光电子材料、使用该材料的器件制造技术

一种光电子材料，它包括具有可控电学特性的均匀介质；以及分布于该介质中且平均微粒尺寸为１００ｎｍ或更小的半导体特细微粒，本发明专利技术还涉及使用该材料的应用器件。本发明专利技术也涉及光电子材料的制造方法，通过用激光辐射置于处在低压惰性气体环境下的反应室中一种半导体材料的第一靶以及置于该反应室中具有可控电学特性的第二靶，在置于反应室中的衬底上，凝聚／生长从第一靶烧蚀的半导体材料，以集中成为平均微粒尺寸为１００ｎｍ或更小的特细微粒。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光电子材料、其应用器件和制造该光电子材料的方法。尤其是，本专利技术涉及一种光电子材料，它包括作为核心的尺寸受控制的半导体特细微粒，由数量不限且不受环境沾污的材料形成，而且有优良的硅(Si)-LSI技术匹配、自发发光、快速响应、像素小型化、低功耗、高环境对抗力以及无装配工艺，本专利技术还涉及该光电子材料的应用器件以及制造此光电子材料的方法。
技术介绍
常规的发光器件包括已推广到实际应用的发光二极管和利用电致发光的器件。用于这些发光器件的光电子材料不是硅(Si)，而是主要包含周期表中II族元素和V族元素(以下叫做“III-V主族”)的复合半导体或主要包含周期表中II族元素和VI族元素的复合半导体。这是因为硅是一种间接跃迁半导体，带隙为1.1eV在近红外区域中，被认为不可能实现可见光范围内的发光器件。自从1990年在室温下观察到多孔Si的可见发光(例如，L.T.Canham在Applied Physics letters Vol.57，No.10，1046(1990)中所揭示的)以来，已对把Si作为基底材料的室温下可见发光特性作出了大量研究。这些报告中的大多数都与多孔Si有关。基本上通过使单晶Si衬底的表面在主要包含氟化氢的溶剂中阳极化来形成发光的多孔Si，迄今为止已观察到800nm(红)到425nm(蓝)范围内几个波长的光致发光(PL)。近年来，已尝试通过电流注入激发(电致发光；EL)(例如，5-206514号公开的未审查专利申请)来进行发光。这些多孔Si的EL具有以下特性。(1)虽然在强度上有所不同，但EL和PL的光谱示出基本上相同的形状。(2)在推测实际可使用的注入电流密度范围内，EL强度正比于注入电流。然而，注意在注入电流密度低于前一范围的范围内，已报道说EL强度正比于注入电流的平方。特性(1)示出通过近似相等的发光电平使载流子复合(受激的电子-空穴对)而引起EL和PL，特性(2)示出主要通过在p-n结附近注入少量载流子来实现EL所必需的载流子的产生。对于间接跃迁半导体Si的发射机理，有一种观点认为在多孔形状内纳米(nm)数量级的三维微小结构区域中放松了光跃迁的波数选择标准，从而保证电子-空穴对的放射性复合，还有一种观点认为在多孔Si的表面上形成许多复合的环形氧化物(聚硅氧烷)，在聚硅氧烷/Si界面处形成有助于放射性复合的新能级。在任一种情况下好象都可以确定，对于光致激发，因量子限制效应引起能带结构的变化(带隙能量增加的现象)。此外，多孔Si的发光具有近似0.3eV或更宽的频谱宽度。因此，为了在最初产生的连续光谱中增强特定波长范围的强度，已尝试使用此多孔Si来形成空腔结构(例如，L.Pavesi等人在Applied Physics Letters Vol.67，3280(1995)中所述)。由于常规的光电子材料使用主要由直接跃迁型III-V族元素或II-VI主族元素构成的复合半导体，然而，这些半导体还包含数量非常少且加工成本高而发射效率也高的元素(In或类似元素)。此外，作为一种半导体制造技术，与Si的精细构图相比，这些复合半导体的精细构图还不成熟，使得难于形成微米(μm)数量级或更小的精细图案。此外，III和V族元素在Si中用作掺杂剂，从而影响导电率。即，虽然自发发光器件主要由半导体材料构成，但与典型电子器件Si-LSI的工艺和器件技术匹配不良，基本上不可能用集成的Si和LSI制造器件。此外，一个主要的问题在于为了调节发射波长，必须改变材料类型(即，应发现新的材料)而且必须重新构成制造方法。对于发光的多孔Si，通过溶剂中的阳极化在单晶Si衬底的表面上形成多孔层，虽然多孔层中的结晶体具有优良的结晶度，但难于控制结晶体的形状和尺寸。要有效地生产粒子尺寸为5nm或更小的球状结晶体尤为困难。如果Si基IV族材料的可见发光机理是一种量子规模效应(波数选择标准放松且因量子限制效应或类似效应而引起能带结构变化)，产生粒子尺寸为nm数量级的球状结晶体仍是关键。因此，不能说这种制造技术是最佳的。在试图通过规则地排列多孔Si基发光元件并对它们进行独立操作来说明显示器件的性能时，也有困难。尤其是，由于在Si衬底中直接形成多孔Si，所以不可能在元件之间保持电气独立性(绝缘)。此外，不可能用类似于在可见光范围内有高透射率的其它透明材料来形成层叠结构。虽然揭示了在发光电极之间排列IV族元素微粒或其局部氧化微粒的方案(例如，第7-52670号公开的审查专利申请)，但难于控制其电学性质，而且它也不适用于各种类型的发光器件和光电检测器。因此，已有技术没有提供可通过控制电学性质而适用于各种类型的发光器件和光电检测器的光电子材料。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种光电子材料它包括数量不限且不受环境沾污的材料，该材料具有诸如Si-LSI技术匹配、自发发光、快速响应、像素小型化、低功耗、高环境对抗力和无装配工艺等特性，还提供了此光电子材料的应用器件以及制造此光电子材料的方法。为了实现此目的，依据本专利技术的光电子材料具有分布于基本上均匀的介质中的特细微粒，并可控制该介质的导电率或介电常数。这允许有效地实现和控制把载流子注入特细微粒中或把量子限制的载流子注入特细微粒。此外，依据本专利技术的光电子材料具有特细微粒分布层和透明材料层相互交替堆叠的周期性结构。这给光电子材料提供了这样的性能，即增强检测到或特细微粒所产生的连续光谱中特定波长区域的强度。此外，依据本专利技术的光电子材料具有包含特细微粒的有源层，还提供了把有源层夹在中间的高反射层和局部反射层。这可使检测到以及发射的光的波长变窄，并可增加强度。此外，使用上述任一种光电子材料来构成发光器件、显示器件或光电转换器件，这些器件的一对电极把光电子材料夹在中间从而与其直接接触，这样可适当地控制电极与光电子材料层之间的电气接触，以有效地实现发光或光电转换功能。主要使用这种显示器件来设计本专利技术的便携式显示设备。此设计可提供一种便携式显示设备，它适合于减少尺寸和重量并具有低功耗和高分辨率，它也适于用作HMD或电子字典。此外，依据本专利技术制造光电子材料的方法包括第一靶材料放置步骤，把第一靶材料置于低压惰性气体环境下的真空反应室中；第二靶材料放置步骤，把第二靶材料置于与第一靶材料以及作为环境元件的淀积衬底隔离的反应室中；烧蚀步骤，把激光束射到在第一靶材料放置步骤中所放置的第一靶材料上，使得对靶材料进行解吸和注入；以及蒸发步骤，使第二靶材料放置步骤中所放置的第二靶材料蒸发。由此结构，蒸发步骤中产生的材料集中在淀积衬底上，基本上与此同时，通过在烧蚀步骤中解吸和注入的材料在惰性气体环境中凝聚(condense)和生长而获得的特细微粒集中在淀积衬底上，从而获得一种光电子材料，其特细微粒分布于第二靶材料所构成的材料中。附图概述附图说明图1A到1C是依据本专利技术第一实施例的发光器件的剖面结构图；图2A和2B是示出发光器件的电流对电压特性曲线的图；图3是示出发光器件的发光强度对电流特性曲线的图；图4是示出发光器件的发光强度对占空比特性曲线的图；图5是示出发光器件PL和EL的发光强度对光子能量特性曲线的图；图6是示出发光器件的特细微粒的微粒尺寸与带隙能量之间关系的特性图；图7是依据本专利技术第二实施例的发光器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电子材料，其特征在于包括： 具有可控电学特性的均匀介质；以及 分布于所述介质中并具有１００ｎｍ或更小的平均微粒尺寸的半导体特细微粒。

【技术特征摘要】
JP 1996-6-19 157840/96;JP 1996-11-27 315934/96;JP 1.一种光电子材料，其特征在于包括具有可控电学特性的均匀介质；以及分布于所述介质中并具有100nm或更小的平均微粒尺寸的半导体特细微粒。2.如权利要求1所述的光电子材料，其特征在于所述半导体特细微粒的直径等于或小于所述特细微粒半导体材料的de Broglie波长的近似两倍。3.如权利要求1所述的光电子材料，其特征在于所述介质的电阻率与所述半导体特细微粒的电阻率近似相同或更大。4.如权利要求1所述的光电子材料，其特征在于分布于所述介质中的所述半导体特细微粒之间的距离等于或大于所述半导体特细微粒的半径。5.如权利要求1所述的光电子材料，其特征在于所述介质中所述半导体特细微粒的聚集率等于或小于30％。6.如权利要求1所述的光电子材料，其特征在于所述介质的标准形成焓低于分布于所述介质中的所述半导体特细微粒的标准形成焓。7.如权利要求1所述的光电子材料，其特征在于分布于所述介质中的所述半导体特细微粒覆盖有构成所述半导体特细微粒的元素的氧化物。8.如权利要求7所述的光电子材料，其特征在于所述介质的标准形成焓高于分布于所述介质中的所述半导体特细微粒的氧化物的标准形成焓。9.一种光电子材料，其特征在于包括特细微粒分布层，具有分布于具有可控电学特性的均匀介质中且平均微粒尺寸为100nm或更小的半导体特细微粒；以及透明材料层，所述特细微粒分布层与所述透明材料层相互交替堆叠。10.一种光电子材料，其特征在于包括特细微粒分布层，具有分布于具有可控电学特性的均匀介质中且平均微粒尺寸为100nm或更小的半导体特细微粒；以及置于所述特细微粒分布层的一个表面上的高反射层；以及置于所述特细微粒分布层的另一个表面上的局部反射层。11.如权利要求10所述的光电子材料，其特征在于所述局部反射层和所述高反射层中的至少一层是折射率不同的两种层相互堆叠的多层薄膜。12.如权利要求11所述的光电子材料，其特征在于所述所述特细微粒分布层包含在所述多层薄膜中。13.一种发光器件，其特征在于包括特细微粒分布层，具有分布于具有可控电学特性的均匀介质中且平均微粒尺寸为100nm或更小的半导体特细微粒；以及把所述特细微粒分布层夹在中间的一对电极，从而当把电压加到所述电极对时，载流子注入所述半导体特细微粒中，由载流子注入引起电子-空穴对的放射性复合产生发光。14.如权利要求13所述的光电子材料，其特征在于发光光子能量是可控制的。15.一种发光器件，其特征在于包括在半导体衬底的一个主表面上形成的第一电极；在所述半导体衬底的另一个主表面上形成并具有局部暴露所述半导体衬底的开口的绝缘体层；特细微粒分布层，通过所述开口与所述半导体衬底接触并具有分布于具有可控电学特性的均匀介质中且平均微粒尺寸为100nm或更小的半导体特细微粒；以及在所述特细微粒分布层上形成的第二电极。16.如权利要求15所述的发光器件，其特征在于当把电压加到所述第一电极和第二电极时，载流子注入所述半导体特细微粒中，由载流子注入引起电子-空穴对的放射性复合产生发光，发光强度的增加比正比于注入电流更为剧烈。17.一种单色显示器件，其特征在于包括发光元件，每个元件具有特细微粒分布层，具有分布于具有可控电学特性的均匀介质中且平均微粒尺寸为100nm或更小的半导体特细微粒；以及把所述特细微粒分布层夹在中间的一对电极，所述发光元件构成均匀而规则排列的单元像素，通过改变所述单元像素所述发光元件的激励电流来调节每个所述单元像素的发光强度。18.一种彩色显示器件，其特征在于包括发光元件，每个元件具有特细微粒分布层，具有分布于具有可控电学特性的均匀介质中且平均微粒尺寸为100nm或更小的半导体特细微粒；以及把所述特细微粒分布层夹在中间的一对电极，所述发光元件构成均匀而规则排列的单元像素，每个单元像素包括多个发出特定色彩的光的发光元件，其发光是由所述发光元件的所述特细微粒的平均微粒尺寸或表面原子排列而引起的，通过改变所述单元像素的所述发光元件的激励电流来调节每个所述单元像素的发光强度和色彩。19.一种具有如权利要求18所述显示器件的便携式显示设备。20.一种头部安装的显示器，其特征在于包括如权利要求18所述的显示器件；固定部件，用于把所述显示器件固定于待安放所述显示元件的人的头部；光学系统，用于给所述人的左右眼形成显示在所述显示器件上的信息。21.一种利用权利要求18所述的显示器件来显示信息的...

【专利技术属性】
技术研发人员：山田由佳，吉田岳人，武山茂，松田祐二，武藤胜彦，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]