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JP5840871B2 - ELECTROLUMINESCENCE ELEMENT LIGHT EMITTING CONTROLLER AND METHOD - Google Patents
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ELECTROLUMINESCENCE ELEMENT LIGHT EMITTING CONTROLLER AND METHOD Download PDF

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Description

本発明は、エレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法に関し、特に赤外領域の光源として実用化する上で好適なエレクトロルミネッセンス素子の発光制御器及び方法に関するものである。   The present invention relates to an electroluminescence element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a light emission controller and method for an electroluminescence element suitable for practical use as a light source in an infrared region.

近年、軽量・薄型の面発光型素子としてエレクトロルミネッセンス素子(以下、EL素子という)が注目されている。このEL素子は、電界印加時に、陽極より注入された正孔と陰極より注入された電子との再結合エネルギーにより蛍光性物質が発光する原理を利用した素子である。EL素子は、主としてモバイル機器等の各種機器のディスプレイの発光素子等に用いられる。   In recent years, electroluminescence elements (hereinafter referred to as EL elements) have attracted attention as lightweight and thin surface-emitting elements. This EL element is an element utilizing the principle that a fluorescent substance emits light by recombination energy between holes injected from an anode and electrons injected from a cathode when an electric field is applied. The EL element is mainly used as a light emitting element of a display of various devices such as a mobile device.

これらEL素子には、蛍光体粒子を有機高分子材料からなるバインダー中に分散させ発光層とする分散型EL素子や、薄膜発光層の両側あるいは片側に絶縁層を設けた薄膜型EL素子とがあるが、その大半は、GaAs、GaNを初めとする無機半導体で作製される。これら無機半導体は、効率よく発光させるために、また発光波長の調整のために、Inが添加される。このような無機半導体を得るためには、高価な結晶成長装置が必要になり、またシリコン素子よりもはるかに高価なIn等のレアマテリアルを添加物として使用する。このため、従来においてはEL素子を大量に作製することになれば、その分レアマテリアルの資源を浪費することになり、資源枯渇問題を引き起こす原因にもなる。   These EL elements include a dispersion type EL element in which phosphor particles are dispersed in a binder made of an organic polymer material to form a light emitting layer, and a thin film type EL element in which an insulating layer is provided on both sides or one side of a thin film light emitting layer. However, most of them are made of inorganic semiconductors such as GaAs and GaN. In these inorganic semiconductors, In is added to efficiently emit light and to adjust the emission wavelength. In order to obtain such an inorganic semiconductor, an expensive crystal growth apparatus is required, and a rare material such as In, which is much more expensive than a silicon element, is used as an additive. For this reason, conventionally, if a large number of EL elements are manufactured, the resources of the rare material are wasted correspondingly, which causes a problem of resource depletion.

従って、近年においては、発光材料として有機化合物を用いた有機EL素子も普及してきている(例えば特許文献1参照。)。しかしながら、この有機EL素子は、発光材料として用いる有機化合物の寿命が短い等、解決すべき問題点も多く、やはり大出力、高信頼性が求められる分野においては、有機EL素子よりもむしろ無機半導体を発光材料として用いることが望ましいものといえる。そして、実際に、この無機半導体を発光材料として用いたEL素子を光通信に使用する場合、光損失の少ない近赤外光を発光させることがより望ましいものといえる。   Therefore, in recent years, an organic EL element using an organic compound as a light emitting material has become widespread (for example, see Patent Document 1). However, this organic EL device has many problems to be solved, such as a short lifetime of an organic compound used as a light emitting material. In a field where high output and high reliability are required, an inorganic semiconductor rather than an organic EL device is required. It can be said that it is desirable to use as a luminescent material. In fact, when an EL element using this inorganic semiconductor as a light emitting material is used for optical communication, it can be said that it is more desirable to emit near infrared light with little light loss.

特開平10−036829号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-036829

T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5T. Kawazoe, K. Kobayashi, S. Takubo, and M. Ohtsu, J. Chem. Phys., Vol.122, No.2, January 2005, pp.024715 1-5

シリコンは、近赤外においてバンドギャップを持つ無機半導体であるが、あくまで間接型半導体であるため、近赤外EL素子としては望ましいものとはいえない。また、特に近年においてシリコンを微結晶化したポーラスシリコンによるEL素子が提案されているが、これらの発光効率もやはり1%に満たない。このため、あくまでシリコンを発光材料として用いるEL素子において近赤外における発光効率を向上させることが可能な技術が従来より望まれていた。これと同様に波長550nm領域では無機半導体化合物であるGaPが用いられているが、GaPもシリコンと同様に間接型半導体であるためそのEL素子としての発光効率は0.1%程度である。   Silicon is an inorganic semiconductor having a band gap in the near infrared. However, silicon is an indirect semiconductor and is not desirable as a near infrared EL element. In particular, in recent years, EL devices using porous silicon obtained by microcrystallizing silicon have been proposed. However, their luminous efficiency is also less than 1%. For this reason, a technique capable of improving the light emission efficiency in the near infrared in an EL element using silicon as a light emitting material has been desired. Similarly, GaP which is an inorganic semiconductor compound is used in the wavelength region of 550 nm. However, since GaP is an indirect semiconductor as well as silicon, the luminous efficiency as an EL element is about 0.1%.

このため、従来より、シリコンなど間接型半導体を発光材料として用いるEL素子において発光効率を向上させる必要性があった。また、これに加えてEL素子の発光制御を効率よく行うためのモジュールが必要となるが、従来においてこれは未だに案出されていないのが現状であった。   For this reason, conventionally, there has been a need to improve the light emission efficiency in an EL element using an indirect semiconductor such as silicon as a light emitting material. In addition to this, a module for efficiently controlling the light emission of the EL element is required. However, in the past, this has not been devised.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、優れた発光効率を示すエレクトロルミネッセンス素子の発光制御を効率よく行うことが可能なエレクトロルミネッセンス素子の発光制御器及び方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to provide electroluminescence capable of efficiently performing light emission control of an electroluminescence element exhibiting excellent light emission efficiency. An object of the present invention is to provide a light emission controller and method for an element.

上述した課題を解決するため、本発明に係るエレクトロルミネッセンス素子の発光制御器は、p層及びn層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の発光制御器において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記p層と上記n層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記層の表面形状及び/又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び/又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び/又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させるエレクトロルミネッセンス素子と、上記エレクトロルミネッセンス素子に対して、順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第1の駆動回路と、上記エレクトロルミネッセンス素子に対して、上記第1の駆動回路より小さい順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第2の駆動回路とを備え、上記第1の駆動回路及び上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をONすることにより、電圧の増加に対して流れる電流を増加させて上記エレクトロルミネッセンス素子を発光させ、次にブレークオーバー電圧に到達後上記第1の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより電圧の低下に応じて流れる電流を増加させ、更に上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより、上記エレクトロルミネッセンス素子を消光させることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a light emission controller for an electroluminescence element according to the present invention is a light emission controller for an electroluminescence element including a semiconductor layer including a p layer and an n layer, by applying a forward bias voltage. A diffusion current is generated at the junction between the p layer and the n layer, and the surface shape and / or dopant distribution of one or more of the layers is changed based on Joule heat generated by the generated diffusion current. Repeatedly, the inversion distribution is generated in the conduction band and the valence band by the forward bias voltage, and the inversion distribution is formed at the place where the near-field light is generated based on the surface shape and / or the dopant distribution after the change. The diffusion current can be reduced by stimulated emission of electrons in the conduction band in multiple stages based on a non-adiabatic process. By reducing the Joule heat, the surface shape and / or dopant distribution is fixed, and the forward bias voltage is turned on / off for the electroluminescent element that emits light by the stimulated emission and the electroluminescent element. the first driving circuit freely, with respect to the electroluminescent element, and a ON / OFF freely second driving circuit said first driving circuit smaller forward bias voltage, said first driving circuit And by turning on the forward bias voltage application by the second drive circuit , the current flowing with respect to the increase in voltage is increased to cause the electroluminescence element to emit light, and then after reaching the breakover voltage, the first bias is applied . voltage by turning OFF the forward bias voltage applied by the drive circuit Increasing the current flowing in accordance with the reduction, by further turning OFF the forward bias voltage is applied by the second driving circuit, and wherein the extinguishing the electroluminescent device.

また、本発明に係るエレクトロルミネッセンス素子の発光制御方法は、p層及びn層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の発光制御方法において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記p層と上記n層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記層の表面形状及び/又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び/又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び/又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させるエレクトロルミネッセンス素子に対して順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第1の駆動回路と、上記第1の駆動回路より小さい順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第2の駆動回路とに接続し、上記第1の駆動回路及び上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をONすることにより、電圧の増加に対して流れる電流を増加させて上記エレクトロルミネッセンス素子を発光させ、次にブレークオーバー電圧に到達後上記第1の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより電圧の低下に応じて流れる電流を増加させ、更に上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより、上記エレクトロルミネッセンス素子を消光させることを特徴とする。 The electroluminescence element emission control method according to the present invention is an electroluminescence element emission control method including a semiconductor layer including a p layer and an n layer. By applying a forward bias voltage, the p layer and the n layer are applied. Repeatedly generating a diffusion current at the junction of the layers and changing the surface shape and / or dopant distribution of any one or more of the layers based on Joule heat generated by the generated diffusion current, and the forward direction The conduction band that forms the inversion distribution at the location where the inversion distribution is generated in the conduction band and the valence band by the bias voltage, and the near-field light is generated based on the surface shape and / or the dopant distribution after the change. The diffusion current is reduced by the induced emission of electrons in multiple stages based on a non-adiabatic process. By lowering the surface shape and / or the dopant profile with fixing, a first driving circuit freely ON / OFF a forward bias voltage to the electroluminescent element to emit light by the stimulated emission, said first A forward bias voltage smaller than the first drive circuit is connected to a second drive circuit that can be turned on and off, and forward bias voltage application by the first drive circuit and the second drive circuit is turned on, In response to the voltage drop, the electroluminescent element emits light by increasing the current flowing with respect to the voltage increase, and then the forward bias voltage application by the first drive circuit is turned off after reaching the breakover voltage. increasing the current through Te, to turn OFF the forward bias voltage is applied more by the second driving circuit It allows, characterized in that extinguishing the electroluminescent device.

上述した構成からなる本発明によれば、シリコンを発光材料として用いるEL素子において近赤外における発光効率を向上させることが可能なエレクトロルミネッセンス素子を提供することが可能となる。   According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to provide an electroluminescence element capable of improving light emission efficiency in the near infrared in an EL element using silicon as a light emitting material.

本発明を適用したEL素子の発光制御器の構成図である。It is a block diagram of the light emission controller of the EL element to which the present invention is applied. EL素子を発光制御器に実装する例を示す図である。It is a figure which shows the example which mounts an EL element in a light emission controller. n層とp層からなる半導体層の接合部のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the junction part of the semiconductor layer which consists of n layer and p layer. (a)は、ジュール熱発生前におけるn層とp層の接合部の微視的な形状の例を示す図であり、(b)は、ジュール熱を発生させた後におけるn層とp層の接合部の微視的な形状の例を示す図である。(A) is a figure which shows the example of the microscopic shape of the junction part of n layer and p layer before Joule heat generation, (b) is the n layer and p layer after generating Joule heat It is a figure which shows the example of the microscopic shape of this junction part. 非断熱過程を説明するための、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルを示す図である。It is a figure which shows the model which replaced the coupling | bonding of atoms with the spring for demonstrating a non-adiabatic process. n層とp層からなる半導体層の接合部に形成された反転分布について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the inversion distribution formed in the junction part of the semiconductor layer which consists of n layer and p layer. 非断熱過程に基づく多段階誘導放出について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the multistep stimulated emission based on a non-adiabatic process. 非断熱過程を継続して生じさせた場合におけるメカニズムについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism in the case of producing a non-adiabatic process continuously. n層としてのシリコン基板に対して、p層としてのホウ素の深さ方向に対する濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration distribution with respect to the depth direction of the boron as a p layer with respect to the silicon substrate as an n layer. 本発明を適用したEL素子における電圧−電流特性を示す図である。It is a figure which shows the voltage-current characteristic in the EL element to which this invention is applied.

以下、本発明を適用したエレクトロルミネッセンス素子(以下、EL素子という。)の発光制御器について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, a light emission controller of an electroluminescence element (hereinafter referred to as an EL element) to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明を適用したEL素子1の発光制御器10の構成図である。この発光制御器10は、EL素子1に対して、より大きい順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第1の駆動回路4と、EL素子1に対して、より小さい順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第2の駆動回路5とを備えている。   FIG. 1 is a configuration diagram of a light emission controller 10 of an EL element 1 to which the present invention is applied. The light emission controller 10 is configured to turn on / off a larger forward bias voltage for the EL element 1 and turn on / off a smaller forward bias voltage for the EL element 1. And a second drive circuit 5 which can be turned off.

第1の駆動回路4は、EL素子1に対して順方向電圧を負荷すべく、EL素子1のp層14に正電圧を、n層13には負電圧を印加するための電源41と、回路のON/OFF制御を行うためのスイッチ42を備えている。この第1の駆動回路4には、この電源41の大小を制御するための図示しない制御手段が更に設けられていてもよい。   The first drive circuit 4 includes a power supply 41 for applying a positive voltage to the p layer 14 of the EL element 1 and a negative voltage to the n layer 13 in order to load a forward voltage to the EL element 1. A switch 42 is provided for performing ON / OFF control of the circuit. The first drive circuit 4 may be further provided with a control means (not shown) for controlling the size of the power supply 41.

第2の駆動回路5は、EL素子1に対して順方向電圧を負荷すべく、EL素子1のp層14に正電圧を、n層13には負電圧を印加するための電源51と、回路のON/OFF制御を行うためのスイッチ52を備えている。この第2の駆動回路5には、この電源51の大小を制御するための図示しない制御手段が更に設けられていてもよい。ちなみに、この電源51による負荷電圧の値は、電源41よりも低くなるように設定されている。   The second drive circuit 5 includes a power supply 51 for applying a positive voltage to the p layer 14 of the EL element 1 and a negative voltage to the n layer 13 in order to load a forward voltage to the EL element 1. A switch 52 for performing ON / OFF control of the circuit is provided. The second drive circuit 5 may be further provided with a control means (not shown) for controlling the size of the power supply 51. Incidentally, the value of the load voltage by the power supply 51 is set to be lower than that of the power supply 41.

図2は、実際にこのEL素子1を発光制御器10に実装する例を示している。EL素子1は、マウント60上においてボンディングされる。このとき、EL素子1は、p層14が上に、またn層13がマウント60に接するようにしてボンディングされる。   FIG. 2 shows an example in which the EL element 1 is actually mounted on the light emission controller 10. The EL element 1 is bonded on the mount 60. At this time, the EL element 1 is bonded so that the p layer 14 is on top and the n layer 13 is in contact with the mount 60.

そして、第2の駆動回路5のマイナス側がマウント60に接続される。第2の駆動回路5のプラス側は、サブマウント40に接続される。そして、このサブマウント40と、EL素子1の上面とが金ワイヤ49により接続されている。ちなみに、金ワイヤ49が無い状態では、このサブマウント40と、マウント60とは互いに電気的に非接続となるように構成されている。 Then, the minus side of the second drive circuit 5 is connected to the mount 60. The plus side of the second drive circuit 5 is connected to the submount 40. The submount 40 and the upper surface of the EL element 1 are connected by a gold wire 49. Incidentally, in the state where there is no gold wire 49, the submount 40 and the mount 60 are configured to be electrically disconnected from each other.

また第1の駆動回路4は、プラス側がサブマウント50aに、またマイナス側がサブマウント50bが接続されている。そして、このサブマウント50aと、EL素子1の上面とが金ワイヤ59aにより接続されている。また、サブマウント50bとマウント60とが金ワイヤ59bによる接続されている。ちなみに、金ワイヤ49が無い状態では、このサブマウント50a、50bと、マウント60とは互いに電気的に非接続となるように構成されている。 The first drive circuit 4 has a positive side connected to the submount 50a and a negative side connected to the submount 50b. The submount 50a and the upper surface of the EL element 1 are connected by a gold wire 59a. Further, the submount 50b and the mount 60 are connected by a gold wire 59b. Incidentally, the submounts 50a and 50b and the mount 60 are configured to be electrically disconnected from each other in the absence of the gold wire 49.

このような図2に示す接続を行うことで図1に示すようなブロック構成を実現することが可能となる。   Such a connection shown in FIG. 2 makes it possible to realize a block configuration as shown in FIG.

次にEL素子1の構成について図面を参照しながら詳細に説明をする。   Next, the configuration of the EL element 1 will be described in detail with reference to the drawings.

EL素子1は、N型半導体層(n層)13、n層13との間でpn接合を構成するP型半導体層(p層)14、n層13とp層14との間に形成される接合層35とを備えている。このn層13〜p層14までを半導体層30という。p層14には、電源2が接続されており、使用時には、p層14側が正電圧、n層13側が負電圧となるように順方向にバイアス電圧が負荷されることになる。   The EL element 1 is formed between an N-type semiconductor layer (n layer) 13 and a P-type semiconductor layer (p layer) 14 constituting a pn junction with the n layer 13, and between the n layer 13 and the p layer 14. The bonding layer 35 is provided. The layers from n layer 13 to p layer 14 are referred to as semiconductor layer 30. A power supply 2 is connected to the p layer 14, and in use, a bias voltage is loaded in the forward direction so that the p layer 14 side is a positive voltage and the n layer 13 side is a negative voltage.

n層13は、いわゆるシリコン等の基板等で構成されるがこれに限定されるものではなく、他の間接型半導体であってもよい。ここで代表的な間接型無機化合物にはSi以外に,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TIO2, GaS, AlSb,, C(ダイヤモンド), BNなどがあり、本手法はそのすべてに応用可能である。 The n layer 13 is composed of a so-called silicon substrate or the like, but is not limited to this, and may be another indirect semiconductor. Here in addition to Si Representative indirect inorganic compounds, GaP, AlGaAs (depending on alloy composition), AlP, AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TIO 2, GaS, AlSb ,, C ( diamond) , BN, etc., and this method can be applied to all of them.

p層14は、例えばホウ素等をp型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものとして構成される。このp層14は、例えば700KeV、表面から500nm付近においてそのドーピング密度は1019とされていてもよい。 The p layer 14 is configured by implanting, for example, boron or the like as a p-type dopant with high density and high energy. The p layer 14 may have a doping density of 10 19 at , for example, 700 KeV and around 500 nm from the surface.

このようなEL素子1を作製する際には、p層及びn層に順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期のEL素子1を作製することが可能となる。   When manufacturing such an EL element 1, a forward bias voltage is applied to the p layer and the n layer. As a result, the EL element 1 according to the present invention can be manufactured based on the following mechanism.

図3は、n層13〜p層14からなる半導体層30のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、p層14中の正孔がn層13側へと移動し、n層13中の電子がp層14側へと移動していく。その結果、接合層35は空乏化することなく互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。その結果、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じる接合層35やn層13やp層14の表面等である。また、この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、かかる接合層35においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。   FIG. 3 shows an energy band diagram of the semiconductor layer 30 including the n layer 13 to the p layer 14. When a forward bias voltage is applied, holes in the p layer 14 move to the n layer 13 side, and electrons in the n layer 13 move to the p layer 14 side. As a result, the junction layer 35 is not depleted and a diffusion current flows by mutual cancellation of electrons and holes. As a result, when the forward bias voltage is high, Joule heat is generated due to the movement of the electrons. The particularly large generation site of the Joule heat is the surface of the bonding layer 35, the n layer 13 or the p layer 14 that generates a large potential difference. Further, by increasing the forward bias voltage, an avalanche breakdown occurs in the junction layer 35, and current flows at a stroke. As a result, heat generation due to Joule heat is promoted by such avalanche breakdown.

このジュール熱が発生する結果、接合層35やn層13やp層14における流動性が増加し、その表面形状及び/又はドーパントの分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかる表面形状及び/又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。   As a result of the generation of the Joule heat, the fluidity in the bonding layer 35, the n layer 13 and the p layer 14 is increased, and the surface shape and / or the distribution of the dopant is changed. By continuing to apply the forward bias voltage described above, such surface shape and / or dopant distribution changes will continue to occur.

図4(a)は、かかるジュール熱発生前におけるn層13とp層14の接合層35の微視的な形状の例である。n層13とp層14の接合界面には、ナノオーダーの微細な凹凸が形成されている。   FIG. 4A is an example of a microscopic shape of the bonding layer 35 of the n layer 13 and the p layer 14 before the generation of Joule heat. At the junction interface between the n layer 13 and the p layer 14, nano-order fine irregularities are formed.

図4(b)は、ジュール熱を発生させた後におけるn層13とp層14の接合層35の微視的な形状の例である。ジュール熱が発生することにより、このn層13とp層14の接合層35の流動性が増加する結果、n層13やp層14等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、ある特有の微細形状Aがこのn層13とp層14との界面において形成される。この微細形状Aは、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した形状である。この微細形状Aを形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うn層13やp層14等の表面形状やドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。なお、この近接場光は、n層13とp層14との界面に発生する場合に限定されるものではなく、EL素子1を構成する何れか1以上の層の表面形状及び/又はドーパント分布を変化させるものであればよい。   FIG. 4B is an example of a microscopic shape of the bonding layer 35 of the n layer 13 and the p layer 14 after Joule heat is generated. By generating Joule heat, the fluidity of the bonding layer 35 of the n layer 13 and the p layer 14 is increased. As a result, the surface shape of the n layer 13, the p layer 14, etc., and the dopant distribution change randomly. Become. As a result of repeated changes in the surface shape and dopant distribution, for example, a specific fine shape A is formed at the interface between the n layer 13 and the p layer 14. This fine shape A is a shape more suitable for generating near-field light based on incident light. The conditions for forming the fine shape A are not fixed, and as a result of random changes in the surface shape and dopants of the n layer 13 and the p layer 14 and the like accompanying the generation of Joule heat, it happens by chance with a certain probability. Is formed. The near-field light is not limited to the case where the near-field light is generated at the interface between the n layer 13 and the p layer 14, and the surface shape and / or dopant distribution of any one or more layers constituting the EL element 1. As long as it changes the value.

このような微細形状Aが形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該微細形状Aの主として角部において近接場光が発生する。ここでいう、近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、当該微細形状Aに対応したn層13とp層14の界面のみならず、他の箇所で発生することも当然起こりえる。   When such a fine shape A is formed, if the forward bias voltage described above is further applied, near-field light is generated mainly at the corners of the fine shape A. Since the near-field light here includes the meaning of a virtual electromagnetic field, the formation of a virtual electromagnetic field is understood as meaning the generation of near-field light. The generation of the near-field light is generated by spontaneous emission of the injected charge and stimulated emission based on it when the forward current is injected, even in the absence of the induced light. Generation of this near-field light causes a non-adiabatic process described below. Incidentally, the generation position of the near-field light may naturally occur not only at the interface between the n layer 13 and the p layer 14 corresponding to the fine shape A but also at other locations.

この非断熱過程とは、図5に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図5(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。感光性樹脂膜12の原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という(非特許文献1参照。)。   This non-adiabatic process can be considered by a model in which the bonds between atoms are replaced by springs as shown in FIG. In general, the wavelength of propagating light is much larger than the size of the molecule, so it can be regarded as a spatially uniform electric field at the molecular level. As a result, as shown in FIG. 5A, adjacent electrons are vibrated with the same amplitude and the same phase by the spring. Since the atomic nucleus of the photosensitive resin film 12 is heavy, it cannot follow the vibration of the electrons, and the molecular vibration is hardly caused in the propagating light. In this way, in propagation light, it can be ignored that molecular vibrations are involved in the excitation process of electrons, so this process is called an adiabatic process (see Non-Patent Document 1).

一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図5(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程(非断熱過程)が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という(非特許文献1参照。)。   On the other hand, the spatial electric field gradient of near-field light drops very steeply. For this reason, near-field light gives different vibrations to adjacent electrons, and as shown in FIG. 5B, heavy nuclei are also vibrated by the vibrations of the different electrons. The occurrence of molecular vibration in the near-field light corresponds to energy taking the form of molecular vibration. Therefore, in the near-field light, an excitation process (non-adiabatic process) via the vibration level is possible. Thus, the excitation process via the vibration level of the nucleus is called a non-adiabatic process because the nucleus moves in response to the adiabatic process that is a normal optical response (see Non-Patent Document 1).

また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯における電子密度n1が、下位準位にある正孔密度n2と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図6に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が接合層35に形成される。次に図7(a)に示すように、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じた微細形状A(又はそのドーパントの変化)によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。 Further, by continuing to apply the forward bias voltage described above, the electron density n 1 in the conduction band is overwhelmingly higher than the hole density n 2 in the lower level. As a result, an inversion distribution based on the difference in electron density is formed in the bonding layer 35 between the conduction band and the lower level as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 7 (a), the inversion distribution thus formed causes the electrons in the conduction band to be positioned in the middle of the band gap based on the non-adiabatic process by near-field light. It is possible to make a virtual transition to the vibration level. The fact that the electrons were able to transit to the vibration level based on the non-adiabatic process was realized because near-field light was generated at that location. This near-field light is generated by the fine shape A (or a change in its dopant) generated under a certain probability due to the flow due to Joule heat. The electrons that have transitioned to the vibration level travel around the virtual field that is virtually generated by the near-field light, and then return from the vibration level to the conduction band. The electrons returning to the conduction band contribute to Joule heat due to the diffusion current.

このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく表面形状及び/又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。   Thus, at the stage where the near-field light is simply generated, the electrons in the conduction band are virtually transitioned to the vibration level and returned to the conduction band again. The electrons returning to the conduction band contribute to Joule heat, and the Joule heat does not decrease, and the surface shape and / or dopant distribution change continues.

またジュール熱による表面形状及び/又はドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図7(b)に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることによる発光させる。また、かかる近接場光に基づいて伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させる。   As a result of changes in the surface shape and / or dopant distribution due to Joule heat, if the generation mode of near-field light further changes, as shown in FIG. Based on a non-adiabatic process of near-field light, the electrons in the conduction band are caused to emit light by virtually transitioning to an oscillation level located in the middle of the band gap and emitting the electrons therefrom. Further, light is emitted by stimulated emission of electrons in the conduction band in a plurality of steps based on such near-field light.

その結果、このEL素子1から係る電子の放出による発光を実現することが可能となる。当該微細形状Aにおいては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である波長の光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果伝導体中の電子を減少させることが可能となる。   As a result, light emission by emission of electrons from the EL element 1 can be realized. In the fine shape A, near-field light continues to be generated, so that a non-adiabatic process can be generated. In stimulated emission by this non-adiabatic process, electrons are emitted through vibration levels. At this time, even in the light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength corresponding to the band gap width, electrons in the conduction band can be emitted in a multi-stage transition, thereby reducing the electrons in the conductor. It becomes possible.

このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度n1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する微細形状Aについては、n層13へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下し、当該微細形状Aについてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、接合層35やn層13やp層14の流動性が低下する。その結果、この微細形状Aについては、表面形状及び/又はドーパントの分布の変化が抑制されることになる。微細形状Aはそのまま変化することなく固定されることになる。 The multistage stimulated emission caused by such a non-adiabatic process causes the electron density n 1 in the conduction band to decrease. As a result, for the fine shape A in which such near-field light is generated, the amount of electrons moving to the n layer 13 is reduced, the diffusion current is reduced, and the Joule heat is reduced for the fine shape A. It will be. That is, stimulated emission takes away energy of electrons and holes, and the fluidity of the bonding layer 35, the n layer 13, and the p layer 14 decreases. As a result, for the fine shape A, changes in the surface shape and / or dopant distribution are suppressed. The fine shape A is fixed without change.

また、図7(b)に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、表面形状及び/又はドーパントの分布による近接場光が発生しやすくなる。その発生した近接場光により、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、微細構造Aの固定化並びに発光が促進されることとなる。   Further, when light emission occurs as shown in FIG. 7B, near-field light based on the surface shape and / or dopant distribution is likely to be generated based on the light emission. Due to the generated near-field light, a non-adiabatic process is more likely to occur in each part, and the fine structure A is fixed and light emission is promoted.

また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。図8(a)に示すように、微細形状Aは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細形状A以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、このn層13とp層14の接合層35の流動性が増加する結果、n層13やp層14等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムな変化の結果、図8(a)に示すように微細形状Aとほぼ同一形状の微細形状Bが形成される場合もある。かかる場合に光を入射させると、当該微細形状Bにおいて近接場光が発生することになる。そして、この微細形状Bについても同様に非断熱過程による誘導放出が生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。即ち、EL素子1において近接場光が好適に発生する領域が微細形状Aのみならず微細形状Bの分も増加したことになる。   Moreover, the mechanism described above is continuously generated by continuing to apply the forward bias voltage as described above. As shown in FIG. 8A, in the fine shape A, the near-field light continues to be generated as it is, and the stimulated emission by the non-adiabatic process described above is continuously generated. It remains fixed as it is. Further, since the near-field light is not generated in the portions other than the fine shape A, the fluidity of the bonding layer 35 between the n layer 13 and the p layer 14 is increased by generating Joule heat as it is without being cooled. As a result, the surface shape of the n layer 13 and the p layer 14 and the distribution of the dopant change randomly. As a result of this random change, as shown in FIG. 8A, a fine shape B having a shape substantially the same as the fine shape A may be formed. When light is incident in such a case, near-field light is generated in the fine shape B. And also about this fine shape B, as a result of the stimulated emission by the non-adiabatic process, the temperature is lowered and the shape B continues to be fixed as it is. That is, the area where the near-field light is suitably generated in the EL element 1 is increased not only in the fine shape A but also in the fine shape B.

かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には図8(b)に示すように、n層13とp層14との界面において微細形状Aと同一の形状が数多く形成されることになる。これは、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細形状Aと同一の形状が数多く作り出されたEL素子1として構成することが可能となる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。   When this process is repeatedly performed, ideally, many shapes identical to the fine shape A are formed at the interface between the n layer 13 and the p layer 14 as shown in FIG. 8B. This makes it possible to configure the EL element 1 in which a number of the same shapes as the fine shape A in which near-field light is suitably generated when a forward bias voltage is applied. As a result, the luminous efficiency can be dramatically improved.

なお、この微細形状Aは、あくまで表面形状に依拠したものであるが、これに限定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うn層13やp層14等のドーパントの変化の結果、表面形状が変化していなくても、近接場光が好適に発生する条件になる場合がある。かかるn層13やp層14等のドーパントが近接場光が好適に発生可能なように変化した場合においても、上述した微細形状Aの形成と同様な効果が得られる。即ち、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、ドーパント分布を固定させることを繰り返し実行することになる。   The fine shape A depends only on the surface shape, but is not limited to this, and as a result of changes in dopants such as the n-layer 13 and the p-layer 14 caused by the generation of Joule heat, Even if the shape does not change, there may be a condition that the near-field light is suitably generated. Even when the dopants such as the n layer 13 and the p layer 14 are changed so that near-field light can be suitably generated, the same effect as the formation of the fine shape A described above can be obtained. That is, the dopant distribution is fixed repeatedly by decreasing the diffusion current and decreasing the Joule heat.

図9は、本発明を適用したEL素子の作製方法において、n層13としてのシリコン基板に対して、p層14としてのホウ素の深さ方向に対する濃度分布を示している。図9(a)は、n層13としてのシリコン基板に対してp層14としてのホウ素をインプラントした直後におけるホウ素の深さ方向の濃度分布を示しており、また図9(b)は、順方向バイアス電圧を負荷して、ドーパントとしてのホウ素を流動させて更に固定した後のホウ素の濃度分布を示している。この図9から、拡散電流によるジュール熱により、流動を起こした結果、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布に変化したことが示されている。この図中の11Boron, 12BoronはそれぞれBの同位体を意味するものである。   FIG. 9 shows the concentration distribution in the depth direction of boron as the p layer 14 with respect to the silicon substrate as the n layer 13 in the method for manufacturing an EL element to which the present invention is applied. FIG. 9A shows the concentration distribution in the depth direction of boron immediately after implanting boron as the p layer 14 with respect to the silicon substrate as the n layer 13, and FIG. The figure shows the boron concentration distribution after a directional bias voltage is applied and boron as a dopant is flowed and further fixed. From FIG. 9, it is shown that the dopant distribution is changed to a suitable one for generating near-field light as a result of flow caused by Joule heat caused by the diffusion current. 11Boron and 12Boron in this figure mean the isotopes of B, respectively.

次に、上述した本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製されたEL素子1による動作について説明をする。   Next, the operation of the EL element 1 manufactured based on the manufacturing method of the light receiving element to which the present invention is applied will be described.

上述したようにEL素子1は、その作製の段階において、順方向バイアス電圧が負荷された場合に近接場光が好適に発生する、例えば微細構造A、B等を始めとした領域が広く形成されている。このようなEL素子1に対して、順方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。その結果、既に好適に近接場光を発生し得る形状が作り込まれていることから、図8(b)に示すように、近接場光が多くの領域において発生する。そして、図7(b)に示すように、その発生した近接場光による非断熱過程により、伝導帯にある電子が多段階で誘導放出されて発光することになる。このとき、順方向バイアス電圧の強度を更に増大させるとアバランシェ降伏が生じて更に発光量が大きくなる。   As described above, the EL element 1 is formed with a wide area such as the fine structures A and B in which near-field light is suitably generated when a forward bias voltage is applied in the production stage. ing. A forward bias voltage may be applied to such an EL element 1. As a result, since a shape capable of generating near-field light has already been created, near-field light is generated in many regions as shown in FIG. 8B. Then, as shown in FIG. 7 (b), electrons in the conduction band are stimulated and emitted in multiple stages to emit light by the non-adiabatic process by the generated near-field light. At this time, when the intensity of the forward bias voltage is further increased, avalanche breakdown occurs and the amount of light emission is further increased.

図10は、本発明を適用したEL素子1における電圧−電流特性を示している。この電流特性においてバイアス電圧を徐々に増加させて100V超に至るまでは殆ど電流が流れないが、100Vを超えると極めて良好な微分負性抵抗の特性が表れていることが示されている。また順方向バイアス電圧によるジュール熱発生は通常の抵抗特性を示すPN接合においても発生するので、負性抵抗の出現は本手法にとって必須では無いが、この実施例ではドーパントの不均一が電気素子としても機能するような分布となったので優れた整流素子としても機能する可能性を示唆するものであり、図10は、その電気特性の傾向を示したものである。   FIG. 10 shows voltage-current characteristics in the EL element 1 to which the present invention is applied. In this current characteristic, almost no current flows until the bias voltage is gradually increased to reach over 100V, but when it exceeds 100V, it is shown that a very good differential negative resistance characteristic appears. Also, Joule heat generation due to the forward bias voltage occurs also in the PN junction that shows normal resistance characteristics, so the appearance of negative resistance is not essential for this method, but in this example, dopant nonuniformity is an electrical element. Since the distribution also functions, the possibility of functioning as an excellent rectifying element is suggested, and FIG. 10 shows the tendency of the electrical characteristics.

上述したように、本発明では、順方向バイアス電圧を印加することによりp層14とn層13の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいてEL素子1を構成する何れか1以上の層の表面形状及び/又はドーパント分布を変化させることを繰り返し実行する。   As described above, in the present invention, a diffusion current is generated at the junction between the p layer 14 and the n layer 13 by applying a forward bias voltage, and the EL element 1 is based on the Joule heat generated by the generated diffusion current. To repeatedly change the surface shape and / or dopant distribution of any one or more of the layers.

そして、変化後の表面形状及び/又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させて、表面形状及び/又はドーパント分布を固定させる。   And in the place where near-field light is generated based on the surface shape after the change and / or the dopant distribution, the diffusion current is decreased by causing the electrons in the conduction band to be induced and emitted in multiple steps based on the non-adiabatic process. The Joule heat is lowered to fix the surface shape and / or dopant distribution.

また変化後の表面形状及び/又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、或いは近接場光が発生しても単に仮想場ができているだけに発光させる上で好適な条件を満たさない箇所においては、拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び/又は当該ドーパント分布を変化させることを、近接場光による非断熱過程で発光するまで繰り返す。   In addition, conditions that are suitable for emitting light in a place where near-field light is not generated based on the surface shape and / or dopant distribution after the change, or even if near-field light is generated simply because a virtual field is formed are satisfied. In a place where there is not, the generation of the diffusion current and the change of the surface shape and / or the dopant distribution are repeated until light is emitted in the non-adiabatic process by the near-field light.

これにより、本発明では、接合層35のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、n層13がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。   Accordingly, in the present invention, light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength corresponding to the band gap width of the bonding layer 35 can be emitted. If the n layer 13 is silicon, it is possible to emit light in the near infrared region as the emission wavelength of the silicon.

また、本発明を適用したEL素子1の作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。   In addition, in the method for manufacturing the EL element 1 to which the present invention is applied, a light receiving element having excellent sensitivity to a desired wavelength can be manufactured at a low cost without requiring a particularly large apparatus.

この波長帯は上記のSi,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TIO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなど用いる間接遷移型無機材料の種類を変更することによっても紫外から赤外光まで広く対応可能である。 The wavelength band above Si, GaP, (depending on alloy composition) AlGaAs, AlP, AlAs, Ge , SiC, PbS, PbTe, TIO 2, GaS, AlSb, C ( diamond), an indirect transition type inorganic employed such as BN By changing the type of material, a wide range from ultraviolet to infrared light can be dealt with.

また本発明によれば、図10に示すように、100Vを超えた後は、順方向バイアス電圧に対して電流が負の依存性を示すEL素子1とすることが可能となる。このため、本発明では、かかる負性抵抗としての機能を発現させることが可能な整流回路として様々な回路に適用できる。   Further, according to the present invention, as shown in FIG. 10, after exceeding 100 V, it is possible to obtain an EL element 1 in which the current has a negative dependency on the forward bias voltage. For this reason, in this invention, it can apply to various circuits as a rectifier circuit which can express the function as this negative resistance.

このようなEL素子1による負性抵抗特性を利用することにより、EL素子1の発光制御を行う例を以下説明する。   An example in which the light emission control of the EL element 1 is controlled by using the negative resistance characteristic of the EL element 1 will be described below.

表1は、本発明を適用した発光制御器10のON/OFF制御の順序を示したものである。先ず第1の駆動回路4、第2の駆動回路5をONする。この第1の駆動回路4と第2の駆動回路5のONの順は何れか一方が先であってもよいし、また同時にONするようにしてもよい。   Table 1 shows the order of ON / OFF control of the light emission controller 10 to which the present invention is applied. First, the first drive circuit 4 and the second drive circuit 5 are turned on. Either the first drive circuit 4 and the second drive circuit 5 may be turned on first or may be turned on simultaneously.

Figure 0005840871
Figure 0005840871

この第1の駆動回路4、第2の駆動回路5の双方がONされた場合に、負荷電圧は、100Vを超え、図10に示すP点を超える。このP点はBOV(ブレークオーバー電圧)と呼ばれ、これを超えると上述の素子は負性抵抗特性を示す。このBOVを超えた場合には、仮に電圧が下がっても多くの電流が流れることとなる。   When both the first drive circuit 4 and the second drive circuit 5 are turned on, the load voltage exceeds 100 V and exceeds the point P shown in FIG. This point P is called BOV (breakover voltage), and beyond this, the above-described element exhibits negative resistance characteristics. When this BOV is exceeded, a large amount of current flows even if the voltage drops.

したがって、この段階で第1の駆動回路4がOFFになり、EL素子1への電源供給が第2の駆動回路5にのみとなったとしても、第2の駆動回路5は電圧は低いが電流を大量に流せる特性を有するので、図10に示す矢印Q方向に沿って電流−電圧特性が変化していくこととなる。そして、最終的にはR点まで行き着く。その間、EL素子1からの発光は継続される。なお、このQに沿って電流−電圧特性が変化することにより、流れる電流を大きくすることが可能となり、発光強度を向上させることが可能となる。もちろん、第2の駆動回路5は高電圧を必要としない。同様に第1の駆動回路4は電圧さえ高ければよく、大量の電流を流す性能を必要としない。即ち、本発明は、低電圧・高電流の第2の駆動回路5、高電圧・低電流の第1の駆動回路4の2つを使用すれば実現することができ、高電圧・大電流を同時に発生するための大型駆動回路が必要なくなるのも本発明の利点である。   Therefore, even if the first drive circuit 4 is turned OFF at this stage and the power supply to the EL element 1 is only supplied to the second drive circuit 5, the second drive circuit 5 has a low voltage but a current. Therefore, the current-voltage characteristic changes along the arrow Q direction shown in FIG. Finally, it reaches the R point. Meanwhile, light emission from the EL element 1 is continued. In addition, when the current-voltage characteristics change along the Q, it is possible to increase the flowing current and improve the emission intensity. Of course, the second drive circuit 5 does not require a high voltage. Similarly, the first drive circuit 4 only needs to have a high voltage, and does not need the performance of flowing a large amount of current. That is, the present invention can be realized by using the low voltage / high current second drive circuit 5 and the high voltage / low current first drive circuit 4. It is also an advantage of the present invention that a large drive circuit is not required for simultaneous generation.

次に第1の駆動回路4をOFFする。この第1の駆動回路4をOFFすることにより、EL素子1に負荷される電圧は小さくなり、電流−電圧特性は、このR点の状態が維持されることとなる。また、その間、EL素子1からの発光は継続される。   Next, the first drive circuit 4 is turned off. By turning off the first drive circuit 4, the voltage applied to the EL element 1 is reduced, and the state of the R point is maintained in the current-voltage characteristics. In the meantime, the light emission from the EL element 1 is continued.

次に第2の駆動回路5をOFFする。これにより、図中の点線に示す経路により電流が低下し、EL素子1からの光は消光されることとなる。   Next, the second drive circuit 5 is turned off. As a result, the current decreases along the path indicated by the dotted line in the figure, and the light from the EL element 1 is quenched.

1 EL素子
2 電源
4 第1の駆動回路
5 第2の駆動回路
10 発光制御器
13 n層
14 p層
30 半導体層
35 接合部
40、50 サブマウント
41、51 電源
42、52 スイッチ
49、59 金ワイヤ
60 マウント
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 EL element 2 Power supply 4 1st drive circuit 5 2nd drive circuit 10 Light emission controller 13 n layer 14 p layer 30 Semiconductor layer 35 Junction 40, 50 Submount 41, 51 Power supply 42, 52 Switch 49, 59 Gold Wire 60 mount

Claims (2)

p層及びn層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の発光制御器において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記p層と上記n層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記層の表面形状及び/又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び/又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び/又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させるエレクトロルミネッセンス素子と、
上記エレクトロルミネッセンス素子に対して、順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第1の駆動回路と、
上記エレクトロルミネッセンス素子に対して、上記第1の駆動回路より小さい順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第2の駆動回路とを備え、
上記第1の駆動回路及び上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をONすることにより、電圧の増加に対して流れる電流を増加させて上記エレクトロルミネッセンス素子を発光させ、
次にブレークオーバー電圧に到達後上記第1の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより電圧の低下に応じて流れる電流を増加させ、
更に上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより、上記エレクトロルミネッセンス素子を消光させること
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の発光制御器。
In a light emission controller of an electroluminescence device comprising a semiconductor layer including a p layer and an n layer,
By applying a forward bias voltage, a diffusion current is generated at the junction between the p layer and the n layer, and the surface shape of any one or more of the layers based on the Joule heat generated by the generated diffusion current, and Repeated change of dopant distribution and / or inversion distribution in conduction band and valence band by forward bias voltage, and near-field light is generated based on surface shape and / or dopant distribution after change. In this place, electrons in the conduction band forming the inversion distribution are induced and emitted in multiple stages based on a non-adiabatic process, thereby reducing the diffusion current and reducing the Joule heat, An electroluminescence device that fixes the surface shape and / or dopant distribution and emits light by the stimulated emission;
A first driving circuit capable of freely turning on / off a forward bias voltage with respect to the electroluminescence element;
A second driving circuit capable of turning ON / OFF a forward bias voltage smaller than that of the first driving circuit with respect to the electroluminescence element;
By turning on forward bias voltage application by the first drive circuit and the second drive circuit , the current flowing with respect to the increase in voltage is increased to cause the electroluminescence element to emit light,
Next, after reaching the breakover voltage, by turning off the forward bias voltage application by the first drive circuit , the current flowing according to the voltage drop is increased,
Further, the electroluminescence element is extinguished by turning off forward bias voltage application by the second drive circuit, and the electroluminescence element emission controller.
p層及びn層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の発光制御方法において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記p層と上記n層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記層の表面形状及び/又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び/又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び/又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させるエレクトロルミネッセンス素子に対して順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第1の駆動回路と、上記第1の駆動回路より小さい順方向バイアス電圧をON/OFF自在な第2の駆動回路とに接続し、
上記第1の駆動回路及び上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をONすることにより、電圧の増加に対して流れる電流を増加させて上記エレクトロルミネッセンス素子を発光させ、
次にブレークオーバー電圧に到達後上記第1の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより電圧の低下に応じて流れる電流を増加させ、
更に上記第2の駆動回路による順方向バイアス電圧印加をOFFすることにより、上記エレクトロルミネッセンス素子を消光させること
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の発光制御方法。
In a method for controlling light emission of an electroluminescence element comprising a semiconductor layer including a p layer and an n layer,
By applying a forward bias voltage, a diffusion current is generated at the junction between the p layer and the n layer, and the surface shape of any one or more of the layers based on the Joule heat generated by the generated diffusion current, and Repeated change of dopant distribution and / or inversion distribution in conduction band and valence band by forward bias voltage, and near-field light is generated based on surface shape and / or dopant distribution after change. In this place, electrons in the conduction band forming the inversion distribution are induced and emitted in multiple stages based on a non-adiabatic process, thereby reducing the diffusion current and reducing the Joule heat, together to fix the surface shape and / or dopant profile, the forward direction to the electroluminescent element to emit light by the stimulated emission And ON / OFF freely first driving circuit bias voltage, and connect the first driving circuit smaller forward bias voltage to the ON / OFF freely second driving circuit,
By turning on forward bias voltage application by the first drive circuit and the second drive circuit , the current flowing with respect to the increase in voltage is increased to cause the electroluminescence element to emit light,
Next, after reaching the breakover voltage, by turning off the forward bias voltage application by the first drive circuit , the current flowing according to the voltage drop is increased,
Furthermore, the electroluminescence element is extinguished by turning off forward bias voltage application by the second drive circuit, and the light emission control method for the electroluminescence element.
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