JPS6247171A - 発光素子 - Google Patents

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、光源或いは表示に使用される発光素ｒに関す
る。

〔従来の技術〕

従来、発光素子の発光層を構成する材料としては、種々
のものが報告されているが、その中でも例えばＡｐｌ）
１．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　２９（＋９７６）、Ｐ
Ｐ８２（ｌＪ２２　。

Ｊ、１．Ｐａｒ＋ｋｏｕ、ｌ）、Ｅ、Ｃａｒｌｓｏｎ　
、やＪｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、２＋（＋９８２
）ＰＰ４？３−４７５　、に、　Ｔａｋａｈａｓｈｉ他
、に記載されている水素原子を含む非単結晶シリコン（
以後、ｒ　ｎｏｎ−Ｓｉ　：ＨＪ　と記す）は、中結晶
シリコンと同様の゛Ｖ導体■゛学の適用が可能であるこ
と、及び潜在的特性に優れたものがあるｎ（能代がある
こと等の為に注目されている材ネ４の１つである。

ｌ−記引用文献に記載されたｎｏｎ−５ｉ：Ｈを発光材
籾に用いた発光素子の構成は、Ｐ型不純物を含有するＰ
型伝導層（Ｐ層）と、Ｐ型及びＮ型のいずれの不純物も
含有しない層（ノンドープ層）と、Ｎ型不純物を含有す
るＮ型伝導層（Ｎ層）とを積層したホモ接合を有する。

〔解決しようとする問題点〕

しかしながら、この様な構成の従来報１１１されている
発光素−ｒでは、１−分な発光ｊ−の１１ｒ視光領域の
発光が１１られておらず、加えて発光強度が弱く、寿命
も短い、発光４￥Ｐ１の安定性に欠けると実用的には改
良すべき点の多くを残している。ト記改良案の１つとし
て、ｎｏｎ−８ｉ　：Ｈに炭素原−ｆを加えて。

光学的バンドギャップを拡大し、可視波長領域の発光を
ｉ＋＋る試みもなされているが、実用的には未だ問題を
残しており、光源素子や表示素子としては、未だ工業化
されるには至っていない。

〔■　的〕

本発明は、１−記従来の欠点を改良した発光素ｒ＝を提
供することを主たる目的とする。

本発明の別の目的は、可視波長領域に充分な発光ｊ事を
４１し、発光効率と再現に１の向１．をＡ１つだ発光素
ｒ−を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、発光４￥Ｐ１の安定に１と
ノを命を飛躍的に向１．させた発光素−ｒを提供するこ
とである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の発光素子は水素原子を含む非中結晶シリコンで
構成された層が少なくとも２層以上積層され、ホモ接合
を有する発光層と、該発光層に′心気的に接続された少
なくとも・対の電極とを有し、前記Ｊｌ中結晶シリコン
層の光学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上で１１つ局
在準位密度がミツトギャップで１０１６ｃｍ−３・ｅＶ
−’以ドである−・ハを特徴とする。

〔作　用〕

未発明の発光素子は、１−記の構成とすることによって
　ＥＩｆ視波長波長領域光ピークを有すると共に充分な
発光層を得、発光効率と再現性を高めることが出来、発
光特性の安定性と寿命を飛躍的に向卜させることが出来
る。

以下、本発明を図面に従って具体的に説明する。

第１図は、本発明の発光素子の好適な実施態様例の層構
成を示す模式的層構成図である。

第１図に示される発光素子は、基板１０１Ｈに設けられ
た電極１０２上に、Ｐ型伝導層１０３．Ｔ型伝導層１０
４及びＮ型伝導層１０５とから成る発光層、該発光層り
に設けられた電極１０６とで構成されている。

第１図に示す発光素子を面状発光素子として使用する場
合には、電極１０２又は／及び電極１０６は発光色の色
までも利用するのであれば、透明であることが必要であ
り、発光酸を利用するのであれば、発光する光に対して
透光性であるのが望ましい。電極１０２側より発光々を
取り出す場合には、基板１０１は電極１０２と同様透明
であるか若しくは発光する光に対して透光性であること
が望ましい。

本発明において、発光層は、ｎｏｎ−９ｉ　：Ｈで構成
される。

発光層中に含有される水素原子（Ｉ（）は、シリコン原
ｆの自由ダングリングボンドを補償し、その含有品は形
成される層の半導体特性、光学的特にＩ、及び素子の発
光層Ｍを左有する重要因子であって、本発明においては
、水素原子（Ｈ）の含有けは好適にはシリコン原子に対
して０．１〜４０原了％、より好適には０．５〜３５原
子％、最適には１〜３０原子％である。

発光層を構成するＰ型伝導層１０３及びＮ型伝導層１０
５は、層形成する際にＰ型伝導特性を榮えるＰ型不納物
或いはＮ型伝導特性をｔえるＮ型不純物を夫々含有する
か或いは既にｎｏｎ−Ｓｉ：Ｈで構成された層中に、Ｐ
型又はＮ型の不純物をイオンインプランテーション法等
の手段で注入してやれば良い。

Ｐ型不純物としては、所謂周期律表第置数に属する原子
（第璽族原子）、即ちＢ（硼素）　　、Ａ！；Ｌ（アル
ミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、
Ｔｅ（タリウム）等があり、殊に好適に用いられるのは
、Ｂ、Ｇａである。

Ｎ型不純物としては、周期律表第Ｖ族に属する原ｒ（第
Ｖ族原子）、例えばＰ（燐）　、Ａｓ　（砒素）、Ｓｂ
（アンチモン）　　、Ｂｉ　　（ヒスマル）等であり、
殊に、好適番こ用いられるのはＰ、Ａｓである。

これ等の不純物は、形成される層の電気伝導性＋１、ミ
ツドギャップでの局在準位密度等を考慮して、適宜所望
に従ってその含有にが決定される。

本発明においては、光ＣＶＤツノ、（光エネルギーを反
応に利用した化学的気相状による堆積膜形成法）の採用
により前述の構成なｔえることが出来るものであり、前
記の不純物を導入する為の原料物質も光ＣＶＤ法に適合
するものを選択して使用するのが９ましい。

Ｎ型伝導層１０４は、所謂真性の半導体性＋１を示す層
で、ｎｏｎ−９ｉ：Ｈで構成される層は、その一般的傾
向より所謂Ｐ型又はＮ型の不純物を含有しない場合には
僅かにＮ型傾向を示すので、Ｎ型伝導層とするには、僅
かにＰ型不純物を含有させる。

Ｎ型伝導層１０４は、発光特性は俤かに低下はするか、
Ｐ型父はＮ型の不純物を含有しない所謂ノンドープ層と
することも出来る。

又、第１図に示す発光素子の場合、発光層は基体１０１
側よりＰ型、Ｎ型、Ｎ型の層構成としたが、本発明の場
合断かる積層順には限定される８星はなく、基体１０１
側より順にＮ型、■型、Ｐ型の層構成とされても良い。

第２図には、本発明の発光素子の別の好適な実施態様例
の層構成の模式図が示される。

第２図に示す発光素子は、第１図に示す発光素子−とは
、Ｎ型伝導層を有していない以外は、同様の層構成であ
り、所謂Ｐ−Ｎ接合を利用する発光素ｒである。

即ち、第２図に示す発光素子は、基体２０１１−にＦ部
電極２０２．Ｐ型伝導層２０３　、Ｎ型伝導層２０４　
、　Ｉ−都電Ｊ４＋２０５の構成とされている。

第２図に示す発光素子の場合も、第１図に示す発光素ｆ
と同様、Ｐ型伝導層２０３及びＮ型伝導層２０４の積層
順は、ｌ記の説明に限定されるものではなく、逆の積層
順としても差支えない。

本発明の発光素子は、ｎｏｎ−８ｉ：Ｈで構成される、
Ｐ型伝導層、■型伝導層、Ｎ型伝導層、或いは不純物を
含有しない層（ノンドープ層）を適宜所望に従って組合
せて積層することにより発光層が層構成されるものであ
り、発光層を挟持して設けられる一組の対向電極に順バ
イアス電圧を印加してＰ型伝導層より電子（エレクトロ
ン）を、Ｎ型伝導層より止孔（ホール）を、Ｎ型伝導層
又はノンドープ層、或いはＰＮ接合付近の空間電荷層領
域中に注入して再結合させることによって発光させる。

その際、本発明においては、可視域の発光波長を得る為
に、ｎｏｎ−９ｉ：Ｈから成る発光層を構成する基層の
光学的バンドキャップＥｇｏｐｔは、２゜ＯｅＶ以上と
される。

発光層を構成する各層は、光学的バンドギャップの中心
（ミツドギャップ）での局在準位密度は、１０１６ｃｍ
−３＊　ｅ　Ｖ−３以下、好適には１０　”　ｃｍ−３
＊　ｅ　Ｖ−’とされる。

この様に、各層の物性値を制御することによって、再結
合の効率を飛躍的に向上させることが出来、従って発光
効率の向トを工することか出来る。

ヌ１発光層の外部縫ｆ〜効率を１０憎％以上になる様に
再結合の準位の分布を制御することによって、高い強度
の発光を示す発光素子を１？ることか出来る。

１、述した様な４’ｔ　＋’ｔを有する発光素子は、前
記した様に光ＣＶＤ法によって後述の条件で作成される
のが望ましい０本発明の発光素子の作成法は、本発明の
目的が達成されるのであれば、光ＣＶ　Ｄ　１１、に限
定されるものではなく、適宜所望の条件に設定して、例
えばＨＯＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等によって成
されても良い。

本発明の発光素子を構成する基体及び電極を構成する材
ネ４としては１通常発光素子分野において使用されてい
る材料の殆んどを挙げることが出来る。

基体としては、導電性でも電気絶縁性であっても良いが
、比較的耐熱性に優れているのが望ましい。

導電？１基体の場合には、基体と発光層との間に設けろ
ねる電極は、必ずしも設ける必要はない。

導−１ｔｔＭ基体と１．では、ＮｉＣｒ、ステンレス。

ＡＭ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ笠を挙
げることが出来る。

電気絶縁Ｐｌ基体としては、ポリエステル、ポリエチレ
ン、ポリカーボネイト、ポリアミド、等ノンの合成、樹
脂のフィルム、父はシート、或いはガラス、セラミック
ス、等々を挙げることが出来る。

基体として′心気絶縁に１のものを採用する場合には、
発光層との間の電極として、その表面が導電処理される
。

例えば、ガラスであれば、その表面に、ＮｉＣｒ、Ａｆ
ｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｔｒ。

Ｎ　ｂ　、　Ｔ　ａ、　、　Ｖ　、　Ｔ　ｉ　、　Ｐ　
ｔ　、　Ｐ　ｄ　、　Ｉ　ｎ　、Ｏ：＜５ｎＯ６，ＩＴ
Ｏ（Ｔ　Ｈ７０、＋５ｎＯ２）等から成る薄膜を設ける
ことによって導電性が付ダされ、或いはポリエステルフ
ィルノー等の合成樹１１’ａ−ｙイルムであれば、Ｎｉ
Ｃｒ、ＡＱ、Ａｇ。

Ｐｂ、Ｚｎ、Ｎｉ　　、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｉｒ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ　、Ｐｔ等の金属の薄膜を真空ノ
に着、゛市ｒビーｔ、　７１着、スパッタリング等でそ
の表面に設け、又は前記金属でその表面をラミネート処
理して、その表面に導電性が４□Ｊ　’ｊされる。

未発明の発光素子の作成方法の旦体例を光ＣＶＤ法な用
いて以下に説明する。以下に説明される作成１段及び作
成条件は、好適な例を示すもので。

本発明を限定するものでないことは云うまでもない。

まず、基体として、ガラス基板（Ｃ井７０５９）を用い
て、その１．に導電＋１１層として６００人厚のＩＴＯ
層をスパッタリングにより形成する。膜の抵抗値として
は約５０Ω／口とする０次に１．記導電に１↓（体３を
、第３図に示す様な光ＣＶＤ装置の基体ホルダー２に設
置し、まずポンプ１２で真空に排気する。真空度が約ｌ
Ｘｌ０−６以下になったところで、基体ホルタ−２の温
度を１−げ、基体温ＩＷを所望に従って設定する。本発
明においては、基体温度としては、好適には一２０°Ｃ
−１２０℃である。

次にジシランガス等の高次のシランガス及び必要に応じ
て不純物導入用のガス（Ｂ２Ｈ６、ＰＨ１等）を６．７
，８．９のポンベ、６ｂ〜９ｂのフローメーターを用い
て反応槽に流入する。この１１７Ｈ，、Ａｒ、Ｈｅなと
のカスを同時に流入１．でもよい。

次に反ｌｘ、；槽ｌ、部より低圧水銀灯を用いて１８５
ｎＩ１１の光を基板ｌ−で約５−５０　ｍＷ／　ｃｍ２
の強度で照射し、膜を堆積する。

Ｐ？ｊ、Ｎ型の伝導層を形成するためには、前記シリコ
ン系のガスと同時にＰ型の場合にはＢ２Ｈも等のガスを
Ｈ２、Ａｒなどのガスと混合して濃度を調整して反応槽
に流入する。又、Ｎ型の場合にはＰＨ，、、ＡｓＨ，、
笠のガスをＨ，、Ａｒのガスど混合１７て反応槽に流入
する。カスの流入の後、Ｉにカを調整し、ガスに光を照
射１．て分解し膜を堆積する。Ｐ型伝導層、■型伝考層
、Ｎ型伝導層の厚さとしては、好適にはそれぞれ１００
人〜１５００人、１０００人〜８０００人、１００人〜
１５００人とされるのが望ましい。これらの膜厚の制御
は光強度及び光照射時間を変化きせて行う。

前記の発光素子の発光層を構成する各層の光学的・久ン
ドギャップは吸収係数αを測定し、αｈνとｈνの関係
より、局在準位密度はＦＥ法より、又ｌｌ１１′効率は
タイオードの発尤特＋１（渦電依存に１石）より求める
ことが出来る。

実施例１ 基体としてＩＴＯ基板を用いて、基板温度４５℃で股を
作成した。Ｐ型仏導層はＨ７Ｈ６／Ｓ　ｉ、Ｈ，、＝’
ｔ　ｏ−２の論品比で、総流星１２０ＳＣＣＭ（水素粕
釈）、■型伝導層はＳｉ、Ｈ。

を１１００５ＣＣのＭｆＭで反応槽に導入し、圧力０、
ＩＴｏｒｒ、光強度４０　ｍＷ／　ｃａ２ｃ７）条件で
反＋４’、；　’Ｓせて夫々の層を作成した。この際の
Ｐ型伝導層の膜厚は４００人、Ｉ型伝導層は２０００人
、Ｎ型伝導層は６００人であった。

発光層のＬ部表面にＡｆｌを１０００人厚蒸ｎし、１、
部’ｉｌｔ極と゛した。作成した素子の構成は、第１図
と同様である。得られた発光素子は白色の発光を示し、
その光学的バンドギャップ、局在準位密度、皐ｆ効率と
発光強度の関係が表１に示される。

実施例２ 実施例１と同様の装置、同様の条伯で基板温度のみ２０
°Ｃに設定して各膜を堆積した。

Ｐ型伝導層の膜厚は８００人、■型伝導層は３５００人
、Ｎ型伝導層は７００人であった。得られた発光素子は
白色の発光を示しその特性を表１に示す。

実施例３ 実施４例２と同様の装置で、対応する層の作成条！１は
同様の条件として、Ｐ型伝導層の膜厚を１５００人、Ｎ
型伝導層の膜厚を１５００人とした第２図に示す様な構
造の白色光発光の発光素子を作成した。＾ｌｆｔ定され
た素子の特性を表１に示す。

以Ｈの実施例１〜３より本発明の発光素子は、従来のｎ
ｏｎ−９ｉ：Ｈを用いた発光素子がＦｑ視の領域での発
光量が小さく、強度も低いのに比較し、より高い強度の
白色発光がずすられることがわかった。

又、各実施例における発光素子に就て、寿命を測定した
ところ、従来の発光素子番こ較べて−・桁高いｌｊ命を
示し、再現性の点でも良好で■つ発光特性は寿命測定に
おいて常に安定していた。

表１ 〔効　果〕 ト述した様に、本発明の発光素子は、可視波長領域に発
光ピークを有すると共に、充分な発光量を得、発光効率
と再現性を高めることが出来、発光特性の安定性と寿命
を飛翔的に高めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明の発光素子の好適な実施態
様例の層構成を示す模式図、第３図は本発明の発光素子
を作成する為の装置の一例を示す模式図である。 １０１．２０１−−−一基体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）水素原子を含む非単結晶シリコンで構成された層
   が少なくとも２層以上積層され、ホモ接合を有する発光
   層と、該発光層に電気的に接続された少なくとも一対の
   電極とを有し、前記非単結晶シリコン層の光学的バンド
   ギャップが２．０ｅＶ以上で且つ局在準位密度がミツド
   ギャップで１０＾１＾６ｃｍ＾−＾３・ｅＶ＾−＾３以
   下である事を特徴とする発光素子。
2. （２）前記発光層はＰ型伝導層とＮ型伝導層とが積層さ
   れた層構成を有する特許請求の範囲第１項に記載の発光
   素子。
3. （３）前記発光層はＰ型伝導層と、Ｐ型及びＮ型の不純
   物を含有しない層と、Ｎ型伝導層とが積層された層構成
   を有する特許請求の範囲第１項に記載の発光素子。
4. （４）前記発光層はＰ型伝導層と、Ｉ型伝導層と、Ｎ型
   伝導層とが積層された層構成を有する特許請求の範囲第
   １項に記載の発光素子。
5. （５）発光層の量子効率が１０＾−＾４％以上である特
   許請求の範囲第１項に記載の発光素子。