JPS6248081A - 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、Ｏ，Ａ機器等に使用される光源或いは表示に
使用される発光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、発光素子の発光層をａ成する材料としては、種々
のものが報告され℃いるが、その中でも例えばＡｐｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　２９（１９７８）、ＰＰ
８２０−６２２゜Ｊ、１．Ｐａｎｋｏｕ、Ｄ、Ｅ、Ｃａ
ｒｌｓｏｎ　、やＪｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ＋２
１（１９８２）ＰＰ４７３−４７５　、に、Ｔａｋａｈ
ａｓｈｉ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−９ｉ　：ＨＪ　と記す）
は、単結晶シリコンと同様の半導体工学の適用が可能で
あること、及び潜在的特性に優れたものがある可能性が
あること等の為に注目されている材料の１つである。

上記引用文献に記載されたｎｏｎ−５ｉ　：Ｈを発光材
料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）とを蹟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告されている発
光素子では、十分な発光層の可視光領域の発光が得られ
ておらず、加えて発光強度が弱く、寿命も短い、発光特
性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。上記改良案の１つとして、ｎｏｎ−９ｉ　
：Ｈに炭素原子を加えて、光学的バンドギャップを拡大
し、可視波長領域の発光を得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、Ｏ，Ａ機器等に使用
される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。

〔目　的〕

本発明は、上記従来の欠点を改良した発光素子を提供す
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量を有
し、発光効率と再現性の向上を計った発光素子を提供す
ることである。

本発明のもう１つの目的は、発光特性の安定性と寿命及
び環境特性を飛躍的に向上させた発光素子を提供するこ
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弗素原子を含む非単結晶シリコンで
構成された発光層と、該発光層を挟持する一対の電気的
絶縁層と、これ等の発光層と絶縁層とを挟持し電気的に
接続された少なくとも一対の電極とを有し、前記発光層
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１０１６Ｃｆｆｌ−３・ｅＶ
−’以下である事を特徴とする。

〔作　用〕

本発明の発光素子は、上記の構成とすることによって、
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５発光特性
の安定性と寿命及び環境特性を飛躍的に向上させること
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、基体１０１上に設けられ
た下部電極１０２上に、下部電気的絶縁層１０３１発光
層１０４及び上部電気的絶縁層１０５、該絶縁層１０５
−ヒに設けられた上部電極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、発光量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、基体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、弗素原子（Ｈ）を含み、必
要に応じて水素原子（Ｈ）を含む非単結晶シリコン（以
後、ｒ　ｍａｎ−Ｓｉ：Ｆ（Ｈ）　Ｊと略記する）で構
成される。

発光層中に含有される弗素原子（Ｆ）は、シリコン原子
の自由ダングリングボンドを補償し、その含有量は形成
される層の半導体特性、光学的特性、及び素子の発光特
性を左右する重要因子であって１本発明においては、弗
素原子（Ｆ）の含有量は好適にはシリコン原子に対して
５原子ＰＰＭ〜２５原子％、より好適には１０３７子Ｐ
ＰＭ〜２０原子％、最適には５ｏ原子ＰＰＭ〜１５原子
％である。

必要に応じて含有される水素原子（Ｈ）の含有量は、弗
素原子（Ｆ）の含有量との関係及び素子に要求される素
子特性に応じて適宜所望に従って決定されるが、好適に
は０．０１〜３５原子％。

より好適には０．１〜３０原子％、最適には１〜３０原
子％とされる。又、弗素原子（Ｆ）と水素原子（Ｈ）の
総和量は、最大４０原子％を越えない様に夫々の原子が
層中に含有されるのが望ましい。

本発明においては、光ＣＶＤ法（光エネルギーを反応に
利用した化学的気相法による塩８１膜形成法）の採用に
より前述の構成を与えることが出来るものであり１発光
層を形成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望ましい。

発光層１０４は、ｎｏｎ−Ｓｉ　：Ｆ（Ｈ）で構成され
るものであるが、好ましくは所謂真性（Ｎ型）の半導体
特性を示す層として作成されるのが望ましい。

ｎｏｎ−９ｉ　：Ｆ（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１発光層１０４を丁型伝
導層とするには、僅かにＰ型不純物を含有させる。

発光層１０４は、発光特性は僅かに低下はするが、Ｐ型
又は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。

発光層１０４を丁型伝導層とするには、層形成する際に
Ｐ型伝導特性を与えるＰ型不純物を含有させるか或いは
既にｎｏｎ−３ｉ：Ｆ（Ｈ）で構成された層中に、Ｐ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■族に属する原子
（第■族原子）、即ちＢ（硼素）、ＡｆＬ（アルミニウ
ム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、ＴＪｌ
（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。

電気的絶縁層１０３，１０５を構成する材料としては、
電気的に良好な絶縁特性を有し、発光層１０４での発光
々を効率良く外部に取り出すのに悪影響を与えないもの
で、成膜が容易なものであれば大概のものを採用するこ
とが出来る。

絶縁層１０３．１０５のいずれか一方は、発光々を外部
に取り出す為に、発光々に対して透明性である必要があ
る。絶縁層１０３，１０５を構成する材料として、本発
明において、好適に使用されるのは具体的にはＹ２０３
　、Ｓ　ｉ０２　　。

非晶質の酸化シリコン（ａ−ＳｉｘＯｌ−ｘ但し、０＜
ｘ＜１）、ＨｆＯ２、Ｓｉ３　Ｎ４　、非晶質の窒化シ
リコン（ａ−３ｉｙＮ１−ｙ但し。

ｏ＜ｙ＜ｔ）、Ａ文２０３　、　Ｐ　ｂＴ　ｉ　０３　
、非晶質ｃ７）ＢａＴｉ０３　、Ｔａ、、ｏ、、等を挙
げることが出来る。

第２図には、本発明の発光素子の別の好適な実施態様例
が示される。

第２図に示す発光素子は、その構造は基本的には第１図
に示す発光素子と同様である。

第２図に示す発光素子は、ガラス等の透明な基体２０１
上に、順に透明電極２０２．下部絶縁層２０３９発光層
２０４．上部絶縁層２０５．金属電極２０６が積層され
た層構造を有し、電極２０２及び金属電極２０６には夫
々パルス状の又は鋸歯状の高周波高電界を印加する為の
電源２０７の接続端子が電気的に接続されている。

第２図に示す発光素子の場合、高周波電源２０７によっ
て高周波電界が印加されると１発光層２０４より発光が
起こり１発光した光は絶縁層２０３、透明電極２０２．
基体２０１を透過して外部へ放出される。

本発明の発光素子は、可視域の発光波長を得る為に、発
光層の光学的バンドギャップＥｇｏｐｔは、２．０ｅＶ
以上とされる。

又、発光層の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、１Ｏ１６０菖−３１１ｅＶ
”以下、好適には１０１５ｃｍ−３１０ｌ５’とされる
。

この様に、発光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
光効率の向上を計ることが出来る。

又、発光層の外部砥子効＊を１０−４％以上になる様に
再結合の準位の分１．ｓ　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得ることが出来る。

上述した様な特性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ＣＶＤ法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を構成する材料として
は、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。

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

導電性基体としては、ＮｉＣｒ、ステンレス。

ＡＭ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ等を挙
げることが出来る。

電気絶縁性基体としては、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、等々の合成樹脂のフ
ィルム、又はシート、或いはガラス、セラミックス、等
々を挙げることが出来る。

基体として電気絶縁性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、ＡＭ
、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｉｒ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ２Ｏ３゜５ｎ
０２　、ＩＴＯ（Ｉ　ｎ２０３　＋５ｎ０２　）等から
成る薄膜を設けることによって導電性が付与され、或い
はポリエステルフィルム等の合成樹脂フィルムチあれば
、Ｎ　ｔ　Ｃｒ　、　Ａ　ｆＬ　、Ａ　ｇ　＊Ｐｂ、Ｚ
ｎ、Ｎｉ　、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｉｒ。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ　、Ｐｔ等の金属の薄膜を真空蒸
着、電子ビーム蒸着、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
の表面に導電性が付与される。

次に本発明の発光素子を作成する場合の例を第３図の光
ＣＶＤ装置を以って説明する。

光ＣＶＤ法の場合に使用される発光層を形成するための
原料ガスなる原料物質としては、ＳｉＦ４　、Ｓｉ２Ｆ
６　、ＳｉＨ２Ｆ２等の弗素化シランガス、及び必要に
応じて一般式％式％） れる環状水素化ケイ素化合物、Ｓｔ　ｎＨ２ｎ＋２（ｎ
　＝　２、−−−−）で表わされる直鎖状又は分岐を有
する鎖状水素化ケイ素化合物などが使用される。

また、Ｅ記の発光層を形成する原料物質は、２種類以上
を併用してもよいが、この場合、各化合物によって期待
される膜特性を平均化した程度の特性、ないしは相乗的
に改良された特性が得られる。

また、上記の原料物質のガスに水素ガスや弗素ガスを混
合して使用しても差支えない。

前記発光層形成用の原料物質のガスは、光エネルギー又
は比較的低い熱エネルギーの付与により容易に化学反応
を起こして良質なシリコン堆積膜を形成することができ
、またこれに際し、基体温度も比較的低い温度とするこ
とができる。また、励起エネルギーは基体近傍に到達し
た原料ガスに一様に或いは選択的制御的に付与されるが
、適宜の光学系を用いて基体の全体に照射して堆積膜を
形成することもできるし、或いは所望部分のみに選択的
制御的に照射して部分的に堆積膜を形成することもでき
、またレジスト等を使用して所定の図形部分のみに照射
し堆積膜を形成できるなどの便利さを有している。

第３図中、ｌは堆積室であり、内部の基体支持台２上に
所望の基体３が載置される。

４は基体加熱用のヒータであり、導線５を介して給電さ
れ、発熱する。基体温度は特に制限されないが、一般に
発光層の光学的バンド・ギャップを大きくして可視の発
光を得るためには、２００℃以下であることが望ましい
。

６〜９は、ガス供給源であり、前記一般式で示される鎖
状水素化ケイ素化合物のうち液状のものを使用する場合
には、適宜の気化装置を具備させる。気化装置には、加
熱沸騰を利用するタイプ、液体原料中にキャリアガスを
通過させるタイプ等があり、いずれでもよい、ガス供給
源の個数は４個に限定されず、使用する前記弗素化シラ
ンガスや前記一般式の水素化ケイ素化合物の種類の数、
希釈ガス等を使用する場合の原料ガスとの予備混合の有
無等に応じて適宜選択される０図中、ガス供給源６〜９
の符合に、ａを付したのは分岐管、ｂを付したのは流量
計、Ｃを付したのは各流量計の高圧側の圧力を計測する
圧力計、ｄ又はｅを付したのは各基体流の開閉及び流量
の調整をするためのバルブである。

各ガス供給源から供給される原料ガス等は、ガス導入管
１０の途中で混合され１図示しない換気装置に付勢され
て、室１内に導入される。又は。

各ガス供給源から交互に室１内に導入される。

１１は、室ｌ内に導入されるガスの圧力を計測するため
の圧力計である。また、１２はガス排気管であり、堆積
室１内を減圧したり、導入ガスを強制排気するための図
示しない排気装置と接続されている。

１３はレギュレータ・バルブである。原料ガス等を導入
する前に、室１内を排気し、減圧状態とする場合、室内
の気圧は、好ましくは５×１０１６Ｔｏｒｒ以下、より
好ましくはＩ　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒ以下である。また
、原料ガス等を導入した状態において、室１内の圧力は
、好ましくはｌＸｌ０−２〜１００Ｔｏｒｒ、より好ま
しくは５×１Ｏ−２〜１０ＴＯｒｒである。

本発明で使用する励起エネルギー供給源の一例として、
１４は光エネルギー発生装置であって、例えば水銀ラン
プ、キセノンランプ、炭酸ガスレーザ、アルゴンイオン
レーザ、エキシマレーザ等が用いられる。なお、本発明
で用いる光エネルギーは紫外線エネルギーに限定されず
、原料ガスに化学反応を起こさせ堆積膜を形成すること
ができるものであれば、波長域を問うものではない。

光エネルギー発生装置１４から適宜の光学系を用いて基
体全体或いは基体の所望部分に向けられた光１５は、矢
印１６の向きに流れている原料ガス等に照射され、励起
・分解又は東金を起こして基体３上の全体或いは所望部
分にｎｏｎ−９ｉ　：Ｈの堆積膜を形成する。このとき
、発光層の厚さ−は５００人〜３０００人程度とするこ
とが望ましい。

この後に、発光層の上から前記材料と同様な絶縁層を重
ねる。そして最後にアルミニウム、金などの金属電極を
革着する。

モの他の作成方法としては、反応管中に流す反応ガスを
外部の電気炉で加熱分解し、ガス温度よりも低い温度に
保たれた基体上に堆積させるＨＯＭＯＣｖＤという方法
があ６　（Ｂ、Ａ、５ｃｏｔｔ　、Ｒ。

Ｍ、ＰＩｅｃｅｎｉｃｋ、ａｎｄ　　Ｅ、Ｅ、Ｓｉｍｏ
ｎｙｉ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、。

ｖｏｌ、３９（１９８１）ｐ、？３）　。

本発明の発光層と゛して用いるｎｏｎ−３ｉ　：Ｆ（Ｈ
）を堆積させる際にこの方法を用いても、光学的ノくン
ド・ギャップが大きく、局在準位密度の低い膜を作るこ
とができる。

〔実施例〕

上記した第３図に示す光ＣＶＤ装置を用い、上記の手順
と条件によって、以下の様にして第２図に示す構造の発
光素子を作成し、電源２０７によりパルス状の高周波高
電界を印加して、特性試験を行った。

絶縁層２０３，２０５としては３０００人厚の０ッＯ３
薄膜を用い、発光層は、原料ガスとして（Ｓ　ｉ２　Ｆ
６　＋Ｓ　ｉ２　Ｈ６）ガスを使用して、基体温度５０
℃で成膜を行った。この際のＳｉ２Ｆ６及びＳｉ２Ｈ６
の流量は夫々８０ＳＣＣＭ、４０ＳＣＣＭであった。電
極２０２としては、ＩＴＯ透明電極、電極２０６として
はＡ文電極を用いた。この様にして作成した発光素子に
１００Ｖ　、１ＫＨｚのパルス状高周波高電界を印加し
たところ、５０ｆｔ−Ｌの可視光域に発光ピークがある
発光が得られた。これは、これまでに実現された非単結
晶シリコンを用いた発光素子の発光に比べて約１．６桁
以上大きい値であり、発光効率の改善がなされているこ
とが判つた。更に、上記の高周波電界を連続して長時間
印加し、発光特性の安定性と耐久性を試験したところ、
上記の従来例に較べて安定性において約７倍、耐久性に
おいて１．７桁優れていることが結果として得られた。

又、８０％ＲＨ，４０℃の環境下で連続使用による環境
試験を行ったところ、７５時間経過後も初期の素子特性
が維持され、優れた環境特性を有することが確認された
。

〔効　果〕

に述した様に、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。又、高温多湿環境下に
おいても長時間の連続使用に対して高耐久性を示す。

【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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 弗素原子を含む非単結晶シリコンで構成された発光層と
   、該発光層を挟持する一対の電気的絶縁層と、これ等の
   発光層と絶縁層とを挟持し電気的に接続された少なくと
   も一対の電極とを有し、前記発光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ヤ
   ツプで１０＾１＾６ｃｍ＾−＾３・ｅＶ＾−＾１以下で
   ある事を特徴とする発光素子。