JPH0221673A - 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】 〔技術分野〕 本発明は発光素子に関し、とくに非晶質シリコンカーバ
イド（以下ａ−３ｔＣｘ：Ｈと略称する）からなる発光
素子に関する。

（従来技術とその課題） 現在、非晶質シリコン薄膜は、太陽電池、感光体、薄膜
トランジスタ等に実用化されている。−方、０ＰＴＯＨ
ＬＥＣＴＲＯＮＩＣ３−Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｔｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＶｏｌ、１．　Ｎｏ、１＋ｐｐ６
７−８４＋　Ｊｕｎｅ＋　１９８６に記載されているよ
うに、キャリア注入型の発光素子も検討されている。し
かして、当該発光素子から発光する光の波長は非晶質シ
リコン薄膜の光学的バンドギャップによって支配される
。可視領域の発光は光学バンドギャップ（光学的禁制帯
幅）の拡大により可能になるが、従来技術の課題は、光
学バンドギャップの拡大にともない、光電特性の低下が
生じるために、発光が弱く、実用性に乏しいことであっ
た。

この課題の解決のためにａ−５ｉＣｘ：ＨＥ！膜が検討
されている。当該薄膜は、従来、モノシランやジシラン
等の水素化シリコンとメタン、エタン、プロパン、エチ
レン、アセチレン等の炭化水素とを原料として、プラズ
マや光を用いて分解することにより、形成されていた。

一方、分子内に、メチル基やエチル基のような飽和炭化
水素基を有するアルキルシランも原料として用いられて
いた。しかしながら、これらの原料の分解においては、
前者では、水素化シリコンと炭化水素との分解性が異な
るために、当該薄膜中の炭素含有量の制御が困難となり
、結果として、光学バンドギャップの制御と薄膜の光電
特性の向上を両立させることができなかった。また、後
者のアルキルシランにおいては、ａ−５ｉＣｘ：Ｉ（ｌ
膜中にペンダントとして残存するアルキル基の割合が多
く、光電特性の向上が妨げられていた。

〔発明の開示〕

本発明者らは原料の分解ならびに反応性に着目して検討
を行った結果、不飽和炭化水素基を分子内に有するシリ
コン化合物を用いることにより、上記の課題が解決でき
ることを見出し本発明を完成した。

すなわち、本発明は、ラジカル重合可能な不飽和結合を
存するシリコン化合物を分解して形成した非晶質シリコ
ンカーバイド薄膜を用いることを特徴とする発光素子で
ある。

本発明において使用する分子内にラジカル重合可能な不
飽和結合を有するシリコン化合物（以下Ｕ−シランと略
称する）は、 一般式　ＲゎＳ　ｓ　ｍ　Ｈｚ□！□　（ただし、Ｒは
ラジカル重合が可能である炭素数２〜１０程度の不飽和
炭化水素基、ｍ、ｎは自然数である０ｍは１または２で
あり、ｍ＝−１のとき、ｎ−１，２，３゜または４であ
りｍ鞠２のとき、ｎ−１，２，３゜４．５．または６で
ある）で表示されるシラン化合物である。

このＵ−シランの具体的な水側としては、ビニルシラン
、ジビニルシラン、トリビニルシラン、ビニルジシラン
、ジビニルジシラン、トリビニルジシラン、１−プロペ
ニルシラン、２−プロペニルシラン、イソプロペニルシ
ラン、１−ブテニルシラン、２−ブテニルシラン、２−
ペンテニルシラン、エチニルシラン等の珪素化合物が好
ましいものとして挙げられる。

プラズマ分解や光分解の手法としては、分解反応中にシ
リコンを有する各種のラジカル種を生成しうる手法であ
れば、本発明において有効に用いることかできる。具体
的には、プラズマ分解の手法として、グロー放電分解を
用いるプラズマＣｖＤ（プラズマ化学堆積法）、マイク
ロ波を分解に利用するマイクロ波ＣＶＤＪＰＥＣＲＣＶ
Ｄ　（を子サイクロトロン共鳴化学堆積法）等、光分解
の手法として、低圧水銀灯、エキシマレーザ−２重水素
ランプ等を紫外線源として用いる光ＣＶＤ　（光化学堆
積法）を用いることができる。

本発明において、薄膜形成の条件は、とくに、限定され
るものではなく、適宜決定することができるが、その場
合、有効な指針となりうる点を以下にあげておく、まず
、本発明者らが見出したところによると、Ｕ−シランを
単独で分解すると、炭素含有量の多い光学的バンドギャ
ップの広いａ−５ｉＣｘ：Ｈ薄膜を得ることが出来る。

また、モノシラン、ジシラン等の水素化シリコンをＵ−
シランと混合して使用することにより、ａ−５ｉＣｘ：
Ｈｉｌ膜中炭素含有量の変化が可能であり、光学的バン
ドギャップを変更することができる。さらに、水素、ヘ
リウム、アルゴン等の希釈ガスを用いて、Ｕ−シランお
よび、Ｕ−シランと水素化シリコン混合ガスを希釈した
状態で分解することも本発明において有効に用いること
のできる成膜条件であると云える。けだし、希釈ガスを
用いることにより、分解条件の安定性が向上し、得られ
るａ−５ｉＣｘ：Ｈ薄膜の膜特性の再現性が改善され、
当該薄膜で形成される発光素子の発光輝度が安定するか
らである。

本発明の発光素子は、基本的に、第１図や第２図で示さ
れるｐ−４−ｎ型で形成されるものである。なお、図に
おいて、１，１７−・−・・・・一基板、２、　１２・
−−−−一透明電極、３．１３　　　　ｐ型ａ−３ｉＣ
ｘ：）Ｉ薄膜、４．１４　　　　ｉ型ａ−ＳｉＣｘ：Ｈ
ｆ１ｉｌ膜、５．１５　　　　ｎ型ａ−５ｉＣｘ：Ｈ薄
膜、６　、　１６・−−−−・−裏面電極をそれぞれ表
している。

しかして、本発明はこの点においても特徴を有するもの
である。すなわち、本発明において形成されるａ−５ｉ
Ｃｘ：Ｈ簿膜には、不純物のドーピングによりｐ型、ｎ
型の半導体の性質を付与することができるからである。

Ｐ型、およびｎ型の性質を付与するには、それぞれ、ジ
ボラン、およびホスフィンのような硼素およびリンを含
有する化合物をドーピングガスとしてＵ−シランととも
に、プラズマ分解または光分解すればよい。

本発明において採用される、薄膜作製時の基板温度、反
応圧力、原料ガス流量、放電電力等の操作因子は、一般
的には、以下の如くであるが、より具体的な成膜条件は
、用いるプラズマ分解方法により、多少その最適条件が
異なるものであり、分解手法に応じて適宜決定すればよ
い。

基板温度は室温以上、５００℃程度以下であるが、好ま
しくは、１００℃以上、４００°Ｃ程度以下である。基
板温度の上昇に伴い光学的バンドギャップが減少する０
反応圧力はグロー放電分解を用いるプラズマＣＶＤ（プ
ラズマ化学堆積法）やマイクロ波を分解に利用するマイ
クロ波ＣＶＤ法や光ＣＶＤ法、おいては、０．０１ｔｏ
ｒｒから１０ｔｏｒｒ程度の範囲であり、好ましくは、
０．０２ｔｏｒｒから２　、　　Ｏｔｏｒｒ程度の範囲
である。マイクロ波を分解に利用する方式においても電
子サイクロトロン共鳴を励起に利用するＥＣＲＣＶＤ法
においては、更に低圧の条件でよく、Ｏ，Ｏ１ｍｔｏｒ
ｒから５Ｑｍｔｏｒｒ程度で充分である。原料ガス流量
や放電電力は成膜装置の成膜室の大きさ、基板の大きさ
、目的とする炭素含有量、成膜速度等によづて、適宜選
択される。原料ガス流量としては、Ｕ−シランにおいて
は、１から１０００ｓｃｃｍ程度で充分であり、水素化
シリコンや希釈ガスを用いる場合はＵ−シランに対して
０．１から１００倍程度の範囲で用いられる。

本発明の発光素子は、基板上に透明電極、ｐ型、ｉ型、
およびｎ型のａ−３ｉＣｘ：Ｈ薄膜、裏面電極が順次形
成されて構成されるものであるが、発光素子の性能は各
ａ−５ｉＣｘ引薄膜のそれぞれの膜厚に大きく影響され
る。好ましい膜厚の範囲としては、ｐ型ａ−ＳｉＣｘ：
Ｈ薄膜は１００人〜２００人、ｉ型ａＳｉＣｘ：Ｉｆ！
膜は３００人〜２０００人、ｎ型ａ−５ｉＣｘ：Ｈ薄膜
は２００人〜４００人である。特に、光活性層たるｉ型
ａ−５ｉＣｘ：ＨｉｉＥ膜の膜厚は重要であり、さらに
好ましい膜厚は、４００人〜１０００人である。当該ｉ
型Ｅｌｌｌ！の膜厚があまり薄くなると、注入されたキ
ャリアの再結合数が減少する結果、また、膜厚が過度に
厚くなると、キャリアの注入および移動が困難になる結
果、いずれも発光輝度の低下が生じる。

゛〔作用〕 シリコン化合物の分解は、シリコン関連の各種のラジカ
ル種が形成される分解手法を有効に用いることができる
ところ、プラズマ分解や光分解においては、これらシリ
コン関連のラジカルが生成することが、一般的に認識さ
れている０本発明において使用するＵ−シランが特に有
効に作用するのは、これらシリコン関連のラジカルと本
発明のＵ−シラン中の不飽和炭化水素基とはラジカル反
応を起こしうるので、ペンダントとして、残存する炭化
水素基が少なくなり、炭素−シリコン結合が効果的に形
成される結果、光電特性を良好に維持しつつ、光学的バ
ンドギャップを拡大できるものと推定されるのである。

したがって、本発明のＵ−シランを用いる分解方法の場
合、放電電力は、使用する装置等によって変わりうるが
、通常ＩＷ〜５０Ｗ程度の範囲であり、同じ条件でのメ
タン、エタン、プロパン等の炭化水素の分解に比べて、
ずっと低下させることができる。成膜に要する放電電力
をこのように低下できることは、発光素子を形成する時
に従来に比して、はるかに好ましい条件を提供できるこ
ととなる。けだし、発光素子は、基板上に透明電極、ｐ
型、ｉ型、およびｎ型のａ−３ｉＣｘ：Ｈ３ｌ膜、裏面
電極が順次形成されて構成されるものであるところ、放
電電力が高い条件では、すでに形成されている電極やａ
−ＳｉＣｘ：Ｈ３膜に悪影響をあたえて、発光素子の大
きな性能低下につながるものであったからである。

〔実施例〕

以下、実施例により、発明の好ましい実施の態様の一例
を説明する。

〔実施例１〕 薄膜形成装置としては、■原料流量制御手段を有する原
料供給手段、■原料を分解するための放電を発生するた
めの手段、■１０ｔｏｒｒ以下の圧力に薄膜形成雰囲気
を保持するための真空排気手段、■その上にａ−５ｔ（
：ｘ：８ｖ！を膜が形成される基板を薄膜形成室内に挿
入するための手段、■当該基板を保持する手段、■当該
基板の加熱手段および■圧力、温度等の形成条件を測定
する手段を少なくとも備えた薄膜形成室を有する当該装
置を用いて％　ａ−５＋Ｃｘ：Ｈ薄膜の形成を実施した
。透明電極として５ｎｏｔが形成されたガラス基板を用
いて発光素子を形成した。まず、形成温度２３０°Ｃ１
圧力０、　１　ｔ　ｏ　ｒ　ｒ、放電電力５Ｗでモノビ
ニルシランｌＱｓｃｃｍ、モノビニルシランに対して１
％のジボランを添加して、グロー放電分解によりｐ型ａ
−５ｉＣｘ：Ｈ３膜を１５０人の膜厚に形成した。つい
でモノビニルシランのみを形成温度２５０℃、圧力０．
１ｔｏｒｒ、放ｉｔｓ力５Ｗの条件において、放電分解
してｉ型ａ−３ｉＣｘ：ＨＦ１ｌ膜を６００人の膜厚に
形成した。さらに、ｉ型ａ−３ｉＣｘ：Ｈ３膜上にｎ型
ａ−５ｉＣｘ：Ｈ薄膜を形成した。当該ｎ型薄膜は形成
温度２５０°Ｃ１圧力０，１ｔｏｒｒ、放電電力５Ｗの
条件において、モノビニルシランに対してホスフィンを
１％の割合で添加して、膜厚３００人で形成した。当該
ｎ型薄膜上に裏面電極として、金属電極を形成して発光
素子とした０以上のごとくして得られた発光素子におい
て、金属電極と透明電極間の順方向電圧を５■印加した
ところ、透明電極をとおして黄から緑色の発光を明るい
室内において観測した。５Ｖのように低い電圧において
、キャリアの注入がおこり、発光素子として、有効に作
用することが確認できた。

〔実施例２〕 実施例１において、グロー放電分解のかわりに、低圧水
銀灯による光分解を用いた。透明電極としてＩ　Ｔ　Ｏ
／　Ｓ　ｎ　Ｏｚが形成されたガラス基板を用いて発光
素子を形成した。形成温度２３０’Ｃ，圧力Ｑ、１ｔｏ
ｒｒでモノビニルシラン５ｓｃｃｍ〜ジシラン５ｓｅｃ
ｍ、モノビニルシランとジシランに対して１％のシボラ
ンを添加して、ｐ型ａ−３ｉＣｘ：Ｈｆｉ膜を１４０人
の膜厚に形成した。ついでモノビニルシランとジシラン
を形成温度２５０°Ｃ５圧力０．１ｔｏｒｒの条件にお
いて、光分解してｉ型ａ−３ｉＣｘ：Ｈａ膜を５００人
の膜厚に形成した、さらに、ｉ型ａ−５ＩＣｘ：Ｈ″”
ｆｉ１ｍ上にｎ型ａ−５ｉＣｘ：）［薄膜を形成した。

当該ｎ型薄膜は形成温度２５０°Ｃ１圧力０．’　１　
ｔ　ｏ　ｒ、ｒの条件において、モノビニルシランとジ
シランに対してホスフィンを１％の割合で添加して、膜
厚３００人で形成した。当該ｎ型薄膜上に金属電極を形
成して発光素子とした、斯くして得られた発光素子の金
属電極と透明電極間の順方向電圧を５ｖ印加したところ
橙から黄色の発光を明るい室内において観測した。５Ｖ
のように低い電圧において、キャリアの注入がおこり、
発光素子として、有効に作用することがｆｉＬＷできた
。

〔実施例３〕 実施例１において、原料をモノビニルシラン、モノシラ
ン、水素の混合ガスを用いて、ｉ型ａ−３ｔＣｘ：ＨＩ
膜を形成して、発光色の変更を行った。

ｐ型およびｎ型ａ−３ｉＣｘ：Ｈ３膜は実施例１と同じ
成膜条件で実施した。ただし、ｉ型ａ−３ｉＣｘ：８ｍ
膜の形成は、ｐ型ａ−５ｔＣｘ：Ｈ薄膜の上に形成温度
２５０°Ｃ１圧力１．０ｔｏｒｒ、放電電力１０Ｗでモ
ノビニルシラン７ｓｃｃｍ、モノシラン３ｓｃｃｍおよ
び水素１０１００５ｃの混合ガスを分解することにより
実施した。ｉ型ａ−ＳｉＣｘ：Ｈ薄膜は６００人の膜厚
に形成した。さらに、ｉ型ａ−ＳｉＣｘ：Ｈ３膜上にｎ
型ａ−３ｉＣｘ：Ｈａ膜、金属電極を形成して発光素子
とした。斯くして得られた発光素子の金属電極と透明電
極間の順方向電圧を５■印加したところ赤から橙色の発
光を明るい室内において観測した０本実施例のように原
料ガスを変更することにより、容易に、発光色を変更で
きることを確認した。

〔発明の効果〕

以上の実施例から明らかなように、本発明に従えば、Ｕ
−シランを原料に用いることにより、可視領域で発光す
ることのできる、広い光学的バンドギャップで、かつ、
高い光導電率を示す光電特性にすぐれた薄膜からなる発
光素子が得られる。

該発光素子の発光の色調は、成膜条件により、容易に変
更可能であり、フィルターなしでカラーグラフィック用
の表示素子として、用いることもできる。

本発明の発光素子は、これを放電分解により形成する際
の、放電電力を従来よりずっと低下せしめ得ることが可
能であるので、放電分解時のプラズマ損傷を一層少なく
し得るのである。さらに、光分解を利用することも可能
である。

以上のごとく、このように、本発明において使用するＵ
−シランは、薄膜を利用する発光素子を形成するための
原料ガスとして、当業者が予想しうる程度を越えた優れ
た作用効果を奏しうるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す模式図であり、また、第
２図は本発明の別の実施例を示す模式図である。 図において、１，１７−・・・・−・・一基板、２．１
２・−・・・・・・・・透明電極、３．１３　　　　ｐ
型ａ−３ｉＣｘ：４１薄膜、４．１４　　　　ｉ型ａ−
３ｉＣｘ：Ｈ薄膜、５．１５・−・−−−−ｎ型ａ−Ｓ
ｉＣｘ：Ｈ薄膜、 裏面電極 をそれぞれ表している。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ラジカル重合可能な不飽和結合を有するシリコン
   化合物を分解して形成した非晶質シリコンカーバイド薄
   膜を用いることを特徴とする発光素子。
2. （２）ｐ型、ｉ型およびｎ型の非晶質シリコンカーバイ
   ド薄膜を用いる請求項１記載の発光素子。
3. （３）ｐ型およびｎ型の非晶質シリコンカーバイド薄膜
   が、ラジカル重合可能な不飽和結合を有するシリコン化
   合物およびドーピングガスを分解して形成されたもので
   ある請求項２記載の発光素子。