JPH06140669A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １０ｎｍ以下の寸法を持つ極微細なシリコン
量子細線からなる高効率発光素子及びその製造方法の提
案。 【構成】 基板上に絶縁膜を介して形成された太さ０．
０１μｍ以下の量子細線中に形成されたｐ−ｎ接合から
なる基本構成において、量子細線の両端からキャリアを
注入する。 【効果】 シリコン集積回路プロセスと互換性があり、
かつ高効率な発光特性を示すデバイスを実現可能。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超高密度、超高速シリコ
ン発光素子及びその製造方法に関し、更に詳述すれば、
複数の原子を一列、あるいは平面的又は立体的に複数
列、もしくは環状又は球状に秩序立てて或いはランダム
に並べることにより形成したシリコン量子細線からなる
発光素子及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体発光素子は砒化ガリウム
（ガリウム砒素）等の直接遷移特性を持ついわゆる化合
物半導体によって構成されていた。この理由は、例えば
シリコンのような間接遷移半導体においては発光効率が
著じるしく低いため、通常の電流注入方法によって実用
可能な程度の発光特性を得ることが不可能であったため
である。従って発光素子が必要な場合には、直接遷移特
性を持つ化合物半導体を用いることを余儀なくされてい
たが、このためにシリコン集積回路からなる情報処理素
子と化合物半導体からなる発光素子を同一チップ上に集
積することは困難を極めた。これを解決する一つの手段
として、化合物半導体をシリコン上に形成するいわゆる
ガリウム砒素オンシリコンや、ゲルマニウムとシリコン
の超格子からなる発光素子が提案されているが、結晶の
品質等、未だ実用化のレベルには達していないのが現状
である。又、プロセス温度等シリコン集積回路技術との
互換性にも問題があるため、実用までには解決すべき技
術課題が山積している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の限界を超えるためになされたもので、シリコン集積回
路技術と完全に互換性のある極微細なシリコン量子細線
構造によるシリコン発光素子及びその製造方法を開示す
るものである。例えば陽極酸化法で作製したシリコン量
子球は、その寸法が縮小するにつれ、量子閉じ込め効果
によって発光効率が向上し、光波長500nm程度の光励起
による発光現象が報告されているが、この構造では、電
流注入による発光は全く期待できない。電流注入による
発光デバイスは、今後の高性能情報処理あるいは大容量
通信にとって不可欠な技術である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明においては、上記
課題を解決する手段として、０．０１μｍ以下の直径寸
法を持つ量子細線を発光素子として使用する。この量子
細線中にp-n接合を形成し電流を注入すれば、電子及び
正孔はp-n接合部で再結合するため、効率の高い発光現
象が起る。

【０００５】

【作用】本発明で開示する量子細線p-n接合の基本構造
とその作用を説明する。図１は本発明の基本的な構造を
断面図で示したものである。基板１上に絶縁膜２を介し
て形成された量子細線３からなる基本構成において、量
子細線３中にｎ領域６とｐ領域７を形成し、各々の領域
の両端を各々電極４及び５に接続すると、電極４から注
入された電子と電極５から注入された正孔は、領域６と
領域７の接合面であるp-n接合で再結合する。

【０００６】通常のシリコン半導体中に形成されたp-n
接合では、バンド構造が間接遷移であるため再結合の効
率が著しく低く、発光現象はほとんど観測できない。し
かしながら量子細線３中に形成されたp-n接合では、微
小な構造に特有の量子効果が現われバンド構造が変化
し、このキャリア閉じ込め効果のためにシリコンにおい
ても高い効率の発光現象が観測可能になる。

【０００７】即ち本発明の骨子は、量子細線中に形成し
たp-n接合の高い量子効率を利用し、シリコン発光素子
を実現することにある。更に本発明は前述のような高効
率シリコン発光素子を可能にする量子構造の製造方法を
開示する。

【０００８】

【実施例】以下本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

【０００９】（実施例１）図２は発光ダイオードの構造
を模式的に示したものである。量子細線中にｎ型半導体
領域１１及びｐ型半導体領域１２を形成し、各々取り出
し電極１４及び１５に接続する。電極１４から電子を、
電極１５から正孔を、各々量子細線中に注入すると、領
域１１、１２の界面に存在するｐ−ｎ接合面１３で電子
と正孔が再結合する。通常のシリコン半導体中であれ
ば、間接遷移であるため再結合に伴うエネルギは熱とし
て観測されるが、直径が１０ｎｍ以下の量子細線中では
バンド構造が変化するため、発光現象が観測される。

【００１０】量子細線の直径を５ｎｍ以下とすると、特
に発光効率が向上し、又発光の中心波長も短くなる。例
えば直径が５ｎｍの場合は中心波長が５５０ｎｍである
が、３ｎｍとすると５００ｎｍになる。発光スペクトル
の半値幅は何れも約２０ｎｍである。効率は約１０％で
あった。

【００１１】ｎ型領域１１の不純物濃度は10¹⁹/cm³以
上、p型領域１２の不純物濃度も10¹⁹/cm³以上必要であ
った。この理由はｐ領域ｎ領域共にキャリアが縮退して
いることが発光現象に必要なためである。不純物濃度１
０²⁰/cm³以上の場合に発光効率が実用的な値となった。
又温度を下げることにより、更に効率を向上可能であっ
た。

【００１２】発明者らの検討では、特にｐ−ｎ接合面で
のキャリア分布の急峻さが発光効率を決めることが分か
っている。ｎ領域からｐ領域への遷移領域の幅が１００
ｎｍ以上では発光現象は観測されず、１０ｎｍ程度以下
の寸法で高い発光効率が得られた。この現象も量子効果
が原因と考えられる。即ち量子細線中のキャリア閉じ込
め効果は、１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度の寸法から発現する
ことが発明者らの検討で分かった。

【００１３】（実施例２）本実施例では量子細線構造か
らなるレーザについて開示する。図３は量子細線中にｎ
型半導体領域１１及びｐ型半導体領域１２を形成し、各
々取り出し電極１４及び１５に接続した状態を示す。電
極１４から電子を、電極１５から正孔を、各々量子細線
中に注入すると、領域１１、１２の界面に存在するｐ−
ｎ接合面１３で電子と正孔が再結合する。この再結合に
伴い、ｐ−ｎ接合面から発光現象が観測された。この構
造を反射鏡１６中に置くと、反射鏡間の距離に対応した
レーザ発光が起こる。本実施例では反射鏡の間隔を２０
００ｎｍとすることにより、５００ｎｍの鋭いピークを
持つ発光が観測できた。

【００１４】（実施例３）本実施例では発光強度を強く
するために、複数の原子細線からの発光を集める、多重
発光レーザについて開示する。図４は原子細線中にｎ型
半導体領域１１及びｐ型半導体領域１２を形成し、各々
取り出し電極１４及び１５に接続した状態を示す。電極
１４から電子を、電極１５から正孔を、各々量子細線中
に注入すると、領域１１、１２の界面に存在するｐ−ｎ
接合面１３で電子と正孔が再結合する。 ここで原子細
線とその中に形成したｐ−ｎ接合１３を複数設けること
により、レーザとしての発光強度は原子細線の本数分だ
け強くなる。両端に反射鏡１６を設けることにより、レ
ーザ発振が起こる。この場合には、図５に示すように約
５３０ｎｍにピーク強度を持つレーザ発振を実現でき
た。

【００１５】（実施例４）本実施例ではＣＶＤ法で堆積
した酸化シリコン膜の表面特性を利用した量子細線の形
成方法について開示する。図６（ａ）は基板２１に凹部
２２を形成した状態を示す。図６（ｂ）はこのような構
造の基板似ＣＶＤ法で酸化シリコン膜２３を堆積し、更
に希釈したフッ化水素酸水溶液でエッチングし、トレン
チ２４を形成した状態を示す。このようなトレンチ２４
が形成される理由はＣＶＤ法で堆積された酸化シリコン
膜の表面は安定化されているため、トレンチ内が徐々に
酸化シリコン膜で埋められ最終的に左右から２つの表面
が出会って完全に埋められたように見えても、実際には
これらの表面は化学的に完全に結合しておらず、フッ化
水素酸水溶液でエッチングすると、この界面が急速にエ
ッチングされるためである。従って十分に希薄なエッチ
ング液を用いることによりトレンチ２４の幅を制御可能
である。

【００１６】このような現象は一般的に絶縁膜の堆積層
に起こり、多結晶シリコン等の半導体では観測されな
い。これは原子間の結合状態の差異に起因すると考えら
れる。図６（ｃ）はこのように用意した基板にＣＶＤ法
により多結晶シリコンを堆積し、反応性イオンエッチン
グでエッチングして、量子細線２５を実現した状態を示
す。量子細線２５の材質はタングステン、モリブデン、
アルミニウム等の金属も用いることができる。図６
（ｄ）はこのようにして構成した量子細線構造に保護膜
２６を被覆した状態を示す。保護膜２６の組成はシリコ
ン酸化膜、シリコン窒化膜等の緻密な絶縁膜が適してい
る。

【００１７】ｎ型（１１１）面、１０Ωｃｍのシリコン
ウエハに電子線リソグラフィ技術とマイクロ波プラズマ
エッチング技術により深さ１００ｎｍ、幅１００ｎｍの
凹部を形成し、アンモニア水溶液と過酸化水素水からな
る、いわゆるＲＣＡ洗浄液で表面を十分に洗浄して清浄
化した。減圧ＣＶＤ法で酸化シリコン膜を厚さ７０ｎｍ
堆積し、凹部を酸化シリコンで完全に埋めた。このよう
な構造を用意した後、５０％フッ化水素酸水溶液を純水
で１００倍に希釈したエッチング液で１０秒間エッチン
グし、超純水で約１０分間洗浄した。このエッチングに
より、酸化シリコン膜の表面が出会った部分のみが急速
にエッチングされ、幅５ｎｍ、深さ３０ｎｍのトレンチ
が形成できた。減圧ＣＶＤ法で堆積した酸化シリコン膜
厚が十分に厚い場合には、反応性イオンエッチングある
いはマイクロ波プラズマエッチングによって、酸化シリ
コン膜表面を多少除去することも有効である。しかる
後、多結晶シリコンをモノシラン（ＳｉＨ₄）を原料ガ
スとした減圧ＣＶＤ法で厚さ５０ｎｍ堆積後、マイクロ
波プラズマエッチング法で約５０ｎｍ分異方性エッチン
グすると、トレンチ中に太さ４ｎｍの多結晶シリコンの
細線が形成された。

【００１８】本実施例において基板２１の材質、絶縁膜
２３の材質、厚さ、量子細線２５の材質等はここに例示
したものに限らないことは言うまでもない。基板２１は
グラファイト、二硫化モリブデン等の層間化合物、ヒ化
ガリウム等の半導体、石英等の絶縁体等電気的に絶縁作
用の有る材料或いはその上に電気的に絶縁作用の有る材
料を形成できる材料であれば原理的に使用可能である。
絶縁膜２３は一般的には酸化シリコンが適当であるが、
窒化シリコン、酸化アルミニウム等の絶縁材料を用いる
ことができる。量子細線２５の材質は導電体であれば特
にここに挙げたものに留まらない。

【００１９】更に多結晶シリコンを堆積後、ｎ型不純物
及びｐ型不純物を各々ドープし、熱処理等によって活性
化すると、所望の量子細線構造中にｐ−ｎ接合を形成可
能である。ここに述べた実施例において、各プロセスパ
ラメータはいずれも熟練した研究者であれば適切な組合
せを選択可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明による量子細線レーザによれば、従来の化合物半導体
によるレーザと比較して、シリコン集積回路プロセスと
互換性のあるシリコン量子細線レーザを実現可能であ
り、この構造を用いることにより、シリコン集積回路上
に容易に光集積回路をを実現可能となるため、実用上の
インパクトは計り知れないものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による量子細線発光素子の原理を示す
図。

【図２】本発明による発光ダイオードの実施例を示す
図。

【図３】本発明による発光レーザの実施例を示す図。

【図４】本発明による多重発光レーザの実施例を示す
図。

【図５】量子細線発光素子からの発光スペクトルを示す
図。

【図６】量子細線発光素子の実現方法の一例を示す図。

【符号の説明】

１，２１…基板、２，２３…絶縁膜、３，１３…ｐ−ｎ
接合、６，１１…ｎ型領域、７，１２…ｐ型領域、４，
５，１４、１５…電極、１６…反射板、２５…量子細
線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須藤 敬己 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 吉村 俊之 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｐ−ｎ接合を持つシリコンの量子細線から
   なり、接合域に電子と正孔とを注入することを特徴とす
   る発光素子。
2. 【請求項２】シリコン量子細線が直径１０ｎｍ以下とさ
   れ、長さ方向にｐ−ｎ接合が形成されていることを特徴
   とする請求項１記載の発光素子。
3. 【請求項３】シリコン量子細線が複数個並列に設けられ
   るを特徴とする請求項１記載の発光素子。
4. 【請求項４】ｐ−ｎ接合を持つシリコンの量子細線と接
   合部をはさむ形で配列された反射鏡からなり、接合域に
   電子と正孔とを注入することを特徴とする発光素子。
5. 【請求項５】シリコン量子細線が複数個並列に設けられ
   るを特徴とする請求項４記載の発光素子。
6. 【請求項６】基板と、基板中に形成した十分に小さい寸
   法の溝からなる構造において、溝内に絶縁膜を堆積する
   工程と、該絶縁膜をエッチングして微小な開口部を設け
   る工程と、該開口部中に導電体を形成する工程を少なく
   とも含むことを特徴とするシリコン発光素子の製造方
   法。