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JP2007063378A - Nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film and manufacturing method thereof - Google Patents

Nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2007063378A
JP2007063378A JP2005250157A JP2005250157A JP2007063378A JP 2007063378 A JP2007063378 A JP 2007063378A JP 2005250157 A JP2005250157 A JP 2005250157A JP 2005250157 A JP2005250157 A JP 2005250157A JP 2007063378 A JP2007063378 A JP 2007063378A
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JP
Japan
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nanosilicon
emitting
silicon oxide
oxide film
silicon
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Application number
JP2005250157A
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Japanese (ja)
Inventor
Keisuke Sato
慶介 佐藤
Kenji Hirakuri
健二 平栗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Denki University
Original Assignee
Tokyo Denki University
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Abstract

【課題】 赤色、緑色、青色に発光するナノシリコンを、ケイ素膜内に含有した状態で白色発光させ、かつ、白色発光を鮮明かつ安定に得、さらに、白色発光するナノシリコン含有酸化ケイ素膜を製造する方法を確立する。
【解決手段】 酸化ケイ素膜内に、高周波スパッタリング法と熱処理で形成された粒子サイズ1.5〜3.5nmの発光ナノシリコンを含有し、紫外光線照射により、青色、緑色、及び、赤色(光の三原色)を合わせた白色を、鮮明かつ安定して発光することを特徴とするナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜であって、高周波スパッタリング法と熱処理法により製造する。
【選択図】 図4
PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a nanosilicon-containing silicon oxide film that emits white in a state in which nanosilicon emitting red, green, and blue is contained in a silicon film, obtains white light emission clearly and stably, and emits white light. Establish a manufacturing method.
SOLUTION: A silicon oxide film contains light-emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 3.5 nm formed by a high-frequency sputtering method and a heat treatment, and is irradiated with ultraviolet light to emit blue, green, and red (light A white light-emitting silicon oxide film containing nanosilicon, which emits white light that is a combination of these three primary colors) clearly and stably, and is manufactured by a high-frequency sputtering method and a heat treatment method.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、紫外光線照射により、光の三原色(赤色、緑色、青色)を合わせてなる白色を発光するナノシリコン含有酸化ケイ素膜とその製造方法に関する。   The present invention relates to a nanosilicon-containing silicon oxide film that emits white light formed by combining three primary colors (red, green, and blue) of light by irradiation with ultraviolet light, and a method for producing the same.

現代の情報化社会において、パーソナルコンピュータ、テレビ、カーナビゲーション、携帯電話などに使われている薄くて軽い液晶ディスプレイや、懐中電灯、室内照明、イルミネーションなどに使われている発光ダイオードの需要は日々増している。そして、今後、さらに、液晶ディスプレイや発光ダイオードの付加価値を高めるためには、いくつかの問題点を解決しなければならない。   In the modern information society, demand for light-emitting diodes used for thin and light LCDs used in personal computers, TVs, car navigation systems, mobile phones, etc., as well as flashlights, interior lighting, and illumination is increasing day by day. ing. In the future, in order to further increase the added value of liquid crystal displays and light emitting diodes, several problems must be solved.

液晶ディスプレイにおいては、バックライト光源の改良が急務とされている。バックライト光源は、ガラス基板に挟まれた液晶層に光を照射させ、その液晶層で、光をオン・オフすることにより画像を表示させているため、液晶ディスプレイには、バックライト光源が必要不可欠なものである。   In the liquid crystal display, improvement of the backlight light source is urgently required. The backlight light source emits light to the liquid crystal layer sandwiched between the glass substrates, and the liquid crystal layer displays the image by turning on and off the light. Therefore, the liquid crystal display requires a backlight light source. It is indispensable.

しかし、そのバックライト光源は、省エネルギー製品の需要が高まっている昨今の中でも、高い消費電力を必要としており、液晶ディスプレイの消費電力の半分以上をバックライト光源が占めていることが問題視されている。また、他の問題は、バックライト光源の材料として、環境汚染物質である水銀を封入した蛍光管が用いられていることである。   However, the backlight light source requires high power consumption even in recent years when the demand for energy-saving products is increasing, and it is regarded as a problem that the backlight light source accounts for more than half of the power consumption of the liquid crystal display. Yes. Another problem is that a fluorescent tube enclosing mercury, which is an environmental pollutant, is used as a material for a backlight light source.

一方、発光ダイオードにおいては、バックライト光源の場合と同様に、原材料に、地球環境負荷の大きい材料が使用されていることが問題とされている。この他、白色発光ダイオードから得られる白色の鮮明さが問題になっている。特に、懐中電灯などに使用されている白色発光ダイオードは、青色発光ダイオードに黄色のフィルターを被せて白色を得ているため、色の鮮明さに欠けている。   On the other hand, in the light emitting diode, as in the case of the backlight light source, it is a problem that a material having a large global environmental load is used as a raw material. In addition, the sharpness of white color obtained from the white light emitting diode is a problem. In particular, white light-emitting diodes used in flashlights and the like are lacking in color clarity because a blue light-emitting diode is covered with a yellow filter to obtain white.

このように、これまでの液晶ディスプレイや発光ダイオードの開発は、大画面化、高輝度化などに重点において進められてきたが、今後は、これらの点以外に、地球環境面、省エネルギー化、色の鮮明さなどの点を一層重視し開発を進めていく必要がある。   In this way, the development of liquid crystal displays and light emitting diodes has so far been focused on increasing the screen size and brightness, but in the future, in addition to these points, the global environment, energy conservation, color It is necessary to promote development with more emphasis on the clarity of the image.

これらの要求に対し最も適した材料として、ナノシリコンを挙げることができる。ナノシリコンは、今日の半導体産業を支えてきたシリコンで構成されていて、資源が豊富で、安価で、特に地球環境に対して優しい物質である。また、ナノシリコンを発光層に使用した発光素子の性能面では、低駆動電圧で高輝度かつ長寿命の赤色、緑色、青色の発光を得ることができる(非特許文献1〜4、参照)。   The most suitable material for these requirements is nanosilicon. Nanosilicon is composed of silicon that has supported today's semiconductor industry, is a resource-rich, inexpensive, and particularly environmentally friendly material. Further, in terms of performance of a light-emitting element using nanosilicon as a light-emitting layer, it is possible to obtain red, green, and blue light emission with high luminance and long lifetime at a low driving voltage (see Non-Patent Documents 1 to 4).

また、赤色、緑色、青色の発光色を混合することで、白色発光を実現することも可能であり(非特許文献5、参照)、ナノシリコンは、地球環境面、省エネルギー面を配慮した液晶ディスプレイ用バックライト光源材料や、白色発光ダイオードに変わる新規の光源材料として十文に活用し得る有用な素材として有望なものである。   It is also possible to achieve white light emission by mixing red, green, and blue light emission colors (see Non-Patent Document 5). Nanosilicon is a liquid crystal display that takes into consideration the global environment and energy savings. It is promising as a useful material that can be used extensively as a backlight light source material and a new light source material that replaces white light emitting diodes.

また、ナノシリコンを液晶ディスプレイ用バックライト光源に利用する場合、ナノシリコンを数十nmの酸化ケイ素膜内に含有せしめた構造を形成し得るので、より薄くて軽い液晶ディスプレイが誕生する可能性も大きい。   In addition, when nanosilicon is used as a backlight light source for liquid crystal displays, a structure in which nanosilicon is contained in a silicon oxide film of several tens of nanometers can be formed, so that a thinner and lighter liquid crystal display may be born. large.

ナノシリコンから発せられる色は、その粒子サイズによって決定される。つまり、粒子サイズの大きいナノシリコンからは赤色発光が得られ、粒子サイズが小さくなるにつれて発光色は青色に変化する。   The color emanating from nanosilicon is determined by its particle size. That is, red emission is obtained from nanosilicon having a large particle size, and the emission color changes to blue as the particle size decreases.

よって、白色発光をより鮮明に得るには、混合させる赤色、緑色、及び、青色(光の三原色)に発光するナノシリコンの粒子サイズを均一にしなければならい。また、赤色、緑色、及び、青色の発光を混合させ、安定した白色発光を得るには、各色で発光するナノシリコンを、酸化ケイ素膜内に均一に分散させる必要がある。   Therefore, in order to obtain white light emission more clearly, it is necessary to make the particle size of the nanosilicon light emitting mixed red, green, and blue (the three primary colors of light) uniform. In addition, in order to obtain a stable white light emission by mixing red, green, and blue light emission, it is necessary to uniformly disperse nanosilicon that emits light of each color in the silicon oxide film.

従来の技術では、ナノシリコンを酸化ケイ素膜内に形成するために、ドライプロセス法が用いられてきた(特許文献1、参照)。しかし、この方法では、粒子サイズを変化させる製造パラメータが複雑であり、酸化ケイ素膜内において、より均一な粒子サイズをもつナノシリコンを製造することが困難である。   In the prior art, a dry process method has been used to form nanosilicon in a silicon oxide film (see Patent Document 1). However, in this method, the manufacturing parameters for changing the particle size are complicated, and it is difficult to manufacture nanosilicon having a more uniform particle size in the silicon oxide film.

特開平7−237995号公報JP-A-7-237995 21世紀連合シンポジウム論文集(2002年、東京)、p.477〜478Proceedings of 21st Century Union Symposium (2002, Tokyo), p. 477-478 平成16年度照明学会第37回全国大会講演論文集(2004年8月4日)、p.233、p.234Proceedings of the 37th Annual Meeting of the Illuminating Society of Japan (August 4, 2004), p. 233, p. 234 第51回応用物理学関係連合講演会講演予稿集No.3(2004)、28p−P6−4Proceedings of the 51st Joint Conference on Applied Physics 3 (2004), 28p-P6-4 東海大学総合科学技術研究所研究会資料集24(2005年3月31日)、p.40〜46Tokai University Research Institute for Science and Technology Research Material Collection 24 (March 31, 2005), p. 40-46 第52回応用物理学関係連合講演会講演予稿集No.3(2005年3月29日)、p.1641(31p−YH−7)Proceedings of the 52nd Joint Conference on Applied Physics No. 3 (March 29, 2005), p. 1641 (31p-YH-7)

赤色、緑色、青色の発光を混合することで白色を発光するナノシリコン含有の酸化ケイ素膜を製造することは、地球環境面、省エネルギー面、高鮮明度を配慮した液晶ディスプレイ用バックライト光源の開発や、白色発光ダイオードに替わる新規な白色光源の開発を促進する。   The production of nano-silicon-containing silicon oxide films that emit white light by mixing red, green, and blue light emissions is the development of a backlight light source for liquid crystal displays in consideration of the global environment, energy saving, and high definition. And promote the development of new white light sources to replace white light-emitting diodes.

そこで、本発明は、(i)赤色、緑色、青色に発光するナノシリコンを、ケイ素膜内に含有した状態で白色発光させること、及び、(ii)白色発光を鮮明かつ安定に得ること、を課題(又は目的)とする。また、本発明は、(iii)白色発光するナノシリコン含有酸化ケイ素膜を製造する方法を確立することを課題(又は目的)とする。   Therefore, the present invention provides: (i) white light emission in a state where nanosilicon that emits red, green, and blue light is contained in a silicon film; and (ii) white light emission is clearly and stably obtained. Let it be an issue (or purpose). Moreover, this invention makes it a subject (or objective) to establish the method of manufacturing (iii) the nano silicon containing silicon oxide film which light-emits white.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、
(x)高周波スパッタリング法のターゲット材料を構成するシリコンチップと石英ガラスの面積比、堆積条件と熱処理条件を調整することにより、形成するナノシリコンの粒子サイズを1.5〜3.5nmの間で制御できること、及び、
(y)粒子サイズ1.5〜3.5nmのナノシリコンを含有する酸化ケイ素膜から、鮮明かつ安定な白色発光を得ることができること、
を見いだした。
The inventor has conducted extensive research to solve the above problems,
(X) By adjusting the area ratio of the silicon chip and the quartz glass constituting the target material of the high-frequency sputtering method, the deposition conditions, and the heat treatment conditions, the particle size of the nanosilicon to be formed is between 1.5 and 3.5 nm. Controllable and
(Y) A clear and stable white light emission can be obtained from a silicon oxide film containing nanosilicon having a particle size of 1.5 to 3.5 nm.
I found.

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。   This invention was made | formed based on the said knowledge, and the summary is as follows.

(1) 酸化ケイ素膜内に、高周波スパッタリングと熱処理で形成された粒子サイズ1.5〜3.5nmの発光ナノシリコンを含有し、紫外光線照射により、青色、緑色、及び、赤色(光の三原色)を合わせた白色を、鮮明かつ安定して発光することを特徴とするナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   (1) The silicon oxide film contains light emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 3.5 nm formed by high-frequency sputtering and heat treatment, and is irradiated with ultraviolet light to emit blue, green, and red (three primary colors of light). A white light-emitting silicon oxide film containing nanosilicon, which emits light in a clear and stable manner.

(2) 前記発光ナノシリコンが、粒子サイズ1.5〜2.0nmの青色発光ナノシリコン、粒子サイズ2.0〜2.5nmの緑色発光ナノシリコン、及び、2.5〜3.5nmの赤色発光ナノシリコンからなることを特徴とする前記(1)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   (2) The light emitting nanosilicon is a blue light emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 2.0 nm, a green light emitting nanosilicon having a particle size of 2.0 to 2.5 nm, and a red color having a particle size of 2.5 to 3.5 nm. The nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to (1), which is made of light-emitting nano silicon.

(3) 前記酸化ケイ素膜内に、前記青色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、赤色発光ナノシリコンが層状に形成されていることを特徴とする前記(2)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   (3) The nanosilicon-containing white as described in (2) above, wherein the blue light-emitting nanosilicon, the green light-emitting nanosilicon, and the red light-emitting nanosilicon are formed in layers in the silicon oxide film. Luminescent silicon oxide film.

(4) 前記酸化ケイ素膜内に、前記青色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、赤色発光ナノシリコンが混在状態で形成されていることを特徴とする前記(2)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   (4) The nanosilicon-containing material according to (2), wherein the blue-emitting nanosilicon, the green-emitting nanosilicon, and the red-emitting nanosilicon are formed in the silicon oxide film in a mixed state. White light emitting silicon oxide film.

(5) 高周波スパッタリングと熱処理を用いてナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜を製造する方法において、
(i)石英ガラス上にシリコンチップを配列したターゲット材を所要のスパッタリング条件でスパッタし、基板上に、所定量のシリコン原子を含有するアモルファス酸化ケイ素膜を形成し、次いで、
(ii)上記アモルファス酸化ケイ素膜を不活性ガス雰囲気中で熱処理し、該膜を酸化ケイ素膜に変質せしめるとともに、シリコン原子を凝集して粒子サイズ1.5〜3.5nmの発光ナノシリコンを形成する、
ことを特徴とするナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。
(5) In a method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film using high-frequency sputtering and heat treatment,
(I) Sputtering a target material in which silicon chips are arranged on quartz glass under the required sputtering conditions to form an amorphous silicon oxide film containing a predetermined amount of silicon atoms on the substrate;
(Ii) Heat-treating the amorphous silicon oxide film in an inert gas atmosphere to transform the film into a silicon oxide film and agglomerate silicon atoms to form light-emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 3.5 nm. To
A method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film characterized in that

(6) 前記ターゲット材料上におけるシリコンチップと石英ガラスの面積比を調整し、発光ナノシリコンの粒子サイズを制御することを特徴とする前記(5)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (6) The nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to (5), wherein an area ratio between a silicon chip and quartz glass on the target material is adjusted to control a particle size of the light-emitting nanosilicon. Production method.

(7) 前記シリコンチップと石英ガラスの面積比を1〜50%とすることを特徴とする前記(6)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (7) The method for producing a nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to (6), wherein an area ratio of the silicon chip to quartz glass is 1 to 50%.

(8) 前記スパッタリングの条件であるガス圧及び/又は高周波電力を調整し、赤色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、青色発光ナノシリコンを層状に形成することを特徴とする前記(5)〜(7)のいずれかに記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (8) The gas pressure and / or high-frequency power, which are the sputtering conditions, are adjusted to form red light emitting nanosilicon, green light emitting nanosilicon, and blue light emitting nanosilicon in layers. The manufacturing method of the nano silicon | silicone containing white light emission silicon oxide film in any one of-(7).

(9) 前記ガス圧が1×10-4〜1×10-1torrであり、かつ、高周波電力が10〜500Wであることを特徴とする前記(8)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。 (9) The nanosilicon-containing white light-emitting oxidation according to (8), wherein the gas pressure is 1 × 10 −4 to 1 × 10 −1 torr and the high-frequency power is 10 to 500 W. A method for producing a silicon film.

(10) 前記熱処理に係る温度及び/又は時間を調整し、発光ナノシリコンの粒子サイズを制御することを特徴とする前記(5)〜(9)のいずれかに記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (10) The nanosilicon-containing white light-emitting oxidation according to any one of (5) to (9), wherein the temperature and / or time for the heat treatment is adjusted to control the particle size of the light-emitting nanosilicon. A method for producing a silicon film.

(11) 前記熱処理に係る温度が1000〜1200℃であり、かつ、同時間が15〜100分であることを特徴とする前記(10)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (11) The method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to (10), wherein the temperature related to the heat treatment is 1000 to 1200 ° C. and the time is 15 to 100 minutes. .

(12) 前記熱処理に係る温度が900〜1000℃であり、かつ、同時間が10〜60分であることを特徴とする前記(10)に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (12) The method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to (10), wherein the temperature related to the heat treatment is 900 to 1000 ° C. and the time is 10 to 60 minutes. .

(13) 前記発光ナノシリコンが、粒子サイズ1.5〜2.0nmの青色発光ナノシリコン、粒子サイズ2.0〜2.5nmの緑色発光ナノシリコン、及び、2.5〜3.5nmの赤色発光ナノシリコンからなることを特徴とする前記(5)〜(12)のいずれかに記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   (13) The light emitting nanosilicon is a blue light emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 2.0 nm, a green light emitting nanosilicon having a particle size of 2.0 to 2.5 nm, and a red having a particle size of 2.5 to 3.5 nm. The method for producing a nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to any one of the above (5) to (12), which comprises light-emitting nanosilicon.

本発明によれば、ナノシリコンの粒子サイズを制御しながら、従来の手法では得ることが困難な粒子サイズのナノシリコンを含有する白色発光酸化ケイ素膜を製造することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the white light emission silicon oxide film containing nano silicon of the particle size difficult to obtain by the conventional method can be manufactured, controlling the particle size of nano silicon.

そして、ナノシリコンは、地球環境に対し優しい物質であり、本発明の白色発光酸化ケイ素膜からは、鮮明かつ安定した白色発光が得られるので、本発明は、ナノシリコンを含有する酸化ケイ素膜の利用を、ディスプレイ分野、照明分野、その他の分野にまで広げるものである。   Nanosilicon is a material that is friendly to the global environment, and since the white light emitting silicon oxide film of the present invention provides clear and stable white light emission, the present invention provides a silicon oxide film containing nanosilicon. The use is expanded to the display field, lighting field, and other fields.

まず、本発明における重要な点を簡単に説明する。それは、赤色、緑色、青色に発光するナノシリコンを含有する酸化ケイ素膜を作製し、該酸化ケイ素膜から、光の三原色が混合されてなる鮮明かつ安定な白色発光を得ることである。   First, an important point in the present invention will be briefly described. That is, a silicon oxide film containing nanosilicon that emits red, green, and blue light is produced, and a clear and stable white light emission obtained by mixing the three primary colors of light is obtained from the silicon oxide film.

このことを達成するために、本発明のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜(本発明酸化ケイ素膜)の製造方法(本発明製造方法)においては、形成するナノシリコンの粒子サイズ(粒子サイズで発光色が異なる)を制御することができる高周波スパッタリング法と熱処理プロセスを採用する。   In order to achieve this, the nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film of the present invention (the present silicon oxide film) is produced by the present invention production method (the present invention production method). Adopt high-frequency sputtering method and heat treatment process that can control the color).

高周波スパッタリング法により、まず、半導体基板上にアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜を作製し、該アモルファス酸化ケイ素膜に熱処理を施し、酸化ケイ素膜内にナノシリコンを形成する。 First, an amorphous silicon oxide (SiO x ) film is formed on a semiconductor substrate by high-frequency sputtering, and the amorphous silicon oxide film is subjected to heat treatment to form nanosilicon in the silicon oxide film.

このとき、ナノシリコンの粒子サイズは、高周波スパッタリング法でのターゲット材料を構成するシリコンチップと石英ガラスの面積比、堆積条件であるガス圧(作製中のガス圧であり、本製造プロセスではアルゴンガスの圧力)、高周波電力、又は、熱処理プロセスでの熱処理温度、処理時間を変化させることで制御することができる。   At this time, the particle size of the nanosilicon is the area ratio between the silicon chip and quartz glass constituting the target material in the high-frequency sputtering method, and the gas pressure that is the deposition condition (the gas pressure during production. In this manufacturing process, the argon gas ), High-frequency power, or heat treatment temperature and treatment time in the heat treatment process can be changed.

この方法により製造した本発明酸化ケイ素膜は、赤色、緑色、青色の発光が混合することで白色発光するので、液晶ディスプレイ用バックライト光源や、新規の白色光源材料の開発基盤を築くものである。   The silicon oxide film of the present invention produced by this method emits white light by mixing red, green, and blue light emission, and thus lays the foundation for developing backlight light sources for liquid crystal displays and new white light source materials. .

以下に、本発明酸化ケイ素膜の製造過程について詳述する。   Below, the manufacturing process of this invention silicon oxide film is explained in full detail.

本発明製造方法には、高周波スパッタリング法のターゲット材料を構成するシリコンチップと石英ガラスの面積比又は堆積条件を変えて、赤色、緑色、青色に発光する各ナノシリコンを層状に形成する製造方法と、熱処理プロセスの条件を変えて、赤色、緑色、青色に発光する各ナノシリコンを混在状態で形成する製造方法の2種類がある。   The manufacturing method of the present invention includes a manufacturing method of forming each nanosilicon that emits red, green, and blue light in a layered manner by changing the area ratio or deposition condition of a silicon chip and quartz glass constituting a target material of a high-frequency sputtering method. There are two types of manufacturing methods that change the conditions of the heat treatment process and form each nanosilicon emitting red, green, and blue in a mixed state.

まず、図1に、赤色、緑色、青色に発光する各ナノシリコンを層状に形成した本発明酸化ケイ素膜の製造過程の概要を示す。まず、高周波スパッタリング法(図5、参照)を用いて、半導体基板1(シリコン基板等)上にシリコン原子2を混入したアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を形成する(図1(A)、参照)。 First, FIG. 1 shows an outline of the manufacturing process of the silicon oxide film of the present invention in which each nanosilicon emitting red, green and blue light is formed in layers. First, an amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 in which silicon atoms 2 are mixed is formed on a semiconductor substrate 1 (silicon substrate or the like) by using a high-frequency sputtering method (see FIG. 5) (FIG. 1A, reference).

ここで、高周波スパッタリング装置の一態様を図5に示す。この装置は、概略、側面下部にアルゴンガス導入口14と排気口15を備える真空チャンバー16、真空チャンバー16の上面に絶縁材料17を介して取り付けられ、冷却管18から導入、排出される冷却水19で冷却される基板ホルダー20、及び、真空チャンバー16の下面に絶縁材料17を介して取り付けられ、冷却管18から導入、排出される冷却水19で冷却される陰極シールド21を備える高周波電極22から構成されている。   Here, one mode of the high-frequency sputtering apparatus is shown in FIG. This apparatus is generally a vacuum chamber 16 having an argon gas introduction port 14 and an exhaust port 15 at the lower side of the side surface, and is attached to the upper surface of the vacuum chamber 16 via an insulating material 17 and introduced and discharged from a cooling pipe 18. A high-frequency electrode 22 having a substrate holder 20 cooled by 19 and a cathode shield 21 attached to the lower surface of the vacuum chamber 16 via an insulating material 17 and cooled by cooling water 19 introduced and discharged from the cooling pipe 18. It is composed of

そして、上記装置において、アルゴンガスを真空チャンバー16内にアルゴンガス導入口14から導入し、高周波コントローラ23によりアルゴンガスをイオン化し、イオン化されたアルゴンイオンを、高周波電極22上のターゲット材料24であるシリコンチップ24aと石英ガラス24b(図6、参照。石英ガラス24b上にシリコンチップ24aが所定の間隔で、縦横に配列されている。)へ衝突させる。   In the above apparatus, argon gas is introduced into the vacuum chamber 16 from the argon gas inlet 14, the argon gas is ionized by the high frequency controller 23, and the ionized argon ions are the target material 24 on the high frequency electrode 22. The silicon chip 24a and the quartz glass 24b (see FIG. 6, the silicon chips 24a are arranged on the quartz glass 24b vertically and horizontally at a predetermined interval) are caused to collide with each other.

この衝突によりターゲット材料24から放出されたシリコン原子や酸化ケイ素分子を、基板ホルダー20に保持した半導体基板1上に堆積させ、シリコン原子2が混入したアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を形成する(図1(A)、参照)。 Silicon atoms and silicon oxide molecules released from the target material 24 by this collision are deposited on the semiconductor substrate 1 held by the substrate holder 20 to form an amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 mixed with silicon atoms 2. (See FIG. 1 (A)).

この高周波スパッタリング法によれは、発光色に直接寄与するナノシリコンの粒子サイズを、アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3内に混入させるシリコン原子2の量を調整することにより制御することができる。 According to this high-frequency sputtering method, the nanosilicon particle size that directly contributes to the emission color can be controlled by adjusting the amount of silicon atoms 2 mixed into the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3.

図1(A)に示すアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3内に混入せしめるシリコン原子2の量は5〜10%とするが、好ましくは6〜8%である。この程度の量のシリコン原子2を含有するアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3からは赤色発光が得られるので、この膜層を赤色発光層4と表記する。 The amount of silicon atoms 2 mixed in the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 shown in FIG. 1 (A) is 5 to 10%, preferably 6 to 8%. Since red light emission is obtained from the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 containing this amount of silicon atoms 2, this film layer is referred to as a red light emitting layer 4.

このシリコン原子2の量は、ターゲット材料24を構成するシリコンチップ24aと石英ガラス24b(図6、参照)の面積比を変化させることで調整することができる。   The amount of silicon atoms 2 can be adjusted by changing the area ratio between the silicon chip 24a and the quartz glass 24b (see FIG. 6) constituting the target material 24.

即ち、シリコンチップ24aと石英ガラス24bの面積の違いにより、ターゲット材料24から放出されるシリコン原子の量を変化させることにより、半導体基板1上に堆積されるアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3内に混入するシリコン原子2の量を自在に調整できる。この面積比は、通常、25〜50%とするが、好ましくは30%である。 That is, by changing the amount of silicon atoms released from the target material 24 due to the difference in area between the silicon chip 24 a and the quartz glass 24 b, the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 deposited on the semiconductor substrate 1 is changed. The amount of silicon atoms 2 mixed in can be freely adjusted. The area ratio is usually 25 to 50%, preferably 30%.

また、堆積条件であるガス圧や高周波電力を変化させても、シリコン原子2の量を調整することが可能である。   Also, the amount of silicon atoms 2 can be adjusted by changing the deposition conditions such as gas pressure and high frequency power.

これは、ガス圧や高周波電力を変化させることにより、ターゲット材料24からのシリコン原子や酸化ケイ素分子の放出に重要な役割を果たしているプラズマ(真空チャンバー16内に導入したアルゴンガスを高周波コントローラ23によりアルゴンイオンと電子に電離させた状態(図5、参照))の密度を自在に変化させることができることによる。   This is because plasma (playing argon gas introduced into the vacuum chamber 16 is played by the high-frequency controller 23) that plays an important role in the release of silicon atoms and silicon oxide molecules from the target material 24 by changing the gas pressure and high-frequency power. This is because the density of the state ionized by argon ions and electrons (see FIG. 5) can be freely changed.

本発明の製造プロセスでは、このプラズマ現象を用い、電子により負に帯電(アルゴンイオンよりも電子の方が、移動度が速いためである)したターゲット材料24に、正の電荷を持つアルゴンイオンを衝突させ、ターゲット材料24からシリコン原子や酸化ケイ素分子を放出させる。   In the manufacturing process of the present invention, using this plasma phenomenon, argon ions having a positive charge are charged into the target material 24 that is negatively charged by electrons (because electrons have a higher mobility than argon ions). Colliding to release silicon atoms and silicon oxide molecules from the target material 24.

つまり、ターゲット材料24から放出されるシリコン原子と酸化ケイ素分子のレート比が、ガス圧や高周波電力により異なるので、ガス圧や高周波電力を変えることにより、ターゲット材料24から放出されるシリコン原子の量を制御することができ、その結果、半導体基板1上に堆積されるアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3の内に混入するシリコン原子2の量を制御することができる。 That is, since the rate ratio of silicon atoms and silicon oxide molecules released from the target material 24 varies depending on the gas pressure and high frequency power, the amount of silicon atoms released from the target material 24 by changing the gas pressure and high frequency power. As a result, the amount of silicon atoms 2 mixed in the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 deposited on the semiconductor substrate 1 can be controlled.

このとき、ガス圧は1×10-4〜5×10-3torrとするが、好ましくは1×10-3torrである。また、高周波電力値は150〜500Wとするが、好ましくは200Wである。そして、赤色発光層4を形成する際の堆積時間は10〜60分であるが、好ましくは15〜50分、さらに好ましくは30〜40分である。 At this time, the gas pressure is 1 × 10 −4 to 5 × 10 −3 torr, preferably 1 × 10 −3 torr. Moreover, although the high frequency electric power value shall be 150-500W, Preferably it is 200W. And the deposition time at the time of forming the red light emitting layer 4 is 10 to 60 minutes, Preferably it is 15 to 50 minutes, More preferably, it is 30 to 40 minutes.

次に、図1(A)に示す赤色発光層4上に、シリコン原子2の混入量を少なくしたアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を形成する(図1(B)、参照)。このとき、シリコン原子2の混入量は2〜5%とするが、好ましくは3%である。 Next, an amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 in which the amount of silicon atoms 2 is reduced is formed on the red light emitting layer 4 shown in FIG. 1A (see FIG. 1B). At this time, the mixing amount of silicon atoms 2 is 2 to 5%, preferably 3%.

この程度の量のシリコン原子2を含有するアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3からは緑色発光が得られるので、この膜層を緑色発光層5と表記する。 Green light emission can be obtained from the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 containing this amount of silicon atoms 2, and this film layer is referred to as a green light emitting layer 5.

この緑色発光層5を形成する際のシリコンチップ24aと石英ガラス24bの面積比は、通常、10〜25%とするが、好ましくは20%である。また、ガス圧は1×10-3〜1×10-2torrとするが、好ましくは5×10-3torrである。 The area ratio between the silicon chip 24a and the quartz glass 24b when the green light emitting layer 5 is formed is usually 10 to 25%, preferably 20%. The gas pressure is set to 1 × 10 −3 to 1 × 10 −2 torr, preferably 5 × 10 −3 torr.

さらに、高周波電力値は75〜150Wとするが、好ましくは100Wである。そして、緑色発光層5を形成する際の堆積時間は10〜60分であるが、好ましくは15〜50分、さらに好ましくは、30〜40分である。   Furthermore, the high frequency power value is 75 to 150 W, preferably 100 W. And the deposition time at the time of forming the green light emitting layer 5 is 10 to 60 minutes, Preferably it is 15 to 50 minutes, More preferably, it is 30 to 40 minutes.

次に、図1(B)に示した赤色発光層4/緑色発光層5上にシリコン原子2の混入量をさらに少なくしたアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を形成する(図1(C)、参照)。このときのシリコン原子2の混入量は0.5〜2%とするが、好ましくは、1%である。この程度の量のシリコン原子2を含有するアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3からは青色発光が得られるので、この膜層を青色発光層6と表記する。 Next, an amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 in which the amount of mixed silicon atoms 2 is further reduced is formed on the red light emitting layer 4 / green light emitting layer 5 shown in FIG. 1B (FIG. 1C). ,reference). The amount of silicon atoms 2 mixed at this time is 0.5 to 2%, preferably 1%. Blue light emission can be obtained from the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 containing this amount of silicon atoms 2, and this film layer is referred to as a blue light emitting layer 6.

この青色発光層6を形成する際のシリコンチップ24aと石英ガラス24bの面積比は、通常、1〜10%とするが、好ましくは5%である。また、ガス圧は5×10-3〜1×10-1torrとするが、好ましくは1×10-2torrである。さらに、高周波電力値は10〜75Wとするが、好ましくは50Wである。 The area ratio between the silicon chip 24a and the quartz glass 24b when forming the blue light emitting layer 6 is normally 1 to 10%, preferably 5%. The gas pressure is 5 × 10 −3 to 1 × 10 −1 torr, preferably 1 × 10 −2 torr. Further, the high-frequency power value is 10 to 75 W, preferably 50 W.

そして、青色発光層6を形成する際の堆積時間は10〜60分であるが、好ましくは15〜50分、さらに好ましくは30〜40分である。   And the deposition time at the time of forming the blue light emitting layer 6 is 10 to 60 minutes, Preferably it is 15 to 50 minutes, More preferably, it is 30 to 40 minutes.

次に、上記アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を不活性ガス(アルゴン、ヘリウム等)の雰囲気中で熱処理7して、アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を酸化ケイ素膜9に変質させる。 Next, the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 is heat-treated 7 in an atmosphere of an inert gas (argon, helium, etc.) to transform the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 into a silicon oxide film 9.

そして、前記熱処理7の途中段階においては、アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3内に混入しているシリコン原子2が、酸化ケイ素膜9内で激しく動き始め、徐々に、シリコン原子2が凝集して、各発光層内において所定粒子サイズの安定したナノシリコン8が多数形成される(図1(D)、参照)。 In the middle stage of the heat treatment 7, the silicon atoms 2 mixed in the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 begin to move violently in the silicon oxide film 9, and the silicon atoms 2 gradually aggregate. Thus, a large number of stable nanosilicones 8 having a predetermined particle size are formed in each light emitting layer (see FIG. 1D).

このような製造過程を経て、所定粒子サイズのナノリシコンを層状に分布させ、赤色発光層4、緑色発光層5、及び、青色発光層6を有するナノシリコン含有酸化ケイ素膜10を製造することができる。   Through such a manufacturing process, nanosilicones having a predetermined particle size are distributed in layers, and the nanosilicon-containing silicon oxide film 10 having the red light emitting layer 4, the green light emitting layer 5, and the blue light emitting layer 6 can be manufactured. .

そして、各発光層におけるナノシリコン8の粒子サイズについては、赤色発光層4内のナノシリコンの粒子サイズは2.5〜3.5nmであり、緑色発光層5内のナノシリコンの粒子サイズは2.0〜2.5nmであり、青色発光層6内のナノシリコンの粒子サイズは1.5〜2.0nmである。   And about the particle size of the nano silicon 8 in each light emitting layer, the particle size of the nano silicon in the red light emitting layer 4 is 2.5-3.5 nm, and the particle size of the nano silicon in the green light emitting layer 5 is 2. The particle size of nano silicon in the blue light emitting layer 6 is 1.5 to 2.0 nm.

また、上記熱処理7の際、熱処理温度は1000〜1200℃とするが、好ましくは1050〜1100℃である。さらに、熱処理時間は15〜100分であるが、好ましくは30〜80分、さらに好ましくは50〜60分である。   Moreover, in the case of the said heat processing 7, although the heat processing temperature shall be 1000-1200 degreeC, Preferably it is 1050-1100 degreeC. Further, the heat treatment time is 15 to 100 minutes, preferably 30 to 80 minutes, and more preferably 50 to 60 minutes.

次に、本発明酸化ケイ素膜を、熱処理プロセスの条件を変えることで製造する製造方法の概要について説明する。   Next, an outline of a manufacturing method for manufacturing the silicon oxide film of the present invention by changing the conditions of the heat treatment process will be described.

図2に、熱処理プロセスにより、所定の粒子サイズの発行ナノシリコンが混在する本発明酸化ケイ素膜を製造する製造過程を示す。熱処理プロセスによる本発明酸化ケイ素膜の製造においても、ナノシリコンの粒子サイズを自在に制御できる高周波スパッタリング法を採用する。   FIG. 2 shows a manufacturing process for manufacturing the silicon oxide film of the present invention in which issued nanosilicon having a predetermined particle size is mixed by a heat treatment process. Also in the production of the silicon oxide film of the present invention by a heat treatment process, a high frequency sputtering method capable of freely controlling the nanosilicon particle size is employed.

図2(A)に、上記製造過程に従って、半導体基板1上に多量のシリコン原子2を混入せしめたアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を示す。このとき、シリコン原子2の混入量は5〜10%とするが、好ましくは6〜8%である。 FIG. 2A shows an amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 in which a large amount of silicon atoms 2 are mixed on the semiconductor substrate 1 in accordance with the above manufacturing process. At this time, the mixing amount of the silicon atoms 2 is set to 5 to 10%, preferably 6 to 8%.

このアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を形成する際、シリコンチップ24aと石英ガラス24bの面積比は、通常、25〜50%とするが、好ましくは30%である。 When the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 is formed, the area ratio between the silicon chip 24a and the quartz glass 24b is usually 25 to 50%, preferably 30%.

また、ガス圧は1×10-4〜5×10-3torrとするが、好ましくは1×10-3torrである。さらに、高周波電力値は150〜500Wとするが、好ましくは200Wである。 The gas pressure is 1 × 10 −4 to 5 × 10 −3 torr, and preferably 1 × 10 −3 torr. Furthermore, the high-frequency power value is 150 to 500 W, preferably 200 W.

そして、アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3の形成の際の堆積時間は10〜120分であるが、好ましくは30〜100分、さらに好ましくは50〜60分である。 The deposition time for forming the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 is 10 to 120 minutes, preferably 30 to 100 minutes, and more preferably 50 to 60 minutes.

次に、上記アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3を不活性ガス(アルゴン、ヘリウム等)の雰囲気中で熱処理7することにより、酸化ケイ素膜9内に、青色、緑色、及び、赤色にそれぞれ発光する粒子サイズを有するナノシリコンが多数形成される(図2(B)、参照)。 Next, the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 is heat-treated 7 in an atmosphere of an inert gas (argon, helium, etc.) to emit light in blue, green, and red in the silicon oxide film 9, respectively. A large number of nanosilicones having a particle size to be formed are formed (see FIG. 2B).

この時に形成されるナノシリコンの粒子サイズについては、青色発光ナノシリコン11の粒子サイズは1.5〜2.0nmであり、緑色発光ナノシリコン12の粒子サイズは2.0〜2.5nmであり、赤色発光ナノシリコン13の粒子サイズは2.5〜3.5nmである。   Regarding the particle size of the nanosilicon formed at this time, the particle size of the blue light emitting nanosilicon 11 is 1.5 to 2.0 nm, and the particle size of the green light emitting nanosilicon 12 is 2.0 to 2.5 nm. The particle size of the red light emitting nanosilicon 13 is 2.5 to 3.5 nm.

このナノシリコンの粒子サイズは、製造過程において熱処理温度を変化させることにより、自在に調整することができる。つまり、1000℃以上の熱処理温度では、比較的粒子サイズの安定したナノシリコンが形成される。しかし、熱処理温度を1000℃以下にすると、ナノシリコンの形成が不安定になり、結局、粒子サイズも不均一になる。   The particle size of the nanosilicon can be freely adjusted by changing the heat treatment temperature in the manufacturing process. That is, nanosilicon having a relatively stable particle size is formed at a heat treatment temperature of 1000 ° C. or higher. However, when the heat treatment temperature is set to 1000 ° C. or less, the formation of nanosilicon becomes unstable, and eventually the particle size becomes nonuniform.

したがって、1000℃以下で熱処理することにより、粒子サイズの大きいものから小さいものまで、様々な大きさの発光ナノシリコンを形成し、酸化ケイ素膜内に混在せしめることができる。このことから、上記熱処理7の際、熱処理温度は900〜1000℃とするが、好ましくは920〜980℃である。   Therefore, by performing heat treatment at 1000 ° C. or less, light-emitting nanosilicon having various sizes from a large particle size to a small particle size can be formed and mixed in the silicon oxide film. For this reason, during the heat treatment 7, the heat treatment temperature is set to 900 to 1000 ° C, preferably 920 to 980 ° C.

また、熱処理時間を変化させても、ナノシリコンの粒子サイズを制御することが可能である。ナノシリコンの粒子サイズは、熱処理過程において生じるアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜3内のシリコン原子2の凝集量によって決定される。これは、シリコン原子2の凝集量がナノシリコンを構成しているシリコン原子の量と直接対応しているからである。 Even if the heat treatment time is changed, the nanosilicon particle size can be controlled. The particle size of the nanosilicon is determined by the amount of aggregation of silicon atoms 2 in the amorphous silicon oxide (SiO x ) film 3 generated in the heat treatment process. This is because the amount of aggregation of silicon atoms 2 directly corresponds to the amount of silicon atoms constituting nanosilicon.

このことから、熱処理時間を変化させて、シリコン原子2の凝集量を調整することが可能となり、ナノシリコンの粒子サイズを制御することができる。熱処理時間は、通常、10〜60分であるが、好ましくは20〜40分、さらに好ましくは30分である。   From this, it becomes possible to adjust the amount of aggregation of the silicon atoms 2 by changing the heat treatment time, and the particle size of the nanosilicon can be controlled. The heat treatment time is usually 10 to 60 minutes, preferably 20 to 40 minutes, and more preferably 30 minutes.

このような製造過程を経ることにより、青色発光ナノシリコン11、緑色発光ナノシリコン12、赤色発光ナノシリコン13を混在状態で含有するナノシリコン含有酸化ケイ素膜10を製造することができる。   Through such a manufacturing process, the nanosilicon-containing silicon oxide film 10 containing the blue-emitting nanosilicon 11, the green-emitting nanosilicon 12, and the red-emitting nanosilicon 13 in a mixed state can be manufactured.

ここで、上記製造方法で製造したナノシリコンの透過型電子顕微鏡写真を図3に示す。図中の○印の部分がナノシリコンである。図3から、ナノシリコンは、酸化ケイ素膜内に一様に分散し、しかも、球形状で存在していることが分かる。なお、ナノシリコンの粒子サイズは1.5〜3.5nmの範囲である。   Here, a transmission electron micrograph of nanosilicon produced by the above production method is shown in FIG. The circled portion in the figure is nanosilicon. FIG. 3 shows that nanosilicon is uniformly dispersed in the silicon oxide film and exists in a spherical shape. The nanosilicon particle size is in the range of 1.5 to 3.5 nm.

次に、図4に、本発明酸化ケイ素膜の発光スペクトルを示す。図4から、本発明酸化ケイ素膜から、波長400nmから800nm付近の範囲にわたり非常にブロードなピーク帯をもつ白色発光を得ることができる。   Next, FIG. 4 shows an emission spectrum of the silicon oxide film of the present invention. From FIG. 4, white light emission having a very broad peak band can be obtained from the silicon oxide film of the present invention over a wavelength range of 400 nm to 800 nm.

この白色発光は、ナノシリコンを層状に分布せしめ発光層を形成した本発明酸化ケイ素膜の場合、各発光層内に存在するナノシリコンからの発光、即ち、赤色、緑色、青色の発光が混合されて得られたものである。   In the case of the silicon oxide film of the present invention in which nanosilicon is distributed in a layered manner to form a light emitting layer, this white light emission is emitted from nanosilicon existing in each light emitting layer, that is, red, green, and blue light are mixed. It was obtained.

また、上記白色発光は、各種粒子サイズのナノシリコンを混在状態で含有する本発明酸化ケイ素膜の場合、酸化ケイ素膜内に均一に分散して存在する赤色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、青色発光ナノシリコンからの各色の発光が混合されて得られたものである。   In addition, in the case of the silicon oxide film of the present invention containing the nano-silicon of various particle sizes in a mixed state, the white light emission is a red light-emitting nano silicon, a green light-emitting nano silicon, which are uniformly dispersed in the silicon oxide film, and The light emission of each color from the blue-emitting nanosilicon is mixed and obtained.

本発明酸化ケイ素膜で得られる白色発光の輝度は、紫外光線照射により、非常に強く、しかも、室内照明下において、肉眼で鮮明に確認することができるものである。さらに、本発明酸化ケイ素膜で得られる白色発光は、発光寿命が、長期間でかつ安定しているものである。   The luminance of white light emission obtained with the silicon oxide film of the present invention is very strong when irradiated with ultraviolet light, and can be clearly observed with the naked eye under room lighting. Furthermore, the white light emission obtained by the silicon oxide film of the present invention has a long light emission lifetime and is stable.

このように、本発明製造方法によれば、高周波スパッタリング法及び熱処理法を用い、鮮明かつ安定に白色発光し、地球環境に対し優しい(無毒、無害)ナノシリコン含有酸化ケイ素膜(本発明酸化ケイ素膜)を製造することができる。   Thus, according to the manufacturing method of the present invention, a silicon oxide film containing nanosilicon containing the silicon oxide film according to the present invention (the present invention silicon oxide) is vividly and stably emitting white light and is friendly to the global environment (non-toxic and harmless). Membrane) can be produced.

本発明酸化ケイ素膜は、発光特性を積極的に生かし、ディスプレイ分野、照明分野等において、液晶ディスプレイ用バックライト光源、及び、白色発光ダイオードに替わる新規の白色光源の有用材料として用い得るものである。   The silicon oxide film of the present invention can be used as a useful material for a backlight light source for liquid crystal displays and a novel white light source replacing a white light emitting diode in the display field, lighting field, etc. by actively utilizing the light emission characteristics. .

前途したように、ナノシリコンは、地球環境に対して優しく(無毒、無害)、粒子サイズの揃ったナノシリコンを含有する本発明酸化ケイ素膜は、鮮明かつ安定した白色を発光するので、本発明は、ナノシリコン含有酸化ケイ素膜の利用を、ディスプレイ分野、照明分野、その他の分野にまで広げるものである。   As described above, nanosilicon is gentle to the global environment (non-toxic and harmless), and the silicon oxide film of the present invention containing nanosilicon having a uniform particle size emits a bright and stable white light. Expands the use of nanosilicon-containing silicon oxide films to the display field, lighting field, and other fields.

例えば、本発明は、液晶ディスプレイ用バックライト光源や、白色発光ダイオードに変わる新規の白色光源などの製品化を可能にするものである。このように、本発明は、ディスプレイ分野、照明分野、さらには、その他の分野において、21世紀の革新的な白色光源を製品化する技術の開発に利用される可能性が大きいものである。   For example, the present invention enables commercialization of a backlight light source for liquid crystal displays and a new white light source that replaces white light emitting diodes. As described above, the present invention is highly likely to be used for the development of a technology for commercializing an innovative white light source of the 21st century in the display field, lighting field, and other fields.

本発明のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜を製造する過程を示す図である。(A)は、赤色発光層を形成した態様を示す図であり、(B)は、赤色発光層上に緑色発光層を形成した態様を示す図であり、(C)は、緑色発光層上に青色発光層を形成した態様を示す図であり、(D)は、各発光層におけるナノシリコン含有酸化ケイ素膜の態様を示す図である。It is a figure which shows the process in which the nano silicon containing white light emission silicon oxide film of this invention is manufactured. (A) is a figure which shows the aspect which formed the red light emitting layer, (B) is a figure which shows the aspect which formed the green light emitting layer on the red light emitting layer, (C) is on a green light emitting layer. It is a figure which shows the aspect which formed the blue light emitting layer in (D), and is a figure which shows the aspect of the nano silicon containing silicon oxide film in each light emitting layer. 本発明のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜を製造する別の過程を示す図である。(A)は、シリコン原子を含有するアモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜の態様を示す図であり、(B)は、青色、緑色、赤色に発光するナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の態様を示す図である。It is a figure which shows another process of manufacturing the nano silicon containing white light emission silicon oxide film of this invention. (A) is a diagram showing an embodiment of the amorphous silicon oxide (SiO x) film containing silicon atoms, the embodiment of (B) is blue, green, nano silicon-containing white light-emitting silicon oxide film that emits red light FIG. 本発明のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜におけるナノシリコンの存在態様を示す図(透過型電子顕微鏡写真)である。It is a figure (transmission electron micrograph) which shows the nanosilicon presence aspect in the nanosilicon containing white light emission silicon oxide film of this invention. 本発明のナノシリコン含有白色酸化ケイ素膜の発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum of the nano silicon containing white silicon oxide film of this invention. 本発明の製造方法で用いる高周波スパッタリング装置の一態様を示す図である。It is a figure which shows the one aspect | mode of the high frequency sputtering device used with the manufacturing method of this invention. 高周波スパッタリング装置において使用するターゲット材料の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the target material used in a high frequency sputtering device.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 シリコン原子
3 アモルファス酸化ケイ素(SiOx)膜
4 赤色発光層
5 緑色発光層
6 青色発光層
7 熱処理
8 ナノシリコン
9 酸化ケイ素膜
10 ナノシリコン含有酸化ケイ素膜
11 青色発光ナノシリコン
12 緑色発光ナノシリコン
13 赤色発光ナノシリコン
14 アルゴンガス導入口
15 排気口
16 真空チャンバー
17 絶縁材料
18 冷却管
19 冷却水
20 基板ホルダー
21 陰極シールド
22 高周波電極
23 高周波コントローラ
24 ターゲット材料
24a シリコンチップ
24b 石英ガラス
1 semiconductor substrate 2 silicon atoms 3 amorphous silicon oxide (SiO x) film 4 red light emitting layer 5 green light-emitting layer 6 blue light-emitting layer 7 heat treatment 8 Nanosilicon 9 silicon oxide film 10 nano silicon-containing silicon oxide film 11 blue light emitting nano silicon 12 green Light emitting nano silicon 13 Red light emitting nano silicon 14 Argon gas inlet 15 Exhaust 16 Vacuum chamber 17 Insulating material 18 Cooling tube 19 Cooling water 20 Substrate holder 21 Cathode shield 22 High frequency electrode 23 High frequency controller 24 Target material 24a Silicon chip 24b Quartz glass

Claims (13)

酸化ケイ素膜内に、高周波スパッタリングと熱処理で形成された粒子サイズ1.5〜3.5nmの発光ナノシリコンを含有し、紫外光線照射により、青色、緑色、及び、赤色(光の三原色)を合わせた白色を、鮮明かつ安定して発光することを特徴とするナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   The silicon oxide film contains light-emitting nanosilicon with a particle size of 1.5 to 3.5 nm formed by high-frequency sputtering and heat treatment, and combined with blue, green, and red (the three primary colors of light) by ultraviolet light irradiation. A nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film, which emits bright white light clearly and stably. 前記発光ナノシリコンが、粒子サイズ1.5〜2.0nmの青色発光ナノシリコン、粒子サイズ2.0〜2.5nmの緑色発光ナノシリコン、及び、2.5〜3.5nmの赤色発光ナノシリコンからなることを特徴とする請求項1に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   The light emitting nanosilicon is a blue light emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 2.0 nm, a green light emitting nanosilicon having a particle size of 2.0 to 2.5 nm, and a red light emitting nanosilicon having a particle size of 2.5 to 3.5 nm. The nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 1, comprising: 前記酸化ケイ素膜内に、前記青色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、赤色発光ナノシリコンが層状に形成されていることを特徴とする請求項2に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   3. The nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 2, wherein the blue light-emitting nanosilicon, the green light-emitting nanosilicon, and the red light-emitting nanosilicon are formed in layers in the silicon oxide film. . 前記酸化ケイ素膜内に、前記青色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、赤色発光ナノシリコンが混在状態で形成されていることを特徴とする請求項2に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜。   3. The nanosilicon-containing white light emitting silicon oxide according to claim 2, wherein the blue light emitting nanosilicon, the green light emitting nanosilicon, and the red light emitting nanosilicon are formed in a mixed state in the silicon oxide film. film. 高周波スパッタリングと熱処理を用いてナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜を製造する方法において、
(i)石英ガラス上にシリコンチップを配列したターゲット材を所要のスパッタリング条件でスパッタし、基板上に、所定量のシリコン原子を含有するアモルファス酸化ケイ素膜を形成し、次いで、
(ii)上記アモルファス酸化ケイ素膜を不活性ガス雰囲気中で熱処理し、該膜を酸化ケイ素膜に変質せしめるとともに、シリコン原子を凝集して粒子サイズ1.5〜3.5nmの発光ナノシリコンを形成する、
ことを特徴とするナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。
In a method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film using high-frequency sputtering and heat treatment,
(I) Sputtering a target material in which silicon chips are arranged on quartz glass under the required sputtering conditions to form an amorphous silicon oxide film containing a predetermined amount of silicon atoms on the substrate;
(Ii) Heat-treating the amorphous silicon oxide film in an inert gas atmosphere to transform the film into a silicon oxide film and agglomerate silicon atoms to form light-emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 3.5 nm. To
A method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film characterized in that
前記ターゲット材料上におけるシリコンチップと石英ガラスの面積比を調整し、発光ナノシリコンの粒子サイズを制御することを特徴とする請求項5に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   The method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 5, wherein the particle size of the light-emitting nano silicon is controlled by adjusting an area ratio between the silicon chip and the quartz glass on the target material. 前記シリコンチップと石英ガラスの面積比を1〜50%とすることを特徴とする請求項6に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   The method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 6, wherein an area ratio of the silicon chip to quartz glass is 1 to 50%. 前記スパッタリングの条件であるガス圧及び/又は高周波電力を調整し、赤色発光ナノシリコン、緑色発光ナノシリコン、及び、青色発光ナノシリコンを層状に形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   The gas pressure and / or high-frequency power, which are the sputtering conditions, are adjusted to form red light emitting nanosilicon, green light emitting nanosilicon, and blue light emitting nanosilicon in layers. A method for producing a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 1. 前記ガス圧が1×10-4〜1×10-1torrであり、かつ、高周波電力が10〜500Wであることを特徴とする請求項8に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。 9. The production of nano-silicon-containing white light emitting silicon oxide film according to claim 8, wherein the gas pressure is 1 * 10 < -4 > to 1 * 10 < -1 > torr and the high frequency power is 10 to 500 W. Method. 前記熱処理に係る温度及び/又は時間を調整し、発光ナノシリコンの粒子サイズを制御することを特徴とする請求項5〜9のいずれか1項に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   The production of a nano-silicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to any one of claims 5 to 9, wherein a particle size of the light-emitting nano silicon is controlled by adjusting a temperature and / or time related to the heat treatment. Method. 前記熱処理に係る温度が1000〜1200℃であり、かつ、同時間が15〜100分であることを特徴とする請求項10に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   11. The method for producing a nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 10, wherein a temperature related to the heat treatment is 1000 to 1200 ° C. and the time is 15 to 100 minutes. 前記熱処理に係る温度が900〜1000℃であり、かつ、同時間が10〜60分であることを特徴とする請求項10に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   The method for producing a nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to claim 10, wherein a temperature related to the heat treatment is 900 to 1000 ° C. and the time is 10 to 60 minutes. 前記発光ナノシリコンが、粒子サイズ1.5〜2.0nmの青色発光ナノシリコン、粒子サイズ2.0〜2.5nmの緑色発光ナノシリコン、及び、2.5〜3.5nmの赤色発光ナノシリコンからなることを特徴とする請求項5〜12のいずれか1項に記載のナノシリコン含有白色発光酸化ケイ素膜の製造方法。   The light emitting nanosilicon is a blue light emitting nanosilicon having a particle size of 1.5 to 2.0 nm, a green light emitting nanosilicon having a particle size of 2.0 to 2.5 nm, and a red light emitting nanosilicon having a particle size of 2.5 to 3.5 nm. The method for producing a nanosilicon-containing white light-emitting silicon oxide film according to any one of claims 5 to 12, wherein the method comprises:
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