專利名稱：光電子材料、使用該材料的器件和制造光電子材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電子材料、其應用器件和制造該光電子材料的方法。尤其是，本發(fā)明涉及一種光電子材料，它包括作為核心的尺寸受控制的半導體特細微粒，由數(shù)量不限且不受環(huán)境沾污的材料形成，而且有優(yōu)良的硅(Si)-LSI技術(shù)匹配、自發(fā)發(fā)光、快速響應、像素小型化、低功耗、高環(huán)境對抗力以及無裝配工藝，本發(fā)明還涉及該光電子材料的應用器件以及制造此光電子材料的方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的發(fā)光器件包括已推廣到實際應用的發(fā)光二極管和利用電致發(fā)光的器件。用于這些發(fā)光器件的光電子材料不是硅(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”)的復合半導體或主要包含周期表中II族元素和VI族元素的復合半導體。這是因為硅是一種間接躍遷半導體，帶隙為1.1eV在近紅外區(qū)域中，被認為不可能實現(xiàn)可見光范圍內(nèi)的發(fā)光器件。
自從1990年在室溫下觀察到多孔Si的可見發(fā)光(例如，L.T.Canham在Applied Physics letters Vol.57，No.10，1046(1990)中所揭示的)以來，已對把Si作為基底材料的室溫下可見發(fā)光特性作出了大量研究。這些報告中的大多數(shù)都與多孔Si有關(guān)。
基本上通過使單晶Si襯底的表面在主要包含氟化氫的溶劑中陽極化來形成發(fā)光的多孔Si，迄今為止已觀察到800nm(紅)到425nm(藍)范圍內(nèi)幾個波長的光致發(fā)光(PL)。近年來，已嘗試通過電流注入激發(fā)(電致發(fā)光；EL)(例如，5-206514號公開的未審查專利申請)來進行發(fā)光。
這些多孔Si的EL具有以下特性。(1)雖然在強度上有所不同，但EL和PL的光譜示出基本上相同的形狀。(2)在推測實際可使用的注入電流密度范圍內(nèi)，EL強度正比于注入電流。然而，注意在注入電流密度低于前一范圍的范圍內(nèi)，已報道說EL強度正比于注入電流的平方。
特性(1)示出通過近似相等的發(fā)光電平使載流子復合(受激的電子-空穴對)而引起EL和PL，特性(2)示出主要通過在p-n結(jié)附近注入少量載流子來實現(xiàn)EL所必需的載流子的產(chǎn)生。
對于間接躍遷半導體Si的發(fā)射機理，有一種觀點認為在多孔形狀內(nèi)納米(nm)數(shù)量級的三維微小結(jié)構(gòu)區(qū)域中放松了光躍遷的波數(shù)選擇標準，從而保證電子-空穴對的放射性復合，還有一種觀點認為在多孔Si的表面上形成許多復合的環(huán)形氧化物(聚硅氧烷)，在聚硅氧烷/Si界面處形成有助于放射性復合的新能級。在任一種情況下好象都可以確定，對于光致激發(fā)，因量子限制效應引起能帶結(jié)構(gòu)的變化(帶隙能量增加的現(xiàn)象)。
此外，多孔Si的發(fā)光具有近似0.3eV或更寬的頻譜寬度。因此，為了在最初產(chǎn)生的連續(xù)光譜中增強特定波長范圍的強度，已嘗試使用此多孔Si來形成空腔結(jié)構(gòu)(例如，L.Pavesi等人在Applied Physics Letters Vol.67，3280(1995)中所述)。
由于常規(guī)的光電子材料使用主要由直接躍遷型III-V族元素或II-VI主族元素構(gòu)成的復合半導體，然而，這些半導體還包含數(shù)量非常少且加工成本高而發(fā)射效率也高的元素(In或類似元素)。此外，作為一種半導體制造技術(shù)，與Si的精細構(gòu)圖相比，這些復合半導體的精細構(gòu)圖還不成熟，使得難于形成微米(μm)數(shù)量級或更小的精細圖案。此外，III和V族元素在Si中用作摻雜劑，從而影響導電率。即，雖然自發(fā)發(fā)光器件主要由半導體材料構(gòu)成，但與典型電子器件Si-LSI的工藝和器件技術(shù)匹配不良，基本上不可能用集成的Si和LSI制造器件。此外，一個主要的問題在于為了調(diào)節(jié)發(fā)射波長，必須改變材料類型(即，應發(fā)現(xiàn)新的材料)而且必須重新構(gòu)成制造方法。
對于發(fā)光的多孔Si，通過溶劑中的陽極化在單晶Si襯底的表面上形成多孔層，雖然多孔層中的結(jié)晶體具有優(yōu)良的結(jié)晶度，但難于控制結(jié)晶體的形狀和尺寸。要有效地生產(chǎn)粒子尺寸為5nm或更小的球狀結(jié)晶體尤為困難。如果Si基IV族材料的可見發(fā)光機理是一種量子規(guī)模效應(波數(shù)選擇標準放松且因量子限制效應或類似效應而引起能帶結(jié)構(gòu)變化)，產(chǎn)生粒子尺寸為nm數(shù)量級的球狀結(jié)晶體仍是關(guān)鍵。因此，不能說這種制造技術(shù)是最佳的。
在試圖通過規(guī)則地排列多孔Si基發(fā)光元件并對它們進行獨立操作來說明顯示器件的性能時，也有困難。尤其是，由于在Si襯底中直接形成多孔Si，所以不可能在元件之間保持電氣獨立性(絕緣)。此外，不可能用類似于在可見光范圍內(nèi)有高透射率的其它透明材料來形成層疊結(jié)構(gòu)。
雖然揭示了在發(fā)光電極之間排列IV族元素微?；蚱渚植垦趸⒘５姆桨?例如，第7-52670號公開的審查專利申請)，但難于控制其電學性質(zhì)，而且它也不適用于各種類型的發(fā)光器件和光電檢測器。因此，已有技術(shù)沒有提供可通過控制電學性質(zhì)而適用于各種類型的發(fā)光器件和光電檢測器的光電子材料。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種光電子材料它包括數(shù)量不限且不受環(huán)境沾污的材料，該材料具有諸如Si-LSI技術(shù)匹配、自發(fā)發(fā)光、快速響應、像素小型化、低功耗、高環(huán)境對抗力和無裝配工藝等特性，還提供了此光電子材料的應用器件以及制造此光電子材料的方法。
為了實現(xiàn)此目的，依據(jù)本發(fā)明的光電子材料具有分布于基本上均勻的介質(zhì)中的特細微粒，并可控制該介質(zhì)的導電率或介電常數(shù)。這允許有效地實現(xiàn)和控制把載流子注入特細微粒中或把量子限制的載流子注入特細微粒。
此外，依據(jù)本發(fā)明的光電子材料具有特細微粒分布層和透明材料層相互交替堆疊的周期性結(jié)構(gòu)。這給光電子材料提供了這樣的性能，即增強檢測到或特細微粒所產(chǎn)生的連續(xù)光譜中特定波長區(qū)域的強度。
此外，依據(jù)本發(fā)明的光電子材料具有包含特細微粒的有源層，還提供了把有源層夾在中間的高反射層和局部反射層。這可使檢測到以及發(fā)射的光的波長變窄，并可增加強度。
此外，使用上述任一種光電子材料來構(gòu)成發(fā)光器件、顯示器件或光電轉(zhuǎn)換器件，這些器件的一對電極把光電子材料夾在中間從而與其直接接觸，這樣可適當?shù)乜刂齐姌O與光電子材料層之間的電氣接觸，以有效地實現(xiàn)發(fā)光或光電轉(zhuǎn)換功能。
主要使用這種顯示器件來設計本發(fā)明的便攜式顯示設備。此設計可提供一種便攜式顯示設備，它適合于減少尺寸和重量并具有低功耗和高分辨率，它也適于用作HMD或電子字典。
此外，依據(jù)本發(fā)明制造光電子材料的方法包括第一靶材料放置步驟，把第一靶材料置于低壓惰性氣體環(huán)境下的真空反應室中；第二靶材料放置步驟，把第二靶材料置于與第一靶材料以及作為環(huán)境元件的淀積襯底隔離的反應室中；燒蝕步驟，把激光束射到在第一靶材料放置步驟中所放置的第一靶材料上，使得對靶材料進行解吸和注入；以及蒸發(fā)步驟，使第二靶材料放置步驟中所放置的第二靶材料蒸發(fā)。由此結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)步驟中產(chǎn)生的材料集中在淀積襯底上，基本上與此同時，通過在燒蝕步驟中解吸和注入的材料在惰性氣體環(huán)境中凝聚(condense)和生長而獲得的特細微粒集中在淀積襯底上，從而獲得一種光電子材料，其特細微粒分布于第二靶材料所構(gòu)成的材料中。
附圖概述

圖1A到1C是依據(jù)本發(fā)明第一實施例的發(fā)光器件的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖2A和2B是示出發(fā)光器件的電流對電壓特性曲線的圖；圖3是示出發(fā)光器件的發(fā)光強度對電流特性曲線的圖；圖4是示出發(fā)光器件的發(fā)光強度對占空比特性曲線的圖；圖5是示出發(fā)光器件PL和EL的發(fā)光強度對光子能量特性曲線的圖；圖6是示出發(fā)光器件的特細微粒的微粒尺寸與帶隙能量之間關(guān)系的特性圖；圖7是依據(jù)本發(fā)明第二實施例的發(fā)光器件的剖面結(jié)構(gòu)8A到8C是依據(jù)本發(fā)明第三實施例的單色顯示器件的結(jié)構(gòu)圖；圖9是依據(jù)本發(fā)明第四實施例的彩色顯示器件的結(jié)構(gòu)圖；圖10是示出本發(fā)明第五實施例的便攜式顯示設備基本結(jié)構(gòu)的概念圖；圖11A和11B是本發(fā)明第六實施例的HMD的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖12是所安裝的眼鏡型HMD的透視圖；圖13是依據(jù)本發(fā)明第七實施例的HMD的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖14是依據(jù)本發(fā)明第八實施例的光電轉(zhuǎn)換器件的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖15是依據(jù)本發(fā)明第九實施例的光電轉(zhuǎn)換器件的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖16是依據(jù)本發(fā)明第十實施例的彩色傳感器的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖17示出彩色傳感器每個光電轉(zhuǎn)換層的吸收光譜；圖18A和18B是依據(jù)本發(fā)明第十一實施例的光電子材料的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖19A和19B示出圖18所示光電子材料的發(fā)射光譜；
圖20是依據(jù)本發(fā)明第十二實施例的光電子材料的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖21A到21C是形成依據(jù)本發(fā)明第十三實施例的混合靶的步驟說明圖；圖22是特細微粒制備設備的概念圖；圖23是示出惰性氣體壓強與特細微粒平均微粒尺寸之間關(guān)系的特性圖；圖24是用于特細微粒的微粒尺寸控制設備的概念圖；圖25是依據(jù)本發(fā)明第十四實施例用于制造光電子材料的設備的概念圖；圖26是依據(jù)本發(fā)明第十五實施例的混合陰極設備的結(jié)構(gòu)圖；以及圖27是用于制造光電子材料的組合淀積設備的結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明的較佳實施方式依據(jù)本發(fā)明的光電子材料包括具有可控電學性質(zhì)的均勻介質(zhì)；以及分布于介質(zhì)中并具有100nm或更小平均微粒尺寸的特細半導體微粒。這可提供特細微粒的量子限制效應。
依據(jù)本發(fā)明的光電子材料或特細微粒分布層中特細半導體微粒的實際尺寸(直徑)最好小于用于特細微粒的半導體材料的de Broglie波長的近似兩倍。
由于通過在具有均勻?qū)щ娐实慕橘|(zhì)中分布特細微粒來構(gòu)成依據(jù)本發(fā)明的光電子材料，所以可說明特細微粒的量子限制效應而沒有不平衡。此外，由于特細微粒分布于具有可控導電率或介電常數(shù)的基本上均勻的介質(zhì)中，所以可控制特細微粒中載流子的量子限制效應。
介質(zhì)最好具有與特細微粒近似相同或較大的電阻率。這允許有效地說明特細微粒中的量子限制效應。
分布于介質(zhì)中的特細微粒之間的距離最好等于或大于特細微粒的半徑。介質(zhì)中特細微粒的聚集率可等于或小于30％。這可有效地說明特細微粒的量子俘獲。
如果介質(zhì)的標準形成焓低于介質(zhì)中所分布的特細微粒氧化物的焓，則特細微?？煞€(wěn)定地存在于介質(zhì)中。
此外，介質(zhì)中所分布的特細微?？杀粯?gòu)成特細微粒的元素的氧化物覆蓋。在此情況下，即使介質(zhì)的標準形成焓高于介質(zhì)中所分布的特細微粒氧化物的焓，特細微粒也可穩(wěn)定地存在于介質(zhì)中。
上述光電子材料中的特細微粒適合包含IV族半導體。由此結(jié)構(gòu)，由數(shù)量不限且不受環(huán)境沾污的材料來形成特細微粒，這些微粒的Si-LSI技術(shù)匹配優(yōu)良、具有環(huán)境對抗力和無裝配工藝特點。特細微?？砂琁II-V或II-VI族的復合半導體。此外，介質(zhì)為透明導電材料或介電材料薄膜是合適的。
依據(jù)本發(fā)明的光電子材料的特征是這樣一種結(jié)構(gòu)，其中特細微粒分布層與透明材料層相互交替堆疊，該特細微粒分布層的特細半導體微粒具有平均微粒尺寸為100nm或更小且分布于具有可控電學性質(zhì)的均勻介質(zhì)中。這可增強特細微粒固有產(chǎn)生的連續(xù)光譜中特定波長范圍的強度。
由薄的透明導電薄膜或介電薄膜來適當形成透明層。期望特細微粒分布層具有上述特征。
實施本發(fā)明的光電子材料包括特細微粒分布層，具有平均微粒尺寸為100nm或更小且分布于具有可控電學性質(zhì)的均勻介質(zhì)中的特細半導體微粒；以及設在特細微粒分布層上下的局部反射層和高反射層。這可增強特細微粒固有產(chǎn)生的連續(xù)光譜中特定波長范圍的強度。可由薄的金屬薄膜來形成局部反射層和高反射層中的至少一層。
局部反射層和高反射層中的至少一層最好具有多層結(jié)構(gòu)，它具有折射率不同的至少兩種類型的層相互交替堆疊的周期性結(jié)構(gòu)。這可增強包含在特細微粒分布層中的特細微粒固有產(chǎn)生的連續(xù)光譜中特定波長范圍的強度。
此外，可由具有折射率不同的至少兩種類型的層相互交替堆疊的多層薄膜與薄的金屬薄膜來形成高反射層。多層薄膜可包括具有上述特征的特細微粒分布層。
上述光電子材料中的特細微粒分布層最好具有上述特征。在此情況下，特細微粒分布層的光學薄膜厚度為發(fā)光波長的整數(shù)倍是適合的。
依據(jù)本發(fā)明的發(fā)光器件包括特細微粒分布層，具有平均微粒尺寸為100nm或更小且分布于具有可控電學性質(zhì)的均勻介質(zhì)中的特細半導體微粒；以及把特細微粒分布層夾在中間的一對電極，從而當把電壓加到電極對時，載流子注入特細半導體微粒中，因載流子注入而使得在電子-空穴對的放射性復合中產(chǎn)生光發(fā)射。這允許控制電極和光電子材料層之間的電氣連接。
可通過調(diào)節(jié)特細微粒的微粒尺寸或調(diào)節(jié)特細微粒表面的原子排列來控制所發(fā)射的光子能量。電極對為透明或半導體電極是適合的，這樣可提供優(yōu)良的外部光透射率。
此外，金屬電極薄膜可與特細微粒分布層接觸。在此情況下，特細微粒分布層與金屬電極最好具有肖特基結(jié)型接觸。金屬電極薄膜適合包含鎂、銦、鋁、鉑、金、銀、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳和鈀中的任一種。
此外，適合的是半導體襯底設有一個電極以及形成在半導體襯底的一電極側(cè)上并具有用于局部暴露出半導體襯底的開口的絕緣體層，形成的光電子材料層覆蓋此開口以使開口部分形成有源區(qū)，通過倍增現(xiàn)象實現(xiàn)特細微粒內(nèi)部或特細微粒表面附近電子-空穴對的放射性復合，發(fā)光強度具有比正比于發(fā)光器件注入電流增加更多的特性。利用此倍增現(xiàn)象可保證非常有效地利用將在初始電子注入中所消耗的功率以及離子碰撞時的有效量子效率，而且對于增加發(fā)光強度的動態(tài)范圍也非常有效。
如果在光電子材料層中形成p-n結(jié)，則與只具有肖特基結(jié)型接觸(它顯然是實現(xiàn)發(fā)光器件的最簡單結(jié)構(gòu))的情況相比，可保證較高的功率效率。
單色顯示器件用于調(diào)節(jié)以平面形式規(guī)則排列的每個單元像素的發(fā)光強度，此調(diào)節(jié)通過改變單元像素發(fā)光元件(使用這些發(fā)光元件來形成相應于這些單元像素的發(fā)光元件)的激發(fā)電流而進行。彩色顯示器件用于調(diào)節(jié)在一平面上規(guī)則排列的每個單元像素的發(fā)光強度和色彩，此調(diào)節(jié)通過改變構(gòu)成單元像素的發(fā)光元件的激發(fā)電流而進行，可設計具有平均微粒尺寸不同的特細微粒的發(fā)光元件從而發(fā)出三原色中不同色彩的光，以及使用這些發(fā)光元件來形成相應于單元像素并能發(fā)出三原色中所有色彩的發(fā)光元件，如此來構(gòu)成該彩色顯示器件。
本發(fā)明還提供了一種具有上述顯示器件的便攜式顯示設備。在此情況下，把沿一個方向的單元像素長度設定為大約1到100μm，可獲得非常高的分辨率。具有此種顯示器件的便攜式顯示設備可以是頭部安裝顯示器，該顯示器包括一固定部件，用于把顯示設備固定于待安裝該顯示設備的人的頭部；以及一光學系統(tǒng)，用于對此人的左右眼形成顯示在顯示器件上的信息。由此結(jié)構(gòu)，此顯示設備非常小巧且可提供高清晰度，從而與眼睛接觸的光學系統(tǒng)也變得非常小巧，于是有助于減小頭部安裝顯示器主體的尺寸和重量而且也保證了寬的視角和高分辨率。
頭部安裝顯示器的光學系統(tǒng)也可在配戴此顯示器的人眼上形成外部信息。具有此透射率的發(fā)光器件最好定位于透射部件上以獲得透射率，從而把外部的光引入該光學系統(tǒng)。由于此透射率，此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)小巧的透過觀看型頭部安裝顯示器，而不需要半反射鏡或類似器件。
可以與配戴此設備的人的向外視線不同的視線方向來安排此顯示器件，從而此人可通過向上下或類似方向移動視線而容易地觀察外部，而不必移動他的頭部。
本發(fā)明也提供了一種利用這些顯示器件顯示信息的電子字典。由于該顯示設備非常小巧而且具有高清晰度，所以可實現(xiàn)具有與常規(guī)書本字典相同的高分辨率水平的小巧而輕便的字典。
依據(jù)本發(fā)明的光電檢測器包括特細微粒分布層，具有平均微粒尺寸為100nm或更小且分布于具有可控電學性質(zhì)的均勻介質(zhì)中的特細半導體微粒；以及把特細微粒分布層夾在中間的一對電極，該檢測器還具有檢測因特細微粒分布層的光輻射而原生的載流子所引起的內(nèi)部電阻變化的光電檢測功能。
依據(jù)本發(fā)明的光電檢測器包括包含上述光電子材料的光電子材料層；以及設在該光電子材料層上下的一對電極，在光電子材料層和電極之間的界面處形成肖特基結(jié)或在光電子材料層中形成p-n結(jié)，該檢測器還具有檢測因光輻射而原生的載流子所產(chǎn)生的光電電動勢變化的光電檢測功能。
可通過調(diào)節(jié)特細微粒的微粒尺寸或調(diào)節(jié)特細微粒的表面原子排列來控制發(fā)出的光子能量。
依據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器件是這樣的光電轉(zhuǎn)換器件，它包括包含上述光電子材料的光電子材料層以及設在該光電子材料層上下的一對電極，它還具有在通過電極對把少數(shù)載流子注入光電子材料層的特細微粒時表現(xiàn)出在由載流子注入所引起電子-空穴對的放射性復合中發(fā)光的功能，以及檢測在對光電子材料層進行光輻射時由載流子產(chǎn)生所引起內(nèi)部電阻變化的光電檢測功能。
依據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器件是這樣的光電轉(zhuǎn)換器件，它包括包含上述光電子材料的光電子材料層以及設在該光電子材料層上下的一對電極，在光電子材料層與電極間界面上形成的肖特基結(jié)或光電子材料層上形成的p-n結(jié)，它還具有在通過電極對把少數(shù)載流子注入光電子材料層的特細微粒時表現(xiàn)出在由載流子注入所引起電子-空穴對的放射性復合中發(fā)光的功能，以及檢測在對光電子材料層進行光輻射時由載流子產(chǎn)生所引起光電電動勢的光電檢測功能。
可通過調(diào)節(jié)特細微粒的微粒尺寸或調(diào)節(jié)特細微粒的表面原子排列來控制發(fā)出和檢測到的光子能量。
在上述光電轉(zhuǎn)換器件中，電極對可以是透明或半透明電極。
通過調(diào)節(jié)上述光電檢測器中特細微粒的平均微粒尺寸或表面原子的排列結(jié)構(gòu)來控制光學縫隙能量，從而可把依據(jù)本發(fā)明的光電檢測器用作紫外線檢測器，該檢測器包括對紫外光具有光電檢測功能的光電檢測器。此結(jié)構(gòu)不需要濾光器或類似器件，而且還在Si-LSI技術(shù)匹配、環(huán)境對抗力和無裝配工藝方面提供優(yōu)良的特性。
通過調(diào)節(jié)上述光電檢測器中特細微粒的平均微粒尺寸或表面原子的排列結(jié)構(gòu)來控制光學縫隙能量，從而本發(fā)明提供了一種藍色傳感器，該傳感器包括對藍光具有光電檢測功能的光電檢測器。此結(jié)構(gòu)不需要濾光器或類似器件，而且還在Si-LSI技術(shù)匹配、環(huán)境對抗力和無裝配工藝方面提供優(yōu)良的特性。
通過調(diào)節(jié)上述光電檢測器中特細微粒的平均微粒尺寸或表面原子的排列結(jié)構(gòu)來控制光學縫隙能量，從而本發(fā)明提供了一種彩色傳感器，該傳感器包括通過一透明絕緣體薄膜堆疊的光電轉(zhuǎn)換層，這些光電轉(zhuǎn)換層包括對不同預定波長范圍具有光電檢測功能的光電檢測器。由此結(jié)構(gòu)，在進行光輻射時，只有對該波長分量敏感的光電子材料層才進行光電轉(zhuǎn)換，從而提供彩色傳感器的功能。
考慮到光接收靈敏度，堆疊的光電轉(zhuǎn)換層具有不同光學縫隙能量且較靠近光接收表面的層具有較大的光學縫隙能量是合適的。此外，光電轉(zhuǎn)換層可包括三個光電轉(zhuǎn)換層，這三層在可見光范圍內(nèi)具有不同的光學縫隙能量。
本發(fā)明提供了一種單片集成半導體器件，該器件具有至少一個或多個上述發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件、紫外線檢測器、藍色傳感器和彩色傳感器。由此結(jié)構(gòu)，由數(shù)量不限且不受環(huán)境沾污的材料來形成該器件，該器件在Si-LSI技術(shù)匹配、環(huán)境對抗力和無裝配工藝方面具有優(yōu)良的特性。
依據(jù)本發(fā)明的光電子材料制造方法的特征在于，把激光光束射到半導體材料的第一靶上，該材料置于低壓惰性氣體環(huán)境下的反應室中，從第一靶燒蝕的半導體材料經(jīng)凝聚/生長以獲得平均微粒尺寸為100nm或更小的特細微粒，特細微粒包含在具有可控電學性質(zhì)的介質(zhì)材料中。使特細微粒包含在具有可控電學性質(zhì)的介質(zhì)材料中的方案包括激光燒蝕以及把特細微粒掩埋入塊狀介質(zhì)材料的方案。
即，此方法的特征在于，把第一靶材料置于處在低壓惰性氣體環(huán)境下的真空反應室中，把淀積襯底置于該真空反應室中，用激光光束輻射在第一靶材料放置步驟中所放置的第一靶材料，以使靶材料解吸和注入(燒蝕)，在惰性氣體環(huán)境中，把通過凝聚和生長一種材料而獲得并在此燒蝕步驟中被解吸和注入的特細微粒集中在淀積襯底上，以獲得包含特細微粒的光電子材料。
由上述結(jié)構(gòu)，通過在惰性氣體環(huán)境中進行激光燒蝕步驟，可保證把微粒尺寸控制在納米數(shù)量級的特細微粒淀積在襯底上。
依據(jù)本發(fā)明的光電子材料制造方法包括把激光光束射到置于處在低壓惰性氣體環(huán)境下反應室中的半導體材料的第一靶上，激光光束也射到具有可控電學性質(zhì)的介質(zhì)材料的第二靶上，該材料置于該反應室中，凝聚/生長從第一靶處燒蝕的半導體材料，以在置于反應室中的襯底上集中而成平均微粒尺寸為100nm或更小的特細微粒，凝聚/生長從第二靶處燒蝕的集中材料，以介質(zhì)在置于反應室中的襯底上，從而形成半導體特細微粒分布于襯底上介質(zhì)中的特細微粒分布層。
依據(jù)本發(fā)明的方法把第二靶材料置于放置了第一靶材料的真空反應室中，并對第二靶材料進行濺射，在淀積襯底上集中了通過濺射而產(chǎn)生的材料，基本上與此同時，通過在惰性氣體環(huán)境下，凝聚和生長在燒蝕步驟中解吸和注入的材料而獲得的特細微粒也集中在此淀積襯底上，從而獲得特細微粒分布于包括第二靶材料的材料中的光電子材料。由此結(jié)構(gòu)，通過使用燒蝕和濺射進行同步淀積，在襯底上形成分布有特細微粒的薄的介電薄膜。
此外，依據(jù)本發(fā)明的方法把第一靶材料置于處在低壓惰性氣體環(huán)境下的第一反應室中，把淀積襯底置于淀積室中，把第二靶材料置于與第一靶材料以及作為環(huán)境元件的襯底隔離的第二反應室中，把激光光束射到在第一靶材料放置步驟中所放置的第一靶材料上，以引起靶材料的解吸和注入(燒蝕)，以及使第二靶材料放置步驟中所放置的第二靶材料蒸發(fā)。由此結(jié)構(gòu)，在蒸發(fā)步驟中在第二靶材料上產(chǎn)生的材料集中在淀積襯底上，基本上與此同時，通過在惰性氣體環(huán)境下，在燒蝕步驟中在第一靶材料上解吸和注入的材料經(jīng)凝聚和生長而獲得的特細微粒集中在淀積襯底上，從而可獲得特細微粒分布于包括第二靶材料的材料中的光電子材料。
最好在用于蒸發(fā)第二靶材料的蒸發(fā)步驟中使用激光，以及可使用把第二激光光束射到第二靶材料以使靶材料解吸或注入的燒蝕。
制造光電子材料的上述方法最好還包括改變低壓惰性氣體的輸入壓強的步驟，此結(jié)構(gòu)可控制特細微粒的平均微粒尺寸。
還可提供對燒蝕步驟所獲得的特細微粒進行質(zhì)量分離的步驟。此結(jié)構(gòu)可控制特細微粒的平均微粒尺寸。在此情況下，對特細微粒進行質(zhì)量分離的步驟可包括對特細微粒進行離子化的步驟以及把一電場或磁場加到離子化特細微粒的步驟。
在以上方法中，第一靶材料可包括半導體、金屬和介電物質(zhì)中的至少一種。此外，第一靶材料可以是包含多個IV族半導體的混合材料，此混合材料可以是處于混合晶態(tài)的硅鍺混合物。由此結(jié)構(gòu)，通過使用混合晶體的特細微粒，可把混合晶體的組分比用作調(diào)節(jié)發(fā)光特性的輔助參數(shù)。此外，這種混合結(jié)晶作用有助于放寬制造特細微粒時的波數(shù)選擇標準，或者有助于產(chǎn)生放射性復合。
最好通過對多種原始的條狀微粒進行機械混合的混合步驟以及通過熱壓來燒結(jié)混合微粒的燒結(jié)步驟來形成此混合材料。
由于第一靶材料是II-VI族半導體或III-V族半導體，所以激光燒蝕方法基本上是一種與靶元素的熔點或蒸發(fā)壓強沒有多大關(guān)系的工藝，從而可制造保持化學計量成分的半導體特細微粒。
此外，還可提供給集中在淀積襯底上的特細微粒所形成的半導體層引入n型導電雜質(zhì)和p型導電雜質(zhì)的步驟，從而在半導體層中形成p-n結(jié)。在此情況下，可以不同的擴散深度引入半導體層待引入的n型導電雜質(zhì)和p型導電雜質(zhì)，從而可在理想的位置處形成p-n結(jié)。
第二靶材料是透明導電材料或介電材料是合適的。
此外，可提供對襯底上光電子材料的表面進行氧化的步驟。此結(jié)構(gòu)消除了混有晶格缺陷或雜質(zhì)的表面層而且也提高了結(jié)晶度和純度。在氧化步驟中，在與空氣相結(jié)合的步驟中獲得的特細微粒適合在含氧環(huán)境氣體下受到熱處理，從而以熱氧化物薄膜來涂敷特細微粒的表面。在形成熱氧化物薄膜前，可在比涂敷步驟中形成熱氧化物薄膜時的溫度更高的溫度下，在非氧化環(huán)境中進行熱處理，可更完全地恢復特細微粒結(jié)晶度。
本發(fā)明提供了一種通過以上光電子材料的制造方法而制造的光電子材料。此結(jié)構(gòu)可使特細微粒分布材料中特細微粒的微粒尺寸得到控制。本發(fā)明還提供了一種特細微粒分布層或光電子材料層，該層由通過上述光電子材料制造方法而制造的光電子材料來形成。此結(jié)構(gòu)可使特細微粒分布材料中特細微粒的微粒尺寸得到控制。
本發(fā)明提供了一種發(fā)光器件，其光電子材料層由通過上述方法獲得的的光電子材料所構(gòu)成。此外，本發(fā)明提供了一種包括所述發(fā)光器件的單色顯示器件或彩色顯示器件。此外，本發(fā)明提供了具有所述顯示器件的便攜式顯示設備。
本發(fā)明提供了一種光電轉(zhuǎn)換器件，其光電子材料層由上述光電子材料構(gòu)成。此外，本發(fā)明提供了一種包括所述光電轉(zhuǎn)換器件的紫外線檢測器和藍色傳感器。此外，本發(fā)明涉及包括所述光電轉(zhuǎn)換器件的彩色傳感器。
此外，本發(fā)明提供了一種單片集成半導體器件，它具有上述發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件、紫外線檢測器、藍色傳感器和彩色傳感器中的至少一個或多個。
第一實施例現(xiàn)在參考圖1到5詳細描述作為第一實施例的發(fā)光器件的原理結(jié)構(gòu)，此器件使用依據(jù)本發(fā)明的光電子材料。
依據(jù)本實施例，將對電致發(fā)光(EL)器件進行描述，其中發(fā)光(有源)區(qū)域為光電子材料層，該層具有Si(IV族半導體中典型的一個)特細微粒，這些微粒分布于具有可控導電率或介電常數(shù)的基本上均勻的透明介質(zhì)中，該層表面覆蓋有其本身的熱氧化物薄膜。
在這個以及隨后的實施例中，“基本上均勻的介質(zhì)”意味著介質(zhì)的電學性質(zhì)尤其是導電率在介質(zhì)中是近似均勻的。即，分布于介質(zhì)中的特細微粒為一組幾十到幾百個原子/分子，而介質(zhì)本身由一組(束)較少原子/分子或幾個原子/分子構(gòu)成。例如，通過諸如淀積等方法在預定襯底或類似結(jié)構(gòu)上形成一均勻薄膜，該薄膜包括比特細微粒的原子/分子小的一組(束)原子/分子或幾個原子/分子，如此來獲得此均勻介質(zhì)。在此情況下，可通過類似于以下將討論的激光燒蝕等方法來調(diào)節(jié)反應室中的差壓例如反應室和淀積室之間的差壓，如此來實現(xiàn)在襯底上均勻地淀積該束。
在本發(fā)明中，當確認選取的任意微小區(qū)域(例如，包含大約十個特細微粒)中特細微粒的聚集率相等時，則叫做均勻而透明的特細微粒分布介質(zhì)。此均勻透明的特細微粒分布介質(zhì)的形成抑制了電子動能的分布寬度，于是保證有效發(fā)光。
圖1示出使用依據(jù)本實施例的光電子材料的發(fā)光器件的剖面結(jié)構(gòu)。在圖1A中，“11”是襯底。此襯底11中，使用平面取向為(100)、磷摻雜n型導電率且電阻率為10Ω·cm的n型Si襯底作為一個例子。在此n型Si襯底的頂面上形成100nm厚的隔離絕緣體薄膜12，以二氧化硅(SiO2)膜作為一個例子。此隔離絕緣體薄膜12具有直徑為大約1到2mm或更小的開口12a，在應成為發(fā)光器件的發(fā)光(有源)區(qū)域的部分處形成此開口12a，從而暴露出襯底11的表面。
淀積光電子材料層13以至少覆蓋開口12a。由分布于透明介質(zhì)15中的Si特細微粒14來形成如圖1B所示的光電子材料層13。Si特細微粒14具有基本上為球體的形狀、與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)、低濃度磷摻雜的n型導電率以及大約3到10nm的可調(diào)微粒尺寸。此特細微粒淀積層的厚度為大約150nm。此外，Si特細微粒14的表面覆蓋有未示出的SiO2薄膜，該薄膜的厚度應為例如3nm或更薄。因為光電子材料層13和襯底11都是n型，所以在它們之間的界面處不形成勢壘。
透明介質(zhì)15是薄的均勻薄膜，它具有可見光范圍內(nèi)的高透射率并具有可控導電率或介電常數(shù)，這里使用薄的氧化錫(SnO2)膜作為一個例子。此薄的SnO2薄膜具有超過80％的可見光透射率，可通過調(diào)節(jié)其形成條件(襯底溫度、氧分壓等)來控制其導電率或介電常數(shù)。與待分布的特細微粒的電阻率相比，該介質(zhì)的電阻率可與之大致相同或相等或更大。例如，由于特細微粒的電阻率因雜質(zhì)濃度而在大約10到10-3Ω·cm，所以依據(jù)待分布的特細微粒的電阻率，薄SnO2薄膜的電阻率只得控制在大約103到10-2Ω·cm范圍內(nèi)。通過在從例如室溫到大約600℃范圍內(nèi)的襯底溫度下形成薄的SnO2薄膜來實現(xiàn)此電阻率。這樣可允許控制特細微粒中載流子的量子限制效應。
期望光電子材料層13中Si特細微粒14的聚集率變得更高，因為來自整個光電子材料層13的發(fā)光量增加了。然而，當聚集率變高或特細微粒之間的距離變近時，特細微粒中載流子的波函數(shù)變寬，而且載流子也滲入透明介質(zhì)內(nèi)，從而相鄰特細微粒中載流子波函數(shù)的重疊度變大。結(jié)果，減少了特細微粒中載流子的量子限制效應。因此，期望實現(xiàn)如此分布，即如此保持特細微粒之間的距離，于是使波函數(shù)絕對值平方的重疊度變得例如等于或小于峰值的百分之一。此距離等于特細微粒的半徑r。在此情況下，假定半徑為1.5r的球狀特細微粒具有密集結(jié)構(gòu)，則聚集率變?yōu)榇蠹s22％。如上所述，光電子材料層13中Si特細微粒14的聚集率設定為近似于20％。
作為一個例子，厚度為10nm的半透明鉑(Pt)電極16與光電子材料層13的頂面接觸，從而，它與光電子材料層13形成電學意義上的所謂肖特基接觸，該光電子材料層13包括具有可控導電率的透明介質(zhì)15。作為一個例子，在襯底11的底面設有后部銀(Ag)電極17，從而它與襯底11形成電學意義上的歐姆接觸。此外，可在襯底11和后部電極17之間設置厚度為大約20nm的薄的鎂(Mg)薄膜，以減少該界面處的勢壘高度。代替Pt和Ag，可由鎂、銦、鋁、金、銀、鎢、鉬、坦、鈦、鈷、鎳和鈀中的一種來形成電極16和17。
雖然把Si用作構(gòu)成光電子材料層的特細微粒的材料，也可使用諸如鍺(Ge)或其混合晶體的其它IV族半導體，或者可使用III-V族或II-VI族化合半導體。雖然已把薄的SnO2用作均勻而透明的介質(zhì)，也可使用電阻率與待分布的特細微粒的電阻率基本相同或更大的其它薄的介電薄膜，諸如氧化鈦(TiO2)、氧化銦(InO2)、銦-錫氧化物(ITO)、氧化鎘(CdO)、氧化鎢(WO3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)或硫化鋅(ZnS)薄膜。如果薄膜厚度處在可通過隧道或跳動效應而導電的范圍內(nèi)，則也可使用薄的SiO2、氧化鋁(Al2O3)、氟化鎂(MgF2)、或氟化鈣(CaF2)介電薄膜。
雖然這里Si特細微粒被覆蓋了其本身的熱氧化物薄膜，但特細微粒的氧化物薄膜不是必要的。即，當透明介質(zhì)的標準形成焓低于構(gòu)成光電子材料層的特細微粒氧化物的標準形成焓時，則意味著透明介質(zhì)更穩(wěn)定，則在透明介質(zhì)中分布特細微粒時不發(fā)生氧化，于是不需要氧化物薄膜。另一方面，當透明介質(zhì)具有更高的標準形成焓時，則意味著特細微粒的氧化物更穩(wěn)定。因此，當特細微粒分布于透明介質(zhì)時，特細微粒的表面被氧化并減少透明介質(zhì)。因此，在此情況下，在特細微粒分布于透明介質(zhì)前，最好以氧化物薄膜覆蓋特細微粒。
尤其是，在表1中給出構(gòu)成光電子材料和透明介質(zhì)的特細微粒材料的典型組合。在表1中，組合A相應于透明介質(zhì)具有較低標準形成焓從而不需要特細微粒的氧化物薄膜的情況。相反，組合B相應于透明介質(zhì)的標準形成焓比特細微粒氧化物薄膜的標準形成焓高從而最好以氧化物薄膜覆蓋特細微粒的情況。
表1透明介質(zhì) 特細微粒 透明介質(zhì)GeSiA Al2O3AA TiO2AA In2O3AA SiO2AA WO2B
A MgO BB SnO2BB ZnO BB CdO B以下將討論具有上述結(jié)構(gòu)的EL器件的操作特性。
為了操作依據(jù)本實施例的EL器件，把相對于半透明電極16為負的直流偏壓加到后部電極17。這意味著以正向偏置操作本實施例的發(fā)光器件。
圖2示出在此條件下操作使用依據(jù)本實施例的光電子材料的發(fā)光器件時，發(fā)光器件的電流對電壓的特性曲線。
圖2A示出豎直標尺(電流)和水平標尺(電壓)均為線性標度的情況；對于水平標尺上所加的電壓，把在圖1中的半透明電極16和光電子材料層13之間界面處形成的肖特基結(jié)的正向偏置電勢取作圖上的正方向。圖2A示出由半透明電極16和光電子材料層13之間界面處形成的肖特基結(jié)而引起的強烈整流特性。通過在加上正向偏置電壓時高電流一側(cè)的推斷來估計，整個發(fā)光器件的外部串聯(lián)電阻近似于400Ω。
圖2B示出只有豎直標尺(電流)為對數(shù)標尺，而水平標尺(電壓)為線性標尺，把肖特基結(jié)處的正向偏置電勢取作圖上的正方向。從圖中特性曲線的斜率可獲得肖特基結(jié)理想因素n的值。然而，很明顯，由于依據(jù)本實施例的發(fā)光器件的n值與所加電壓有關(guān)，所以當所加電壓為0.2V或更低時n為1.8，而對于較高的區(qū)域，n增加到大約15。一般，n明顯大于1的高值意味著界面水平密度較高，且它們被充電。如上所述，很明顯，在把正向偏置電壓加到半透明電極16和光電子材料層13之間界面處形成的肖特基結(jié)時，依據(jù)本發(fā)明本實施例的EL器件發(fā)光。
圖3示出EL器件的發(fā)光強度對電流的特性曲線，該器件使用依據(jù)本實施例的光電子材料。在圖中，以對數(shù)標尺示出豎直標尺(發(fā)光強度)和水平標尺(電流)。從圖3中可理解，在正向偏置電流密度為30mA/cm2(在此情況下，正向偏置電壓為大約7.0V)時開始發(fā)光，其后，發(fā)光強度隨正向偏置電流的增加而單調(diào)增加。即，由以下公式(1)來表示發(fā)光強度IEL與正向偏置電流jIEL∝jm(m＝3.5) (1)
發(fā)光強度正比于正向偏置電流的3.5次冪意味著發(fā)光強度與正向偏置電流關(guān)系密切，這是一個在以結(jié)晶Si作為有源層的所有常規(guī)發(fā)光器件中從未觀察到的新結(jié)果。在以多孔Si層作為有源區(qū)的EL器件中，例如在背景技術(shù)部分中所討論的，基本上，發(fā)光強度的增加只正比于正向偏置電流(圖中的虛線)。發(fā)光強度與正向偏置電流突變關(guān)系意味著可實現(xiàn)具有大動態(tài)范圍(即，高對比度)和高質(zhì)量的發(fā)光/顯示器件。
圖4示出依據(jù)本實施例的EL器件的發(fā)光強度對占空比的曲線。在圖中，以對數(shù)標尺示出豎直標尺(發(fā)光強度)和水平標尺(占空比)。加到EL器件的電壓具有20μs的脈寬和32V的電壓值，通過改變頻率使占空比從0.25％變?yōu)?00％(DC)。圖4中很明顯，發(fā)光強度的下降正比于占空比的減小。此結(jié)果示出發(fā)光效率為常數(shù)。換句話說，可以說本實施例的EL器件幾乎不受內(nèi)部產(chǎn)生的熱量的影響。由于即使在以20μs或更窄的多孔來驅(qū)動EL器件時，也可獲得與DC的發(fā)光效率相同的發(fā)光效率，可以說此EL器件具有μs數(shù)量級或更快的響應速度。
圖5示出使用依據(jù)本實施例光電子材料的EL器件的光致發(fā)光(PL)和EL的光譜(發(fā)光強度對光子能量的特性曲線)。通過使用光子能量為2.54eV和功率為10mW的氬離子(Ar+)激光并把激光光束直接射到將變?yōu)橛性磳拥墓怆娮硬牧蠈樱约ぐl(fā)PL。EL的激發(fā)條件是對光電子材料層的注入功率為0.55W到1.10W而且發(fā)光有源區(qū)為圓形(3.1×10-2cm2)。
圖5示出，PL具有主峰值在2.10eV(綠色)以及次峰值在1.65eV(紅色)的光譜，而EL具有峰值為1.65eV(紅色)的較寬的發(fā)光光譜。EL光譜的峰值位置隨EL器件的注入功率的增加而向較低能量一側(cè)移動。
這些結(jié)果示出，使用依據(jù)本實施例光電子材料的EL器件的發(fā)光原理不是以黑體輻射為基礎。這是因為輻射峰值隨黑體輻射中溫度的升高而向較高能量移動，然而，如上所述，在此實施例中的峰值隨注入功率的增加(即，溫度升高)而向低能量移動。此外，當黑體發(fā)出峰值在1.65eV的光時，估計溫度為3800K，這個溫度不可能達到本實施例中那樣高。
依據(jù)本實施例的發(fā)光器件的操作原理好象可示出以下將說明的上述結(jié)果。首先，把通過所加的正向偏置電壓而加速的熱電子注入光電子材料層13。注入的熱電子在到達Si特細微粒14的核心時，通過碰撞離子化而激發(fā)(產(chǎn)生)電子-空穴對。此激發(fā)過程中的量子效率在注入電子的能量為4.0eV時達到大約1.0，并在能量進一步增加時繼續(xù)增大。
電子一旦被注入或電子-空穴對一旦被激發(fā)，就被Si特細微粒14與SiO2薄膜薄膜之間的界面(形成于它們的表面或透明介質(zhì)15)限制在Si特細微粒14內(nèi)部，以進一步因Si特細微粒14中所加的電壓而產(chǎn)生電子-空穴對。即，發(fā)生所謂的倍增現(xiàn)象，以進一步產(chǎn)生成倍的受激電子-空穴對。因此，由圍繞與保持以倍增方式產(chǎn)生的受激電子-空穴對有關(guān)的放射性復合的復合現(xiàn)象而引起發(fā)光現(xiàn)象，此發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)光強度與正向偏置電流有突變關(guān)系。
此外，由于靶Si特細微粒14具有依據(jù)本實施例的nm數(shù)量級的球體形狀，所以限制在特細微粒14中的電子或受激電子-空穴對的平均自由程很短，好象可以更有效地通過碰撞離子化來產(chǎn)生受激電子-空穴對。
在背景技術(shù)部分中所述的以多孔Si作為有源層的EL器件中，基本上，只通過在結(jié)(p-n)處注入少數(shù)載流子來產(chǎn)生受激的電子-空穴對，而且受激電子-空穴對的數(shù)目正比于注入電流。結(jié)果，發(fā)光強度也正比于注入電流。依據(jù)此已有技術(shù)，多孔Si雖然具有nm數(shù)量級的微小結(jié)構(gòu)，但它實際上具有線性形狀，當載流子在多孔Si中流動時的平均自由程相對較長，這表現(xiàn)出對產(chǎn)生受激電子-空穴對的效率有不良影響。
此外，如圖5所示，以下可能是PL和EL光譜沒有相互匹配的原因。在EL過程中的倍增而發(fā)生碰撞離子化以及產(chǎn)生受激電子-空穴對中，待注入的熱電子的能量比Si的帶隙(1.1eV)高得多(在圖5的激發(fā)條件下，所加的電壓為26到32V)，從而即使在導帶中，躍遷到較高能量(所謂的較高帶間躍遷)也變得可能。這不僅使放射性復合處于最小帶隙能量處，而且使放射性復合具有較高的能量差，這好象將進一步擴展發(fā)光光譜的寬度。
相反，對于PL，待注入的光子能量為2.54eV，這相對較低。于是，引起較高帶間躍遷的幾率較低，看上去這將使發(fā)光光譜的寬度比EL的寬度窄。
此外，在EL中，在Si特細微粒表面附近的Si特細微粒14的核心內(nèi)發(fā)生注入電子引起的碰撞離子化。因此，雖然激發(fā)過程對界面的狀態(tài)相當敏感，但由于該界面處存在充電的許多表面能級，所以不能期望與本征同樣地激發(fā)電子-空穴對；所以看上去尤其是在高能量一側(cè)的激發(fā)效率正在下降。
相反，對于PL，考慮到由于在輻射能量為2.54eV的受激光時吸收系數(shù)較大，而使強度近似相同的受激光穿透整個Si特細微粒，所以可估計到，與本征相類似，近似從整個Si特細微粒14(包括中心)上激發(fā)電子-空穴對，從而高能量一側(cè)的激發(fā)效率不下降。
在使用依據(jù)本實施例的光電子材料的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)中，可在光電子材料層13中形成p-n結(jié)。圖1C示出一例具有p-n結(jié)的發(fā)光器件的剖面結(jié)構(gòu)。
在圖1C中，使用平面取向為(100)、硼摻雜的p型導電率以及電阻率為10Ω·m的p型Si襯底作為襯底19的一個例子。在此p型Si襯底19的頂面上淀積p型光電子材料層1010。由分布于透明介質(zhì)1012中的Si特細微粒1011來形成此p型光電子材料層1010。Si特細微粒1011具有基本上為球體的形狀、與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)、具有低濃度硼摻雜的p型導電率以及大約3到10nm的可調(diào)微粒尺寸。此外，把薄的SiO2薄膜用作透明介質(zhì)1012的一個例子，Si特細微粒1011的聚集率為大約20％。此p型特細微粒淀積層的厚度為大約100nm。由于p型光電子材料層1010和襯底19都是p型，所以在它們之間的界面處不形成勢壘。
然后，淀積與p型光電子材料層1010接觸的n型光電子材料層1013。此n型光電子材料層1013具有與圖1A所示光電子材料層13相同的結(jié)構(gòu)，并具有近似50nm的厚度。當此n型光電子材料層的淀積結(jié)束時，通過離子注入來引入硼離子，以使該材料層變?yōu)楦邼舛葥诫s的n型。離子注入條件是加速能量為20keV以及劑量為5×1015cm-2。
此外，作為一個例子，銀制成的厚度為10nm的半透明電極1014與n型光電子材料層1013的頂面接觸，從而與n型光電子材料層1013形成電學意義上所謂的歐姆接觸。銀制成的后部電極1015設在襯底19的底面，從而與襯底19形成電學意義上的歐姆接觸。此外，可在n型光電子材料層1013和半透明電極1014之間以及在襯底19和后部電極1015之間設置厚度為大約20nm的薄Mg薄膜，以減小這些界面處的勢壘高度。替代銀，可由鎂、銦、鋁、鉑、金、銀、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳、鈀和類似金屬中的一種來形成電極1014和1015。
在需要時，半透明電極1014和后部電極1015通過引線或類似電線經(jīng)由導電糊1016或類似物質(zhì)連到電源。
由上述結(jié)構(gòu)，當加上正向偏置電壓(半透明電極1014相對于后部電極1015為負)時，則相互注入少數(shù)載流子，如同電子從高濃度的n型區(qū)域到低濃度的p型區(qū)域以及空穴從低濃度的p型區(qū)域到高濃度的n型區(qū)域。與先前通過肖特基結(jié)只允許注入電子的結(jié)構(gòu)相比，此p-n結(jié)有利于實現(xiàn)更有效地產(chǎn)生電子-空穴對。
現(xiàn)在將描述如何把使用依據(jù)本實施例的光電子材料的發(fā)光器件的發(fā)光波長(光子能量)控制在可見光范圍內(nèi)。首先，第一個方案是調(diào)節(jié)Si特細微粒14核心的微粒尺寸(尺寸)，以及通過此時發(fā)生的量子限制效應來直接改變帶隙能量和有關(guān)的發(fā)出光子的能量。為了引起量子限制效應，特細微粒的靶尺寸是de Broglie波長的大約兩倍。表2示出特細微粒的半導體材料的de Broglie波長以及給出量子限制效應的微粒尺寸(直徑)。從該表中很明顯，例如，為了用Si給出量子限制效應，則Si特細微粒的直徑應為5nm或更小。
圖6A示出各種半導體特細微粒的帶隙能量，它是根據(jù)滿足有效質(zhì)量近似的區(qū)域中量子限制效應的原理而在在理論上計算出來的。從此圖中很明顯，應選擇表2中給出的微粒尺寸，以保證可見光范圍內(nèi)的發(fā)光。
表2半導體材料 de Broglie波長 保證量子限制效應的特細微粒的直徑(nm)(nm)IV族Si 2.235或更小Ge 3.265或更小III-V族 InP10.020或更小GaAs 10.420或更小InSb 48.7100或更小圖6B示出球狀Si、Ge和Si-Ge特細微粒的帶隙能量，它們是根據(jù)滿足有效質(zhì)量近似的區(qū)域中量子限制效應的原理而在在理論上計算出來的。從此圖中很明顯，例如，通過把微粒尺寸控制在2.8nm到4.0納米范圍內(nèi)，可以Si單質(zhì)的特細微粒來實現(xiàn)發(fā)出三原色(RGB)的光。即，可以4.0nm的直徑發(fā)出紅光，可以3.2nm的直徑發(fā)出綠光。
2.8nm的直徑相應于藍色，但實際上要把直徑的尺寸控制在2-nm范圍內(nèi)是非常困難的。此外，如上所述，朝向較高能量一側(cè)，由碰撞離子化所引起的電子-空穴對的激發(fā)效率變得較低。此外，直徑在2nm范圍內(nèi)的特細微粒表面原子的比率達到大約70％，從而不可忽略表面缺陷以及最終表面能級的影響。因此，可以說，由Si特細微粒14中的量子限制效應來產(chǎn)生藍光是不容易的。
如上所述，作為第二個方案，為了以作為有源發(fā)光層的Si特細微粒14產(chǎn)生藍色，實際上要在Si特細微粒14和表面氧化物薄膜之間的界面處重新構(gòu)造表面氧化物薄膜的分子排列，并形成相應于藍光光子能量的發(fā)光中心。尤其是，通過把特細微粒14的最高表面設計成具有鏈狀聚硅氧烷的結(jié)構(gòu)(鏈狀聚硅烷框架)，可發(fā)出藍光。
在化合物半導體的情況下，如果化合物半導體特細微粒可被氧化，而另一種介電薄膜不能氧化，則可通過重新構(gòu)造氧化物薄膜的分子排列來控制發(fā)出的光子能量。
第二實施例現(xiàn)在參考圖7詳細描述作為第二實施例的另一個發(fā)光器件的主要結(jié)構(gòu)，此器件使用依據(jù)本發(fā)明的光電子材料。
圖7示出依據(jù)本實施例的發(fā)光器件的剖面結(jié)構(gòu)。在圖7中，作為一個例子，在Si單晶襯底71上形成也示為一個例子的厚度為50nm的硅化鎢層72，該層是下部電極。在硅化鎢層72上形成厚度為50nm的介電層(SiO2)74，其中分布有IV族的半導體特細微粒(分子比為0.2∶0.8的SiGe混合晶體(Si0.2Ge0.3))73，微粒尺寸控制在nm數(shù)量級。150nm厚的銦-錫氧化物(ITO)層75粘到其中分布有半導體特細微粒73的介電層74的頂部，該層75示為上層透明電極的一個例子，它具有90％或更大的可見光透射率。此ITO的成分為In2O3-(大約10分子％)SnO2。
雖然把硅化鎢層72用作下部電極的低電阻部分以及保證半導體特細微粒所產(chǎn)生的光具有正向反射率的反射層，但若優(yōu)先權(quán)傾向于較低的電阻率，則也可使用硅化鈦。如果不太需要電極的低電阻以及正向光反射率，則可把Si襯底71的表面制成可用作下部電極的n型高濃度的擴散層。從制造成本的觀點看，此結(jié)構(gòu)是可行的。
此外，可把氧化鋁(Al2O3)等用作介電材料。
此外，可在硅化鎢層72與分布有半導體特細微粒的介電層74中間設置厚度為大約20nm薄的鎂(Mg)薄膜，以減小界面(金屬電極/氧化物)處勢壘的高度。這在有效地實現(xiàn)把隧道感應的載流子(電子)注入氧化物薄膜(這里的分布有半導體特細微粒的介電層74)中是可行的。
使用透明或半透明薄膜作為下部電極可獲得具有透射性能的發(fā)光器件，在此情況下，期望使用與上部電極相比具有較低可見光透射率的材料。
現(xiàn)在將描述具有上述結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的發(fā)光操作。首先，下部電極的硅化鎢層72接地，把來自未示出的正電壓12.0V加到作為上層透明電極的ITO薄膜75。與此同時，把平均強度為大約106V/cm的電場加到分布有半導體特細微粒的介電層74的SiO2部分。一般，SiO2薄膜的絕緣擊穿電壓約是107V/cm，在其場強的10％處，發(fā)生隧道引入的載流子電子的注入并導電。SiO2薄膜中的電子被加速以增加其動能，然而，這些電子因聲光子的影響而開始散射。因此，動能的增加趨向于飽和和穩(wěn)定。
在大約106V/cm的強度處，電子加速和速度飽和所需的運動距離是大約10nm，在2.0×106V/cm、5.0×106V/cm和8.0×106V/cm的每個場強處，SiO2薄膜內(nèi)電子的平均動能分別為2.0eV、3.0eV和4.0eV。速度飽和后，動能的分布隨著場強的增大而趨于變寬，且特別傾向于卷邊而朝向更高的能量側(cè)。
現(xiàn)在將描述，當電子在分布有半導體特細微粒的介電層74的SiO2薄膜中以此方式運動從而碰撞IV族半導體特細微粒73的表面時的現(xiàn)象。
假設以Si、Ge或Si-Ge混合晶體作為IV族半導體特細微粒，Si的帶隙能量(Eg)最大為1.10eV。由于如上所述，在106V/cm數(shù)量級的場強處，在10nm或更大的運動距離內(nèi)加速的電子具有2.0eV或更大的動能，所以完全可通過碰撞離子化來激發(fā)Si表面的電子-空穴對。尤其是，在此過程中，在電子的平均動能Eav＝2.0eV處，量子效率γ″(所產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)目/碰撞電子的數(shù)目)為大約0.1，但γ″隨E的增大而急劇增加并在Eav＝4.0eV處達到γ″＝1.0以及在Eav＝8.0eV處達到γ″＝2.0。此受激電子-空穴對在復合過程中表現(xiàn)出依據(jù)帶隙Eg的發(fā)光，通過復合可確認依據(jù)本實施例的發(fā)光器件的操作。
由于IV族半導體本質(zhì)上是一種非直接躍遷的類型，所以在帶間躍遷中實際上存在光子。在復合過程中不可避免地產(chǎn)生許多熱量，放射性復合的幾率非常小。然而，微粒尺寸為本實施例中幾nm數(shù)量級的特細微?？商峁┮恍┬Ч?，諸如放松波數(shù)選擇標準以及增加帶間躍遷的振子強度。這增大了發(fā)生電子-空穴對放射性復合的幾率，于是允許表現(xiàn)出很強的發(fā)光。
此外，由混合結(jié)晶而引起能帶結(jié)構(gòu)變化，諸如能量(E)-波數(shù)(k)空間的形狀變化以及吸收終結(jié)能量值的變化，從而便于在設計特細微粒時放松波數(shù)選擇標準。即，具有更容易地進行放射性復合的效果。即，我們認為由于導帶底部位于單質(zhì)Si的E-k空間中的點X附近，且導帶底部位于單質(zhì)Ge的E-k空間中的點L附近，然而在Si-Ge混合晶體的情況下，在點X和L的中點處形成導帶底部(最小能量點)，尤其是當組分比為Si0.2Ge0.8時，在點Г附近形成最小導帶能量(最大價帶能量)。
應利用帶隙Eg因量子限制效應而增加的現(xiàn)象(如本發(fā)明的第一實施例(見圖6)所示)來實施對發(fā)光波長(發(fā)光光子能量)的控制。
尤其是，通過調(diào)節(jié)IV族半導體特細微粒73的微粒尺寸，可獲得所需的發(fā)光波長。對于Si-Ge混合晶體，可實現(xiàn)由組分比來改變帶隙Eg。對于Si-Ge混合晶體特細微粒，組分比提供了圖6所示介于單質(zhì)Si的特性曲線和單質(zhì)Ge特性曲線之間的特性曲線。在本實施例中所使用的克分子組分比為Si0.2Ge0.8的Si-Ge混合晶體特細微粒提供了圖6所示微粒尺寸對帶隙能量的特性曲線。
當內(nèi)部量子效率γ′(放電的光子數(shù)目/電子-空穴對的數(shù)目)為大約0.5％時，如果在大約E＝4.0eV和γ″＝1.0處進行使用為標準器件的操作條件，則可保證外部量子效率γ＝γ′·γ″為大約0.5％。
當然，可把其它類型的單質(zhì)或混合其它類型或其它組分比的單質(zhì)用于光電子材料。例如，可使用諸如鎵-砷(Ga-As)(直接躍遷類型的半導體)等III-V族混合物或象硫化鎘(CdS)等II-VI族混合物。
雖然，假設把SiO2(帶隙能量大約9eV)用于半導體特細微粒分布介電層74的介電層，但大約12.0V的所加電壓限制了所獲得的電流密度。因此，如果注入電子密度或發(fā)光強度具有優(yōu)先級，則該介電層可以透明導電薄膜來替代，該薄膜的電阻率與待分布的特細微粒的電阻率基本上相同或更大，諸如導電透明材料氧化錫(SnO2)、氧化鈦(TiO2)或氧化銦(InO2)的薄膜。
第三實施例以下將參考圖8描述作為第三實施例的依據(jù)本發(fā)明的單色顯示器的結(jié)構(gòu)。
圖8示出依據(jù)本實施例的單色顯示器一個像素部分(單元像素部分)的剖面結(jié)構(gòu)、其等效電路和像素的陣列電路。在圖8A中，把類似于第二實施例中發(fā)光器件的發(fā)光器件用作單色顯示器件一個像素的器件81。當然，也可使用如第一實施例部分中所述的發(fā)光器件。
把具有90％或更大可見光透射率的ITO薄膜用于上部電極83，并把硅化鎢薄膜用于下部電極84，以改進發(fā)光能量的正向反射并保證低的電阻。在第一實施例的發(fā)光器件中，半透明電極16相應于上部電極83，后部電極17相應于下部電極84。可把等效電路看作圖8B所示并聯(lián)的電容器和電阻器。
對于IV族的半導體特細微粒，使用組分比為Si∶Ge＝0.2∶0.8的Si-Ge混合晶體，平均微粒尺寸設定為4.2nm。在依據(jù)第一實施例的發(fā)光器件中，將使用它的光電子材料。則帶隙能量為2.27eV(見圖6)并示出清晰的綠色。
然后，以圖8C所示的格柵形式和矩陣形式規(guī)則地排列上述像素，來制備如此構(gòu)成的單色顯示器面板。
依據(jù)本實施例，把以公共電極分割方式和時間分割方式進行驅(qū)動的復用驅(qū)動系統(tǒng)用作基本的驅(qū)動系統(tǒng)，把不需要連接有源器件的簡單矩陣驅(qū)動系統(tǒng)用于每個像素。通過使門對加到掃描(Y)電極一側(cè)連接器端以依次掃描方式導通，并把相應于顯示方式和設置對比度的選擇/非選擇電壓加到另一個信號(X)電極來操作具有此結(jié)構(gòu)的X-Y矩陣型顯示器面板。由于依據(jù)本實施例的顯示器像素具有非存儲特性，所以通過對掃描(Y)電極一側(cè)的反復掃描以及累加的響應效果來形成整個屏幕。
上述實施例可提供一種單色顯示器面板，其每個像素具有非?？斓捻憫?1微秒數(shù)量級)并可發(fā)射清晰的綠光，于是該面板最適用于一英寸或更小的小型顯示器件。
如需要進一步提高圖像質(zhì)量，則不必說，有源矩陣驅(qū)動方法是可的，該方法的驅(qū)動器MOS晶體管加到每個像素。
第四實施例以下將參考圖9描述作為第四實施例的依據(jù)本發(fā)明的彩色顯示器的結(jié)構(gòu)。圖9示出依據(jù)本實施例的彩色顯示器一個像素(單元器件)結(jié)構(gòu)的概念圖。
等效于依據(jù)本實施例的彩色顯示器件一個像素的器件基本上包括三種發(fā)光器件，它們作為一組具有與第一實施例或第二實施例相同的結(jié)構(gòu)，它們排列成類似于條狀的幾何形狀。
把具有90％或更大可見光透射率的ITO薄膜用于上部電極92，并把硅化鎢薄膜用于下部電極93，以改進發(fā)光能量的正向反射并保證低的電阻。在使用第一實施例的發(fā)光器件時，相關(guān)性如第三實施例中所述的相關(guān)性相同。
依據(jù)本實施例，把三種發(fā)光器件組合在一起，每個發(fā)光器件發(fā)出三原色中的一種顏色而且具有不同平均微粒尺寸的IV族半導體特細微粒，以使一個像素91發(fā)出所有三原色的光。這三種發(fā)光器件分別是用于紅色的發(fā)光器件91R、用于綠色的發(fā)光器件91G以及用于藍色的發(fā)光器件91B。
如同先前所述的實施例，對于在發(fā)光中起主要作用的IV族半導體特細微粒，使用組分比為Si∶Ge＝0.2∶0.8的Si-Ge混合晶體。如果使用依據(jù)第一實施例的發(fā)光器件，則將使用它的光電子材料。構(gòu)成一個像素的這三種發(fā)光器件的平均微粒尺寸和發(fā)光光子能量對紅光發(fā)射器件91R設定為4.8nm和1.77eV，對綠光發(fā)射器件91G設定為4.2nm和2.27eV，以及對藍光發(fā)射器件91B設定為3.6nm和2.84eV(見圖6)。
以矩陣方式在一個平面上排列由一組這三種發(fā)光器件構(gòu)成的每個彩色顯示器像素91，由構(gòu)成每個像素的每個發(fā)光器件激發(fā)電流的變化來調(diào)節(jié)發(fā)光強度和每個像素的色彩。結(jié)果，通過把從這三種發(fā)光器件中發(fā)射的三原色累積地混合起來可實現(xiàn)彩色顯示。
此外，與常規(guī)的彩色顯示器像素相比，可實現(xiàn)非常微小的彩色顯示器像素91，每個像素的尺寸為1到100μm。顯示像素的尺寸下限為衍射極限。即，由于可見光的波長(λ*)為500nm且光學系統(tǒng)NA的最大值為0.5，所以衍射板限(＝λ/NA)變?yōu)?μm。
雖然在對各個實施例的上述描述中討論了IV族或類似的半導體材料以及類似于SiO2的介電單質(zhì)，但有時依據(jù)用途，在必要時也可使用其它金屬、半導體或介電單質(zhì)或其組合。
類似于第一實施例或第二實施例中獲得的光電子材料層描述了第三實施例或第四實施例中的光電子材料層，也可使用包含其它特細微粒的光電子材料層的發(fā)光器件。
第五實施例現(xiàn)在將參考圖10描述作為第五實施例的依據(jù)本發(fā)明的便攜式顯示設備的基本結(jié)構(gòu)。圖10示出該顯示設備主要結(jié)構(gòu)的概念圖，該設備包括一顯示器屏幕101、行解碼器102和列解碼器103。
顯示器屏幕101具有彩色顯示器像素91，通過圖9所示一組三種發(fā)光器件以矩陣方式排列在一平面而構(gòu)成每個像素，該設備可通過依據(jù)來自行解碼器102和列解碼器103的信號，通過改變構(gòu)成每個像素的各個發(fā)光器件的激發(fā)電流來調(diào)節(jié)每個像素的發(fā)光強度和色彩。在單色顯示器的情況下，只要調(diào)節(jié)發(fā)光強度。
由于這種彩色顯示器件使用包括微小像素的自發(fā)光器件，所以可獲得低功耗和高分辨率。在顯示設備為大約一英寸(例如，用于常規(guī)的HMD)的情況下，在彩色顯示器中可實現(xiàn)超過百萬個像素。
此外，通過在Si襯底上實現(xiàn)以上結(jié)構(gòu)以獲得大規(guī)模集成，可使該設備薄到1mm，并保證自由裝配以及與現(xiàn)有的LSI技術(shù)相匹配，從而該設備可適用于便攜式顯示設備。
第六實施例現(xiàn)在將參考圖11和12討論作為第六實施例的依據(jù)本發(fā)明的便攜式顯示設備的特定應用器件的HMD(頭部安裝的顯示器)。
圖11A表示HMD結(jié)構(gòu)的剖面圖，HMD包括殼體111、安裝在殼體111內(nèi)用于左右眼的顯示設備112、目鏡光學系統(tǒng)113和用于把殼體111固定到頭部的帶狀部件114。由目鏡光學系統(tǒng)113在用戶的左右眼上形成來自顯示設備112的左右眼圖像。圖11B示出透過觀看型HMD結(jié)構(gòu)的剖面圖，它具有兩個半反射鏡115，其余的部分與圖11A所示的相同。
由半反射鏡115反射來自顯示設備112的左右眼圖像，這些圖像導入目鏡光學系統(tǒng)113并形成于用戶的兩眼上。由于經(jīng)過半反射鏡115的外部光也到達用戶的眼睛，所以給出透過觀看功能。
在任一種情況下，把圖10所示的顯示設備由于顯示設備112都可實現(xiàn)減小尺寸和減少重量，并可給HMD提供超過使用常規(guī)LCD的HMD十倍多的分辨率。此外，HMD可適用于需要快速響應和高度可靠性的飛行模擬器或類似器件。
如果通過對第一實施例或第二實施例發(fā)光器件中的下部電極使用透明或半透明薄膜，從而在使用具有透明度的發(fā)光器件的類似于玻璃的透明部件上形成上述結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)透過觀看型顯示設備。使用該設備不需要半反射鏡或類似器件，而且可使透過觀看型HMD變得更緊湊和輕便。
圖12示出使用圖11A或圖11B中結(jié)構(gòu)的目鏡型HMD的透視圖。由于更輕便和緊湊的設計，用戶可容易地配戴該設備并可長時間使用。
雖然以上已描述了一種能通過分開顯示左右圖像而保證三維顯示的HMD，但也可實現(xiàn)只使用單個顯示設備來觀看普通TV、視頻或類似圖像的HMD。
第七實施例現(xiàn)在將參考圖13討論作為第七實施例的依據(jù)本發(fā)明的便攜式顯示設備的特殊應用器件HMD的另一種結(jié)構(gòu)。圖13示出依據(jù)本發(fā)明的HMD另一種結(jié)構(gòu)的剖面圖，此HMD包括殼體131、安裝在殼體111中的顯示設備132和目鏡光學系統(tǒng)133以及把殼體131固定到頭部的帶狀部件134。由目鏡光學系統(tǒng)113在用戶的眼睛上形成來自顯示設備132的圖像。
由此結(jié)構(gòu)，用戶可在視線向前或向上以便觀察外部時看到外部景象，并可在視線向下移動時看到來自顯示設備的高清晰度的圖像。即，用戶可簡單地通過移動視線而不移動頭部，從而分別或同時看到外部景象以及來自顯示設備的高清晰度圖像。
例如，在醫(yī)學領(lǐng)域中，在外科手術(shù)期間發(fā)送來自顯示設備的表示手術(shù)人員狀態(tài)的圖像或類似圖像，可使手術(shù)人員獲取信息而不必移動頭部，從而明顯地提高工作效率和準確度。這個效果對于觀察微小部分等也是如此。
雖然，在本實施例中，顯示設備安裝于殼體的下部，但也可把這些設備安裝于殼體的上部或側(cè)面部分，無論工作靶的方向如何，它們都具有相同的功能。
把圖10的顯示設備用作電子字典的顯示設備不僅可實現(xiàn)減小尺寸和重量，而且也可提供分辨率為使用LCD的常規(guī)電子字典分辨率的十倍以上的電子字典。相應地，可以顯示由具有現(xiàn)有電子字典尺寸的幾行構(gòu)成的單字的說明，并可與書本字典同樣容易地觀看。
雖然已示出HMD和電子字典作為本發(fā)明便攜式顯示設備的應用，當然該設備也可適用于許多便攜式單元，諸如便攜式視頻電話和便攜式終端。
第八實施例現(xiàn)在將參考圖14詳細地描述作為第八實施例的使用依據(jù)本發(fā)明光電子材料的光電轉(zhuǎn)換器件的原理結(jié)構(gòu)。
依據(jù)本實施例，如同第一實施例一樣，將描述一種電動勢型光電檢測器，其中光接收(有源)區(qū)域是一光電子材料層，該層具有表面覆蓋有其自己的熱氧化物薄膜的Si(IV族半導體中典型的半導體)特細微粒，這些微粒分布于具有可控導電率或介電常數(shù)的基本上均勻的透明介質(zhì)中。
圖14示出依據(jù)本實施例使用光電子材料的光電轉(zhuǎn)換器件的剖面結(jié)構(gòu)。在圖14中，“141”是襯底，作為它的一個例子，使用n型Si襯底，平面取向(100)、磷摻雜的n型導電率以及電阻率為0.02到0.05Ω·cm。在此n型Si襯底141的頂面形成100nm厚的隔離絕緣體薄膜142，作為一個例子使用SiO2薄膜。此隔離絕緣體薄膜142具有直徑為大約1到10mm的開口142a，此開口形成于應為光電轉(zhuǎn)換器件的光接收(有源)區(qū)域的部分，從而暴露出襯底141的表面。
淀積光電子材料層143以覆蓋至少開口142a。如上所述，由分布于透明介質(zhì)145中的Si特細微粒144來形成此光電子材料層143。此光電子材料層143的結(jié)構(gòu)與在第一實施例部分中已討論的光電子材料層13的結(jié)構(gòu)相同。即，Si特細微粒144具有基本上為球體的形狀、與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)、具有磷摻雜(濃度近似于1016到1018cm-3)的n型導電率以及大約3到10nm的可調(diào)微粒尺寸。此光電子材料層143的厚度是大約150nm。此外，Si特細微粒144的表面覆蓋有未示出的SiO2薄膜，例如，該薄膜的厚度應為3nm或更薄。
透明介質(zhì)145是一均勻薄膜，它具有可見光范圍內(nèi)的高透射率以及可控的導電率或介電常數(shù)，這里使用薄的SnO2薄膜作為一個例子。此薄的SnO2薄膜的可見光透射率為80％或更高，可通過調(diào)節(jié)其形成條件(襯底溫度、氧分壓等)來控制其導電率或介電常數(shù)。該介質(zhì)的電阻率與待分布的特細微粒的電阻率相同或相等或更大都是合適的。由于Si的電阻率為0.02到0.05Ω·cm，所以這里薄SnO2薄膜的電阻率設定為0.1到1Ω。
光電子材料層143中Si特細微粒144的聚集率被設定為20％，以有效地進行如第一實施例部分中所述的量子俘獲，于是形成如第一實施例部分中所述的分布有特細微粒的均勻透明介質(zhì)。
作為一個例子，厚度為10nm的半透明Pt電極146與光電子材料層143上表面接觸，從而在電學意義上，與包括透明介質(zhì)145(具有可控導電率)的光電子材料層143形成所謂的肖特基結(jié)。在襯底141的底面處設有Ag(作為一個例子)制成的后部電極147，從而與襯底141形成電學意義上的歐姆接觸。此外，可在襯底141和后部電極147之間設置厚度為大約20nm的薄Mg薄膜，以減低界面的勢壘高度，替代Pt和Ag，可由鎂、銦、鋁、金、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳和鈀或類似元素中的一種形成的電極146和147。
半透明電極146和后部電極147在必要時經(jīng)由導電糊148或類似物質(zhì)通過電線或類似引線連到電源。最好避免把光接收(有源)區(qū)域作為待連到電源的半透明電極146的位置或?qū)щ姾?48的位置。
雖然把Si用作構(gòu)成光電子材料層的特細微粒的材料，但也可使用在第一實施例部分中所討論的諸如Ge或其混合晶體等其它IV族半導體或III-V或II-VI族復合半導體。雖然把薄的SnO2用作均勻的透明介質(zhì)，但也可使用電阻率與待分布的特細微粒的電阻率基本上相同或更大的其它薄的導電薄膜或薄的介電薄膜。例如，應通過雜質(zhì)濃度把特細微粒的電阻率控制在近似于1到10-3Ω·cm的范圍內(nèi)，依據(jù)特細微粒的電阻率，應把透明介質(zhì)的電阻率控制在近似于102到10-2Ω·cm的范圍內(nèi)。雖然Si特細微粒覆蓋有氧化物薄膜，但通過如第一實施例部分的表1所示把特細微粒和透明介質(zhì)結(jié)合起來可省略氧化物薄膜。
以下將討論具有上述結(jié)構(gòu)的光電電動勢型光電檢測器的操作原理，為了操作使用本實施例的光電子材料的光電檢測器，開始把相對后部電極147為負的DC偏置加到半透明電極146。由此器件結(jié)構(gòu)，示出如第一實施例中圖2A所示的強烈整流特性，該特性是由半透明電極146與光電子材料層143界面的肖特基結(jié)而引起的，此反向偏壓應近似于幾伏到幾十伏。
在此情況下，當光子能量比Si特細微粒141的帶隙能量大的光射到光電子材料層143上時，在Si特細微粒144中產(chǎn)生電子—空穴對這樣的載流子，且產(chǎn)生的電子向光電子材料層143移動，產(chǎn)生的空穴向半透明電極146移動。結(jié)果，在半透明電極146與光電子材料層143所形成的肖特基結(jié)處產(chǎn)生光電電動勢。通過檢測此光電電動勢來提供光接收功能。
由使用本實施例的光電子材料的光電檢測器的結(jié)構(gòu)，如在第一實施例部分中使用圖1C所討論的，通過使光電子材料143的上半部分成為高濃度n型，并使其下半部分成為低濃度的P型，在光電子材料層143和半透明金屬電極146之間提供類歐姆接觸，并在光電子材料層143的中央形成p-n結(jié)。
現(xiàn)在將討論以p-n結(jié)作為一個例子的光電檢測器的結(jié)構(gòu)。作為襯底，使用具有平面取向(100)、硼摻雜p型導電率以及電阻率為10Ω·cm的p型Si襯底。通過在透明介質(zhì)中分布Si特細微粒，在光電子材料層的下部形成低濃度的p型區(qū)域。Si特細微粒具有基本上為球體的形狀，與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)，以及低濃度硼摻雜的p型導電率，其微粒尺寸調(diào)節(jié)到大約3到10nm。此外，把薄的SiO2薄膜用作透明介質(zhì)的一個例子，Si特細微粒的聚集率設定為約20％。此p型特細微粒淀積層具有大約10nm的厚度。由于低濃度p區(qū)域和襯底均為中型，所以在其界面處不形成勢壘。
光電子材料層上部的高濃度n型區(qū)域具有與圖14所示光電子材料層143相同的結(jié)構(gòu)，其厚度設定為近似50nm。在此n型區(qū)域的淀積結(jié)束時，通過離子注入而引入硼所提供的高濃度摻雜的n型。離子注入的條件為20kev的加速能量以及5×1015cm-2的濃度。
由以上結(jié)構(gòu)，當光子能量大于Si特細微粒144的帶隙能量的光射到加有反向偏置電壓(半透明電極146相對于襯底141為正)的光電子材料層143時，在Si特細微粒144中產(chǎn)生電子—空穴對這樣的載流子。少量載流子在光電子材料層143中被相互加速，電子向高濃度n型區(qū)域，空穴向低濃度p型區(qū)域，于是在p-n結(jié)處產(chǎn)生光電電動勢。此p-n結(jié)超越肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是具有較小的暗電流。
由于Si帶隙能量為1.1eV(發(fā)光波長極限為100nm)，所以本征Si幾乎具有在整個可見光范圍內(nèi)的光接收靈敏度?，F(xiàn)在將描述如何控制本實施例光電轉(zhuǎn)換器件中的發(fā)光波長范圍。
首先，第一個方案調(diào)節(jié)Si特細微粒144主體的微粒尺寸(大小)，并通過此時發(fā)生的量子限制效應來直接改變帶隙寬度。帶來量子限制效應的特細微粒尺寸隨表2所示的材料而不同。例如，對于Si單質(zhì)特細微粒，如圖6所示，作為吸收終止范圍，4.0nm的直徑用于紅色，3.2nm的直徑用于綠色，以及2.8nm的直徑用于藍色。因此，由于Si單質(zhì)特細微粒的直徑被設定為3nm或更小，所以可實現(xiàn)在比藍色區(qū)域能量更高的一側(cè)具有敏感度的光電檢測器，它無需使用彩色濾光器。
然而，如第一實施例部分所述，實際上要把直徑控制在2nm范圍內(nèi)是非常困難的。此外，直徑在2nm內(nèi)的特細微粒表面原子的比例達到大約70％，從而不能忽略表面缺陷以及表面能級的影響。
由此，作為可行的第二方案，要重新構(gòu)成Si特細微粒144與表面氧化物薄膜之間界面處表面氧化物薄膜的分子排列，并形成相應于例如藍色光子能量的本地發(fā)光中心。尤其是，通過把特細微粒144的上表面設計成具有鏈狀的聚硅氧烷結(jié)構(gòu)(鏈狀聚硅化物框架)，來提高藍色區(qū)域內(nèi)的光接收敏感度。
在復合半導體的情況下，如果復合半導體特細微?？杀谎趸赏ㄟ^重新構(gòu)成氧化物薄膜的分子排列來控制光接收波長范圍，或在不能氧化時通過重新構(gòu)成其它類型介電薄膜的分子排列來進行此控制。
使用依據(jù)本實施例具有上述光接收特性的光電轉(zhuǎn)換器件，可構(gòu)成不需要濾光器或類似器件并包括IV族半導體的紫外線檢測器或藍色傳感器。
此外，從以上描述以及對第一實施例的描述，使用本實施例的光電子材料的光電轉(zhuǎn)換器件具有光電檢測器的功能。即，當把相對于半透明電極146為負的DC偏置加到后部電極147時，熱電子被注入光電子材料層143，從而激發(fā)電子—空穴對。受激的電子—空穴對依據(jù)在復合過程中，特細微粒的帶隙能量而表現(xiàn)出發(fā)光。因此，可提供以同樣的結(jié)構(gòu)實行光發(fā)射和接收的光電轉(zhuǎn)換器件。
第九實施例現(xiàn)在將參考圖15描述作為第九實施例的依據(jù)本發(fā)明的另一個光電轉(zhuǎn)換器件的原理結(jié)構(gòu)。
依據(jù)本實施例，與第一實施例相同，將描述一種光導型光電檢測器，其中光接收(有源)區(qū)域為光電子材料層，該層具有分布于具有可控導電率或介電常數(shù)的基本上均勻的透明介質(zhì)中的Si(IV族半導體)特細微粒，微粒表面覆蓋有其本身的熱氧化物薄膜。
圖15示出使用依據(jù)本實施例的光電子材料的光電轉(zhuǎn)換器件的剖面結(jié)構(gòu)。在圖15中，“151”為襯底，作為一個例子使用玻璃襯底。在此玻璃襯底151的上表面形成下部pt(作為一個例子)電極152。光電子材料層153淀程在此下部電極152的上表面。如上所述，通過在透明介質(zhì)155中分布Si特細微粒145來形成上光電子材料層153。此Si特細微粒154其有基本上為球體的形狀，與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)以及低濃度硼摻雜的n型導電率，微粒尺寸調(diào)節(jié)到近似于3到10nm。透明介質(zhì)155是具有可見光范圍內(nèi)的高透射率和可控導電率或介電常數(shù)的均勻薄膜，這里用薄的SnO2作為一個例子。此薄的SnO2薄膜具有80％或更高的可見光透射率，可通過調(diào)節(jié)其形成條件(襯底溫度，氧分壓等)來控制其導電率或介電常數(shù)。
由于本實施例是光導型光電檢測器，所以電阻最好在暗狀態(tài)中為最大，而在亮狀態(tài)(光輻射時)減小近似于兩個數(shù)值。例如，電阻狀態(tài)在暗時應為一百到幾百kΩ，在光輻射時應為大約十到n十KΩ，作為一個例子，Si特細微粒與作為透明介質(zhì)155的SnO2的電阻率都設定為1Ω·cm，光電子材料層153的厚度設定為100nm。由此結(jié)構(gòu)，暗狀態(tài)下光電子材料層的電阻變?yōu)榇蠹s100KΩ。當光射到此光電子材料層上時，產(chǎn)生的載流子被外部電場加速，從而表現(xiàn)出倍增現(xiàn)象，這樣使電阻降到大約10kΩ，但將在以后討論操作原理。
雖然把Si用作構(gòu)成光電子材料層的特細微粒的材料，但如第一或第二實施例部分所述，也可使用諸如Ge的其它IV族半導體或其混合晶體的或III-V或II-VI族復合半導體。雖然把薄的SnO2用作均勻的透明介質(zhì)，但也可使用其電阻率基本上與特細微粒的電阻率相同或更大的其它薄的導電薄膜或薄的介電薄膜。
作為一個例子，厚度為10nm的半透明Pt電極156與光電子材料層153的上表面接觸。替代Pt，電極152和156可由鎂、銀、銦、鋁、金、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳和鈀或類似金屬中的一種構(gòu)成。
半導體電極156和后部電極152在必要時經(jīng)由導電糊或類似物質(zhì)通過電線或類似引線連到歐姆計。
以下將討論具有上述結(jié)構(gòu)的光導型光電檢測器的操作原理。對于使用本實施例的光電子材料的檢測器操作，當光射到光電子材料層153時，在光電子材料層153的Si特細微粒154中吸收光的能量，價帶或施主能級的電子在導帶中受到激發(fā)并變?yōu)樽杂呻娮?。這些電子被外部電場加速，從而表現(xiàn)出倍增現(xiàn)象，以進一步產(chǎn)生成倍的自由電子并到達電極。結(jié)果，光電子材料層的153的內(nèi)部電阻下降。通過檢測此內(nèi)部電阻的變化提供光接收功能。
為了控制使用本實施例的光電子材料的光電轉(zhuǎn)換器件的光接收波長區(qū)，如第一實施例部分所述，一種方法是調(diào)節(jié)Si特細微粒主體的微粒尺寸(大小)，并通過此時發(fā)生的量子限制效應來直接改變帶隙寬度，另一種方法是在特細微?？杀谎趸瘯r重新構(gòu)成氧化物薄膜的分子排列，或者在不能進行氧化時重新構(gòu)成其它類型介電薄膜的分子排列。
使用依據(jù)本實施例具有上述光吸收特性的光電轉(zhuǎn)換器件可構(gòu)成包括IV族半導體且不需要濾光器或類似器件的紫外線檢測器或藍色傳感器。
第十實施例現(xiàn)在將參考圖16和17詳細地描述作為第十實施例的使用依據(jù)本發(fā)明的光電子材料且作為光電轉(zhuǎn)換器件的一個更特殊例子的彩色傳感器的原理結(jié)構(gòu)。
依據(jù)此實施例，如同第一實施例一樣，將描述包括光導型光電檢測器的彩色傳感器，其中光吸收(有源)區(qū)域為具有Si(IV族半導體)特細微粒的光電子材料層，這些微粒的表面覆蓋有其本身的熱氧化物膜并分布于具有可控導電率或介電常的基本上均勻的透明質(zhì)質(zhì)中。
圖16示出使用這種光電子材料的彩色傳感器的剖面結(jié)構(gòu)。參考圖16，“161”、“162”和“163”為第一、第二和第三光電轉(zhuǎn)換層。每個光電轉(zhuǎn)換層具有與在第九實施例部分中所述的光導型光電檢測器相同的結(jié)構(gòu)，且包括具有分布于透明介質(zhì)166中的Si的特細微粒165的光電子材料層164，厚度為10nm的透明Pt電極167(作為一個例子)位于該層的上下。上下透明電極167在必要時經(jīng)由導電糊或類似物質(zhì)通過電線或類似引線連到歐姆計。
此光電子材料層164的Si特細微粒165具有基本上為球體的形狀，與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)以及低濃度硼摻雜的n型導電率，以成為電阻率為大約1Ω·cm的p型。透明介質(zhì)166是具有可見光范圍內(nèi)的高透射率以及可控導電率或介電常數(shù)的均勻薄膜，這里使用電阻率為大約1Ω·cm的薄SnO2薄膜作為一個例子。光電子材料層164的厚度設定為100nm。在此結(jié)構(gòu)中，暗狀態(tài)下光電子材料層的電阻變?yōu)榻朴?00kΩ。
由于光電子材料層164中Si特細微粒165的聚集率變得較高，所以光電子材料層164整個內(nèi)部電阻的變化變得較大或光吸收敏感度變得較高。然而，如第一實施例部分所述，如果聚集率太高，則減小了特細微粒的量子限制效應，從而聚集率最好設定為大約20％。
雖然把Si用作構(gòu)成光電子材料層的特細微粒的材料，如第二實施例部分中所討論的，可使用諸如Ge或其混合晶體等其它IV族半導體或III-V或II-VI族復合半導體。雖然把薄的SnO2用作均勻的透明介質(zhì)，也可使用電阻率與待分布的特細微粒的電阻率其本上相同或更大的基它薄導電薄膜或薄介電薄膜。此外，替代Pt，半透明電極167可使用鎂、銀、銦、鋁、金、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳和鈀或類似金屬中的一種構(gòu)成。
具有上述結(jié)構(gòu)的各個光電轉(zhuǎn)換層161、162和163由隔離絕緣體薄膜168相互電氣絕緣，該薄膜168的材料以具有高可見光透射率的SiO2薄膜作為一個例子。雖然這里使用SiO2薄膜，也可使用諸如Al2O3薄膜等具有高可見光透射率的絕緣體。
以下將討論具有上述結(jié)構(gòu)的彩色傳感器的光吸收操作的原理。首先，對于使用依據(jù)本實施例的光電子材料的每個光電轉(zhuǎn)換層的操作，當光射到光電子材料層164上時，在光電子材料層164的Si特細微粒165中產(chǎn)生載流子，它們被外部電場加速，因碰撞和離子化引起倍增現(xiàn)象，從而進一步產(chǎn)生成倍的自由電子并到達電極。結(jié)果，例如，光電子材料層164的內(nèi)部電阻降到大約10Ω。通常檢測此內(nèi)部電阻的變而提供光化接收功能。
如第一實施例部分中特別所述，通過使用…可控制具有此光接收功能的每個光電轉(zhuǎn)換層的光接收波長范圍。對于非直接躍遷半導體Si的發(fā)射機理，有一種觀點是，在多孔形狀中納米(nm)數(shù)量級的三維微小結(jié)構(gòu)區(qū)域中，放松對光躍遷的波數(shù)選擇標準，于是保證電子—空穴對的放射性復合，另一種觀點是，在多孔Si的表面上形成許多有記憶功能的環(huán)形氧化物(聚硅氧烷)，并在聚硅氧烷/Si界面處形成對放射性復合作出貢獻的新能級。在任一種情況下，看上去確定的是，對于光子激發(fā)，通過把Si的形狀設計成具有微粒尺寸為幾納米數(shù)量級的特細微米，而引起能帶結(jié)構(gòu)的變化(因量子限制效應而使Eg增加的現(xiàn)象)。即，通過調(diào)節(jié)包含在每個光電轉(zhuǎn)換層內(nèi)Si特細微粒的平均微粒尺寸或表面原子排列，各個光電轉(zhuǎn)換層可給出不同的光接收特性。
如果第一、第二和第三光電轉(zhuǎn)換層161、162和163的Si特細微粒的尺寸以此順序增加，則Eg隨特細微粒尺寸的變小而增加，從而對于更靠近光接收表面的層，光隙變得更大。此性質(zhì)如圖17所示。尤其是，作為一個例子，第一、第二和第三光電轉(zhuǎn)換層的特細微粒的直徑分別設定為3.0nm、3.5nm和4.0nm，其光隙分別設定在藍、綠和紅色區(qū)域內(nèi)。結(jié)果，紅(R)光通過第一和第二光電轉(zhuǎn)換層而不被吸收，并在第三光電轉(zhuǎn)換層中被吸收。同樣，綠(G)光通過第一光電轉(zhuǎn)換層而不被吸收，并在第二光電層中被吸收根據(jù)厚度，也可在第三光電轉(zhuǎn)換層中被吸收)，藍(B)光主要在第一光電轉(zhuǎn)換層中被吸收。因此，從各個光電轉(zhuǎn)換層處接收到的光的強度之差可獲得R、G、B的強度。此外，這三種原色經(jīng)過適當?shù)男盘柼幚?，以區(qū)分包括中間色彩的顏色。
雖然把光導光電檢測器用作此彩色傳感器中的光電轉(zhuǎn)換層，但可使用第八實施例部分中所討論的光電電動勢型光電檢測器。此情況的優(yōu)點在于對入射光有線性、快速響應特性和低噪聲性能。
第十一實施例以下將參考圖18和19特別描述作為第十一實施例的另一種依據(jù)本發(fā)明的光電子材料的原理結(jié)構(gòu)。
依據(jù)本實施例，將對作為光致(PL)發(fā)光部件的光電子材料進行描述，其中光接收(有源)區(qū)域為特細微粒分布層，該層有分布于均勻透明介質(zhì)中的Si(IV族半導體中的典型)特細微粒，這些微粒的表面覆蓋有其本身的熱氧化物薄膜。如使用表1的第一實施例部分所述，依據(jù)特細微粒與透明介質(zhì)的組合可省略特細微粒的氧化物薄膜。
圖18示出依據(jù)本實施例的光電子材料的剖面結(jié)構(gòu)。圖18A中，“181”是襯底，作為它的一個例子，使用平面取向為(100)、磷摻雜的n型導電率以及電阻率為10Ω·cm的n型Si襯底。具有低折射率的透明材料層182和具有高折射率的特細微粒分布層183以預定循環(huán)交替堆疊在此n型Si襯底181的上表面，從而形成周期性結(jié)構(gòu)。透明材料層182是具有可見光范圍內(nèi)的高透射率以及可控導電率或介電常數(shù)的均勻薄膜，使用薄的銦氧化物—錫(In2O3-SnO2∶ITO)薄膜作為一個例子。此薄的ITO薄膜具有90％或更高的可見光透射率，可通過調(diào)節(jié)其形成條件(襯底溫度、氧分壓等)來控制其導電率或介電常數(shù)。例如，在通過淀積來制備薄的ITO薄膜時，把SnO2的添加比例調(diào)節(jié)在重量百分比為百分之幾到百分之幾十的范圍內(nèi)，可把電阻率控制在10-4到10-2Ω·cm范圍內(nèi)。此外，可把介電常數(shù)控制在大約4到5的范圍內(nèi)。
雖然把薄的ITO薄膜用作均勻的透明材料層，但最好依據(jù)以下將討論的周期性結(jié)構(gòu)的設計而使用具有所需介電常數(shù)的均勻薄膜作為低折射率層，也可使用諸如SnO2、TiO2或InO2薄膜等其它導電薄膜或SiO2、Al2O3或類似的介電薄膜。此外，如第一到第十實施例部分所述，依據(jù)本實施例的光電子材料可用于發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件或彩色傳感器的光電子材料層。在此情況下，透明材料層最好具有高的導電率。
如圖18B所示，由分布于透明介質(zhì)184中的Si特細微粒185來形成特細微粒分布層183。此特細微粒分布層183的結(jié)構(gòu)與第一實施例部分中的所討論光電子材料層13的結(jié)構(gòu)相同。即，Si特細微粒185具有基本上為球體的形狀、與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)以及低濃度磷摻雜的n型導電率，微粒尺寸調(diào)節(jié)到大約3到10nm。此外，Si特細微粒185的表面覆蓋有未示出的SiO2薄膜，其厚度應為例如3nm或更薄。
透明介質(zhì)184具有可見光范圍內(nèi)的高透射率和可控的導電率或介電常數(shù)，這里把薄的SnO2薄膜作為一個例子。介質(zhì)的電阻率最好與待分布的特細微粒的電阻率大致相同或相等或更大，作為一個例子把它設定為10Ω·cm。
此外，為了有效地進行如第一實施例部分中所述的載流子的量子俘獲，把光電子材料層183中Si特細微粒185的聚集率設定為大約20％。
雖然把Si用作構(gòu)成光電子材料層的特細微粒的材料，但可使用諸如Ge或其混合晶體等其它IV族半導體或III-V或II-VI族復合半導體。雖然把SnO2用作均勻透明介質(zhì)，但最好依據(jù)以下將討論的周期性結(jié)構(gòu)的設計，使用具有所需介電常數(shù)的均勻薄膜作為高折射率層，也可使用其它導電薄膜或介電薄膜。如第一到第十實施例所述，可把依據(jù)本實施例的光電子材料用于發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件或彩色傳感器的光電子材料層。在此情況下，此特細微粒分布層的透明介質(zhì)最好具有與待分布的特細微粒的電阻率大致相同或相等或更大的電阻率。
現(xiàn)在將描述用于依據(jù)本實施例光電子材料的周期性結(jié)構(gòu)的設計方法。當依據(jù)本實施例的光電子材料表現(xiàn)出發(fā)光現(xiàn)象，而λ為所需發(fā)光中央波長時，如此進行交替層疊，從而透明材料層182與特細微粒分布層183疊層的一個周期的光學薄膜厚度(折射率×薄膜厚度)變?yōu)棣?2，依據(jù)本實施例，作為周期性結(jié)構(gòu)的一個設計例子，λ為600nm，每一層的光學薄膜厚度設定為150nm(λ/4)。尤其是，由于薄ITO薄膜的典型折射率為2.1，則透明材料層的厚度設定為72nm。
根據(jù)平均有效介質(zhì)原理來設計特細微粒分布層183。假定由介電常數(shù)為ε的球狀特細微粒以聚集率f分布于介電常數(shù)為εm的透明介質(zhì)中來形成特細微粒分布層。當特細微粒的微粒尺寸與波長相比足夠小時，則由以下公式(2)來表示特細微粒分布層的平均介電常數(shù)εav。
εav＝εm[1+f×3(ε-εm)/{ε(1-f)+εm(2+f)}] (2)依據(jù)本實施例，通過對Si特細微粒的介電常數(shù)進行近似，薄SnO2薄膜的典型介電常數(shù)為4.8，使用本征Si的值(11.9)。假定聚集率為20％，則從以上公式，特細微粒分布層的平均介電常數(shù)變?yōu)?.8。由于折射率可近似為介電常數(shù)的1/2次冪，所以獲得的特細微粒分布層的平均折射率為2.4。因此，作為高折射率層的特細微粒分布層的厚度設定為63nm。
雖然每一層的光學薄膜厚度設定為λ/4，但可把透明材料層182和特細微粒分布層183疊層的一個周期的光學薄膜厚度設定為λ/2，則可把特細微粒分布層的光學薄膜厚度設定為小于λ/4。相應地，可增強從依據(jù)本實施例的光電子材料獲取光發(fā)射的效率。
以下將描述具有上述結(jié)構(gòu)的光電子材料的發(fā)光的操作原理。首先，對于依據(jù)本實施例的光電子材料的PL發(fā)光部件的操作，當輻射光子能量等于或大于特細微粒的帶隙能量(Eg)的光時，如第一實施例部分中特別所述，在特細微粒分布層183的Si特細微粒185中產(chǎn)生電子—空穴對。由于經(jīng)由相關(guān)放射性復合中心的復合現(xiàn)象，使產(chǎn)生的電子—空穴對表現(xiàn)出依據(jù)特細微粒Eg的發(fā)光。
由于IV族半導體原本是非直接躍遷型，所以產(chǎn)生放射性復合的幾率非常低，但如果使用特細微粒具有幾納米數(shù)量級的微粒尺寸，則幾率增大，于是保證強烈發(fā)光。注意，這里如第一實施例部分所討論的來使用量子限制效應所引起的Eg增加現(xiàn)象。即，通過調(diào)節(jié)Si特細微粒的微粒尺寸(大小)或表面原子排列，可獲得所需的發(fā)光波長。
然而，特細微粒本身的發(fā)光光譜具有如圖19A所示的寬的光譜寬度。依據(jù)本實施例的Si特細微粒具有如第一實施例部分中圖5所示大約0.3ev的光譜寬度。
相反，依據(jù)本實施例，依據(jù)上述周期性結(jié)構(gòu)設計，透明材料層182和特細微粒分布層以此方式相互交替堆疊，從而疊層一個周期的光學薄膜厚度變?yōu)棣?2。相應地，因透明材料層與特細微粒分布層折射率的不同，而在各層的界面處產(chǎn)生多次干涉，使得只增強λ周圍波長范圍的發(fā)光強度。此現(xiàn)象如圖19B所示。由于此光譜寬度隨周期性結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加而變窄，所以應依據(jù)必需的光譜寬度來調(diào)節(jié)層數(shù)。
此外，通過如此調(diào)節(jié)Si特細微粒的微粒尺寸或表面原子排列，從而使Si特細微粒原始發(fā)光的中央波長與周期性結(jié)構(gòu)所增強的中央波長相匹配，以及依據(jù)上述周期性結(jié)構(gòu)的設計來調(diào)節(jié)每一層的厚度，可改善增強連續(xù)光譜(由特細微粒固有產(chǎn)生)所需波長范圍的強度的效果。
雖然已在本實施例部分中討論了作為PL發(fā)光部件的光電子材料，但也可把依據(jù)本實施例的光電子材料用于第一到第十實施例中的光電子材料層。在此情況下，在第一到第十實施例部分中所述的發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件或彩色傳感器中，可增強特細微粒固有產(chǎn)生的連續(xù)光譜的所需波長范圍的光發(fā)射和接收強度。
第十二實施例以下將參考圖20描述作為第十二實施例時依據(jù)本發(fā)明的另一種光電子材料的原理結(jié)構(gòu)。依據(jù)本實施例，將對作為光致(PL)發(fā)光部件的光電子材料進行描述，其中光接收(有源)區(qū)域為有源層，該層有分布于均勻透明介質(zhì)中的Si(IV族半導體中的典型)特細微粒，這些微粒的表面覆蓋有其本身的熱氧化物薄膜。如使用表1的第一實施例部分所述，依據(jù)特細微粒與透明介質(zhì)的組合可省略特細微粒的氧化物薄膜。
圖20示出依據(jù)本實施例的光電子材料的剖面結(jié)構(gòu)。在圖20中，“201”是襯底，使用玻璃襯底作為一個例子，在襯底201的上表面設置厚度為100nm的鋁(作為一個例子)制薄金屬層202。應把具有可見光范圍內(nèi)的高反射率的材料用于薄的金屬層202，替代Al，實際上它可由鉑、鎂、銦、金、銀、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳和鈀或類似金屬中的一種來形成。
在薄金屬層202的上表面形成多層薄膜203。此多層薄膜203具有折射率不同并相互交替堆疊的至少兩種層，從而形成周期性結(jié)構(gòu)。作為一個例子，如第一實施例中所述，由光電子材料形成此多層薄膜，它由薄ITO薄膜形成的透明介質(zhì)層與Si特細微粒分布于薄SnO2薄膜中的特細微粒分布層相互交替層疊而成。
如此形成多層薄膜203的周期性結(jié)構(gòu)，從而在依據(jù)本實施例的光電子材料表現(xiàn)出發(fā)光現(xiàn)象時，依據(jù)第十一實施例部分中特別所述的設計，一個周期的光學薄膜厚度(折射率×薄膜厚度)將變?yōu)棣?2(λ發(fā)射的光的中央波長)。依據(jù)本實施例，作為一個例子，如λ設定為600nm，則厚度為72nm的透明介質(zhì)層與厚度為63nm的特細微粒分布層交替堆疊而形成多層薄膜203。雖然把第十一實施例的光電子材料用于多層薄膜203，但可把通常所使用的介電多層薄膜或類似薄膜用作可見光范圍內(nèi)的多層反射薄膜。
在多層薄膜203的上表面形成有源層204。此有源層204具有與第十一實施例部分中所討論的特細微粒分布層183相同的結(jié)構(gòu)，也是由分布于透明介質(zhì)206中的特細微粒205而形成。Si特細微粒154其有基本上為球體的形狀，與本征Si相同的晶體結(jié)構(gòu)以及低濃度硼摻雜的p型導電率，微粒尺寸調(diào)節(jié)到近似于3到10nm。此外，Si特細微粒205的表面覆蓋有未示出的SiO2薄膜，其厚度應為例如3nm或更薄。透明介質(zhì)206是具有可見光范圍內(nèi)的高透射率和可控導電率或介電常數(shù)的均勻薄膜，這里用薄的SnO2作為一個例子。
此外，此有源層204的光學薄膜厚度(折射率×薄膜厚度)設定為λ的整數(shù)倍。依據(jù)本實施例，作為一個例子，λ設定為600nm，有源層204的光學薄膜厚度設定為2λ。尤其是，如果聚集率以20％作為一個例子，則在第十一實施例部分中所獲得的有源層204的折射率為2.4。因此，有源層204的厚度設定為500nm。
雖然把Si用作構(gòu)成光電子材料層的特細微粒的材料，但如第十一實施例部分所討論的，可使用諸如Ge或其混合晶體等其它IV族半導體或III-V或II-VI族復合半導體。雖然把SnO2用作均勻透明介質(zhì)，但最好依據(jù)如第十一實施例部分所討論的周期性結(jié)構(gòu)的設計，使用具有所需介電常數(shù)的均勻薄膜作為高折射率層，也可使用其它導電薄膜或介電薄膜。此外，如第一到第十實施例所述，可把依據(jù)本實施例的光電子材料用于發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件或彩色傳感器的光電子材料層。在此情況下，此特細微粒分布層的透明介質(zhì)最好具有與待分布的特細微粒的電阻率大致相同或相等或更大的電阻率。
在有源層204的上表面設置厚度為10nm的Pt(作為一個例子)的局部反射層207。應把具有可見光范圍內(nèi)適當反射率的材料用于局部反射層207，替代Pt，該層可由鎂、銦、鋁、金、銀、鎢、鉬、鉭、鈦、鈷、鎳和鈀或類似金屬中的一種來形成。此外，可把常規(guī)所使用的介電多層薄膜用作可見光范圍內(nèi)的局部反射薄膜。
以下將描述具有上述結(jié)構(gòu)的光電子材料發(fā)光的操作原理。當輻射光子能量等于或大于特細微粒帶隙能量(Eg)的光時，由第十一實施例部分中所述的原理引起具有圖19A中所示寬的光譜寬度的發(fā)光。
相應地，如果如此進行交替層疊，從而一個周期中多層薄膜203的光學薄膜厚度變?yōu)棣?2來形成周期性結(jié)構(gòu)，且如上所述把有源層204的光學薄膜厚度設計成λ的整數(shù)倍，則形成有源層204夾在多層薄膜與局部反射層207之間的共振結(jié)構(gòu)。因此，可如圖19B所示，增強只在λ處具有峰值的波長范圍的發(fā)光強度。
此外，由于把第十一實施例部分中所討論的光電子材料用于本實施例的多層薄膜203，所以多層薄膜203中的Si特細微粒也表現(xiàn)發(fā)光，從而進一步增強發(fā)光強度。
此外，通過如此調(diào)節(jié)Si特細微粒的微粒尺寸或表面原子排列，從而使Si特細微粒原始發(fā)光的中央波長與周期性結(jié)構(gòu)所增強的中央波長相匹配，以及依據(jù)上述周期性結(jié)構(gòu)的設計來調(diào)節(jié)每一層的厚度，可改善增強連續(xù)光譜(由特細微粒固有產(chǎn)生)所需波長范圍的強度的效果。
雖然已在本實施例部分中討論了作為PL發(fā)光部件的光電子材料，但也可把依據(jù)本實施例的光電子材料用于第一到第十實施例中的光電子材料層。在此情況下，在第一到第十實施例部分中所述的發(fā)光器件、顯示器件、光電轉(zhuǎn)換器件或彩色傳感器中，可增強特細微粒固有產(chǎn)生的連續(xù)光譜的所需波長范圍的光發(fā)射和接收強度。
第十三實施例現(xiàn)在將參考圖21到24詳細地描述作為第十三實施例的制造依據(jù)本發(fā)明的光電子材料的適當方法。
圖21示出制造作為光電子材料一個例子的IV族特細微粒方法的步驟圖，“211”表示硅(Si)粉末而“212”表示鍺(Ge)粉末，它們都具有大約1.0到2.0μm的微粒尺寸和6N或更大的純度?！?14”是熱壓機，“215”是Si-Ge混合靶。
首先，如圖21A所示，對Si粉末211和Ge粉末212進行機械混合而使其均勻分布，以制備Si-Ge混合粉末213。雖然混合比可任意設定，但為了如以下所討論的控制發(fā)光波長，以發(fā)光效率為先，把克分子比設定為Si∶Ge＝0.2∶0.8。
接著，如圖21B所示，把Si-Ge混合粉末213密封在熱壓機214內(nèi)，在熱壓機內(nèi)，在壓縮燒結(jié)時進行加熱和壓縮。雖然此時的加熱溫度一般最好是作為基準的共熔點(K)的0.8倍，但在此實施例中設定為700℃。壓強值設定在15到20MPa范圍內(nèi)，壓縮燒結(jié)時的氣氛為惰性氣體(氬氣)。然而，使用真空熱壓法，最終可獲得高密度的模制產(chǎn)品。也可通過在低溫和低壓下進行壓縮，來獲得密度與使用惰性氣體的熱壓法中獲得的密度基本上相同的模制產(chǎn)品。如圖24所示，從熱壓機214中取出模制的Si-Ge混合靶215。
于是，模制Si-Ge混合靶215具有均勻地分布于微米水平的Si和Ge，且密度達到或高于99％的理想值。
圖22示出用于制備IV族(Si-Ge)混合晶體特細微粒的設備的概念圖，通過對以圖21中制造方法獲得的Si-Ge混合靶進行激光燒蝕，把微粒的尺寸控制在nm數(shù)量級。
激光燒蝕是指以高能量密度(脈沖密度1.05/cm2或更大)的激光光束輻射靶材料，從而使受輻射靶材料的表面熔化和解吸，其特征是非熱量平衡及質(zhì)量減少的過程。非熱量平衡的一個特殊效果是能實行以空間和時間為基礎的選擇性激發(fā)。尤其是，空間上的選擇性激發(fā)只允許激發(fā)必需的材料源，而常規(guī)的熱處理或等離子體處理使反應槽(tank)的很大面積或整個面積暴露于熱或離子。于是它是一個抑制雜質(zhì)混合的清潔的處理。
與具有相同非熱量平衡的離子處理相比，“質(zhì)量減少”意味著明顯較低的破壞。激光燒蝕中的解吸材料主要由離子動能達到幾十ev以及中子動能達到幾ev的離子和中子微粒或原子、分子或群(由大約幾個到幾十個原子構(gòu)成)來構(gòu)成。此能量雖然大大高于熱蒸發(fā)原子的能量，但還處在比離子束的能量低得多的能量范圍內(nèi)。
具有很少破壞的清潔激光燒蝕工藝適用于制備其雜質(zhì)混合、結(jié)晶度、表面狀態(tài)和類似性質(zhì)受到控制的特細微粒。這是因為，在制備具有非常大的表面面積比和易受結(jié)構(gòu)影響的特細微粒時，低破壞率是不可避免的因素。如果在熱量平衡工藝中生長特細微粒，則類似于微粒尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)的分配變得不可避免。
基本設備結(jié)構(gòu)是這樣的，從而來自氬-氟激發(fā)劑激光源2201的激光光束(波長193nm)通過包括狹縫2202、會聚透鏡2203、反射鏡2204和透光窗2205的光學系統(tǒng)引入真空反應室2206，并聚焦和射到置于真空反應室2206內(nèi)部的Si-Ge混合靶2207的表面。此時的輻射能量狀態(tài)為，脈沖能量密度是1.0秒到3.0J/cm2，重復頻率是10Hz。此外把Si-Ge混合靶2207置于具有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的靶支架2208上。在沿法向距離Si-Ge混合靶2207的表面7到10mm處平行于靶表面放置淀積襯底2209，收集和淀積從Si-Ge混合靶2207的受輻射表面解吸的材料。即，由于在本實施例的輻射條件下，解吸材料實質(zhì)上是原子、分子或群，所以通過高真空環(huán)境中的激光燒蝕淀積來形成包含這些材料的薄。
在幾托的He氣氣氛中以上述輻射條件進行激光燒蝕淀積時，解吸材料的動能在周圍氣體原子中分散，從而加速了空氣中的締合與生長，且在材料到達并集中于淀積襯底2209上時，已生成為微粒尺寸為幾nm到幾十nm的特細微粒。
尤其是，在主要包括渦輪分子泵的高真空抽氣系統(tǒng)2210把真空反應室2206預先排氣到1×106Pa后，把此高真空抽氣系統(tǒng)密封起來。然后，通過惰性氣體供應管2211引入氦(He)氣，由質(zhì)量流量控制器2212來實現(xiàn)對惰性氣體(He)氣氛的流量控制，并由差動排氣系統(tǒng)221對該氣體實行差動排氣，該差動排氣系統(tǒng)221主要包括干燥旋轉(zhuǎn)泵或高壓渦輪分子泵。He氣氣氛中控制壓強的范圍是1.0到20.0托。
通常，難于通過1000℃的本征熔化和熱處理來形成高級Si-Ge混合晶體，而本實施例可在Si-Ge混合靶2207的表面上表現(xiàn)出與幾萬度的極高溫等效的非熱量平衡狀態(tài)，于是可保證形成理想的Si-Ge混合晶體。
因為Si-Ge混合靶2207具有以微米數(shù)量級均勻分布的Si和Ge，輻射激光光點的面積具有幾平方毫米的尺寸，并且處在與幾萬度(就溫度而言)等效的非常熱的狀態(tài)，即可忽略Si和Ge熔點與蒸發(fā)溫度之差，多個脈沖解吸材料的組分足以與Si-Ge混合靶2207本身的組分(克分子比0.2∶0.8)相匹配。
不用說，不僅使用混合靶，當然還可使用類似于Si或Ge等單組IV族材料的靶或其混合靶，可使微粒尺寸調(diào)節(jié)到nm數(shù)量級的特細微粒淀積在襯底上。
現(xiàn)在將描述對依據(jù)本實施例的Si-Ge混合晶體特細微粒的平均微粒尺寸進行控制的方法?；旧?，通過質(zhì)量流量控制器2212所進行的流量控制以及差動排氣系統(tǒng)2213(主要包括干燥旋轉(zhuǎn)泵)所進行的電導(conductance)調(diào)節(jié)來恒定地改變真空反應室2206中惰性氣體(He氣)氣氛的壓強，從而實現(xiàn)對依據(jù)本實施例的平均微粒尺寸的控制。
圖23示出表示引入的He氣壓強與粘附到淀積襯底2209的Si-Ge混合晶體特細微粒的平均微粒尺寸之間關(guān)系的特性曲線。從圖中可理解，當He氣壓強處于2.0托到10.0托范圍內(nèi)時，特細微粒的微粒尺寸隨He氣壓強的上升而單調(diào)增加。從定量方面也很明顯，微粒尺寸的增加正比于He氣壓強(P)的1/3次冪。此關(guān)系可解釋為解吸(注入)微粒的動能在作為慣性阻力介質(zhì)的He氣氣氛中分散。當然，此尺寸控制不僅可用于混合材料靶，也可用于類似于Si或Ge的單種材料靶。
簡言之，依據(jù)本實施例，首先在惰性氣體氣氛中進行激光燒蝕步驟，以保證在襯底上形成微粒尺寸控制在nm數(shù)量級的特細微粒的淀積。接著，恒定地改變真空反應室中隋性氣體氣氛的壓強，以保證平均微粒尺寸的控制，尤其是雖然如第二實施例部分的圖6所示，微粒尺寸是調(diào)節(jié)帶隙能量的主要參數(shù)，但由于使用了混合晶體特細微粒，所以可把混合晶體的組分比用作一次要參數(shù)。
作為光電子材料，也可使用其他類型或其它組分比的單質(zhì)或混合晶體。例如，也可使用如直接躍遷型半導體鎵-砷(GaAs)等III-V族化合物或如硫化鎘(CdS)等II-VI族化合物。
在以上描述中，把真空反應室中產(chǎn)生的特細微粒直接淀積在襯底上，在此情況下，特細微粒的微粒尺寸的分配變得更寬。因引，將使用圖24描述在制造依據(jù)本發(fā)明的光電子材料的步驟中控制特細微粒微粒尺寸的方法。
圖24示出微粒尺寸控制設備的示意圖，該設備在通過激光燒蝕淀積特細微粒時使用質(zhì)量分離來控制微粒尺寸。在圖24中，當脈沖激光光束射到置于惰性氣體氣氛中反應室中央的靶241表面時，在靶241表面上產(chǎn)生激光燒蝕現(xiàn)象并加速了空氣中的締合與生長，從而產(chǎn)生特細微粒242。對于所產(chǎn)生的特細微粒242，使用質(zhì)量分離器244，它包括用于引入所產(chǎn)生的特細微粒242的噴嘴245、使引入的特細微粒離子化的離子化室246、通過電場加快離子化特細微粒速度的加速管247以及用于加上電場而使特細微粒進行質(zhì)量分離的偏轉(zhuǎn)電極248。
接著將描述對上述結(jié)構(gòu)中特細微粒尺寸的控制方法。首先，如上所述，當脈沖激光光束射到置于惰性氣體氣氛中真空反應室中的靶241表面時，產(chǎn)生特細微粒242。經(jīng)由噴嘴245把特細微粒242引入離子化室246。在引入的特細微粒通過在此離子化室246中形成的生長放電區(qū)時，它們被離子化。接著，離子化特細微粒依據(jù)加到加速管247的電壓而加速，并到達偏轉(zhuǎn)電極248。如果一電場已加到偏轉(zhuǎn)電極248，則一些特細微粒的注入方向變到朝向淀積襯底243。由于由待淀積的特細微粒的微粒尺寸(質(zhì)量是精確的)、加速管247中的加速電壓以及對偏轉(zhuǎn)電極248所加的電場來確定注入方向，所以可通過調(diào)節(jié)這些物理量而只向淀積襯底243注入待淀積的特細微粒。
在靶241與淀積襯底243之間安裝上述質(zhì)量分離器244，使得具有匹配微粒尺寸的特細微?？傻矸e在淀積襯底243上。雖然在以上描述中使用偏轉(zhuǎn)電極加上電場來改變特細微粒的注入方向，但可通過加上磁場來改變注入方向。
第十四實施例現(xiàn)在將參考圖25詳細地描述作為第十四實施例的制造依據(jù)本發(fā)明光電子材料的另一種合適的方法。依據(jù)上述本發(fā)明的第十三實施例，已描述了IV族特細微粒的制造方法。如果把特細微粒直接粘接并淀積到淀積襯底上，則最終有可能形成包括特細微粒的多孔形狀的薄膜。對于此多孔形狀，假定連接電極而形成器件時可能需要更加優(yōu)化的形狀，為了使球狀特細微粒原始的量子限制效應表現(xiàn)出與發(fā)光有關(guān)的新功能，可能也需要更加優(yōu)化的形狀或類似形狀。
因此，將描述光電子材料的制造方法，該材料包括分布有依據(jù)本實施例的Si特細微粒的透明導電薄膜。依據(jù)本實施例，有一個步驟是在同一襯底上同時淀積Si特細微粒和透明導電材料以使Si特細微粒分布于透明導電薄膜內(nèi)，在惰性氣體(Ar、He或類似氣體)氣氛下使用激光燒蝕，在襯底上制備并粘積Si特細微粒，并且如此在同一襯底上形成透明導電薄膜，從而通過蒸發(fā)步驟(最好是氧氣氣氛中的激光燒蝕)在內(nèi)部分布Si特細微粒。
尤其是，圖25示出一光電子材料制造設備的概念圖，該設備通過對Si靶和透明導電靶進行同步激光燒蝕，來形成Si特細微粒分布于均勻透明導電薄膜中的薄光電子材料層。
參考圖25，在主要包括渦輪分子泵的高真空抽氣系統(tǒng)使完全由金屬制成的第一反應室2501排氣到1.0×109托后，經(jīng)由惰性氣體供應管2503通過質(zhì)量流量控制器2502引入氬氣。與主要包括干燥旋轉(zhuǎn)泵或高壓渦輪分子泵的排氣系統(tǒng)2504相結(jié)合，把第一反應室2501中的惰性氣體壓強在0.1到10托范圍內(nèi)設定為固定值。
在此情況下，把來自第一脈沖激光源2507的脈沖激光光束射到置于第一靶支架2505(包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu))上的Si靶2506的表面上。結(jié)果，在Si靶2506的表面上產(chǎn)生激光燒蝕現(xiàn)象，解吸出Si離子或中子(原子、群)，首先它們主要沿靶法向注入，離子的動能在50ev數(shù)量級，中子的動能在5ev的數(shù)量級。當解吸材料與惰性氣體原子碰撞時，其飛行方向受到干擾，且動能在環(huán)境中分散，于是加速空氣中的締合與凝聚。結(jié)果，生長了微粒尺寸在幾nm到幾十nm的特細微粒。此惰性氣體氣氛中的激光燒蝕步驟與參考圖22所述的步驟基本上相同。
同時，在由高真空抽氣系統(tǒng)使完全由金屬制成的第二反應室2508排氣到1.0×109托后，經(jīng)由氧氣供應管2510通過質(zhì)量流量控制器2509引入含氧氣體。適合以百分之幾的氧混合比把氧混入氦氣中。與主要包括干燥旋轉(zhuǎn)泵或高壓渦輪分子泵的排氣系統(tǒng)2511的操作相結(jié)合，把第二反應室2508內(nèi)惰性氣體的壓強設定在0.1到10托內(nèi)的固定值。當來自第二脈沖激光源2514的脈沖激光光束射到置于第二靶支架2512(包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu))上的SnO2靶2513表面上時，在此情況下，在SnO2靶2513表面上產(chǎn)生激光燒蝕現(xiàn)象，解吸出SnO2離子或中子(分子、群)，首先它們以靶法向注入，離子的動能在50ev的數(shù)量級，中了的動能在5ev數(shù)量級，而保持分子或群能級的大小。通過在此時提供氧氣氣氛，注入的材料變?yōu)榫幱谠诜€(wěn)態(tài)的SnO2分子或以分子為單位的群，并且保持化學當量組分。
此外，淀積襯底2516被置于真空反應室2515中，該反應室已被主要包括渦輪分子泵的高真空抽氣系統(tǒng)2517排氣到近似于1.0×10-5托的極限真空。由于真空反應室2515與第一反應室2501之間的差壓，使得第一反應室2501中產(chǎn)生的Si特細微粒通過第一噴嘴2518和第一分液器(skimmer)2519注入真空反應室2515，從而淀積在襯底2516上。
同樣，由于真空反應室2515與第二反應室2508之間的差壓，使得第二反應室2508中產(chǎn)生的SnO2分子或群通過第二噴嘴2520及第二分液器2521注入真空反應室2515，從而淀積在襯底2516成為均勻薄膜。
因此，對Si和SnO2同時進行激光燒蝕，可形成Si特細微粒分布于淀積襯底2516上的薄SnO2(透明導體)。此外，由于制備透明導電薄膜用的活性氧只存在于本實施例的第二反應室2508中，非常容易被氧化的Si特細微?？煞植加谕该鲗щ姳∧ぶ校粫┞队诨钚匝醐h(huán)境中。
由激光燒蝕時在靶上的激光功率和重復頻率來控制所淀積的特細微粒的聚集率。它也可通過調(diào)節(jié)噴嘴及分液器的形狀以及真空反應室與每個反應室之間的差壓來控制。
使用氬和氦作為環(huán)境惰性氣體的區(qū)別在于Ar的壓強設定為取作基準的He壓強的0.1到0.2倍。
在淀積后，Si特細微粒的表面立即受到因高能微?；蜉椛涞钠茐亩鹁w缺陷或雜質(zhì)混合。為了除去此不理想的表面層并形成具有優(yōu)良結(jié)晶度和純度的Si特細微粒，可使Si特細微粒經(jīng)受氧氣氣氛中的氧化或熱處理。作為此表面處理步驟，依據(jù)在第一實施例部分中使用表1所討論的特細微粒與透明介質(zhì)的組合，以下方案是適合的。
首先，在表1中組合A的情況下，當透明介質(zhì)的標準形成焓低于特細微粒氧化物的標準形成焓時，則在特細微粒分布于透明介質(zhì)時不容易被透明介質(zhì)中的氧發(fā)生氧化，從而在淀積后使分布有特細微粒的透明薄膜經(jīng)受熱處理。尤其是，在淀積結(jié)束后，使真空反應室2515暫時抽空到高真空狀態(tài)后，其后引入氮氣而形成氮氣環(huán)境。然后，加熱特細微粒分布于淀積襯底上的透明薄膜。在此熱處理中，把溫度設定為特細微粒熔點(絕對溫度)的0.5到0.8倍并低于透明介質(zhì)的熔點。此外，期望透明介質(zhì)的熔點高于特細微粒的熔點。例如，Si的熔點為1414℃，而SnO2的熔點為1127℃，從而熱處理的溫度應設定在600到1000℃范圍內(nèi)。在此氮氣氛中的表面處理步驟可消除不理想的表面層并可形成具有優(yōu)良結(jié)晶度和純度的特細微粒。雖然在氮氣環(huán)境下進行熱處理，但該處理也可在氧氣或類似環(huán)境下進行。在此情況下，可在特細微粒的表面上形成氧化物薄膜。
在本實施例表1中組合B的情況下，當特細微粒分布于透明介質(zhì)中時，他們被透明介質(zhì)中的氧所氧化。因此，在特細微粒分布于透明介質(zhì)內(nèi)以前，應給特細微粒涂覆氧化物薄膜。尤其是，在對Si和SnO2進行上述激光燒蝕前，應把氧氣引入真空反應室2415中。應如此設定其壓強，從而在第一反應室和第二反應室之間提供例如102托或更低的差壓。當?shù)谝环磻?501中產(chǎn)生的Si特細微粒通過第一噴嘴2518注入真空反應室2515時，這些微粒與真空反應室內(nèi)的氧分子接觸，從而加速表面氧化。同時，與氧氣的這種混合不會減少所淀積的薄SnO2薄膜中氧的組分，并可保持化學當量組分。此氧氣氣氛中的表面處理步驟可消除不理想的表面層并可形成具有優(yōu)良結(jié)晶度和純度的特細微粒。
如上所述，依據(jù)本實施例，可獲得分布有Si特細微粒的薄SnO2薄膜，于是消除了多孔形狀。因此，可制備包含特細微粒的薄膜，它們可用于連接電極而形成器件，并可有效地帶來量子規(guī)模效應。
此外，可通過對特細微粒進行表面處理來除去不理想的表面層，以形成具有優(yōu)良結(jié)晶度和純度的特細微粒。
雖然以上描述討論了包括分布于薄SnO2薄膜中的Si特細微粒的光電子材料的制造方法，但當然可使用其它類型或其它組分比的單質(zhì)或混合晶體作為光電子材料，也可把SiO2或類似的介電薄膜而不是透明導電薄膜用作待分布特細微粒的透明介質(zhì)材料。
在以上描述中，經(jīng)由第一噴嘴把第一反應室中產(chǎn)生的Si特細微粒直接淀積在襯底上，因而特細微粒的微粒尺寸分配變得更寬。因此，在制造本發(fā)明的光電子材料的步驟中，使用在第十三實施例部分中用圖24所述的控制特細微粒的微粒尺寸的方法，可淀積具有匹配微粒尺寸的特細微粒。
第十五實施例現(xiàn)在將參考圖26和27詳細地描述作為第十五實施例的制造依據(jù)本發(fā)明的光電子材料的另一種方法。將描述一種光電子材料的制造方法，該材料包括依據(jù)本實施例主要分布有IV族特細微粒的介電薄膜。此實施的一個步驟是在同一襯底上同時淀積IV族混合晶體特細微粒以及介電材料，以使IV族混合晶體特細微粒分布于介電薄膜中。在同一襯底上，同時進行通過激光燒蝕而粘積IV族混合晶體特細微粒以及通過濺射而淀積介電薄膜。
尤其是，圖26和27示出依據(jù)本實施例的設備的概念圖。圖26示出本實施例中所使用的燒蝕一濺射混合陰極261的結(jié)構(gòu)。在圖26中，把用于激光燒蝕的盤狀I(lǐng)V族(Si-Ge)混合靶262置于中央。在靶262周圍同心地放置用于濺射的介電材料(SiO2)靶263。IV族(Si-Ge)混合靶262與本發(fā)明第十三實施例中所使用的靶相同。
介電材料靶263的底部連到RF電源264(13.56Mhz，1.0KW)，具有永磁體的磁控管結(jié)構(gòu)267置于介電材料靶263下方，以提高介電材料靶263附近的等離子體密度以及增加濺射率。
設有適當形狀的陽極環(huán)265，以防止用于激光燒蝕的IV族混合靶262表面或其它非必要部分上因濺射而引起的交叉沾污。
雖然用水來冷卻IV族混合靶262及介電材料靶263的底部以防止過熱，但也可設置銅制成的墊片266來提高冷卻效率。
圖27示出一組合淀積設備的概念圖，該設備用于形成IV族混合晶體特細微粒分布于介電薄膜的光電子材料層。
參考27，首先，由主要包括渦輪分子泵的高真空抽氣系統(tǒng)2702使完全為金屬的真空反應室2701排氣到1.0×107帕的極限真空。然后，由閥門關(guān)閉高真空抽氣系統(tǒng)2702，其后經(jīng)由惰性氣體供應管2704通過質(zhì)量流量控制器2703引入Ar或He氣。與主要包括干燥旋轉(zhuǎn)泵或高壓渦輪分子泵的差壓排氣系統(tǒng)2705的操作相結(jié)合，把真空反應室2701中惰性氣體的壓強設定在10.0毫托到10.0托范圍內(nèi)的固定值。
在此情況下，通過光入射窗2706把來自excimer激光源2707的ArF excimer激光光束射到置于混合陰極261中央的Si-Ge靶262表面。隨后，在Si-Ge靶262的表面上產(chǎn)生激光燒蝕現(xiàn)象，解吸出Si和Ge的離子或中子(原子、群)，首先它們主要沿靶的法向注入，離子的動能在50ev的數(shù)量級，中子的動能在5ev的數(shù)量級。由于解吸材料的動能在周圍氣體原子中分散，于是加速了空氣中的締合和生長。因此，在該材料到達并集中在淀積襯底2708(垂直地置于Si-Ge靶262中央的上方)上以前，已生長成為微粒尺寸在幾nm的特細微粒。
此惰性氣體環(huán)境中的激光燒蝕步驟與參考圖22所述的步驟基本上相同。由激光燒蝕時靶上的激光功率以及重復頻率來控制所淀積的特細微粒的聚集率。
與此同時，當把高頻功率加到處于惰性氣體環(huán)境中的混合陰極261的SiO2靶263時，通過濺射而淀積SiO2。
上述通過燒蝕(Si-Ge)和濺射(SiO2)的同步淀積可在淀積襯底2708上形成分布有Si-Ge(IV族)混合晶體特細微粒的薄SnO2(介電)薄膜。
在淀積結(jié)束后，使真空反應室2701暫時抽空到高真空狀態(tài)，其后經(jīng)由氧供應管2709引入氧氣而形成氧氣環(huán)境。然后，把來自輻射與加熱設備2710(包括設在淀積襯底2708背后的鹵化物燈2710a和均勻反射鏡2710b)的紅外光(不相干光)射到淀積襯底2708上，以加熱淀積襯底2708上分布有Si-Ge混合晶體特細微粒的薄SiO2薄膜。與此同時，把類似于石英的透明材料用于襯底支架2711。在氧氣環(huán)境中進行此熱處理，如果溫度設定在600到900℃范圍內(nèi)，則IV族混合晶體特細微粒的表面將被氧化。
在淀積后，IV族混合晶體特細微粒的表面立即受到因高能微?；蜉椛涞钠茐亩鸬木w缺陷或雜質(zhì)混合?？赏ㄟ^氧氣環(huán)境中的表面氧化步驟來除去不理想的表面層，以形成具有優(yōu)良結(jié)晶度和純度的IV族混合晶體特細微粒。
由于在空氣中飛行期間特細微粒的表面是活性的，所以它們與氧分子接觸，從而加速表面氧化。與氧氣的這種混合不會減少所淀積的薄SnO2薄膜中氧的組分，并可保持化學當量組分。適合以百分之1.0的混合比在Ar氣中混合氧。
如上所述，依據(jù)本實施例，可獲得分布有Si-Ge混合晶體特細微粒的薄SnO2薄膜，于是消除了多孔形狀。因此，可制備包含特細微粒的薄膜，該薄膜可用于連接電極而形成器件，并可有效地帶來量子規(guī)模效應。
使用Ar和He作為環(huán)境惰性氣體的區(qū)別在于，Ar的壓強應該設定為取作基準的He壓強的0.1到0.2倍。實際上，考慮到與常規(guī)濺射淀積的匹配，適于把Ar的壓強設定在大約0.01到0.1托的范圍內(nèi)。
在同步淀積中，通過氧氣環(huán)境中的加熱而進行的表面氧化步驟可除去不理想的表面層，并可形成具有優(yōu)良結(jié)晶度和純度的IV族混合晶體特細微粒。
當然，與第十三或十四實施例相同，可把其它類型或其它組分比的單質(zhì)混合晶體用作半導體材料，作為介電材料，可使用類似于氧化鋁(Al2O3)等其它材料。這是因為如果使用Al2O3，則與SiO2的情況相比，氧化鋁化學當量組分的偏差對混合IV族半導體特細微粒很少有不利影響(這主要意味著對IV族半導體的過氧氧化)。
從以上所述很明顯的，依據(jù)本發(fā)明，特細微粒分布于具有可控導電率或介電常數(shù)而且基本上為均勻的介質(zhì)中，可有效地執(zhí)行和控制特細微粒中的載流子注入或特細微粒中載流子的量子限制效應，于是可實現(xiàn)發(fā)生器件和光電檢測器，這些器件的光發(fā)射和接收特性(類似于波長)可受到控制，而且這些器件具有高的光發(fā)射和接收效率。
由于使用這種光電子材料的特細微粒分布層與透明介質(zhì)層相互交替堆疊而成的周期性結(jié)構(gòu)，所以可提供這樣的光電子材料，它具有諸如增強特細微粒所發(fā)射或產(chǎn)生的連續(xù)光譜內(nèi)特定波長范圍強度的特性，于是可實現(xiàn)這樣的發(fā)光器件、光電檢測器等，它們可使所接收或反射的光的光子能量受到控制。
此外，設置使用此光電子材料的有源層以及把有源層夾在中間的高反射層和局部反射層可提供一種光電子材料，最終提供發(fā)光器件、光電檢測器和類似器件，使所接收或發(fā)射的光的波長變窄并可增加強度。
此外，通過提供把包含這類光電子材料的光電子材料層夾在中間的一對電極，且這對電極中的至少一個電極與該層直接接觸，可適當?shù)乜刂齐姌O與光電子材料層之間的電氣連接，并可獲得具有高光發(fā)射和接收效率的發(fā)光器件、顯示器件、光電檢測器等。
如果這種光電子材料特別適用于紫外線檢測器或類似器件，則不再需要彩色濾光器或類似器件。
使用上述顯示器件，提供了尺寸和重量減少、具有低功耗和高分辨率的便攜式顯示設備，該設備也適于用作HMD或電子字典。
此外，依據(jù)本發(fā)明的上述光電子材料、發(fā)光器件，光電檢測器和類似器件使用其數(shù)量不受限制不受環(huán)境沾污的材料，這些器件還具有與Si-LSI技術(shù)匹配、高環(huán)境對抗力以及無組裝性質(zhì)，而且可適用于各種多媒體自適應器件。
依據(jù)上述光電子材料的制造方法，在惰性氣體環(huán)境中對第一靶進行激光燒蝕步驟，以保證在襯底上形成微粒尺寸控制在nm數(shù)量級的特細微粒的淀積，并可實行對平均微粒尺寸進行控制以及對混合晶體的組分比進行控制，從而允許以更高的自由度來調(diào)節(jié)光發(fā)射和接收特性。
此外，適于提供使第二靶材料蒸發(fā)的蒸發(fā)步驟。相應地，把蒸發(fā)步驟中產(chǎn)生的材料集中在淀積襯底上，基本上與此同時，在淀積襯底上集中燒蝕步驟中解吸和注入的材料在空氣中凝聚與生長而獲得的特細微粒，從而實際上可獲得特細微粒分布于包括第二靶材料的均勻材料中的光電子材料。
工業(yè)應用性本發(fā)明具有與硅(Si)-LSI技術(shù)匹配、自發(fā)光、快速響應、像素小型化、低功能、高環(huán)境對抗力以及無裝配工藝的優(yōu)質(zhì)特性，并可適用于各種便攜式終端和其它顯示設備。
權(quán)利要求
1.一種光電子材料的制造方法，其特征在于包括第一靶材料放置步驟，把第一靶材料置于處在低壓惰性氣體環(huán)境中的真空反應室中；襯底放置步驟，把襯底置于所述真空反應室中；以及燒蝕步驟，以激光光束輻射在所述第一靶材料放置步驟所放置的所述第一靶材料，以引起靶材料的解吸和注入，從而在所述襯底上俘獲通過在惰性氣體環(huán)境中凝聚和生長在所述燒蝕步驟中解吸和注入的材料而獲得特細微粒以獲得包含所述特細微粒的光電子材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括第二靶材料放置步驟，即把第二靶材料置于放置了所述第一靶材料的所述真空反應室中；以及對所述第二靶材料進行濺射，以在所述襯底上俘獲通過濺射而產(chǎn)生的材料，基本上與此同時，在所述襯底上俘獲通過在惰性氣體環(huán)境中凝聚和生長在所述燒蝕步驟中解吸和注入的材料而獲得的特細微粒，從而獲得一光電子材料，該材料具有分布于包括所述第二靶材料的材料中的所述特細微粒。
3.一種光電子材料的制造方法，其特征在于包括第一靶材料放置步驟，把第一靶材料置于處在低壓惰性氣體環(huán)境中的真空反應室中；襯底放置步驟，把襯底置于所述真空反應室中；以及第二靶材料放置步驟，把第二靶材料置于與所述第一靶材料以及作為環(huán)境組分的所述襯底相隔離的第二反應室中；燒蝕步驟，以激光光束輻射在所述第一靶材料放置步驟所放置的所述第一靶材料，以引起靶材料的解吸和注入，蒸發(fā)步驟，使在所述第二靶材料放置步驟中放置的所述第二靶材料蒸發(fā)，從而在所述襯底上俘獲在所述蒸發(fā)步驟中于所述第二靶材料上產(chǎn)生的材料，基本上與此同時，在所述襯底上俘獲通過在惰性氣體環(huán)境中凝聚和生長在所述燒蝕步驟中解吸和注入的材料而獲得的特細微粒，從而獲得一光電子材料，該材料具有分布于包括所述第二靶材料的材料中的所述特細微粒。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于使所述第二靶材料蒸發(fā)的所述蒸發(fā)步驟包括燒蝕步驟，以第二激光光束輻射在所述第二靶材料，以引起靶材料的解吸和注入。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括改變低壓惰性氣體的引入壓強以控制所述特細微粒的平均微粒尺寸的步驟。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括對從燒蝕步驟中獲取的特細微粒進行質(zhì)量分離以控制所述特細微粒的平均微粒尺寸的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于對特細微粒進行質(zhì)量分離的所述步驟包括使特細微粒離子化的步驟以及把電場或磁場加到所述離子化特細微粒上的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一靶材料是處于包括多種半導體材料的混合晶體狀態(tài)的混合材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于通過對多個開始的行微粒進行機械混合的混合步驟以及由熱壓來燒結(jié)混合微粒的燒結(jié)步驟來形成所述混合材料。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括使所述襯底上的所述光電子材料表面氧化的氧化步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在所述氧化步驟中，在一空氣凝聚步驟中獲取特細微粒，這些特細微粒經(jīng)受含氧環(huán)境氣體中的熱處理，從而把所述特細微粒的表面涂覆熱氧化的薄膜。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在形成所述熱氧化物薄膜前，在比涂覆步驟中形成熱氧化物薄膜時的溫度更高的溫度下，在非氧化環(huán)境中進行熱處理。
全文摘要
一種光電子材料，它包括具有可控電學特性的均勻介質(zhì)；以及分布于該介質(zhì)中且平均微粒尺寸為100nm或更小的半導體特細微粒，本發(fā)明還涉及使用該材料的應用器件。本發(fā)明也涉及光電子材料的制造方法，通過用激光輻射置于處在低壓惰性氣體環(huán)境下的反應室中一種半導體材料的第一靶以及置于該反應室中具有可控電學特性的第二靶，在置于反應室中的襯底上，凝聚/生長從第一靶燒蝕的半導體材料，以集中成為平均微粒尺寸為100nm或更小的特細微粒。
文檔編號H01L33/00GK1516239SQ0310349
公開日2004年7月28日 申請日期1997年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月19日
發(fā)明者山田由佳, 人, 吉田岳人, 二, 武山茂, 彥, 松田祐二, 武藤勝彥 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社