JP2006019648A - 鉄シリサイド発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板上に成長させたβ−ＦｅＳｉ₂ を凝集させることなくシリコン膜で埋め込み、真空一貫プロセスでｐ型シリコン／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ型シリコンのダブルヘテロ構造を実現することにより、工程数を低減し、かつβ−ＦｅＳｉ₂ へのキャリア注入効率を向上させ、発光効率を改善することができる鉄シリサイド発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】鉄シリサイド発光素子において、ｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板１と、このｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板１に形成される連続層から成るβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜２と、このβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜上に形成されるｐ型シリコン膜とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄シリサイド発光素子及びその製造方法に関するものである。

これまで、鉄シリサイド（β−ＦｅＳｉ₂ ）を活性領域とする発光デバイスは、β−ＦｅＳｉ₂ が大きさ０．１μｍ程度の微結晶の状態でＳｉのｐｎ接合ダイオードに埋め込まれているものが大部分であった。これは、β−ＦｅＳｉ₂ 形成の際、Ｆｅ⁺ イオンを加速してＳｉ基板中に打ち込むイオン注入法で作製されてきたことによる。

本発明者らがイオン注入法に代えて真空蒸着法を用いて作製した場合（下記特許文献１参照）でも、Ｓｉ（００１）基板上にβ−ＦｅＳｉ₂ 膜を形成した場合には、その膜をＳｉで埋め込むとβ−ＦｅＳｉ₂ が島状に凝集してしまう問題があった（下記特許文献１および下記非特許文献２参照）。

一方、Ｓｉ（１１１）基板上に形成したβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜を活性領域としてＳｉ−ｐｎ接合で埋め込んだ発光素子が浜松ホトニクスから最近報告されている（下記非特許文献１参照）。

また、本発明者らは、シリコン基板上に膜の結晶方位を揃えるためにβ−ＦｅＳｉ₂ エピタキシャル成長膜を形成し、このβ−ＦｅＳｉ₂ エピタキシャル成長膜上にＳｉ／Ｆｅ多層膜を蒸着により形成し、このＳｉ／Ｆｅ多層膜上に凝縮の制御をするためのＳｉＯ₂ キャップ膜を蒸着により形成し、アニールによりβ−ＦｅＳｉ₂ エピタキシャル成長膜を形成するようにした半導体シリサイド膜の製造方法を提案した（下記特許文献２参照）。
特開２０００−１３３８３６号公報 特開２００１−２６７２６８号公報 Ｃｈｕ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．２Ａ（２００４）Ｌ１５４−Ｌ１５６． Ｔ．Ｓｕｅｍａｓｕ ｅｔ．ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１０Ｂ（２０００），Ｌ１０１３−Ｌ１０１５．

上記したように、従来のβ−ＦｅＳｉ₂ を活性領域とする発光素子では、大きさ０．１μｍ程度のβ−ＦｅＳｉ₂ 微結晶をＳｉ中に埋め込んだ構造であった。つまり、Ｓｉ（００１）基板上ではβ−ＦｅＳｉ₂ が凝集してしまい、高品質な連続膜の作製が困難であった。

図８は従来の方法によりβ−ＦｅＳｉ₂ が凝集する様子を示す図である。

この図８において、１０１はＳｉ（００１）基板、１０２は凝集したβ−ＦｅＳｉ₂ 、１０３は凝集したβ−ＦｅＳｉ₂ １０２を埋め込むＳｉ膜である。

このように、Ｓｉ（００１）基板１０１上にβ−ＦｅＳｉ₂ 膜を形成後、Ｓｉ膜１０３で埋め込むと、β−ＦｅＳｉ₂ は凝集してしまう。このように、発光するβ−ＦｅＳｉ₂ が粒状に凝縮すると、キャリア注入の点で問題がある。

一方、上記非特許文献１ではＳｉ（１１１）基板上にβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜を形成し、これをＳｉ−ｐｎ接合で埋め込んだ発光素子の製造に成功しているが、これはβ−ＦｅＳｉ₂ 膜を成長させた後、一度、真空チャンバーから取り出し、ＣＶＤ法でＳｉ層を作製する方法であって、真空一貫プロセスではないため、界面に不純物が堆積し、β−ＦｅＳｉ₂ へのキャリア注入効率が劣化するといった問題があった。

また、上記特許文献２の方法では、製造において工程数が増加するといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、シリコン基板上に成長させた鉄シリサイドを凝集することなくシリコン膜で埋め込み、真空一貫プロセスでｐ型シリコン／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ型シリコンのダブルヘテロ構造を実現することにより、工程数を低減し、かつ鉄シリサイドへのキャリア注入効率を向上させ、発光効率を改善することができる鉄シリサイド発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄シリサイド発光素子において、ｎ型シリコン（１１１）基板と、このｎ型シリコン（１１１）基板に形成される連続層から成るβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜と、このβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜上に形成されるｐ型シリコン膜とを有することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の鉄シリサイド発光素子において、前記ｎ型シリコン（１１１）基板が、低抵抗エピタキシャル基板、低抵抗ＣＺ基板、低抵抗ＤＺ−ＣＺ基板又は低抵抗ＦＺ基板であることを特徴とする。

〔３〕鉄シリサイド発光素子の製造方法において、（ａ）ｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板を用意し、（ｂ）このｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板上にβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜をエピタキシャル成長し、（ｃ）このβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜をｐ型シリコン膜で埋め込み、ｐ型シリコン／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ型シリコンのダブルヘテロ構造を真空中で一貫して製造することを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の鉄シリサイド発光素子の製造方法において、前記工程（ｃ）に続いて、不活性ガス雰囲気中で、熱処理を行い、結晶の質を向上させることを特徴とする。

〔５〕上記〔３〕記載の鉄シリサイド発光素子の製造方法において、前記β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜は、まず、ｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板上にＦｅのみを堆積し、第１のβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜をエピタキシャル成長し、次いで、この第１のβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜をテンプレート（種結晶）として、この上に、ＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法により、第２のβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜をエピタキシャル成長させて形成することを特徴とする。

〔６〕上記〔３〕記載の鉄シリサイド発光素子の製造方法において、前記ｐ型シリコン膜は、まず、前記β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜上にＳｉ層をエピタキシャル成長し、さらに該Ｓｉ層上にボロンとＳｉを同時照射してｐ型Ｓｉ層を堆積することを特徴とする。

本発明によれば、真空一貫プロセスでｐ型シリコン／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ型シリコンのダブルヘテロ構造を形成するため、工程数を低減し、欠陥や不純物の少ない高品質な発光素子を製造できる。また、活性領域がβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜であるため、鉄シリサイドへのキャリア注入効率を向上させ、発光効率を改善することができる。

本発明は、未だ誰も実現したことのない、Ｓｉベースのレーザダイオード作製への道を開くものである。

本発明では、Ｓｉ（１１１）基板上に堆積したβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜を凝集させることなく、真空一貫プロセスで発光デバイスに必要なｐ−Ｓｉ／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ−Ｓｉのダブルヘテロ構造を形成する。

すなわち、図１に示すように、ｎ型低抵抗Ｓｉ（１１１）基板１上にβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜２、その上にＳｉ層３を真空一貫プロセスで形成し、その後、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行い、結晶の質を向上させる。

このように、ダブルヘテロ構造を真空中で連続して形成できるため、欠陥や不純物の導入が少なく高品質であり、さらに、活性領域がβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜であるため、活性領域が粒状のβ−ＦｅＳｉ₂ である場合と比べてβ−ＦｅＳｉ₂ へのキャリアの注入効率が改善され、発光強度が向上する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明の発光素子の製造工程について説明する。

図２は本発明の実施例を示す発光素子の工程断面図、図３はそのように形成されたβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜を示す図である。

（１）図２（ａ）に示すように、超高真空下でまずｎ型低抵抗Ｓｉ（１１１）基板１（キャリア密度１０¹⁹ｃｍ^-3程度）を用意する。

（２）図２（ｂ）に示すように、そのｎ型低抵抗Ｓｉ（１１１）基板１表面を６５０℃に加熱した状態でＦｅのみを堆積し、膜厚２０ｎｍのβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜２Ａをエピタキシャル成長する。この方法を熱反応堆積法（ＲＤＥ法）と呼ぶ。

次いで、そのβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜２Ａをテンプレート（種結晶）として、この上に７５０℃でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により、β−ＦｅＳｉ₂ 薄膜２Ｂを８０ｎｍ成長し、β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜２を合計１００ｎｍエピタキシャル成長する。

（２）次いで、図２（ｃ）に示すように、この上に５００℃でＳｉ層３Ａを６００ｎｍエピタキシャル成長し、さらに７５０℃でボロンとＳｉを同時照射してｐ型Ｓｉ層３Ｂを３００ｎｍ堆積し、合計９００ｎｍのＳｉ層３を形成する。

このようにして、ｐ−Ｓｉ／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ−Ｓｉのダブルヘテロ構造を形成する。

成長後、図２（ｄ）に示すように、不活性ガス雰囲気中（ＡｒやＮ₂ ）で、８００℃で１４時間の熱処理を行い、結晶の質を向上させ、鉄シリサイド発光素子を完成させる。

このようにして、図３に示すように、β−ＦｅＳｉ₂ を凝集させることなく、Ｓｉ中に埋め込むことができた。

このように形成された本発明の発光素子の発光特性図を図４に示す。この図において、縦軸はＰＬ強度（相対単位）、下横軸はエネルギー（ｅＶ）、上横軸は波長（μｍ）をそれぞれ示している。

上記のようにして作製したダブルヘテロ構造からは、図６に示すように、７７Ｋで電流注入による発光が観察され、今後条件を最適化することで室温動作が期待できる。

〔実験例〕
ｎ型低抵抗ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）−Ｓｉ（１１１）基板上に６５０℃でＲＤＥ法により、テンプレートとしてのβ−ＦｅＳｉ₂ 膜を２０ｎｍを形成し、その上に７５０℃でＭＢＥ法により〔１１０〕／〔１０１〕高配向β−ＦｅＳｉ₂ 膜８０ｎｍを形成した。次いで、５００℃でＳｉ層６００ｎｍをエピタキシャル成長させ、７５０℃でボロンとＳｉを同時に照射するＭＢＥ法によりｐ型Ｓｉ層を形成し、Ａｒ雰囲気で８００℃で１４時間のアニールを行った。また、ＣＺ−Ｓｉ基板をＨｅ希釈Ｈ₂ 雰囲気で１２００℃、１時間のアニールを行い基板表面に無欠陥層を作製したＤＺ（ｄｅｎｕｄｅｄ ｚｏｎｅ）−ＣＺ基板上に同様の構造を作製し、ＰＬ発光特性を比較した。

〔結果〕
作製した試料は、図３に示すように、β−ＦｅＳｉ₂ が連続膜としてＳｉ中に埋め込まれていた。

図５に７７ＫにおけるＰＬスペクトルを示す。

この図において、縦軸は強度（相対単位）、下横軸はエネルギー（ｅＶ）、上横軸は波長（μｍ）をそれぞれ示している。また、図５中のａ，ｂ，ｃは、それぞれ、ＤＺ−ＣＺ基板、ＦＺ（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）基板、ＣＺ基板上に作製した試料の発光特性をそれぞれ示している。ＣＺ基板上に作製した試料ｃからは０．８ｅＶ付近に弱いブロードなピークしか観察されなかった。これに対して、同一基板に無欠陥層を作製したＤＺ−ＣＺ基板上の試料ａでは、ＦＺ基板上の試料ｂと同程度の発光強度が得られた。この違いはＳｉ（００１）基板上との場合（上記非特許文献２参照）と同様、ＣＺ基板中の酸素（１０¹⁸ｃｍ^-3）の影響によるものと考えられる。

図６は本発明の発光素子の電流密度をパラメータとした発光特性を示す図であり、上横軸は波長（μｍ）、下横軸はエネルギー（ｅＶ）、縦軸はＥＬ強度（相対単位）を示している。

この図から明らかなように、４．４Ａ／ｃｍ² くらいから発光の兆しが見られ、８．９Ａ／ｃｍ² 、１３Ａ／ｃｍ² 、１８Ａ／ｃｍ² と次第に発光強度が高くなり、２２Ａ／ｃｍ² に至っては最高となっている。

図７は本発明の発光素子の温度をパラメータとした発光特性を示す図であり、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ² ）、縦軸はＥＬ積分強度（相対単位）を示している。

７７Ｋにおいては、電流密度の上昇に比例してＥＬ積分強度が上昇することが分かる。

そして、更には、本発明は、未だ誰も実現したことのない、Ｓｉベースのレーザダイオード作製への道を開くものである。

また、本発明の発光素子は、Ｓｉ基板上に光通信で欠かせない１．５μｍ帯で発光するデバイスとして好適である。

因みに、現在のＬＳＩは、電気配線での信号伝達遅延が大きな問題となっており、この問題の解決手段の１つとして、半導体ロードマップにおいても光配線が提案されてきた。本発明は、光配線が採用された場合の、発光素子の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明の発光素子は、活性領域がβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜であり長尺形状の発光も可能となるため、光配線としての利用が可能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の鉄シリサイド発光素子及びその製造方法は、各種の電子デバイス、特にＳｉ基板上に光通信で欠かせない１．５μｍ帯で発光するデバイスとして利用可能であり、半導体分野への貢献は大である。

本発明の発光素子の断面模式図である。 本発明の実施例を示す発光素子の工程断面図である。 本発明の実施例を示すβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜を示す図である。 本発明の実施例を示す発光素子の７７ＫにおけるＰＬスペクトルを示す図である。 本発明の実験例を示す発光素子の７７ＫにおけるＰＬスペクトルを示す図である。 本発明の発光素子の電流密度をパラメータとした発光特性を示す図である。 本発明の発光素子の温度をパラメータとした発光特性を示す図である。 従来の方法によりβ−ＦｅＳｉ₂ が凝集する様子を示す図である。

符号の説明

１ ｎ型Ｓｉ（１１１）基板
２ β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜
２Ａ β−ＦｅＳｉ₂ 薄膜（２０ｎｍ）
２Ｂ β−ＦｅＳｉ₂ 薄膜（８０ｎｍ）
３ Ｓｉ層
３Ａ Ｓｉ層（６００ｎｍ）
３Ｂ ｐ型Ｓｉ層（３００ｎｍ）

Claims (6)

1. （ａ）ｎ型シリコン（１１１）基板と、
   （ｂ）該ｎ型シリコン（１１１）基板に形成される連続層から成るβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜と、
   （ｃ）該β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜上に形成されるｐ型シリコン膜とを有することを特徴とする鉄シリサイド発光素子。
2. 請求項１記載の鉄シリサイド発光素子において、前記ｎ型シリコン（１１１）基板が、低抵抗エピタキシャル基板、低抵抗ＣＺ基板、低抵抗ＤＺ−ＣＺ基板又は低抵抗ＦＺ基板であることを特徴とする鉄シリサイド発光素子。
3. （ａ）ｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板を用意し、
   （ｂ）該ｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板上にβ−ＦｅＳｉ₂ 連続膜をエピタキシャル成長し、
   （ｃ）該β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜をｐ型シリコン膜で埋め込み、ｐ型シリコン／β−ＦｅＳｉ₂ ／ｎ型シリコンのダブルヘテロ構造を真空中で一貫して製造することを特徴とする鉄シリサイド発光素子の製造方法。
4. 請求項３記載の鉄シリサイド発光素子の製造方法において、前記工程（ｃ）に続いて、不活性ガス雰囲気中で、熱処理を行い、結晶の質を向上させることを特徴とする鉄シリサイド発光素子の製造方法。
5. 請求項３記載の鉄シリサイド発光素子の製造方法において、前記β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜は、まず、ｎ型低抵抗シリコン（１１１）基板上にＦｅのみを堆積し、第１のβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜をエピタキシャル成長し、次いで、該第１のβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜をテンプレート（種結晶）として、この上に、ＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法により、第２のβ−ＦｅＳｉ₂ 薄膜をエピタキシャル成長させて形成することを特徴とする鉄シリサイド発光素子の製造方法。
6. 請求項３記載の鉄シリサイド発光素子の製造方法において、前記ｐ型シリコン膜は、まず、前記β−ＦｅＳｉ₂ 連続膜上にＳｉ層をエピタキシャル成長し、さらに該Ｓｉ層上にボロンとＳｉを同時照射してｐ型Ｓｉ層を堆積することを特徴とする鉄シリサイド発光素子の製造方法。