JP2006059949A - Infrared light emitting element and its fabrication process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外光発光素子とその製造方法、特にケイ素含有発光層を備えた赤外光発光素子とその製造法に関するものである。 The present invention relates to an infrared light emitting device and a method for producing the same, and more particularly to an infrared light emitting device including a silicon-containing light emitting layer and a method for producing the same.
赤外光発光ダイオードは主に光通信産業に応用されている。しかし、半導体レーザダイオード技術の成熟に伴い、ガラス光ファイバで使用される発光ダイオードの光源(波長は1310nm〜1550nmの間にある赤外光)は、その伝送距離を増やすために次第にレーザダイオードを使用することに変わりつつある。家庭用ネットワークとデジタル映像などマルチメディアの接続は、主にプラスチック光ファイバおよび波長が650〜670nmの赤外光発光ダイオードが使用されている。従って、赤外光発光ダイオードの応用範囲は、例えばセンシング測定装置とリモコンなどの市場では波長が850〜950nmの間に限定されている。現段階では、光電素子(特に発光素子)の製造は主に結晶技術が採用され、さらにダイレクトバンドギャップ(Direct band−gap)を有する III−V族またはII−VI族などの元素を原料として使用している。 Infrared light emitting diodes are mainly applied in the optical communication industry. However, with the maturation of semiconductor laser diode technology, the light source of light emitting diodes used in glass optical fiber (infrared light whose wavelength is between 1310 nm and 1550 nm) gradually uses laser diodes to increase its transmission distance Is changing. For the connection of multimedia such as a home network and digital video, a plastic optical fiber and an infrared light emitting diode having a wavelength of 650 to 670 nm are mainly used. Accordingly, the application range of infrared light emitting diodes is limited to a wavelength range of 850 to 950 nm in the market of sensing measuring devices and remote controllers, for example. At present, the production of photoelectric elements (especially light-emitting elements) is mainly based on crystal technology, and further uses elements such as III-V or II-VI groups that have direct band-gap as raw materials. is doing.
1947年に電気結晶が発明された後、ケイ素材料は集積回路産業の中でずっと重要な役割を演じてきた。ムーアの法則(Moore’s Law)の予測によると、集積回路の素子の大きさは約18ヶ月ごとに元の半分に縮減する。ムーアの法則の主な根拠は、新技術の絶え間ない進歩と潜在的応用開発などの条件下で導き出した結果によるものであり、そしてケイ素材料はこの急速な進歩の重要な基礎である。長年の発展の結果、ケイ素材料を集積回路に応用する工程技術は最も完璧で最も低コストになっているといえる。そのため、ケイ素材料をさらに開発によって発光素子にすることができれば、具体的に発光素子と大規模集積回路(VLSI)を整合させることができる。 After the electrocrystal was invented in 1947, silicon materials have played a much more important role in the integrated circuit industry. According to Moore's Law prediction, the size of an integrated circuit element shrinks to half of its original size about every 18 months. The main basis for Moore's Law is the result of deriving under conditions such as constant advancement of new technologies and potential application development, and silicon materials are an important basis for this rapid progress. As a result of many years of development, the process technology for applying silicon materials to integrated circuits is the most complete and the lowest cost. Therefore, if the silicon material can be further developed into a light emitting element, the light emitting element and the large scale integrated circuit (VLSI) can be specifically matched.
ケイ素材料(IV族元素)は、室温下では無効率の発光源である。その主な原因は、ケイ素材料が間接バンドギャップ(Indirect band−gap)材料に属し、その光輻射重合率(Radiative recombination rate)が非常に低く、さらに内部量子の発光効率(Internal quantum efficiency)がわずか10−6〜10−7しかなく、そのためにいつも発光源としての役割から除外されているからである。したがって、光電産業におけるケイ素材料の応用は、現在のところ検出器、電荷結合デバイス(Charge coupled Device,CCD)のアレイ画像センシング装置と太陽電池などの受光素子での使用に限られている。 Silicon materials (Group IV elements) are illuminants with an ineffective rate at room temperature. The main causes are that the silicon material belongs to the indirect band-gap material, the light radiation polymerization rate is very low, and the light emission efficiency of the internal quantum (Internal quantum efficiency) is small. This is because it is only 10 −6 to 10 −7 , and is therefore always excluded from the role as a light source. Therefore, the application of silicon materials in the photoelectric industry is currently limited to use in detectors, array image sensing devices of charge coupled devices (CCDs) and light receiving elements such as solar cells.
1990年、英国人のL.T.Canhamは、アルゴンフッ素酸溶液の中で陽極電解ケイ素材料を利用して形成された多孔性ケイ素材料(Porous Si,PSi)は、高効率の可視光源を生じさせることができることを発見した(非特許文献1参照)。この重要な発見により、世界各国の研究チームがこぞってケイ素光源開発に取り組んだ。2000年〜2003年の間に、世界の多くの学術研究機関と研究者がみなケイ素を基材とする発光ダイオードの開発に取り組み、そしてかなりの進展が見られた(非特許文献2参照)。とはいっても、どんな形であれ、商業化された発光ダイオードなどの光電製品は今のところまだ現れていない。 In 1990, British L.C. T.A. Canham discovered that a porous silicon material (Porous Si, PSi) formed using an anodic electrolytic silicon material in an argon fluoric acid solution can produce a highly efficient visible light source (non-patented). Reference 1). With this important discovery, research teams around the world have worked on the development of silicon light sources. Between 2000 and 2003, many academic institutions and researchers around the world all worked on the development of silicon-based light emitting diodes, and considerable progress was made (see Non-Patent Document 2). That said, commercial products such as light-emitting diodes in any form have yet to appear.
多孔性ケイ素材料は、海綿状の組織構造を有するため、発光素子に応用する場合重大な欠点となる。機械的特性でいえば、多孔性ケイ素材料は砕け易いために標準半導体製造工程に整合させるのは不適当である。また、多孔性ケイ素材料の化学的特性は、高い活性が現れるために空気中の酸素原子と化学作用を起こし易く、光電性能を退化させてしまうため、その光電性能の時間に伴う変化状況のコントロールが困難である。
本発明の主な目的は、ケイ素を含む発光層を持った赤外光発光素子とその製造方法を提供することである。 A main object of the present invention is to provide an infrared light emitting device having a light emitting layer containing silicon and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために、本発明は、赤外光発光素子とその製造方法を開示する。この赤外光発光素子は、上表面と下表面を有する基板と、その上表面上に設けた第1窓層と、その第1窓層の上に設けた二酸化ケイ素層と、その二酸化ケイ素層内に分布する複数個のケイ素ナノメートル結晶と、その二酸化ケイ素層上に取り付けた第2窓層と、その第2窓層の上に設けた透明導電層と、その透明導電層の上に設けた第1オーム接触電極と、その下表面に取り付けられた第2オーム接触電極とを含む。基板はp−型ケイ素基板でもn−型ケイ素基板でもよく、第1窓層と第2窓層は、微結晶シリコンまたはアモルファスシリコン、窒化ガリウムで構成してよい。透明導電層は酸化イリジウム錫で構成してよい。第1オーム接触電極は、アルミニウム、ニッケル、またはアルミニウムとニッケルを含む合金で構成してよい。二酸化ケイ素層の厚さは1〜10000nmの間にあり、さらにこのケイ素ナノメートル結晶のサイズは5〜10nmの間にある。 In order to achieve the above object, the present invention discloses an infrared light emitting device and a method for manufacturing the same. The infrared light emitting element includes a substrate having an upper surface and a lower surface, a first window layer provided on the upper surface, a silicon dioxide layer provided on the first window layer, and the silicon dioxide layer A plurality of silicon nanometer crystals distributed therein, a second window layer attached on the silicon dioxide layer, a transparent conductive layer provided on the second window layer, and provided on the transparent conductive layer A first ohmic contact electrode and a second ohmic contact electrode attached to the lower surface thereof. The substrate may be a p-type silicon substrate or an n-type silicon substrate, and the first window layer and the second window layer may be made of microcrystalline silicon, amorphous silicon, or gallium nitride. The transparent conductive layer may be composed of iridium tin oxide. The first ohmic contact electrode may be made of aluminum, nickel, or an alloy containing aluminum and nickel. The thickness of the silicon dioxide layer is between 1 and 10000 nm, and the size of the silicon nanometer crystal is between 5 and 10 nm.
この赤外光発光素子のもう1つの実施例は、基板と、この基板上に設けた第1窓層と、この第1窓層の一部表面に設けた二酸化ケイ素層と、この二酸化ケイ素層中に分布する複数個のナノメートル結晶と、二酸化ケイ素層上に取り付けた第2窓層と、第2窓層上に設けた透明導電層と、透明導電層上に設けた第1オーム接触電極と、第1窓層の一部表面に取り付けられた第2オーム接触電極とを含む。この第1窓層と第2窓層はアモルファスシリコン、微結晶シリコンまたは窒化ガリウムで構成し、基板は石英基板または酸化アルミニウム基板である。 Another embodiment of the infrared light emitting device includes a substrate, a first window layer provided on the substrate, a silicon dioxide layer provided on a partial surface of the first window layer, and the silicon dioxide layer. A plurality of nanometer crystals distributed therein, a second window layer attached on the silicon dioxide layer, a transparent conductive layer provided on the second window layer, and a first ohmic contact electrode provided on the transparent conductive layer And a second ohmic contact electrode attached to a partial surface of the first window layer. The first window layer and the second window layer are made of amorphous silicon, microcrystalline silicon, or gallium nitride, and the substrate is a quartz substrate or an aluminum oxide substrate.
この赤外光発光素子の製造方法は、まず基板に不足当量の酸化ケイ素層を形成する。この不足当量の酸化ケイ素層の酸素原子数とケイ素原子数の比率が2未満である。次に、少なくとも熱処理工程によって、不足当量の酸化ケイ素層の中の一部ケイ素原子結晶を複数個のケイ素ナノメートル結晶に形成させる。不足当量の酸化ケイ素層は常圧化学蒸着工程によって基板上に形成され、常圧化学蒸着工程の温度は700〜1100℃の間にあり、さらに堆積時間は1〜300分の間にある。常圧化学蒸着工程は、流量比が10:1〜1:10の間にあるジクロロジヒドロケイ素と一酸化二窒素、またはシランと一酸化二窒素を反応気体として使用する。この常圧化学蒸着工程は水素、窒素またはアルゴンを搬送気体として使用し、反応気体を均一に混合してから反応室に送り込む。 In this method of manufacturing an infrared light emitting element, a silicon oxide layer having a deficient equivalent is first formed on a substrate. The ratio of the number of oxygen atoms and the number of silicon atoms in the insufficiently equivalent silicon oxide layer is less than 2. Next, at least by a heat treatment step, a part of silicon atom crystals in the silicon oxide layer of insufficient equivalent is formed into a plurality of silicon nanometer crystals. A sub-equivalent silicon oxide layer is formed on the substrate by an atmospheric pressure chemical vapor deposition process, the temperature of the atmospheric pressure chemical vapor deposition process is between 700-1100 ° C., and the deposition time is between 1-300 minutes. In the atmospheric pressure chemical vapor deposition process, dichlorodihydrosilicon and dinitrogen monoxide or silane and dinitrogen monoxide having a flow ratio of 10: 1 to 1:10 are used as reaction gases. In this atmospheric pressure chemical vapor deposition process, hydrogen, nitrogen or argon is used as a carrier gas, and the reaction gas is uniformly mixed and then fed into the reaction chamber.
この熱処理工程には第1処理工程と第2処理工程が含まれる。第1処理工程は窒素またはアルゴンの環境下でケイ素ナノメートル結晶を成長させるものであり、その処理温度は800〜1300℃の間にあり、さらに処理時間は1〜300分の間にある。第2処理工程はアルゴンの環境下でケイ素ナノメートル結晶の表面パッシベーションを行うものであり、その処理温度は500〜600℃の間にあり、さらに処理時間は1〜120分の間にある。 This heat treatment process includes a first treatment process and a second treatment process. The first treatment step is to grow silicon nanometer crystals in an environment of nitrogen or argon, the treatment temperature is between 800-1300 ° C., and the treatment time is between 1-300 minutes. The second treatment step involves surface passivation of silicon nanometer crystals in an argon environment, the treatment temperature being between 500-600 ° C., and the treatment time being between 1-120 minutes.
量子の極限効果(Quantum confinement effect)により、材料のバンドギャップの間隔は、サイズが小さくなるほど広くなるため、ナノメートルサイズの結晶は一般的大きさの材料と異なる独特な光電特性をもっている。そのため、研究者は、周知の多孔性ケイ素材料の利用のほかに、高安定性の二酸化ケイ素層の中でケイ素ナノメートル結晶(silicon nanocrystal,Si−NC)を形成させてケイ素光源を作成することも試みている。 Due to the quantum effect, the band gap spacing of the material becomes wider as the size decreases, so that nanometer-sized crystals have unique photoelectric properties that are different from general size materials. Therefore, in addition to the use of well-known porous silicon materials, researchers create silicon light sources by forming silicon nanocrystals (Si-NC) in a highly stable silicon dioxide layer. Also trying.
ケイ素ナノメートル結晶の製造方法は、まず化学蒸着技術を利用して、過剰ケイ素原子(Excess of silicon)成分をもつ不足当量の酸化ケイ素(SiOx)層(Sub−stoichiometric silica film)を形成し、その酸素原子数とケイ素原子数の比(x)は2未満である。次に、高温による焼きなまし処理(Annealing)をして2つの異なる金属相(即ちケイ素と二酸化ケイ素)を互いに分離し、秩序ある(order)構造のケイ素ナノメートル結晶と均質構造(Amorphous)の二酸化ケイ素を同時に形成させる。そのうち、二酸化ケイ素層はケイ素ナノメートル結晶の寄宿用の母体組織(matrix)とする。二酸化ケイ素材料は均質構造であるため、ケイ素ナノメートル結晶と二酸化ケイ素の間にひずみはない(Strain−free)。ケイ素ナノメートル結晶の大きさと密度は層の堆積温度と焼きなまし温度などの作業パラメータによってコントロールできる。 A method of manufacturing a silicon nanometer crystal uses a chemical vapor deposition technique to form a sub-equivalent silicon oxide (SiOx) layer (Sub-stoichiometric silicon film) having an excess silicon atom component. The ratio (x) of the number of oxygen atoms to the number of silicon atoms is less than 2. Next, annealing at high temperature (Annealing) separates the two different metal phases (ie silicon and silicon dioxide) from each other, an ordered silicon nanometer crystal and an amorphous silicon dioxide Are formed simultaneously. Of these, the silicon dioxide layer is a matrix for depositing silicon nanometer crystals. Since the silicon dioxide material has a homogeneous structure, there is no strain between the silicon nanometer crystal and the silicon dioxide (Strain-free). The size and density of silicon nanometer crystals can be controlled by operating parameters such as layer deposition temperature and annealing temperature.
もう1つのケイ素ナノメートル結晶の製造方法は、イオン注入技術を採用することである。イオン注入技術は、長年開発されてきた成熟した技術であり、すでに大型半導体集積回路の製造工程に使用されている。イオン注入技術は、加速したケイ素イオンを直接二酸化ケイ素層の中に注入して、二酸化ケイ素層内の一部エリアに過剰ケイ素原子を形成させる。次に焼きなまし処理によって過剰ケイ素原子を核結晶にして、二酸化ケイ素層(母体組織)内に寄宿するケイ素ナノメートル結晶を形成させる。 Another method for producing silicon nanometer crystals is to employ an ion implantation technique. Ion implantation technology is a mature technology that has been developed for many years and has already been used in the manufacturing process of large-scale semiconductor integrated circuits. The ion implantation technique implants accelerated silicon ions directly into the silicon dioxide layer to form excess silicon atoms in some areas within the silicon dioxide layer. Next, the silicon nanometer crystal which deposits in the silicon dioxide layer (matrix structure) is formed by converting the excess silicon atoms into nucleus crystals by annealing treatment.
イオン注入技術は、注入するイオンのエネルギー量と用量を調節することにより、特定の一部エリアと深さ範囲で必要な過剰ケイ素原子濃度(concentration)と分布輪郭(Profile)を注入する。なお、イオン注入過程で、多くの構造的欠陥(Structural defects)も形成されるが、これらの構造的欠陥は原子拡散の活性エネルギー(Activation energy of diffusion)を低減させ、金属相の分離に必要な焼きなまし処理の温度もこれに伴って下がる。しかし、化学蒸着工程に比べ、イオン注入技術で過剰ケイ素原子濃度を形成させるのに必要な時間が長すぎるため、発光ダイオードの発光層の製造に応用するのは不適当である。 The ion implantation technique implants necessary excess silicon atom concentration and distribution profile in a specific partial area and depth range by adjusting the energy amount and dose of ions to be implanted. In addition, many structural defects are formed in the ion implantation process, but these structural defects reduce the activation energy of atomic diffusion (activation energy of diffusion) and are necessary for the separation of the metal phase. The temperature of the annealing process also decreases with this. However, since the time required for forming the excess silicon atom concentration by the ion implantation technique is too long as compared with the chemical vapor deposition process, it is inappropriate to apply to the production of the light emitting layer of the light emitting diode.
半導体製造工程に広く使用されている化学蒸着法(Chemical Vapor Deposition,CVD)は、作業温度範囲(100〜1000℃)と作業圧力範囲(大気圧から7Paなどまでの変化)により、常圧化学蒸着法(APCVD)、低圧化学蒸着法(LPCVD)、プラズマ化学蒸着法(PECVD)の3種類に分かれる。イオン注入技術に比べ、化学蒸着法は精確に堆積層の組成と構造をコントロールし、均一で速い堆積速度、高生産量、低製造コストなどの長所をもつ。 Chemical vapor deposition (CVD), which is widely used in semiconductor manufacturing processes, is based on atmospheric pressure chemical vapor deposition depending on the working temperature range (100-1000 ° C) and working pressure range (change from atmospheric pressure to 7 Pa, etc.). The method is divided into three types: APCVD, low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), and plasma chemical vapor deposition (PECVD). Compared to ion implantation technology, chemical vapor deposition precisely controls the composition and structure of the deposited layer and has the advantages of uniform and fast deposition rate, high production volume and low manufacturing cost.
低圧化学蒸着法とプラズマ化学蒸着法などの低温堆積工程で形成されるケイ素含有層の金属相構造は比較的疎散し、さらに結晶の成長を抑止する構造的欠陥と不純物が比較的多い。本発明は、高温の常圧化学蒸着工程を選定して、発光ダイオードのケイ素含有層を製造する。高温環境下で製造されるケイ素含有発光層は、構造的欠陥と不純物が比較的少なく、また、複雑なケイ素―窒素―酸素(Si−N−O)化合物は高緻密性と高密度分布のケイ素ナノメートル結晶を形成できる。このように、ケイ素ナノメートル結晶のルミネセンススペクトルには高明晰度、高輝度と比較的狭い光スペクトル半幅を有する。 The metal phase structure of the silicon-containing layer formed in the low-temperature deposition process such as low-pressure chemical vapor deposition and plasma chemical vapor deposition is relatively dissipated, and there are relatively many structural defects and impurities that inhibit crystal growth. The present invention selects a high temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition process to produce a silicon-containing layer of a light emitting diode. Silicon-containing light-emitting layers manufactured in a high-temperature environment have relatively few structural defects and impurities, and complex silicon-nitrogen-oxygen (Si-N-O) compounds are highly dense and densely distributed silicon. Nanometer crystals can be formed. Thus, the luminescence spectrum of a silicon nanometer crystal has high brightness, high brightness, and a relatively narrow light spectrum half width.
図1は常圧化学蒸着装置100の説明図である。図1に示すように、この常圧化学蒸着装置100は反応室10、反応室10の周辺に取り付けられた高周波振動電源12、反応室10の中のグラファイトブロック14、入気分岐管16および排気分岐管18を含んでいる。グラファイトブロック14は、層堆積を行おうとする基板22を載せるのに使用される。グラファイトブロック4自体は、酸素分子がグラファイトブロック14を侵食するのを防ぐために、予め炭化ケイ素と二酸化ケイ素で構成された層15を堆積させている。
FIG. 1 is an explanatory view of an atmospheric pressure chemical
図2〜図4は、本発明の赤外発光ダイオードの製造方法を示す。本発明は、発光ダイオード50を製造するとき、まず基板22を反応室10のグラファイトブロック14の上に置き、次に高周波電源12を利用して、堆積温度TDになるまでグラファイトブロック14を加熱する。この基板22はp−型ケイ素基板でもn−型ケイ素基板でもよく、さらに上表面23Aと下表面23Bを有する。第1窓層25は基板22の上表面23A上に堆積される。次に搬送気体(水素、アルゴンまたは窒素を選択してよい)11によって一定のモル数または体積比の反応気体17を、入気分岐管16を通って均一に混合してから反応室10に送り込む。反応気体17は、ジクロロジヒドロケイ素(SiH2Cl2)と一酸化二窒素(N2O)の混合気体でよく、両者の流量比は10:1〜1:10の間である。このほかに、反応気体17はシラン(SiH4)とN2Oであってもよく、両者の流量比は10:1〜1:10の間である。
2-4 shows the manufacturing method of the infrared light emitting diode of this invention. In the present invention, when manufacturing the
この反応室10を堆積温度TDに−予定時間tDに保ち、過剰ケイ素原子をもつ不足当量の酸化ケイ素(SiOx)層20を第1窓層25の上に形成し、酸素原子数とケイ素原子数の比率(x)は2未満である。その他の反応副産物19、たとえば窒素(N2)と塩化水素(HCl)などの気体は排気分岐管18から連続的に排出される。次に、窒素(またはアルゴン)を反応室10の中に送り込んで窒素(またはアルゴン)環境を形成させ、さらに反応室10の温度を処理温度TPまで上昇させ、さらに予定時間tPを保って熱処理工程を行う。この反応室10の環境は、不足当量の酸化ケイ素層20内の過剰ケイ素原子を結晶成長と成熟などの反応工程を行うよう駆り立てることによって、不足当量の酸化ケイ素層20を、ケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26に転化させる。
The
次に、水素を反応室10内に通し、さらに反応室10の温度を水素パッシベーション温度TPHにまで上昇させ、予定時間tPH保ち、ケイ素ナノメートル結晶24の表面パッシベーション工程を行う。熱処理工程と表面パッシベーション工程は、この不足当量の酸化ケイ素層20を、ケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26に転化させる。この二酸化ケイ素層26をケイ素ナノメートル結晶24の寄宿用の母体組織とし、また、二酸化ケイ素層26の厚さは1〜10000nmの間にあり、このケイ素ナノメートル結晶24のサイズは5〜10nmの間にある。
Next, hydrogen is passed through the
図4を参照すると分かるように、二酸化ケイ素層26上に第2窓層27、透明導電層28、第1オーム接触電極65が順序に従い形成され、さらに基板22の下表面23Bに第2オーム接触電極30が形成されて、この発光ダイオード50の製造が完了する。第1窓層25と第2窓層27は、微結晶シリコン(炭化ケイ素)、アモルファスシリコン、または窒化ガリウムで構成してよい。第1窓層25、二酸化ケイ素層26、第2窓層27はPIN接合構造を含む。透明導電層28は、酸化インジウム錫(indium tin oxide,ITO)で構成してよい。第1オーム接触電極65は、アルミニウム(Al)、またはニッケル(Ni)とアルミニウムを含む合金で構成してよい。第1オーム接触電極65上に正電圧を加え、第2オーム接触電極30上に負電圧を加えた場合、この発光ダイオード50は電流の励起によって赤外光40を放射する。
Referring to FIG. 4, a
図5は、本発明の堆積工程、熱処理工程と表面パッシベーション工程の操作温度および時間を示す。図5に示すように、堆積温度TDは700℃〜1100℃の間にあり、さらに堆積時間tDは1〜300分の間にある。熱処理工程の温度TPは800〜1300℃の間にあり、さらに処理時間tPは1〜300分の間にある。表面パッシベーション工程の温度TPHは500〜600℃の間にあり、作動時間tPHは1〜120分の間にある。 FIG. 5 shows the operating temperature and time of the deposition process, heat treatment process and surface passivation process of the present invention. As shown in FIG. 5, the deposition temperature T D is between 700 ° C. and 1100 ° C., and the deposition time t D is between 1 and 300 minutes. Temperature T P of the heat treatment step is between 800 to 1300 ° C., more processing time t P is between 1 to 300 minutes. The temperature T PH of the surface passivation process is between 500 and 600 ° C. and the operating time t PH is between 1 and 120 minutes.
図6は本発明の二酸化ケイ素層26のケイ素ナノメートル結晶24のフォトルミネセンス(Photoluminescence,PL)スペクトル図である。このフォトルミネセンススペクトル図はアルゴンレーザビーム(波長が488nm)を二酸化ケイ素層26に直接照射し、さらにケイ素ナノメートル結晶24が発するフォトルミネセンスを測定したものである。図6に示すように、二酸化ケイ素層26のケイ素ナノメートル結晶24が発するフォトルミネセンスの波長は700〜900nmの間であり、ピーク波長は約800〜850nm前後、即ち赤外光である。
FIG. 6 is a photoluminescence (PL) spectrum diagram of the
図7は、本発明の実施例2の発光ダイオード70を示す。図7に示すように、この発光ダイオード70は、基板33と、基板33上に設けた第1窓層25と、第1窓層25の表面に設けた二酸化ケイ素層26と、二酸化ケイ素層26上に設けた第2窓層27と、第2窓層27の上に設けた透明導電層28と、透明導電層28の上に設けた第1オーム接触電極65と、第1窓層25の別の表面に取り付けた第2オーム接触電極64を含む。この二酸化ケイ素層26は前記方法で製造されるため、赤外光を発するケイ素ナノメートル結晶24をもつ。第1窓層25はケイ素、ニッケルとガリウムで構成され、さらに、n+型即ちn+−GaNiSi層である。また、第2窓層27もアモルファスシリコン、微結晶シリコンまたは窒化ガリウムで構成してよい。第1窓層25、二酸化ケイ素層26、第2窓層27は、PIN接合構造を含む。第2オーム接触電極64はチタン−アルミニウム合金で構成してもよい。基板33は石英(Quatz)基板または酸化アルミニウム(Al2O3 Sapphire)基板であってもよい。
FIG. 7 shows a
本発明は高温の常圧化学蒸着工程を採用して不足当量の酸化ケイ素層20を製造し、その化学反応式は以下のとおりである。
The present invention employs a high-temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition process to produce a deficient equivalent amount of the
SiH2Cl2+xN2O→SiOx+xN2+2HCl
堆積温度(TD)が700〜1100℃の間の高温環境下で、搬送気体によって予定のモル数または体積比のSiH2Cl2とN2O気体を均一に混合してから反応室10に送り込む。高温反応室10の中で、SiH2Cl2とN2Oの2つの気体はそれぞれ高温によって原子態に解離した後、再編成して不足当量の酸化ケイ素を形成し、さらに基板22上に堆積する。第1窓層25上に堆積した酸化ケイ素は過剰ケイ素原子成分を含み、また過剰ケイ素原子成分の多寡は非破壊測定方法を利用して、その酸素原子数と過剰ケイ素原子数(O/Si)の相対比を測定できる。例えば、標準二酸化ケイ素(SiO2)に相対する光屈折率の大きさを測定すれば、酸素原子数と過剰ケイ素原子数(O/Si)の相対比を類推することができる。
SiH 2 Cl 2 + xN 2 O → SiO x + xN 2 + 2HCl
In a high temperature environment where the deposition temperature (T D ) is 700 to 1100 ° C., SiH 2 Cl 2 and N 2 O gas in a predetermined mole number or volume ratio are uniformly mixed with the carrier gas, and then the
ケイ素の融点(TM)は約1430℃であり、その結晶成核温度(TN)は約0.6×TM≒858℃である。この不足当量の酸化ケイ素層20の堆積温度TDは700〜1100℃の間で、明らかに結晶成核温度より高い。そのため、不足当量の酸化ケイ素層20の堆積過程では、反応室10内の高温も同時に、不足当量の酸化ケイ素層20内の大部分の過剰ケイ素原子をケイ素ナノメートル結晶核(Nucleus)の形成に駆り立て、さらにケイ素ナノメートル結晶核と母体(二酸化ケイ素で構成)間の中間面(Interstate)構造を形成させる。ケイ素ナノメートル結晶核と母体間の中間面構造は主にケイ素ナノメートル結晶周辺のダングリングボンド(dangling bonds)と窒素−酸素結合で構成されている。例えば、ケイ素−窒素結合(Si−N bonds)、ケイ素−酸素結合(Si−O bonds)、およびケイ素−窒素−酸素結合(Si−Nx−Oy)である。この中間面構造が主なルミネセンス中心(luminescence centers)である。
Silicon has a melting point (T M ) of about 1430 ° C. and a crystal nucleation temperature (T N ) of about 0.6 × T M ≈858 ° C. The deposition temperature T D of this sub-equivalent
次に、炭素またはアルゴン環境下でケイ素ナノメートル結晶24の成長と成熟などの焼きなまし工程を行う。不足当量の酸化ケイ素層20の主な構造組成は、均質構造(Amorphous)の酸化ケイ素と過剰ケイ素原子が形成するクラスタ(Clusters)を含む。そのうち、過剰ケイ素原子クラスタの大部分がすでにケイ素ナノメートル結晶核を形成している。この不足当量の酸化ケイ素薄膜20を熱処理温度(TP)の高温環境内に置き、さらに一定時間(tPを保つことにより、すべてのケイ素ナノメートル結晶の成長と中間面構造の成熟を完成させる。これは、不足当量の酸化ケイ素層20をケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26に転化させることでもある。
Next, an annealing process such as growth and maturation of the
このほかに、不足当量の酸化ケイ素層20内の過剰ケイ素原子がこの堆積工程でケイ素結晶核を形成しなかった場合、この熱処理工程の高温がさらに不足当量の酸化ケイ素層20内の過剰ケイ素原子の成核に駆り立てる。次に、ケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26を水素環境内に置き、さらに予定温度TPMと時間(tPH)を維持してケイ素ナノメートル結晶24の表面水素パッシベーション処理(Hydrogen passivation)を行う。この表面パッシベーション処理を完成すると、ケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26は、安定した赤外光発光薄膜を形成する。
In addition to this, if the excess silicon atoms in the deficient equivalent
周知の技術と比較すると、本発明は、高温の常圧化学蒸着技術と熱処理技術を利用してケイ素含有発光層(即ちケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26)をもつ赤外発光ダイオード50を製造するものである。これには以下の長所がある。
Compared to known techniques, the present invention utilizes an infrared
1.本発明は煩雑な結晶製造工程と高価な製造設備を使用する必要がなく、不足当量の酸化ケイ素薄膜20を堆積させる工程と熱処理工程があればよく、製造工程が簡単で速いという長所がある。
1. The present invention does not require a complicated crystal production process and expensive production equipment, and only has a process for depositing a deficient equivalent amount of the silicon oxide
2.本発明は常圧化学蒸着工程を利用してこの不足当量の酸化ケイ素層20を製造し、また常圧化学蒸着工程は標準化した半導体製造工程の中に整合することが可能である。したがって、本発明には、発光ダイオードを大量生産する長所がある。
2. The present invention uses an atmospheric pressure chemical vapor deposition process to produce this sub-equivalent
3.周知の技術は III−V族化合物を利用して発光素子の発光層を製造するため、製造コストが高い。本発明は、酸化ケイ素を使用して発光ダイオード50のケイ素含有発光層を製造するため、材料も製造コストも相対的に低廉である。
3. The known technique produces a light-emitting layer of a light-emitting element using a III-V group compound, so that the production cost is high. In the present invention, since the silicon-containing light emitting layer of the
4.周知の技術が使用するIII−V族化合物は有毒化学物質を発生させる。本発明は、酸化ケイ素を使用して発光素子のケイ素含有発光層を製造し、さらに化学および有毒重金属の使用および排出問題がなく、環境にやさしい製造工程である。 4). Group III-V compounds used by known techniques generate toxic chemicals. The present invention is an environmentally friendly manufacturing process for manufacturing a silicon-containing light-emitting layer of a light-emitting device using silicon oxide, and without the use and discharge problems of chemical and toxic heavy metals.
5.本発明は高温TD条件を選定して、過剰ケイ素原子を含む不足当量の酸化ケイ素層20を形成し、さらに熱処理によってケイ素ナノメートル結晶24をもつ二酸化ケイ素層26に転化させる。そのため、温度安定性が比較的高く、さらに製造された発光層は、狭い幅の赤外スペクトル分布をもつ。
5. The present invention is by selecting a high temperature T D conditions, excess silicon atoms to form a substoichiometric
6.高温TP処理後の二酸化ケイ素層26より高緻密性、高密度分布のケイ素ナノメートル結晶24を有し、不純物が比較的低い。そのため、ケイ素ナノメートル結晶24とその中間面構造は励起されると、明晰で高輝度のスペクトルを生じさせる。
6). It has a
本発明の技術内容と技術の特徴は上記のとおりであるが、この技術の熟練者は本発明の教示と開示を元に、本発明の精神から逸脱しないさまざまな代替および修飾を行うことが可能である。従って、本発明の保護範囲は、実施例で開示したものに限るべきではなく、本発明から外れないさまざまな代替および修飾を含むべきであり、さらに下記特許請求の範囲に網羅されていなければならない。 Although the technical contents and technical features of the present invention are as described above, those skilled in the art can make various substitutions and modifications based on the teaching and disclosure of the present invention without departing from the spirit of the present invention. It is. Accordingly, the scope of protection of the present invention should not be limited to that disclosed in the examples, but should include various alternatives and modifications that do not depart from the invention, and must be covered by the following claims. .
10 反応室
11 搬送気体
12 高周波電源
14 グラファイトブロック
15 層
16 入気分岐管
17 反応気体
18 排気分岐管
19 反応副産物
20 不足当量の酸化ケイ素層
22 基板
23A 上表面
23B 下表面
24 ナノメートル結晶
25 第1窓層
26 二酸化ケイ素層
27 第2窓層
28 透明導電層
30 第2オーム接触電極
33 基板
40 赤外光
50 発光ダイオード
65 第1オーム接触電極
64 第2オーム接触電極 70 発光ダイオード
100 化学蒸着装置
DESCRIPTION OF
Claims (20)
上表面と下表面を有する基板と、
前記上表面に設けた第1窓層と、
前記第1窓層上に設けた二酸化ケイ素層と、
前記二酸化ケイ素層内に分布し、サイズが5〜10nmの間にある複数個のケイ素ナノメートル結晶と、
前記二酸化ケイ素層上に設けた第2窓層と、
前記第2窓層上に設けた透明導電層と、
前記透明導電層上に取り付けた第1オーム接触電極と、
前記下表面に取り付けられた第2オーム接触電極とを含むことを特徴とする赤外光発光素子。 An infrared light emitting device,
A substrate having an upper surface and a lower surface;
A first window layer provided on the upper surface;
A silicon dioxide layer provided on the first window layer;
A plurality of silicon nanometer crystals distributed within the silicon dioxide layer and having a size between 5 and 10 nm;
A second window layer provided on the silicon dioxide layer;
A transparent conductive layer provided on the second window layer;
A first ohmic contact electrode mounted on the transparent conductive layer;
An infrared light emitting device comprising: a second ohmic contact electrode attached to the lower surface.
基板と、
前記基板上に設けた第1窓層と、
前記第1窓層の表面に設けた二酸化ケイ素層と、
前記二酸化ケイ素層内に分布し、サイズが5〜10nmの間にある複数個のケイ素ナノメートル結晶と、
前記二酸化ケイ素層上に設けた第2窓層と、
前記第2窓層上に設けた透明導電層と、
前記透明導電層上に取り付けた第1オーム接触電極と、
前記第1窓層の表面に取り付けられた第2オーム接触電極とを含むことを特徴とする赤外光発光素子。 An infrared light emitting device,
A substrate,
A first window layer provided on the substrate;
A silicon dioxide layer provided on the surface of the first window layer;
A plurality of silicon nanometer crystals distributed within the silicon dioxide layer and having a size between 5 and 10 nm;
A second window layer provided on the silicon dioxide layer;
A transparent conductive layer provided on the second window layer;
A first ohmic contact electrode mounted on the transparent conductive layer;
An infrared light emitting device comprising: a second ohmic contact electrode attached to a surface of the first window layer.
基板を提供し、
不足当量の酸化ケイ素層の酸素原子数とケイ素原子数の比率が2未満である、不足当量の酸化ケイ素層を前記基板上に形成し、
少なくとも熱処理工程によって前記不足当量の酸化ケイ素層を転化させて、ケイ素ナノメートル結晶のサイズが5〜10nmの間にあるケイ素ナノメートル結晶を持った二酸化ケイ素層にする、
諸ステップを含むことを特徴とする、赤外光発光素子の製造方法。 A method for manufacturing an infrared light emitting device, comprising:
Providing the substrate,
Forming a deficient equivalent silicon oxide layer on the substrate, wherein the ratio of the number of oxygen atoms to the number of silicon atoms in the deficient equivalent silicon oxide layer is less than 2;
Converting the insufficient equivalent silicon oxide layer by at least a heat treatment step into a silicon dioxide layer having silicon nanometer crystals with a silicon nanometer crystal size between 5 and 10 nm;
A method for manufacturing an infrared light emitting device, comprising steps.
The method for manufacturing an infrared light emitting device according to claim 19, wherein the second treatment step is performed in an argon atmosphere.
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