JP2002280603A - Optical functional element and its manufacturing method - Google Patents

Optical functional element and its manufacturing method

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JP2002280603A
JP2002280603A JP2001082167A JP2001082167A JP2002280603A JP 2002280603 A JP2002280603 A JP 2002280603A JP 2001082167 A JP2001082167 A JP 2001082167A JP 2001082167 A JP2001082167 A JP 2001082167A JP 2002280603 A JP2002280603 A JP 2002280603A
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silicon
silicon substrate
light emitting
optical functional
holes
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JP2001082167A
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Mitsuyoshi Mori
三佳 森
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting element having large light emitting intensity or a photodetecting element having good photodetecting sensitivity, in order to solve the problems of a low light emitting intensity of the emitting element and low photodetecting sensitivity of the photodetecting element. SOLUTION: An optical functional element comprises an amorphous silicon film 5 containing crystal silicon particles 4 and is formed by embedding the film 5 in holes 2 of a porous region 3 formed on a single crystal silicon substrate 1 and heating the film 5.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子あるいは
受光素子等の光機能素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical functional device such as a light emitting device or a light receiving device.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、発光素子である発光ダイオードや
レーザダイオードは、光通信装置、表示装置及び光集積
回路等に用いられており、また、受光素子であるフォト
ダイオードは太陽電池等に用いられている。従来、これ
らの光機能素子は、GaAs(ガリウムヒ素)やGaN
(ガリウムナイトライド)等のIII−V族の化合物で構
成されていた。
2. Description of the Related Art At present, light emitting diodes and laser diodes as light emitting elements are used in optical communication devices, display devices and optical integrated circuits, and photodiodes as light receiving elements are used in solar cells and the like. ing. Conventionally, these optical functional elements are made of GaAs (gallium arsenide) or GaN.
(Gallium nitride) and the like.

【0003】近年、単結晶シリコンをフッ酸溶液中で陽
極化成することにより形成された多孔質シリコンが室温
で強いホトルミネッセンスを示すということが、199
0年に発表された(Appl.Phys. Lett.
57、1046 1990)。この発表は、それまで間
接遷移半導体であるため発光が困難であると考えられて
いたシリコンを用いての発光素子等の光機能素子を実現
できる可能性を示すものであった。
In recent years, it has been reported that porous silicon formed by anodizing single crystal silicon in a hydrofluoric acid solution exhibits strong photoluminescence at room temperature.
0 (Appl. Phys. Lett.
57, 1046 1990). This presentation showed the possibility of realizing an optical functional element such as a light emitting element using silicon, which was considered to be difficult to emit light because it was an indirect transition semiconductor.

【0004】その後、実際の発光素子としては、越田等
によって実現された(Appl.Phys.Lett.
60(3)、20 January 1992)。この
従来の発光素子について図6を用いて説明する。尚、図
6は、従来の発光素子の断面図である。
[0004] Then, as an actual light emitting element, it was realized by Koshida et al. (Appl. Phys. Lett.
60 (3), 20 January 1992). This conventional light emitting device will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional light emitting device.

【0005】図6に示すように、陽極化成をすることに
よって、単結晶のp型のシリコン基板101に複数の孔
102を有する多孔質領域103が形成され、孔102
を埋め込むようにしてシリコン基板101上に導電性高
分子材料であるポリピロール膜からなるキャリア注入電
極105が形成されている。キャリア注入電極105上
には半透明の表示電極106が金蒸着により形成されて
いる。また、シリコン基板101の裏面にはアルミニウ
ムのオーミック電極107が形成されている。尚、受光
素子の構造も図6に示すものと同様である。
As shown in FIG. 6, a porous region 103 having a plurality of holes 102 is formed in a single crystal p-type silicon substrate 101 by performing anodization.
Are formed on a silicon substrate 101 to form a carrier injection electrode 105 made of a polypyrrole film which is a conductive polymer material. A translucent display electrode 106 is formed on the carrier injection electrode 105 by gold deposition. On the back surface of the silicon substrate 101, an ohmic electrode 107 of aluminum is formed. The structure of the light receiving element is the same as that shown in FIG.

【0006】ここで、陽極化成により形成された複数の
孔102の構造は、シリコン基板101の種類、シリコ
ン基板101の比抵抗、あるいは陽極化成の際の電流値
などによっても異なるが、一般的には円筒状で、その壁
面は凹凸状のものである。
Here, the structure of the plurality of holes 102 formed by anodization varies depending on the type of the silicon substrate 101, the specific resistance of the silicon substrate 101, the current value at the time of anodization, and the like. Has a cylindrical shape, and its wall surface is uneven.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
発光素子は発光強度が小さかったため、光通信装置等に
実際に用いることはできないという問題があった。同様
に、受光素子においても受光感度が悪かったため、光通
信装置等に実際に用いることはできなかった。
However, the conventional light emitting device has a problem that it cannot be actually used in an optical communication device or the like because of its low light emission intensity. Similarly, the light-receiving element also had poor light-receiving sensitivity, so that it could not be actually used in an optical communication device or the like.

【0008】本発明は、シリコンを用いた発光素子又は
受光素子の光機能素子において、発光素子の発光強度が
低いという問題、受光素子の受光感度が悪いという問題
を解決することを目的としてなされたものであり、発光
強度の大きい発光素子あるいは受光感度の良い受光素子
を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the problem that the light emitting intensity of the light emitting element is low and the light receiving sensitivity of the light receiving element is low in the light emitting element or the light receiving element using silicon. It is an object of the present invention to provide a light-emitting element having high emission intensity or a light-receiving element having good light-receiving sensitivity.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】多孔質領域を有するシリ
コン基板を用いた発光素子が発光するはっきりとした原
因は未解明である。しかし、陽極化成によって形成され
た孔の壁面には結晶シリコン粒子が形成することが判明
したので、この孔の壁面に形成した結晶シリコン粒子が
発光に寄与していることが考えられる。すなわち、従来
の発光素子の発光強度が小さいという問題あるいは従来
の受光素子の受光感度が悪いという問題は、多孔質領域
における孔内の結晶シリコン粒子が少ないことが原因の
1つと考えることができる。
A clear cause of light emission from a light emitting device using a silicon substrate having a porous region is not clear. However, since it has been found that crystalline silicon particles are formed on the wall surfaces of the holes formed by anodization, it is considered that the crystalline silicon particles formed on the wall surfaces of the holes contribute to light emission. That is, the problem that the light emission intensity of the conventional light emitting element is low or the problem that the light receiving sensitivity of the conventional light receiving element is poor can be considered to be one of the causes of the small number of crystalline silicon particles in the pores in the porous region.

【0010】本発明に係る光機能素子は、シリコン基板
と、前記シリコン基板に形成された複数の孔と、前記孔
にある結晶シリコン粒子と、前記孔を埋め込むシリコン
とを有することを特徴とするものである。
[0010] An optical functional device according to the present invention comprises a silicon substrate, a plurality of holes formed in the silicon substrate, crystalline silicon particles in the holes, and silicon filling the holes. Things.

【0011】これにより、シリコン基板の孔にシリコン
を埋め込むことにより、電流を注入した場合には、孔内
の結晶シリコン粒子への電子注入効率を高めることがで
き、逆に、光を受光した場合は、光結合により発生した
電子及びホールの移動度を高めることができる。
[0011] Thus, when current is injected by embedding silicon in the hole of the silicon substrate, the efficiency of electron injection into the crystalline silicon particles in the hole can be increased, and conversely, when light is received. Can increase the mobility of electrons and holes generated by optical coupling.

【0012】本発明に係る光機能素子の製造方法は、シ
リコン基板に孔を形成する第1の工程と、前記第1の工
程後に前記孔に非晶質あるいは微結晶のシリコンを形成
する第2の工程と、前記第2の工程後に前記シリコン基
板を加熱処理する第3の工程とを含むものである。
In the method of manufacturing an optical functional device according to the present invention, a first step of forming a hole in a silicon substrate and a second step of forming amorphous or microcrystalline silicon in the hole after the first step. And a third step of heat-treating the silicon substrate after the second step.

【0013】本発明に係る光機能素子の製造方法による
と、第3の工程における加熱処理により、第2の工程に
おいてシリコン基板の孔に形成された非晶質あるいは微
結晶のシリコンの一部を結晶シリコン粒子に変成するこ
とができる。
According to the method of manufacturing an optical functional device according to the present invention, a portion of the amorphous or microcrystalline silicon formed in the hole of the silicon substrate in the second step is subjected to the heat treatment in the third step. It can be transformed into crystalline silicon particles.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る光
機能素子及びその製造方法について図1〜図5を用いて
詳細に説明する。尚、以下の実施形態においては、光機
能素子の1つとして発光素子を中心に説明するが、受光
素子においても同じ構造である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An optical functional device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. In the following embodiments, a light emitting element will be mainly described as one of the optical function elements, but the light receiving element has the same structure.

【0015】図1は、本発明の実施形態に係る発光素子
の断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.

【0016】図1に示すように、本発明に係る発光素子
は、p型の単結晶のシリコン基板1の表面に、微細な孔
2が多数形成された多孔質領域3が形成されている。こ
こで多孔質領域3とは、シリコン基板1の表面において
複数の孔2が存在する領域のことをいう。
As shown in FIG. 1, in a light emitting device according to the present invention, a porous region 3 in which many fine holes 2 are formed is formed on a surface of a p-type single crystal silicon substrate 1. Here, the porous region 3 refers to a region where a plurality of holes 2 exist on the surface of the silicon substrate 1.

【0017】多孔質領域3の各孔2の中には、粒径が約
1nm〜10nmの複数の結晶シリコン粒子4が形成さ
れている。また、シリコン膜5が孔2内に埋め込まれる
とともに、シリコン基板1の表面上にも形成されてい
る。結晶シリコン粒子4は、孔2のシリコン膜5内に点
在分布している。尚、結晶シリコン粒子4は、孔2内に
限らず、シリコン基板1上のシリコン膜5内にも形成さ
れている。
A plurality of crystalline silicon particles 4 having a particle size of about 1 nm to 10 nm are formed in each hole 2 of the porous region 3. The silicon film 5 is embedded in the hole 2 and formed on the surface of the silicon substrate 1. The crystalline silicon particles 4 are scattered and distributed in the silicon film 5 in the holes 2. The crystalline silicon particles 4 are formed not only in the holes 2 but also in the silicon film 5 on the silicon substrate 1.

【0018】また、シリコン膜5の上には、金からなる
半透明の表示電極6が形成されている。さらにシリコン
基板1の裏面には、アルミニウムからなるオーミック電
極7が形成されている。尚、表示電極6の材料として、
透明材料のIn(インジウム)、Sn(すず)の複合酸
化物(以下、「ITO」と記す)を用いてもよい。
A translucent display electrode 6 made of gold is formed on the silicon film 5. Further, on the back surface of the silicon substrate 1, an ohmic electrode 7 made of aluminum is formed. In addition, as a material of the display electrode 6,
A composite oxide of In (indium) and Sn (tin) as a transparent material (hereinafter, referred to as “ITO”) may be used.

【0019】本発明の実施形態に係る発光素子は、孔2
内に、高分子材料ではなく、シリコン基板1と同じ元素
からなるシリコン膜5が形成されているので、この発光
素子に電流を流した場合、結晶シリコン粒子4への電子
注入効率を高めることができる。逆に、受光素子として
用いた場合は、光結合により発生した電子及びホールの
移動度を高めることができる。
The light emitting device according to the embodiment of the present invention has a hole 2
Since a silicon film 5 made of the same element as the silicon substrate 1 is formed therein instead of a polymer material, the efficiency of injecting electrons into the crystalline silicon particles 4 can be increased when a current is applied to the light emitting device. it can. Conversely, when used as a light receiving element, the mobility of electrons and holes generated by optical coupling can be increased.

【0020】次に、本発明の実施形態に係る発光素子の
製造方法について、図2を参照しながら工程ごとに説明
する。尚、図2は、本発明の実施形態に係る発光素子の
製造方法を示す工程断面図である。
Next, a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described step by step with reference to FIG. FIG. 2 is a process sectional view showing a method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.

【0021】<裏面蒸着工程>図2(a)に示すよう
に、まず、p型の単結晶のシリコン基板1の裏面にアル
ミニウムをEB(エレクトロンビーム)蒸着することに
よりオーミック電極7を形成する。尚、シリコン基板1
は、面方位が(100)、抵抗率が8〜12Ωcmのも
のを用いる。尚、この工程は次工程において、オ−ミッ
ク電極7を陽極電極として用いるために行うものであ
る。
<Backside Vapor Deposition Step> As shown in FIG. 2A, an ohmic electrode 7 is first formed on the backside of a p-type single crystal silicon substrate 1 by EB (electron beam) deposition of aluminum. The silicon substrate 1
Is used with a plane orientation of (100) and a resistivity of 8 to 12 Ωcm. This step is performed in order to use the ohmic electrode 7 as an anode electrode in the next step.

【0022】<陽極化成処理工程>次に、図2(b)に
示すように、シリコン基板1を陽極化成することによ
り、シリコン基板1の表面近傍に複数の孔2を有する多
孔質領域3を形成する。このとき、孔2の壁面には粒径
が約1nm〜約10nmの結晶シリコン粒子が形成され
る。尚、図2において、孔2は規則正しく一様なものと
して図示されているが、実際には、各孔によって形状は
異なり、基本的には円筒状で、その壁面は凹凸状のもの
である。
<Anodizing Step> Next, as shown in FIG. 2B, by anodizing the silicon substrate 1, a porous region 3 having a plurality of holes 2 near the surface of the silicon substrate 1 is formed. Form. At this time, crystalline silicon particles having a particle size of about 1 nm to about 10 nm are formed on the wall surface of the hole 2. In FIG. 2, the holes 2 are shown as regularly and uniformly formed. However, in reality, the shapes of the holes 2 are different from each other, and are basically cylindrical, and the wall surface is uneven.

【0023】ここで、本発明の実施形態に係る陽極化成
について、図3を用いて説明する。尚、図3は、陽極化
成をするための陽極化成装置の概略を示す断面図であ
る。
Here, anodization according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a sectional view schematically showing an anodizing apparatus for anodizing.

【0024】図3に示すように、シリコン基板1に多孔
質領域を形成する部分以外(シリコン基板1の側面、裏
面及び表面の一部)をテフロン(登録商標)等のフッ素
樹脂8で被い、定電流源9の陽極側をオーミック電極7
に接続し、定電流源9の陰極側を白金電極10に接続し
て、シリコン基板1及び白金電極10をテフロン製の槽
11内の溶液(エチルアルコール:フッ酸(48%の水
溶液)=1:1)12の中に浸す。
As shown in FIG. 3, portions other than the portion where the porous region is formed on the silicon substrate 1 (the side surface, the back surface, and a part of the front surface) are covered with a fluororesin 8 such as Teflon (registered trademark). The ohmic side of the constant current source 9 is
And the cathode side of the constant current source 9 is connected to the platinum electrode 10, and the silicon substrate 1 and the platinum electrode 10 are connected to a solution (ethyl alcohol: hydrofluoric acid (48% aqueous solution) = 1) in a Teflon tank 11. : 1) Immerse in 12.

【0025】その後、定電流源9を用いて電流密度を5
〜50mA/cm2の間で固定し、約1〜5分間の陽極
化成を行う。これにより、フッ素樹脂8で被われていな
いシリコン基板1の表面に多数の孔2が形成されて、シ
リコン基板1の表面には多孔質領域3が形成される。
尚、本実施形態では、電流密度を50mA/cm2より
強くすると、エッチング効果が起こってシリコン基板1
の表面に多孔質領域3を形成することができなくなるの
で、電流密度は50mA/cm2以下が好ましい。
Thereafter, the current density is adjusted to 5 using the constant current source 9.
Anodization is carried out for about 1 to 5 minutes while fixing at 5050 mA / cm 2 . As a result, a large number of holes 2 are formed on the surface of the silicon substrate 1 not covered with the fluororesin 8, and the porous region 3 is formed on the surface of the silicon substrate 1.
In this embodiment, when the current density is higher than 50 mA / cm 2 , an etching effect occurs and the silicon substrate 1
The current density is preferably 50 mA / cm 2 or less because the porous region 3 cannot be formed on the surface of the substrate.

【0026】また、本実施形態では、多孔質領域3の厚
さは約1μmとなるように陽極化成する。尚、多孔質領
域3の厚さとは、複数の孔2において、シリコン基板1
の表面からの深さを平均した深さのことである。
In the present embodiment, the anodization is performed so that the thickness of the porous region 3 is about 1 μm. Note that the thickness of the porous region 3 means that the silicon substrate 1
Is the average of the depths from the surface.

【0027】多孔質領域3の厚さが約1μm以上になる
と、以下の工程で形成される孔2の1μm以上の奥に存
在する結晶シリコン粒子4が、発光しても光がシリコン
基板1の外部まで十分届かず、発光に寄与できない。同
様に、受光素子の場合を考えると、シリコン基板1の外
部から受ける光が結晶シリコン粒子4に十分に届かず、
受光に寄与できないからである。
When the thickness of the porous region 3 becomes about 1 μm or more, the crystalline silicon particles 4 existing 1 μm or more behind the hole 2 formed in the following steps emit light even if the silicon substrate 1 emits light. It does not reach the outside sufficiently and cannot contribute to light emission. Similarly, considering the case of a light receiving element, light received from outside the silicon substrate 1 does not sufficiently reach the crystalline silicon particles 4,
This is because it cannot contribute to light reception.

【0028】尚、基板について、タングステンランプで
光を照射することによりシリコン基板内に正孔(ホー
ル)を発生させて陽極化成すれば、n型のシリコン基板
を用いることもできる。
If the substrate is irradiated with light from a tungsten lamp to generate holes in the silicon substrate and anodize the substrate, an n-type silicon substrate can be used.

【0029】<シリコン膜蒸着工程>次に、高周波プラ
ズマCVD法を用いて、図2(c)に示すように、孔2
に埋め込むようにしてシリコン基板1上に非晶質のシリ
コン膜5を膜厚が約3nm〜約10nmとなるように蒸
着形成する。ここで、シリコン膜5の膜厚とは、図2
(c)に示すように、孔2が形成されないシリコン基板
1の表面からシリコン膜5の表面までの距離dをいう。
また、シリコン基板1の基板温度を約100℃〜約25
0℃の範囲で行えば非晶質のシリコン膜を成膜できる。
<Silicon Film Deposition Step> Next, using a high-frequency plasma CVD method, as shown in FIG.
An amorphous silicon film 5 is formed on the silicon substrate 1 by vapor deposition so as to have a thickness of about 3 nm to about 10 nm. Here, the film thickness of the silicon film 5 refers to FIG.
As shown in (c), the distance d from the surface of the silicon substrate 1 where the holes 2 are not formed to the surface of the silicon film 5.
Further, the substrate temperature of the silicon substrate 1 is set to about 100 ° C. to about 25 ° C.
An amorphous silicon film can be formed at a temperature of 0 ° C.

【0030】本実施の形態において高周波プラズマCV
D法を用いたのは、その方法が段差被覆性に優れた成膜
方法であるからであり、孔2にシリコン膜5を埋めるの
には好適な方法といえる。また、シリコン膜5の成膜の
条件として、ガス圧を約10 -4、電源周波数を13.5
6MHz、投入電力を300W、SiH4とH2のガス濃
度比をSiH4:H2=1:10、シリコン基板1の基板
温度を約100℃として行った。尚、ガス圧の条件とし
ては、約10-4〜約10-2Paの範囲で適宜選択して行
えばよい。
In this embodiment, the high-frequency plasma CV
The method D is used because the method is excellent in film formation with excellent step coverage.
This is because the silicon film 5 is buried in the hole 2.
Can be said to be a suitable method. In addition, when the silicon film 5 is formed,
The condition is that the gas pressure is about 10 -Four, Power supply frequency 13.5
6MHz, input power 300W, SiHFourAnd HTwoGas concentration
Degree ratio is SiHFour: HTwo= 1: 10, silicon substrate 1 substrate
The test was performed at a temperature of about 100 ° C. Note that the gas pressure conditions
About 10-Four~ About 10-2Select a line as appropriate within the range of Pa
Just do it.

【0031】尚、シリコン膜5は非晶質の状態となるよ
うに成膜したが、微結晶の状態でもよい。微結晶の場合
のシリコン膜5は、シリコン基板1の基板温度を約30
0℃とすることで得ることができる。また、シリコン膜
5の厚さは成膜時間を変化させることにより適宜調節す
ることができる。
Although the silicon film 5 is formed so as to be in an amorphous state, it may be in a microcrystalline state. The silicon film 5 in the case of microcrystals has a substrate temperature of the silicon substrate 1 of about 30.
It can be obtained by setting the temperature to 0 ° C. Further, the thickness of the silicon film 5 can be appropriately adjusted by changing the film formation time.

【0032】<熱処理工程>次に、図2(d)に示すよ
うに、加熱によりオーミック電極が溶けないように、シ
リコン基板1の裏面に形成したオーミック電極7を一旦
除去する。アルミニウムのオーミック電極7は、約40
℃の燐酸に浸すことにより除去できる。除去しないと、
加熱によりオーミック電極7が溶けだして、シリコン基
板1とそれを支持する台座とを固着させてしまうからで
ある。
<Heat Treatment Step> Next, as shown in FIG. 2D, the ohmic electrode 7 formed on the back surface of the silicon substrate 1 is once removed so that the ohmic electrode is not melted by heating. The ohmic electrode 7 made of aluminum is approximately 40
It can be removed by immersion in phosphoric acid at ℃. If not removed,
This is because the heating causes the ohmic electrode 7 to melt and fix the silicon substrate 1 and the pedestal supporting it.

【0033】その後、非晶質のシリコン膜5を形成した
シリコン基板1を加熱処理する。このとき、熱により孔
2内及びシリコン基板1上の非晶質のシリコン膜5のシ
リコン原子の一部が結晶シリコン粒子4に変成し、シリ
コン膜5内に結晶シリコン粒子4が散在する状態とな
る。この現象は、非晶質のシリコン膜中に散在する結合
間距離の異なるシリコン原子が熱によって安定化する際
に、安定化のばらつきによることから生じるものであ
る。
Thereafter, the silicon substrate 1 on which the amorphous silicon film 5 is formed is subjected to a heat treatment. At this time, part of the silicon atoms in the amorphous silicon film 5 in the holes 2 and on the silicon substrate 1 is transformed into crystalline silicon particles 4 by heat, and the crystalline silicon particles 4 are scattered in the silicon film 5. Become. This phenomenon is caused by a variation in stabilization when silicon atoms having different inter-bond distances scattered in the amorphous silicon film are stabilized by heat.

【0034】熱処理の条件としては、ガス圧を約10-6
Paとし、昇温速度を50℃/秒とし、熱処理中の雰囲
気温度を約800℃とし、熱処理の時間を90秒間とす
る。尚、ガス圧は約10-6〜約10-4Paの範囲、熱処
理中の雰囲気温度は約700〜900℃の範囲となるよ
うに熱処理することが好ましい。
The condition of the heat treatment is that the gas pressure is about 10 -6.
Pa, the rate of temperature rise is 50 ° C./second, the ambient temperature during the heat treatment is about 800 ° C., and the time of the heat treatment is 90 seconds. The heat treatment is preferably performed so that the gas pressure is in the range of about 10 -6 to about 10 -4 Pa and the ambient temperature during the heat treatment is in the range of about 700 to 900 ° C.

【0035】次に再度、シリコン基板1の裏面にアルミ
ニウムをEB蒸着することによりオーミック電極7を形
成する。
Next, an ohmic electrode 7 is again formed on the back surface of the silicon substrate 1 by EB vapor deposition of aluminum.

【0036】尚、熱処理工程において生成したシリコン
膜5内の結晶シリコン粒子4の粒径は、約1nm〜約1
0nmに分布しており平均粒径は約3.8nmであっ
た。
The diameter of the crystalline silicon particles 4 in the silicon film 5 generated in the heat treatment step ranges from about 1 nm to about 1 nm.
It was distributed at 0 nm and the average particle size was about 3.8 nm.

【0037】シリコン基板1上の孔2が形成されていな
い領域の上(シリコン基板1の表面上)のシリコン膜5
内の結晶シリコン粒子4の粒径を約1nm〜約10nm
とするためには、シリコン膜5の膜厚を約3nm〜約1
0nmとすればよい。尚、シリコン膜5の厚さは、シリ
コン膜蒸着工程において、成膜時間を変化させることに
より適宜調節することができる。
The silicon film 5 on the region of the silicon substrate 1 where the holes 2 are not formed (on the surface of the silicon substrate 1)
The diameter of the crystalline silicon particles 4 in the inside is about 1 nm to about 10 nm.
In order to achieve this, the thickness of the silicon film 5 should be about 3 nm to about 1 nm.
The thickness may be set to 0 nm. Note that the thickness of the silicon film 5 can be appropriately adjusted by changing the film formation time in the silicon film deposition step.

【0038】本実施形態のように、シリコン基板1表面
上のシリコン膜5内の結晶シリコン粒子4の粒径と孔2
内のシリコン膜5内の結晶シリコン粒子4の粒径とは、
ほぼ同じ程度に分布させることが望ましい。分布にばら
つきがあると発光効率が悪くなるからである。
As in this embodiment, the diameter of the crystalline silicon particles 4 in the silicon film 5 on the surface of the silicon substrate 1 and the size of the holes 2
The particle size of the crystalline silicon particles 4 in the silicon film 5 in
It is desirable to distribute them to almost the same extent. This is because if the distribution varies, the luminous efficiency deteriorates.

【0039】<電極蒸着工程>最後に、図2(e)に示
すように、シリコン膜5上に半透明の金からなる表示電
極6を真空蒸着により形成する。尚、表示電極として
は、ITO又はSnO2の透明電極を用いてもよい。
<Electrode Deposition Step> Finally, as shown in FIG. 2E, a display electrode 6 made of translucent gold is formed on the silicon film 5 by vacuum deposition. Note that a transparent electrode of ITO or SnO 2 may be used as the display electrode.

【0040】以上により、発光素子もしくは受光素子と
しての光機能素子を得ることができる。
As described above, an optical functional element as a light emitting element or a light receiving element can be obtained.

【0041】次に、本実施の形態で製造された光機能素
子を発光させたときのPL(フォトルミネッセンス)強
度と熱処理工程における加熱温度との関係を図4を用い
て説明する。
Next, the relationship between the PL (photoluminescence) intensity and the heating temperature in the heat treatment step when the optical functional device manufactured in this embodiment emits light will be described with reference to FIG.

【0042】図4によれば、加熱温度が800℃の場合
を最大として、約700℃〜約900℃の範囲で発光強
度が大きくなっており、700℃未満の場合は発光強度
が小さく、また、900℃を越える場合についても発光
強度が小さくなっていることが分かる。これは、700
℃未満又は900℃を越える加熱温度では、シリコン膜
5が変成して生成される結晶シリコン粒子4が少ないこ
とによるものと考えられる。尚、PL強度の測定は、波
長が325nm、出力が60mWのHe−Cdレーザを
用いて行なった。また、発振波長は650nmであっ
た。
According to FIG. 4, the emission intensity increases in the range of about 700 ° C. to about 900 ° C., with the maximum when the heating temperature is 800 ° C., and the emission intensity decreases when the heating temperature is less than 700 ° C. It can also be seen that the emission intensity is low even when the temperature exceeds 900 ° C. This is 700
At a heating temperature lower than 900C or higher than 900C, it is considered that the crystalline silicon particles 4 generated by the denaturation of the silicon film 5 are small. The PL intensity was measured using a He-Cd laser having a wavelength of 325 nm and an output of 60 mW. The oscillation wavelength was 650 nm.

【0043】次に、本実施の形態で製造された発光素子
に電流を注入したときのEL(エレクトロルミネッセン
ス)強度と発光させるのに必要な電流密度との関係を、
図5を用いて説明する。
Next, the relationship between the EL (electroluminescence) intensity when current is injected into the light emitting device manufactured in the present embodiment and the current density required for light emission is as follows.
This will be described with reference to FIG.

【0044】図5に示すように、本実施形態に係る発光
素子は、広い範囲でEL強度と注入した電流密度の関係
において線形性が保持されていることがわかる。また、
本実施形態に係る発光素子は、従来の発光素子よりもE
L強度が増大していることがわかり、発光素子として十
分実用できるものである。
As shown in FIG. 5, it can be seen that the light emitting device according to the present embodiment maintains linearity in the relationship between EL intensity and injected current density over a wide range. Also,
The light emitting device according to the present embodiment has a higher E than the conventional light emitting device.
It can be seen that the L intensity is increased, and it can be sufficiently used as a light emitting element.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明に係る光機能素子の特徴は、シリ
コン基板に形成された多孔質領域の孔に、高分子材料で
はなくシリコンが埋め込まれたものである点にある。
The feature of the optical functional device according to the present invention is that silicon, not a polymer material, is embedded in the pores of the porous region formed in the silicon substrate.

【0046】これにより、電流を注入した場合には、孔
内の結晶シリコン粒子への電子注入効率を高めることが
でき、逆に、光を受光した場合は、光結合により発生し
た電子及びホールの移動度を高めることができる。
As a result, when current is injected, the efficiency of electron injection into the crystalline silicon particles in the hole can be increased. Conversely, when light is received, electrons and holes generated by optical coupling can be reduced. Mobility can be increased.

【0047】また、本発明に係る光機能素子の製造方法
の特徴は、シリコン基板の孔に非晶質あるいは微結晶の
シリコンを形成し、そのシリコン基板を加熱することに
ある。
A feature of the method for manufacturing an optical functional device according to the present invention is that amorphous or microcrystalline silicon is formed in holes of a silicon substrate and the silicon substrate is heated.

【0048】これにより、シリコン基板の孔に形成され
た非晶質あるいは微結晶のシリコンの一部を結晶シリコ
ン粒子に変成することができ、発光に寄与する結晶シリ
コン粒子を形成することができ、発光強度の大きい、あ
るいは受光感度が良い光機能素子を得ることができる。
As a result, a part of the amorphous or microcrystalline silicon formed in the hole of the silicon substrate can be transformed into crystalline silicon particles, and crystalline silicon particles contributing to light emission can be formed. It is possible to obtain an optical functional element having high light emission intensity or good light receiving sensitivity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態に係る発光素子の断面図FIG. 1 is a sectional view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法を
示す工程断面図
FIG. 2 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the embodiment of the present invention.

【図3】陽極化成装置の概略を示す断面図FIG. 3 is a sectional view schematically showing an anodizing apparatus.

【図4】本発明の実施形態に係る発光素子のフォトルミ
ネッセンス強度と熱処理温度との関係を示す図
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the photoluminescence intensity and the heat treatment temperature of the light emitting device according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施形態に係る発光素子のEL強度と
電流密度との関係を示す図
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between EL intensity and current density of the light emitting device according to the embodiment of the present invention.

【図6】従来の発光素子の断面図FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional light emitting device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、101 シリコン基板 2、102 孔 3、103 多孔質領域 4 結晶シリコン粒子 5 シリコン膜 6、106 表示電極 7、107 オーミック電極 8 フッ素樹脂 9 定電流源 10 白金電極 11 槽 12 溶液 105 キャリア注入電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 101 Silicon substrate 2, 102 Hole 3, 103 Porous area 4 Crystal silicon particle 5 Silicon film 6, 106 Display electrode 7, 107 Ohmic electrode 8 Fluororesin 9 Constant current source 10 Platinum electrode 11 Tank 12 Solution 105 Carrier injection electrode

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板と、前記シリコン基板に形
成された複数の孔と、前記孔にある結晶シリコン粒子
と、前記孔を埋め込むシリコンとを有することを特徴と
する光機能素子。
1. An optical functional device comprising: a silicon substrate; a plurality of holes formed in the silicon substrate; crystalline silicon particles in the holes; and silicon filling the holes.
【請求項2】 前記結晶シリコン粒子の粒径が1nm以
上10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載
の光機能素子。
2. The optical functional device according to claim 1, wherein the particle diameter of the crystalline silicon particles is 1 nm or more and 10 nm or less.
【請求項3】 前記シリコン基板の表面上に形成された
シリコンを有し、前記シリコン基板表面上の前記シリコ
ンの膜厚が、3nm以上10nm以下であることを特徴
とする請求項1又は請求項2に記載の光機能素子。
3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising silicon formed on a surface of the silicon substrate, wherein a thickness of the silicon on the surface of the silicon substrate is 3 nm or more and 10 nm or less. 3. The optical functional device according to 2.
【請求項4】 シリコン基板に孔を形成する第1の工程
と、前記孔に非晶質あるいは微結晶のシリコンを形成す
る第2の工程と、その後に前記シリコン基板を加熱処理
する第3の工程とを含む光機能素子の製造方法。
4. A first step of forming a hole in a silicon substrate, a second step of forming amorphous or microcrystalline silicon in the hole, and a third step of heat-treating the silicon substrate. And a method for manufacturing an optical functional device.
【請求項5】 前記第3の工程における加熱温度が、7
00度以上900度以下であることを特徴とする請求項
4に記載の光機能素子の製造方法。
5. The heating temperature in the third step is 7
The method for manufacturing an optical functional device according to claim 4, wherein the angle is from 00 ° to 900 °.
【請求項6】 前記第1の工程が、陽極化成処理工程で
あることを特徴とする請求項4に記載の光機能素子の製
造方法。
6. The method according to claim 4, wherein the first step is an anodizing treatment step.
【請求項7】 前記第2の工程において、前記シリコン
基板表面の上にも、非晶質あるいは微結晶のシリコンを
形成することを特徴とする請求項5または請求項6に記
載の光機能素子の製造方法。
7. The optical function device according to claim 5, wherein in the second step, amorphous or microcrystalline silicon is formed also on the surface of the silicon substrate. Manufacturing method.
【請求項8】 前記シリコン基板表面上の前記シリコン
の膜厚が、3nm以上10nm以下であることを特徴と
する光機能素子の製造方法。
8. A method for manufacturing an optical functional device, wherein the thickness of the silicon on the surface of the silicon substrate is 3 nm or more and 10 nm or less.
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