JPH077180A

JPH077180A - 発光素子

Info

Publication number: JPH077180A
Application number: JP14458093A
Authority: JP
Inventors: Masao Isomura; 雅夫磯村; Yasuki Harada; 康樹原田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】多孔質シリコンを用いた発光素子であって、
発光スペクトルの選択の自由度を高めることができ、従
来得られなかった発光特性を実現し得る発光素子を提供
する。【構成】面内方向においてドーパントの種類及び濃度
の少なくとも一方が異ならされた複数の領域を有する単
結晶シリコン基板を陽極酸化により表面を多孔質化して
なる多孔質シリコン基板２１と、多孔質シリコン基板２
１の両面に直接または間接に形成されており、多孔質シ
リコン基板に電圧を印加するための電極２２，２４とを
備える発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光素子に関し、特
に、陽極酸化により表面を多孔質化してなる多孔質シリ
コン基板を用いて構成された発光素子の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）
素子、発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光素
子としては、直接遷移型の化合物半導体が主として用い
られてきているが、近年、間接遷移型の単結晶シリコン
を出発材料として得られた多孔質シリコンが発光素子用
材料として研究されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．第５７巻、第１０４６頁〜第１０４８頁（１９
９０）等）。

【０００３】結晶シリコンは、間接遷移型の狭いバンド
ギャップを有するため、通常は可視発光しない。しかし
ながら、単結晶シリコンをフッ化水素（ＨＦ）水溶液中
において、電解研磨の領域よりも小さい電流密度で陽極
酸化することにより表面に形成される多孔質シリコン層
は、室温において可視発光することが明らかにされてい
る。この場合、出発材料としては、均質なｐ型またはｎ
型の単結晶シリコン基板が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の多孔質シリコン
を用いた発光素子では、上記のように均質なｐ型または
ｎ型の単結晶シリコン基板が出発材料として用いられて
いる。従って、得られた多孔質シリコンの発光スペクト
ルは、面内においてほぼ一様であり、大きな面積の発光
装置を構成しようとした場合、得られる発光スペクトル
の選択の自由度が小さいという問題があった。

【０００５】本発明の目的は、発光スペクトルの選択の
自由度を増大させることができ、従来得ることができな
かった発光特性を実現し得る、多孔質シリコンを用いた
発光素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
多孔質シリコンを用いた発光素子であり、下記の構成を
備えることを特徴とし、それによって上記課題を達成す
るものである。

【０００７】すなわち、本発明は、面内方向においてド
ーパントの種類及び濃度の少なくとも一方が異ならされ
た複数の領域を有する結晶系シリコン基板を陽極酸化に
より表面を多孔質化してなる多孔質シリコン基板と、該
多孔質シリコン基板の両面に直接または間接に形成され
ており、かつ多孔質シリコンに電圧を印加するための電
極とを備える。

【０００８】

【作用】多孔質シリコンの発光スペクトルはガウス型の
形状を有するが、そのピーク位置及び半値幅は、陽極酸
化により形成される多孔質シリコンの状態に依存する。
本発明は、上記のように多孔質シリコンの発光特性が、
多孔質シリコンの状態に依存することに鑑み、同じ基板
内において面内方向にドーパント濃度やドーパントの種
類が異なる複数の領域を有する結晶系シリコン基板を陽
極酸化することにより、多孔質シリコンの状態の異なる
複数の領域を面内方向に有する多孔質シリコン基板を構
成し、それによって面内方向において発光特性の異なる
複数の領域を構成したことに特徴を有する。

【０００９】すなわち、本発明の発光素子では、面内方
向においてドーパントの種類及び濃度の少なくとも一方
が異ならされた複数の領域を有する結晶系シリコン基板
を出発材料として用いて構成されているため、陽極酸化
により形成された多孔質シリコンが、面内方向において
異なる発光特性を発揮する。

【００１０】よって、結晶系シリコン基板の上記複数の
領域におけるドーパントの種類及び濃度を工夫すること
により、多孔質シリコン基板における上記複数の領域に
おける発光特性が異ならされるので、全体としてはこれ
らの異なる発光特性の和として得られる発光特性が実現
される。従って、従来の均質な結晶系シリコン基板を出
発材料として用いた多孔質シリコン発光素子では得られ
なかった発光特性を実現することができる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照しつつ実施例を説明するこ
とにより、本発明を明らかにする。

【００１２】図１（ａ）〜（ｄ）は、多孔質シリコンの
出発材料として用意した４種類の単結晶シリコン基板を
説明するための模式的平面図である。図１（ａ）〜
（ｄ）に示す単結晶シリコン基板は、（１１１）単結晶
シリコン基板を用いて構成されている。また、各単結晶
シリコン基板１〜４は、それぞれ、その一方表面側から
不純物がドーピングされているが、一様にドーピングさ
れているのではなく、１６分割された各領域が、それぞ
れ、図示の記号ａ〜ｄで示す条件でドーピングされてい
る。このドーピングａ〜ｄの詳細は、下記の表１に示す
通りである。

【００１３】

【表１】

【００１４】上記表１及び図１から明らかなように、例
えば単結晶シリコン基板１を例にとると、ａの条件でド
ーピングされた領域と、ｂの条件でドーピングされた領
域とが図示のように混在されている。すなわち、面内方
向において、ｐ型のドーパントであるＢの濃度が異なる
複数の領域が構成されている。同様に、他の単結晶シリ
コン基板２〜４についても、面内方向においてドーパン
ト濃度やドーパントの種類が異なる複数の領域が混在さ
れている。

【００１５】上記のようなドーピングａ〜ｄは、公知の
ドーピング技術に従って行うことができ、代表的には下
記の４種類の方法が挙げられる。集束イオンビーム（ＦＩＢ）法…この方法は、例え
ば、２００ＫｅＶの加速エネルギーで、５×１０¹³〜１
×１０¹⁵／ｃｍ²の濃度でＢもしくはＰをドーピングし
た後に、６００℃の温度で１時間アニールすることによ
り行い得る。

【００１６】レーザードーピング法…この方法は、例
えば、Ｂ₂Ｈ₆またはＰＨ₃ガスを真空チャンバー内に
満たし、基板温度を２００℃程度の温度で一定とし、ド
ーピングすべき領域にエキシマレーザー（波長３２５ｎ
ｍ）を照射することによりドーピングを行い、９００℃
〜１０００℃の温度で熱拡散を行うことにより達成し得
る。なお、ＢあるいはＰの濃度は、抵抗率にして１〜３
０Ωｃｍとなる領域で制御することにより、表１に示す
抵抗率を実現することができる。

【００１７】イオン注入法…レジストにより非注入領
域を覆い、イオン注入装置により、例えば２００ＫｅＶ
の加速エネルギーにより、５×１０¹³〜１×１０¹⁵／ｃ
ｍ²程度の濃度でＢまたはＰをドーピングした後、６０
０℃の温度で１時間熱アニールすることにより行い得
る。

【００１８】スクリーン印刷＋熱拡散法…スクリーン
印刷法により、液状のＳｉＯ₂にＢまたはＰを含有する
レジストで注入領域を覆い、９００℃〜１０００℃程度
の温度で熱拡散を行う。ＢまたはＰの濃度は、抵抗率に
して１〜３０Ωｃｍとなる領域で制御することにより、
表１に示した抵抗率を実現することができる。

【００１９】本実施例では、上記〜で示した各ドー
ピング方法のうち、ＦＩＢ法により図１に示した各単
結晶シリコン基板１〜４を用意した。他方、上記ドーピ
ングａ〜ｄで一様にドーピングされた４種の単結晶シリ
コン基板を用意し、多孔質化を行った。この多孔質化の
工程を図２を参照して説明する。

【００２０】図２において、４５重量％ＨＦ水溶液５内
に、表１の条件ａでドーピングされた単結晶シリコン基
板６が浸漬されている。単結晶シリコン基板６の背面に
は、ｐ⁺型単結晶シリコン基板７及びアルミニウムより
なる電極８がこの順序で積層されている。また、９は合
成樹脂もしくはワックス等よりなる支持部材を示す。

【００２１】多孔質化にあたっては、同じくＨＦ水溶液
５中に浸漬された白金よりなる電極１０と電極８との間
に電流を流し、電流密度２５ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で
単結晶シリコン基板６を陽極化成した。また、多孔質Ｓ
ｉ化を促進するために、５００Ｗのタングステンランプ
により光を照射した。

【００２２】上記のようにして、ドーピングされた単結
晶シリコン基板６の表面を多孔質シリコン化し、多孔質
シリコン基板を得た。得られた多孔質シリコン基板を用
い、図４に示す発光素子を構成した。

【００２３】図４において、１１は上記のようにして得
られた多孔質シリコン基板を示し、その露出している表
面側が上記陽極化成により多孔質シリコン化されてい
る。また、多孔質シリコン基板１１の背面側には、単結
晶シリコン基板に不純物をドーピングして得られたｐ⁺
層を構成するための単結晶シリコン基板７及びアルミニ
ウムよりなる電極８がこの順序で積層されている。ま
た、１２はＡｕを主成分とする透明電極である。

【００２４】表１のドーピング条件ｂ〜ｄに従って一様
にドーピングされた各単結晶シリコン基板を用い、表面
を上記と同様にして陽極化成することにより多孔質シリ
コン化し、得られた多孔質シリコン基板を用いて、それ
ぞれ、図４に示した構造の発光素子を構成した。

【００２５】上記のようにしてドーピング条件ａ〜ｄで
ドーピングされた単結晶シリコン基板を出発材料とした
４種類の多孔質シリコン発光素子を作製した後、それぞ
れの発光スペクトルを測定した。結果を図３に示す。

【００２６】図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、上記ド
ーピング条件ａ〜ｄで多孔質シリコン化された単結晶シ
リコン基板を出発材料として構成された発光素子の発光
スペクトルを示す。図３（ａ）及び（ｂ）を比較すれば
明らかなように、ｐ型のドーパントであるＢの濃度を異
ならせて抵抗率を高めることにより発光スペクトルのピ
ーク位置が短波長側にシフトすることがわかる。同様
に、図３（ｃ）及び（ｄ）の比較から、ｎ型のドーパン
トであるＰの濃度を変化させて抵抗率を高めた場合にお
いても、発光スペクトルのピーク位置が短波長側にシフ
トすることがわかる。よって、ｐ型及びｎ型の導電型の
如何に関わらず、高抵抗の単結晶シリコン基板を用いる
ことにより、発光スペクトルのピーク位置を短波長側に
シフトさせ得ることがわかる。

【００２７】また、図３（ａ）及び（ｂ）の発光スペク
トルと、図３（ｃ）及び（ｄ）の発光スペクトルの比較
から明らかなように、ｎ型の多孔質シリコンの方がｐ型
の多孔質シリコンよりも発光スペクトルのピーク位置が
短波長側に存在することがわかる。

【００２８】従って、図３（ａ）〜（ｄ）の結果から明
らかなように、ドーパントの種類及び濃度が異なるよう
に構成された単結晶シリコン基板を用いることにより、
発光スペクトルのピーク位置を制御し得ることがわか
る。

【００２９】本実施例の発光素子は、上記のような知見
に基づきなされたものであり、前述した図１（ａ）〜
（ｄ）に示したように、各単結晶シリコン基板１〜４の
一方表面を１６分割し、各領域を上記ドーピング条件ａ
〜ｄのいずれかでドーピングし、面内方向においてドー
パントの種類及び濃度が異なる複数の領域を構成したも
のを用いている。

【００３０】図５は、本発明の一実施例にかかる発光素
子の断面図である。２１は多孔質シリコン基板を示し、
図１（ａ）に示すように各領域がドーピング条件ａまた
はｂでドーピングされた単結晶シリコン基板１を出発材
料として、上記と同様にして陽極化成することにより、
表面が多孔質シリコン化されている。該多孔質シリコン
基板２１の背面には、ｐ⁺層としての単結晶シリコン基
板２３及びアルミニウムよりなる電極２４がこの順序で
積層されており、多孔質シリコン基板２１の表面側には
Ａｕよりなる透明電極２２が形成されている。

【００３１】上記のようにして構成された発光素子２５
の発光スペクトルを図６（ａ）に示す。図６（ａ）から
明らかなように、図１（ａ）に示した単結晶シリコン基
板１を用いて多孔質化して得られた多孔質シリコン基板
を用いることにより、図３（ａ）及び（ｂ）に示した発
光スペクトルの和に相当する発光スペクトルが実現され
ることがわかる。すなわち、ドーピング条件ａ及びｂで
示されている複数の領域が混在されている単結晶シリコ
ン基板１を出発材料として多孔質シリコン基板を得た場
合、該多孔質シリコン基板を用いて構成された発光素子
の発光スペクトルは、ドーピング条件ａの多孔質シリコ
ンの発光スペクトルと、ドーピング条件ｂの多孔質シリ
コンの発光スペクトルとの和になることがわかる。

【００３２】同様に、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すよう
に、各領域がドーピングされている単結晶シリコン基板
２〜４をそれぞれ出発材料として用い、同様にして図５
に示した構造の発光素子を構成し、発光スペクトルを測
定した。結果を図６（ｂ）〜（ｄ）に示す。

【００３３】図６（ｂ）〜（ｄ）から明らかなように、
これらの発光素子の発光スペクトルは、それぞれ、出発
材料として用いた単結晶シリコン基板２〜４における各
領域のドーピング条件、すなわち陽極化成により得られ
た多孔質シリコンの状態に応じて、それらが総合して、
図６（ｂ）〜（ｄ）に示す発光スペクトルを示してい
る。

【００３４】このように、本実施例の発光素子では、出
発材料として用いる単結晶シリコン基板として、面内方
向においてドーパントの種類及び濃度が異なる複数の領
域が設けられているものを用いている。従って、上記陽
極化成により表面を多孔質シリコン化した場合、得られ
た多孔質シリコン層の状態が上記ドーピング条件によっ
て変化されているため、得られた多孔質シリコン基板で
は発光特性の異なる複数の領域が構成されている。

【００３５】よって、図６（ａ）〜（ｄ）に示されてい
るように、上記複数の領域のドーピング条件を選択する
ことにより、また複数の領域の組み合わせ方を工夫する
ことにより、さまざまな発光特性を実現することができ
る。

【００３６】なお、本願発明者らの実験によれば、上記
ＦＩＢ法に代えて、前述した〜で示したドーピング
法を用いた場合においても、上記実施例の場合と同様
に、ｎ型のドーパントを用いることにより、ｐ型のドー
パントを用いた場合よりも発光スペクトルのピーク位置
を短波長側にシフトさせることができ、また抵抗率を高
めることより発光スペクトルのピーク位置を短波長側に
シフトさせることができ、さらに上記実施例と同様にさ
まざまな発光特性を有する発光素子を構成し得ることが
確かめられた。

【００３７】図７は、本発明の一応用例を示し、薄膜ト
ランジスタ（以下、ＴＦＴと略す。）と組み合わせるこ
とによりマトリクス状の表示装置を構成した例を示す分
解斜視図である。図７において、透光性のガラス基板３
１上に、発光素子を駆動するための、例えばＩＴＯより
なる透明電極３２がマトリクス状に複数形成されてい
る。また、各透明電極３２には、それぞれ一個のＴＦＴ
３３が接続されている。

【００３８】他方、上方のアルミニウムよりなる電極３
４上には、本発明の実施例にかかる複数の発光素子３５
がマトリクス状に固定されている。図７に示した表示装
置は、多孔質シリコンを用いた各発光素子３５の下方
に、それぞれ、一個の多結晶シリコンよりなるＴＦＴが
配置されており、ビーズフィーダーにより両者の間の空
間を満たし、側面を液状のＳｉＯ₂で塗り固めて固定す
ることにより作製される。配線は、発光部及びＴＦＴ３
３からそれぞれ外部に引出せばよい。

【００３９】このように、本発明にかかる発光素子は、
ＴＦＴを用いたマトリクス型の表示装置を構成する場合
に各単位発光素子を構成するのに好適に用いることがで
きる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、面内方向においてドー
パントの種類及び濃度の少なくとも一方が異ならされた
複数の領域を有する結晶系シリコン基板を出発材料と
し、該結晶系シリコン基板を陽極酸化することにより表
面が多孔質化されてなる多孔質シリコン基板を用いて発
光素子が構成されているため、該多孔質シリコン基板の
上記ドーパントの種類及び濃度の少なくとも一方が異な
らされている複数の領域において多孔質シリコンの表面
状態が異ならされる。

【００４１】従って、表面状態の異なる複数の多孔質シ
リコン領域が、それぞれ異なる発光特性を発揮するた
め、全体としては、上記異なる発光特性の和となる発光
スペクトルが実現されるため、上記複数の領域における
ドーパントの種類及び濃度並びに複数の領域の配置等を
工夫することにより、従来得られなかった発光特性を有
する発光素子を提供することができ、発光スペクトルの
選択の自由度を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の実施例
において出発材料として用いられる単結晶シリコン基板
表面の各領域のドーピング条件を説明するための模式的
平面図。

【図２】陽極化成の工程を説明するための断面図。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、表１に示したド
ーピング条件ａ〜ｄでドーピングされた単結晶シリコン
基板を用いて構成された多孔質シリコンの発光スペクト
ルを示す図。

【図４】図３に示した発光スペクトルを測定するために
構成した発光素子を示す断面図。

【図５】本発明の一実施例の発光素子を説明するための
断面図。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図１（ａ）〜
（ｄ）に示したように各領域がドーピングされた単結晶
シリコン基板を出発材料として作製された多孔質シリコ
ン基板を用いた実施例の発光素子の発光スペクトルを示
す図。

【図７】本発明の一応用例としての表示装置を説明する
ための分解斜視図。

【符号の説明】

１〜４…単結晶シリコン基板１１…多孔質シリコン基板７…電極１２…電極２１…多孔質シリコン基板２２…電極２４…電極２５…発光素子３５…発光素子３４…電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】面内方向においてドーパントの種類及び
濃度の少なくとも一方が異ならされた結晶系シリコン基
板を、陽極酸化により表面を多孔質化してなる多孔質シ
リコン基板と、前記多孔質シリコン基板の両面に直接または間接に形成
されており、かつ前記多孔質シリコン基板に電圧を印加
するための電極とを備える、発光素子。