(57)【要約】【課題】発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含ませることで、発光強度の強い、発光波長の半値幅の狭い発光素子を提供することを可能とする。【解決手段】シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有する発光層を備えた発光素子１であって、前記発光層は希土類元素を含有するとともに、多孔質半導体１２からなる量子井戸構造と、多孔質半導体１２の細孔１３中に形成された半導体量子井戸構造１５とを備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有する発光層を備えた発光素子であって、
前記発光層は希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、
前記多孔質半導体からなる量子井戸構造と、
前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造と
からなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記希土類元素は、
少なくとも前記多孔質半導体中に拡散してなる、
もしくは前記多孔質半導体表面に形成されてなり、
前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造の少なくとも周囲の一部に形成されてなる
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項４】
前記希土類元素は、
前記多孔質半導体の少なくとも周囲の一部に形成され、
かつ前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造の少なくとも周囲の一部に形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項５】
前記多孔質半導体と前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造との間に、
半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物の少なくとも一つの化合物、もしくは半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料が形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項６】
前記半導体材料は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちの少なくとも一つ、もしくはＳｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料からなる
ことを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
前記化合物は、窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つ、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とするシリコン化合物である
ことを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項８】
前記化合物中に、希土類元素が導入されている
ことを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項９】
前記多孔質半導体と前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造上に、
半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちの少なくとも一つの化合物、もしくは半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料が形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１０】
前記半導体材料は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちの少なくとも一つ、もしくはＳｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料からなる
ことを特徴とする請求項９記載の発光素子。
【請求項１１】
前記化合物は、窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つ、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とするシリコン化合物である
ことを特徴とする請求項９記載の発光素子。
【請求項１２】
前記化合物中に、希土類元素が導入されている
ことを特徴とする請求項９記載の発光素子。
【請求項１３】
前記多孔質半導体および前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造は、シリコン、ゲルマニウムおよびシリコン族半導体化合物材料から選択される少なくとも一つ、もしくはシリコン、ゲルマニウムおよびシリコン族半導体化合物材料の混合物を主成分とする半導体材料からなる
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１４】
前記多孔質半導体および前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造は、窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ＞０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つからなるシリコン化合物、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ＞０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とするシリコン化合物である
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１５】
前記多孔質半導体および前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造は、シリコンを主成分とする半導体材料である
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１６】
前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造は、半導体１次元量子井戸および半導体０次元量子井戸のうちの少なくとも一つである
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１７】
前記多孔質半導体は量子効果を発現する径を有する
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１８】
前記多孔質半導体の径は、
１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項１９】
前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造は量子効果を発現する大きさである
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項２０】
前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造の大きさは、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項２１】
前記希土類元素は、ユーロビウム（Ｅｕ）である
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２２】
上記希土類元素は、プラセオジウム（Ｐｒ）である
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２３】
前記希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）である
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２４】
前記希土類元素は、テルビウム（Ｔｂ）である
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２５】
前記希土類元素が、セリウム（Ｃｅ）である
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２６】
前記希土類元素は、ツリウム（Ｔｍ）である
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２７】
前記多孔質半導体上に前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２８】
前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料は、前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きなＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅのうちの少なくとも一つ、もしくはＳｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料からなる
ことを特徴とする請求項２７記載の発光素子。
【請求項２９】
前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料は、前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つの化合物、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からな混合物を主成分とするシリコン化合物である
ことを特徴とする請求項２７記載の発光素子。
【請求項３０】
前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料は、ＳｉＯ2を主成分とする化合物である
ことを特徴とする請求項２７記載の発光素子。
【請求項３１】
シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなる発光層を備えた発光素子の製造方法であって、
前記多孔質半導体は、
陽極化成法により半導体を多孔質化して多孔質半導体を形成する第１工程と、
前記多孔質半導体に希土類元素を導入する第２工程と
を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項３２】
前記第２工程の後に、前記希土類元素含有の多孔質半導体上に前記希土類元素含有の多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料を形成する第３工程
を備えたことを特徴とする請求項３１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３３】
前記第２工程における希土類元素の導入は、無電解めっき法で行う
ことを特徴とする請求項３１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３４】
前記第２工程における希土類元素の無電解めっきは、
希土類元素の硫酸塩と、
クエン酸ナトリウムと、
次亜リン酸ナトリウムと、
硫酸アンモニウムと
を用いることを特徴とする請求項３３記載の発光素子の製造方法。
【請求項３５】
前記第２工程における希土類元素の無電解めっきは、
希土類元素の硫酸塩と、
酒石酸ナトリウムと、
次亜リン酸ナトリウムと、
ホウ酸と
を用いることを特徴とする請求項３３記載の発光素子の製造方法。
【請求項３６】
前記第３工程における前記半導体材料は、化学気相法もしくはスパッタ法により作製される
ことを特徴とする請求項３１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３７】
前記第３工程の次に熱処理を施す第４工程を備えた
ことを特徴とする請求項３１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３８】
前記第４工程の熱処理は、８００℃以上１５００℃以下の温度で、１０秒以上３００分以下の時間で行う
ことを特徴とする請求項３７記載の発光素子の製造方法。
【請求項３９】
前記第２工程と前記第３工程との間に、
熱処理を施す第５工程を備えた
ことを特徴とする請求項３１記載の発光素子の製造方法。
【請求項４０】
前記第５工程の熱処理は、８００℃以上１５００℃以下の温度で、１０秒以上３００分以下の時間で行う
ことを特徴とする請求項３９記載の発光素子の製造方法。
【請求項４１】
シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなる発光層を有する発光素子を備えた
ことを特徴とする表示装置。
【請求項４２】
前記発光層は、
多孔質半導体からなる量子井戸構造と、
多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造と
からなることを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【請求項４３】
前記希土類元素は、
少なくとも前記多孔質半導体中に拡散してなる、
もしくは前記多孔質半導体表面に形成されていて、
かつ前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造の少なくとも周囲の一部に形成されている
からなることを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【請求項４４】
前記希土類元素は、
前記多孔質半導体の少なくとも周囲の一部に形成され、
かつ前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造の少なくとも周囲の一部に形成されている
からなることを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【請求項４５】
前記多孔質半導体と前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造との間に、
半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物の少なくとも一つの化合物、もしくは半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料が形成されている
からなることを特徴とする請求項４２記載の表示装置。
【請求項４６】
前記多孔質半導体と前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造上に、
半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちの少なくとも一つの化合物、もしくは半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料が形成されている
からなることを特徴とする請求項４２記載の表示装置。
【請求項４７】
前記多孔質半導体上に前記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料が形成されている
からなることを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【請求項４８】
前記発光素子はエレクトロルミネッセンスデバイスである
ことを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【請求項４９】
前記発光素子は、真性エレクトロルミネッセンスデバイスである
ことを特徴とする請求項４８記載の表示装置。
【請求項５０】
前記発光素子は、電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスである
ことを特徴とする請求項４８記載の表示装置。
【請求項５１】
前記発光素子は、光励起型発光デバイスである
ことを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【請求項５２】
前記発光素子は、電子励起型発光デバイスである
ことを特徴とする請求項４１記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイやバックライトなどの発光デバイスに応用可能なもので、発光層に、半導体２次元量子井戸構造、半導体量子細線もしくは半導体量子ドットと、希土類元素イオンとを含んだ発光素子、発光素子の製造方法およびこの発光素子を用いた表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
また、表示装置（ディスプレイ）においては、本格的なハイビジョン放送やブロードバンドネットワーク時代が到来し、その中核を担う表示装置には、さらなる高画質化、大画面化が求められている。これまでディスプレイの主流であったブラウン管（ＣＲＴ）は、自発光型ディスプレイで、応答速度が速く、鮮やかな色彩と、広い視野角を持つメリットがあった。しかし、ＣＲＴには、電子銃や偏向ヨークなど、重く、大きな装置が必要な上、さらに、電子ビームが大画面を走査できるだけの、十分長い、蛍光体／電子銃間距離が必要なため、大画面を実現するためには、その構造上、重量が重くなり、奥行きが長くなるというデメリットがある。
【０００３】
一方、各種薄型表示装置に先駆けて、薄型化、軽量化を実現し、市場に登場したのが、液晶表示装置（ＬＣＤ）である。液晶表示装置は、結晶でありながら固体ではなく液体の状態にある液晶を用いるもので、細長い棒状の形をしたエステル系やビフェニル系の液晶分子が二枚のガラス板の間に封じ込められて構成されている。液晶表示装置は、〔１〕ガラス板の溝に沿って液晶分子が並ぶ、〔２〕電圧をかけると液晶分子の並び方が変わる、〔３〕光は、液晶分子の並んだ向きに沿って進むという、液晶自身の性質を利用して機能している。
【０００４】
現在、液晶表示装置に次ぐ、様々な薄型表示装置が開発されている。
【０００５】
例えば、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）は、液晶表示装置に続いて市場に登場した薄型表示装置であり、現在、大型の薄型表示装置の領域において、徐々にシェアを拡大しつつある。ＰＤＰは、プラズマ放電により発光される紫外線を励起光に用いて、蛍光体を発光させるメカニズムで、発光素子を光らせている。
【０００６】
フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）は、ＣＲＴと同様に、電子励起により蛍光体を発光させるメカニズムで、発光素子を光らせている。ＣＲＴが熱放射により、電子ビームを取り出しているのに対し、ＦＥＤは電界放出型電子源（ミクロンサイズの電子銃）により、各画素ピッチ毎に電子ビームを取り出しているため、ディスプレイの薄型化が可能になっている。
【０００７】
Surface-Conduction Electron-Emitter Display（ＳＥＤ）は、ＦＥＤと同じく、電子を励起源としたディスプレイで、電子源からトンネリング効果により、取り出した電子により、蛍光体を励起し、発光させるメカニズムで、発光素子を光らせている。ＦＥＤよりも低電圧化が可能であり、実現が期待されている、薄型ディスプレイの一つである。
【０００８】
現在、薄型ディスプレイ分野で大きなシェアを獲得している液晶表示装置だが、この液晶表示装置を将来凌駕するものとして期待されているのが、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）表示装置である。有機ＥＬ表示装置は、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＳＥＤと同じく自発光型表示装置であり、発光単位（画素ピッチ）毎に発光を制御できるために視野角の問題が無く、歪みのない、鮮明な高画質を実現できる上、磁気の影響を受けにくいなどの利点がある。
【０００９】
また、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＳＥＤと違い、有機ＥＬディスプレイは、電気を光にかえるエレクトロルミネッセンスという現象を利用したディスプレイであるため、熱によるエネルギーのロスが少なく、消費電力が小さくなるという利点がある。また、発光セルが固体からできているため、フレキシブルな表示装置も、原理的には可能になる。
【００１０】
また、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＳＥＤは薄いと言っても、プラズマを封じ込める数ｍｍ程のスペースや、電子を加速させるための真空スペース、およびこれらを確保するための頑丈な透明基板が必要となるが、これらの必要の無い有機ＥＬ表示装置は、１ｍｍ以下の薄型化が可能である。これらの利点から、将来の表示装置（ディスプレイ）の本命と期待され、現在、開発が進められており、携帯電話用の小型ディスプレイの搭載が実現されている。
【００１１】
上述したように、薄型ディスプレイとして、様々なディスプレイの製造、開発が行われているが、各々、性能、消費電力、製造コストなどに、様々な課題を抱えている。
【００１２】
現在、ガラス基板の大型化技術の向上により、５０インチを超える大型ＬＣＤが開発されてきたり、３次元技術などの高機能化技術の進歩により、ディスプレイの分野で、ＣＲＴを追い越す勢いで伸びているＬＣＤだが、液晶分子を用いる発光原理そのものに起因する、固有の課題がある。
【００１３】
一つに、ＣＲＴに比べて視野角が狭く、明暗のムラや色ムラが生じやすいという課題がある。これは、棒状の液晶分子のねじれた並びを利用して光の向きを操作しているためで、ディスプレイを見る角度によって、明るく見えたり、暗く見えたりする。現在、In-Plane Switching技術、Vertical Alignment技術、Multi-Domain技術やその組み合わせ等により、視野角の狭さは、改善されてきてはいるものの、バックライトの光が吸収されやすい構造となるため、より高い発光強度のバックライトが必要な状態となり、消費電力が増加する傾向にあるなど、課題が生じている。
【００１４】
また、色深度（color depth）の問題がある。ＣＲＴの場合、蛍光体にぶつける電子の量をアナログ的に、変化できるため、無限の色彩と、明るさを表現できるが、ＬＣＤの場合は、液晶セルにかける電圧を操作し、バックライトの光を通す量を段階的に調整しているため、微妙な色表現ができないという課題がある。
【００１５】
また、レスポンス速度が遅いという課題がある。ＣＲＴの場合は、電子ビーム速度が速いため、レスポンスの問題はほとんど無いが、ＬＣＤの場合、液晶分子自身の動きにより、動画を表示しているため、タイムラグが生じてしまう。具体的には、パッシブマトリックス駆動のＬＣＤの場合は、レスポンスは１５０ｍｓ以上、動画表示に向いている標準的なアクティブマトリックス駆動のＬＣＤの場合は、レスポンスは４０ｍｓ程度、現状、最もレスポンスの早いＭＶＡの場合は、２５ｍｓ程度のタイムラグがある。
【００１６】
また、消費電力については、ＣＲＴに比べると、低いが、視野角やレスポンス等の改善による高機能化に伴い、光が吸収されやすい構造に向かっており（現状、バックライトから発光される光の１０％程度しか、ディスプレイ表面に取り出せていない）、消費電力が増加している。
【００１７】
また、製造工程が複雑な事、基板にコストのかかるガラスを使用している事などにより、ＣＲＴに比べコストが高く、将来的にも安くすることが、困難であるという課題がある。
【００１８】
大型ディスプレイにおいて、シェアを獲得しつつある、ＰＤＰだが、プラズマを発生させるためには、高電圧と高い出力が必要である事、プラズマを封じ込めるだけの十分な高シール性能を実現するために、頑丈なガラス基板が必要な事など、その発光原理により、ディスプレイの小型化が困難で、消費電力が大きく、製造コストが高いという問題がある。
【００１９】
ＰＤＰに次いで実現が期待されているＦＥＤだが、電界放出型電子源から電子を放出し、加速させるため、高電圧が必要な事、電子源の加工が困難な事、放出された電子を加速させる真空のスペースを設けるための高シール性能を実現する頑丈なガラス基板が必要である事など、その発光原理により、ディスプレイの小型化が困難で、消費電力が大きく、製造コストが高いという問題がある。
【００２０】
現在、電界放出型電子源に、カーボンナノチューブを使用する事で、低電圧化の検討が進められている。
【００２１】
ＳＥＤは、ＦＥＤ同様、電子を加速させるための高電圧が必要な事、放出された電子を加速させる真空スペースを設けるための高シール性能を実現する頑丈なガラス基板が必要な事など、その発光原理により、ディスプレイの小型化は困難だと考えられ、また、ＰＤＰに比べ、３分の１程度に抑えられると期待されてはいるが、消費電力が依然大きいという問題や、また製造コストが高いという問題がある。
【００２２】
将来が期待されている有機ＥＬディスプレイだが、大型化を実現するためには、多くの課題をクリアする必要がある。有機ＥＬディスプレイの抱えている大きな課題の一つに、寿命の問題がある。発光素子を構成する発光層、正孔輸送層、電子輸送層などの有機分子や、電子を効率よく注入する（電子注入障壁の低い）マグネシウム合金、カルシウムなどの陰極材料は、酸素や水分に弱く、酸素・水分と反応し、ディスプレイ上に、暗点・滅点が生じるとともに、輝度を低下させるという課題がある。改善されてはきているが、現状、長寿命が求められる大型ディスプレイの性能を満足させるだけの十分な寿命が得られておらず、素子自身の改良や外部要因を遮断する技術の向上が求められている。現時点において、外部要因を遮断するためには、ＬＣＤなどで使われているガラス基板を用いる必要があり、厚み、コストの面から、期待に応えられていない。
【００２３】
また、有機ＥＬディスプレイの発光素子は、数ｎｍ〜数十ｎｍレベルの非常に薄い有機層から形成されているため、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＳＥＤでは実現できない超薄膜ディスプレイが可能となるが、逆に、非常に薄く膜厚を制御する必要があるため、大面積での有機層の薄膜制御技術がネックとなっており、大型有機ＥＬディスプレイ実現に向けての、大きな障壁となっている。その他、大型有機ＥＬディスプレイを実現するためには、多くの課題があるのが実情である。
【００２４】
そこで、現在注目されているのが、発光素子に、シリコンを主成分とする希土類元素を含んだ表示装置である。シリコンは、典型的な間接遷移型半導体であるため、従来、発光素子には用いられてこなかった。そのため、発光素子用半導体の多くは、ＧａＡｓ等のIII−Ｖ族やII−VI族の、化合物半導体材料が用いられてきた。しかし、最近、希土類元素を発光センターに用いた、シリコンを主成分とする発光素子の検討が行われるようになってきた（例えば、特許文献１、２、３参照。）。
【００２５】
また、シリコンを主成分とする希土類元素含有発光素子として、多孔質シリコンに希土類元素を導入した発光材料が高い発光効率を有することから、最近、注目されている。
【００２６】
【特許文献１】特開平９−２９５８９１号公報
【特許文献２】特表２００２−５３６８５０号公報
【特許文献３】特開２００１−２０３３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
解決しようとする問題点は、エルビウムなどの希土類元素を、酸化シリコン（ＳｉＯ2）のようにバンドギャップの大きな材料中に、形成・添加し、光励起や電子線励起により、発光させる研究が行われているが、実際に、電子デバイスとして、電流注入により発光させる場合、絶縁物である酸化シリコン（ＳｉＯ2）に電流を流すことになる。しかしながら、酸化シリコン（ＳｉＯ2）の電気抵抗が大きいためにほとんど電流は流れず、十分な発光強度を得る事は困難だと考えられている点である。また、多孔質半導体に、希土類元素を導入した発光材料よりもさらに高い発光効率の発光素子、およびこれを用いた表示装置が求められている。
【００２８】
また、希土類元素を導入する方法として、イオン注入、蒸着、スパッタリング、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いる場合には、高真空状態で希土類元素の導入を行う必要がある点であり、また、熱拡散法、電解析出法を用いる場合には、表示装置の画素の最小単位となる画素ピッチごとに、各赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）に対応した希土類元素を導入することが、プロセス上、困難である点であり、これらの問題点を解決する製造方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の発光素子は、シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有する発光層を備えた発光素子であって、前記発光層は希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなることを最も主要な特徴とする。特に、前記発光層は、前記多孔質半導体からなる量子井戸構造と、前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造とからなるものである。
【００３０】
本発明の発光素子の製造方法は、シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなる発光層を備えた発光素子の製造方法であって、前記多孔質半導体は、陽極化成法により半導体を多孔質化して多孔質半導体を形成する第１工程と、前記多孔質半導体に希土類元素を導入する第２工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。特に、希土類元素は無電解めっき法により導入することを特徴とする。
【００３１】
本発明の表示装置は、シリコンを主成分とするもので希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなる発光層を有する発光素子を備えたことを最も主要な特徴とする。特に、前記発光層は、前記多孔質半導体からなる量子井戸構造と、前記多孔質半導体の細孔中に形成された半導体量子井戸構造とからなるものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の発光素子は、発光層は希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体からなるため、発光センターとして導入された希土類元素の発光効率が高い発光素子とすることができる。例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素を分散させただけの発光素子と比べて、より低電圧で、大きな電流を流すことができるので、発光強度の大きな、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能となるという利点がある。これは、半導体量子井戸構造にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になると考えられ、この時、半導体量子井戸構造の近傍に希土類元素（例えば希土類元素イオン）が存在すると、半導体量子井戸構造に閉じ込められたキャリアのエネルギーが、希土類元素に移送され、希土類元素の殻内遷移により、発光が生じるものと考えられ、この場合、半導体量子井戸構造が存在せず、ホットエレクトロンのみによって、希土類元素の殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られる。さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、半導体量子井戸構造を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。
【００３３】
本発明の発光素子の製造方法は、発光層に希土類元素とともに半導体量子井戸構造を含むため、例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素イオンを分散させただけの発光素子と比べて、より低電圧で、大きな電流を流すことができる発光層を製造することができるので、発光強度の大きな、半値幅の狭い発光波長を得る発光層を形成することが可能となるという利点がある。これは、半導体量子井戸構造にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になると考えられ、この時、半導体量子井戸構造の近傍に希土類元素イオンが存在すると、半導体量子井戸構造に閉じ込められたキャリアのエネルギーが、希土類元素イオンに移送され、希土類元素イオンの殻内遷移により、発光が生じるものと考えられ、この場合、半導体量子井戸構造が存在せず、ホットエレクトロンのみによって、希土類元素イオンの殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られる。さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、半導体量子井戸構造を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。また、希土類元素の導入方法に、無電解めっき法を用いたことによって、より容易で、消費電力の低減と、製造コストの低減が可能な製造方法を提供することができる。
【００３４】
本発明の表示装置は、本発明の発光素子を用いるため、本発明の発光素子と同様なる作用、効果を得ることができるという利点がある。しかも、発光素子は、自発光で、磁気の影響を受けにくく、大型にしても歪みのない、鮮明で高画質な画像で、高視野角のディスプレイを得ることが可能となる。さらに、他の薄型ディスプレイにくらべ、さらなる軽量化・薄型化を実現できる上、さらなる低消費電力化、低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
発光強度の大きく、かつ半値幅の狭い発光波長を得る発光素子を得るという目的を、半導体量子井戸構造と希土類元素とを含む多孔質半導体を発光層に用いることで実現し、また、希土類元素の導入方法として無電解めっき法を用いることで、比較的容易かつより低消費電力なプロセスで実現し、さらに、表示装置にその発光素子を用いることで、自発光で、磁気の影響を受けにくく、大型にしても歪みのない、鮮明で高画質な画像で、高視野角の表示装置を得ることを実現した。さらに、他の薄型の表示装置にくらべ、さらなる軽量化・薄型化が実現できる上、さらなる低消費電力化、低コスト化を可能にした。
【実施例１】
【００３６】
本発明の発光素子に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００３７】
図１に示すように、発光素子１が形成される基板１１としてシリコン基板を用いる。この基板１１上には、希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２が形成されている。この多孔質半導体１２は、例えば陽極酸化によりシリコンを多孔質化して形成されたものである。また、多孔質半導体１２には希土類元素が含有されている。上記多孔質半導体１２には細孔１３が形成され、この細孔１３には第１材料層１４を介して半導体量子井戸構造１５が形成されている。上記半導体量子井戸構造１５は、例えば１次元量子井戸（通称：量子細線）および０次元量子井戸（通称：量子ドット）のうちの少なくとも一方で形成されている。上記第１材料層１４は、シリコンを主成分とするものであり、例えば酸化シリコンで形成されている。
【００３８】
上記半導体量子井戸構造１５は、例えばシリコン、ゲルマニウムおよびシリコン族半導体化合物材料から選択される少なくとも一つ、もしくはシリコン、ゲルマニウムおよびシリコン族半導体化合物材料の混合物を主成分とする半導体材料からなる。上記シリコン族半導体化合物材料としては、例えばシリコンゲルマニウムがあげられる。もしくは、上記半導体量子井戸構造１５は、窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ＞０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つからなるシリコン化合物、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ＞０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とするシリコン化合物からなる。
【００３９】
また、上記多孔質半導体１２上には、シリコンを主成分とする第２材料層１６が形成されている。この第２材料層１６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）層で形成される。
【００４０】
上記希土類元素は、少なくとも上記多孔質半導体１２中（細孔１３内を含む）に拡散してなる、もしくは上記多孔質半導体１２表面（例えば、多孔質半導体１２の少なくとも周囲の一部（近傍））に形成されてなり、多孔質半導体１２の細孔１３中に形成された半導体量子井戸構造１５の少なくとも周囲の一部（近傍）に形成されてなるものである。言い換えれば半導体量子井戸構造１５の近傍の上記第１材料層１４および第２材料層１６に希土類元素が導入されている。上記希土類元素は、イオン注入法、スパッタ法、電解析出法、無電解めっき法の少なくとも一つにより導入される。
【００４１】
上記多孔質半導体１２と上記半導体量子井戸構造１５との間には、第１材料層１４が形成されている。この第１材料層１４は、上記説明では、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるものであるが、例えば、半導体酸化物（ＳｉＯ2）、半導体窒化物（ＳｉＮ）および半導体炭素化物（ＳｉＣ）の少なくとも一つの化合物、もしくは半導体酸化物（ＳｉＯ2）、半導体窒化物（ＳｉＮ）および半導体炭素化物（ＳｉＣ）のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料が形成されることもできる。この半導体材料は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちの少なくとも一つ、もしくはＳｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料からなるものである。上記化合物は、窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つ、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からな混合物を主成分とするシリコン化合物である。上記化合物中には、希土類元素が導入されていてもよい。本第１実施例では、先に説明したように、上記多孔質半導体１２と上記半導体量子井戸構造１５との間には、酸化シリコンからなる第１材料層１４が形成されている。
【００４２】
また、上記多孔質半導体１２と上記半導体量子井戸構造１５上には、半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちの少なくとも一つの化合物、もしくは半導体酸化物、半導体窒化物および半導体炭素化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料が形成されている。上記半導体材料は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちの少なくとも一つ、もしくはＳｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料からなる。上記化合物は、窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つ、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とするシリコン化合物である。上記化合物中に、希土類元素が導入されていてもよい。本第１実施例では、先に説明したように、上記多孔質半導体１２と上記半導体量子井戸構造１５上には、酸化シリコンからなる第２材料層１６が形成されている。
【００４３】
上記多孔質半導体１２および上記半導体量子井戸構造１５は、シリコンを主成分とする半導体材料である。上記半導体量子井戸構造１５は、半導体１次元量子井戸および半導体０次元量子井戸のうちの少なくとも一つである。
【００４４】
上記多孔質半導体１２は量子効果を発現する径を有するものである。この多孔質の孔径は、例えば、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内である。また、上記半導体量子井戸構造１５は量子効果を発現する大きさであり、例えば、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内にある。言い換えれば、半導体量子井戸構造１５が量子効果を発現するには、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内にある必要があり、その半導体量子井戸構造１５が細孔１３内に形成されるには、細孔１３の孔径は、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内でなければならない。
【００４５】
上記希土類元素は、ユーロビウム（Ｅｕ）が用いられる。この場合、上記発光素子１は赤色を発光する。
【００４６】
上記希土類元素は、プラセオジウム（Ｐｒ）が用いられる。この場合、上記発光素子１は赤色を発光する。
【００４７】
上記希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）が用いられる。この場合、上記発光素子１は橙色を発光する。
【００４８】
上記希土類元素は、テルビウム（Ｔｂ）が用いられる。この場合、上記発光素子１は緑色を発光する。
【００４９】
上記希土類元素は、セリウム（Ｃｅ）が用いられる。この場合、上記発光素子１は青色を発光する。
【００５０】
上記希土類元素は、ツリウム（Ｔｍ）が用いられる。この場合、上記発光素子１は青色を発光する。
【００５１】
また、上記希土類元素は、複数種の希土類元素を用いることができる。この場合の発光色は、例えば、上記発光素子１に導入した希土類元素イオンが発光する特有の発光色の混色となる。
【００５２】
上記第１実施例では、希土類元素が多孔質半導体１２に含有されている場合についてのみ言及したが、希土類元素は、多孔質半導体１２および多孔質半導体１２の細孔１３中に形成されたシリコン量子井戸構造１５の近傍、すなわち、第１材料層１４、第２材料層１６に形成されている場合についても、同様の効果が期待できる。
【実施例２】
【００５３】
次に、本発明の発光素子に係る第２実施例を、図２の概略構成断面図によって説明する。
【００５４】
図２に示すように、発光素子２が形成される基板１１としてシリコン基板を用いる。ここの基板１１上には、希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体１２が形成されている。この多孔質半導体１２は、例えば陽極酸化によりシリコンを多孔質化して形成されたものである。上記多孔質半導体１２には細孔１３が形成され、この細孔１３には多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料１７が形成されている。この細孔１３で囲まれた多孔質半導体１２が半導体量子井戸構造となる。
【００５５】
上記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料１７は、上記多孔質半導体１２よりもバンドギャップの大きなＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅのうちの少なくとも一つ、もしくはＳｉ、ＧｅおよびＳｉＧｅのうちから選択された複数の化合物からなる混合物を主成分とする半導体材料からなる。上記多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料１７は、上記多孔質半導体１２よりもバンドギャップの大きな窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちの少なくとも一つの化合物、もしくは窒化シリコン、炭化シリコンおよびＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表されるシリコン酸化物のうちから選択された複数の化合物からな混合物を主成分とするシリコン化合物である。例えば、ＳｉＯ2を主成分とする化合物である。
【００５６】
本発明の発光素子１、２では、発光層が希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２からなるため、発光センターとして導入された希土類元素の発光効率が高い発光素子とすることができる。例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素を分散させただけの発光素子と比べて、より低電圧で、大きな電流を流すことができるので、発光強度の大きな、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能となるという利点がある。これは、半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になると考えられ、この時、半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２の近傍に希土類元素（例えば希土類元素イオン）が存在すると、半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２に閉じ込められたキャリアのエネルギーが、希土類元素に移送され、希土類元素の殻内遷移により、発光が生じるものと考えられ、この場合、半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２が存在せず、ホットエレクトロンのみによって、希土類元素の殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られる。さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、半導体量子井戸構造１５を含む多孔質半導体１２を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。
【実施例３】
【００５７】
次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第１実施例を、図３〜図４の製造工程断面図によって説明する。
【００５８】
第１工程は、陽極化成法により、単結晶シリコンを多孔質シリコンとして多孔質半導体１２を形成する。
【００５９】
図３（１）に示すように、具体的には、まず、例えば真空蒸着法により、抵抗率が３Ωｃｍ程度の、ボロン含有ｐ型シリコン単結晶（１１１）からなる半導体基板３１の裏面にアルミニウムを蒸着してアルミニウム電極３２を形成する。このアルミニウム電極３２を形成した後、不活性雰囲気（窒素若しくは希ガス（例えばアルゴン））下で、３００℃〜６００℃の温度で、例えば約５分間、熱処理を行い、半導体基板３１とアルミニウム電極３２とのオーミックコンタクトをとる。このようにして、アルミニウム電極３２が形成された半導体基板３１を用意する。次いで、陽極化成法により、アルミニウム電極３２が形成された半導体基板３１を多孔質化して多孔質半導体を形成する。上記半導体基板３１の陽極化成に用いるエッチング溶液４１は、例えば、１０wt％〜６０wt％のフッ酸溶液をエタノールにより５０vol.％に希釈したものである。
【００６０】
上記半導体基板３１の裏面に形成したアルミニウム電極３２に、銀ペースト（図示せず）などで銅線３３を取り付ける。銅線３３を取り付けた後、アルミニウム電極３２や銀ペースト、銅線３３がエッチング溶液に接触しないように、それらを被覆するポリマーで保護膜３４を形成してから陽極化成処理を行う。
【００６１】
上記裏面を保護膜３４を形成した上記半導体基板３１を陽極にし、対極（陰極）に、プラチナ電極３５を用い、所望の深さ、大きさの多孔質シリコンからなる多孔質半導体になるように、例えば、水銀ランプ照射しながら、電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2〜１００ｍＡ／ｃｍ2、処理時間が数十秒〜数時間の範囲で陽極酸化を行う。これらの条件を適宜設定して半導体基板３１の陽極酸化を行うことで、半導体基板３１を多孔質化処理して、数十ｎｍ〜数十μｍの厚さの多孔質シリコンからなる多孔質半導体を形成する。
【００６２】
上記多孔質半導体は、孔径が例えば数ｎｍ〜数百ｎｍの多数の細孔を有する。この多孔質半導体の多孔度は、例えば数％〜６０％程度の範囲で制御することができる。また、多孔質半導体は、シリコン基板３１の結晶性を保持した単結晶である。なお、実際には、多孔質半導体を形成した後、超純水で洗浄し、エッチング溶液を洗い流す工程が行われる。
【００６３】
なお、本実施例では、陽極化成のエッチング溶液について、１０wt％〜６０wt％のフッ酸溶液を、エタノールにより、５０vol.％に希釈したものについてのみ言及したが、これに限定される効果ではない。また、本実施例では、水銀ランプによる照射についてのみ言及したが、室内照明、キセノンランプ、ハロゲンランプなどを用いても、また無照明でも、同様の効果が期待できる。また、本実施例では、多孔質半導体材料として、Ｓｉについてのみ言及したが、ＳｉＯ2-x（２＞ｘ＞０）で表されるシリコン系酸化物や、シリコンを主成分とする窒化シリコンなどのシリコン化合物や、その混合物、Ｇｅ等、いわゆるシリコン族材料や、その混合物、他の半導体材料やその混合物を用いても、同様の効果が期待できる。また、本実施例では、発光層を形成する基板として、シリコン基板にのみ言及したが、他の材料からなる基板を用いても、同様の効果が期待できるが、トランジスタと一体形成できることから、シリコン基板であることがより好ましい。
【００６４】
次に、無電解めっき法により、多孔質半導体１２に、希土類元素を導入する第２工程を行う。
【００６５】
図３（２）に示すように、第２工程の無電解めっき工程で用いるめっき浴の一つとして、水酸化物沈殿防止とめっき速度の調整を行うため、めっき浴４２中でめっき層を形成するイオンと、安定な可溶性錯体を形成する錯化剤として、クエン酸ナトリウムを用い、めっき層を形成する材料を析出させる還元剤として、次亜リン酸ナトリウムを用い、めっき浴４２の分解を防止する安定剤として硫酸アンモニウムを用いるものがある。このめっき浴４２に、希土類元素の硫酸塩を溶解し、ｐＨが８程度になるように、ＮＨ4ＯＨ溶液を加え、９０℃に加熱する。そして、上記第１工程の処理が済んだ多孔質半導体１２（半導体基板３１）を上記めっき浴４２に浸漬して、所望の量の希土類元素を多孔質半導体１２中に導入する。この結果、図示はしないが、基板１１上部に希土類元素を含む多孔質半導体１２が形成される。なお、アルミニウム電極３２はマスク３４により被覆されている。
【００６６】
上記第２工程で用いるめっき浴の別例の一つとしては、水酸化物沈殿防止とめっき速度の調整を行うため、めっき浴中でめっき層を形成するイオンと、安定な可溶性錯体を形成する錯化剤として、酒石酸ナトリウムを用い、めっき層を形成する材料を析出させる還元剤として、次亜リン酸ナトリウムを用い、めっき浴のｐＨを安定化させる緩衝剤としてホウ酸を用いるものがある。
【００６７】
このめっき浴に希土類元素の硫酸塩を溶解し、ｐＨが９程度になるように水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液を加え、９０℃に加熱する。
【００６８】
第１工程の処理が済んだ多孔質半導体１２を、上記めっき浴に所望の量の希土類元素が導入されるまで浸漬する。
【００６９】
以上、無電解めっき法により、希土類元素を含有する多孔質半導体１２を形成する。
【００７０】
なお、実際には、無電解めっき処理後、超純水で洗浄し、めっき浴溶液を洗い流す工程が行われる。また、多孔質シリコン層の細孔中に拡散、もしくは多孔質半導体１２表面に形成された希土類元素は、本実施例では、無電解めっき法についてのみ言及されているが、イオン注入法、もしくはスパッタ法、もしくは電解析出法を用いても、同様の効果が期待できる。また、多孔質半導体１２と、多孔質半導体１２の細孔中に形成されたシリコン量子井戸構造間に形成される酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜中、および多孔質半導体１２と、多孔質半導体１２の細孔中に形成されるシリコン量子井戸構造上に形成される酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜中に希土類元素が形成される場合、希土類元素は、イオン注入法、もしくは酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜との同時スパッタ法より形成することもできる。
【００７１】
次に、熱処理工程（第５工程）を行う。この熱処理工程では、希土類元素を含有する上記多孔質半導体１２について、８００℃〜１５００℃の温度で、１０秒〜３００分の時間の熱（アニール）処理を行う。この熱処理により、希土類元素が活性化されるとともに、洗浄で洗い流せなかった付着した不純物を除去することができる。この結果、図４（３）に示すように、希土類元素２１が形成された多孔質半導体１２が形成される。以下、希土類元素２１は多孔質半導体１２と一体のものとして説明する。なお、熱処理は、後に説明する熱処理工程で行っても良い。
【００７２】
次に、第３工程を行う。この第３工程では、図４（４）に示すように、プラズマ化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition＝ＰＥＣＶＤ）法により、希土類元素を含有した多孔質半導体１２の細孔１３内壁、および多孔質半導体１２上に第１材料層１４として酸化シリコン（ＳｉＯ2）層を成膜する。なお、本実施例では、ＳｉＯ2の成膜は、ＰＥＣＶＤ法で行うが、ＰＥＣＶＤ法に限定されたものではなく、スパッタ法や分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法などの他の成膜方法を用いても、同様の効果が期待できる。また、本実施例では、ＳｉＯ2の成膜について言及しているが、ＳｉＯ2に限定されたものではなく、窒化シリコン（ＳｉＮ）や、炭化シリコン（ＳｉＣ）やＳｉＯ2-x（２＞ｘ≧０）で表される酸化シリコンなどのシリコン化合物の少なくとも一つか、それらの混合物を主成分とするシリコン化合物を用いても、同様の効果が期待できる。また、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等のシリコン族半導体化合物材料の少なくとも一つか、それらの混合物を主成分とする半導体材料を用いても、同様の効果が期待できる。また、半導体酸化物、半導体窒化物、半導体炭素化物などの化合物の少なくとも一つか、それらの混合物を主成分とする半導体材料を用いても、同様の効果が期待できる。
【００７３】
次に、図４（５）に示すように、ＰＥＣＶＤ法によって、上記第１材料層１４に半導体量子井戸構造を形成するためのシリコン（Ｓｉ）組成物１８を成膜する。これにより、希土類元素を含有した多孔質半導体１２の細孔１３中に、シリコン組成物１８が形成される。なお、本実施例では、シリコン組成物の成膜は、ＰＥＣＶＤ法で行うが、ＰＥＣＶＤ法に限定されたものではなく、スパッタ法やＭＢＥ法などの他の成膜方法を用いても、同様の効果が期待できる。
【００７４】
次に、熱処理工程（第４工程）を行う。この熱処理工程では、希土類元素を含有した多孔質半導体１２の細孔１３中にシリコン組成物１８で形成した構造体を、８００℃〜１５００℃の温度で１０秒〜３００分の時間、熱（アニール）処理を行う。この熱処理により、希土類元素が活性化されるとともに、シリコン組成物を結晶化させて、Ｓｉ量子井戸からなる半導体量子井戸構造１５を形成すること、洗浄で洗い流せなかった付着した不純物を除去することができる。なお、この熱処理は、後に説明する第８工程で行っても良い。
【００７５】
次に、図４（６）に示すように、ＰＥＣＶＤ法により、希土類元素を含有した多孔質半導体１２上および細孔１３中の半導体量子井戸構造１５上に、第２材料層１６として酸化シリコン（ＳｉＯ2）層を成膜する。なお、本実施例では酸化シリコン（ＳｉＯ2）層の成膜は、ＰＥＣＶＤ法で行うが、ＰＥＣＶＤ法に限定されたものではなく、スパッタ法やＭＢＥ法などの他の成膜方法を用いても、同様の効果が期待できる。
【００７６】
次に、熱処理工程を行う。この熱処理工程では、第２材料層１６を、８００℃〜１５００℃の温度で１０秒〜３００分の時間、熱（アニール）処理する工程を行う。この熱処理により、希土類元素が活性化されるとともに、シリコン組成物を結晶化させて、Ｓｉ量子井戸からなる半導体量子井戸構造１５を形成すること、洗浄で洗い流せなかった付着した不純物を除去することができる。
【００７７】
本発明の発光素子の製造方法は、発光層に希土類元素を含有した多孔質半導体１２上および細孔１３中の半導体量子井戸構造１５を含むため、例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素イオンを分散させただけの発光素子と比べて、より低電圧で、大きな電流を流すことができる発光層を製造することができるので、発光強度の大きな、半値幅の狭い発光波長を得る発光層を形成することが可能となるという利点がある。これは、希土類元素を含有した多孔質半導体１２上および細孔１３中の半導体量子井戸構造１５にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になると考えられ、この時、希土類元素を含有した多孔質半導体１２上および細孔１３中の半導体量子井戸構造１５の近傍に希土類元素イオンが存在すると、希土類元素を含有した多孔質半導体１２上および細孔１３中の半導体量子井戸構造１５に閉じ込められたキャリアのエネルギーが、希土類元素イオンに移送され、希土類元素イオンの殻内遷移により、発光が生じるものと考えられ、この場合、半導体量子井戸構造が存在せず、ホットエレクトロンのみによって、希土類元素イオンの殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られる。さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、希土類元素を含有した多孔質半導体１２上および細孔１３中の半導体量子井戸構造１５を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。また、希土類元素の導入方法に、無電解めっき法を用いたことによって、より容易で、消費電力の低減と、製造コストの低減が可能な製造方法を提供することができる。
【実施例４】
【００７８】
次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第２実施例を、図５〜図６の製造工程断面図によって説明する。
【００７９】
第１工程は、陽極化成法により、単結晶シリコンを多孔質シリコンとして多孔質半導体１２を形成する。
【００８０】
図５（１）に示すように、具体的には、まず、例えば真空蒸着法により、抵抗率が３Ωｃｍ程度の、ボロン含有ｐ型シリコン単結晶（１１１）からなる半導体基板３１の裏面にアルミニウムを蒸着してアルミニウム電極３２を形成する。このアルミニウム電極３２を形成した後、不活性雰囲気（窒素若しくは希ガス（例えばアルゴン））下で、３００℃〜６００℃の温度で、例えば約５分間、熱処理を行い、半導体基板３１とアルミニウム電極３２とのオーミックコンタクトをとる。このようにして、アルミニウム電極３２が形成された半導体基板３１を用意する。次いで、陽極化成法により、アルミニウム電極３２が形成された半導体基板３１を多孔質化して多孔質半導体を形成する。上記半導体基板３１の陽極化成に用いるエッチング溶液４１は、例えば、１０wt％〜６０wt％のフッ酸溶液をエタノールにより５０vol.％に希釈したものである。
【００８１】
上記半導体基板３１の裏面に形成したアルミニウム電極３２に、銀ペースト（図示せず）などで銅線３３を取り付ける。銅線３３を取り付けた後、アルミニウム電極３２や銀ペースト、銅線３３がエッチング溶液に接触しないように、それらを被覆するポリマーで保護膜３４を形成してから陽極化成処理を行う。
【００８２】
上記裏面を保護膜３４を形成した上記半導体基板３１を陽極にし、対極（陰極）に、プラチナ電極３５を用い、所望の深さ、大きさの多孔質シリコンからなる多孔質半導体になるように、例えば、電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2〜１００ｍＡ／ｃｍ2、処理時間が数十秒〜数時間の範囲で陽極酸化を行う。これらの条件を適宜設定して半導体基板３１の陽極酸化を行うことで、半導体基板３１を多孔質化処理して、数十ｎｍ〜数十μｍの厚さの多孔質シリコンからなる多孔質半導体を形成する。
【００８３】
上記多孔質半導体は、孔径が例えば数ｎｍ〜数百ｎｍの多数の細孔を有する。この多孔質半導体の多孔度は、例えば数％〜６０％程度の範囲で制御することができる。また、多孔質半導体は、シリコン基板３１の結晶性を保持した単結晶である。なお、実際には、多孔質半導体を形成した後、超純水で洗浄し、エッチング溶液を洗い流す工程が行われる。
【００８４】
なお、本実施例では、陽極化成のエッチング溶液について、１０wt％〜６０wt％のフッ酸溶液を、エタノールにより、５０vol.％に希釈したものについてのみ言及したが、これに限定される効果ではない。また、本実施例では、水銀ランプによる照射についてのみ言及したが、室内照明、キセノンランプ、ハロゲンランプなどを用いても、また無照明でも、同様の効果が期待できる。また、本実施例では、多孔質半導体材料として、Ｓｉについてのみ言及したが、ＳｉＯ2-x（２＞ｘ＞０）で表されるシリコン系酸化物や、シリコンを主成分とする窒化シリコンなどのシリコン化合物や、その混合物、Ｇｅ等、いわゆるシリコン族材料や、その混合物、他の半導体材料やその混合物を用いても、同様の効果が期待できる。また、本実施例では、発光層を形成する基板として、シリコン基板にのみ言及したが、他の材料からなる基板を用いても、同様の効果が期待できるが、トランジスタと一体形成できることから、シリコン基板であることがより好ましい。
【００８５】
次に、無電解めっき法により、多孔質半導体１２に、希土類元素を導入する第２工程を行う。
【００８６】
次に、図５（２）に示すように、第２工程の無電解めっき工程で用いるめっき浴の一つとして、水酸化物沈殿防止とめっき速度の調整を行うため、めっき浴４２中でめっき層を形成するイオンと、安定な可溶性錯体を形成する錯化剤として、クエン酸ナトリウムを用い、めっき層を形成する材料を析出させる還元剤として、次亜リン酸ナトリウムを用い、めっき浴４２の分解を防止する安定剤として硫酸アンモニウムを用いるものがある。このめっき浴４２に、希土類元素の硫酸塩を溶解し、ｐＨが８程度になるように、ＮＨ4ＯＨ溶液を加え、９０℃に加熱する。そして、上記第１工程の処理が済んだ多孔質半導体１２（半導体基板３１）を上記めっき浴４２に浸漬して、所望の量の希土類元素を多孔質半導体１２中に導入する。この結果、図示はしないが、基板１１上部に希土類元素を含む多孔質半導体１２が形成される。なお、アルミニウム電極３２はマスク３４により被覆されている。
【００８７】
上記第２工程で用いるめっき浴の別例の一つとしては、水酸化物沈殿防止とめっき速度の調整を行うため、めっき浴中でめっき層を形成するイオンと、安定な可溶性錯体を形成する錯化剤として、酒石酸ナトリウムを用い、めっき層を形成する材料を析出させる還元剤として、次亜リン酸ナトリウムを用い、めっき浴のｐＨを安定化させる緩衝剤としてホウ酸を用いるものがある。
【００８８】
このめっき浴に希土類元素の硫酸塩を溶解し、ｐＨが９程度になるように水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液を加え、９０℃に加熱する。
【００８９】
第１工程の処理が済んだ多孔質半導体１２を、上記めっき浴に所望の量の希土類元素が導入されるまで浸漬する。
【００９０】
以上、無電解めっき法により、希土類元素を含有する多孔質半導体１２を形成する。なお、実際には、無電解めっき処理後、超純水で洗浄し、めっき浴溶液を洗い流す工程が行われる。
【００９１】
次に、第３工程を行う。この第３工程では、図６（３）に示すように、プラズマ化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition＝ＰＥＣＶＤ）法により、希土類元素を含有した多孔質半導体１２の細孔１３内壁、および多孔質半導体１２上に多孔質半導体よりもバンドギャップの大きな半導体材料１７として酸化シリコン（ＳｉＯ2）層を成膜する。なお、本実施例では、ＳｉＯ2の成膜は、ＰＥＣＶＤ法で行うが、ＰＥＣＶＤ法に限定されたものではなく、スパッタ法や分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法などの他の成膜方法を用いても、同様の効果が期待できる。
【００９２】
次に、第４工程を行う。この第４工程では、酸化シリコン（ＳｉＯ2）層を成膜した発光素子２を、８００℃〜１５００℃の温度で１０秒〜３００分の時間、熱（アニール）処理を行う。この熱処理により、希土類元素が活性化されるとともに、洗浄で洗い流せなかった付着した不純物を除去することができる。なお、この熱処理は、後に説明する第５工程で行っても良い。
【００９３】
または、第５工程として、前記第２工程により、希土類元素を含有した多孔質シリコン層を作製した後、前記第３工程を行う前に、８００℃〜１５００℃の温度で１０秒〜３００分の時間の熱（アニール）処理を行う場合もある。この熱処理により、希土類元素が活性化されるとともに、洗浄で洗い流せなかった付着した不純物を、除去することができる。
【００９４】
本発明の発光素子の製造方法は、発光層に希土類元素２１とともに多孔質半導体１２からなる半導体量子井戸構造を含むため、例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素イオンを分散させただけの発光素子と比べて、より低電圧で、大きな電流を流すことができる発光層を製造することができるので、発光強度の大きな、半値幅の狭い発光波長を得る発光層を形成することが可能となるという利点がある。これは、多孔質半導体１２からなる半導体量子井戸構造にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になると考えられ、この時、多孔質半導体１２からなる半導体量子井戸構造の近傍に希土類元素イオンが存在すると、多孔質半導体１２からなる半導体量子井戸構造に閉じ込められたキャリアのエネルギーが、希土類元素イオンに移送され、希土類元素イオンの殻内遷移により、発光が生じるものと考えられ、この場合、多孔質半導体１２からなる半導体量子井戸構造が存在せず、ホットエレクトロンのみによって、希土類元素イオンの殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られる。さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、多孔質半導体１２からなる半導体量子井戸構造を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。また、希土類元素の導入方法に、無電解めっき法を用いたことによって、より容易で、消費電力の低減と、製造コストの低減が可能な製造方法を提供することができる。
【００９５】
上記各製造方法において、多孔質半導体１２中に拡散された希土類元素もしくは多孔質半導体１２表面に形成された希土類元素は、イオン注入法、スパッタ法、電解析出法、無電解めっき法の少なくとも一つにより形成することできる。また、上記多孔質半導体１２の少なくとも周囲の一部に形成された希土類元素は、イオン注入法、スパッタ法、電解析出法、無電解めっき法の少なくとも一つにより形成することができる。
【００９６】
上記各製造方法では、希土類元素を陽極化成により作製された多孔質半導体１２中に拡散して形成する場合、もしくは多孔質半導体１２表面に形成する場合において、ディスプレイの画素ピッチ毎に赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）に対応する希土類元素を導入する際、無電解めっき法により、めっき浴に多孔質半導体１２を浸漬させることで、比較的容易に、希土類元素を多孔質半導体１２に析出させ導入することができる。その際、導入しない画素領域にはマスクを形成しておけばよい。
【００９７】
さらに、無電解めっき法により、多孔質半導体に希土類元素を導入してＲＧＢの発光素子を形成する場合、製造プロセスにおいて、無電解めっき法による、希土類元素導入プロセス以外のプロセスは全て、ＲＧＢの全発光素子について同様に作製できるため、プロセスの簡略化が可能になる
【実施例５】
【００９８】
次に、多孔質半導体の製造方法の別例を、図７の製造工程断面図によって説明する。
【００９９】
図７（１）に示すように、単結晶シリコン基板５１上にレジスト膜５２を形成する。
【０１００】
次に、図７（２）に示すように、リソグラフィー技術（例えば電子線リソグラフィー技術）によって、多孔質シリコンの柱状シリコンとして残す領域上の上記レジスト膜５２を除去し、その他の領域上のレジスト膜５２を残す。
【０１０１】
次に、図７（３）に示すように、蒸着法によって、金属膜５３を形成する。この金属膜５３はレジスト膜５２よりも薄く形成される。
【０１０２】
次に、リフトオフ法によって、レジスト膜５２とともに、レジスト膜５２上に形成されている上記金属膜５３を除去し、図７（４）に示すように、単結晶シリコン基板５１上に形成されている金属膜５３を残す。
【０１０３】
次に、図７（５）に示すように、エッチング（例えばイオンエッチング）により、上記金属膜５３をエッチングマスクにして、単結晶シリコン基板５１の上部をエッチングする。これにより、単結晶シリコン基板５１の上部が多孔質シリコン５４となる。
【０１０４】
その後、エッチングにより、金属膜５３を除去する。この結果、図７（６）に示すように、単結晶シリコン基板５１上部に多孔質シリコン層５４が形成される。
【実施例６】
【０１０５】
次に、本発明の発光素子を真性エレクトロルミネッセンスデバイスとして駆動させる一実施例を、図８の概略構成断面図によって説明する。
【０１０６】
図８に示すように、エレクトロルミネッセンスデバイス１０１は、基板１１（例えばｐ型シリコン基板）１１上に、絶縁膜６１で発光素子形成領域６２を分離する。そして発光素子形成領域６２に、例えば前記実施例１もしくは実施例２で説明したような発光素子１、２を形成する。上記絶縁膜６１はＰＥ−ＣＶＤ法により形成することができるが、その他の成膜方法を採用することもできる。また、発光窓は、例えば１ｍｍ角に形成する。なお、発光窓の形状、サイズは表示装置の規格に応じて、適宜選択して決定することができる。
【０１０７】
以下、前記実施例１で説明した発光素子１もしくは２を用いる場合を説明する。
【０１０８】
まず、ＰＥ−ＣＶＤ法により、上記基板１１上に第１絶縁層４１を形成する。この第１絶縁層４１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜で形成する。次に希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体１２を形成する。希土類元素は、一例として、緑色発光を得るために、希土類元素にテルビウムを用いたが、他の発光色を得るために、上記説明した他の希土類元素を導入することもできる。そして、８００℃〜１５００℃程度の温度で１分〜３００分程度のアニール処理を施す。
【０１０９】
さらに、ＰＥ−ＣＶＤ法により、上記多孔質半導体１２上に、シリコンを主成分とする第２絶縁層４２を形成する。この第２絶縁層４２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜で形成する。
【０１１０】
さらに、上記第２絶縁層４２上に透明カソード電極４３を形成する。この透明カソード電極４３は、例えばｎ型のインジウムスズオキサイド（ＩＴＯ）により形成することができる。上記透明カソード電極４３上に金属電極４４を形成する。この金属電極４４には、発光素子１を発光させるための電源４５が接続されている。
【実施例７】
【０１１１】
次に、本発明の発光素子を電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスとして駆動させる一実施例を、図９の概略構成断面図によって説明する。
【０１１２】
図９に示すように、エレクトロルミネッセンスデバイス１０２は、基板１１（例えばｐ型シリコン基板）１１上に、絶縁膜６１で発光素子形成領域６２を分離する。そして発光素子形成領域６２に、例えば前記実施例１もしくは実施例２で説明したような発光素子１、２を形成する。上記絶縁膜６１はＰＥ−ＣＶＤ法により形成することができるが、その他の成膜方法を採用することもできる。また、発光窓は、例えば１ｍｍ角に形成する。なお、発光窓の形状、サイズは表示装置の規格に応じて、適宜選択して決定することができる。
【０１１３】
以下、前記実施例１で説明した発光素子１を用いる場合を説明する。
【０１１４】
まず、上記基板１１上に、希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体１２を形成する。希土類元素は、一例として、緑色発光を得るために、希土類元素にテルビウムを用いたが、他の発光色を得るために、上記説明した他の希土類元素を導入することもできる。そして、イオン注入後、８００℃〜１５００℃程度の温度で１分〜３００分程度のアニール処理を施す。
【０１１５】
さらに、上記多孔質半導体１２上にｎ型透明電極４６を形成する。この透明電極４６は、例えばｎ型のインジウムスズオキサイド（ＩＴＯ）により形成することができる。上記透明電極４６上に金属電極４７を形成する。この金属電極４７には、発光素子１を発光させるための電源４８が接続されている。
【実施例８】
【０１１６】
次に、本発明の発光素子を光励起型発光デバイスとして駆動させる一実施例を、図１０の概略構成断面図によって説明する。
【０１１７】
図１０に示すように、光励起型発光デバイス１０３は、電極基板７１上に、発光ダイオード８０が形成され、この発光ダイオード８０上に封止層９１を介して本発明の発光素子１が形成されたものである。上記発光ダイオード８０には、例えば青紫色を発光する発光ダイオードを用いる。
【０１１８】
すなわち、電極基板７１上に、発光ダイオード８０を構成するｐ型電極８１、発光層８２、ｎ型電極８３を積層して形成する。上記ｎ型電極８３上には、発光ダイオード８０を駆動するための電位を供給する金属電極８４が形成されている。この金属電極８４には、発光ダイオード８０を駆動するための電源８５が接続されている。このような構成の発光ダイオード８０上に、封止層９１を介して、発光素子１が形成されている。発光素子１は、下層より酸化シリコン層９２、希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体１２、酸化シリコン層９３が積層されているものである。
【０１１９】
上記光励起型発光デバイス１０３では、発光ダイオード８０を発光させた光によって発光素子１を励起し、発光させる。
【実施例９】
【０１２０】
次に、本発明の発光素子を電子励起型発光デバイスとして駆動させる一実施例を、図１１の概略構成断面図によって説明する。
【０１２１】
図１１に示すように、電子励起型発光デバイス１０４は、基板１１１上に、電子放出素子１１２が形成され、この電子放出素子１１２上に真空領域１１３を介して本発明の発光素子１が形成されたものである。
【０１２２】
すなわち、基板１１１上に、カソード電極１２１が形成され、カソード電極１２１上に電子放出源１２２とゲート電極１２３とが形成されている。そしてゲート電極１２３とカソード電極１２１とには、電子放出源１２２より電子を放出させるための電源１２４が接続されている。このような構成の電子放出素子１１２上に、真空領域１１３を介して、発光素子１が形成されている。発光素子１は、下層より希土類元素を含有するとともに半導体量子井戸構造を含む多孔質半導体１２、アノード電極１１４、ガラス基板１１５が積層されているものである。またカソード電極１２１とアノード電極１１４には電子放出源１２２より放出された電子を加速させるための電源１１６が接続されている。
【０１２３】
上記電子励起型発光デバイス１０４では、電子放出源１２２より電子を放出させた電子によって発光素子１を励起し、発光させる。
【実施例１０】
【０１２４】
次に、発光素子の形状の一例について、図１２〜図１６の表示装置（ディスプレイ）の発光単位となる画素の形状の概略図によって説明する。
【０１２５】
図１２に示すように、シリコン基板１００上に、正方形の発光窓を有する本発明の発光素子１Ｂ、１Ｇ、１Ｒを縦横に配列する。その配列は、例えば、１画素について、青（Ｂ）色の発光を行う発光素子１Ｂ、緑（Ｇ）色の発光を行う発光素子１Ｇおよび赤（Ｒ）色の発光を行う発光素子１Ｒを垂直方向に順に配列したものであり、この１画素が垂直方向および水平方向にマトリックス状に配列されたものである。したがって、水平方向には同色の発光素子が配列されている。また、青色の発光素子１Ｂ、緑色の発光素子１Ｇ、赤色の発光素子１Ｒからなる３個の発光素子（１画素）に一つのトランジスタＴが形成されている。
【０１２６】
図１３に示すように、シリコン基板１００上に、長方形の発光窓を有する本発明の発光素子１Ｂ、１Ｇ、１Ｒを縦横に配列する。その配列は、例えば、１画素について、青（Ｂ）色の発光を行う発光素子１Ｂ、緑（Ｇ）色の発光を行う発光素子１Ｇおよび赤（Ｒ）色の発光を行う発光素子１Ｒを、各発光素子の長手方向を垂直方向にして、水平方向に順に配列したものであり、この１画素が垂直方向および水平方向にマトリックス状に配列されたものである。したがって、垂直方向には同色の発光素子が配列されている。また、青色の発光素子１Ｂ、緑色の発光素子１Ｇ、赤色の発光素子１Ｒからなる３個の発光素子（１画素）に一つのトランジスタＴが形成されている。
【０１２７】
図１４に示すように、シリコン基板１００上に、正六角形の発光窓を有する本発明の発光素子１Ｂ、１Ｇ、１Ｒをハニカム状に配列する。その配列は、例えば、１画素について、青（Ｂ）色の発光を行う発光素子１Ｂ、緑（Ｇ）色の発光を行う発光素子１Ｇおよび赤（Ｒ）色の発光を行う発光素子１Ｒを互いに隣接した状態に配列したものであり、この１画素が垂直方向および水平方向に配列されたものである。したがって、水平方向には同色の発光素子が所定間隔（１発光素子に一辺の長さ）を置いて配列されている。また、青色の発光素子１Ｂ、緑色の発光素子１Ｇ、赤色の発光素子１Ｒからなる３個の発光素子（１画素）に一つのトランジスタＴが形成されている。
【０１２８】
図１５に示すように、シリコン基板１００上に、１画素が正六角形となり、その正六角系が３等分となるようなひし形の発光窓を有する本発明の発光素子１Ｂ、１Ｇ、１Ｒを配列する。その配列は、例えば、１画素について、青（Ｂ）色の発光を行う発光素子１Ｂ、緑（Ｇ）色の発光を行う発光素子１Ｇおよび赤（Ｒ）色の発光を行う発光素子１Ｒを互いに隣接した状態に配列したものであり、この１画素が垂直方向および水平方向に配列されたものである。したがって、例えば、垂直方向には３色のうちの１色（例えば青色）の発光素子１Ｂが配置され、右斜め３０度の方向には３色のうちの１色（例えば赤色）の発光素子１Ｒが配置され、左斜め３０度の方向には３色のうちの１色（例えば緑色）の発光素子１Ｇが配置されている。また、青色の発光素子１Ｂ、緑色の発光素子１Ｇ、赤色の発光素子１Ｒからなる３個の発光素子（１画素）に一つのトランジスタＴが形成されている。
【０１２９】
図１６に示すように、シリコン基板１００上に、１画素が正三角形となり、その正三角系が３等分となるような２等片三角形の発光窓を有する本発明の発光素子１Ｂ、１Ｇ、１Ｒを配列する。その配列は、例えば、１画素について、青（Ｂ）色の発光を行う発光素子１Ｂ、緑（Ｇ）色の発光を行う発光素子１Ｇおよび赤（Ｒ）色の発光を行う発光素子１Ｒを互いに隣接した状態に配列したものであり、この１画素が垂直方向および水平方向に配列されたものである。その際、例えば、第１画素内の発光素子と、その発光素子に隣接する第２画素内の発光素子とは同色とならないように配列される。また、青色の発光素子１Ｂ、緑色の発光素子１Ｇ、赤色の発光素子１Ｒからなる３個の発光素子（１画素）に一つのトランジスタＴが形成されている。
【０１３０】
上記表示装置に、本発明の発光素子を用いたことにより、自発光・軽量・薄型の表示装置を実現することが可能になる。さらに、希土類元素イオンを、イオン注入法により、発光層中に形成する場合、各青色の発光素子１Ｂ、緑色の発光素子１Ｇ、赤色の発光素子１Ｒの製造プロセスにおいて、イオン注入処理以外のプロセスは全て、全発光素子について共通となるため、プロセスの簡略化が可能になる。また、スパッタリング等で発光層を成膜する場合は、発光層以外のプロセスは全て、全発光素子について同様に作製できるため、プロセスの簡略化が可能になる。なお、トランジスタ（例えばＴＦＴ：Thin Film Transistor）は画素ピッチの表面に形成されているが、シリコン基板の裏側に形成されることがより好ましい。
【０１３１】
本発明の発光素子およびその発光素子を用いた表示装置は、上記説明したように、発光素子がシリコンを主成分とする希土類元素イオンを含むものであり、シリコンやシリコン化合物材料を主成分として作られるため、他の化合物に比べ、組成が安定しているという利点がある。一方、従来の発光素子には典型的な間接遷移型半導体であるシリコンは用いられていなかった。そのため、従来の発光素子用半導体の多くは、ＧａＡｓ等のIII−Ｖ族やII−VI族の化合物半導体材料が用いられてきた。そのため、組成の不安定さが問題となっていた。しかしながら、シリコンやシリコン化合物材料を主成分する本発明の発光素子および表示装置によってこの問題は解決された。
【０１３２】
また、シリコンは資源が豊富なため、原料価格が安いという利点がある。また、環境負荷が小さく、廃棄物として無害であるという利点がある。また、融点が高いため、製造上の高温処理に十分に耐えられるという利点がある。また、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光デバイスの多くに使用されている、ＧａＡｓ等のIII-Ｖ族やII-VI族の、化合物半導体材料などのように、作製する際に、サファイヤ基板を始めとする、高価な基板を必要としないこと、アルシンを始めとする、危険で有害なガスを使用しないため、作製プロセスが比較的容易なことなど、プロセスコストが低く抑えられる利点がある。
【０１３３】
また、現在、トランジスタやメモリを始めとする多くの半導体デバイスは、シリコンやシリコン化合物材料を用いて作られており、特に、シリコン材料におけるＬＳＩの高集積化技術は、１９７０年代以降、約３０年の長期に亘り、個々のトランジスタの微細化を進めることで、着実に進歩しており、ギガビット級の集積度を持つＤＲＡＭが、市場に登場している現在でも、将来の集積回路の更なる性能向上を果たすため、技術開発が続けられており、微細化技術のノウハウが蓄積されているという利点がある。また、上記のように、シリコン系半導体デバイスの微細化技術の進歩により、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＳＥＤ、有機ＥＬディスプレイ以上に、画素ピッチの微細化が可能であり、更なる高画質化が可能となる。
【０１３４】
また、有機ＥＬディスプレイが抱えている、酸素、水分による、暗点、滅点の発生、輝度の低下などの問題がないため、外部要因を遮断する、透明基板が不必要であり、有機ＥＬディスプレイに比べ、さらなる薄型化が可能となる。
【０１３５】
また、本発明の発光素子は、シリコンを主成分とする材料からなるため、トランジスタと発光素子を一体成形することが可能で、ディスプレイの更なる軽量化、薄型化が可能になる上、透明電極上へトランジスタを作製する、低温ＴＦＴ技術などの高度な製造技術が不要となり、温度を気にせず、シリコン基板上にＴＦＴを作りこめるために、製造プロセスの簡略化が可能な上、電子移動度がアモルファスシリコン（１ｃｍ2／Ｖｓｅｃ）やポリシリコン（１００ｃｍ2／Ｖｓｅｃ〜４００ｃｍ2／Ｖｓｅｃ）に比べ、結晶シリコンでは６００ｃｍ2／Ｖｓｅｃ程度と高く、さらなる応答速度の向上が可能になる。
【０１３６】
以上から、本発明の表示装置によれば、本発明の発光素子を用いることで、自発光で、磁気の影響を受けにくく、大型にしても歪みのない鮮明で高画質な画像で、しかも高視野角の表示装置を得ることが可能となる。さらに、他の薄型表示装置（ディスプレイ）と比べて、さらなる軽量化・薄型化を実現できる上、さらなる低消費電力化、低コスト化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の発光素子、発光素子の製造方法および表示装置は、各種表示装置、照明装置という用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の発光素子に係る第１実施例を示した概略構成断面図である。
【図２】本発明の発光素子に係る第２実施例を示した概略構成断面図である。
【図３】本発明の発光素子の製造方法に係る第１実施例を示した概略構成断面図である。
【図４】本発明の発光素子の製造方法に係る第１実施例を示した概略構成断面図である。
【図５】本発明の発光素子の製造方法に係る第２実施例を示した概略構成断面図である。
【図６】本発明の発光素子の製造方法に係る第２実施例を示した概略構成断面図である。
【図７】多孔質半導体の別の製造方法に係る実施例を示した概略構成断面図である。
【図８】本発明の発光素子を真性エレクトロルミネッセンスデバイスとして駆動させる一実施例を示すの概略構成断面図である。
【図９】本発明の発光素子を電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスとして駆動させる一実施例を示すの概略構成断面図である。
【図１０】本発明の発光素子を光励起型発光デバイスとして駆動させる一実施例を示す概略構成断面図である。
【図１１】本発明の発光素子を電子励起型発光デバイスとして駆動させる一実施例を示す概略構成断面図である。
【図１２】表示装置（ディスプレイ）の発光単位となる画素の形状を示す概略図である。
【図１３】表示装置（ディスプレイ）の発光単位となる画素の形状を示す概略図である。
【図１４】表示装置（ディスプレイ）の発光単位となる画素の形状を示す概略図である。
【図１５】表示装置（ディスプレイ）の発光単位となる画素の形状を示す概略図である。
【図１６】表示装置（ディスプレイ）の発光単位となる画素の形状を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１…発光素子、１２…多孔質半導体、１５…半導体量子井戸構造
【図１】
2006173424.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006173424.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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