JP2004095858A

JP2004095858A - Light emitting element and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP2004095858A
Application number: JP2002255007A
Authority: JP
Inventors: Jusei So; 楚　樹成; Hirobumi Suga; 菅　博文
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: WO2004021458A1; CN1679175A; CN100364118C; JP4142374B2; AU2003261803A1

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting element comprising a β-FeSi<SB>2</SB>film on an Si substrate. <P>SOLUTION: A light emitting element 10 comprises an Si substrate 1, a β-FeSi<SB>2</SB>film 2 which is provided on the surface Si substrate 1 and has a conductive type different from that of the Si substrate, a first electrode 3 provided on the rear surface side of the Si substrate 1, and a second electrode 4 provided on the front surface side of the β-FeSi<SB>2</SB>film 2. A pn-junction is formed between the Si substrate 1 and the β-FeSi<SB>2</SB>film 2. The light emitting element 10 comprises a continuous β-FeSi<SB>2</SB>film 2 provided on the Si substrate 1 as a light emitting layer. The light emission characteristics is immune to the effect of kind or purity of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、β−ＦｅＳｉ_２が注目されている。β−ＦｅＳｉ_２は、資源的に豊富であり、無害で化学的に安定な半導体である。β−ＦｅＳｉ_２は、禁止帯幅が約０．８５ｅＶの直接遷移型半導体である。また、β−ＦｅＳｉ_２は、Ｓｉ基板上へのエピタキシャル成長が可能である。このため、β−ＦｅＳｉ_２は、環境負荷の小さい次世代の発光・受光素子の材料として期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、β−ＦｅＳｉ_２に関しては不明点が多い。連続的なβ−ＦｅＳｉ_２膜から発光が観測されたという報告は、これまでされていない。イオン注入法または分子エピタキシャル（ＭＢＥ）法によってＳｉ（１００）基板に埋め込まれたＦｅＳｉ_２微結晶から、フォトルミネッセンス（ＰＬ）発光が観測されたとの報告はある。しかし、その発光は、基板を昇温するとすぐ消滅してしまう。このため、発光素子への応用は難しい。また、その発光は、基板の種類（ＦＺまたはＣＺ）および微結晶の大きさに強く依存する。このため、発光の制御が難しい。
【０００４】
そこで、本発明は、Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ_２膜を備える発光素子の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の表面上に設けられたβ−ＦｅＳｉ_２膜と、Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、β−ＦｅＳｉ_２膜の表面側に設けられた第２の電極とを備える。β−ＦｅＳｉ_２膜は、Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有している。
【０００６】
本発明の発光素子では、Ｓｉ基板とβ−ＦｅＳｉ_２膜との間にｐｎ接合が形成される。この発光素子は、第１および第２の電極を介して電流が注入されると発光する。Ｓｉ基板上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ_２膜を発光層として備える。このため、発光特性が基板の種類や純度の影響を受けにくい。
【０００７】
本発明の方法は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の表面上に設けられたβ−ＦｅＳｉ_２膜と、Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、β−ＦｅＳｉ_２膜の表面側に設けられた第２の電極とを備える発光素子を製造する。この方法は、Ｓｉ基板を加熱クリーニングするクリーニング工程と、β−ＦｅＳｉ_２からなる初期層を第１の温度でＳｉ基板上に形成する初期層形成工程と、初期層を前記第１の温度より高い第２の温度で成長させる成長工程と、第２の温度よりも高い第３の温度でβ−ＦｅＳｉ_２膜をアニールする工程とを備える。
【０００８】
本発明の方法によれば、上述した本発明の発光素子を製造できる。初期層を形成してからそれを成長させることにより、結晶性の高いβ−ＦｅＳｉ_２膜がＳｉ基板上に形成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光素子１０を示す断面図である。図２は、発光素子１０の平面図である。発光素子１０は、Ｓｉ基板１、β−ＦｅＳｉ_２膜２、下部電極３および上部電極４から構成されている。β−ＦｅＳｉ_２膜２および上部電極４は、基板１の表面側に設けられている。下部電極３は、基板１の裏面側に設けられている。
【００１１】
Ｓｉ基板１は、Ｃｚｏｃｈｒａｓｋｉ（ＣＺ）法により製造されたｎ型のＳｉ（１１１）基板（主面の面方位が（１１１）の基板）である。基板のサイズは、２インチである。
【００１２】
β−ＦｅＳｉ_２膜２は、Ｓｉ基板１の表面全体に被着されている。β−ＦｅＳｉ_２膜２の厚さは、好ましくは１００〜２５０ｎｍ、より好ましくは１００〜２００ｎｍの範囲内とする。本実施形態では、β−ＦｅＳｉ_２膜２の厚さは、２００ｎｍである。β−ＦｅＳｉ_２膜２の導電型は、Ｓｉ基板１と異なり、ｐ型である。
【００１３】
第１の電極３は、図１に示されるように、Ｓｉ基板１の裏面全体に被着されている。電極３の材質は、Ａｌ金属である。
【００１４】
第２の電極４は、図２に示されるように、β−ＦｅＳｉ_２膜２の表面上に等間隔で設けられている。電極４の形状は、円形である。電極４の材質も、Ａｌ金属である。
【００１５】
次に、発光素子１０の製造方法について説明する。この方法では、まず、Ｓｉ基板１を昇温して、この基板１の加熱クリーニングを行う。このクリーニング工程では、２×１０^−７Ｔｏｒｒバックグラウンド圧力の下で基板１を８５０℃まで昇温し、その温度を３０分間維持する。
【００１６】
次に、クリーニングした基板１の表面上に、β−ＦｅＳｉ_２の薄い初期層を形成する。初期層の形成には、高真空スッパタリング装置、具体的にはロードロック装置を備えるＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いる。公知のＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いることができる。ＲＦマグネトロンスパッタリング装置は、低温かつ高速でβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成できる。
【００１７】
スパッタリング温度は、４４０〜５５０℃が好ましく、４８０〜５２０℃がより好ましい。この実施形態では、スパッタリング温度は、５００℃である。この温度下で９９．９９％のＦｅターゲットをスパッタリングし、β−ＦｅＳｉ_２初期層を形成する。この初期層の導電型は、ｐ型である。初期層の厚さは、好ましくは５〜８０ｎｍの範囲内とする。この実施形態では、初期層の厚さは、２０ｎｍである。初期層の形成中は、アルゴン圧を３×１０^−３Ｔｏｒｒに制御する。
【００１８】
続いて、初期層が形成された基板１を、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置内で７３０〜７６０℃まで昇温し、３５ｎｍ／ｈｏｕｒの速度でβ−ＦｅＳｉ_２初期層を２００ｎｍの厚さまで成長させる。β−ＦｅＳｉ_２の膜厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた断面の観察によって測定する。得られたβ−ＦｅＳｉ_２膜は、ほぼ平坦な表面を有している。その導電型は、ｐ型である。β−ＦｅＳｉ_２膜のホール濃度は、室温で１０^１８ｃｍ^−３台であり、そのホール移動度は、室温で約２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓである。
【００１９】
次に、β−ＦｅＳｉ_２膜をアニールする。これにより本実施形態の発光素子１０のβ−ＦｅＳｉ_２膜２が得られる。熱アニーリングの温度は、７９０〜８５０℃が好ましい。この実施形態では、アニーリング温度は８００℃である。この熱アニーリングでは、β−ＦｅＳｉ_２膜が形成されたＳｉ基板１を８００℃の窒素雰囲気に２０時間さらす。この熱アニーリングは、石英管の中で行う。β−ＦｅＳｉ_２膜の導電型は、ｐ型のままである。この結果、ｎ型のＳｉ基板１とｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜２との間にｐｎ接合が形成される。β−ＦｅＳｉ_２膜２を８００℃でアニールした後では、そのホール濃度は、室温で１０^１６ｃｍ^−３台に減少し、そのホール移動度は、室温で１００ｃｍ^２／Ｖ・ｓに増加する。
【００２０】
続いて、Ｓｉ基板１の表裏に電極を形成する。具体的には、Ｓｉ基板１の裏面にＡｌ金属を真空蒸着させて下部電極３を形成する。また、β−ＦｅＳｉ_２膜２の表面にマスクを用いてＡｌ金属を真空蒸着させて、上部電極４を形成する。下部電極３と上部電極４は、どちらを先に形成しても良い。これらの電極３、４が形成されると、本実施形態の発光素子１０が完成する。
【００２１】
このようにして得られたｐ型β−ＦｅＳｉ_２膜２／ｎ型ＣＺ−Ｓｉ基板１ヘテロ構造にＡｌ電極３，４を介して直流電流を注入すると、室温で１．５μｍ帯の発光が確認された。図３に、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルの順方向電流依存性を示す。図３から明らかなように、高い電流を注入するほどＥＬ強度は強くなる。
【００２２】
発光素子１０は、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ_２膜２を発光層として有している。このため、その発光特性が基板の種類や純度の影響を受けにくい。したがって、発光素子１０の製造工程の制御が容易である。
【００２３】
また、均一な複数の発光素子１０を備える大面積のウェーハを、スパッタリングを用いて製造することが可能である。スパッタリングは簡易で低コストなので、発光素子１０も低コストで量産できる。
【００２４】
（第２実施形態）
以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。本発明者らは、β−ＦｅＳｉ_２膜のアニーリングをより高温で行うと、β−ＦｅＳｉ_２膜の導電型がｐ型からｎ型に変わることを見出した。本実施形態では、この導電型の変化を利用して、ｐ型のＳｉ基板上にｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜を有する発光素子を製造する。
【００２５】
本実施形態の発光素子は、第１実施形態と同様に、図１に示される構成を有している。ただし、基板１の種類および導電型とβ−ＦｅＳｉ_２膜２の導電型が第１実施形態と異なっている。
【００２６】
Ｓｉ基板１は、浮遊帯域（ＦＺ）法により製造されたｐ型のＳｉ（１１１）基板である。基板のサイズは、２インチである。
【００２７】
β−ＦｅＳｉ_２膜２の導電型は、Ｓｉ基板１と異なり、ｎ型である。β−ＦｅＳｉ_２膜２は、Ｓｉ基板１の表面全体に被着されている。
【００２８】
次に、発光素子１０の製造方法について説明する。この方法は、上述の第１実施形態と同様に、クリーニング工程、初期層形成工程、成長工程およびアニーリング工程を有する。
【００２９】
クリーニング工程では、第１実施形態と同様に、２×１０^−７Ｔｏｒｒバックグラウンド圧力の下で基板１を８５０℃まで昇温し、その温度を３０分間維持する。
【００３０】
初期層形成工程では、９９．９９％のＦｅターゲットをスパッタリングし、厚さ５〜８０ｎｍのβ−ＦｅＳｉ_２初期層を形成する。スパッタリング温度は、４５０℃である。初期層の導電型は、ｐ型である。スパッタリングは、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いる。初期層の形成中は、アルゴン圧を３×１０^−３Ｔｏｒｒに制御する。
【００３１】
成長工程では、初期層が形成された基板１をＲＦマグネトロンスパッタリング装置内で７００〜７６０℃まで昇温し、β−ＦｅＳｉ_２初期層を２５０ｎｍの厚さまで成長させる。β−ＦｅＳｉ_２膜の導電型は、ｐ型のままである。β−ＦｅＳｉ_２膜のホール濃度は、室温で２×１０^１８ｃｍ^−３台であり、そのホール移動度は、室温で２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓである。
【００３２】
次に、β−ＦｅＳｉ_２膜をアニールする。これにより本実施形態の発光素子１０のβ−ＦｅＳｉ_２膜２が得られる。熱アニーリングの温度は、８８０〜９００℃が好ましい。この実施形態では、アニーリング温度は８９０℃である。この熱アニーリングでは、β−ＦｅＳｉ_２膜が形成されたＳｉ基板１を８９０℃の窒素雰囲気に２０時間さらす。この熱アニーリングは、石英管の中で行う。熱アニーリングにより、β−ＦｅＳｉ_２膜の導電型は、ｐ型からｎ型に変わる。この結果、ｐ型のＳｉ基板１とｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜２との間にｐｎ接合が形成される。８９０℃アニーリングによって、キャリア濃度が低下し、移動度が上昇する。具体的には、３〜１０×１０^１６ｃｍ^−３の電子濃度と、最大で２３０ｃｍ^２／Ｖ・ｓの移動度が得られる。
【００３３】
アニーリング工程後、第１実施形態と同様にして下部電極３および上部電極４を形成する。これにより、本実施形態の発光素子１０が完成する。
【００３４】
このようにして得られたｎ型β−ＦｅＳｉ_２膜２／ｐ型ＦＺ−Ｓｉ基板１ヘテロ構造にＡｌ電極３，４を介して直流電流を注入すると、室温で発光素子１０を発光させることができる。このように、本実施形態でも、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ_２膜２を発光層として備える発光素子１０を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明者らは、Ｓｉ基板１上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ_２膜についてＸ線回折解析を行った。図４は、その結果を示すグラフである。このＸ線回折解析は、４結晶回折計を用いて行った。
【００３６】
図４に示されるように、β−ＦｅＳｉ_２膜２については、広範囲の回折角にわたって一つのピークしか現れていない。すなわち、基板信号の隣に、β−ＦｅＳｉ_２（２２０）または（２０２）のピークが検出された。したがって、β−ＦｅＳｉ_２膜は、高い（１１０）または（１０１）配向性を有している。
【００３７】
β−ＦｅＳｉ_２ピークのロッキングカーブ（ωスキャン）は、１５ａｒｃｍｉｎの半値幅（ＦＷＨＭ）を有している。これは、β−ＦｅＳｉ_２ピークが極めて狭いことを示す。したがって、β−ＦｅＳｉ_２膜は、高い結晶性を有している。
【００３８】
本発明者らは、図４のサンプルについて、面内エピタキシャル配列（ｉｎ−ｐｌａｎａ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を調べた。その結果、β−ＦｅＳｉ_２の〔００１〕方向（〔０１０〕ではなく）は、Ｓｉ基板の〔１１０〕方向と平行であった。これは、β−ＦｅＳｉ_２膜の成長方向の（１１０）配向性を強く支持するものである。
【００３９】
また、本発明者らは、β−ＦｅＳｉ_２膜の室温での光子エネルギーと吸収係数との関係を調べた。図５は、その結果を示すグラフである。図５において、破線で示される直線は、直接遷移が可能なことを示している。この直線は、エネルギー軸（横軸）との交差点において０．８２ｅＶのバンドギャップを与える。
【００４０】
連続した高配向性のβ−ＦｅＳｉ_２膜は、加熱クリーニングの直後に初期層を形成せずに、Ｓｉ基板上に直接成長させることもできる。しかし、Ｘ線回折解析の結果、初期層を形成しない場合のβ−ＦｅＳｉ_２ピークのωスキャン半値幅は、初期層を形成した場合と比べ３０％以上広い。したがって、初期層を形成した方が、より結晶性の高いβ−ＦｅＳｉ_２膜が得られることが分かる。
【００４１】
上記実施形態では、ｐ型ＦＺ−Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成する。しかし、ｐ型ＣＺ−Ｓｉ基板を用いても、初期層の形成および成長によって高い結晶性を有するβ−ＦｅＳｉ_２膜が得られると考えられる。
【００４２】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態では、Ｓｉ基板１上に形成されたβ−ＦｅＳｉ_２膜の表面に電極を設けている。しかし、β−ＦｅＳｉ_２膜上にＳｉキャップ層を形成し、そのキャップ層上に電極を設けてもよい。キャップ層を設けることで、発光効率の向上が期待できる。
【００４４】
また、上記実施形態では、基板上にβ−ＦｅＳｉ_２膜を製造するための高真空スパッタリング装置としてＲＦマグネトロンスパッタリング装置を使用する。しかし、他の方式によるマグネトロンスパッタリング装置を使用することもできる。ただし、ＲＦマグネトロンスパッタリング堆積法は、連続的な高配向性のβ−ＦｅＳｉ_２膜をＳｉ（１１１）基板上に設けるために好適に使用できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ_２膜を発光層として備える発光素子を得ることができる。発光層が基板内の微結晶ではなく基板上の連続的な膜なので、本発明の発光素子の発光特性は、基板の種類や純度の影響を受けにくい。このため、本発明の発光素子は、制御の容易な製造工程によって製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る発光素子の平面図である。
【図３】第１実施形態の発光素子に電流注入した場合のＥＬ強度を示すグラフである。
【図４】Ｓｉ基板上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ_２膜について、Ｘ線回折解析を行った結果を示すグラフである。
【図５】Ｓｉ基板上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ_２膜について、光子エネルギーと吸収係数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板、２…β−ＦｅＳｉ_２膜、３…下部電極、４…上部電極。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, β-FeSi ₂ has attracted attention. β-FeSi ₂ is a semiconductor that is abundant in resources, harmless, and chemically stable. β-FeSi ₂ is a direct transition semiconductor having a band gap of about 0.85 eV. Further, β-FeSi ₂ can be epitaxially grown on a Si substrate. For this reason, β-FeSi ₂ is expected as a material for a next-generation light-emitting / light-receiving element with a small environmental load.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are many unknowns regarding β-FeSi ₂ . There has been no report that light emission was observed from a continuous β-FeSi ₂ film. There is a report that photoluminescence (PL) emission was observed from FeSi ₂ microcrystals embedded in a Si (100) substrate by an ion implantation method or a molecular epitaxial (MBE) method. However, the light emission disappears as soon as the substrate is heated. Therefore, application to a light emitting element is difficult. The light emission strongly depends on the type of the substrate (FZ or CZ) and the size of the microcrystal. Therefore, it is difficult to control light emission.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a light-emitting element including a β-FeSi ₂ film on a Si substrate.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The light-emitting device of the present invention includes a Si substrate, a β-FeSi ₂ film provided on a surface of the Si substrate, a first electrode provided on a back surface of the Si substrate, and a front surface of the β-FeSi ₂ film. And a second electrode provided on the second substrate. The β-FeSi ₂ film has a conductivity type different from the conductivity type of the Si substrate.
[0006]
In the light emitting device of the present invention, a pn junction is formed between the Si substrate and the β-FeSi ₂ film. The light emitting element emits light when current is injected through the first and second electrodes. A continuous β-FeSi ₂ film provided on a Si substrate is provided as a light emitting layer. Therefore, the light emission characteristics are hardly affected by the type and purity of the substrate.
[0007]
The method of the present invention, a Si substrate, and the beta-FeSi ₂ film provided on the surface of the Si substrate, a first electrode provided on the back surface side of the Si substrate, the surface side of the beta-FeSi ₂ layer A light-emitting element including the provided second electrode is manufactured. This method includes a cleaning step of heating and cleaning the Si substrate, an initial layer forming step of forming an initial layer made of β-FeSi ₂ on the Si substrate at a first temperature, and a step of setting the initial layer higher than the first temperature. A growth step of growing at a second temperature; and a step of annealing the β-FeSi ₂ film at a third temperature higher than the second temperature.
[0008]
According to the method of the present invention, the above-described light emitting device of the present invention can be manufactured. By growing the initial layer and then growing it, a β-FeSi ₂ film with high crystallinity is formed on the Si substrate.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. In addition, for convenience of illustration, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.
[0010]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the light emitting device 10. The light emitting device 10 includes a Si substrate 1, a β-FeSi ₂ film 2, a lower electrode 3, and an upper electrode 4. The β-FeSi ₂ film 2 and the upper electrode 4 are provided on the surface side of the substrate 1. The lower electrode 3 is provided on the back side of the substrate 1.
[0011]
The Si substrate 1 is an n-type Si (111) substrate (substrate whose main surface has a plane orientation of (111)) manufactured by the Czochraski (CZ) method. The size of the substrate is 2 inches.
[0012]
The β-FeSi ₂ film 2 is deposited on the entire surface of the Si substrate 1. The thickness of the β-FeSi ₂ film 2 is preferably in the range of 100 to 250 nm, more preferably 100 to 200 nm. In the present embodiment, the thickness of the β-FeSi ₂ film 2 is 200 nm. The conductivity type of the β-FeSi ₂ film 2 is p-type, unlike the Si substrate 1.
[0013]
The first electrode 3 is attached on the entire back surface of the Si substrate 1, as shown in FIG. The material of the electrode 3 is Al metal.
[0014]
The second electrodes 4 are provided at equal intervals on the surface of the β-FeSi ₂ film 2 as shown in FIG. The shape of the electrode 4 is circular. The material of the electrode 4 is also Al metal.
[0015]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 10 will be described. In this method, first, the temperature of the Si substrate 1 is raised, and the substrate 1 is heated and cleaned. In this cleaning step, the temperature of the substrate 1 is raised to 850 ° C. under a background pressure of 2 × 10 ⁻⁷ Torr, and the temperature is maintained for 30 minutes.
[0016]
Next, a thin initial layer of β-FeSi ₂ is formed on the surface of the cleaned substrate 1. For the formation of the initial layer, a high vacuum sputtering apparatus, specifically, an RF magnetron sputtering apparatus having a load lock device is used. A known RF magnetron sputtering device can be used. The RF magnetron sputtering apparatus can form a β-FeSi ₂ film at a low temperature and at a high speed.
[0017]
The sputtering temperature is preferably from 440 to 550 ° C, more preferably from 480 to 520 ° C. In this embodiment, the sputtering temperature is 500C. At this temperature, a 99.99% Fe target is sputtered to form a β-FeSi ₂ initial layer. The conductivity type of this initial layer is p-type. The thickness of the initial layer is preferably in the range of 5 to 80 nm. In this embodiment, the thickness of the initial layer is 20 nm. During the formation of the initial layer, the argon pressure is controlled at 3 × 10 ⁻³ Torr.
[0018]
Subsequently, the temperature of the substrate 1 on which the initial layer is formed is raised to 730 to 760 ° C. in an RF magnetron sputtering apparatus, and the β-FeSi ₂ initial layer is grown to a thickness of 200 nm at a rate of 35 nm / hour. The film thickness of β-FeSi ₂ is measured by observing a cross section using a scanning electron microscope (SEM). The obtained β-FeSi ₂ film has a substantially flat surface. Its conductivity type is p-type. The hole concentration of the β-FeSi ₂ film is of the order of 10 ¹⁸ cm ⁻³ at room temperature, and its hole mobility is about 20 cm ² / V · s at room temperature.
[0019]
Next, the β-FeSi ₂ film is annealed. Thereby, the β-FeSi ₂ film 2 of the light emitting device 10 of the present embodiment is obtained. The temperature of the thermal annealing is preferably from 790 to 850 ° C. In this embodiment, the annealing temperature is 800C. In this thermal annealing, the Si substrate 1 on which the β-FeSi ₂ film is formed is exposed to a nitrogen atmosphere at 800 ° C. for 20 hours. This thermal annealing is performed in a quartz tube. The conductivity type of the β-FeSi ₂ film remains p-type. As a result, a pn junction is formed between the n-type Si substrate 1 and the p-type β-FeSi ₂ film 2. After the β-FeSi ₂ film 2 is annealed at 800 ° C., its hole concentration decreases to the order of 10 ¹⁶ cm ⁻³ at room temperature, and its hole mobility increases to 100 cm ² / V · s at room temperature.
[0020]
Subsequently, electrodes are formed on the front and back of the Si substrate 1. Specifically, the lower electrode 3 is formed by vacuum-depositing Al metal on the back surface of the Si substrate 1. Further, Al metal is vacuum-deposited on the surface of the β-FeSi ₂ film 2 using a mask to form the upper electrode 4. Either the lower electrode 3 or the upper electrode 4 may be formed first. When these electrodes 3 and 4 are formed, the light emitting device 10 of the present embodiment is completed.
[0021]
When a direct current was injected into the thus obtained p-type β-FeSi ₂ film 2 / n-type CZ-Si substrate 1 heterostructure through the Al electrodes 3 and 4, light emission in the 1.5 μm band was confirmed at room temperature. Was done. FIG. 3 shows the forward current dependence of the electroluminescence (EL) spectrum. As is clear from FIG. 3, the higher the current is injected, the higher the EL intensity becomes.
[0022]
The light emitting element 10 has a continuous β-FeSi ₂ film 2 provided on a Si substrate 1 as a light emitting layer. Therefore, the light emission characteristics are not easily affected by the type and purity of the substrate. Therefore, control of the manufacturing process of the light emitting element 10 is easy.
[0023]
In addition, a large-area wafer including a plurality of uniform light-emitting elements 10 can be manufactured by sputtering. Since sputtering is simple and low-cost, the light-emitting element 10 can also be mass-produced at low cost.
[0024]
(2nd Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. The present inventors have found that when the annealing of the β-FeSi ₂ film is performed at a higher temperature, the conductivity type of the β-FeSi ₂ film changes from p-type to n-type. In this embodiment, a light-emitting element having an n-type β-FeSi ₂ film on a p-type Si substrate is manufactured by utilizing the change in conductivity type.
[0025]
The light emitting device of the present embodiment has the configuration shown in FIG. 1 as in the first embodiment. However, the type and conductivity type of the substrate 1 and the conductivity type of the β-FeSi ₂ film 2 are different from those of the first embodiment.
[0026]
The Si substrate 1 is a p-type Si (111) substrate manufactured by a floating zone (FZ) method. The size of the substrate is 2 inches.
[0027]
The conductivity type of the β-FeSi ₂ film 2 is n-type, unlike the Si substrate 1. The β-FeSi ₂ film 2 is deposited on the entire surface of the Si substrate 1.
[0028]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 10 will be described. This method includes a cleaning step, an initial layer forming step, a growing step, and an annealing step, as in the first embodiment.
[0029]
In the cleaning step, as in the first embodiment, the temperature of the substrate 1 is raised to 850 ° C. under a background pressure of 2 × 10 ⁻⁷ Torr, and the temperature is maintained for 30 minutes.
[0030]
In the initial layer formation step, a 99.99% Fe target is sputtered to form a β-FeSi ₂ initial layer having a thickness of 5 to 80 nm. The sputtering temperature is 450 ° C. The conductivity type of the initial layer is p-type. For the sputtering, an RF magnetron sputtering device is used. During the formation of the initial layer, the argon pressure is controlled at 3 × 10 ⁻³ Torr.
[0031]
In the growth step, the substrate 1 on which the initial layer has been formed is heated to 700 to 760 ° C. in an RF magnetron sputtering apparatus, and the β-FeSi ₂ initial layer is grown to a thickness of 250 nm. The conductivity type of the β-FeSi ₂ film remains p-type. The hole concentration of the β-FeSi ₂ film is of the order of 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ at room temperature, and its hole mobility is 20 cm ² / V · s at room temperature.
[0032]
Next, the β-FeSi ₂ film is annealed. Thereby, the β-FeSi ₂ film 2 of the light emitting device 10 of the present embodiment is obtained. The temperature of the thermal annealing is preferably from 880 to 900 ° C. In this embodiment, the annealing temperature is 890 ° C. In this thermal annealing, the Si substrate 1 on which the β-FeSi ₂ film is formed is exposed to a nitrogen atmosphere at 890 ° C. for 20 hours. This thermal annealing is performed in a quartz tube. Due to the thermal annealing, the conductivity type of the β-FeSi ₂ film changes from p-type to n-type. As a result, a pn junction is formed between the p-type Si substrate 1 and the n-type β-FeSi ₂ film 2. The 890 ° C. annealing lowers the carrier concentration and increases the mobility. Specifically, an electron concentration of ^{3 to} 10 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ and a mobility of 230 cm ² / V · s at the maximum can be obtained.
[0033]
After the annealing step, the lower electrode 3 and the upper electrode 4 are formed as in the first embodiment. Thereby, the light emitting device 10 of the present embodiment is completed.
[0034]
When a direct current is injected into the thus obtained n-type β-FeSi ₂ film 2 / p-type FZ-Si substrate 1 heterostructure through the Al electrodes 3 and 4, the light emitting element 10 can emit light at room temperature. it can. Thus, also in the present embodiment, it is possible to obtain the light emitting device 10 including the continuous β-FeSi ₂ film 2 provided on the Si substrate 1 as the light emitting layer.
[0035]
The present inventors performed an X-ray diffraction analysis on the unannealed β-FeSi ₂ film grown on the Si substrate 1. FIG. 4 is a graph showing the result. This X-ray diffraction analysis was performed using a four-crystal diffractometer.
[0036]
As shown in FIG. 4, in the β-FeSi ₂ film 2, only one peak appears over a wide range of diffraction angles. That is, a peak of β-FeSi ₂ (220) or (202) was detected next to the substrate signal. Therefore, the β-FeSi ₂ film has a high (110) or (101) orientation.
[0037]
The rocking curve (ω scan) of the β-FeSi ₂ peak has a full width at half maximum (FWHM) of 15 arcmin. This indicates that the β-FeSi ₂ peak is extremely narrow. Therefore, the β-FeSi ₂ film has high crystallinity.
[0038]
The present inventors examined in-plane epitaxial arrangements of the sample of FIG. As a result, the [001] direction (not [010]) of β-FeSi ₂ was parallel to the [110] direction of the Si substrate. This strongly supports the (110) orientation in the growth direction of the β-FeSi ₂ film.
[0039]
Further, the present inventors examined the relationship between the photon energy and the absorption coefficient of the β-FeSi ₂ film at room temperature. FIG. 5 is a graph showing the results. In FIG. 5, a straight line indicated by a broken line indicates that direct transition is possible. This straight line gives a band gap of 0.82 eV at the intersection with the energy axis (horizontal axis).
[0040]
A continuous highly oriented β-FeSi ₂ film can be grown directly on a Si substrate without forming an initial layer immediately after heat cleaning. However, as a result of X-ray diffraction analysis, the ω scan half-width of the β-FeSi ₂ peak when the initial layer is not formed is 30% or more wider than that when the initial layer is formed. Therefore, it is understood that the β-FeSi ₂ film having higher crystallinity can be obtained by forming the initial layer.
[0041]
In the above embodiment, a β-FeSi ₂ film is formed on a p-type FZ-Si substrate. However, even if a p-type CZ-Si substrate is used, it is considered that a β-FeSi ₂ film having high crystallinity can be obtained by forming and growing the initial layer.
[0042]
The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
[0043]
For example, in the above embodiment, an electrode is provided on the surface of the β-FeSi ₂ film formed on the Si substrate 1. However, an Si cap layer may be formed on the β-FeSi ₂ film, and an electrode may be provided on the cap layer. By providing the cap layer, improvement in luminous efficiency can be expected.
[0044]
In the above embodiment, an RF magnetron sputtering device is used as a high vacuum sputtering device for producing a β-FeSi ₂ film on a substrate. However, other types of magnetron sputtering devices can be used. However, the RF magnetron sputtering deposition method can be suitably used for providing a continuous and highly oriented β-FeSi ₂ film on a Si (111) substrate.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a light emitting device including a β-FeSi ₂ film as a light emitting layer on a Si substrate. Since the light emitting layer is not a microcrystal in the substrate but a continuous film on the substrate, the light emitting characteristics of the light emitting element of the present invention are hardly affected by the type and purity of the substrate. For this reason, the light emitting device of the present invention can be manufactured by a manufacturing process that is easy to control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing EL intensity when current is injected into the light emitting device of the first embodiment.
FIG. 4 is a graph showing a result of performing an X-ray diffraction analysis on a β-FeSi ₂ film before being annealed grown on a Si substrate.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the photon energy and the absorption coefficient of a β-FeSi ₂ film before annealing on a Si substrate.
[Explanation of symbols]
1 ... Si substrate, ₂ ... β-FeSi 2 film, 3 ... lower electrode, 4 ... upper electrode.

Claims

A Si substrate,
A β-FeSi ₂ film provided on the surface of the Si substrate and having a conductivity type different from the conductivity type of the Si substrate;
A first electrode provided on the back side of the Si substrate;
A second electrode provided on the surface side of the β-FeSi ₂ film.

The conductivity type of the Si substrate is n-type,
The light emitting device according to claim 1, wherein a conductivity type of the β-FeSi ₂ film is a p-type.

The conductivity type of the Si substrate is p-type,
The light emitting device according to claim 1, wherein a conductivity type of the β-FeSi ₂ film is an n-type.

The plane orientation of the Si substrate is (111),
The light emitting device according to claim 1, wherein the β-FeSi ₂ film has a (110) or a (101) orientation.

A Si substrate, a β-FeSi ₂ film provided on the front surface of the Si substrate, a first electrode provided on the back surface side of the Si substrate, and a front electrode side provided on the β-FeSi ₂ film A method of manufacturing a light emitting device comprising: a second electrode;
A cleaning step of heating and cleaning the Si substrate,
Forming an initial layer of the β-FeSi _{2 at a} first temperature on the Si substrate;
Growing the initial layer at a second temperature higher than the first temperature;
Annealing the β-FeSi ₂ film at a third temperature higher than the second temperature after the growing step.

The method according to claim 5, wherein the first temperature is 440 to 550C.

The method according to claim 5, wherein the second temperature is in a range of 700 to 760C.

The method according to claim 5, wherein the third temperature is 790 to 850C.

The method according to claim 5, wherein the third temperature is 880 to 900C.

The cleaning step heat-cleans the n-type Si substrate,
The initial layer forming step forms the p-type initial layer,
The method according to claim 5, wherein in the growing step, the p-type β-FeSi ₂ film is formed by growing the initial layer.

The cleaning step heat-cleans the p-type Si substrate,
The initial layer forming step forms the p-type initial layer,
In the growing step, the initial layer is grown to form a p-type β-FeSi ₂ film;
Annealing the beta-FeSi ₂ film, a manufacturing method of a light emitting device according to claim 5 for changing the conductivity type of the beta-FeSi ₂ layer from p-type to n-type.

The method according to claim 5, wherein the plane orientation of the Si substrate is (111).

The method of manufacturing a light emitting device according to claim 5, wherein the initial layer forming step forms the β-FeSi ₂ film by an RF magnetron sputtering method.

The method according to claim 5, wherein in the growing step, the β-FeSi ₂ film is grown by an RF magnetron sputtering method.