JP2006351916A

JP2006351916A - 発光素子

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Publication number: JP2006351916A
Application number: JP2005177577A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Katagiri; 祥雅片桐
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】シリコンなどのＩＶ族半導体を用いてより容易に発光素子が形成できるようにする。
【解決手段】ｐ型とされたＩＶ族半導体からなる基板１０１と、基板１０１の上に形成されたｎ型領域１０２と、一部がｎ型領域１０２にかかるように基板１０１の上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に接して形成されたＩＶ族半導体からなるｐ型半導体層１０４とを備える。また、ｐ型半導体層１０４の上に配置された電極層１０５と、ｎ型領域１０２にオーミック接続して形成されたオーミック電極１０６と、基板１０１の裏面側に配置された電極層１０７とを備える。電極層１０５と電極層１０７とにより、基板１０１，トンネル絶縁層１０３，及びｐ型半導体層１０４に、これらの積層方向へ電場を印加可能とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンなどのＩＶ族半導体を用いた発光素子に関する。

シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などに代表されるＩＶ族半導体は、半導体集積電子回路の材料としてよく用いられている。特にＳｉは、表面近傍でバンド構造を多様に制御して微細なトランジスタを形成することができるため、今日の大規模集積化電子回路の基盤的材料となっている。また、シリコンをはじめとするＩＶ族半導体による光デバイスも数多く開発され、集積電子回路と組み合わせた高機能デバイスも実現され、例えば、マトリックス型に配列されたピクセルから成る電荷結合素子（ＣＣＤ）型のイメージセンサなどがある。

しかしながら、ＩＶ族半導体による素子で光源を実現しようとする場合、直接発光が実質的に困難であることが障害となっている。例えばＩＶ族半導体であるゲルマニウムでは、図５のバンド構造に示すように、価電子帯の頂点Γ_25'の波数ベクトルと、伝導帯の底Ｌ₁の波数ベクトルが一致していない。このため、バンド間遷移は、波数ベクトルが異なる間接遷移であり、バンド間遷移により光子を発生させるためには、点線の矢印で示すようなに、波数保存則を満たすようなフォノンの吸収又は放出が必要となる。このような間接遷移の確率は、光子の放出（又は吸収）過程とフォノンの吸収（又は放出）過程の２つの確率事象の積に比例するため、実効的にはきわめて低くなっている。

このようなＩＶ族半導体における間接遷移の問題を解決する手段として、従来より微小構造による方法が提案・検証されている。例えば、１ｎｍ程度もしくはこれ以下の寸法の微小な構造体を形成すると、微小な構造体においては、図６中の横方向の矢印で示すように、電子の位置と運動量の不確定性関係から運動量の不確定性（Δｋ）が大幅に増大する。このような状態では、価電子帯と伝導帯との間の遷移（帯間遷移）における運動量の保存則が満たされなくなり、図６中の２つの横方向の矢印の重なる領域に示すように、実効的にフォノンを介在させない直接遷移型の光学的過程が実現する。

L.S.Monastyrskii, et al., "Peculiarities of heterostructures made on the base of porous silicon and their physical properties", Proc. SPIE, Vol.4293, pp.181-184, 2001. L.Pavesi, et al.,"Optical gain in silicon nanocrystals",Proc. SPIE, Vol.4293, pp.162-171, 2001.

しかしながら、上述した直接遷移型の光学遷移を実現させるために必要な運動量の不確定性（Ｌ点からΓ点まで）は極めて大きく、従って、要求される微小領域の大きさは極めて小さく、前述したようにｎｍオーダの寸法となる。このような微小領域を従来のリソグラフ技術で実現することは、極めて困難であり、ポーラス状に結晶成長する微小構造体を利用するか、又は、アモルファス化する必要があった。しかし、これらの構造体は、平坦な半導体表面に多数のトランジスタ回路を集積化する電子回路との整合性が悪く、集積化するための光学素子として適用することが困難である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンなどのＩＶ族半導体を用いてより容易に発光素子が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る発光素子は、ｐ型のＩＶ族半導体から構成された基板と、この基板の主表面に接して形成されて電子がトンネル可能な膜厚に形成されたトンネル絶縁層と、このトンネル絶縁層の上に接して形成されたｐ型のＩＶ族半導体からなるｐ型半導体層と、基板の上に形成されてトンネル絶縁層の端部の領域と一部が重なるｎ型の領域と、基板、トンネル絶縁層、及びｐ型半導体層に、これらの積層方向へ電場を印加可能とする電極構造とを少なくとも備えるようにしたものである。基板、トンネル絶縁層、及びｐ型半導体層に、これらの積層方向へ電場が印加し、基板のトンネル絶縁層との接合部の近傍に、ＩＶ族半導体の伝導帯の底以外のΓ点を含む他の極点にまで到達する反転層が形成される状態とすれば、反転層におけるΓ点を含む伝導帯の他の極点に属する電子が、直接遷移型でトンネル絶縁層をトンネルして遷移し、ｐ型半導体層において正孔と再結合してフォトンを放出する。

上記発光素子において、ｐ型半導体層の上に形成されて電極構造の一部を構成する電極層と、基板の裏面側に電極層と対向した状態で配置された分布反射型のミラーとを少なくとも備え、電極層とミラーとにより共振器が構成されているようにしてもよい。このとき、ＩＶ族半導体の価電子帯頂点と、この頂点と同じ波数ベクトルを持つ伝導帯の頂点とのエネルギー差の２分の１のエネルギーに対応した波長が固有モードとなるように、共振器の光学長が整合されていればよい。また、基板の上に形成されてトンネル絶縁層の対向する２つの端部の領域と各々一部が重なる２つのｎ型の領域を備えるようにすれば、共振器の実行長を制御や、反転層形成領域の電子数密度を変化させて屈折率を制御することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、ｐ型のＩＶ族半導体からなる基板、トンネル絶縁層、及びｐ型半導体層を積層し、これらの積層方向へ電場を印加可能としたので、トンネル絶縁層をトンネルすることにより直接遷移型で電子の遷移を起こすことが可能となり、正孔との再結合が起きるようになり、シリコンなどのＩＶ族半導体を用いてより容易に発光素子が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。図１に示す発光素子は、ｐ型とされたＩＶ族半導体からなる基板１０１と、基板１０１の上に形成されたｎ型領域１０２と、一部がｎ型領域１０２にかかる（重なる）ように基板１０１の上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に接して形成されたＩＶ族半導体からなるｐ型半導体層１０４とを備える。ｎ型領域１０２の一部とトンネル絶縁層１０３の端部の領域とが、重なっている。また、図１に示す発光素子は、ｐ型半導体層１０４の上に配置された電極層１０５と、ｎ型領域１０２にオーミック接続して形成されたオーミック電極１０６と、基板１０１の裏面側に配置された電極層１０７とを備える。電極層１０５と電極層１０７とにより、基板１０１，トンネル絶縁層１０３，及びｐ型半導体層１０４に、これらの積層方向へ電場を印加可能とされている。

ＩＶ族半導体がシリコンの場合、基板１０１及びｐ型半導体層１０４は、例えば、リンがドープされることでｐ型とされている。一方、ｎ型領域１０２は、イオン注入により選択的にボロンを注入することで形成可能である。なお、電極１０６は、ｎ型領域１０２に設けられた凹部の内部に配置されている。また、トンネル絶縁層１０３は、例えば酸化シリコンから構成されている。トンネル絶縁層１０３は、トンネル電子が流れる程度に薄く形成されていればよいが、薄いほど絶縁破壊による耐圧が低下するので、膜厚数十ｎｍとされていればよい。

図１に示す発光素子の動作を説明すると、電極層１０５に正の電圧が印加された状態とし、トンネル絶縁層１０３及びこれに接合しているｐ型の半導体領域に電圧（電場）が印加された状態とすることで、トンネル絶縁層１０３と基板１０１との界面近傍の基板１０１に反転層が形成され、電子が蓄積されるようになる。また、形成された反転層は、近傍に配置されているｎ型領域１０２と結合し、オーミック電極１０６により電源が供給されたｎ型領域１０２より電子が供給される状態となる。一方、トンネル絶縁層１０３とｐ型半導体層１０４との界面近傍のｐ型半導体層１０４には、正孔の蓄積領域が形成されるようになる。上記反転層に蓄積（供給）された電子は、印加されている電圧により駆動され、トンネル絶縁層１０３をトンネルし、ｐ型半導体層１０４に形成されている正孔と再結合し、フォトンを放出する。

以下、上述した発光過程についてより詳細に説明する。電極層１０５よりｐ型半導体層１０４から絶縁層１０３を介して基板１０１の側へ電圧を印加すると、図２のバンド図に示すように、基板１０１と絶縁層１０３との界面近傍のポテンシャル、及びｐ型半導体層１０４と絶縁層１０３との界面のポテンシャルが歪み、電場の低い方であるｐ型半導体層１０４側の界面近傍に、反転層２０１が形成されるようになる。また、電場の高い方である基板１０１側の界面近傍には、正孔の蓄積領域２０２が形成される。なお、図２において、グレー（灰色）で示す領域が、電子が存在領域を示している。

このように電場が印加されている状態で、印加する電圧を高くすると反転層２０１が深くなり、反転層２０１は、伝導帯の底（例えばＧｅではＬ点）だけではなく、Γ（ガンマ）点を含む他の極点にも形成されるようになる。ここで、絶縁層１０３は、電子がトンネリングする程度に薄く、印加された電場に誘導されてた電子は、絶縁層１０３をトンネル（通過）する。トンネリングにより電子は散乱を受けないものとすると、絶縁層１０３を通過した電子の波数ベクトルは通過前と同じである。

ここで、Ｌ点から放出された電子は、前述したように、フォノンが介在する間接遷移により正孔と結合することになるため、正孔との再結合の確率が極めて小さい。このため、Ｌ点に属する電子に対しては、トンネリングの確率自体が小さくなっている。一方、Γ点を含む伝導帯の他の極点に属する電子は、遷移による運動量変化がないため直接遷移型となり、Γ点に属する電子のバンド間遷移により、前述したように、光子（フォトン）が放出されるようになる。

上述したようにして、ｐ型半導体層１０４の中で生成された光は、ｐ型半導体層１０４の側部端面より放出される。ここで、図１に示す発光素子では、オーミック電極１０６がｎ型領域１０２に設けられた凹部の内部に配置され、ｐ型半導体層１０４の側部端面からの光放出を阻害しないようにされている。なお、図１に示す発光素子では、基板１０１の上に形成されてトンネル絶縁層１０３の対向する２つの端部の領域と各々一部が重なるように２つのｎ型領域１０２を設けるようにしたが、これに限るものではなく、１つのｎ型領域１０２が設けられている状態でもよい。なお、上述した過程による発光が行われる領域、すなわち反転層が形成される領域は、放出させようとする光の半波長よりも大きい方がよい。所望とする発光波長が可視から近赤外域の場合、反転層が形成される領域は、一辺が１μｍ以上の正方形の領域であればよい。

次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図３は、本発明の実施の形態における他の発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。図３に示す発光素子は、ｐ型とされたＩＶ族半導体からなる基板３０１と、基板３０１の上に形成されたｎ型領域３０２と、一部がｎ型領域３０２にかかるように基板３０１の上に形成されたトンネル絶縁層３０３と、トンネル絶縁層３０３の上に接して形成されたＩＶ族半導体からなるｐ型半導体層３０４とを備える。また、図３に示す発光素子は、ｐ型半導体層３０４の上に配置された電極層３０５と、ｎ型領域３０２にオーミック接続して形成されたオーミック電極３０６とを備える。加えて、図３に示す発光素子は、基板３０１の裏面側に凹部３０１ａを備え、かつ、電極層３０５に対向して凹部３０１の底面に配置されたミラー３０７を備える。

ＩＶ族半導体がシリコンの場合、基板３０１及びｐ型半導体層３０４は、例えば、リンがドープされることでｐ型とされている。一方、ｎ型領域３０２は、イオン注入により選択的にボロンを注入することで形成可能である。なお、電極３０６は、ｎ型領域３０２に設けられた凹部の内部に配置されている。また、トンネル絶縁層３０３は、例えば酸化シリコンから構成されている。トンネル絶縁層３０３は、トンネル電子が流れる程度に薄く形成されていればよいが、薄いほど絶縁破壊による耐圧が低下するので、膜厚数十ｎｍとされていればよい。

また、ミラー３０７は、金属からなる電極層３０５（とｐ型半導体層３０４との界面）と組み合わせることで共振器を構成するようにしたものであり、２種類の４分の１波長膜が周期的に複数積層された分布反射（ＤＢＲ）ミラーである。このように構成されたミラー３０７と電極層３０５とにより、ファブリペロー共振器が構成される。従って、図３に示す発光素子では、光軸が基板３０１の平面に対して垂直な方向となっている。

図３に示す発光素子においても、図１に示す発光素子と同様に、例えば、電極層３０５に正の電圧が印加された状態とし、トンネル絶縁層３０３を介して接合しているｐ型の半導体領域に電圧（電場）が印加された状態とすることで、トンネル絶縁層３０３と基板３０１との界面近傍の基板３０１に反転層が形成され、電子が蓄積されるようになる。また、形成された反転層は、近傍に配置されているｎ型領域３０２と結合し、ｎ型領域３０２より電子が供給される状態となる。一方、トンネル絶縁層３０３とｐ型半導体層３０４との界面近傍のｐ型半導体層３０４には、正孔の蓄積領域が形成されるようになる。上記反転層に蓄積（供給）された電子は、印加されている電圧により駆動され、トンネル絶縁層３０３をトンネルし、ｐ型半導体層３０４に形成されている正孔と再結合し、フォトンを放出する。

しかしながら、バンド間遷移により放出される光子のエネルギーは電子遷移のエネルギー差に等しいため、例えば、Γ_2'からΓ_25'への直接遷移の際のエネルギーは、半導体のバンドギャップを超えてしまう場合がある。この波長の光に対してｐ型半導体層３０４は不透明な媒質として作用するので、発光作用が損なわれる恐れがある。これを解決する手段として、２光子放出過程の利用が有効である。２光子放出過程の確率を増強するためには、発光領域を含むように、共振器を設けるようにすればよい。共振器の固有モードλ_mは、例えば長さｌのファブリペロー（Fabry-Perot）共振器の場合、次の（１）式に示すようになる。

λ_m＝（２ｎｌ）／ｍ・・・（１）

ここで、共振器の長さｌを制御して固有モードが電子遷移エネルギーの２分の１に相当する波長λ_gとなるように設定すると、「ｍλ_g＝ｎｌ・・・（２）」となる。また、「（２ｍ）λ_g＝２ｎｌ」とすれば、波長が電子遷移エネルギーと一致している場合も固有モードがあるといえる。

しかし、屈折率の波長分散により、上記２つの波長で同時に固有モードが与えられることはない。分散による屈折率変移を「ｎ（λ_g）＝ｎ₀＋δｎ・・・（３）」、（なおｎ₀≡ｎ（λ_g／２）である、）とすると、共振器の中を周回する毎に、光は「δφ＝４ｍπ＋４π（δｎｌ）／λ_g・・・（４）」という位相変化を受ける。従って、「ｌ＝λ_g／（４δｎ）・・・（５）」が満たされれば、電子遷移エネルギーに相当する波長の光に対しては反共鳴状態となる（図４参照）。

次に、エネルギーがＥ_aの状態からＥ_bの状態（Ｅ＝Ｅ_b−Ｅ_a）に電子が遷移して角周波数ωでフォトンを真空に１個放出する確率は、以下の（６）式で示される。

Ｐ〜｜〈ａ｜ｐ｜ｂ〉｜²｜〈γ｜Ｅ｜０｜〉²δρδ（ω−Ω）・・・（６）
なお、ｐは電子分極、Ω＝（Ｅ_b−Ｅ_a）／ｈである。また、δρはモード密度である。

モード密度は、一様な真空の場合には「ω²／（π²ｃ³）」であり、光角周波数の二乗に比例するが、共振器の中ではモード密度は変調され、真空のモード密度よりも高くなる場合及び低くなる場合がある。ファブリペロー共振器の場合も同様で、図４に示す共振器のスペクトル応答関数と整合するようにモード密度が変調され、モード密度は、共鳴状態で最大となり、反共鳴状態で最小となる。特に共振器のＱ値が高い場合には、反共鳴状態でモード密度が０に漸近するため、このモード近傍の波長帯で遷移確率が０となる。従って、λ＝λ_g／２で共鳴し、λ＝λ_gで反共鳴するように共振器を設定すれば、１光子を放出する電子遷移を抑圧し、効率よく２光子放出を伴う電子遷移を増強することが可能となる。

図３に示す発光素子では、ミラー３０７の中心波長（真空波長）が、電子遷移のエネルギーの２分の１に整合した波長「λ＝２ｈｃ／（Ｅ_b−Ｅ_a）」に等しくなるように設定されていればよい。言い換えると、ＩＶ族半導体の価電子帯頂点と、この頂点と同じ波数ベクトルを持つ伝導帯の頂点とのエネルギー差の２分の１のエネルギーに対応した波長が固有モードとなるように、上記共振器の光学長が整合されていればよい。ＤＢＲが形成する禁止帯により高反射率のミラーが提供されることになるが、ミラー３０７により有効に反射される波長範囲は、ブラッグ波長近傍に限定される。このため、波長がブラッグ波長の２分の１となる近傍の光では、ミラー３０７の反射率は極めて小さくなる。従って、１光子を放出する間接型の電子遷移の確率は、ミラー３０７による共振器の中で増強されることはなく、効率よく２光子放出を伴う電子遷移を増強することが可能となる。この結果、図３に示す発光素子によれば、ミラー３０７より、基板３０１の裏面側（図３の紙面下方向）に光が放出されるようになる。

なお、図３に示すように、基板３０１の上に形成されてトンネル絶縁層３０３の対向する２つの端部の領域と各々一部が重なるように２つのｎ型領域３０２を設け、これらの間に形成されて結合する反転層の電子数密度を制御することにより、反転層が形成されている領域の屈折率を制御し、ミラー３０７による共振器の実行長を制御することで、ブラッグ波長で直接遷移型の電子遷移を増強しながら間接型の電子遷移を防止することも可能である。ここで、上述した電子数密度による屈折率制御は、電子のプラズマ効果により屈折率が電子数密度に比例して低下することによるものである。なお、上述したように、２つのｎ型領域３０２により反転層形成領域の電子数密度を変化させて屈折率を制御することにより発光効率を制御し、最終的には光出力を制御することができる。従って、図３に示す発光素子によれば、２つのｎ型領域３０２に加えるバイアス電圧に制御信号を重畳することにより、光信号のトランスミッタとして利用することも可能である。

本発明の実施の形態における発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。基板１０１と絶縁層１０３とｐ型半導体層１０４とにおけるポテンシャルの状態を示すバンド図である。本発明の実施の形態における他の発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。共振器の中のモード密度と波長との関係を説明するための説明図である。ＩＶ族半導体であるゲルマニウムのバンド構造を示す説明図である。微小構造により間接遷移型半導体で直接遷移が生じる状態を示す説明図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…ｎ型領域、１０３…トンネル絶縁層、１０４…ｐ型半導体層、１０５…電極、１０６…オーミック電極、１０７…電極、２０１…反転層、２０２…正孔の蓄積領域。

Claims

ｐ型のＩＶ族半導体から構成された基板と、
この基板の主表面に接して形成されて電子がトンネル可能な膜厚に形成されたトンネル絶縁層と、
このトンネル絶縁層の上に接して形成されたｐ型のＩＶ族半導体からなるｐ型半導体層と、
前記基板の上に形成されて前記トンネル絶縁層の端部の領域と一部が重なるｎ型の領域と、
前記基板、前記トンネル絶縁層、及び前記ｐ型半導体層に、これらの積層方向へ電場を印加可能とする電極構造と
を少なくとも備えることを特徴とする発光素子。
請求項１記載の発光素子において、
前記ｐ型半導体層の上に形成されて前記電極構造の一部を構成する電極層と、
前記基板の裏面側に前記電極層と対向した状態で配置された分布反射型のミラーと
を少なくとも備え、
前記電極層と前記ミラーとにより共振器が構成されている
ことを特徴とする発光素子。
請求項２記載の発光素子において、
前記基板の上に形成されて前記トンネル絶縁層の対向する２つの端部の領域と各々一部が重なる２つのｎ型の領域を備える
ことを特徴とする発光素子。
請求項２又は３記載の発光素子において、
前記ＩＶ族半導体の価電子帯頂点と、この頂点と同じ波数ベクトルを持つ伝導帯の頂点とのエネルギー差の２分の１のエネルギーに対応した波長が固有モードとなるように、前記共振器の光学長が整合されている
ことを特徴とする発光素子。