JP3143510B2 - 光学素子及びその作製方法 - Google Patents
光学素子及びその作製方法Info
- Publication number
- JP3143510B2 JP3143510B2 JP1652292A JP1652292A JP3143510B2 JP 3143510 B2 JP3143510 B2 JP 3143510B2 JP 1652292 A JP1652292 A JP 1652292A JP 1652292 A JP1652292 A JP 1652292A JP 3143510 B2 JP3143510 B2 JP 3143510B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon
- oxygen
- sio
- light
- optical element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Led Devices (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコンを母材料とす
る波長変換素子等の光学素子及びその作製方法に関す
る。
る波長変換素子等の光学素子及びその作製方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、化合物半導体の分野において、半
導体電子回路や発光受光素子と光学部品とを同一素子上
に集積化したOEIC(光学電子集積回路)技術の研究
開発が盛んに行われている。その理由は、電流注入によ
る可視光の発光が直接遷移型の化合物半導体で容易に得
られるからである。そして、このようなOEICでは、
微細なミラー、回折格子などの光学部品も化合物半導体
で形成される。
導体電子回路や発光受光素子と光学部品とを同一素子上
に集積化したOEIC(光学電子集積回路)技術の研究
開発が盛んに行われている。その理由は、電流注入によ
る可視光の発光が直接遷移型の化合物半導体で容易に得
られるからである。そして、このようなOEICでは、
微細なミラー、回折格子などの光学部品も化合物半導体
で形成される。
【0003】一方、電子素子の大規模集積回路の材料と
しては、圧倒的にシリコンが多く用いられており、その
優位は今後とも揺るぎないものと予想される。したがっ
て、このような集積回路と光学素子とをモノリシックに
形成したOEICを構成するためには、シリコンを母材
料とする波長変換素子、発光素子、EL(エレクトロル
ミネッセンス)素子などの光学素子を実現することが必
要となってくる。
しては、圧倒的にシリコンが多く用いられており、その
優位は今後とも揺るぎないものと予想される。したがっ
て、このような集積回路と光学素子とをモノリシックに
形成したOEICを構成するためには、シリコンを母材
料とする波長変換素子、発光素子、EL(エレクトロル
ミネッセンス)素子などの光学素子を実現することが必
要となってくる。
【0004】例えば、現在までに光学素子への可能性が
示されているシリコン系材料、構造あるいは現象として
は、(1) アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.P
hys.Lett. )第56巻2379頁(1990年)に記載
された、周囲が酸化膜で被われたSi超微粒子、(2) ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(J.Appl.Ph
ys.)第52巻4241頁(1981年)に記載されたグ
ローディスチャージ(glow discharge)法で堆積された
SiOx 膜のフォトルミネッセンス(photoluminescenc
e )効果、(3) アプライド・フィジックス・レターズ第
59巻304頁(1991年)に記載された、単結晶S
iの陽極化成によって得られる多孔質シリコン、(4) M
OS構造Si−FETのドレイン端におけるアバランシ
(avalanche )崩壊を伴ったホットキャリア(hot carr
ier )の再結合、(5) Si系アモルファス材料の超格子
構造によるEL効果などが挙げられる。
示されているシリコン系材料、構造あるいは現象として
は、(1) アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.P
hys.Lett. )第56巻2379頁(1990年)に記載
された、周囲が酸化膜で被われたSi超微粒子、(2) ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(J.Appl.Ph
ys.)第52巻4241頁(1981年)に記載されたグ
ローディスチャージ(glow discharge)法で堆積された
SiOx 膜のフォトルミネッセンス(photoluminescenc
e )効果、(3) アプライド・フィジックス・レターズ第
59巻304頁(1991年)に記載された、単結晶S
iの陽極化成によって得られる多孔質シリコン、(4) M
OS構造Si−FETのドレイン端におけるアバランシ
(avalanche )崩壊を伴ったホットキャリア(hot carr
ier )の再結合、(5) Si系アモルファス材料の超格子
構造によるEL効果などが挙げられる。
【0005】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
(3) を利用した素子は電極の取り出しが実用的ではな
い。また、(4) の現象は、そもそも素子の不安定状態に
おける特異現象である故に、制御性に問題があることに
加え、発光領域の形状設計の自由度が低いという発光素
子としては致命的な欠陥を有している。また、(5) の現
象は、精力的な研究にも関わらず、発光強度の不足や成
膜方法の繁雑さから実用には程遠い。このように、何れ
の現象を利用するにせよ、各種の問題を克服する新しい
構造、素子の作製方法の創造が不可欠であった。
(3) を利用した素子は電極の取り出しが実用的ではな
い。また、(4) の現象は、そもそも素子の不安定状態に
おける特異現象である故に、制御性に問題があることに
加え、発光領域の形状設計の自由度が低いという発光素
子としては致命的な欠陥を有している。また、(5) の現
象は、精力的な研究にも関わらず、発光強度の不足や成
膜方法の繁雑さから実用には程遠い。このように、何れ
の現象を利用するにせよ、各種の問題を克服する新しい
構造、素子の作製方法の創造が不可欠であった。
【0006】本発明は、上記(2) のSiOx のフォトル
ミネッセンス効果に着目し、この効果を利用した光学素
子をより制御性良く、高能率に作製できる方法を見いだ
したものである。また、本発明は、上記のSiOx を利
用した発光ダイオード(LED)及びSiOx ,SiN
x ,SiOx Ny 等の発光現象を利用したEL素子の構
造に関しても提案するものである。
ミネッセンス効果に着目し、この効果を利用した光学素
子をより制御性良く、高能率に作製できる方法を見いだ
したものである。また、本発明は、上記のSiOx を利
用した発光ダイオード(LED)及びSiOx ,SiN
x ,SiOx Ny 等の発光現象を利用したEL素子の構
造に関しても提案するものである。
【0007】即ち、本発明の目的は、シリコンを母材料
として、シリコン系半導体回路と同一基板上に形成が可
能な光学素子およびこの光学素子を効率良く作製する方
法を提供することにある。
として、シリコン系半導体回路と同一基板上に形成が可
能な光学素子およびこの光学素子を効率良く作製する方
法を提供することにある。
【0008】
【問題点を解決するための手段】本発明の上記目的は、
シリコン表面に運動エネルギーの高い酸素原子または酸
素分子を照射した後、熱処理することによって形成され
たSiOx (0<x<2)を成分として含み、前記Si
Ox がフォトルミネッセンス効果を示すことを利用し
て、入射した光の波長とは異なる波長の光を得る波長変
換素子として用いることを特徴とする。
シリコン表面に運動エネルギーの高い酸素原子または酸
素分子を照射した後、熱処理することによって形成され
たSiOx (0<x<2)を成分として含み、前記Si
Ox がフォトルミネッセンス効果を示すことを利用し
て、入射した光の波長とは異なる波長の光を得る波長変
換素子として用いることを特徴とする。
【0009】
【0010】本発明に基づく発光素子は、pn接合を有
するシリコンのpn接合近傍にSiOx(0<x<2)
を成分として含む領域が設けられて成る。また、本発明
に基づく交流駆動型エレクトロルミネッセンス素子は、
シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコン酸化窒
化物から発光層を形成することによって成る。
するシリコンのpn接合近傍にSiOx(0<x<2)
を成分として含む領域が設けられて成る。また、本発明
に基づく交流駆動型エレクトロルミネッセンス素子は、
シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコン酸化窒
化物から発光層を形成することによって成る。
【0011】
【実施例】図1は本発明を波長変換素子に適用した第1
の実施態様の作製方法を説明するための略断面図であ
る。また、図2は図1の方法で作製された波長変換素子
の略断面図である。
の実施態様の作製方法を説明するための略断面図であ
る。また、図2は図1の方法で作製された波長変換素子
の略断面図である。
【0012】第1の実施態様の波長変換素子を作製する
場合には、まずシリコン基板の表面1に、十分高い運動
エネルギーを持った酸素原子または酸素分子2を照射
し、シリコン基板の内部3に酸素を注入する。ここで、
シリコン基板は、用途に応じて単結晶シリコン、多結晶
シリコンまたは非晶質シリコンのいずれでも良い。ま
た、酸素原子または酸素分子2として、酸素イオンまた
は酸素プラズマを用いて、電界で加速してシリコン基板
に照射しても良い。ここで、酸素注入をシリコン基板の
表面1の全域に亙って行えば、大面積素子が得られる。
また、通常のリソグラフィー技術を用いて局所的な注入
を行えば、微細な素子を局所的に形成することも可能で
ある。
場合には、まずシリコン基板の表面1に、十分高い運動
エネルギーを持った酸素原子または酸素分子2を照射
し、シリコン基板の内部3に酸素を注入する。ここで、
シリコン基板は、用途に応じて単結晶シリコン、多結晶
シリコンまたは非晶質シリコンのいずれでも良い。ま
た、酸素原子または酸素分子2として、酸素イオンまた
は酸素プラズマを用いて、電界で加速してシリコン基板
に照射しても良い。ここで、酸素注入をシリコン基板の
表面1の全域に亙って行えば、大面積素子が得られる。
また、通常のリソグラフィー技術を用いて局所的な注入
を行えば、微細な素子を局所的に形成することも可能で
ある。
【0013】次に、上記のように酸素が注入された基板
に熱処理を行い、注入された酸素とシリコンを結合させ
る。この熱処理によって、図2のようにシリコン内部に
SiOx(0<x<2)を含む領域4が形成され、本実
施態様の素子が完成する。熱処理の具体的方法として
は、シリコン基板の表面1を損なわないものであれば、
どのような方法を用いても構わない。また、上記の作製
方法において、酸素の組成比xは、注入する酸素濃度と
熱処理条件によって、0から2までの範囲で連続的に変
化させることが可能であり、用途に応じて適宜選択する
ことができる。
に熱処理を行い、注入された酸素とシリコンを結合させ
る。この熱処理によって、図2のようにシリコン内部に
SiOx(0<x<2)を含む領域4が形成され、本実
施態様の素子が完成する。熱処理の具体的方法として
は、シリコン基板の表面1を損なわないものであれば、
どのような方法を用いても構わない。また、上記の作製
方法において、酸素の組成比xは、注入する酸素濃度と
熱処理条件によって、0から2までの範囲で連続的に変
化させることが可能であり、用途に応じて適宜選択する
ことができる。
【0014】上記のように作製された波長変換素子は、
SiOx がフォトルミネッセンス効果を示すことを利用
して、入射した光の波長とは異なる波長の光を発する。
ここで、SiOx のフォトルミネッセンス発光ピーク波
長は、組成比xの増加とともに短波長側へ連続的にシフ
トすることが、前述のジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス第52巻4241頁(1981年)で知ら
れている。したがって、上記作製方法で、組成比xを調
整することによって、所望のピーク波長で発光する素子
を得ることができる。
SiOx がフォトルミネッセンス効果を示すことを利用
して、入射した光の波長とは異なる波長の光を発する。
ここで、SiOx のフォトルミネッセンス発光ピーク波
長は、組成比xの増加とともに短波長側へ連続的にシフ
トすることが、前述のジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス第52巻4241頁(1981年)で知ら
れている。したがって、上記作製方法で、組成比xを調
整することによって、所望のピーク波長で発光する素子
を得ることができる。
【0015】酸素注入と熱処理という本発明の簡便な工
程は、何れも通常のシリコンプロセスの範疇にあり、周
知のプロセスから適当な方法を選択すれば良い。これら
2つの工程は、独立して行う必要はなく、同時に行うこ
とも可能である。また、本発明の光学素子は、その極め
て簡素な構造故に、他のいかなる電子・光学素子とも容
易に共存、例えば同一基板上に集積化することができ
る。
程は、何れも通常のシリコンプロセスの範疇にあり、周
知のプロセスから適当な方法を選択すれば良い。これら
2つの工程は、独立して行う必要はなく、同時に行うこ
とも可能である。また、本発明の光学素子は、その極め
て簡素な構造故に、他のいかなる電子・光学素子とも容
易に共存、例えば同一基板上に集積化することができ
る。
【0016】上記の方法にしたがって波長変換素子を作
製した例を、以下に更に具体的に示す。
製した例を、以下に更に具体的に示す。
【0017】[実施例1]4インチ径シリコン基板の表
面上に、100keV のエネルギーに加速された酸素イオ
ンを1×1017cm-2のドーズで注入した。次いで、基板
表面に常圧CVD(ケミカル・ベイパー・デポジショ
ン)法を用いて50nmの膜厚のSiO2 を形成してか
ら、窒素雰囲気中で1000℃の温度で30分程熱処理
した。この基板表面にフィルターによって可視光域を除
いたXeランプを照射したところ、500nm近傍にピー
ク波長を持つフォトルミネッセンスの発光が観測され
た。
面上に、100keV のエネルギーに加速された酸素イオ
ンを1×1017cm-2のドーズで注入した。次いで、基板
表面に常圧CVD(ケミカル・ベイパー・デポジショ
ン)法を用いて50nmの膜厚のSiO2 を形成してか
ら、窒素雰囲気中で1000℃の温度で30分程熱処理
した。この基板表面にフィルターによって可視光域を除
いたXeランプを照射したところ、500nm近傍にピー
ク波長を持つフォトルミネッセンスの発光が観測され
た。
【0018】[実施例2]5インチ径シリコン基板の表
面上に熱酸化によって200nmの膜厚のSiO2を形成
し、その上に低圧CVD法を用いて200nmの膜厚の
多結晶シリコン膜を堆積した。この多結晶膜に、50ke
V のエネルギーに加速された酸素イオンを5×1016cm
-2のドーズで注入した。次いで、基板表面に常圧CVD
法を用いて100nmの膜厚のSiO2 を形成してから、
窒素雰囲気中でランプ加熱により1200℃の温度で1
分間程熱処理した。この基板表面にKrレーザ光を照射
したところ、550nm近傍にピーク波長を持つフォトル
ミネッセンスの発光が観察された。そこで、通常のフォ
トリソグラフィー工程によって、多結晶膜と酸化膜で被
われた基板表面の一部に開口部を設けて単結晶シリコン
を露出させ、そこに通常のMOSトランジスタを作製し
たところ、同時に未加工のシリコン基板上に作製したも
のに遜色なく動作した。このことから、波長変換素子と
電子素子とが共存し得ることが確認された。
面上に熱酸化によって200nmの膜厚のSiO2を形成
し、その上に低圧CVD法を用いて200nmの膜厚の
多結晶シリコン膜を堆積した。この多結晶膜に、50ke
V のエネルギーに加速された酸素イオンを5×1016cm
-2のドーズで注入した。次いで、基板表面に常圧CVD
法を用いて100nmの膜厚のSiO2 を形成してから、
窒素雰囲気中でランプ加熱により1200℃の温度で1
分間程熱処理した。この基板表面にKrレーザ光を照射
したところ、550nm近傍にピーク波長を持つフォトル
ミネッセンスの発光が観察された。そこで、通常のフォ
トリソグラフィー工程によって、多結晶膜と酸化膜で被
われた基板表面の一部に開口部を設けて単結晶シリコン
を露出させ、そこに通常のMOSトランジスタを作製し
たところ、同時に未加工のシリコン基板上に作製したも
のに遜色なく動作した。このことから、波長変換素子と
電子素子とが共存し得ることが確認された。
【0019】[実施例3]4インチ径石英基板の表面上
に、RFマグネトロンスパッタ法によって400nmの膜
厚の非晶質シリコンを形成した。次いで、基板温度を4
00℃に保ちながら、酸素イオンシャワーに1時間ほど
晒した。この非晶質膜に可視光を除いた水銀ランプ光を
照射したところ、600nm近傍にピーク波長を持つフォ
トルミネッセンスの発光が観察された。
に、RFマグネトロンスパッタ法によって400nmの膜
厚の非晶質シリコンを形成した。次いで、基板温度を4
00℃に保ちながら、酸素イオンシャワーに1時間ほど
晒した。この非晶質膜に可視光を除いた水銀ランプ光を
照射したところ、600nm近傍にピーク波長を持つフォ
トルミネッセンスの発光が観察された。
【0020】図3は、本発明を発光素子に適用した第2
の実施態様を示す概略図である。図3において、符号5
及び6はそれぞれ、固体シリコンに各種不純物を導入す
ることによって形成されたp型領域及びn型領域を示
す。これらの領域の界面、即ちpn接合面の近傍には、
SiOx (0<x<2)を成分として含む領域8が形成
されている。p型領域5及びn型領域6の両端からpn
接合の順バイアス方向に電界を印加すると、接合界面7
で発生した電子及び正孔の一部が、それぞれの領域にお
いてSiOx に注入され、発光する。発光波長は第1の
実施態様で説明したように組成比xの値によって連続的
に変化するため、作製時にxの値を制御することによっ
て、所望の波長の光を発する素子を得ることができる。
の実施態様を示す概略図である。図3において、符号5
及び6はそれぞれ、固体シリコンに各種不純物を導入す
ることによって形成されたp型領域及びn型領域を示
す。これらの領域の界面、即ちpn接合面の近傍には、
SiOx (0<x<2)を成分として含む領域8が形成
されている。p型領域5及びn型領域6の両端からpn
接合の順バイアス方向に電界を印加すると、接合界面7
で発生した電子及び正孔の一部が、それぞれの領域にお
いてSiOx に注入され、発光する。発光波長は第1の
実施態様で説明したように組成比xの値によって連続的
に変化するため、作製時にxの値を制御することによっ
て、所望の波長の光を発する素子を得ることができる。
【0021】図4及び図5は、図3の素子からの光の取
り出し法を説明する斜視図である。図4及び図5におい
て、図3と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説
明は省略する。発光9は、図4のようにpn接合の断面
から取り出しても、図5のように接合面と直交する方向
に、Si中を透過させて取り出しても良い。素子作製技
術の観点からいえば、図4の素子の場合にはp型領域5
及びn型領域6を積層し、界面7に直交する断面を露出
させる方法か、平面内にp型領域5及びn型領域6を形
成する方法が用いられる。一方、図5の素子の場合に
は、Si中における発光9の透過距離の制限から、p型
領域5またはn型領域6の厚さには上限があり、波長の
選択によっては、浅い接合の形成技術を用いる必要が生
じる。また、SiOx を成分として含む領域8の幅は、
接合界面7からの距離がそれぞれ、電子及び正孔の拡散
長程度あれば十分であるが、それ以上或はそれ以下であ
っても支障はない。更に、領域8は、必ずしもp型領域
5及びn型領域6の両領域に亙って設けられている必要
はなく、何れか一方の領域にのみ設けられても構わな
い。
り出し法を説明する斜視図である。図4及び図5におい
て、図3と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説
明は省略する。発光9は、図4のようにpn接合の断面
から取り出しても、図5のように接合面と直交する方向
に、Si中を透過させて取り出しても良い。素子作製技
術の観点からいえば、図4の素子の場合にはp型領域5
及びn型領域6を積層し、界面7に直交する断面を露出
させる方法か、平面内にp型領域5及びn型領域6を形
成する方法が用いられる。一方、図5の素子の場合に
は、Si中における発光9の透過距離の制限から、p型
領域5またはn型領域6の厚さには上限があり、波長の
選択によっては、浅い接合の形成技術を用いる必要が生
じる。また、SiOx を成分として含む領域8の幅は、
接合界面7からの距離がそれぞれ、電子及び正孔の拡散
長程度あれば十分であるが、それ以上或はそれ以下であ
っても支障はない。更に、領域8は、必ずしもp型領域
5及びn型領域6の両領域に亙って設けられている必要
はなく、何れか一方の領域にのみ設けられても構わな
い。
【0022】本実施態様の発光素子において重要な点
は、接合界面の近傍に設けられたSiOx がpn接合の
ダイオード特性を損なわないこと、及び、SiOx の組
成比x、構造やSi中の濃度が、設定した発光波長、電
流注入効率に対して厳密に制御されていることである。
これらの点は全て、素子の作製方法、作製条件に関わっ
てくる。例えば、本実施態様の素子は、単結晶Si基板
の深さ方向へ表面と平行に予め形成されたpn接合に酸
素イオンを注入し、この基板を熱処理して結晶回復とS
iOx の結合・安定化を図ることによって作製される。
この場合、SIMOX法のように熱処理温度が高すぎる
と、SiO2 がSiと分離してしまうので、前記基板を
低い温度で熱処理する必要がある。
は、接合界面の近傍に設けられたSiOx がpn接合の
ダイオード特性を損なわないこと、及び、SiOx の組
成比x、構造やSi中の濃度が、設定した発光波長、電
流注入効率に対して厳密に制御されていることである。
これらの点は全て、素子の作製方法、作製条件に関わっ
てくる。例えば、本実施態様の素子は、単結晶Si基板
の深さ方向へ表面と平行に予め形成されたpn接合に酸
素イオンを注入し、この基板を熱処理して結晶回復とS
iOx の結合・安定化を図ることによって作製される。
この場合、SIMOX法のように熱処理温度が高すぎる
と、SiO2 がSiと分離してしまうので、前記基板を
低い温度で熱処理する必要がある。
【0023】本実施態様の発光素子の具体例を以下に示
す。
す。
【0024】[実施例4]初めに、4インチ径の単結晶
シリコン基板(〈100〉型,抵抗率0.01Ωcm)の
表面上に、CVDエピタキシャル成長法によって、10
16cm-3の濃度でリンをドーピングしながら、n型エピタ
キシャル層を20μm程の膜厚まで形成した。次いで、
このn型エピタキシャル層にボロンをドーズ量7×10
14cm-2、加速エネルギー30keV で注入し、これを窒素
雰囲気中で950℃で60分間アニールした。更に、1
20keV のエネルギーに加速された酸素イオンを1×1
016cm-2のドーズで注入し、窒素雰囲気中で1000℃
で30分間アニールした。この基板表面にITO膜を8
00Åの膜厚で形成し、基板裏面との間に5V程の電圧
で通電したところ、基板面方向に、600nm近傍にピー
ク波長を持つ発光が観察された。また、基板を劈開して
断面から観察したところ、接合界面と思われる領域から
発光していることが確認された。
シリコン基板(〈100〉型,抵抗率0.01Ωcm)の
表面上に、CVDエピタキシャル成長法によって、10
16cm-3の濃度でリンをドーピングしながら、n型エピタ
キシャル層を20μm程の膜厚まで形成した。次いで、
このn型エピタキシャル層にボロンをドーズ量7×10
14cm-2、加速エネルギー30keV で注入し、これを窒素
雰囲気中で950℃で60分間アニールした。更に、1
20keV のエネルギーに加速された酸素イオンを1×1
016cm-2のドーズで注入し、窒素雰囲気中で1000℃
で30分間アニールした。この基板表面にITO膜を8
00Åの膜厚で形成し、基板裏面との間に5V程の電圧
で通電したところ、基板面方向に、600nm近傍にピー
ク波長を持つ発光が観察された。また、基板を劈開して
断面から観察したところ、接合界面と思われる領域から
発光していることが確認された。
【0025】[実施例5]初めに、石英基板の表面上
に、低圧CVD法によって、1016cm-3の濃度でリンが
ドープされるようにn型多結晶Si膜を0.4μm程の
膜厚で形成した。次いで、このn型多結晶膜に、フォト
リソグラフィー工程とイオン注入・熱処理工程を用い
て、プレナー型のリング状ダイオードを形成した。最も
内側にある直径100μmの円形領域は、リンをドーズ
量2×1015cm-2、加速エネルギー150keV で注入し
てn+ 領域とし、その外周から10μm隔てた外側の幅
10μmのリング領域に、ボロンをドーズ量5×1015
cm-2、加速エネルギー30keV で注入してp+ 領域と
し、これを窒素雰囲気中で950℃で30分間アニール
した。更に、このp+ リング領域の内壁にある、イオン
注入されていないn領域との円筒状の接合界面から、両
領域にそれぞれ5μm入り込んだ都合幅10μmのリン
グ状領域に150keV のエネルギーに加速された酸素イ
オンを4×1016cm-2のドーズで注入し、窒素雰囲気中
で1000℃で30分間アニールした。この素子表面か
らp+ 領域とn+ 領域との間に5V程の電圧で通電し、
石英基板裏面から観察したところ、ちょうど接合界面に
対応すると思われる断面形状がリング形の発光が観察さ
れた。
に、低圧CVD法によって、1016cm-3の濃度でリンが
ドープされるようにn型多結晶Si膜を0.4μm程の
膜厚で形成した。次いで、このn型多結晶膜に、フォト
リソグラフィー工程とイオン注入・熱処理工程を用い
て、プレナー型のリング状ダイオードを形成した。最も
内側にある直径100μmの円形領域は、リンをドーズ
量2×1015cm-2、加速エネルギー150keV で注入し
てn+ 領域とし、その外周から10μm隔てた外側の幅
10μmのリング領域に、ボロンをドーズ量5×1015
cm-2、加速エネルギー30keV で注入してp+ 領域と
し、これを窒素雰囲気中で950℃で30分間アニール
した。更に、このp+ リング領域の内壁にある、イオン
注入されていないn領域との円筒状の接合界面から、両
領域にそれぞれ5μm入り込んだ都合幅10μmのリン
グ状領域に150keV のエネルギーに加速された酸素イ
オンを4×1016cm-2のドーズで注入し、窒素雰囲気中
で1000℃で30分間アニールした。この素子表面か
らp+ 領域とn+ 領域との間に5V程の電圧で通電し、
石英基板裏面から観察したところ、ちょうど接合界面に
対応すると思われる断面形状がリング形の発光が観察さ
れた。
【0026】次に、本発明を交流駆動型EL素子に適用
した第3の実施態様について説明する。前述のように、
従来よりグローディスチャージ法で堆積された非晶質の
シリコン酸化物(SiOx )やシリコン窒化物(SiN
x )が、フォトルミネッセンスを示すことは知られてい
る。本発明者らの研究では、シリコン酸化窒化物(Si
Ox Ny )も同様の発光を示すことが分かっている。本
実施態様はこのような現象を利用したものである。
した第3の実施態様について説明する。前述のように、
従来よりグローディスチャージ法で堆積された非晶質の
シリコン酸化物(SiOx )やシリコン窒化物(SiN
x )が、フォトルミネッセンスを示すことは知られてい
る。本発明者らの研究では、シリコン酸化窒化物(Si
Ox Ny )も同様の発光を示すことが分かっている。本
実施態様はこのような現象を利用したものである。
【0027】図6は、本実施態様のEL素子の構成例を
示す略断面図である。図6の素子は、シリコン化合物
(SiOx ,SiNx ,SiOx Ny )から成る発光層
10の両面に、この発光層10をサンドイッチにするよ
うに絶縁層11及び12が形成されている。更に、これ
らの絶縁層の外側に、電極13及び14が設けられてい
る。この素子に、電極13及び14を通して交流電源よ
り交流電圧15を印加すると、発光層10はエレクトロ
ルミネッセンスを発する。ここで、発光層10の抵抗が
十分に高ければ、絶縁層11及び12を省くことができ
る。また、素子の作製時に、発光層を構成するシリコン
化合物の組成比を制御することによって、所望の波長の
光を発する素子を得ることができる。
示す略断面図である。図6の素子は、シリコン化合物
(SiOx ,SiNx ,SiOx Ny )から成る発光層
10の両面に、この発光層10をサンドイッチにするよ
うに絶縁層11及び12が形成されている。更に、これ
らの絶縁層の外側に、電極13及び14が設けられてい
る。この素子に、電極13及び14を通して交流電源よ
り交流電圧15を印加すると、発光層10はエレクトロ
ルミネッセンスを発する。ここで、発光層10の抵抗が
十分に高ければ、絶縁層11及び12を省くことができ
る。また、素子の作製時に、発光層を構成するシリコン
化合物の組成比を制御することによって、所望の波長の
光を発する素子を得ることができる。
【0028】次に、シリコン化合物の形成方法について
説明する。第1の方法は、堆積によるものである。即
ち、予め用意した下部電極14の上に絶縁層12を形成
し、更にその上に所望のシリコン化合物を堆積して発光
層10とし、更に上部絶縁層11及び上部電極13を形
成する。堆積膜の、特に、低温で堆積されたシリコン化
合物は、一般に熱安定性に劣るので、堆積後に適当な雰
囲気中で熱処理を施して、構造及び組成を安定化する必
要がある。
説明する。第1の方法は、堆積によるものである。即
ち、予め用意した下部電極14の上に絶縁層12を形成
し、更にその上に所望のシリコン化合物を堆積して発光
層10とし、更に上部絶縁層11及び上部電極13を形
成する。堆積膜の、特に、低温で堆積されたシリコン化
合物は、一般に熱安定性に劣るので、堆積後に適当な雰
囲気中で熱処理を施して、構造及び組成を安定化する必
要がある。
【0029】第2の方法は、イオン注入を用いるもので
ある。即ち、第1の方法において、初めから所望のシリ
コン化合物を堆積する代わりに、純粋なシリコン層或は
シリコン化合物層を形成し、次いで、それらの酸素また
は窒素のイオンを注入することにより、最終的に所望の
組成のシリコン化合物を得る。この場合の、注入イオン
の活性化の必要に応じて、イオン注入後の熱処理を施
す。
ある。即ち、第1の方法において、初めから所望のシリ
コン化合物を堆積する代わりに、純粋なシリコン層或は
シリコン化合物層を形成し、次いで、それらの酸素また
は窒素のイオンを注入することにより、最終的に所望の
組成のシリコン化合物を得る。この場合の、注入イオン
の活性化の必要に応じて、イオン注入後の熱処理を施
す。
【0030】本実施態様のEL素子の具体例を以下に示
す。
す。
【0031】[実施例6]初めに、ガラス基板上に透明
電極材料In2 O3 を1000Åの膜厚で形成し、これ
を下部電極とした。次に、スパッタ法でSi3 N4 を2
000Åの膜厚で形成し、これを下部絶縁層とした。そ
して、この絶縁層の表面の一部に、グローディスチャー
ジ法でSiOx を5000Å程堆積し、更に先程と同様
の絶縁層でころを覆った。この段階で、基板全体を窒素
雰囲気中で400℃で熱処理し、SiOx を安定化し
た。ここで、組成比xは1.1とした。この後、SiO
x 層より広い面積のAl膜を3000Åの膜厚で形成
し、これを上部電極とした。最後に、AL膜からずれた
位置のSi3 N4 絶縁層に開口部を設け、In2 O3 下
部電極を一部露出させた。
電極材料In2 O3 を1000Åの膜厚で形成し、これ
を下部電極とした。次に、スパッタ法でSi3 N4 を2
000Åの膜厚で形成し、これを下部絶縁層とした。そ
して、この絶縁層の表面の一部に、グローディスチャー
ジ法でSiOx を5000Å程堆積し、更に先程と同様
の絶縁層でころを覆った。この段階で、基板全体を窒素
雰囲気中で400℃で熱処理し、SiOx を安定化し
た。ここで、組成比xは1.1とした。この後、SiO
x 層より広い面積のAl膜を3000Åの膜厚で形成
し、これを上部電極とした。最後に、AL膜からずれた
位置のSi3 N4 絶縁層に開口部を設け、In2 O3 下
部電極を一部露出させた。
【0032】上記のように作製した素子の上下の電極間
に、200V,1kHz の矩形波交流電圧を印加したとこ
ろ、ガラス基板側から可視のEL発光が確認できた。
に、200V,1kHz の矩形波交流電圧を印加したとこ
ろ、ガラス基板側から可視のEL発光が確認できた。
【0033】[実施例7]初めに、石英基板上に透明電
極材料In2 O3 を2000Åの膜厚で形成し、これを
下部電極とした。次に、LPCVD法でSi3 N4 を2
000Åの膜厚で形成し、これを下部絶縁層とした。そ
して、同じくLPCVD法で多結晶シリコンを4000
Åの膜厚で堆積した。この多結晶シリコン膜に、90ke
V のエネルギーに加速された窒素イオンを5×1016cm
-2のドーズで注入し、更に窒素雰囲気中で800℃で熱
処理した。この多結晶シリコン膜を、通常のフォトリソ
グラフィー工程で500μm角の領域を残してパターニ
ングした後に、先と同様のSi3 N4 膜で被覆した。こ
の後、残された多結晶シリコン膜より広い面積のAl膜
を3000Åの膜厚で形成し、上部電極とした。最後
に、AL膜からずれた位置のSi3 N4 絶縁層に開口部
を設け、In2 O3 下部電極を一部露出させた。
極材料In2 O3 を2000Åの膜厚で形成し、これを
下部電極とした。次に、LPCVD法でSi3 N4 を2
000Åの膜厚で形成し、これを下部絶縁層とした。そ
して、同じくLPCVD法で多結晶シリコンを4000
Åの膜厚で堆積した。この多結晶シリコン膜に、90ke
V のエネルギーに加速された窒素イオンを5×1016cm
-2のドーズで注入し、更に窒素雰囲気中で800℃で熱
処理した。この多結晶シリコン膜を、通常のフォトリソ
グラフィー工程で500μm角の領域を残してパターニ
ングした後に、先と同様のSi3 N4 膜で被覆した。こ
の後、残された多結晶シリコン膜より広い面積のAl膜
を3000Åの膜厚で形成し、上部電極とした。最後
に、AL膜からずれた位置のSi3 N4 絶縁層に開口部
を設け、In2 O3 下部電極を一部露出させた。
【0034】上記のように作製した素子の上下の電極間
に、250V,5kHz の矩形波交流電圧を印加したとこ
ろ、基板裏面側からEL発光が確認できた。
に、250V,5kHz の矩形波交流電圧を印加したとこ
ろ、基板裏面側からEL発光が確認できた。
【0035】[実施例8]初めに、低抵抗の単結晶シリ
コン基板上に熱酸化によって2000Åの膜厚のSiO
2 膜を形成し、基板を下部電極、酸化膜を下部絶縁層と
した。次に、グローディスチャージ法でSiOx を50
00Å程堆積し、この膜に150keV のエネルギーに加
速された窒素イオンを2×1016cm-2のドーズで注入し
た。このSiOx Ny 膜を、通常のリソグラフィー工程
で1mm角の領域を残してパターニングした後に、APC
VD法によって膜厚2000ÅのSiO2 膜で被覆し
た。ここで、窒素雰囲気中で800℃で熱処理した後
に、SiOx Ny 膜より広い面積のITO膜を2000
Åの膜厚で形成し、上部電極とした。
コン基板上に熱酸化によって2000Åの膜厚のSiO
2 膜を形成し、基板を下部電極、酸化膜を下部絶縁層と
した。次に、グローディスチャージ法でSiOx を50
00Å程堆積し、この膜に150keV のエネルギーに加
速された窒素イオンを2×1016cm-2のドーズで注入し
た。このSiOx Ny 膜を、通常のリソグラフィー工程
で1mm角の領域を残してパターニングした後に、APC
VD法によって膜厚2000ÅのSiO2 膜で被覆し
た。ここで、窒素雰囲気中で800℃で熱処理した後
に、SiOx Ny 膜より広い面積のITO膜を2000
Åの膜厚で形成し、上部電極とした。
【0036】上記のように作製した素子のITO膜とシ
リコン基板裏面との間に、300V,0.5kHz の矩形
波交流電圧を印加したところ、基板表面側からEL発光
が確認できた。
リコン基板裏面との間に、300V,0.5kHz の矩形
波交流電圧を印加したところ、基板表面側からEL発光
が確認できた。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学素子
は、シリコン化合物の発光現象を利用した構成としたの
で、シリコン系半導体回路と同一基板上にモノリシック
に形成することが可能となった。また、本発明の方法を
用いることによって、制御性良く、高能率に光学素子が
作製できる効果が得られた。
は、シリコン化合物の発光現象を利用した構成としたの
で、シリコン系半導体回路と同一基板上にモノリシック
に形成することが可能となった。また、本発明の方法を
用いることによって、制御性良く、高能率に光学素子が
作製できる効果が得られた。
【図1】本発明の第1の実施態様の素子を作製する方法
を説明するための略断面図である。
を説明するための略断面図である。
【図2】本発明の第1の実施態様の素子の構成を示す略
断面図である。
断面図である。
【図3】本発明の第2の実施態様の発光素子の構成を示
す概略図である。
す概略図である。
【図4】図3の素子からの光の取り出し方の一例を示す
概略斜視図である。
概略斜視図である。
【図5】図3の素子からの光の取り出し方の他の例を示
す概略斜視図である。
す概略斜視図である。
【図6】本発明の第3の実施態様のEL素子の構成を示
す略断面図である。
す略断面図である。
1 基板の表面 2 酸素原子または酸素分子 3 基板の内部 4 SiOx を含む領域 5 p型領域 6 n型領域 7 接合界面 8 SiOx を含む領域 9 発光 10 発光層 11 上部絶縁層 12 下部絶縁層 13 上部電極 14 下部電極 15 交流電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 G02F 1/00 H05B 33/00
Claims (8)
- 【請求項1】 シリコン表面に運動エネルギーの高い酸
素原子または酸素分子を照射した後、熱処理することに
よって形成されたSiOx (0<x<2)を成分として
含み、前記SiOx がフォトルミネッセンス効果を示す
ことを利用して、入射した光の波長とは異なる波長の光
を得る波長変換素子として用いることを特徴とする光学
素子。 - 【請求項2】 前記SiOx がシリコン系半導体電子回
路と同一基板上に形成されている請求項1の光学素子。 - 【請求項3】 請求項1に記載の光学素子の作製方法に
おいて、シリコンの表面に運動エネルギーの高い酸素原
子または酸素分子を照射することによって、前記シリコ
ン中に酸素を注入する過程と、酸素が注入されたシリコ
ンを熱処理することによって酸素とシリコンとを結合さ
せ、SiOx (0<x<2)を形成する過程とから成る
光学素子の作製方法。 - 【請求項4】 前記酸素原子をイオン化し、この酸素イ
オンを電界によって加速してシリコンの表面に照射する
請求項3記載のの光学素子の作製方法。 - 【請求項5】 pn接合を有するシリコンのpn接合近
傍にSiOx (0<x<2)を成分として含む領域が設
けられて成る発光素子。 - 【請求項6】 pn接合を有するシリコンを形成する過
程と、前記シリコンのpn接合近傍に運動エネルギーの
高い酸素原子または酸素分子を照射することによってシ
リコン中に酸素を注入する過程と、酸素が注入されたシ
リコンを熱処理することによって酸素とシリコンとを結
合させ、SiOx (0<x<2)を形成する過程とから
成る発光素子の作製方法。 - 【請求項7】 シリコン酸化物、シリコン窒化物または
シリコン酸化窒化物から成る発光層を有する交流駆動型
エレクトロルミネッセンス素子。 - 【請求項8】 シリコンまたはシリコン化合物に酸素ま
たは窒素のイオンを注入する過程と、イオンが注入され
たシリコンまたはシリコン化合物を熱処理して発光層と
する過程とから成る交流駆動型エレクトロルミネッセン
ス素子の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1652292A JP3143510B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | 光学素子及びその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1652292A JP3143510B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | 光学素子及びその作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05218494A JPH05218494A (ja) | 1993-08-27 |
| JP3143510B2 true JP3143510B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=11918609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1652292A Expired - Fee Related JP3143510B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | 光学素子及びその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3143510B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4161745B2 (ja) | 2003-03-06 | 2008-10-08 | 株式会社デンソー | 光学素子およびその製造方法 |
-
1992
- 1992-01-31 JP JP1652292A patent/JP3143510B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05218494A (ja) | 1993-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fauchet | Progress toward nanoscale silicon light emitters | |
| JPH11135830A (ja) | 半導体装置 | |
| JPS58115864A (ja) | 半導体装置 | |
| JPH06338631A (ja) | 発光素子及びその製造方法 | |
| US12125933B2 (en) | Method for manufacturing a uv-radiation detector device based on sic, and uv- radiation detector device based on sic | |
| JPH06145660A (ja) | ルミネセンス物質を有する装置及びその製造方法 | |
| JP2004296950A (ja) | 発光素子と発光装置並びに情報ディスプレイ装置 | |
| WO2015123913A1 (zh) | 制作低温多晶硅薄膜晶体管和阵列基板的方法 | |
| CN105518864A (zh) | 半导体元件及其制造方法、以及半导体集成电路 | |
| JP3143510B2 (ja) | 光学素子及びその作製方法 | |
| KR19990044863A (ko) | 발광 디바이스 | |
| JP2006269421A (ja) | 電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法 | |
| JP3666683B2 (ja) | 発光素子およびその製造方法 | |
| JP3210166B2 (ja) | 超微結晶シリコン発光材料、その製造方法、超微結晶シリコン発光材料を用いた素子およびその製造方法 | |
| CN101855709A (zh) | 通过光通量加热晶片的方法 | |
| JP2813990B2 (ja) | 窒化ホウ素を用いた電子装置の作製方法 | |
| US7112862B2 (en) | Light emitting and/or detecting device and method of manufacturing the same | |
| US20120104382A1 (en) | Photo diode, method of manufacturing the photo-diode, and photo sensor including the photo diode | |
| JPH0846237A (ja) | シリコン発光ダイオード | |
| WO2006011237A1 (ja) | 発光素子と発光装置並びに情報ディスプレイ装置 | |
| KR920007124A (ko) | 폴리 에미터 바이폴라 트랜지스터의 제조방법 | |
| JP3034528B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| JP4061413B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| JPH1197708A5 (ja) | 半導体装置の作製方法 | |
| KR100361696B1 (ko) | 쇼트키베리어다이오드 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20001205 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |