導体薄膜を
交互に積層して量子井戸を形成した発光層を用いた発光
素子の改良に関するものである。
即ち第1の電極が形成された基板上に禁制帯幅F1なる
炭素、ケイ素、酸素、および水素を含む第1の非晶質炭
化ケイ素膜で禁制帯幅E’2 (ただしEl〉E2)な
る炭素、ケイ素、水素を含む第2の非晶質炭化ケイ素膜
をはさんだ構造を単位発光層としてこれを一層以上積層
し、この発光層表面に第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、室温において司視光領域全域にスペク
トルを持つ高輝度白色発生を呈する、発光素子が得られ
る。量子井戸となる第2の非晶質半導体薄膜として、炭
素、ケイ素、水素を含む非晶質炭化ケイ素膜(a−31
C4() 、バリア部となる。
第1の非晶質半導体薄膜として、炭素、ケイ素、酸素、
水素を含む非晶質炭化ケイ素膜(a−8ic−O−H)
を用い、これらをブ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。この際量子井戸部となるa−81
c=HIIl(f to〜1ooX 、バリア部となる
a −8iC()=H膜を100〜toooX程度堆積
すると優れた量子効果が得られる。即ち量子井戸部の禁
制帯幅はE 2 = 2.8 e V、バリア部の禁制
帯幅は5eV以上であり、量子井戸部とバリア部の遷移
領域を10Xとすると遷移領域での電界強度は1.1刈
07V/rn以上にも達する。この値は、量子井戸部に
a−8i =H膜を用いた場合に比べ倍以上大きく、伝
導帯、低電子帯を走行するキャリアは強く加速さえ、電
子なだれ増倍効果がさらに強調され、発光に必要な電圧
をさらに低減する事が可能となる。
また、量子井戸となる非晶質半導体層の禁制帯幅が、2
BeVと可視光エネルギー領域にあり、そのフォトルミ
ネッセンス効率がa−8f=Hに比べ1ケタ以上高いた
めに、量子井戸部にa−8+=Hを用いた場合よシもさ
らに発光輝度が高くなり、しかも可視領域全域にスペク
トルを持つ白色発光が得られる。
〔発明の実施例〕
以下本発明の詳細な説明する。第1図は、1実施例の発
光素子の断面構造を示す、11は、ガラス基板であり、
この上に第1の電極として透明導電膜(Sn02. I
n2O3,In20a−8n02等)を用いた透明電極
12が形成されて、この上にY2O3等の強誘電体膜1
3を介して量子井戸構造を形成する。炭素、酸素、ケイ
素、水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Y2O
3等の強誘電体膜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等を用いた場合には、上面の第2
の電極および強誘電体膜を透明材料で形成すれば良い。
発光層14は、第1の非晶質半導体膜として、a−8j
 C=O=H,第2の非晶質半導体膜としてa −8i
 C=Hを用いた積層構造であって、第2図(alに示
すとおシである。即ち、まず基板側にa−8iC=O=
H膜14a1を500〜2000X形成し、この上に、
a 5IC=H膜14blをd1=10〜100Xの厚
さに、続いてa S tc=o=HM14.zをd2=
100〜1000Xの厚さに形成し、以下同様の繰返し
でa −81c=H(14B a、 14a 4.−)
/a −81c=H(14b2:14ba、 ”’14
bn−1)の積層構造を得る、最上層のa−S+C=0
=H膜14 a n ii: tjl 下Ml (!:
 同様K 50O−2000X (!: f ル。
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fblに示すようになる。
このような発光層14のグロー放電分解による形成方法
を第3図を参照して説明する。原料ガスAは、a −8
i C=O=H膜形成用のReをキャリアガスとすると
テトラメチルシランと酸素ガスの混合ガスであり、原料
ガスBはa−8iC=H膜形成用のHeをキャリアガス
とするテトラメチルシランである。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に供給される様にな
っている。まず反応チャンバ22内の基板ホルダ23に
、ガラス基板上にITO膜とY2O3膜をEB熱蒸着よ
り)それぞれ300’0λ形成した基板24をセットす
る。この後排気系25を用いてチャンバ22内を1xt
o−a Torr以下の真空まで排気し、基板24をヒ
ーター26により所定温度に加熱し、原料ガスAをチャ
ンバ内22に流す。この時本実施例ではチャンバ内圧力
をITo r r基板温度を350℃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4SCCM
、酸素ガスの量として2 SCCMとしだ。
チャンバ2泊が定常状態になった後、高周波電漱7から
電力を印加すると、テトラメチルシラン+酸素ガスがグ
ロー放電により分解し基板24士にa−8iC=0=H
膜が堆積される。この時の高周波電力の密度は本実施例
では、0.3W/dとし、第1層のfi’−4sic=
0=H膜をtoooX形成した。
この後、放電を停止し、原料ガスへの供給も停止して、
再びチャンバ22内を十分に排気する。そして原料ガス
Bをチャンバ22内に供給し、チャンバ内圧力1.OT
o r r 、テトラメチルシランに′jit4scI
CM、となる様に調整し、この後放電を起こして、量子
井戸部となるa−8iC=H膜を10〜1ooX堆積す
る。
この際の基板温度は350℃、印加電力は0.3W/m
である。
また本実施例ではa−8iC−H膜f:30Xの厚さと
した。
次に再び放電を停止し、パルプ操作を行なった後、原料
ガスAを用いて、前記と同様の条件でa −S i C
=O=H膜を100〜1000X堆積する。本実施例で
は100筋した。
以下同様の操作を繰繰返して、10層のa−8iC=H
膜(厚さ30X)と11層のa −S i C=O=H
)iN (最下層、及び最上層が1000人それ以外は
1ooX)を交互に積層した発光層を得た。
発光層最上部の絶縁膜15、第2の電極16として本実
施例ではEB熱蒸着よる3 000XのY2O3FIL
 2μmのAI!膜をそれぞれ形成した。
こうして得られた発光素子は、交流電界の印加により、
高輝度で、可視光領域全域にわたるスペクトルを有する
白色発光特性を示す。即ち、発光層には素子に印加した
交流電圧による外部電界の他に第4図に示すエネルギー
バンド図から明らかな様に、a −8i C=0;H膜
とa−8iC=H膜の遷移領域(〜l0X)のバンドエ
ツジの差により局所的かつ周期的に約1×107v/c
rnの強電界が形成される。
この結果、電子なだれ増倍効果が強調され、高輝度な発
光特性が得られる。また、本実施例に示した素子は、量
子井戸となる非晶質半導体層が禁制帯が2.8eVと可
視光エネルギー領域にあり、また発光効率がa−8l=
I[りも1ケタ以上大きい、テトラメチルシランのグロ
ー放電分解により形成されるa−8iC=H膜を用いて
いるだめに、量子井戸部にa−8i=H層を用いた発光
素子に比べ、その発光スペクトルは、可視領域全域にわ
たり、しかも高輝度であった。
上記実施例においては、バリアとなる層を形成する際テ
トラメチルシラン流量を48CCM酸ガス流量を28C
CMとして膜中の酸素濃度0/S i +C+O=0.
3なるa −S i C=O=H膜を形成した場合を示
したが、バリア層となるa −8I C=0=H膜中の
酸素膜度は、0.2<O/S i +C+O<O16の
範囲内にあれば良い。膜中の酸素濃度を変える場合には
、原料ガス膜中のテトラメチルシランと酸素ガスの流量
比を変えれば良い。
また量子井戸となる層を本実施例においては、テトラメ
チルシランのみで形成し九a−8iC=H膜を用いてい
るが、膜中の酸素濃度o、、’si+C+Q値がO<0
/S i +C+Os:0.z t・ノ範囲にあっても
、本実施例と様な効果が期待できる。その場合は、本実
施例で示したバリア部となるa −8i C=0=H層
の形成方法と同様に、テトラメチルに酸素ガスの混合ガ
スを原料ガスBとして用いれば良い。だだ本実施例に示
したのと同様な効果を得るためには、量子井戸を形成す
る非晶質半導体層と、バリア部を形成する非晶質半導体
層の禁制帯幅のエネルギー差を0.8eV以上としなけ
ればならない。
本実施例においては、非晶質半導体層を形成する際の印
加電力、ガス圧力、基板温度を、それぞれ0.3W/m
、1.0Torr、 350℃としたが、それらは、0
.1〜0.5W/cd0.ITorr〜5Torr、 
RT (室温)〜500℃の範囲にあれば良い。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の1実施例の発光素子を示す断面図、
第2図+a+、(blはその発光層の積層構造拡大図と
エネルギーバンド図、第3図はグロー放電分解による膜
形成装置を示す図、第4図は前記発光層の電圧印加時の
エネルギーバンド図である。 図において、 11・・・透明基板、12・・・透明電極、13.14
・・・強誘電体膜、14・・・発光層、14a+、 1
4a2−−14an−−a−81c=o=H(第1の非
晶質半導体膜) N 14b+、 b2−14bn−1
・・−a−8iC==H(第2の非晶質半導体膜)。 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 (その他1名) (ム LJJ LtJ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)電場を印加して発光を呈する薄膜発光素子に於い
    て、禁制帯幅E1なる第1の非晶質半導体薄膜と禁制帯
    幅E、±(ただしEl >E2 )なる第2の非晶質半
    導体薄膜を積層して内部に少くとも一つの量子ウールを
    形成した発光層を用い、かつ前記第1の薄膜がケイ素、
    水素、酸素、炭素を含む非晶質半導体薄膜から構成され
    、前記第2の薄膜はケイ素、炭素、水素を含む非晶質半
    導体薄膜から構成されたことを特徴とする薄膜発光素子
  2. (2)第1の非晶質半導体薄膜は、テトラメチルシラン
    と酸素の混合ガスのグロー放電分解により堆積したもの
    であり、第2の非晶質半導体薄膜はテトラメチルシラン
    、あるいはテトラメチルシランとシランのグロー放電分
    解により堆積したものである前記特許請求の範囲第1項
    記載の薄膜発光素子。
  3. (3)第1の非晶質半導体薄膜は、テトラメチルシラン
    と酸素の混合ガスの光CVD法により堆積したものであ
    シ、第2の非晶質半導体薄膜はテトラメチルシラン、あ
    るいはテトラメチルシランとシランの光CVD法によシ
    堆積したものである〜ぜ右記特許請求の範囲第1項記載
    の薄膜発光素子。
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