JP2006135208A - Method for manufacturing diffusion region of rare earth element ion, light-emitting diode, and method for manufacturing the same - Google Patents

Method for manufacturing diffusion region of rare earth element ion, light-emitting diode, and method for manufacturing the same Download PDF

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寿和 安田
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統之 風田川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable control of the desired position of the concentration distribution peak values of rare earth element ions and adjustment of the luminous intensity of a light-emitting element, by keeping the rare earth element ions in a predetermined distribution conditions and moving the diffusion region of rare earth element ions in a substrate depthwise direction through heat treatment. <P>SOLUTION: A manufacturing method comprises the steps of forming a diffusion region 16 of rare earth element ions, having a predetermined distribution in a substrate 11, and keeping rare earth element ions in a state of predetermined distribution and making the diffusion region 16 of rare earth element ions move, in the depthwise direction of the substrate 11 through heat treatment. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、希土類元素イオンの拡散領域の製造方法、および、ディスプレイやバックライトなどの発光デバイスに応用可能なもので、発光層に、半導体2次元量子井戸構造、半導体量子細線もしくは半導体量子ドットと、希土類元素イオンとを含んだ発光素子の製造方法およびその発光素子に関するものである。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a method for producing a rare earth element diffusion region and a light emitting device such as a display or a backlight. The light emitting layer includes a semiconductor two-dimensional quantum well structure, a semiconductor quantum wire, or a semiconductor quantum dot. The present invention relates to a method for manufacturing a light-emitting element containing rare earth element ions and the light-emitting element.

現在、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光デバイスの多くは、主に、GaAs等のIII−V族やII−VI族の、化合物半導体材料で作られている。しかし、これら化合物半導体材料の作製には、サファイヤ基板を始めとする高価な基板を必要とすること、アルシンを始めとする危険で有害なガスを使用するために作製プロセスが困難なこと、除害装置を始めとする大型で高価な製造設備が必要な上にランニングコストも高いこと等の課題がある。   Currently, many light emitting devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers are mainly made of III-V or II-VI group compound semiconductor materials such as GaAs. However, the production of these compound semiconductor materials requires an expensive substrate such as a sapphire substrate, the production process is difficult due to the use of dangerous and harmful gases such as arsine, There are problems such as the need for large and expensive manufacturing equipment such as equipment and high running costs.

一方、現在、トランジスタやメモリ装置を始めとする多くの半導体デバイスは、シリコンやシリコン化合物材料を用いて作られている。これは、シリコン資源が豊富で安価である上に環境負荷が小さいためである。特に、シリコン材料におけるLSIの高集積化は、1970年代以降約30年の長期に亘り、個々のトランジスタの微細化を進めることで着実に進歩しており、ギガビット級の集積度を持つDRAMが市場に登場している現在でも、将来の集積回路の更なる性能向上を果たすため、開発が続けられている。このように、微細化技術のノウハウが蓄積されている上、原料価格が安く、環境負荷の小さい、優秀な半導体デバイス材料であるシリコンおよびシリコン化合物であるが、バンド構造が間接遷移型であるために発光しにくく、発光デバイスとしての検討はこれまであまりされて来なかった。   On the other hand, many semiconductor devices such as transistors and memory devices are currently made using silicon or silicon compound materials. This is because silicon resources are abundant and inexpensive, and the environmental load is small. In particular, the high integration of LSIs in silicon materials has been steadily advancing through the miniaturization of individual transistors for a long period of about 30 years since the 1970s, and DRAMs with gigabit-level integration are on the market. Even now, it continues to be developed to further improve the performance of integrated circuits in the future. In this way, silicon and silicon compounds, which are excellent semiconductor device materials that have accumulated know-how in miniaturization technology, are low in raw material costs, and have a low environmental impact, are indirect transition types. However, it has not been studied so far as a light emitting device.

そのような中、この間接遷移型のシリコン系材料を、直接遷移型のようにキャリアを効率よく光へ変換させるための様々な検討・提案が報告されるようになってきた(例えば、特許文献1、2、3参照。)。その一つに、キャリアの波動関数を局所化し、量子効果を用いる方法がある。この方法によれば、2次元量子井戸構造、1次元量子井戸構造(量子細線)、0次元量子井戸構造(量子ドット)などの、量子井戸を用いることで、キャリアである電子やホールを、小さいサイズの入れ物に閉じ込めることができる。量子ドットについては、特に、電子やホールを0次元に局在化させることで、キャリアの状態密度をデルタ関数的に近づけることができ、キャリア閉じ込めの大きさに応じたキャリアの波動関数の量子化が起こり、エネルギーが離散的な値をとるようになる。この閉じ込めの方法や、大きさを制御することで、バンド端発光再結合の、効率の向上が可能となる。   Under such circumstances, various studies and proposals have been reported for efficiently converting carriers into light in the indirect transition type silicon material as in the direct transition type (for example, patent documents). 1, 2, 3). One method is to localize the carrier wave function and use the quantum effect. According to this method, by using quantum wells such as a two-dimensional quantum well structure, a one-dimensional quantum well structure (quantum wire), and a zero-dimensional quantum well structure (quantum dots), electrons and holes that are carriers are small. Can be trapped in a size container. For quantum dots, in particular, by localizing electrons and holes in the 0th dimension, the density of states of carriers can be approximated by a delta function, and the wave function of carriers according to the size of carrier confinement can be quantized. Occurs and the energy takes discrete values. By controlling the confinement method and the size, it is possible to improve the efficiency of band edge luminescence recombination.

また、従来より半導体に添加された希土類元素の原子は、殻内遷移による鋭い赤外、および可視発光を示すことが知られている。こうした希土類元素の原子の発光波長や半値幅は、半導体からなる母体材料、または温度にほとんど依存せず、一定の値を示すことが知られている。特に、希土類元素の中でエルビウム(Er)は、1.55μmの波長で発光するものである。この1.55μmの発光波長は、光ファイバーの最小伝達損失波長であるため、エルビウム発光による光ファイバー通信への応用が期待されている(例えば、特許文献2参照。)。   Conventionally, it is known that atoms of rare earth elements added to semiconductors exhibit sharp infrared and visible emission due to intrashell transition. It is known that the emission wavelength and the half-value width of such rare earth element atoms show a constant value almost independent of the base material made of a semiconductor or the temperature. In particular, among the rare earth elements, erbium (Er) emits light at a wavelength of 1.55 μm. Since the 1.55 μm emission wavelength is the minimum transmission loss wavelength of an optical fiber, application to optical fiber communication by erbium emission is expected (see, for example, Patent Document 2).

上述したように、半導体量子ドットや、希土類元素などの発光材料の研究は、報告されてきてはいるものの、発光素子として有効に機能させるための、素子構造に関する研究や提案は、十分にされていないのが現状である。   As described above, research on light emitting materials such as semiconductor quantum dots and rare earth elements has been reported, but research and proposals on device structures for effectively functioning as light emitting devices have been sufficiently conducted. There is no current situation.

ナノクリスタルだけで得られる発光波長は、通常、数十〜数百nmの大きな半値幅を示すことが知られており、この幅の広い半値幅を持つ発光波長を半値幅が狭くかつ発光強度が大きな発光波長に改善することは、現在のところ困難だと考えられている。また、エルビウム(Er)などの希土類元素を酸化シリコン(SiO2)のようにバンドギャップの大きな材料中に形成・添加し、光励起や電子線励起により発光させる研究が行われているが、実際に、電子デバイスとして電流注入により発光させる場合、絶縁物である酸化シリコン(SiO2)に電流を流すことになる。この場合、酸化シリコン(SiO2)の電気抵抗が大きいためにほとんど電流は流れず、十分な発光強度を得ることは困難である。 It is known that the emission wavelength obtained only with nanocrystals usually shows a large half-value width of several tens to several hundreds of nanometers. The emission wavelength with this wide half-value width is narrow and the emission intensity is small. At present, it is considered difficult to improve the emission wavelength. In addition, research has been conducted to form and add rare earth elements such as erbium (Er) into a material having a large band gap such as silicon oxide (SiO 2 ), and to emit light by photoexcitation or electron beam excitation. When light is emitted by current injection as an electronic device, a current is passed through silicon oxide (SiO 2 ) that is an insulator. In this case, since the electric resistance of silicon oxide (SiO 2 ) is large, almost no current flows and it is difficult to obtain sufficient light emission intensity.

そこで、例えば、発光層として、量子井戸と希土類元素イオンとを含んだ酸化シリコン(SiO2)膜を用いることで、絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素イオンを分散させただけの発光素子に比べ、より低電圧で大きな電流を流すことができ、狭い半値幅の発光波長を有し、発光強度を大きくすることが可能な発光素子の検討が行われている。これは、絶縁体である酸化シリコン膜中に形成された半導体量子井戸にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になるためと考えられ、この時、半導体量子井戸の近傍に希土類元素イオンが存在すると、半導体量子井戸に閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類元素イオンに移送され、希土類元素イオンの殻内遷移により発光が生じるものと考えられる。この場合、半導体量子井戸が存在せず、ホットエレクトロンのみによって希土類元素イオンの殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られることが期待される。 Therefore, for example, by using a silicon oxide (SiO 2 ) film containing quantum wells and rare earth element ions as a light emitting layer, a light emitting element in which rare earth element ions are simply dispersed in a silicon oxide film that is an insulator. In comparison, a light-emitting element that can flow a large current at a lower voltage, has a narrow half-value emission wavelength, and can increase the emission intensity has been studied. This is thought to be because carriers are trapped in the semiconductor quantum well formed in the silicon oxide film, which is an insulator, and the energy of the carriers is confined. At this time, the rare earth element is located in the vicinity of the semiconductor quantum well. When ions are present, it is considered that the energy of carriers confined in the semiconductor quantum well is transferred to the rare earth element ions, and light emission occurs due to the transition in the shell of the rare earth element ions. In this case, there is no semiconductor quantum well, and it is expected that a stronger emission intensity can be obtained as compared with the case where light emission is caused by the transition of rare earth element ions only by hot electrons.

さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、半導体量子井戸構造を含有する構成では、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。また、希土類元素イオンにユーロビウム(Eu)、プラセオジウム(Pr)を用いると赤色発光素子となり、希土類元素にエルビウム(Er)を用いると橙色発光素子となり、希土類元素にテルビウム(Tb)もしくはセリウム(Ce)を用いると緑色発光素子となり、希土類元素にセリウム(Ce)もしくはツリウム(Tm)を用いると青色発光素子となる。   Furthermore, in the configuration including the semiconductor quantum well structure, the electrical resistance of the light emitting layer is reduced and the voltage of the light emitting element can be reduced as compared with the light emitting layer made of only silicon oxide as an insulator. Further, when eurobium (Eu) or praseodymium (Pr) is used as a rare earth element ion, a red light emitting element is obtained. When erbium (Er) is used as a rare earth element, an orange light emitting element is obtained, and terbium (Tb) or cerium (Ce) is used as a rare earth element. When green is used, a green light emitting element is obtained, and when cerium (Ce) or thulium (Tm) is used as the rare earth element, a blue light emitting element is obtained.

この希土類元素イオン以外の上記発光層を構成する構成物は、化学気相法やスパッタ法により作製したSiO2-x(2≧x≧0)膜を、アニール処理することによって作製される。また、希土類元素イオンは、イオン注入法により、発光層中に直接作製されてもよい。この発光素子の発光層中における希土類元素イオンの分布の中心位置から量子井戸までの距離に応じて、発光強度が変化する。 The components constituting the light emitting layer other than the rare earth element ions are produced by annealing a SiO 2−x (2 ≧ x ≧ 0) film produced by a chemical vapor deposition method or a sputtering method. Further, the rare earth element ions may be directly produced in the light emitting layer by an ion implantation method. The light emission intensity changes according to the distance from the center position of the distribution of rare earth element ions in the light emitting layer of the light emitting element to the quantum well.

特開平9−295891号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-295891 特表2002−536850号公報JP 2002-536850 A 特開2001−203382号公報JP 2001-203382 A

解決しようとする問題点は、発光層中に導入される希土類元素イオンは、イオン注入法によって導入されるが、発光層中の希土類元素イオンの濃度分布におけるピーク値の位置は、イオン注入の際の加速エネルギーによって決まる。このため、そのピーク値の位置が、発光層表面から遠いほど(深いほど)、大きな加速エネルギーと時間が必要となる点である。さらに、イオン注入処理を外部に委託して行っている場合は時間に応じて費用が増大する点である。また、希土類元素イオンの濃度分布におけるピーク値の位置のみが異なる発光素子を、いくつか作製する際、異なるピーク値の位置に応じて、別途、イオン注入処理を行う必要があり、この場合、手間がかかる上に、時間と費用が増大するという問題点があった。   The problem to be solved is that rare earth ions introduced into the light emitting layer are introduced by an ion implantation method, but the position of the peak value in the concentration distribution of the rare earth element ions in the light emitting layer is determined during the ion implantation. It depends on the acceleration energy. For this reason, as the position of the peak value is farther from the surface of the light emitting layer (deeper), larger acceleration energy and time are required. Furthermore, when the ion implantation process is outsourced, the cost increases with time. In addition, when manufacturing several light emitting elements that differ only in the position of the peak value in the concentration distribution of rare earth element ions, it is necessary to perform ion implantation separately depending on the position of the different peak value. In addition, there is a problem that time and cost increase.

本発明に係る希土類元素イオンの拡散領域の製造方法は、基板中に所定の分布を有する希土類元素イオンの拡散領域を形成する工程と、熱処理によって前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。   The method of manufacturing a rare earth element ion diffusion region according to the present invention includes a step of forming a rare earth element ion diffusion region having a predetermined distribution in a substrate, and the distribution of the rare earth element ion to a predetermined distribution state by heat treatment. And a step of moving the diffusion region of the rare earth element ions in the depth direction of the substrate.

本発明に係る発光素子の製造方法は、基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子の製造方法であって、前記量子井戸に接する前記発光層を構成する材料層に前記希土類元素イオンを導入した後、前記発光層を構成する材料層に導入された前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理を行うことを最も主要な特徴とする。   A method for manufacturing a light emitting device according to the present invention is a method for manufacturing a light emitting device in which a light emitting layer formed on a substrate includes a quantum well and a rare earth element ion, and the light emitting layer is in contact with the quantum well. After introducing the rare earth element ions into the material layer, the distribution state of the rare earth element ions introduced into the material layer constituting the light emitting layer is maintained in a predetermined distribution state, and the rare earth element is arranged in the depth direction of the substrate. The main feature is to perform heat treatment to move the diffusion region of element ions.

本発明に係る発光素子は、基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子であって、熱処理によって、前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域が移動するものであることを最も主要な特徴とする。   A light emitting device according to the present invention is a light emitting device including a quantum well and a rare earth element ion in a light emitting layer formed on a substrate, and the distribution state of the rare earth element ion is changed to a predetermined distribution state by heat treatment. The main feature is that the diffusion region of the rare earth element ions moves in the depth direction of the substrate.

本発明に係る希土類元素イオンの拡散領域の製造方法は、熱処理によって希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して基板の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域を移動させるため、希土類元素イオンの拡散領域の分布状態を維持して希土類元素イオンの拡散領域の濃度ピーク位置(最も高濃度となる位置)を容易に合わせ込むことができ、しかも安価にできるという利点がある。   The method for producing a rare earth element ion diffusion region according to the present invention moves the rare earth element ion diffusion region in the depth direction of the substrate while maintaining the distribution state of the rare earth element ion in a predetermined distribution state by heat treatment. There is an advantage that the distribution state of the diffusion region of the element ions can be maintained, the concentration peak position (position where the concentration is highest) of the diffusion region of the rare earth element ions can be easily adjusted, and the cost can be reduced.

本発明に係る発光素子の製造方法は、発光層を構成する材料層に導入された希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して基板の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理を行うため、希土類元素イオンの拡散領域の濃度ピーク位置を拡散領域の分布状態を維持して移動できるので、所望の位置を容易に合わせ込むことができる。これによって、発光層中における希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布のピーク位置を調整することが可能となることで、熱処理により、発光素子の発光強度の調整が可能となる。しかも安価にできるという利点がある。   The method for manufacturing a light-emitting element according to the present invention maintains a distribution state of rare-earth element ions introduced into a material layer constituting a light-emitting layer in a predetermined distribution state, and provides a diffusion region of rare-earth element ions in the depth direction of the substrate. Since the heat treatment to be performed is performed, the concentration peak position of the rare earth element ion diffusion region can be moved while maintaining the distribution state of the diffusion region, so that a desired position can be easily adjusted. As a result, the peak position of the concentration distribution in the rare earth element ion diffusion region in the light emitting layer can be adjusted, so that the light emission intensity of the light emitting element can be adjusted by heat treatment. In addition, there is an advantage that it can be made inexpensive.

本発明に係る発光素子は、本発明の発光素子の製造方法により製造された発光素子であるため、希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布のピーク値の位置が所望の位置に形成されたものとなり、所望の発光強度を有する発光素子となるという利点がある。   Since the light emitting device according to the present invention is a light emitting device manufactured by the method for manufacturing a light emitting device of the present invention, the position of the peak value of the concentration distribution in the rare earth ion diffusion region is formed at a desired position. There is an advantage that a light emitting element having a desired light emission intensity is obtained.

希土類元素イオンの濃度分布のピーク位置を制御して発光素子の発光強度を調節するという目的を、熱処理を行うことで、希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して基板の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域を移動させることで実現した。   The purpose of controlling the peak position of the concentration distribution of the rare earth element ions to adjust the emission intensity of the light emitting element is to perform a heat treatment, thereby maintaining the distribution state of the rare earth element ions in a predetermined distribution state and the depth of the substrate. Realized by moving the diffusion region of rare earth ions in the direction.

まず、本発明の希土類元素イオンの拡散領域の製造方法について、図1の製造工程断面図によって説明する。   First, the manufacturing method of the rare earth element ion diffusion region of the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional view of FIG.

図1(1)に示すように、プラズマ化学気相成長(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition=PE−CVD)法により、上記基板11上に、シリコンを主成分とする第1材料層12、量子井戸13、シリコンを主成分とする第2材料層14が形成され、上記第2材料層14中に希土類元素イオンがイオン注入されていて、希土類元素イオンの拡散領域16が形成されている。なお、図1では、図面を解り易くするため、第2材料層14および拡散領域16は厚さ方向に拡大して描いている。   As shown in FIG. 1A, a first material layer 12 mainly composed of silicon and a quantum well 13 are formed on the substrate 11 by plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD). A second material layer 14 mainly composed of silicon is formed. Rare earth element ions are implanted into the second material layer 14 to form a rare earth element ion diffusion region 16. In FIG. 1, the second material layer 14 and the diffusion region 16 are drawn enlarged in the thickness direction for easy understanding of the drawing.

次に、図1(2)に示すように、熱処理によって希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して第2材料層14中の深さ方向に上記拡散領域16を移動させる。このとき、上記拡散領域16の希土類元素イオンの分布状態は、イオン注入時よりも広がるが、熱処理条件によって拡散領域16の希土類元素イオンの分布状態はほとんど変化しない。   Next, as shown in FIG. 1 (2), the diffusion region 16 is moved in the depth direction in the second material layer 14 while maintaining the distribution state of the rare earth element ions in a predetermined distribution state by heat treatment. At this time, the distribution state of the rare earth element ions in the diffusion region 16 is wider than that during ion implantation, but the distribution state of the rare earth element ions in the diffusion region 16 hardly changes depending on the heat treatment conditions.

したがって、本発明の希土類元素イオンの拡散領域の製造方法によれば、所望の希土類元素イオンの分布状態が得られるようにイオン注入条件を決定して、希土類元素イオンのイオン注入を行い、その後、熱処理を行うことで、拡散領域16における希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値(濃度が最も高い値)の位置を所望の位置に移動させることが可能になる。   Therefore, according to the method for producing a rare earth element ion diffusion region of the present invention, ion implantation conditions are determined so that a desired rare earth element ion distribution state is obtained, and then ion implantation of rare earth element ions is performed. By performing the heat treatment, the position of the concentration distribution peak value (the highest concentration value) of the rare earth element ions 15 in the diffusion region 16 can be moved to a desired position.

次に、本発明の発光素子の製造方法を適用することができる発光素子の一例を、図2の概略構成断面図によって説明する。   Next, an example of a light-emitting element to which the method for manufacturing a light-emitting element of the present invention can be applied will be described with reference to a schematic cross-sectional view of FIG.

図2に示すように、発光素子1が形成される基板11としてシリコン基板を用いる。この基板11上には、シリコンを主成分とする第1材料層12が形成されている。この第1材料層12は、例えば酸化シリコン(SiO2)層で形成されている。上記第1材料層12上には量子井戸13が形成されている。ここでいう量子井戸とは、2次元量子井戸(通称:量子井戸)、1次元量子井戸(通称:量子細線)および0次元量子井戸(通称:量子ドット)を指す。以下、本明細書では上記のように量子井戸を定義する。この量子井戸13は、例えばシリコン、ゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムからなる。もしくは、上記量子井戸13は、シリコン系酸化物からなる。また、上記量子井戸13上には、シリコンを主成分とする第2材料層14が形成されている。この第2材料層14は、例えば酸化シリコン(SiO2)層で形成される。さらに、上記量子井戸13の近傍の第2材料層14には希土類元素イオン15が導入されていて、希土類元素イオンの拡散領域16が形成されている。この拡散領域16は、上記量子井戸13から10nmの範囲内に、拡散領域16における希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値が位置するように形成される。このように、希土類元素イオン15が導入されることにより、フォースター機構もしくはデクスター機構によるエネルギー移動を起こすことが可能になる。言い換えれば、これは、量子井戸13からフォースター機構もしくはデクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に濃度ピーク値を位置させるものにもなっている。上記フォースター機構とは、共鳴的双極子-双極子相互作用によるエネルギー移動であり、上記デクスター機構とは、分子間接触による電子の交換によるエネルギー移動である。また、量子井戸13からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に濃度ピーク値を位置させるものにもなっている。 As shown in FIG. 2, a silicon substrate is used as the substrate 11 on which the light emitting element 1 is formed. A first material layer 12 mainly composed of silicon is formed on the substrate 11. The first material layer 12 is formed of, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) layer. A quantum well 13 is formed on the first material layer 12. The quantum well here refers to a two-dimensional quantum well (common name: quantum well), a one-dimensional quantum well (common name: quantum wire), and a zero-dimensional quantum well (common name: quantum dot). Hereinafter, in this specification, quantum wells are defined as described above. The quantum well 13 is made of, for example, silicon, germanium, or silicon germanium. Alternatively, the quantum well 13 is made of a silicon-based oxide. A second material layer 14 mainly composed of silicon is formed on the quantum well 13. The second material layer 14 is formed of, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) layer. Furthermore, rare earth element ions 15 are introduced into the second material layer 14 in the vicinity of the quantum well 13 to form a rare earth element ion diffusion region 16. The diffusion region 16 is formed so that the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 in the diffusion region 16 is located within a range of 10 nm from the quantum well 13. In this way, by introducing the rare earth element ions 15, it becomes possible to cause energy transfer by the Forster mechanism or the Dexter mechanism. In other words, the concentration peak value is located within the range where the energy transition by the Forster mechanism or the Dexter mechanism occurs from the quantum well 13. The Forster mechanism is energy transfer due to resonance dipole-dipole interaction, and the Dexter mechanism is energy transfer due to exchange of electrons due to intermolecular contact. In addition, the concentration peak value is positioned within a range where energy transition from the quantum well 13 via the photon occurs.

次に、発光素子1の製造方法に係る一例を、図3の製造工程断面図によって説明する。なお、図3では、図面を解り易くするため、第2材料層14および拡散領域16は厚さ方向に拡大して描いている。   Next, an example of the method for manufacturing the light emitting element 1 will be described with reference to the manufacturing process sectional view of FIG. In FIG. 3, the second material layer 14 and the diffusion region 16 are drawn enlarged in the thickness direction for easy understanding of the drawing.

図3(1)に示すように、基板11としてシリコン基板を用意する。次いで、プラズマ化学気相成長(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition=PE−CVD)法により、上記基板11上に、シリコンを主成分とする第1材料層12を形成する。この第1材料層12は、例えば、酸化シリコン(SiO2)膜を100nm程度の厚さに成膜して形成する。 As shown in FIG. 3A, a silicon substrate is prepared as the substrate 11. Next, the first material layer 12 mainly composed of silicon is formed on the substrate 11 by plasma enhanced chemical vapor deposition (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition = PE-CVD). The first material layer 12 is formed, for example, by forming a silicon oxide (SiO 2 ) film to a thickness of about 100 nm.

次に、例えばPE−CVD法により、上記第1材料層12上に量子井戸13を形成する。この量子井戸13は、例えば、シリコン層、ゲルマニウム層もしくはシリコンゲルマニウム層で形成することができる。もしくは、シリコン系酸化物層で形成することができる。ここでは、一例として、シリコン層を10nmの厚さに形成して、量子井戸13を形成した。   Next, the quantum well 13 is formed on the first material layer 12 by, for example, PE-CVD. The quantum well 13 can be formed of, for example, a silicon layer, a germanium layer, or a silicon germanium layer. Alternatively, it can be formed of a silicon-based oxide layer. Here, as an example, the quantum well 13 is formed by forming a silicon layer with a thickness of 10 nm.

さらに、PE−CVD法により、上記量子井戸13上に、シリコンを主成分とする第2材料層14を形成する。この第2材料層14は、例えば、酸化シリコン(SiO2)膜を70nm程度の厚さに成膜して形成する。 Further, a second material layer 14 mainly composed of silicon is formed on the quantum well 13 by PE-CVD. The second material layer 14 is formed, for example, by forming a silicon oxide (SiO 2 ) film to a thickness of about 70 nm.

次に、図3(2)に示すように、イオン注入法によって、上記第2材料層14の表面から希土類元素イオン15をイオン注入する。例えば、希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値が、第2材料層14表面から35nmの深さの位置になるように、すなわち、量子井戸13表面から第2材料層14側に例えば35nm程度の深さの位置となるように、希土類元素イオン15をイオン注入する。ここでは、一例として、緑色発光を得るために希土類元素イオンにテルビウムイオンを用いた。また、他の発光色を得るために、上記説明した他の希土類元素イオンを注入することもできる。   Next, as shown in FIG. 3B, rare earth element ions 15 are implanted from the surface of the second material layer 14 by ion implantation. For example, the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 is positioned at a depth of 35 nm from the surface of the second material layer 14, that is, a depth of, for example, about 35 nm from the surface of the quantum well 13 to the second material layer 14 side. Rare earth element ions 15 are ion-implanted so as to be in this position. Here, as an example, terbium ions are used as rare earth element ions in order to obtain green light emission. Further, in order to obtain other emission colors, the other rare earth element ions described above can be implanted.

上記第2材料層14への希土類元素イオンとしてテルビウムイオンのイオン注入は、具体的には、加速エネルギーを50keV程度、ドーズ量を1×1014atoms/cm2程度に設定してイオン注入する。 Specifically, terbium ions as rare earth element ions are implanted into the second material layer 14 with an acceleration energy of about 50 keV and a dose of about 1 × 10 14 atoms / cm 2 .

このようにして、基板11上に、SiO2膜からなる第1材料層12が100nmの膜厚に形成され、第1材料層12上に、シリコン(Si)層からなる量子井戸13が形成され、量子井戸13上に、SiO2膜からなる第2材料層14が70nmの膜厚で形成され、上記第2材料層14中に導入された希土類元素イオン(テルビウムイオン)の拡散領域16の濃度分布ピーク値の位置が、量子井戸13から35nm程度離れた位置に形成された発光素子1が得られた。 In this way, the first material layer 12 made of SiO 2 film is formed on the substrate 11 to a thickness of 100 nm, and the quantum well 13 made of silicon (Si) layer is formed on the first material layer 12. The second material layer 14 made of SiO 2 film is formed on the quantum well 13 with a film thickness of 70 nm, and the concentration of the rare earth element ion (terbium ion) diffusion region 16 introduced into the second material layer 14. The light emitting element 1 in which the position of the distribution peak value was formed at a position about 35 nm away from the quantum well 13 was obtained.

上記発光素子1は、上記希土類元素にユーロビウム(Eu)を用いる場合には赤色を発光する。またプラセオジウム(Pr)を用いる場合には赤色を発光する。またエルビウム(Er)を用いる場合には橙色を発光する。またテルビウム(Tb)を用いる場合には緑色を発光する。またセリウム(Ce)を用いる場合には青色を発光する。またツリウム(Tm)を用いる場合には青色を発光する。また、上記希土類元素は、複数種の希土類元素を用いることができる。この場合の発光色は、例えば、上記発光素子1に導入した希土類元素イオンが発光する特有の発光色の混色となる。   The light-emitting element 1 emits red light when eurobium (Eu) is used as the rare earth element. When praseodymium (Pr) is used, red light is emitted. When erbium (Er) is used, it emits orange light. When terbium (Tb) is used, green light is emitted. When cerium (Ce) is used, blue light is emitted. When thulium (Tm) is used, blue light is emitted. In addition, as the rare earth element, plural kinds of rare earth elements can be used. The emission color in this case is, for example, a mixture of specific emission colors emitted by the rare earth element ions introduced into the light emitting element 1.

次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第1実施例を説明する。第1実施例の発光素子2は、前記図3によって説明した製造方法で作製した発光素子1を、その発光層表面が上方に向いた状態で、不活性な雰囲気中で、1100℃、30分間、アニール処理して作製したものである。その結果、図4に示すように、希土類元素イオンの拡散領域16は第2材料層14中を量子井戸層13方向に所定の希土類元素イオンの分布状態を保持して移動した。   Next, a first embodiment according to the method for manufacturing a light emitting device of the present invention will be described. The light-emitting element 2 of the first example is the same as the light-emitting element 1 manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 3 in an inert atmosphere with the surface of the light-emitting layer facing upward at 1100 ° C. for 30 minutes. , Produced by annealing. As a result, as shown in FIG. 4, the diffusion region 16 of the rare earth element ions moved in the second material layer 14 while maintaining a predetermined distribution state of the rare earth element ions in the direction of the quantum well layer 13.

次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第2実施例を説明する。第2実施例の発光素子3は、前記図3によって説明した製造方法で作製した発光素子1を、その発光層表面が上方に向いた状態で、不活性な雰囲気中で、1200℃、30分間、アニール処理して作製したものである。その結果、図5に示すように、希土類元素イオンの拡散領域16は第2材料層14中を量子井戸層13方向に所定の希土類元素イオンの分布状態を保持して上記発光素子2よりもさらに移動した。   Next, a second embodiment according to the method for manufacturing a light emitting device of the present invention will be described. The light emitting device 3 of the second embodiment is the same as the light emitting device 1 manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 3 in an inert atmosphere at 1200 ° C. for 30 minutes with the surface of the light emitting layer facing upward. , Produced by annealing. As a result, as shown in FIG. 5, the rare earth element diffusion region 16 maintains a predetermined rare earth element ion distribution state in the second material layer 14 in the direction of the quantum well layer 13, and further than the light emitting element 2. moved.

次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第3実施例を説明する。第3実施例の発光素子4は、前記図3によって説明した製造方法で作製した発光素子1を、その発光層表面が下方に向いた状態で、不活性な雰囲気中で、1200℃、30分間、アニール処理して作製したものである。その結果、図6に示すように、希土類元素イオンの拡散領域16は第2材料層14中を量子井戸層13方向とは反対方向に所定の希土類元素イオンの分布状態を保持して移動した。   Next, a third embodiment according to the method for manufacturing a light emitting device of the present invention will be described. The light-emitting element 4 of the third example is the same as the light-emitting element 1 manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 3 in an inert atmosphere with the surface of the light-emitting layer facing downward at 1200 ° C. for 30 minutes. , Produced by annealing. As a result, as shown in FIG. 6, the rare earth element ion diffusion region 16 moved in the second material layer 14 while maintaining a predetermined rare earth element ion distribution state in a direction opposite to the quantum well layer 13 direction.

上記各発光素子1〜4の発光層を構成する第2材料層14中の希土類元素イオン(テルビウムイオン)の分布状態は、ラザフォード(Ratherford)後方散乱(RBS)測定により調べた。   The distribution state of rare earth element ions (terbium ions) in the second material layer 14 constituting the light emitting layer of each of the light emitting elements 1 to 4 was examined by Ratherford backscattering (RBS) measurement.

上記各発光素子1〜4のイオン分布測定結果を表1に示す。   Table 1 shows the ion distribution measurement results of the light-emitting elements 1 to 4.

Figure 2006135208
Figure 2006135208

表1に示すように、発光素子1では、量子井戸13から希土類元素イオン(テルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置までの距離は35nmであった。そのテルビウムイオンの分布のばらつきを示す標準偏差は17nmであった。   As shown in Table 1, in the light-emitting element 1, the distance from the quantum well 13 to the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ion (terbium ion) was 35 nm. The standard deviation indicating variation in the distribution of the terbium ions was 17 nm.

また、上記発光素子1を用い、その発光面を上方に向けて、不活性な雰囲気中で、1100℃、30分間の追加のアニール処理を行った実施例1の発光素子2では、量子井戸13から希土類元素イオン(テルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置までの距離は10nmであった。そのテルビウムイオンの分布のばらつきを示す標準偏差は23nmであった。このように、希土類元素イオン(テルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置は、フォースター機構によるエネルギー遷移を起こす範囲内になった。また、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内にもなっている。   Further, in the light-emitting element 2 of Example 1 in which the light-emitting element 1 is used and an additional annealing treatment is performed at 1100 ° C. for 30 minutes in an inert atmosphere with the light-emitting surface facing upward, the quantum well 13 The distance from the position of the concentration distribution peak value of rare earth element ions (terbium ions) to 10 nm was 10 nm. The standard deviation indicating variation in the distribution of the terbium ions was 23 nm. As described above, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ion (terbium ion) is within the range where the energy transition is caused by the Forster mechanism. Moreover, it is also in the range where energy transition through photons occurs.

また、上記発光素子1を用い、その発光面を上方に向けて、不活性な雰囲気中で、1200℃、30分間の追加のアニール処理を行った実施例2の発光素子3では、量子井戸13からテルビウムイオン(テルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置までの距離は5nmであった。そのテルビウムイオンの分布のばらつきを示す標準偏差は24nmであった。このように、希土類元素イオン(テルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置は、フォースター機構によるエネルギー遷移を起こす範囲内になった。また、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内にもなっている。   Further, in the light-emitting element 3 of Example 2 in which the light-emitting element 1 is used and an additional annealing treatment is performed at 1200 ° C. for 30 minutes in an inert atmosphere with the light-emitting surface facing upward, the quantum well 13 The distance from the position of the terbium ion (terbium ion) concentration distribution peak value was 5 nm. The standard deviation indicating variation in the distribution of the terbium ions was 24 nm. As described above, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ion (terbium ion) is within the range where the energy transition is caused by the Forster mechanism. Moreover, it is also in the range where energy transition through photons occurs.

また、上記発光素子1を用い、その発光面を下方に向けて、不活性な雰囲気中で、1200℃、30分間の追加のアニール処理を行った実施例3の発光素子4では、量子井戸13からテルビウムイオン(テルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置までの距離は60nmであった。そのテルビウムイオンの濃度分布のばらつきを示す標準偏差は23nmであった。   Further, in the light-emitting element 4 of Example 3 in which the light-emitting element 1 is used and the light-emitting surface thereof is directed downward and an additional annealing treatment is performed at 1200 ° C. for 30 minutes in an inert atmosphere, the quantum well 13 The distance from the position of the concentration distribution peak value of terbium ions (terbium ions) to 60 nm was 60 nm. The standard deviation indicating variation in the terbium ion concentration distribution was 23 nm.

このように、所定の分布を持つように材料層中に導入された希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)に熱処理を行うことで、材料層中の希土類元素イオンの濃度分布状態を維持した状態で、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を自在に変えることが可能になる。   In this way, by performing a heat treatment on the rare earth element ions (for example, terbium ions) introduced into the material layer so as to have a predetermined distribution, the concentration distribution state of the rare earth element ions in the material layer is maintained, The position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions can be freely changed.

また、上記発光素子1〜4では希土類元素イオンにテルビウムイオンを用いたが、その他の希土類元素イオンであっても、同様な結果が得られる。   In the light-emitting elements 1 to 4, terbium ions are used as the rare earth element ions, but similar results can be obtained with other rare earth element ions.

次に、上記各発光素子1〜4の光学特性評価を行った。その光学特性評価方法を説明する。   Next, the optical characteristics of each of the light emitting elements 1 to 4 were evaluated. The optical property evaluation method will be described.

上記発光素子1〜4の光学特性評価は、フォトルミネッセンス(PL)測定装置(励起光:HeCdレ-ザ/励起パワー:30mW/ディテクター:シリコンフォトディテクター)により、室温環境下で行った。具体的には、HeCdレ-ザ(励起パワー:30mW)を照射した各発光素子から発光する光を、シリコンフォトディテクターで受光し、波長545nm付近に発光ピークを持つ光の発光強度を読み取った。   The optical characteristics of the light-emitting elements 1 to 4 were evaluated in a room temperature environment using a photoluminescence (PL) measuring device (excitation light: HeCd laser / excitation power: 30 mW / detector: silicon photo detector). Specifically, light emitted from each light-emitting element irradiated with a HeCd laser (excitation power: 30 mW) was received by a silicon photodetector, and the emission intensity of light having an emission peak near 545 nm was read.

上記光学特性の結果を表2に示す。表2中の発光強度は、上記発光素子1の発光強度を100としたときの発光強度である。   The results of the optical characteristics are shown in Table 2. The light emission intensity in Table 2 is the light emission intensity when the light emission intensity of the light emitting element 1 is 100.

Figure 2006135208
Figure 2006135208

上記表2に示すように、上記発光素子1の発光強度を100とした時の、発光素子2の発光強度は150、発光素子3の発光強度は180、発光素子4の発光強度は40であった。   As shown in Table 2 above, when the light emission intensity of the light emitting element 1 is 100, the light emission intensity of the light emitting element 2 is 150, the light emission intensity of the light emitting element 3 is 180, and the light emission intensity of the light emitting element 4 is 40. It was.

このように、量子井戸13からテルビウムイオンの濃度分布ピーク値の位置までの距離が10nmの場合(発光素子2)および5nmの場合(発光素子3)では、例えば、共鳴的双極子-双極子相互作用によるエネルギー移動(Forster機構)による移動距離の上限が10nmと言われており、この10nm以内となっているため、エネルギーの遷移効率が大幅に向上する。   Thus, in the case where the distance from the quantum well 13 to the position of the concentration distribution peak value of the terbium ions is 10 nm (light emitting element 2) and 5 nm (light emitting element 3), for example, a resonant dipole-dipole mutual relationship It is said that the upper limit of the moving distance by the energy transfer by action (Forster mechanism) is 10 nm, and since it is within 10 nm, the energy transition efficiency is greatly improved.

さらに、上記追加の熱処理条件を工夫することにより、量子井戸13からテルビウムイオンの濃度分布ピーク値の位置までの距離を1nmとすることもできる。この場合には、例えば、分子間接触による電子の交換によるエネルギー移動(交換機構またはデクスター(Dexter)機構)による移動距離の上限が1nmと言われており、この1nm以内となっているため、エネルギーの遷移効率がさらに向上するものと期待される。   Further, by devising the additional heat treatment condition, the distance from the quantum well 13 to the position of the concentration distribution peak value of terbium ions can be set to 1 nm. In this case, for example, the upper limit of the movement distance by energy transfer (exchange mechanism or Dexter mechanism) due to exchange of electrons by intermolecular contact is said to be 1 nm, and this energy is within 1 nm. It is expected that the transition efficiency will be further improved.

以上、説明したことから、発光層として、Siまたは、(SiO2-x(2>x>0))を主成分とする半導体材料からなる量子井戸13と、希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)を含んだ酸化シリコンからなる第2材料層14を用いた発光素子において、不活性な雰囲気中で熱処理することで、発光層中の希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置を移動させることができ、熱処理条件によって、その分布中心の位置を調整することができる。 As described above, as the light emitting layer, the quantum well 13 made of a semiconductor material mainly containing Si or (SiO 2−x (2>x> 0)) and rare earth element ions (for example, terbium ions) are used. In the light emitting element using the second material layer 14 made of silicon oxide, the concentration distribution peak value of rare earth element ions (for example, terbium ions) in the light emitting layer is moved by heat treatment in an inert atmosphere. The position of the distribution center can be adjusted according to the heat treatment conditions.

さらに、希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置と上記量子井戸13との距離に応じて発光強度が変化することから、希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の濃度分布ピーク値の位置を移動させることで、そのピーク値の位置を調整することができる。これによって、発光素子の発光強度を調整することができる。   Furthermore, since the emission intensity changes according to the distance between the position of the concentration distribution peak value of rare earth element ions (for example, terbium ions) and the quantum well 13, the concentration distribution peak value of rare earth element ions (for example, terbium ions) The position of the peak value can be adjusted by moving the position. Thereby, the light emission intensity of the light emitting element can be adjusted.

また、熱処理した発光素子中の、希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の分布の標準偏差は、イオン注入しただけの濃度分布に比べて大きくなる傾向があり、希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の濃度分布が広がる傾向にある。しかしながら、この熱処理条件による希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の標準偏差にほとんど差異がないので、希土類元素イオン(例えばテルビウムイオン)の分布状態はほとんど変化しないことがわかる。すなわち、この熱処理では、所定の希土類元素イオンの分布状態を維持して、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を設定することができる。   In addition, the standard deviation of the distribution of rare earth element ions (for example, terbium ions) in the heat-treated light-emitting element tends to be larger than the concentration distribution just by ion implantation, and the concentration of rare earth element ions (for example, terbium ions). The distribution tends to expand. However, since there is almost no difference in the standard deviation of rare earth element ions (for example, terbium ions) due to this heat treatment condition, it can be seen that the distribution state of rare earth element ions (for example, terbium ions) hardly changes. That is, in this heat treatment, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions can be set while maintaining a predetermined distribution state of the rare earth element ions.

また、上記発光素子1〜4では、第1材料層12の膜厚が100nmの場合について説明し、第2材料層14の膜厚が70nmの場合について説明したが、他の膜厚の場合についても、同様の効果が得られる。また、第1、第2材料層12、14の膜厚が同一であっても、同様の効果が得られる。   In the light-emitting elements 1 to 4, the case where the film thickness of the first material layer 12 is 100 nm is described, and the case where the film thickness of the second material layer 14 is 70 nm is described. The same effect can be obtained. Moreover, even if the film thickness of the 1st, 2nd material layers 12 and 14 is the same, the same effect is acquired.

また、上記発光素子1〜4では、量子井戸13の厚さが10nmの場合について説明したが、その他の厚さを有する量子井戸13であっても、同様の効果が得られる。   In the light-emitting elements 1 to 4, the case where the quantum well 13 has a thickness of 10 nm has been described. However, the same effect can be obtained even with the quantum well 13 having other thicknesses.

また、上記発光素子1〜4では、量子井戸13の材料として、シリコン(Si)について説明したが、量子井戸としての機能を有するものであればよく、例えば、酸化シリコン(SiO2-x(2>x>0))を主成分とする半導体材料、シリコンを主成分とする窒化シリコンなどのシリコン系化合物もしくはその混合物、ゲルマニウム(Ge)等のシリコン族系材料もしくはその混合物、他の半導体材料もしくはその混合物を用いても、同様の効果が得られる。 In the light emitting elements 1 to 4, silicon (Si) has been described as the material of the quantum well 13, but any material having a function as a quantum well may be used. For example, silicon oxide (SiO 2-x (2 >X> 0)) as a main component, silicon-based compounds such as silicon nitride or a mixture thereof including silicon as a main component, silicon group-based materials such as germanium (Ge) or a mixture thereof, other semiconductor materials or Even if the mixture is used, the same effect can be obtained.

また、上記発光素子1〜4では、量子井戸13が、基板11面に対し、平行になるよう配置されている場合について説明したが、量子井戸が、基板11上に形成されたSiO2からなる第2材料層14中に、ランダムに配置されている場合についても、同様の効果が得られる。例えば、量子ドット、量子細線等で構成されたものであってもよい。 In the light-emitting elements 1 to 4, the case where the quantum well 13 is arranged so as to be parallel to the surface of the substrate 11 has been described. However, the quantum well is made of SiO 2 formed on the substrate 11. The same effect can be obtained even when the second material layer 14 is randomly arranged. For example, it may be composed of quantum dots, quantum wires or the like.

また、上記発光素子1〜4では、基板11にシリコン基板を用いた場合について説明したが、基板11はその他の半導体基板、SOI基板、化合物半導体基板等であってもよい。   In the light-emitting elements 1 to 4, the case where a silicon substrate is used as the substrate 11 has been described. However, the substrate 11 may be another semiconductor substrate, an SOI substrate, a compound semiconductor substrate, or the like.

また、上記発光素子1〜4では、希土類元素イオンとして、テルビウムイオンについて説明し、さらに、ユーロビウム、プラセオジウム、エルビウム、セリウム、ツリウム等の希土類元素イオンを用いることができることを説明したが、その他の希土類元素イオンについても、同様の効果が期待できる。   In the light-emitting elements 1 to 4, terbium ions are described as rare earth element ions, and further, it has been described that rare earth element ions such as eurobium, praseodymium, erbium, cerium, and thulium can be used. Similar effects can be expected for elemental ions.

また、上記発光素子1〜4では、不活性な雰囲気としてアルゴン雰囲気を用いることができ、その他に、例えば、アルゴン以外の希ガス雰囲気もしくは窒素雰囲気もしくは真空雰囲気を用いても、同様の効果が期待できる。なお、ここでいう真空とは、物理的真空ではなく、真空ポンプ等を用いて達成できる工業的真空である。   In the light emitting elements 1 to 4, an argon atmosphere can be used as an inert atmosphere. In addition, for example, a similar effect is expected even when a rare gas atmosphere other than argon, a nitrogen atmosphere, or a vacuum atmosphere is used. it can. Here, the vacuum is not a physical vacuum but an industrial vacuum that can be achieved by using a vacuum pump or the like.

本発明に係る希土類元素イオンの拡散領域の製造方法は、熱処理によって希土類元素イオン15の分布状態を所定の分布状態に保持して基板11の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域16を移動させるため、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を拡散領域16の分布状態を維持して移動できるので、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を容易に合わせ込むことができ、しかも安価にできるという利点がある。   In the method of manufacturing a rare earth element ion diffusion region according to the present invention, the rare earth element ion diffusion region 16 is moved in the depth direction of the substrate 11 while the distribution state of the rare earth element ions 15 is maintained in a predetermined distribution state by heat treatment. Therefore, since the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions can be moved while maintaining the distribution state of the diffusion region 16, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions can be easily adjusted and can be made inexpensive. There is an advantage.

本発明に係る発光素子の製造方法は、発光層を構成する第2材料層14に導入された希土類元素イオン15の分布状態を所定の分布状態に保持して基板11の深さ方向に拡散領域16を移動させる熱処理を行うため、拡散領域16における希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置を希土類元素イオン15の分布状態を維持して移動できるので、その濃度分布ピーク値の位置を容易に合わせ込むことができる。これによって、発光層中における拡散領域16における希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置を調整することが可能となることで、熱処理により、発光素子1の発光強度の調整が可能となる。しかも安価にできるという利点がある。   In the method for manufacturing a light emitting device according to the present invention, the distribution state of the rare earth element ions 15 introduced into the second material layer 14 constituting the light emitting layer is maintained in a predetermined distribution state, and the diffusion region is formed in the depth direction of the substrate 11. Since the heat treatment for moving 16 is performed, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 in the diffusion region 16 can be moved while maintaining the distribution state of the rare earth element ions 15, so that the position of the concentration distribution peak value can be easily set. Can be combined. Thereby, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 in the diffusion region 16 in the light emitting layer can be adjusted, so that the light emission intensity of the light emitting element 1 can be adjusted by the heat treatment. In addition, there is an advantage that it can be made inexpensive.

本発明に係る発光素子1は、本発明の発光素子の製造方法により製造された発光素子であるため、拡散領域16における希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置が所望の位置に形成されたものとなり、所望の発光強度を有する発光素子1となるという利点がある。   Since the light-emitting element 1 according to the present invention is a light-emitting element manufactured by the method for manufacturing a light-emitting element according to the present invention, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 in the diffusion region 16 is formed at a desired position. Thus, there is an advantage that the light emitting element 1 having a desired light emission intensity is obtained.

より具体的には、希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置が、発光層(第2材料層14)の表面に近い(浅い)位置に、所望のドーズ量を注入しておき、熱処理することで、表面からより離れた(より深い)所望の位置まで、希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置を移動させることができる。このため、予め、発光層(第2材料層14)の表面に近い(浅い)位置に、希土類元素イオン15を注入することで、イオン注入処理時の加速エネルギーを低減し、処理時間をより短時間にすることが可能になる。その上、イオン注入処理を、外部に委託して行っている場合は、費用の低減化が可能になる。   More specifically, a desired dose amount is implanted at a position where the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 is close (shallow) to the surface of the light emitting layer (second material layer 14), and heat treatment is performed. Thus, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 can be moved to a desired position farther (deeper) from the surface. For this reason, the rare earth element ions 15 are implanted in advance (shallow) near the surface of the light emitting layer (second material layer 14), thereby reducing the acceleration energy during the ion implantation process and shortening the treatment time. It becomes possible to be on time. In addition, if the ion implantation process is outsourced, the cost can be reduced.

また、希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置のみが異なる発光素子をいくつか作製する際、ピーク値の異なる位置に応じて、別途、イオン注入処理を行う必要がなく、同時にイオン注入処理を行った後に、加熱処理条件を変えることで、希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置を所望の位置まで移動させることができる。よって、イオン注入処理に要する手間と時間と費用とが低減できる。   Further, when producing several light emitting elements that differ only in the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15, it is not necessary to perform an ion implantation process separately according to the position where the peak value differs, and the ion implantation process is performed simultaneously. After performing, the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 can be moved to a desired position by changing the heat treatment condition. Therefore, labor, time and cost required for the ion implantation process can be reduced.

また、仮に、誤った加速エネルギーでイオン注入処理を行った場合でも、熱処理することで、希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置を所望の位置まで移動させることができる。   Even if ion implantation processing is performed with erroneous acceleration energy, the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 can be moved to a desired position by heat treatment.

また、発光強度を調整(主に、発光強度の最大値から、低い強度に調整する)する際、通常、希土類元素イオン注入量を調整することで、強度の調整を行う必要があるため、別途、イオン注入処理を行う必要がある。しかしながら、本発明では、熱処理によって希土類元素イオン15の濃度分布ピーク値の位置を調整することで、発光強度を調整することが可能になる。したがって、発光強度の異なる発光素子を製造する場合、同じイオン注入量の発光素子を用いることができるので、イオン注入処理を行う回数が削減できる。   Also, when adjusting the emission intensity (mainly, adjusting the emission intensity from the maximum value to a lower intensity), it is usually necessary to adjust the intensity by adjusting the rare earth element ion implantation amount. It is necessary to perform an ion implantation process. However, in the present invention, the emission intensity can be adjusted by adjusting the position of the concentration distribution peak value of the rare earth element ions 15 by heat treatment. Therefore, when manufacturing light emitting elements having different light emission intensities, light emitting elements having the same ion implantation amount can be used, so that the number of ion implantation processes can be reduced.

本発明の発光素子の製造方法は、エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子の製造方法、真性エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子の製造方法、電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子の製造方法、光励起型発光デバイスに用いる発光素子の製造方法等、その他、電子注入型発光デバイスなど各種発光デバイスに用いられる発光素子の製造方法に適用することができ、その発光素子は、エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子、真性エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子、電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子、光励起型発光デバイスに用いる発光素子等、各種発光デバイスに用いられる発光素子に適用することができる。   The method for producing a light emitting device of the present invention includes a method for producing a light emitting device for use in an electroluminescence device, a method for producing a light emitting device for use in an intrinsic electroluminescence device, a method for producing a light emitting device for use in a current injection type electroluminescence device, and light excitation type light emission. It can be applied to a method for manufacturing a light-emitting element used in a device, and other methods for manufacturing a light-emitting element used in various light-emitting devices such as an electron injection type light-emitting device. The present invention can be applied to light-emitting elements used in various light-emitting devices, such as light-emitting elements used in electroluminescent devices, light-emitting elements used in current-injection electroluminescent devices, and light-emitting elements used in photoexcited light-emitting devices.

本発明の希土類元素イオンの拡散領域の製造方法を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed the manufacturing method of the diffusion area | region of the rare earth element ion of this invention. 本発明の発光素子の製造方法を適用することができる発光素子の一例を示した概略構成断面図である。It is schematic structure sectional drawing which showed an example of the light emitting element which can apply the manufacturing method of the light emitting element of this invention. 発光素子1の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。5 is a manufacturing process cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing the light-emitting element 1. FIG. 発光素子2の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。FIG. 6 is a manufacturing process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the light emitting element 2. 発光素子3の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。FIG. 6 is a manufacturing process cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing the light emitting element 3. 発光素子4の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。FIG. 6 is a manufacturing process cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing the light emitting element 4.

符号の説明Explanation of symbols

1…発光素子、11…基板、13…量子井戸層、15…希土類元素イオン、16…拡散領域   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emitting element, 11 ... Substrate, 13 ... Quantum well layer, 15 ... Rare earth element ion, 16 ... Diffusion area | region

Claims (35)

基板中に所定の分布を有する希土類元素イオンの拡散領域を形成する工程と、
熱処理によって前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる工程と
を備えたことを特徴とする希土類元素イオンの拡散領域の製造方法。
Forming a rare earth element diffusion region having a predetermined distribution in the substrate;
And a step of moving the diffusion region of the rare earth element ions in the depth direction of the substrate while maintaining the distribution state of the rare earth element ions in a predetermined distribution state by heat treatment. Area manufacturing method.
基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子の製造方法であって、
前記量子井戸に接する前記発光層を構成する材料層に前記希土類元素イオンを導入した後、
前記発光層を構成する材料層に導入された前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理を行う
ことを特徴とする発光素子の製造方法。
A method for manufacturing a light emitting device comprising a quantum well and a rare earth element ion in a light emitting layer formed on a substrate,
After introducing the rare earth element ions into the material layer constituting the light emitting layer in contact with the quantum well,
Performing a heat treatment for maintaining the distribution state of the rare earth element ions introduced into the material layer constituting the light emitting layer in a predetermined distribution state and moving the diffusion region of the rare earth element ions in the depth direction of the substrate. A method for manufacturing a light-emitting element.
前記発光層を構成する材料層に導入された前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理は、
前記希土類元素イオンが前記発光層を構成する材料層に導入された後に行われる熱処理後に行う、
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
A heat treatment for moving the diffusion region of the rare earth element ions in the depth direction of the substrate while maintaining the distribution state of the rare earth element ions introduced into the material layer constituting the light emitting layer in a predetermined distribution state,
After the heat treatment performed after the rare earth element ions are introduced into the material layer constituting the light emitting layer,
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2.
前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸からフォースター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内にする
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the position of the concentration distribution peak value in the rare earth element ion diffusion region is set within a range where energy transition by the Forster mechanism occurs from the quantum well.
前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸から10nmの範囲内にする
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method of manufacturing a light emitting device according to claim 2, wherein the position of the concentration distribution peak value in the rare earth element ion diffusion region is within a range of 10 nm from the quantum well.
前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸からデクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内にする
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method of manufacturing a light emitting element according to claim 2, wherein the position of the concentration distribution peak value in the rare earth element ion diffusion region is within a range in which energy transition from the quantum well by a Dexter mechanism occurs.
前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸から1nmの範囲内にする
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method of manufacturing a light emitting element according to claim 2, wherein the position of the concentration distribution peak value in the rare earth element ion diffusion region is within a range of 1 nm from the quantum well.
前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内にする
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light emitting element according to claim 2, wherein the position of the concentration distribution peak value in the rare earth element ion diffusion region is set within a range in which energy transition from the quantum well via photons occurs.
前記発光層は、量子井戸と希土類元素イオンとシリコンを主成分とする材料層とから構成される
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light emitting element according to claim 2, wherein the light emitting layer includes a quantum well, a rare earth element ion, and a material layer mainly composed of silicon.
前記シリコンを主成分とする材料層は、シリコン系酸化物からなる
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the material layer containing silicon as a main component is made of a silicon-based oxide.
前記希土類元素は、ユーロビウム(Eu)である
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the rare earth element is eurobium (Eu).
前記希土類元素は、プラセオジウム(Pr)である
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the rare earth element is praseodymium (Pr).
前記希土類元素は、エルビウム(Er)である
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method of manufacturing a light emitting device according to claim 2, wherein the rare earth element is erbium (Er).
前記希土類元素は、テルビウム(Tb)である
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the rare earth element is terbium (Tb).
前記希土類元素は、セリウム(Ce)である
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method of manufacturing a light emitting element according to claim 2, wherein the rare earth element is cerium (Ce).
前記希土類元素は、ツリウム(Tm)である
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method of manufacturing a light emitting element according to claim 2, wherein the rare earth element is thulium (Tm).
前記希土類元素は、複数種の希土類元素からなる
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the rare earth element includes a plurality of rare earth elements.
前記熱処理は不活性な雰囲気中で行われる
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the heat treatment is performed in an inert atmosphere.
前記不活性な雰囲気はアルゴン雰囲気である
ことを特徴とする請求項18記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 18, wherein the inert atmosphere is an argon atmosphere.
前記不活性な雰囲気は窒素雰囲気である
ことを特徴とする請求項18記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 18, wherein the inert atmosphere is a nitrogen atmosphere.
前記不活性な雰囲気は真空雰囲気である
ことを特徴とする請求項18記載の発光素子の製造方法。
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 18, wherein the inert atmosphere is a vacuum atmosphere.
前記発光層を構成する材料層は、
化学的気相成長法もしくはスパッタリング法によりSiO2-x(2≧x≧0)膜で作製した後、アニール処理して形成される
ことを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。
The material layer constituting the light emitting layer is:
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 2, wherein the light-emitting element is formed by a chemical vapor deposition method or a sputtering method using a SiO 2 -x (2 ≧ x ≧ 0) film and then annealing.
基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子であって、
熱処理によって、前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域が移動するものである
ことを特徴とする発光素子。
A light-emitting device comprising a quantum well and a rare earth element ion in a light-emitting layer formed on a substrate,
The light-emitting element is characterized in that the rare earth element ion diffusion region moves in the depth direction of the substrate while the rare earth element ion distribution state is maintained in a predetermined distribution state by heat treatment.
前記希土類元素イオンの分布の中心位置を移動させることで発光強度が調整されたものからなる
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
24. The light emitting device according to claim 23, wherein the light emission intensity is adjusted by moving a center position of the distribution of the rare earth element ions.
前記希土類元素イオンの分布の中心位置を移動が熱処理により行われたものからなる
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light emitting device according to claim 23, wherein the center position of the distribution of the rare earth element ions is moved by heat treatment.
前記希土類元素イオンがイオン注入法により前記発光層中に導入されたものからなる
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light emitting device according to claim 23, wherein the rare earth element ions are introduced into the light emitting layer by an ion implantation method.
前記発光層は、量子井戸と希土類元素イオンとシリコンを主成分とする材料層とから構成されたものからなる
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light emitting element according to claim 23, wherein the light emitting layer is composed of a quantum well, a rare earth element ion, and a material layer mainly composed of silicon.
前記シリコンを主成分とする材料層は、シリコン系酸化物からなる
ことを特徴とする請求項27記載の発光素子。
28. The light-emitting element according to claim 27, wherein the material layer containing silicon as a main component is made of a silicon-based oxide.
前記希土類元素は、ユーロビウム(Eu)である
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light-emitting element according to claim 23, wherein the rare earth element is eurobium (Eu).
前記希土類元素は、プラセオジウム(Pr)である
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light emitting element according to claim 23, wherein the rare earth element is praseodymium (Pr).
前記希土類元素は、エルビウム(Er)である
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light-emitting element according to claim 23, wherein the rare earth element is erbium (Er).
前記希土類元素は、テルビウム(Tb)である
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light-emitting element according to claim 23, wherein the rare earth element is terbium (Tb).
前記希土類元素は、セリウム(Ce)である
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light-emitting element according to claim 23, wherein the rare earth element is cerium (Ce).
前記希土類元素は、ツリウム(Tm)である
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
The light-emitting element according to claim 23, wherein the rare earth element is thulium (Tm).
前記希土類元素は、複数種の希土類元素からなる
ことを特徴とする請求項23記載の発光素子。
24. The light emitting device according to claim 23, wherein the rare earth element comprises a plurality of types of rare earth elements.
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