CN100364118C - 发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
发光元件(10)具有：设在Si基板(1)的表面上的β-FeSi2膜(2)，设在Si基板(1)的背面侧的第一电极(3)，和设在β-FeSi2膜(2)的表面侧的第二电极(4)。β-FeSi2膜(2)具有与Si基板(1)不同的导电类型。在Si基板(1)与β-FeSi2膜(2)之间形成pn结。β-FeSi2膜(2)作为发光层发挥功能。其发光特性不受基板的种类或纯度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及发光元件及其制造方法。
背景技术
近年来，β-FeSi2引起注目。β-FeSi2资源上是丰富的，是无害而化学上安定的半导体。β-FeSi2是禁止带宽大约0.85eV的直接迁移型半导体。β-FeSi2向Si基板上的外延生长是可能的。因此，β-FeSi2可望作为环境负载小的，下一代的发光·受光元件用材料。
但是，关于β-FeSi2的特性有很多不明之处。迄今还没有观测到从连续的β-FeSi2膜发光这样的报告。有观测到从通过离子注入法或分子外延(MBE)法在Si(100)基板上埋入的FeSi2微晶粒发出光致发光(PL)的报告。但是，该发光如果使基板升温则立即熄灭。因此，应用到发光元件很难。此外，该发光强烈地依存于基板的种类(FZ或CZ)和微晶粒的大小。因此，发光的控制很难。
发明内容
本发明的课题在于提供一种在Si基板上有β-FeSi2膜的发光元件。
在一个侧面，本发明涉及发光元件。此发光元件具有：Si基板，与Si基板接触的β-FeSi2膜，以及设在Si基板的两侧的第一和第二电极。β-FeSi2膜具有与Si基板的导电类型不同的导电类型。第一和第二电极夹着Si基板和β-FeSi2膜。
在本发明的发光元件中，在Si基板与β-FeSi2膜之间形成pn结。如果经由第一和第二电极向此发光元件注入电流，则β-FeSi2膜发光。由于在Si基板上连续地配置的β-FeSi2膜作为发光层发挥功能，所以此发光元件的发光特性不容易受基板的种类或纯度的影响。
在另一侧面，本发明涉及发光元件的制造方法。此方法，制造具有：Si基板，与Si基板接触的β-FeSi2膜，以及设在Si基板的两侧的第一和第二电极的发光元件。β-FeSi2膜具有与Si基板的导电类型不同的导电类型。第一和第二电极夹着Si基板和β-FeSi2膜。此方法，包括：加热清洗Si基板；在第一温度下在Si基板上形成由β-FeSi2组成的初期层；在比第一温度高的第二温度下使初期层生长而形成β-FeSi2膜；以及在比第二温度高的第三温度下退火β-FeSi2膜。
此方法可以制造上述发光元件。形成初期层，然后通过使之生长，可以在Si基板上形成具有高结晶性的β-FeSi2膜。
本发明，根据以下的详细地说明和附图，可以更充分地理解。附图只不过是举例表示。因而，不能认为附图是限定本发明者。
本发明的更多的运用范围，从以下的详细说明变得显而易见。但是，此详细说明和特定的例子，虽然表示本发明的最佳形态，但是只不过是举例表示。在本发明的精神与范围内的种种的变形和变更，根据此详细说明对本专业的技术人员是显而易见的。
附图说明
图1是表示根据实施方式的发光元件的剖视图。
图2是图1中所示的发光元件的俯视图。
图3是表示电流注入图1中所示的发光元件时的EL强度的曲线图。
图4是表示关于Si基板上的未退火的β-FeSi2膜的X射线衍射分析结果的曲线图。
图5是针对Si基板上的未退火的β-FeSi2膜表示光子能量与吸收系数的关系的曲线图。
具体实施方式
下面，一边参照附图一边详细地说明本发明的实施方式。再者，在附图的说明中对同一要素赋予同一标号，省略重复的说明。
第一实施方式
图1是表示根据本发明的第一实施方式的发光元件10的剖视图。图2是发光元件10的俯视图。发光元件10由Si基板1、β-FeSi2膜2、下部电极3和上部电极4来构成。β-FeSi2膜2和上部电极4设在基板1的表侧。下部电极3设在基板1的背侧。下部电极3和上部电极4夹着基板1和β-FeSi2膜2。
Si基板1是通过切赫拉耳斯基(CZ：Czochraski)法所制造的n型的Si(111)基板，也就是具有面方位(111)的主面的基板。基板的尺寸为2英寸。基板1具有位于相反侧的表面1A和背面1B。
β-FeSi2膜2覆盖Si基板1的表面1A地设在Si基板1上。β-FeSi2膜2具有位于相互相反侧的表面2A和背面2B。背面2B与Si基板1的表面1A接触。β-FeSi2膜的厚度优选是100～250nm，更优选是100～200nm。在本实施方式中，β-FeSi2膜2的厚度为200nm。β-FeSi2膜2的导电类型与Si基板1不同，为p型。
第一电极3，如图1中所示，覆盖Si基板1的背面1B的全体地设在Si基板1上。电极3由Al金属组成。
第二电极4，如图1和图2中所示，等间隔地设在β-FeSi2膜2的表面2A上。电极4的平面形状为圆形。电极4与电极3同样由Al金属组成。
接下来就发光元件10的制造方法进行说明。首先，使Si基板1的温度上升，进行基板1的加热清洗。在此清洗工序中，在2×10-7Torr的本底压力(background pressure)的基础上使基板1的温度上升到850℃，维持该温度30分钟。
接着，在施行了加热清洗的基板1的表面1A上形成β-FeSi2的薄的初期层。为在初期层的形成，用高真空溅射装置，具体地说具有负载锁定装置的RF磁控管溅射装置。可以用公知的RF磁控管溅射装置。RF磁控管溅射装置可以低温且高速地形成β-FeSi2膜。
生长温度优选是440～550℃，更优选是480～520℃。在本实施方式中，生长温度为500℃。在此温度下溅射纯度99.99％的Fe靶子形成β-FeSi2初期层。此初期层的导电类型为p型。初期层的厚度，优选是5～80nm。在本实施方式中，初期层的厚度为20nm。在初期层的形成中，把氩气压力控制成3×10-3Torr。
接着，使形成了初期层的基板1的温度在RF磁控管溅射装置内上升到730～760℃，以35nm/小时的速度使β-FeSi2初期层生长到200nm的厚度。β-FeSi2的膜厚通过用扫描电镜(SEM)观察膜的断面来测定。所得到的β-FeSi2膜具有几乎平坦的表面。其导电类型为p型。β-FeSi2膜的空穴浓度在室温下大致为1018cm-3，其空穴移动度在室温下为大约20cm2/V·s。
接着，退火β-FeSi2膜。借此可以得到本实施方式的发光元件10的β-FeSi2膜。热退火的温度优选是790～850℃。在本实施方式中，退火温度为800℃。在此热退火中，使形成了β-FeSi2膜的Si基板1暴露于800℃的氮气气氛20小时。此热退火在石英管中进行。β-FeSi2膜的导电类型仍然为p型。结果，在n型的Si基板1与p型的β-FeSi2膜2之间形成pn结。在800℃下退火β-FeSi2膜2后，其空穴密度减少到在室温下大致为1016cm-3，其空穴移动度增加到在室温下100cm2/V·s。
接着，在Si基板1的表侧和背侧形成电极。具体地说，在Si基板1的背面1B上真空沉积Al金属形成下部电极3。此外，在β-FeSi2膜2的表面2A上用掩模真空沉积Al金属形成上部电极4。下部电极3与上部电极4先形成哪一个都可以。如果形成了这些电极3和4，则本实施方式的发光元件10完成。
如果通过Al电极3和4向这样得到的p型β-FeSi2膜2/n型CZ-Si基板1异质结构注入直流电流，则在室温下1.5μm带的发光被确认。图3中示出电致发光(EL)光谱的顺向电流依存性。从图3可以看出，越注入高的电流EL强度越强。
发光元件10作为发光层有连续地设在Si基板1上的β-FeSi2膜。因此，其发光特性不容易受基板的种类或纯度的影响。因而，发光元件10的制造工序的控制是容易的。
可用溅射制造具有均一的多个发光元件10的大面积的晶片。由于溅射简易而低成本，所以发光元件10也可以低成本地批量生产。
第二实施方式
下面说明本发明的第二实施方式。本发明者们发现，如果在更高的温度下进行β-FeSi2膜的退火，则β-FeSi2膜的导电类型从p型变成n型。在本实施方式中，利用此导电类型的变化，制造了在p型的Si基板上有n型的β-FeSi2膜的发光元件。
本实施方式的发光元件20，与第一实施方式同样，具有图1中所示的构成。但是，基板1的种类和导电类型与β-FeSi2膜2的导电类型与第一实施方式不同。
Si基板1是通过浮游带域(FZ)法所制造的p型的Si(111)基板。基板的尺寸为2英寸。
β-FeSi2膜2的导电类型与Si基板1不同，为n型。β-FeSi2膜2覆盖Si基板1的表面1A的全体地设在Si基板1上。
接下来，就发光元件20的制造方法进行说明。此方法与上述第一实施方式同样，包括清洗工序、初期层形成工序、生长工序和退火工序。
在清洗工序中，与第一实施方式同样，在2×10-7Torr的本底压力的基础上使基板1的温度上升到850℃，维持该温度30分钟。
在初期层形成工序中，溅射纯度99.99％的Fe靶子，形成厚度5～80nm的β-FeSi2初期层。生长温度为450℃。初期层的导电类型为p型。溅射用RF磁控管溅射装置。在初期层的形成中，氩气压力控制成3×10-3Torr。
在生长工序中，使形成了初期层的基板1的温度在RF磁控管溅射装置内上升到700～760℃，使β-FeSi2初期层生长到250nm的厚度。β-FeSi2膜的导电类型仍然为p型。β-FeSi2膜的空穴浓度在室温下大致为2×1018cm-3，其空穴移动度在室温下为20cm2/V·s。
接着，退火β-FeSi2膜。热退火的温度优选是880～900℃。在本实施方式中，退火温度为890℃。在此热退火中，使形成了β-FeSi2膜的Si基板1暴露于890℃的氮气气氛20小时。此热退火在石英管中进行。通过热退火，β-FeSi2膜的导电类型从p型变成n型。结果，在p型的Si基板1与n型的β-FeSi2膜2之间形成pn结。通过890℃退火，载流子浓度降低，移动度上升。具体地说，可以得到3～10×1016cm-3的电子浓度，和最大230cm2/V·s的移动度。
退火工序后，与第一实施方式同样形成上部电极3和下部电极4。借此，完成本实施方式的发光元件20。
如果通过Al电极3和4向这样得到的n型β-FeSi2膜2/p型FZ-Si基板1异质结构注入直流电流，则在室温下发光元件20可以发光。这样一来，在本实施方式中也是，可以得到作为发光层具有连续地设在Si基板1上的β-FeSi2膜2的发光元件20。
本发明者们就在Si基板1上所生长的退火前的β-FeSi2膜进行了X射线衍射分析。图4是表示其结果的曲线图。此X射线衍射分析用四结晶衍射计来进行。
如图4中所示，就β-FeSi2膜2而言，跨越宽范围的衍射角仅出现一个尖峰。也就是说，在基板信号的临近处检测到β-FeSi2(220)或(202)的尖峰。因而，β-FeSi2膜具有高的(110)或(101)取向性。
β-FeSi2尖峰的锁定曲线(ω扫描)具有15 arcmin(弧分)的半值宽度(FWHM)。这表示β-FeSi2尖峰极其狭窄。因而，β-FeSi2膜具有高的结晶性。
本发明者们针对图4的试样调查了面内外延排列(in-planaepitaxial arrangements)。结果，β-FeSi2的〔001〕方向(不是〔010〕方向)与Si基板的〔110〕方向是平行的。这是强力支持β-FeSi2膜的生长方向的(110)取向性者。
此外，本发明者们，调查了β-FeSi2膜的室温下的光子能量与吸收系数的关系。图5是表示其结果的曲线图。在图5中，由虚线所示的直线表示能够直接迁移。此直线在与能量轴(横轴)的交叉点处给出0.82eV的能带隙。
连续的高取向性的β-FeSi2膜，在刚加热退火之后不立即形成初期层，也可以在Si基板上直接生长。但是，如果用X射线衍射分析的结果，则不形成初期层的场合的β-FeSi2尖峰的ω扫描半值宽度与形成初期层的场合相比要宽30％以上。因而，查明形成初期层的一方，可以得到结晶性更高的β-FeSi2膜。
在上述实施方式中，在p型FZ-Si基板上形成β-FeSi2膜。但是，可以认为即使用p型CZ-Si基板，通过初期层的形成和生长可以得到具有高的结晶性的β-FeSi2膜。
以上，基于其实施方式详细地说明了本发明。但是，本发明不限于上述实施方式。本发明，在不脱离其精神的范围内可进行种种的变形。
例如，在上述实施方式中，接触于β-FeSi2膜的表面2A地设置电极4。但是，也可以在β-FeSi2膜上形成Si盖层，把电极设在该盖层上。通过设置盖层，可以指望发光效率的提高。
此外，在上述实施方式中，作为在基板上制造β-FeSi2膜用的高真空溅射装置使用RF磁控管溅射装置。但是，也可以使用其他方式的磁控管溅射装置。其特征在于，RF磁控管溅射堆积法，由于可在Si(111)基板上设置连续的高取向性的β-FeSi2膜因而适合使用。
工业实用性
本发明的发光元件，具有设在Si基板上的β-FeSi2膜作为发光层。由于发光层不是基板内的微晶粒而是基板上的连续的膜，所以本发明的发光元件的发光特性，不容易受基板的种类或纯度的影响。因此，本发明的发光元件，可以通过容易控制的制造工序来制造。
Claims (10)
1.一种发光元件，其特征在于，具有：
Si基板；
与所述Si基板接触，具有与所述Si基板的导电类型不同的导电类型的β-FeSi2膜；和
设在所述Si基板的两侧，夹着所述Si基板和所述β-FeSi2膜的第一和第二电极；
所述Si基板的面方位为(111)，
所述β-FeSi2膜具有(110)或(101)取向性。
2.如权利要求1中所述的发光元件，其特征在于，
所述Si基板的导电类型为n型，
所述β-FeSi2膜的导电类型为p型。
3.如权利要求1中所述的发光元件，其特征在于，
所述Si基板的导电类型为p型，
所述β-FeSi2膜的导电类型为n型。
4.一种发光元件的制造方法，该发光元件具有：Si基板；与所述Si基板接触，具有与所述Si基板的导电类型不同的导电类型的β-FeSi2膜；以及设在所述Si基板的两侧，夹着所述Si基板和所述β-FeSi2膜的第一和第二电极，该制造方法，包括：
加热清洗所述Si基板，
在440～550℃的第一温度下在所述Si基板上形成由β-FeSi2组成的初期层，
在700～760℃的第二温度下使所述初期层生长而形成β-FeSi2膜，以及
在790～850℃的第三温度下退火所述β-FeSi2膜。
5.一种发光元件的制造方法，该发光元件具有：Si基板；与所述Si基板接触，具有与所述Si基板的导电类型不同的导电类型的β-FeSi2膜；以及设在所述Si基板的两侧，夹着所述Si基板和所述β-FeSi2膜的第一和第二电极，该制造方法，包括：
加热清洗所述Si基板，
在440～550℃的第一温度下在所述Si基板上形成由β-FeSi2组成的初期层，
在700～760℃的第二温度下使所述初期层生长而形成β-FeSi2膜，以及
在880～900℃的第三温度下退火所述β-FeSi2膜。
6.如权利要求4或5中所述的方法，其特征在于，
加热清洗所述Si基板包括加热清洗n型的所述Si基板，
在所述Si基板上形成所述初期层包括在所述Si基板上形成p型的所述初期层，
使所述初期层生长包括使所述初期层生长而形成p型的β-FeSi2膜。
7.如权利要求4或5中所述的方法，其特征在于，
加热清洗所述Si基板包括加热清洗p型的所述Si基板，
在所述Si基板上形成所述初期层包括形成p型的所述初期层，
使所述初期层生长包括使所述初期层生长而形成p型的β-FeSi2膜，
退火所述β-FeSi2膜包括使所述β-FeSi2膜的导电类型从p型变成n型。
8.如权利要求4或5中所述的方法，其特征在于，
所述Si基板的面方位为(111)。
9.如权利要求4或5中所述的方法，其特征在于，
在所述Si基板上形成所述初期层包括通过RF磁控管溅射法形成所述β-FeSi2膜。
10.如权利要求4或5中所述的方法，其特征在于，
使所述初期层生长包括通过RF磁控管溅射法使所述β-FeSi2膜生长。
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