JP2931204B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
半導体発光装置の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン層を発光層と
して用いる半導体発光装置の製造方法に関する。
して用いる半導体発光装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、光通信等に用いられる半導体
発光素子には、II−VI属化合物半導体やIII−V属化合物
半導体が利用されている。電気回路の集積化素子はシリ
コンを用いて構成されているため、電子素子と光学素子
を一体化したＯＥＩＣを作るには、シリコン基板上に発
光素子等が形成できることが望まれる。しかし、シリコ
ンは間接遷移型であり、発光には適さないと考えられて
きた。このため例えば、シリコン基板上に化合物半導体
層をエピタキシャル成長させる技術等が各所で研究され
ているが、これも未だ実用化には遠い。
発光素子には、II−VI属化合物半導体やIII−V属化合物
半導体が利用されている。電気回路の集積化素子はシリ
コンを用いて構成されているため、電子素子と光学素子
を一体化したＯＥＩＣを作るには、シリコン基板上に発
光素子等が形成できることが望まれる。しかし、シリコ
ンは間接遷移型であり、発光には適さないと考えられて
きた。このため例えば、シリコン基板上に化合物半導体
層をエピタキシャル成長させる技術等が各所で研究され
ているが、これも未だ実用化には遠い。
【０００３】一方、光通信用として好ましい波長１μm
以上の長波長発光に有望な発光素子として、近年、希土
類元素による４ｆ電子間遷移を利用した発光素子が注目
されている。例えば、１９８０年にはＭ．Ｉ．Ｋasatki
n が、１９８３年以降にはＨ．Ｅnnen等が、希土類元素
を添加したIII−V属化合物半導体やシリコン単結晶にバ
ンドギャップ以上のエネルギー光を照射して、長波長の
フォトルミネセンス（ＰＬ）を観測している。これは、
光照射により生成した電子正孔対が再結合する際に放出
するエネルギーで希土類元素の４ｆ電子を励起し、その
緩和遷移により発光するものである。
以上の長波長発光に有望な発光素子として、近年、希土
類元素による４ｆ電子間遷移を利用した発光素子が注目
されている。例えば、１９８０年にはＭ．Ｉ．Ｋasatki
n が、１９８３年以降にはＨ．Ｅnnen等が、希土類元素
を添加したIII−V属化合物半導体やシリコン単結晶にバ
ンドギャップ以上のエネルギー光を照射して、長波長の
フォトルミネセンス（ＰＬ）を観測している。これは、
光照射により生成した電子正孔対が再結合する際に放出
するエネルギーで希土類元素の４ｆ電子を励起し、その
緩和遷移により発光するものである。
【０００４】その後、希土類元素の電子間遷移を応用す
る技術として、 希土類イオンドープによるｐｎ接合ＬＥＤ、 希土類元素化合物を電子ビームにより直接励起するカ
ソードルミネセンス、 石英ガラスやガーネット等の透明絶縁体中に希土類元
素をドープして光により直接励起するレーザ発光素子や
光増幅素子、 非晶質や多結晶の化合物半導体に希土類元素をドープ
して、高電界加速したキャリアによる直接衝突励起を利
用したエレクトロルミネセンス（ＥＬ）等が研究されて
いる。
る技術として、 希土類イオンドープによるｐｎ接合ＬＥＤ、 希土類元素化合物を電子ビームにより直接励起するカ
ソードルミネセンス、 石英ガラスやガーネット等の透明絶縁体中に希土類元
素をドープして光により直接励起するレーザ発光素子や
光増幅素子、 非晶質や多結晶の化合物半導体に希土類元素をドープ
して、高電界加速したキャリアによる直接衝突励起を利
用したエレクトロルミネセンス（ＥＬ）等が研究されて
いる。
【０００５】１９７０年台には、多孔質シリコン層を集
積回路の素子分離技術等に利用する技術が開発されてい
る。多孔質シリコン層は、単結晶シリコン基板を弗酸溶
液中で陽極化成することにより得られ、孔径が数ｎｍの
多数の微細孔と残留シリコン部とからなる。この多孔質
シリコン層は、比表面積（単位体積当たりの表面積）が
極めて大きい。この特徴を生かして、多孔質シリコン層
を酸化することにより絶縁膜にするＳＯＩ技術が集積回
路の素子分離や高耐圧素子に利用されてきた。また、多
孔質シリコン層の残部シリコンが単結晶であることを利
用して、この上にエピタキシャル成長を行うことも検討
されている。このようにして得られたエピタキシャル層
上から、例えば酸素原子を打ち込むことにより、内部の
多孔質シリコン層を酸化膜に変えることで、埋め込み型
素子分離膜とすることができる。
積回路の素子分離技術等に利用する技術が開発されてい
る。多孔質シリコン層は、単結晶シリコン基板を弗酸溶
液中で陽極化成することにより得られ、孔径が数ｎｍの
多数の微細孔と残留シリコン部とからなる。この多孔質
シリコン層は、比表面積（単位体積当たりの表面積）が
極めて大きい。この特徴を生かして、多孔質シリコン層
を酸化することにより絶縁膜にするＳＯＩ技術が集積回
路の素子分離や高耐圧素子に利用されてきた。また、多
孔質シリコン層の残部シリコンが単結晶であることを利
用して、この上にエピタキシャル成長を行うことも検討
されている。このようにして得られたエピタキシャル層
上から、例えば酸素原子を打ち込むことにより、内部の
多孔質シリコン層を酸化膜に変えることで、埋め込み型
素子分離膜とすることができる。
【０００６】１９９０年には、Ｃanham が、多孔質シリ
コンにグリーンのレーザ光を照射することにより室温で
赤色発光が得られたという報告をしている。この報告
は、これまでシリコンは可視域での発光ができないと考
えられていたため、世界に大きなインパクトを与えた。
Ｃanham は、この多孔質シリコンの発光現象を量子効果
によるものとの考えを提唱している。即ちＣanham の考
えによれば、多孔質シリコンの孔の大きさが量子サイズ
になるため、量子効果により新たなエネルギー準位が形
成されるのである。
コンにグリーンのレーザ光を照射することにより室温で
赤色発光が得られたという報告をしている。この報告
は、これまでシリコンは可視域での発光ができないと考
えられていたため、世界に大きなインパクトを与えた。
Ｃanham は、この多孔質シリコンの発光現象を量子効果
によるものとの考えを提唱している。即ちＣanham の考
えによれば、多孔質シリコンの孔の大きさが量子サイズ
になるため、量子効果により新たなエネルギー準位が形
成されるのである。
【０００７】シリコンに希土類元素をドープした長波長
発光素子に関する文献としては、例えば、Ｓ．Ｌombard
o and Ｓ．Ｖ．Ｃampisano ，Ａppl. Ｐhys. Ｌett.
，63，1942（1993）（以下、文献１）、Ｐ．Ｎ．Ｆav
ennec ，Ｈ．Ｌ’Ｈaridon and Ｄ．Ｍoutonnet，Ｊ．
Ｊ．Ａppl. Ｐhys. Ｖol.29 ，Ｎo.4 ，Ｌ524 （199
0）（以下、文献２）等がある。これらには、多結晶シ
リコンや単結晶シリコンにエルビウム（Ｅｒ）等の希土
類元素をイオン注入法によりドープした例が示されてい
る。しかし、発光強度や温度消光特性等、光通信用とし
て実用に耐え得る素子特性は得られていない。半導体へ
の希土類元素のドープ法として、上述したイオン注入法
の他に、ＭＢＥ法、熱拡散法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯ
ＣＶＤ法等が試みられている。しかしこれらの方法でも
実用的なシリコン発光層は得られていない。
発光素子に関する文献としては、例えば、Ｓ．Ｌombard
o and Ｓ．Ｖ．Ｃampisano ，Ａppl. Ｐhys. Ｌett.
，63，1942（1993）（以下、文献１）、Ｐ．Ｎ．Ｆav
ennec ，Ｈ．Ｌ’Ｈaridon and Ｄ．Ｍoutonnet，Ｊ．
Ｊ．Ａppl. Ｐhys. Ｖol.29 ，Ｎo.4 ，Ｌ524 （199
0）（以下、文献２）等がある。これらには、多結晶シ
リコンや単結晶シリコンにエルビウム（Ｅｒ）等の希土
類元素をイオン注入法によりドープした例が示されてい
る。しかし、発光強度や温度消光特性等、光通信用とし
て実用に耐え得る素子特性は得られていない。半導体へ
の希土類元素のドープ法として、上述したイオン注入法
の他に、ＭＢＥ法、熱拡散法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯ
ＣＶＤ法等が試みられている。しかしこれらの方法でも
実用的なシリコン発光層は得られていない。
【０００８】光ファイバ通信用の素子には、レーザ、発
光ダイオード、光増幅器、光導波路等いかなる素子であ
れ、またＥＬ，ＰＬを問わず、１．０〜１．５５μm と
いう長波長領域が必要であり、また発光強度が強いと同
時に半値幅の狭いシャープな発光出力波形が望まれる。
希土類ドープ半導体を用いてこのような特性を実現する
には基本的に、不純物である希土類元素を多量にドープ
することが必要となるが、通常の不純物ドーピング法で
は希土類元素の高濃度ドープは難しい。具体例を説明す
れば、シリコンへのＥｒの熱拡散係数は、１０００℃で
１０-14cm2／ｓｅｃであり、２００時間以上拡散してよ
うやく１μm 程度の拡散深さとなる。またシリコンへの
Ｅｒのイオン注入では、加速電圧２００ｋｅＶで飛程距
離は数nmであり、５００ｋｅＶでも７０nm程度であっ
て、深いイオン注入はできない。
光ダイオード、光増幅器、光導波路等いかなる素子であ
れ、またＥＬ，ＰＬを問わず、１．０〜１．５５μm と
いう長波長領域が必要であり、また発光強度が強いと同
時に半値幅の狭いシャープな発光出力波形が望まれる。
希土類ドープ半導体を用いてこのような特性を実現する
には基本的に、不純物である希土類元素を多量にドープ
することが必要となるが、通常の不純物ドーピング法で
は希土類元素の高濃度ドープは難しい。具体例を説明す
れば、シリコンへのＥｒの熱拡散係数は、１０００℃で
１０-14cm2／ｓｅｃであり、２００時間以上拡散してよ
うやく１μm 程度の拡散深さとなる。またシリコンへの
Ｅｒのイオン注入では、加速電圧２００ｋｅＶで飛程距
離は数nmであり、５００ｋｅＶでも７０nm程度であっ
て、深いイオン注入はできない。
【０００９】希土類元素の発光効率を上げるため、低質
量の炭素、窒素、フッ素等を追加してイオン注入する方
法も提案されている（特開平５−１７５５９２）。同様
の目的で、前述の文献１、２には酸素を追加してイオン
注入する方法が記載されている。しかし、これらの方法
によっても、希土類元素のドーピング量不足の問題は解
消されず、実用的な発光特性は得られていない。
量の炭素、窒素、フッ素等を追加してイオン注入する方
法も提案されている（特開平５−１７５５９２）。同様
の目的で、前述の文献１、２には酸素を追加してイオン
注入する方法が記載されている。しかし、これらの方法
によっても、希土類元素のドーピング量不足の問題は解
消されず、実用的な発光特性は得られていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、光通信
用素子として、希土類元素ドープによる長波長発光素子
が期待されているが、通常の方法では多量に且つ深く希
土類元素をドープすることができず、実用に耐え得る素
子が得られていない。本発明は、このような事情を考慮
してなされたもので、希土類元素ドープにより実用上充
分な発光強度を得ることのできる半導体発光装置の製造
方法を提供することを目的としている。
用素子として、希土類元素ドープによる長波長発光素子
が期待されているが、通常の方法では多量に且つ深く希
土類元素をドープすることができず、実用に耐え得る素
子が得られていない。本発明は、このような事情を考慮
してなされたもので、希土類元素ドープにより実用上充
分な発光強度を得ることのできる半導体発光装置の製造
方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上にシリ
コンからなる発光層が形成された半導体発光装置の製造
方法であって、基板上に多孔質シリコン層を形成する工
程と、前記多孔質シリコン層が形成された基板を希土類
元素塩の溶液に浸漬してこの基板が負、対向電極が正と
なる電圧を印加して希土類元素イオンを前記多孔質シリ
コン層にドープする工程と、前記希土類元素がドープさ
れた多孔質シリコン層を熱処理して発光層として活性化
する工程とを有することを特徴とする。本発明はまた、
単結晶シリコン基板上にシリコンからなる発光層が形成
された半導体発光装置を製造する方法であって、単結晶
シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を
形成する工程と、前記多孔質シリコン層が形成された基
板を希土類元素塩の溶液に浸漬してこの基板が負、対向
電極が正となる電圧を印加して希土類元素イオンを前記
多孔質シリコン層にドープする工程と、前記希土類元素
がドープされた多孔質シリコン層をランプアニールによ
り発光層として活性化すると共に、少なくともその表面
部を溶融させてドープされた希土類元素を封じ込める工
程とを有することを特徴とする。
コンからなる発光層が形成された半導体発光装置の製造
方法であって、基板上に多孔質シリコン層を形成する工
程と、前記多孔質シリコン層が形成された基板を希土類
元素塩の溶液に浸漬してこの基板が負、対向電極が正と
なる電圧を印加して希土類元素イオンを前記多孔質シリ
コン層にドープする工程と、前記希土類元素がドープさ
れた多孔質シリコン層を熱処理して発光層として活性化
する工程とを有することを特徴とする。本発明はまた、
単結晶シリコン基板上にシリコンからなる発光層が形成
された半導体発光装置を製造する方法であって、単結晶
シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を
形成する工程と、前記多孔質シリコン層が形成された基
板を希土類元素塩の溶液に浸漬してこの基板が負、対向
電極が正となる電圧を印加して希土類元素イオンを前記
多孔質シリコン層にドープする工程と、前記希土類元素
がドープされた多孔質シリコン層をランプアニールによ
り発光層として活性化すると共に、少なくともその表面
部を溶融させてドープされた希土類元素を封じ込める工
程とを有することを特徴とする。
【００１２】
【作用】シリコンを弗酸溶液中で陽極化成して得られる
多孔質シリコン層は、比表面積が極めて大きいという性
質を持つ。この性質を利用して、多孔質シリコン層が形
成された基板を希土類元素塩の溶液に浸漬し、この基板
が負、対向電極が正となる電圧を印加すると、分解され
た希土類元素イオンは基板側にドリフトして多孔質シリ
コン層の微細孔内に導入される。この方法を以下、電解
ドープ法と呼ぶ。この電解ドープ法によると、多孔質シ
リコン層には１×１０20／cm3 以上の希土類元素を内奥
深くまでドープすることができる。熱平衡溶解限度を越
える高濃度ドープも可能である。この様に高濃度に希土
類元素がドープされた多孔質シリコン層にランプアニー
ル等による熱処理を加えると、希土類元素が活性化さ
れ、またアニール温度がシリコンの再結晶化温度以上で
あれば多孔質シリコン層が再結晶化して良好な発光層が
得られる。更にアニールにより表面に溶融層が形成され
ると、これが希土類元素を封じ込める層として働き、高
濃度の希土類元素を不純物として含む、長波長発光が可
能な良好な発光層となる。なお発光層としての好ましい
希土類元素濃度は、１×１０18／cm3 以上である。また
この電解ドープ法を利用すると、ドープする希土類元素
濃度を流れる電荷量で制御することができ、従って発光
層の精密な不純物濃度制御が可能である。更に、特定箇
所への選択ドープもできるから、集積化発光素子として
基板上の任意の箇所に発光素子を形成することもでき
る。
多孔質シリコン層は、比表面積が極めて大きいという性
質を持つ。この性質を利用して、多孔質シリコン層が形
成された基板を希土類元素塩の溶液に浸漬し、この基板
が負、対向電極が正となる電圧を印加すると、分解され
た希土類元素イオンは基板側にドリフトして多孔質シリ
コン層の微細孔内に導入される。この方法を以下、電解
ドープ法と呼ぶ。この電解ドープ法によると、多孔質シ
リコン層には１×１０20／cm3 以上の希土類元素を内奥
深くまでドープすることができる。熱平衡溶解限度を越
える高濃度ドープも可能である。この様に高濃度に希土
類元素がドープされた多孔質シリコン層にランプアニー
ル等による熱処理を加えると、希土類元素が活性化さ
れ、またアニール温度がシリコンの再結晶化温度以上で
あれば多孔質シリコン層が再結晶化して良好な発光層が
得られる。更にアニールにより表面に溶融層が形成され
ると、これが希土類元素を封じ込める層として働き、高
濃度の希土類元素を不純物として含む、長波長発光が可
能な良好な発光層となる。なお発光層としての好ましい
希土類元素濃度は、１×１０18／cm3 以上である。また
この電解ドープ法を利用すると、ドープする希土類元素
濃度を流れる電荷量で制御することができ、従って発光
層の精密な不純物濃度制御が可能である。更に、特定箇
所への選択ドープもできるから、集積化発光素子として
基板上の任意の箇所に発光素子を形成することもでき
る。
【００１３】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。実施例では、単結晶シリコン基板を用い、これ
に形成した多孔質シリコン層に希土類元素としてエルビ
ウム（Ｅｒ）をドープした、発光波長１．５４μm のＰ
Ｌ素子を説明する。図１はその製造工程図である。
明する。実施例では、単結晶シリコン基板を用い、これ
に形成した多孔質シリコン層に希土類元素としてエルビ
ウム（Ｅｒ）をドープした、発光波長１．５４μm のＰ
Ｌ素子を説明する。図１はその製造工程図である。
【００１４】出発基板として、ＣＺ法による比抵抗２〜
６Ω・cmのｐ型（１００）単結晶シリコン基板を用い
た。シリコン基板は大きさ４インチφであり、その片面
は鏡面研磨されている。このシリコン基板の裏面（鏡面
研磨されていない方の面）にＡｌ膜を１μm 蒸着し、更
にこのＡｌ膜の接触抵抗を減らすため、５５０℃のＮ2
ガス中で１５分アニールした。
６Ω・cmのｐ型（１００）単結晶シリコン基板を用い
た。シリコン基板は大きさ４インチφであり、その片面
は鏡面研磨されている。このシリコン基板の裏面（鏡面
研磨されていない方の面）にＡｌ膜を１μm 蒸着し、更
にこのＡｌ膜の接触抵抗を減らすため、５５０℃のＮ2
ガス中で１５分アニールした。
【００１５】陽極化成槽を電解液の温度制御のために流
水型恒温槽（１５℃）にセットし、濃度２５〜５０重量
％の弗酸溶液に前記シリコン基板を浸漬した。そしてシ
リコン基板の裏面Ａｌ膜から取り出した電極を陽極に、
対となるＰｔ電極を陰極にして陽極化成を行った。陽極
化成の条件は、電流密度１〜５０ｍＡ／cm2 とし、シリ
コン基板を通過する全電荷量を約４２Ｃ／cm2 一定とす
る。
水型恒温槽（１５℃）にセットし、濃度２５〜５０重量
％の弗酸溶液に前記シリコン基板を浸漬した。そしてシ
リコン基板の裏面Ａｌ膜から取り出した電極を陽極に、
対となるＰｔ電極を陰極にして陽極化成を行った。陽極
化成の条件は、電流密度１〜５０ｍＡ／cm2 とし、シリ
コン基板を通過する全電荷量を約４２Ｃ／cm2 一定とす
る。
【００１６】約２０分の陽極化成により、図１（ａ）に
示すように、単結晶シリコン基板１に２０〜４０μm 厚
の多孔質シリコン層２が形成される。多孔質シリコン層
２は、孔径が数ｎｍの無数の微細孔と残留シリコンとか
らなり、比表面積は２００〜８００ｍ2 ／cm3 、多孔度
(porosity ）は約５５％である。また多孔質シリコン層
２は、シリコン基板１の結晶性を保持した単結晶で結晶
完全性はよく、結晶格子は基板シリコンより僅かに膨張
している。この多孔質シリコン層２の残留シリコン部の
ダングリングボンドは水素で終端されている。
示すように、単結晶シリコン基板１に２０〜４０μm 厚
の多孔質シリコン層２が形成される。多孔質シリコン層
２は、孔径が数ｎｍの無数の微細孔と残留シリコンとか
らなり、比表面積は２００〜８００ｍ2 ／cm3 、多孔度
(porosity ）は約５５％である。また多孔質シリコン層
２は、シリコン基板１の結晶性を保持した単結晶で結晶
完全性はよく、結晶格子は基板シリコンより僅かに膨張
している。この多孔質シリコン層２の残留シリコン部の
ダングリングボンドは水素で終端されている。
【００１７】次いで、多孔質シリコン層２が形成された
基板に超純水の流水洗浄を行った後、これを塩化エルビ
ウム（ＥｒＣｌ3 ）／エタノール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）の飽
和溶液に浸し、シリコン基板１側を負、対向電極である
Ｐｔ電極側を正とする直流電圧を印加して、一定電流で
Ｅｒ+3イオンを多孔質シリコン層２内にドープする。こ
れが電解ドープ法である。このとき印加する直流電圧と
流れる電流密度の関係を図２に示す。図２には、エタノ
ールのみの場合を破線で示し、実施例の場合を実線で示
している。図から明らかなように、エタノールのみでは
ほとんど電流は流れず、実施例の場合、Ｅｒ+3イオンの
効果で電流が流れることが分かる。
基板に超純水の流水洗浄を行った後、これを塩化エルビ
ウム（ＥｒＣｌ3 ）／エタノール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）の飽
和溶液に浸し、シリコン基板１側を負、対向電極である
Ｐｔ電極側を正とする直流電圧を印加して、一定電流で
Ｅｒ+3イオンを多孔質シリコン層２内にドープする。こ
れが電解ドープ法である。このとき印加する直流電圧と
流れる電流密度の関係を図２に示す。図２には、エタノ
ールのみの場合を破線で示し、実施例の場合を実線で示
している。図から明らかなように、エタノールのみでは
ほとんど電流は流れず、実施例の場合、Ｅｒ+3イオンの
効果で電流が流れることが分かる。
【００１８】より具体的に例えば、０．１４ｍＡ／cm2
の定電流密度で流れる全電荷量が０．２１Ｃ／cm2 にな
るまで通電すると、多孔質シリコン層２中のＥｒ濃度
は、約４．４×１０17／cm3 となる。この実施例では、
流れる全電荷量がより多く、１×１０20／cm3 以上のＥ
ｒ濃度を得ることが可能である。これだけの高濃度Ｅｒ
ドーピングは、従来より知られている不純物ドープ法で
はできない。
の定電流密度で流れる全電荷量が０．２１Ｃ／cm2 にな
るまで通電すると、多孔質シリコン層２中のＥｒ濃度
は、約４．４×１０17／cm3 となる。この実施例では、
流れる全電荷量がより多く、１×１０20／cm3 以上のＥ
ｒ濃度を得ることが可能である。これだけの高濃度Ｅｒ
ドーピングは、従来より知られている不純物ドープ法で
はできない。
【００１９】次に、基板を乾燥させた後、Ｅｒドープ層
を活性化するため、熱処理を行う。この実施例では、ラ
ンプアニールを利用した。ランプアニールの条件は、２
０％Ｏ2 ／Ａｒ雰囲気中で８５０〜１３００℃、３０分
である。これにより、Ｅｒが活性化されると同時に、多
孔質シリコン層２の少なくとも表面部が溶融してその溶
融層がＥｒを内部に封じ込める層となる。また、シリコ
ンの再結晶化温度以上であるため、ある程度時間をかけ
れば多孔質シリコン層２はその微細孔が更に分散し、結
晶の乱れも修復されて結晶性の良好な発光層が得られ
る。その様子を図１（ｂ）に示す。図示のように、多孔
質シリコン層２であった部分は、少なくとも表面部に斜
線で示すように溶融層２１が形成されて、この溶融層２
１によりＥｒが高濃度に封じ込められた発光層２２が得
られる。
を活性化するため、熱処理を行う。この実施例では、ラ
ンプアニールを利用した。ランプアニールの条件は、２
０％Ｏ2 ／Ａｒ雰囲気中で８５０〜１３００℃、３０分
である。これにより、Ｅｒが活性化されると同時に、多
孔質シリコン層２の少なくとも表面部が溶融してその溶
融層がＥｒを内部に封じ込める層となる。また、シリコ
ンの再結晶化温度以上であるため、ある程度時間をかけ
れば多孔質シリコン層２はその微細孔が更に分散し、結
晶の乱れも修復されて結晶性の良好な発光層が得られ
る。その様子を図１（ｂ）に示す。図示のように、多孔
質シリコン層２であった部分は、少なくとも表面部に斜
線で示すように溶融層２１が形成されて、この溶融層２
１によりＥｒが高濃度に封じ込められた発光層２２が得
られる。
【００２０】以上のようにして得られたこの実施例のＰ
Ｌ素子の特性を次に説明する。図３は、得られたＰＬ素
子に素子温度１２Ｋでアルゴンレーザ（５１４．５nm）
を照射して観測されたＰＬ強度特性である。図では、陽
極化成時の電流密度をパラメータとして示している。図
示のように波長約１．５４μm の位置にＰＬ強度のピー
クが見られ、特に陽極化成時の電流密度６ｍＡ／cm2 の
場合に半値幅の狭い大きなピークが得られている。
Ｌ素子の特性を次に説明する。図３は、得られたＰＬ素
子に素子温度１２Ｋでアルゴンレーザ（５１４．５nm）
を照射して観測されたＰＬ強度特性である。図では、陽
極化成時の電流密度をパラメータとして示している。図
示のように波長約１．５４μm の位置にＰＬ強度のピー
クが見られ、特に陽極化成時の電流密度６ｍＡ／cm2 の
場合に半値幅の狭い大きなピークが得られている。
【００２１】参考までに、図４は、Ｅｒドープを行う前
の多孔質シリコン層２が形成された図１（ａ）の状態で
のアルゴンレーザ照射によるＰＬ強度特性である。図４
でも、陽極化成時の電流密度をパラメータとしている。
このときＰＬ波長は、６５０〜９５０nmに分布してい
る。この実施例のＰＬ素子は前述のようにドープしたＥ
ｒの４ｆ電子準位間遷移による発光であり、４ｆ電子の
外殻の５ｓ2 ５ｐ6 の閉殻により電気的にシールドされ
ているため、原子スペクトルと同様に半値幅の狭い発光
波形となる。
の多孔質シリコン層２が形成された図１（ａ）の状態で
のアルゴンレーザ照射によるＰＬ強度特性である。図４
でも、陽極化成時の電流密度をパラメータとしている。
このときＰＬ波長は、６５０〜９５０nmに分布してい
る。この実施例のＰＬ素子は前述のようにドープしたＥ
ｒの４ｆ電子準位間遷移による発光であり、４ｆ電子の
外殻の５ｓ2 ５ｐ6 の閉殻により電気的にシールドされ
ているため、原子スペクトルと同様に半値幅の狭い発光
波形となる。
【００２２】図５は、得られたＰＬ素子のＰＬ強度の素
子温度特性である。ＰＬ素子形成条件は、陽極化成時の
電流密度が６ｍＡ／cm2 である。図６は、素子温度Ｔを
パラメータとして、ＰＬ強度と波長の関係を測定した結
果である。図６から明かなように、発光波長は素子温度
に関係なく一定である。また、室温（Ｔ＝２９６Ｋ）で
の発光は、ピーク強度が１２Ｋでのそれの４割程度と大
きく、半値幅の広がりもそれ程大きくない。単結晶Ｓｉ
やＩｎＰ等でのＥｒの発光強度は、室温では、低温での
それに比べて２桁以上も低下していわゆる温度消光を示
すことを考えれば、この実施例の有効性は明かである。
子温度特性である。ＰＬ素子形成条件は、陽極化成時の
電流密度が６ｍＡ／cm2 である。図６は、素子温度Ｔを
パラメータとして、ＰＬ強度と波長の関係を測定した結
果である。図６から明かなように、発光波長は素子温度
に関係なく一定である。また、室温（Ｔ＝２９６Ｋ）で
の発光は、ピーク強度が１２Ｋでのそれの４割程度と大
きく、半値幅の広がりもそれ程大きくない。単結晶Ｓｉ
やＩｎＰ等でのＥｒの発光強度は、室温では、低温での
それに比べて２桁以上も低下していわゆる温度消光を示
すことを考えれば、この実施例の有効性は明かである。
【００２３】本発明は、ＰＬ素子に限らず他の素子にも
同様に適用できる。例えば図７は、ｎ型シリコン基板７
１にｐ型層７２を形成したｐｎ接合発光ダイオードの実
施例である。ｐ型層７２は、先の実施例と同様の方法で
形成したＥｒドープ層である。電流注入を行うことによ
り、１．５４μm で発光する発光ダイオードが得られ
る。図８は、ｎ型シリコン基板８１に選択的に光導波路
層８２を形成した光導波路増幅器の実施例である。光導
波路層８２はやはり先の実施例と同様の方法で、選択的
な陽極化成とＥｒドープにより形成したｐ型層である。
この素子は、光導波路層８２を電気的に励起できるの
で、１．５４μm 付近で発振するレーザキャビティ内に
置けば、１．５４μm のみの増幅発振が可能になる。そ
の他、実施例の発光層と同様の手法で形成した層を活性
層として持ち、その活性層を電気的（電流注入または電
界印加）により励起する他の各種素子に本発明を適用す
ることができる。
同様に適用できる。例えば図７は、ｎ型シリコン基板７
１にｐ型層７２を形成したｐｎ接合発光ダイオードの実
施例である。ｐ型層７２は、先の実施例と同様の方法で
形成したＥｒドープ層である。電流注入を行うことによ
り、１．５４μm で発光する発光ダイオードが得られ
る。図８は、ｎ型シリコン基板８１に選択的に光導波路
層８２を形成した光導波路増幅器の実施例である。光導
波路層８２はやはり先の実施例と同様の方法で、選択的
な陽極化成とＥｒドープにより形成したｐ型層である。
この素子は、光導波路層８２を電気的に励起できるの
で、１．５４μm 付近で発振するレーザキャビティ内に
置けば、１．５４μm のみの増幅発振が可能になる。そ
の他、実施例の発光層と同様の手法で形成した層を活性
層として持ち、その活性層を電気的（電流注入または電
界印加）により励起する他の各種素子に本発明を適用す
ることができる。
【００２４】実施例では、希土類元素としてＥｒを用い
たが、他の希土類元素として、イッテルビウム（Ｙｂ）
（発光波長１．０μm ）、ネオジウム（Ｎｄ）（発光波
長１．０６μm ）、プラセオジウム（Ｐｒ）（発光波長
１．３μm ）等が本発明において用いられる。いずれ
も、実施例と同様に希土類塩の溶液を用いた電解ドープ
法により多孔質シリコン層に高濃度にドープすることが
できる。
たが、他の希土類元素として、イッテルビウム（Ｙｂ）
（発光波長１．０μm ）、ネオジウム（Ｎｄ）（発光波
長１．０６μm ）、プラセオジウム（Ｐｒ）（発光波長
１．３μm ）等が本発明において用いられる。いずれ
も、実施例と同様に希土類塩の溶液を用いた電解ドープ
法により多孔質シリコン層に高濃度にドープすることが
できる。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、希土
類元素を電解ドープ法によって多孔質シリコン層に高濃
度にドープして熱処理することにより、光通信用として
有用な長波長発光を可能とした半導体発光装置を得るこ
とができる。
類元素を電解ドープ法によって多孔質シリコン層に高濃
度にドープして熱処理することにより、光通信用として
有用な長波長発光を可能とした半導体発光装置を得るこ
とができる。
【図１】 本発明の実施例によるＰＬ素子の製造工程を
示す。
示す。
【図２】 同実施例による電解ドープ工程の電圧と電流
密度の関係を示す。
密度の関係を示す。
【図３】 同実施例によるＰＬ素子のＰＬ強度と波長の
関係を示す。
関係を示す。
【図４】 多孔質シリコンのＰＬ強度と波長の関係を示
す。
す。
【図５】 同実施例によるＰＬ素子のＰＬ強度と素子温
度の関係を示す。
度の関係を示す。
【図６】 同実施例によるＰＬ素子のＰＬ強度と波長の
関係を示す。
関係を示す。
【図７】 他の実施例の発光ダイオードを示す。
【図８】 他の実施例の光導波路増幅器を示す。
１…単結晶シリコン基板、２…多孔質シリコン層、２１
…溶融層、２２…発光層。
…溶融層、２２…発光層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ ｌ．65，Ｎｏ．８，ｐｐ．983−985 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ ｌ．64，Ｎｏ．24，ｐｐ．3282−3284 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18 H05B 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 基板上に多孔質シリコン層を形成する工
程と、 前記多孔質シリコン層が形成された基板を希土類元素塩
の溶液に浸漬してこの基板が負、対向電極が正となる電
圧を印加して希土類元素イオンを前記多孔質シリコン層
にドープする工程と、 前記希土類元素がドープされた多孔質シリコン層を熱処
理して発光層として活性化する工程とを有することを特
徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項２】 単結晶シリコン基板上に、その表面を陽
極化成して多孔質シリコン層を形成する工程と、 前記多孔質シリコン層が形成された基板を希土類元素塩
の溶液に浸漬してこの基板が負、対向電極が正となる電
圧を印加して希土類元素イオンを前記多孔質シリコン層
にドープする工程と、 前記希土類元素がドープされた多孔質シリコン層をラン
プアニールにより発光層として活性化すると共に、少な
くともその表面部を溶融させてドープされた希土類元素
を封じ込める工程とを有することを特徴とする半導体発
光装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7162194A JP2931204B2 (ja) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | 半導体発光装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7162194A JP2931204B2 (ja) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | 半導体発光装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07254729A JPH07254729A (ja) | 1995-10-03 |
| JP2931204B2 true JP2931204B2 (ja) | 1999-08-09 |
Family
ID=13465911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7162194A Expired - Fee Related JP2931204B2 (ja) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | 半導体発光装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2931204B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200109451A (ko) * | 2019-03-13 | 2020-09-23 | 주식회사 엘지화학 | 실리콘 웨이퍼 제조 방법 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR970054583A (ko) * | 1995-12-30 | 1997-07-31 | 윤종용 | 발광 다이오드의 제조 방법 |
| US6056868A (en) * | 1998-05-22 | 2000-05-02 | Cheah; Kok Wei | Rare earth doping of porous silicon |
| US7095058B2 (en) * | 2003-03-21 | 2006-08-22 | Intel Corporation | System and method for an improved light-emitting device |
| JP4815860B2 (ja) * | 2004-11-11 | 2011-11-16 | ソニー株式会社 | 発光素子及びその製造方法 |
| JP4760005B2 (ja) * | 2004-12-17 | 2011-08-31 | ソニー株式会社 | 発光素子、発光素子の製造方法および表示装置 |
| DE102006028921A1 (de) | 2006-06-23 | 2007-12-27 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Siliziumsubstrats mit veränderten Oberflächeneigenschaften sowie ein derartiges Siliziumsubstrat |
| DE102013219886A1 (de) * | 2013-10-01 | 2015-04-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung poröser Siliciumschichten |
-
1994
- 1994-03-16 JP JP7162194A patent/JP2931204B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６４，Ｎｏ．２４，ｐｐ．３２８２−３２８４ |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．８，ｐｐ．９８３−９８５ |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200109451A (ko) * | 2019-03-13 | 2020-09-23 | 주식회사 엘지화학 | 실리콘 웨이퍼 제조 방법 |
| KR102677831B1 (ko) * | 2019-03-13 | 2024-06-24 | 주식회사 엘지화학 | 실리콘 웨이퍼 제조 방법 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07254729A (ja) | 1995-10-03 |
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