CN1639881A - 场效应晶体管类型发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种场效应晶体管类型发光器件，该器件能够获得长期使用的可靠性，并且使光发射波长的选择性变宽。该申请的发明是一种场效应晶体管类型发光器件，该器件具有电子注入电极(即源极)、空穴注入电极(即漏极)、设置在源极和漏极之间以便与这两个电极接触的发射有源部件、以及场应用电极(即栅极)，所述栅极用于在发射有源部件中感生电子和空穴，其经由绝缘部件或者绝缘间隙设置在发射有源部件附近。所述发射有源部件由既具有电子转移特性又具有空穴转移特性的无机半导体材料制成。

Description

场效应晶体管类型发光器件

技术领域

本发明涉及一种使用半导体的发光器件，尤其涉及一种场效应晶体管类型的发光器件。

背景技术

通常，使用半导体的发光器件已经广泛用于显示和照明，并且用作光源。

作为这种发光器件之一的是发光二极管，其中通过向pn结半导体施加正向电压，将电子注入到n区，并且将空穴注入到p区，以便通过在接合点(有源区)对电子和空穴进行复合以获得光发射。

通过将p型半导体和n型半导体结合在一起制成发光二极管的pn结，该p型半导体和n型半导体分别通过向半导体中加入形成p型或者n型的添加剂来制造。例如，在应用物理学的日文杂志(Japanese Journal of Applied Physics)的第2部分、第40卷的第L275-L278页中描述了这种pn结发光二极管，其中发光二极管使用金刚石单晶体作为发射活性材料。

然而，在pn结发光二极管中，存在以下不可避免的问题：当没有向半导体材料中添加大量添加剂而不能获得足够的光发射时，由于添加剂的加入而使得半导体材料的晶体结构中发生变形、缺陷等，使该材料成为猝熄中心或者感生不必要波长的光发射，由此降低了为光发射贡献已注入载流子的效率。

另一方面，与上述pn结发光器件相比，作为使用有机物质的另一种类型的发光器件，场效应晶体管类型发光器件也是已知的。在科学杂志(Science Journal)，2000年11月3日，第290卷，第963-965页中公开了一种使用α-联六噻吩(sexithiophen)的场效应晶体管类型发光器件(以下称为A-LEFET)。

图3是示出了使用α-联六噻吩的场效应晶体管类型发光器件的结构的示意图。

上述使用α-联六噻吩的A-LEFET具有一种结构，在该结构中将通过真空蒸发方法形成的单晶体α-联六噻吩(以下称为α-6T)用作发射有源部件21，将该部件夹在作为源极23和漏极24的铝淀积膜之间，源极23和漏极24之间形成有25μm的间隔。此外，在α-6T、源极和漏极上形成有掺入铝的氧化锌(ZnO:Al)薄膜形成的栅极27，由氧化铝(Al₂O₃)作为夹在其间的栅极绝缘层26，由此形成了金属/绝缘体/半导体(以下称为MIS)类型的场效应晶体管(以下称为FET)结构。

在α-6T中，本征晶体在其中同时具有电子转移特性和空穴转移特性。也就是说，通过电子和空穴的给定注入机制，这种材料展现出所谓的二极导通特性。

同在源极作为参考的电势比较，通过将正电势施加到上述A-LEFET的漏极和栅极，将电子和空穴分别从源极和漏极注入到α-6T的电子传导能级和空穴传导能级。这些正负电荷载流子在导电通路的中间部分产生辐射复合转换以生成电致发光，由此发光。

在上述文献公开的A-LEFET中，由于将兼备空穴转移特性和电子转移特性的α-6T单晶体用于发射有源部件，因此不必向发射活性材料添加添加剂。为了形成pn结，以及在pn结类型情形下向光发射区域注入少数载流子，这种添加剂是需要的。因此，没有产生上述因为添加剂而导致光发射特性降低的问题。

(本发明将解决的问题)

然而，在上述A-LEFET中还存在以下问题。

虽然将如α-6T的单晶有机物质用于发射有源部件，但是有机物质中电子移动率和空穴移动率通常很小，因此难以获得足够的光发射强度。在室温下移动率的典型数值是10^-3到10^-4cm²/(V·s)，最大约为10⁰cm²/(V·s)。

另外，首先在有机物质中形成完美无缺的单晶体是困难的，并且因此难以进行有效的光发射。此外，总的来说，发光器件要不可避免地经受热发生，并且已经存在以下问题，使用如α-6T的有机物质的A-LEFET类型发光器件，在使用环境下不可避免地随时间经受退化，因此难以获得防止退化的长期可靠性。

此外，在发射有源部件是有机物质的A-LEFET型发光器件情形下，依照光发射机制，所生成的电致发光的光谱，仅仅由发射有源部件的复合能级之间的能量差限定，其中可将电荷从源极和漏极注入到发射有源部件中。因此，当使用α-6T时，将发射波长限于1.6eV的光子能量区域，或者多至2.2eV或者更小(对应于约564到775nm的波长)。因此，在发射有源部件是有机物质的A-LEFET型发光器件中，通过为发射有源部件选择的物质来确定发射波长。然而，当将有机晶体物质用作发射有源部件时，难以选择具有获得期望波长(例如，较短波长区域的光)所需的双极性物质，并且因此，在发射波长中具有灵活性差的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种发光器件，该器件能够获得长期的可靠性，并且加宽发射波长的选择性。

根据本发明的场效应晶体管类型发光器件具有用于解决上述问题的下列结构的每一个。

(1)一种场效应晶体管类型发光器件，包括：

电子注入电极(即，源极)；

空穴注入电极(即，漏极)；

在所述源极和所述漏极之间设置，以便与所述两个电极接触的发射有源部件；以及

通过电绝缘部件或者绝缘间隙在所述发射有源部件附近设置的场应用电极(即栅极)，用于在所述发射有源部件中感生电子和空穴；

其中所述发射有源部件由无机半导体材料制成，所述无机半导体材料既具有电子转移特性又具有空穴转移特性。

(2)根据(1)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料中的电子移动率和空穴移动率之间的比率在1/100到100的范围内。

(3)根据(1)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中在所述无机半导体材料中，在室温下空穴移动率和电子移动率各是10^-1cm²/Vs或更大。

(4)根据(1)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中在所述无机半导体材料中，载流子浓度是10¹⁴/cm³或者更小，或者产生载流子的掺杂剂浓度是0.1％或者更小。

(5)根据(1)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料具有10⁸Ωcm或更大的电阻率值。

(6)根据(1)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料是无掺杂的本征半导体。

(7)根据(1)到(6)任一项的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料作为主要成分包括用于形成sp3杂化轨道的碳。

(8)根据(1)到(7)任一项的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料是金刚石。

(9)根据(1)到(6)任一项的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料包括II-VI族的化合物，或Zn和从S、Se和Te中挑选出来的至少一个元素。

(10)根据(1)到(6)任一项的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料包括III-V族的化合物，或N和从Al、Ga和In中挑选出来的至少一个元素。

(11)根据(9)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料还包括Mn，作为形成发光中心的掺杂剂。

(12)根据(9)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料还包括稀土元素当中的至少一个元素，或Tm、Tb、Pr和Sm当中的至少一个元素，作为形成发光中心的掺杂剂。

(13)根据(9)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料还包括至少一个金属元素，或Cu、Ag、Au、Al、Ga、In、Cl、F、Br和I中的至少一个元素，作为形成发光中心的掺杂剂。

(14)根据(9)的一种场效应晶体管类型发光器件，其中所述无机半导体材料还包括Cu、Ag和Au中的至少一个元素和Al、Ga、In、Cl、F、Br和I中的至少一个元素，作为形成发光中心的掺杂剂。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的场效应晶体管类型发光器件结构的示意图，该器件包括：衬底1、发射有源部件2、源极3、漏极4、沟道部分5、绝缘薄膜6和栅极7。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的场效应晶体管类型发光器件结构的示意图，该器件包括：衬底/栅极11、发射有源部件12、源极13、漏极14、沟道部分15、绝缘薄膜16。

图3是示出了使用α-联六噻吩的场效应晶体管类型发光器件结构的示意图，该器件包括：α-6T单晶体21、源极(Al)23、漏极(Al)24、栅极绝缘薄膜(Al₂O₃)26和栅极(ZnO:Al)27。

具体实施方式

(1)结构

图1示出了根据本发明的一个实施例的场效应晶体管类型发光器件结构的示意图。

在本发明的发光器件中，在衬底1上形成发射有源部件2，并且在夹住发射有源部件2一部分的位置上，形成一对由导电部件制成并能注入电子和空穴的源极3和漏极4。

此外，在一对电极之间制成发射有源部件的沟道部分5，并且为了施加电场以分别感生电子和空穴的目的，在沟道部分5上设置栅极7，在它们之间夹有绝缘体6或者绝缘空隙。

图2示出了作为图1的修改的本发明另一个实施例的场效应晶体管类型发光器件结构的示意图。

在图2中，当使用导电衬底11(Si衬底、金属衬底等)时，在衬底11上形成绝缘薄膜16，在绝缘薄膜上形成源极13和漏极14，并且形成发射有源部件12，以便与源极13和漏极14接触。定位在源极13和漏极14之间的发射有源部件12充当沟道部分15。衬底11可以是栅极17。

本发明的发射有源部件2和12各由既具有空穴转移特性又具有电子转移特性的无机半导体物质制成。

(2)总体操作

参照图1，在下文将描述总体操作。应注意的是，图2的另一个实施例还能够通过改变标记象图1那样描述。

同在栅极作为参考的电压比较，当将正负电压分别施加到漏极4和源极3时，由于栅极和漏极之间的电压、栅极和源极之间的电压，在漏极附近和源极附近分别感生出空穴和电子。通过源极3和漏极4之间施加的电压，感生的电子和空穴移入发射有源部件2并受到调节，以便在沟道部分5彼此重新结合。

通过电致发光机制，在沟道部分5重新结合的电子和空穴发射光，该光具有对应于形成发射有源部件2的材料的复合能级之间的能量差的波长。

(3)各个部件的细节(功能、材料、生产方法等)

①衬底

将该衬底用作在其上形成各层的基座。

当发射有源部件主要由碳制成时，可使用Si衬底、金属衬底、玻璃衬底(玻璃石英衬底、结晶玻璃衬底等)等。当发射有源部件由Zn(S、Se、Te)制成时，可使用Zn(S、Se、Te)单晶体、GaAs、InP、Si、蓝宝石、玻璃等衬底。

当在上面形成结晶的发射有源部件时，更适宜的是，衬底的晶格常数和所形成的发射有源部件的晶格常数彼此接近。

当将单晶金刚石用作发射有源部件时，所希望的是，在晶格常数一致性和能够均匀成核方面，该衬底由单晶体金刚石制成。所希望的是，在衬底上同质外延生长作为发射有源部件的单晶体金刚石薄膜。获得极好的(更小缺陷)同质外延生长的单晶金刚石层(发射有源部件)。

②发射有源部件

②-(i)具有双极性的无机物质的各种发射部件的通用内容

下面描述均由具有双极性的无机物质制成的各种发射部件的通用内容。

当从源极和漏极注入的空穴和电子在发射有源部件中彼此重新结合时，进行光发射。

发射有源部件由既具有空穴转移特性和又具有电子转移特性的无机半导体物质制成。

所希望的是，空穴转移特性和电子转移特性在程度上大致相同，以便确保在沟道部分中间的有效复合。具体地，优选地是，在室温下电子移动率和空穴移动率之间的比率是1/100到100，更优选地是，1/10到10。移动率，能够基于脉冲光载波激励，通过正常的霍尔效应测量或者逃逸时间(time-of-flight)方法来测量。

所希望的是，空穴移动率和电子移动率两个都较大，以便获得光发射强度。具体地，在室温下，移动率优选地是10^-1cm²/Vs或更大，并且更加优选地是，10cm²/Vs或更大。当其成为10^-1cm²/Vs或者更小时，在无机半导体中空穴和电子流速变得如此小，以致不能获得充分高的光发射强度。

所希望的是，在低温时，发射有源部件本身的电阻率值较大。理想的是，原始材料没有非本征载流子，并且只有从源极和漏极注入的载流子移入发射有源部件。在此，非本征载流子表示由缺陷或者在形成发射有源部件的无机半导体中引入的掺杂剂离子产生的空穴或者电子。因此，较大的电阻率值也表示更小缺陷的极好质量的晶体，并且还表示包括没有掺杂剂离子的晶体。具体地，在室温下的直流电阻率值优选地是10⁸Ωcm或更大，并且更加优选地是10¹⁰Ωcm或更大。当DC电阻率值变成10⁸Ωcm或者更小时，由缺陷或者掺杂剂离子产生的载流子的密度增加，而从源极和漏极注入的载流子比率相对减小，因此阻碍发光器件的可控性。

就无机半导体中的载流子浓度而言，载流子浓度优选地是10¹⁶/cm³或者更小，并且更加优选地是10¹⁴/cm³或者更小。当载流子浓度变成10¹⁶/cm³或更大时，从源极和漏极注入的载流子比率相对减小，因此阻碍发光器件的可控性。就无机半导体中的掺杂离子浓度而言，以原子比掺杂离子浓度优选地是0.1％或者更小，并且更加优选地是1ppm或者更小。当掺杂离子浓度变成0.1％或更大时，从源极和漏极注入的载流子比率相对减小，因此阻碍发光器件的可控性。

优选地，原来包括在发射有源部件本身中的空穴和电子的浓度彼此相等。鉴于此，非掺杂的本征半导体是最适合的。如稍后将描述地，除基于碳或者基于ZnS之外，发射有源部件能够利用SiC、另一II-VI族半导体、III-V族半导体、诸如CuInO₂、Si₃N₄的半导体氧化物、诸如AlN的半导体氮化物等。在此，II-VI族半导体表示由在周期表上作为IIB族元素的Zn、Cd和Hg中的至少一个、以及作为VIA族元素的O、S、Se、Te和Po中的至少一个构成的半导体，例如是ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe或者CdTe。此外，在此，III-V族半导体表示由作为周期表上IIIA族元素的B、Al、Ga、In和Tl中的至少一个、以及作为VA族元素的N、P、As、Sb和Bi中的至少一个构成的半导体，例如是AlN、AlP、AlAs、GaN、GaP、GaAs、InN、InP或者InAs。

通常，当使用的衬底具有低电阻时，如果发射有源部件的厚度充分地大于源极和漏极之间提供的距离，那么这就足够了。这不适于使用的衬底具有高电阻的情形，其中数百纳米左右是足够的。

作为发射有源部件，能够利用结晶或者非晶无机半导体物质。也可以使用部分地包括晶体结构的非晶无机半导体物质。

总的来说，作为发射有源部件的晶体具有移动率高的优点，很少出现由诸如带尾的局部化能级引起的无辐射复合，能够在金刚石等的情形中形成自由激子。

该晶体可以是单晶体，或者其也可以是多晶体。使用单晶体的优点是，由于杂质浓度减小并且不存在颗粒界限，因此能够容易地实现高移动率，能够容易地获得高光发射效率等。

使用多晶体的优点是，增加衬底材料的选择宽度，能够应用各种薄膜形成方法，能够获得大面积的薄膜等。

总的来说，非晶体物质作为发射有源部件的优点是，选择作为基座的衬底自由度很高，形成薄膜的温度较低，组合的自由度较高，具有各向同性的物理特性等。

作为不同于基于碳的物质的非晶双极物质，有非晶硅、Si_xN_y、非晶锗、SiGe等。

②-(ii)基于碳的发射有源部件

在下文将描述基于碳的发射部件的特有内容。

作为基于碳的发射有源部件，利用由包括作为主要成分的主要形成sp3杂化轨道的碳。这是因为sp3杂化轨道的形成使得能够获得类似半导体的属性。通过NMR或者紫外线拉曼(Raman)光谱分析、或者电子能量损耗谱分析，能够检验碳是否形成了sp3杂化轨道，或者检验其组成比率。

优选地，80at％或更多的碳原子形成sp3杂化轨道。

此外，优选地，碳原子的组合比率相对于全部组合原子是90at％或更多。

整个结构可以是晶体或者非晶的，或者还可以将晶体结构包括在非晶结构中。

在该情形下，晶体结构优选地是金刚石类型的晶体结构。具体地，不管整个结构是晶体还是将晶体结构包括到非晶结构中，优选地是，晶体结构具有金刚石类型的晶体结构。作为具有金刚石类型的晶体的发射有源部件，优选地是单晶金刚石。

作为整个结构是晶体的材料，能够引用具有金刚石类型结构的碳的多晶体物质，或者单晶金刚石。

作为非晶物质，能够引用无定形碳(a-C)、非晶碳氢化物(a-C:H)、无定形碳氮化物(a-C_xN_y)、非晶的氢化碳氮化物(a-C_xN_y:H)、非晶的碳氮化物(a-C:N)或者无定形碳卤化物(a-C:F，a-C:Cl等)。

在金刚石晶体中，电子和空穴移动率高，并且可以形成电子和空穴的亚稳态(自由激子)，由于来自这些自由激子的光发射效率因为复合而很高，因此能够有效地进行光发射。当将电子束缚在空穴上时，自由激子处于亚稳中间状态。在本发明中，将主要从源极注入的电子束缚在从漏极注入的空穴上，因此形成处于中间状态的自由激子。由于来自于自由激子的电子和空穴的复合有助于以很高速率的光发射，因此通过形成自由激子能够获得有效的光发射。来自于自由激子的光发射对应于约5.2eV的光子能量，并且具有约2 38nm的波长。

由于金刚石晶体的能带结构属于间接跃迁类型，因此能带末端之间的辐射复合的概率很小，但相反，以高效率实现了上述自由激子引起的光发射。

另一方面，无定形碳的优点是，因为由在能带末端之间直接组合引起光发射，因此光发射是高效率的。

可以将以下添加元素添加到这种基于碳的发射有源部件中。添加元素是n型掺杂剂(硫、磷、氮等)或者p型掺杂剂(硼、铝等)中的至少一个。这用于将发射有源部件中的空穴和电子移动率调节到相同能级。此外，添加元素是卤素元素(氯、氟等)、氢和氧中的至少一个。这用于终止碳的自由接合，并且补偿在晶体间隙等生成的缺陷等。按照绝缘特性来说，优选地是氧。

优选地，除了存在于金刚石晶体中的碳的元素的组成总数是1at％或相对于除氢外的所有元素的原子数目总数较小。这是因为当诸如掺杂剂的杂质增加时，该杂质成为晶体结构的缺陷，阻碍了上述自由激子的形成，并且作为猝熄中心使用，或者促使产生了不同于要求的波长的光发射，因此导致光发射特性的降低。

在发射有源部件具有金刚石晶体的情形下，光学基本吸收边缘能量在室温下是5.2eV或更大。这是因为将小于5.2eV的光学基本吸收边缘能量判定为是由晶体结构缺陷或者失调引起的。也就是说，当在晶体结构中存在缺陷或者失调时，对能带末端的状态进行局部化以便形成尾部吸收，以有助于光吸收，从而降低光学基本吸收边缘能量。

应注意的是，在正常光吸收频谱测量中，将光学基本吸收边缘能量作为光子能量导出，其中吸收系数成为10^-1/cm。

当将单晶金刚石用作发射有源部件时，根据其能带结构观察到对应于5.0到5.5eV能量差的波长的光发射。然而，当通过晶体中存在的缺陷和杂质产生的局部化能级复合载流子时，在2.0到3.5eV的能量差范围中观察到光发射峰值(所谓的能带A峰值)。

如果只打算进行对应于5.0到5.5eV的能量差的光发射，则所希望的是在2.0到3.5eV范围的光发射峰值小。在通过在室温下辐照5kV的电子束获得的阴极辉光光谱中，展现在5.0到5.5eV能量范围中的光发射峰值强度优选地是1倍于或者大于展现在2.0到3.5eV的能量范围中的光发射峰值强度，并且更加优选地是8倍或者更大。

当将金刚石晶体用作发射有源部件时，由于能带末端之间的直接复合，复合能级之间的能量差是5.5eV，并且与具有约225nm波长的紫外光对应。此外，当将金刚石晶体用作发射有源部件时，尽管能够形成电子和空穴(自由激子)的上述亚稳态，但是来自于这些自由激子的光发射与约5.2eV的能量差对应，该值稍小于能带末端之间的能级差值，并且具有约238nm的波长。

当将基于无定形碳的物质用作发射部件时，发射具有约400到600nm波长的可见光是可能的。具体地，在具有代表性的四面体无定形碳(ta-C)的情形下，复合能级之间的能量差约为2.5eV，其对应于约500nm的波长。

利用单晶金刚石衬底，通过等离子体化学气相淀积工艺(以下称为等离子体CVD方法)、燃烧淀积方法、热丝CVD方法、高压/高温合成法等，能够形成单晶金刚石。

通过在Si等的衬底上进行成核的方法，并且通过等离子体CVD方法在其上进行淀积的方法，能够形成金刚石类型晶体的多晶体物质。

通过等离子体CVD方法、离子束淀积方法、阴极电弧淀积方法等可以形成无定形碳。

为了使无定形碳包括晶体，减小材料气体中的氢浓度，或者采用后面描述的用于金刚石薄膜形成的等离子体CVD方法使衬底温度降低。

近年来，随着记录介质的高密度化，已经注意到短波光源。使用能够发射紫外光的基于碳的物质的发光器件，也可以用作这种记录光源。此外，通过将光线从发光器件引入磷光体，还能够将其用作光源，以产生所期望波长的光，诸如白光。

②-(iii)基于ZnS的发射有源部件

在下文将描述基于ZnS的发射有源部件的特有内容。

基于ZnS的发射有源部件是包含Zn和从S、Se和Te中挑选出来的至少一个元素的物质。具体地，能够列举出ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnS_xSe_(1-x)(0＜x＜1)等。每个这些物质具有高熔点，在室温下是稳定的，并且即使当经受日光照射时也不变质，并且因此这给予本发明发光器件高可靠性。

基于ZnS的发射有源部件可以是非晶的，但就光发射效率而言，优选地是晶体。晶体结构确定发射有源部件的能带结构，并且还确定光发射波长和光发射效率，因此，这是一个重要因素。ZnS、ZnSe或者ZnTe的晶体具有ZnS类型的晶体结构(β-ZnS结构，Zinc混合结构)或者纤锌矿类型(α-ZnS结构)，并且能够将任一晶体结构用于本发明发射部件。ZnS类型的晶体结构是这样一种结构，其中四面设置在立方密堆积结构的单位晶格中的八个空穴部分地充满原子。具体地，ZnS类型的晶体结构是这样一种结构，其中一种元素的原子占据单位晶格的角落和平面中心的位置，并且其他元素的原子占据像在金刚石结构中那样四面设置的位置。另一方面，能够将纤锌矿类型的晶体结构表示为这样的结构，其中在六方密集堆结构中，在单位晶格的原子位置，Zn原子与S原子重叠，然后将那些S原子垂直地移动单位晶格侧面的3/8。(1987年，Agne Gijutsu Center，由F.S.Garasso撰写、由Seiki Kato和Keizo Uematsu翻译的《Graphical Fine Ceramics Crystal Chemistry)》第二版)

(i)ZnS

除ZnS类型的晶体结构之外，ZnS具有纤锌矿类型的晶体结构，其中ZnS类型是低温相，并且在1020℃转换为纤锌矿类型。ZnS具有3.7eV的禁带宽度。由于3.7eV的能量与335nm的光波对应，因此能够将ZnS用于发射紫外光、可见光、或者红外线，均具有335nm或更大波长。此外，ZnS是直接过渡型半导体，该半导体是高光发射效率的一个因素。也就是说，当在直接过渡型和间接过渡型之间对电子和空穴的复合光发射系数进行比较时，直接类型的系数大四位数左右。由于光发射由存在于ZnS的能带末端的电子和空穴的直接复合引起，因此通过光照射、电子束冲击、电流注入等，以高光发射效率发射335nm左右波长的紫外光。

就用作磷光体而言，ZnS是最重要的物质之一，并且已经被广泛地用作阴极射线管的磷光体。在阴极射线管中，向ZnS辐照电子束，以产生价带的空穴和导带的电子，以便利用当其复合时发射的光。ZnS是这样一种物质，在利用电子冲击激励或者光激励的激励时，它的复合光发射效率在所有无机物质中是最高的。

由于电子束的照射需要诸如阴极射线管的真空系统，因此优选地是实现固体发光器件。然而，还没有实现利用ZnS的发光二极管(LED)。这是因为，由于不存在用于将空穴注入到ZnS的价带中的技术，还没有实现p-ZnS，因此还没有实现利用ZnS的pn结。为此，在利用ZnS的电流注入类型发光器件中，通过肖特基势垒(MES器件)，利用遂道发射(场致发射)(MIS器件)，或者从接口能级将空穴注入。因此，不能以适于实用的低电压将充分大的电流注入，从而在社会上还没有普及利用ZnS的发光器件。

在本发明的场效应晶体管类型发光器件中，没有使用pn结，并且因此不需要p-ZnS，从而将空穴掺杂到ZnS中的技术不是必需的技术。在本发明中，其间欧姆接触的p电极和n电极，与作为发射有源部件的ZnS层接触，从而将空穴和电子有效地注入到ZnS层，并且因此，能够以适于实用的低电压使足够大的电流流动，由此能够实现高度实用的固体发光器件。

应注意的是，利用n-ZnS作为n电极的一部分以使其层与ZnS层相接触，对于实现与ZnS的欧姆接触来说是非常有效的。此外，如果在n-ZnS上形成具有低功功能的In、In-Ga合金等的金属薄膜，并且对其应用退火工艺，则能够实现优良的非整流接合，以有助于改进光发射效率。

当将掺杂剂作为发光中心引入本发明的发射有源部件时，光发射不是由存在于能带边缘的电子和空穴的直接复合引起，而是通过掺杂剂能级的转换引起。此外在该情形下，由于掺杂剂的能级是通过向导带或者价带添加扰动而获得的，因此其属性与导带或者价带的相似，并且因此，复合系数变成类似于在能带边缘之间直接复合的情形下的复合系数(1987年由Phosphor Academy所编、由Ohmsha有限公司出版的《Phosphor Handbook》，第144页)。也就是说，即使当将掺杂剂作为发光中心引入时，通过利用直接过渡型半导体，复合光发射系数增加了四位数左右。虽然由于掺杂剂是发光中心而使ZnS层的晶体属性趋向于降低，并且因此光发射效率趋向于降低，但是能够给出发射具有不同于由能带隙确定的波长的发射光的功能。也就是说，当将Ag和Cl两个都引入ZnS(ZnS:Ag，Cl)时，本发明的发光器件发射蓝光，而当将Cu和Al两个都引入ZnS(ZnS:Cu，Al)时，本发明的发光器件发射绿光。依靠目标光发射波长选择适当的掺杂剂。

(ii)ZnSe

ZnSe是直接过渡型广隙半导体，具有ZnS类型的晶体结构并且具有2.8eV的禁带隙。ZnSe具有比那些ZnS和ZnTe更好的半导体属性。禁带隙小于ZnS。由于2.8eV的能量对应于440nm的光波，因此可将其用于发射各具有长于440nm波长的可见光或者红外线。由于ZnSe是类似ZnS的直接过渡型半导体，因此复合光发射系数是大的。由于光发射由ZnSe的存在于能带边缘的电子和空穴的直接复合引起，因此本发明的发光器件发射具有440nm左右波长的蓝光。

由于ZnSe可以经受n型和p型掺杂，因此不仅能够产生pn结，还报道了诸如发光二极管和激光二极管这样的发光器件。利用ZnSepn结的发光二极管在光发射属性方面是出色的，并且已经实现了81m/w的发光效率(Kanji Bando等，应用物理学(Applied Physics)，第71卷，第1518页，2002年)。

通过将Li或者N作为受能体引入ZnSe以实现p-ZnSe。尤其，作为用于产生高浓度空穴的受能体，N是有效的，因此能够获得具有极好的再生性的约1×10¹⁸/cm³的空穴密度(S.W.Lim等，应用物理通讯(Applied Physics Letters)，第65卷，(1994)第2437页)。然而，对于在它和诸如Au的金属衬底之间生成非整流接合来说，p-ZnSe的载流子密度不足够高，并且因此，将诸如p-ZnTe或者p-HgTe的物质作为接触层夹在p-ZnSe和诸如Au或者Pt的金属衬底之间，以便由此设法提供非整流性。然而，因为晶格常数方面的差异，ZnSe和ZnTe或者HgTe之间的异端连接是不容易的，因此需要夹入多个缓冲层以匹配晶格常数，这使得二极管结构非常复杂。

此外，基于ZnSe的发光器件寿命期限短，并且由此没有投入实用。认为其原因如下，其中在施加电场期间，由于n型和p型掺杂剂而使存在于ZnSe晶体中的缺陷增加，并且开始作为猝熄中心工作。

在本发明的场效应晶体管类型发光器件中，由于没有使用pn结，因此p-ZnSe和n-ZnSe不是必需的部件。足以使在其间欧姆接触的p电极和n电极与作为发射有源部件的ZnSe层接触，并且将空穴和电子注入ZnSe层。为此目的，可以广泛地选择衬底材料，并且能够使器件结构简化。

此外，由于作为发射有源部件的ZnSe不包含p型或者n型掺杂剂，因此不发生由于掺杂剂而导致的晶体属性恶化，缺陷密度低，并且不容易发生由于施加电场而导致缺陷增加，因此能够实现长的器件工作时间。

应注意的是，利用p-ZnSe作为p电极的一部分以便使其层与ZnSe层相接触，或者利用n-ZnSe作为n电极的一部分以便使其层与ZnSe层相接触，对于实现到作为发射有源部件的ZnSe的欧姆接触来说是非常有成效的，并且有助于改进光发射效率。

当将掺杂剂作为发光中心引入时，光发射通过掺杂剂能级进行转换而引发。虽然由于掺杂剂是发光中心而使ZnSe层的晶体属性趋向于降低，并且因此光发射效率趋向于降低，但是能够给出发射具有不同于由能带隙确定的波长的发射光的功能。依靠目标光发射波长，可以选择适当的掺杂剂。

(iii)ZnTe

ZnTe是直接过渡型广隙半导体，具有ZnS类型的晶体结构或者纤锌矿类型晶体结构，并且具有2.4eV的禁带隙。ZnTe具有比ZnS和ZnSe更好的半导体属性。该禁带隙小于ZnSe。由于2.3eV的能量对应于520nm的光波，因此能够将其用于发射各具有长于520nm波长的可见光或者红外线。由于ZnTe是类似ZnS的直接过渡型半导体，因此复合光发射系数是大的。由于光发射由存在于ZnTe的能带边缘的电子和空穴的直接复合引起，因此本发明的发光器件发射具有520nm左右波长的绿光。

与ZnS或者ZnSe相反，对于ZnTe，p型掺杂相对容易，因此能够实现1×10¹⁹/cm³的空穴密度。然而，由于很难实现n-ZnTe，因此没有发现利用pn结的发光器件的报道。

在本发明的场效应晶体管类型发光器件中，由于没有使用pn结，因此p-ZnTe和n-ZnTe是不必要的部件。能够通过使以欧姆接触的p电极与作为发射有源部件的ZnTe层接触，并且通过将空穴从p电极注入ZnTe层来实现发光器件。

应注意的是，利用p-ZnTe作为p电极的一部分以便使其层与作为发射有源部件的ZnTe层相接触，对于实现与作为发射有源部件的ZnTe的欧姆接触来说是非常成效的，并且有助于改进光发射效率。

当将掺杂剂作为发光中心引入时，由通过掺杂剂能级的转换引发光发射。虽然由于掺杂剂是发光中心，ZnSe层的晶体属性趋向于降低，并且因此光发射效率趋向于降低，但是可以给出发射具有不同于由能带隙确定的波长的发射光的功能。依靠目标光发射波长，选择适当的掺杂剂。

(iv)固熔体

ZnS、ZnSe和ZnTe具有相同的晶体结构，并且在整个区域之上是相互固态可溶解的，以便可以生成诸如ZnS_xSe_(1-x)、ZnS_yTe_(1-y)的固熔体，并且用作本发明的发射有源部件。根据S→Se→Te的置换，能带隙是有限的，因此产生具有更长波长的光发射是可能的。在ZnS的情形下，在能带隙的3.7eV能量差对应于335nm波长，在ZnSe的情形下，2.8eV能量差对应于440nm波长，在ZnTe的情形下，2.4eV能量差对应于520nm波长。

将Zn部分以Cd、Mg、Ca、Sr、Ba等代替是可能的。例如，可以将Zn_xCd_(1-x)S、Zn_xMg_(1-x)Se、Zn_xCa_(1-x)Te、Zn_xCd_(1-x)Se_yS_(1-y)等用作发射有源部件。在该情形下，替换的Zn达到Zn的10％左右。由于能够通过替换Zn部分来放宽或者限制能带隙，因此可以调节光发射波长。此外，如果通过替代的晶体生成了量子墙或者量子点并且引入到基于ZnS的发射部件，则其有效地起发光中心的作用。将替代的晶体用作发射部件并且作为量子阱或者量子点引入ZnS、ZnSe或者ZnTe中也是有效的。也就是说，例如，可以将Zn_xCa_(1-x)Se_yS_(1-y)用作发射有源部件，并且将Zn_xCd_(1-x)Te用作发光中心，或者将Zn_xMg_(1-x)Se_yS_(1-y)用作发射有源部件，并且将Zn_xCd_(1-x)Se_yTe_(1-y)m用作发光中心。选择它们以便使发光中心的能带隙变得比发射有源部件的能带隙窄是有效的。

通过将添加剂掺杂到这些基于ZnS的物质中，由于通过添加剂形成的能级而获得具有各种波长的光发射是可能的。作为添加剂，可以引用金属元素以及卤素元素。例如，通过添加两个I族(Cu、Ag、Au)和II族(Al、Ga、In、Cl、F、Br、I)，通过正确地选择I族和II族的浓度，能够获得蓝绿红的光发射。这是因为I族的元素形成受体能级，并且II族的元素形成施主能级，并且这些施主和受能体对变成发光中心。通过添加Mn能够获得橙色光发射。作为不同于上述的可添加的掺杂剂，可以列举出稀土元素，例如，Tm(蓝色)、Tb(绿色)、Pr(白色)、Sm(红色)等。然而，在该情形下，以三价氟化物(LnF3)的形式进行添加，以进行电荷补偿。

通常以5mol％或者更小的浓度添加该添加剂。

同样在添加该添加剂的情形下，按照S—>Se—>Te的置换，光发射波长趋向于较长。依靠基于Zn的基本物质的选择以及添加剂的选择，进行能够获得所要求的光发射波长的设计是可能的。

包含Zn和S、Se或者Te的物质能够通过蒸发、升华、MOCVD方法、MBE方法等来产生。

当将包含Zn和S、Se或者Te的材料用作发射有源部件时，通过选择添加的金属以发射约400至800nm的可见光。

上述光发射具有显示和照明的用途。

③源极、漏极

当在电极之间施加电压时，源极和漏极分别将电子和空穴注入到发射有源部件中。选择如下的物质，不使阻片与形成发射有源部件的材料有关，并且因此允许与之欧姆接触。

④绝缘体

形成绝缘体以便在栅极和发射有源部件之间保持绝缘。结构由诸如钽氧化物(Ta₂O₅)、硅氧化物(SiO_x)、锆氧化物(ZrO₂)或者氧化铝(Al₂O₃)的绝缘金属氧化物构成，或者诸如Si3N4之类的绝缘金属氮化物制成，或者可以提供空隙。

⑤栅极

当对其施加电压时，栅极作出调整，以便使注入到发射有源部件中的电子和空穴在沟道部分中复合。更具体地，调节在源极和漏极之间施加的电压和施加到栅极的电压，以便使从源极注入的电子和从漏极注入的空穴在沟道部分的中间附近复合。

对于栅极来说，使用了诸如金属的导电物质。当将Si、金属等用作衬底时，这可以用作栅极，以便形成如图2所示的器件。

(4)定义和说明

示出的物理特性值是使用时温度的值。通常，它是室温。具体地，所述值在300K。考虑到发光器件的热发生，更优选地，是在300到400K的示出的物理特性值的范围内。

(5)示例

在下文，通过示出具体的示例以进一步详细描述实施例。然而，本专利的权利要求范围不局限于那些示例。

(示例1)金刚石单晶体的示例

作为图1中所示的衬底，制品由高压/高温合成的Ib类型金刚石单晶体构成，其具有类似平板的形状，具有2mm的边以及0.2mm厚度的矩形的表面。

通过机械地表面磨光金刚石晶体的{100}小平面而形成金刚石衬底的表面。其中错向角度是0.5°。该晶体金刚石衬底按次序利用异丙醇和丙酮进行超声波清洗，然后沉浸到铬酸溶液中同时施加超声波，然后还进行所谓的RCA洗涤过程以便去除吸附物。

然后，通过利用微波等离子体化学气相淀积(以下称为MW-PCVD)方法，在金刚石衬底上作为发射激活部件形成无掺杂的同质外延金刚石薄膜。使用微波等离子体化学气相淀积(以下称为MW-PCVD)设备中提供加热器，将洗涤过的金刚石衬底附于衬底承载器，并且进行超高的抽真空(背景压力：5×10^-6Pa)。衬底承载器受热以便通过电阻加热类型加热器保持恒温，并且在以下条件下，将以2.5GHz频率的微波引入薄膜形成室中，由此在衬底上形成同质外延无掺杂的金刚石晶体以产生材料气体等离子体。该条件是设置在衬底承载器上的金刚石衬底利用衬底加热器的规定温度被热补偿。

材料气体是通过用高纯度氢(H2)稀释高纯度甲烷(CH4)获得的混合气体，甲烷的浓度是3mol％(采样#1)、1mol％(采样#2)和0.2mol％(采样#3)，材料气体的总流速为100sccm，薄膜形成室中的材料气体压力是30Torr，输入微波功率是1kW，并且衬底的温度是900℃。形成的金刚石晶体薄膜各具有{100}小平面作为生长的表面，并且该厚度是10μm。

在金刚石晶体薄膜的采样#1、采样#2和采样#3中，不同于碳的元素比率分别是120ppm，70ppm和30ppm，并且形成sp3杂化轨道的碳原子在各个采样的碳元素中近似100％。

然后，作为源极和漏极对，其结构由类似平板的钛(Ti)薄膜制成，在各个同质外延金刚石单晶底片上，其均具有0.5mm的边以及100nm厚的正方形正反表面。

这些Ti薄膜电极在一个大气压的纯氩气(Ar)中利用高纯度Ti作为靶，通过高频溅射形成，并且其典型的表面粗糙度是Ra＝10nm。这此使用的溅射设备是高频溅射设备，该设备使用标准的并行平板电极，并且具有以下结构，该结构在接地电极一侧设置有衬底，并且将金属靶设置在通过隔直流电容器以13.56MHz频率的高频功率施加的比较电极的一侧。在金刚石晶体薄膜上形成Ti薄膜之后，通过通用影印处理形成源极和漏极的形状，该通用影印处理包括光阻剂应用、光掩模图案的曝露和显影、Ti薄膜的不必要部分的蚀刻，以及光阻剂的等离子体灰化。源极和漏极之间的间隔，即将沟道长度设置为5μm。

此后，与源极和漏极一起在其上形成的各个金刚石晶体薄膜在400℃的温度并在正常压力下，在氩气大气压中进行15个小时的退火处理，以便在源极、漏极与金刚石晶体薄膜之间形成碳化钛层，由此形成欧姆接触界面。

此后，再次按次序使用异丙醇和丙酮进行超声波清洗。

因此，在金刚石单晶体和源极以及漏极上、通过高频溅射方法形成作为栅极绝缘薄膜化学当量的氧化钽(Ta₂O₅)。在此示例中使用的氧化钽通过在大气压下氩气(Ar)和氧(O₂)的混合气体中高频溅射高纯金属钽靶来淀积。在薄膜形成期间，氩气和氧气的总气体流速和分压分别是100sccm、8mTorr和2mTorr，并且输入高频功率密度和衬底的温度分别是1.2W/cm²和室温。此外，氧化钽的厚度是40nm。

然后，根据标准真空淀积方法，通过淀积金属(Au)薄膜在栅极绝缘薄膜上形成栅极。该薄膜厚度是200nm。将栅极的大小设定为长和宽均为0.5mm，以覆盖全部沟道部分，以便当将所希望的电场施加到各个电极时，能够在源极和漏极之间的中间附近形成电子-空穴复合区域。

以这样的方式，获得了在此例子中的场效应晶体管类型发光器件。

在该例子中，发射有源部件是使用微波通过等离子体化学汽相淀积工艺形成的。然而，其可以使用以下方法来代替，使用电子回旋共振(ECR)类型的、电容耦合类型的或者电感耦合类型的高频等离子体反应器产生等离子体。作为材料气体，当形成发射有源部件时，利用甲烷和氢的混合气体。然而，还能够通过汽化不同于甲烷的通用碳氢化合物或者由氧、碳和氢组成的有机物质来获得材料气体的有机分子。此外，除了电阻加热类型，衬底加热技术还可能是高频感生加热、红外射线照射或者电灯加热类型。

此外，作为栅极绝缘薄膜，除了氧化钽，还能够利用金属氧化物，诸如硅氧化物(SiOx)或者锆氧化物(ZrO2)，或者空隙。

然后，将引线和电源与源极、漏极和栅极分别相连，并且将电压施加到其上。将源极电势设定为参考电势，即0V，并且将漏极电势和栅极电势设定为正值。当栅极电势以+10V或者更高来保持恒定时，在增加漏极电势的同时，流入漏极的电流(即漏极电流值)在高电势区域中饱和以接近恒定值，因此展现出所谓的载流子漂移速度饱和效应。当将栅极电压设定为+10V时，夹断漏极电压是+7V。

如表2所示，在淀积的晶体金刚石中的电子和空穴移动率具有类似的值，即1×10³到2×10³cm²/V·s，因此作为本征半导体的高质量金刚石晶体中的正负载流子密度彼此近似相等。此外，由于费密能级(Fermi level)基本上位于禁带的中间，因此当给漏极施加约为+10V的约两倍于栅极电压的+17到+23范围电压时，将电子和空穴从源极和漏极注入到金刚石薄膜的中间部分的光发射有源区域中。在这种情形下，形成了电子和空穴的各个空间电荷区，以便将沟道分为两部分，并且因此在其中间有效地发生载流子的复合转换。

另一方面，由于金刚石晶体的能带结构属于间接过渡型，因此其能带末端之间的辐射复合概率小。然而，由于能够存在于极好质量的金刚石晶体的自由激子的束缚能具有80meV的大值，因此当在标准温度失稳时，作为自由激子捕获的电子空穴对产生辐射跃迁，并且因此能够根据金刚石的禁带宽度与自由激子的结合能之间的差值用光子向外部发射能量，即5.2eV的能量。

根据上述思想，将作为栅极电压的+10V和作为漏极电压的+20V施加到在该示例中获得的场效应晶体管类型发光器件，然后从采样#1、采样#2和采样#3在5.2eV(波长：约238nm)观察到光发射。

此外，在该示例中所示的场效应晶体管类型结构中，应该理解，可以在+8V到+16V的范围内选择栅极电压，通过施加约两倍于栅极电压的漏极电压，能够将等量的正负载流子注入，并且能够在沟道的中间部分形成光发射复合区域。因此，应该理解，通过提供具有高质量金刚石发射有源区域的场效应晶体管类型结构，能够获得来自于自由激子的紫外线电致发光。

在金刚石薄膜中，分别用作采样#1、采样#2和采样#3的发射有源部件的室温下电子和空穴移动率，并且其比率分别如表1所示。

                     <表1>

采样	电子移动率(cm2/V·s)	空穴移动率(cm2/V·s)	电子移动率/空穴移动率
				#1	1.6×103	1.0×103	1.6
#2	1.8×103	1.5×103	1.2
				#3	2.0×103	2.0×103	1.0

此外，在室温下，在分别用作采样#1、采样#2和采样#3的发射有源部件的金刚石薄膜中，DC电阻率值(ρ(Ω·cm))、光学基本吸收边缘能量值(ε_g(eV))和在室温下通过辐照由5kV静电电压加速的电子束而获得的阴极发光光谱中的(展现在5.0到5.5eV能量范围中的光发射峰值的峰强度)/(展现在2.0到3.5eV能量范围中的光发射峰值的峰强度)的(CL峰强度比率)值，都如表2所示。

此外，作为能够防止电介质击穿并且同时获得足够电场强度的栅极电压，在施加+10V到具有40nm厚的氧化钽溅射薄膜以便获得强烈的饱和漏极电流的状态中，当施加+20V漏电压时，从采样#1、采样#2和采样#3可以观察到5.2eV(波长：约238nm)的光发射，并且同时，在每个采样的电致发光光谱中，展现了位于2.5eV(波长：约496nm；对应于由缺陷等引起的光发射)附近的宽带峰值，即所谓的频带A峰值，同时在5.2eV附近(波长：约238nm；对应于由自由激子引起的光发射)展现窄带峰值。峰值强度比率，即(5.2eV处峰值强度)/(2.5eV处峰值强度)(EL峰值强度比率)如表2所示。

                      <表2>

采样	ρ(Ω·crn)	εg(eV)	CL峰值强度比	EL峰值强度比
					#1	2×108	4.3	4.5×10-2	1.2×10-2
#2	5×1010	4.7	1.3×10-1	3.3×10-2
					#3	1×1012	5.2	8.0×100	5.0×100

从表2，应该理解，当比较采样#3、采样#2和采样#1时，电阻率值和光学基本吸收边缘能量值以命名顺序而增大，并且如在阴极发光光谱中观察到的，虽然在作为淀积的发射有源部件的金刚石晶体中，缺陷或者杂质的密度很低，但是自由激子峰值强度很高。尤其，根据采样#3，应该理解，有效地获得紫外光谱区中具有约238nm波长的光发射是可能的。

(示例2)无定形碳的示例

制品由衬底制成，该衬底由合成石英玻璃制成，并且具有2mm的边和0.2mm厚的矩形形状。对衬底表面进行机械地表面磨光，并且其平均糙度是Ra＝5nm。将类似于示例1中的RCA洗涤过程应用于该衬底，以便由此去除吸附物。

然后，通过等离子体化学气相淀积(以下称为rf-PCVD)方法，在衬底上作为发射有源部件形成的无掺杂的无定形碳氢化物(a-C:H)层。将洗涤过的石英衬底附属于在rf-PCVD设备的薄膜形成室中提供的导电衬底承载器，并且进行超高的抽真空(背景压力：8×10^-6Pa)。该rf-PCVD设备具有如下的结构，在其中将从振荡器产生的13.56MHz的高频通过阻抗匹配器件输入到螺旋型天线的一端，由此形成等离子体的材料气体，其中该螺旋型天线具有1.5cm的螺距并且在夸脱管(quart-tube)等离子反应器的外围上卷上5转。此外，将衬底承载器通过隔直流电容器和阻抗匹配器件与高频电源相连，以便衬底承载器和衬底表面能够依靠输入高频功率和等离子体密度，相对于等离子反应器的操作产生的等离子体来产生阴极DC自给偏压(V_dc)。

将合成石英衬底保持在标准温度，将高频功率输入到螺旋型天线和衬底承载器，并且将甲烷气引入薄膜形成室，以便由此形成无掺杂的a-C:H薄膜。将高纯度(99.9999％)甲烷(CH4)气体用作材料气体，将材料气体的总流速设定为100sccm，并且将在薄膜形成室中材料气体的压力设定为0.1Torr。将馈送到螺旋型天线的高频功率设定为100W，并且将馈送到衬底承载器的高频功率设定为150W。在该情形下，在衬底表面上产生的DC自给偏压是-120V。

以这种方式，在衬底上形成1μm厚度的a-C:H薄膜。

作为等离子体产生机制，使用了电容耦合类型高频等离子体反应器。然而，可以用微波等离子体反应器或者电子回旋共振(ECR)型反应器代替。此外，除了高纯度甲烷(CH₄)，材料气体还能够通过汽化高纯度乙烯(C₂H₅)、通用碳氢化合物或者包括氧、碳和氢的有机物质来获得。

在形成的a-C:H层中，碳原子的成分比率是97％，并且其83％形成sp3杂化轨道。

此外，在室温下，空穴移动率是2×10^-1cm²/V·s，电子移动率是1×10⁰cm²/V·s，并且空穴和电子之间的移动率比率是0.2。此外，在室温下，DC电阻率值和光学基本吸收边缘能量值是1×10¹⁰Ωcm和2.5eV。

然后，类似于示例1，在无定形碳层上形成一对源极和漏极。为了获得电极和无定形碳层之间的欧姆接触，在a-C:H和Ti电极之间形成了石墨的a-C:H层。

然后，类似于示例1，形成了作为绝缘体的Ta₂O₅薄膜，以便覆盖充当沟道部分的无定形碳层的中间和各个电极的上部。

此外，类似于示例1，在对应于上述沟道部分位置区域的绝缘体上，作为栅极对Au薄膜进行淀积。

以这种方式，获得在该例子中的场效应晶体管类型发光器件。

分别将引线和电源与源极、漏极和栅极相连，并且对其施加电压。将源极电势设定为参考电势，即0V，并且将漏极电势和栅极电势设定为正值。当将8V的电压施加到栅极并且将16V电压施加到漏极时，在无定形碳层的大致中间位置在沟道部分处获得具有2.0eV处峰值(对应于约620nm的波长)的漫射光发射。

(示例3)ZnS:Cu，Al的示例

在具有15×15mm大小和650μm厚的Si(p型；电阻率：8Ωcm)衬底上，并且该其表面上具有作为绝缘体的200nm的热氧化薄膜，其间(具有以2mm距离相对的面)用Au作为电极材料，通过高频溅射方法以20μm的间隔设置各具有1mm×2mm大小和80nm厚的源极和漏极。

此外，通过电子束淀积在其上堆叠作为发射有源部件的ZnS:Cu，Al。通过利用具有约0.1mol％的Cu浓度和约0.3mol％的Al浓度的ZnS颗粒作为淀积源，以250℃的衬底加热温度进行薄膜形成。将薄膜厚度设定为500nm。形成的薄膜包含0.08mol％的Cu和0.26mol％的Al。

在形成的ZnS:Cu，Al层中，电子移动率是12cm²/V·s，空穴移动率是0.4cm²/V·s，并且电子移动率和空穴移动率之间的比率是30。此外，电阻率是5×10⁸Ωcm。然后，使用Si的衬底作为栅极，将引线和电源与各个电极相连，以便由此在图2中所示的该例子中获得场效应晶体管类型发光器件。

用源极电势作为参考，施加10V的栅极电势和+30V的漏极电压，以便观察到具有535nm处峰值的绿光发射。

(示例4)ZnS:Mn²⁺的示例

在与示例3相同的衬底、源极和漏极上，像在示例3通过电子束淀积堆叠ZnS:Mn²⁺。将0.2mol％的Mn²⁺浓度ZnS颗粒用作淀积源。将薄膜厚度设定为300nm。形成的薄膜包含0.21mol％的Mn。

在形成的ZnS:Mn²⁺层中，电子移动率是10cm²/V·s，空穴移动率是0.15cm²/V·s，并且电子和空穴移动率之间的比率是67。此外，电阻率是1×10⁹Ωcm。

然后，利用衬底Si作为栅极，将引线和电源与各个电极相连，以便由此在图2中所示的该示例中获得场效应晶体管类型发光器件。

用源极电势作为参考，施加20V的栅极电势和+50V的漏极电压，以便观察到具有590nm处峰值的黄色光发射。

(示例5)ZnS:Cu，Al的示例

在与示例3相同的衬底、源极和漏极上，像在示例3通过电子束淀积来堆叠ZnS_0.8Se_0.2:Cu，Al。将具有Cu和Al浓度分别为0.2mol％和0.5mol％的颗粒用作淀积源。将该薄膜厚度设定为400nm。形成的薄膜是ZnS_0.8Se_0.2:Cu，Al，并且包含0.12mol％的Cu和0.40mol％的Al。在形成的ZnS_0.8Se_0.2:Cu，Al层中，电子移动率是25cm²/V·s，空穴移动率是1.1cm²/V·s，并且电子和空穴之间的灵活性比率是23。此外，电阻率是2×10⁸Ωcm。

然后，用衬底Si作为栅极，将引线和电源与各个电极相连，以便由此在图2中所示的该示例中获得场效应晶体管类型发光器件。

用源极电势作为参考，施加15V的栅极电势和+20V的漏极电压，以便观察到具有560nm处峰值的黄色光发射。

(示例6)ZnS:Ag的示例

在具有10mm×10mm和625μm厚的半绝缘砷化镓衬底(电阻率：3×10⁷Ωcm)的{100}小平面上，以下面的方式淀积作为发射有源部件的ZnS:Ag。该衬底经受有机冲洗，并且然后置于(位置A)管式炉(管直径：35mm)中。将1g的混合有0.2mol％Ag的ZnS粉末用作馈送材料，并且将该馈送材料投入由石英玻璃制成的开放容器中，将该容器置于管式炉中(位置B)。然后，通过法兰盘对管式炉的两端气密。将位置A和B处的温度分别保持在950℃和600℃。在加热期间，利用预先在法兰盘中提供的气体引入阀口，使氮稀释的3.5％的H₂气体沿着从位置B向位置A的方向以200cc/min的流速流动。进行长达1小时的加热，然后将炉子的温度降为室温。在衬底上将ZnS:Ag薄膜淀积600nm厚。Ag的含量约为0.02mol％。在形成的ZnS:Ag层中，电子移动率是40cm²/V·s，空穴移动率是3cm²/V·s，并且电子和空穴之间的移动率比率是13。此外，电阻率是1×10⁹Ωcm。

在该ZnS:Ag上，用In作为电极材料，通过真空蒸发方法，在其间(具有以5mm间隔相对的面)以50μm的间隔设置各具有5mm×2mm和100nm厚的源极和漏极。此外，形成作为绝缘体的Al₂O₃栅极薄膜，以便用Al₂O₃作为淀积源，通过电子束淀积方法，将沟道部分覆盖。此外，在形成以覆盖沟道部分的栅极薄膜上，用Pt作为电极材料，通过高频溅射方法形成具有5×2mm大小和100nm厚的栅极。将引线和电源与各个电极相连，以便由此在图1中所示的该示例中获得场效应晶体管类型发光器件。

用源极电势作为参考，施加5V的栅极电势和+8V的漏极电压，以便观察到具有460nm处峰值的蓝光发射。

(本发明的效果)

如上所述，根据本发明，提供一种场效应晶体管类型发光器件，该器件包括电子注入电极(即源极)，空穴注入电极(即漏极)，在所述源极和所述漏极之间设置以便与所述两个电极接触的发射有源部件和场应用电极(即栅极)，其经由绝缘部件或者绝缘间隙设置在所述发射有源部件附近用于在所述发射有源部件中感生电子和空穴，所述场效应晶体管类型发光器件的特征在于：所述发射有源部件由具有电子转移特性和空穴转移特性的无机半导体材料制成。因此，不需要为了pn控制而添加掺杂剂，以便提供不会因掺杂剂而引起光发射效率降低的场效应发光器件是可能的，由此可以获得长期使用的可靠性，并且可以使光发射波长的选择性变宽。也就是说，依照本发明，由于使用了无机半导体材料，因此允许进行以低缺陷密度进行的晶体成长，以便不仅能够进行高效的光发射，而且能够获得长期使用的可靠性。此外，由于能够将金刚石、II-VI族化合物半导体、III-V族化合物半导体等用作无机半导体，因此移动率很大，以便不仅能够获得足够的光发射强度，而且能够在从紫外光到红外光的宽范围内选择光发射波长。此外，通过添加形成发光中心的掺杂剂，还可以将光发射波长的选择性放宽。

工业实用性

提供了一种场效应晶体管类型发光器件，该器件能够获得长期使用的可靠性，并且使光发射波长的选择性变宽。

Claims (14)

1.一种场效应晶体管类型发光器件，包括：

电子注入电极，即源极；

空穴注入电极，即漏极；

设置在所述源极和所述漏极之间以便与所述两个电极接触的发射有源部件；以及

场应用电极，即栅极，通过绝缘部件或者绝缘间隙设置在所述发射有源部件附近，用于在所述发射有源部件中感生电子和空穴，

所述场效应晶体管类型发光器件的特征在于：

所述发射有源部件由既具有电子转移特性又具有空穴转移特性的无机半导体材料制成。

2.根据权利要求1的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：在所述无机半导体材料中，电子移动率和空穴移动率之间的比率在1/100到100的范围。

3.根据权利要求1的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：在所述无机半导体材料中，处于室温的空穴移动率和电子移动率各为10^-1cm²/Vs或更大。

4.根据权利要求1的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：在所述无机半导体材料中，载流子浓度是10¹⁴/cm³或者更小，或者产生载流子的掺杂剂浓度是0.1％或者更小。

5.根据权利要求1的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料具有10⁸Ωcm或更大的电阻率值。

6.根据权利要求1的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料是无掺杂的本征半导体。

7.根据权利要求1到6任一项的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料作为主要成分包含形成sp3杂化轨道的碳。

8.根据权利要求1到7任一项的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料是金刚石。

9.根据权利要求1到6任一项的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料包含II-VI族化合物，或者Zn和从S、Se和Te中挑选出来的至少一个元素。

10.根据权利要求1到6任一项的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料包含III-V族化合物，或者N和从Al、Ga和In中挑选出来的至少一个元素。

11.根据权利要求9的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料还包含Mn，作为形成发光中心的掺杂剂。

12.根据权利要求9的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料还包含稀土元素中的至少一个元素，或者Tm、Tb、Pr和Sm中的至少一个元素，以作为形成发光中心的掺杂剂。

13.根据权利要求9的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料还包含至少一个金属元素，或者Cu、Ag、Au、Al、Ga、In、Cl、F、Br和I中的至少一个元素，作为形成发光中心的掺杂剂。

14.根据权利要求9的场效应晶体管类型发光器件，其特征在于：所述无机半导体材料还包含Cu、Ag和Au当中的至少一个元素，以及Al、Ga、In、Cl、F、Br和I中的至少一个元素，作为形成发光中心的掺杂剂。

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