JP2009054873A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本来は非発光性である間接半導体を用いて実用可能な発光素子を提供すること。
【解決手段】Ｓ、Ｓｅ、Ｃｕ及びＡｇの少なくともいずれかを含み、四面体結合構造を有する母体半導体からなる活性層と、前記活性層に電流を通電するｎ電極とｐ電極とを具備し、前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層および前記ｐ層は面内に配置され、前記活性層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。
【選択図】図８

Description

本発明は、不純物ドープ超薄膜シリコンを活性層とする発光素子に関する。

近年、光応用には不向きと考えられてきたシリコン材料をベースに、光励起で発振するシリコンラマンレーザー、ＧＨｚで高速動作するシリコン光変調器など、未来の超高速光エレクトロニクスの礎となるシリコンフォトニクス技術が相次ぎ報告されている。

シリコンフォトニクスとは、「発光−伝送−受光」の基本光配線ユニットを構成する個別の光エレクトロニクス素子を、ＣＭＯＳ互換のＬＳＩ技術によりオンチップ化・システム化する研究分野である。現在、米国を中心に、シリコンベースの光変調器、スイッチ、導波路、受光素子が盛んに研究されている。こうした中、実用的な素子の開発に成功していないのが、シリコンをベースとする電流励起型発光素子である。

電流励起のシリコン発光素子は、基本光配線ユニットにおいて「送信機」の役目を担い、基幹の半導体光源として位置づけられる。発光素子がシリコン化できるとコスト・製造メリットは非常に大きいが、シリコンは間接半導体であり、フォノン支援遷移に起因して非発光性である。

シリコンに発光機能を与えるために、換言すると、シリコンをＧａＡｓに代表される強発光性の直接遷移型化合物半導体のように光学許容遷移化するために、これまでシリコンナノ微粒子やシリコン超薄膜が提案、研究されてきた。（非特許文献１、非特許文献２）しかしながら、長年に亘る研究開発にも拘らず、電流励起の実用的なシリコン発光素子は未だ実現できていない。２０年来の難問として残されているのである。

ナノ微粒子や超薄膜を発光機構で整理すると、どちらも「閉じ込め効果」に由来すると考えられている。従って、ナノ微粒子・超薄膜を研究する多くの研究機関が、この効果に基づいてシリコン発光素子実現を目指している。

図１は、シリコンとＧａＡｓのバンド図を示す。ＧａＡｓでは光学許容である電気双極子遷移に由来する強いバンド間発光が生じるが、それには２つの条件が必要である。１つは波数の選択則で、特定波数でエネルギーギャップが最小となることである。もう１つは波動関数の対称性に関する選択則で、ギャップ最小となる波数において、伝導帯と価電子帯のうち、一方が偶関数、もう一方が奇関数となることである。

この対称性の選択側について少し補足する。２準位間の発光や光吸収の強さは＜上準位｜遷移双極子モーメントμ｜下準位＞で与えられる。２準位が原子軌道近似でｓ軌道（偶関数）、ｐ軌道（奇関数）で表される直接遷移型化合物半導体では、μは奇関数であることから、＜ｓ｜μ｜ｐ＞＝∫偶・奇・奇ｄｒ≠０となり、光学許容遷移となって強発光を示す。これに対し、２準位がともにｐ軌道で表される間接半導体では、＜ｐ｜μ｜ｐ＞＝∫奇・奇・奇ｄｒ＝０となり、光学禁制遷移となって非発光となる。

ＧａＡｓはΓ点でギャップ最小となり波数の選択則を満足する。また伝導帯と価電子帯の波動関数は上述のように各々ｓ軌道、ｐ軌道で表されるため、対称性の選択則も満たす。

シリコン発光技術の中でナノ微粒子化と超薄膜化に注目すると、閉じ込め効果によりＸ点近傍にあるシリコンの伝導帯はΓ点に移り、ＧａＡｓ同様、Γ点でギャップ最小となるよう直接遷移化される。閉じ込め効果により、波数の選択則に関しては、それを満足するようバンド形状が変化する訳である。

一方、波動関数の対称性について見ると、価電子帯の波動関数はｐ軌道だが、伝導帯のそれも同じくｐ軌道であり、こちらは閉じ込め効果を受けても変化しない。要するに対称性の選択則は満足しない。

このことから、シリコン発光技術としての閉じ込め効果は、それ単独では強い発光は期待できない擬似的電気双極子遷移であることが分る。それゆえ従来のシリコン発光素子は特性が出ず、実現が困難であったと推察される。これを裏打ちするのが、図２に示す内部量子効率ηの等高線図である。

縦軸は発光再結合寿命τｒ、横軸は非発光再結合寿命τｎｒ、点線は効率の等高線を表す。リファレンスのシリコンと直接遷移型化合物半導体は、各々η〜０、η〜１の対極に位置する。寿命τｒ、τｎｒは、文献からの推測値である。

図２で、効率は左下隅が０、右上隅が１、両者を結ぶ対角線上で０−１に急峻に変化する。取り組まれているシリコン発光技術はいずれも低効率である。これはτｒが長く、欠陥や表面での非発光再結合に強く影響されるためである。現在最も効率良く光ると考えられているナノ微粒子でさえ、τｒはマイクロ秒程度と見積もられ、化合物半導体と比較すると大変長い発光再結合寿命を持つ。

以上の説明より、シリコン発光素子の実現には非発光再結合に左右されない劇的な内部量子効率の向上が必須であり、これを達成するには、シリコンのバンドギャップ内に光学許容となる２準位を導入することが必要不可欠である。このような２準位間では、化合物半導体と同等レベルの強発光が生じる。しかしながら、従来のナノ微粒子化や超薄膜化では、バンド変調効果に限界があり、光学許容となる２準位を形成することは困難である課題が有った。

一方、特定の不純物原子をドーピングして活性層に用いる研究もなされている。その中で、Ｓドープ結晶シリコンは、１９８６年に米ロチェスター大学のＢｒｏｗｎらにより発見され、シリコン発光としては例外的に強発光することが知られている。（非特許文献３）。しかしながら、Ｓドープ結晶シリコンが強発光を示すのは低温に限られ、図５に示すＰＬ発光強度の温度依存性に見られるように、室温では消光するという課題が有った。
Lorenzo Pavesi., Materialstoday January 2005 Philippe M.Fauchet., Materialstoday January 2005 T.G.Brown and D.G.Hall., Appl. Phys. Lett. Vol.45,No.5(1986)

上述のように、従来のシリコン発光技術では実用可能な発光素子の実現には至らなかった。本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、特定の不純物原子をドーピングした不純物ドープ超薄膜を活性層に用いることで、本来は非発光性である間接半導体を用いた実用可能な発光素子を提供することである。

本発明の一様態に係る発光素子は、Ｓ、Ｓｅ、Ｃｕ及びＡｇの少なくともいずれかを含み、四面体結合構造を有する母体半導体からなる活性層と、前記活性層に電流を通電するｎ電極とｐ電極とを具備し、前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層および前記ｐ層は面内に配置され、前記活性層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の他の様態に係る発光素子は、Ｎ及びＦ、またはＮ及びＩｎを含み、四面体結合構造を有する母体半導体からなる活性層と、前記活性層に電流を通電するｎ電極とｐ電極とを具備し、前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層および前記ｐ層は面内に配置され、前記活性層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、特定の不純物原子をドーピングした不純物ドープ超薄膜を活性層に用いることで、来は非発光性である間接半導体を用いた実用可能な発光素子を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

まずは、本発明に係る不純物ドープ超薄膜を用いた活性層の発光原理を、シリコンを例に詳細に説明する。

不純物ドープ超薄膜シリコンとは、バンドギャップ内に不純物に由来する基底準位と励起準位の両方を有する超薄膜シリコンを指す。以下では、まず、（１）Ｓドープ結晶シリコンを例に、エネルギー準位構造とＰＬ発光スペクトルの関係を説明する。次に、（２）ＰＬ発光の温度依存性を説明し、室温消光するという課題を示す。次に、（３）不純物ドープ超薄膜シリコンを活性層に用いることにより、上記課題が解消され、室温で良好なＰＬ発光特性が得られることを説明する。次に、（４）不純物ドープ超薄膜シリコンを用いた活性層の形成を説明する。最後に、（５）本発明で対象とする不純物の種類、母体とな半導体の種類について述べる。

（１）Ｓドープ結晶シリコンのエネルギー準位構造と発光スペクトル
図３は、結晶シリコンにドープしたＳ由来の不純物準位を示す。この系は１９８６年に米ロチェスター大学のＢｒｏｗｎらにより発見されたもので、シリコン発光としては例外的に強発光することが知られている。

図４は、ヘリウム温度におけるＰＬ発光スペクトルを示す。エネルギー準位との対応関係、すなわちスペクトルの帰属は、波長１５４０ｎｍ付近の強いピークはＳ由来の励起準位から基底準位への遷移であり、波長１４２０ｎｍに見られる小さいピークがシリコン伝道帯から基底準位への遷移だと考えられる。

ＰＬ発光強度は、主に波長１５４０ｎｍの強度で決まり、外部量子効率は５％程度と見積もられている。結晶と雰囲気ガスとの屈折率差による光閉じ込め効果を考慮すると、内部量子効率は１００％に近い高効率となる。これは直接遷移型化合物半導体の内部量子効率と同等レベルの高効率である。

強発光する理由は、シリコンのバンドギャップは１．１ｅＶ強と狭いが、この中にＳ由来の基底準位と励起準位が両方出現し、これが光学許容遷移であるためである。

（２）Ｓドープ結晶シリコンの課題
ところが、Ｓドープ結晶シリコンが強発光を示すのは低温に限られ、室温では消光する。この原因は、Ｓの電子正孔対の束縛エネルギーが小さく、室温では解離するために消光すると考えられる。先の図３のエネルギー準位図を用いて説明する。図３から、励起準位とシリコン伝導帯とのエネルギー差は７０ｍｅＶと小さいことが分る。すなわち、Ｓの電子の束縛エネルギーは７０ｍｅＶと小さいために、室温では電子正孔対が解離して消光する訳である。

（３）不純物ドープ超薄膜シリコンによる室温発光の原理
室温でＳドープシリコンから強発光を得るには、電子の束縛エネルギーを高めて室温における電子正孔対の密度を増加させることが有効であると考えられる。

図６は、室温発光を可能にするＳドープ超薄膜シリコンのエネルギー準位の概念図を示す。比較として、Ｓドープシリコンの準位図も合わせて示す。

室温発光の原理は、超薄膜化による閉じ込め効果により電子の束縛エネルギーを増大させ、電子正孔対の結合を強めて対の数を増やし、Ｓ起因の準位からの発光を増強するというものである。

図７は、Ｓドープシリコン膜厚に対する、電子束縛エネルギーを見積もった結果を示す。電子の有効質量が不明であるため、３つの値、０．１ｍ、０．２ｍ、０．５ｍの場合について計算した。Ｍは電子の質量である。

図７から、束縛エネルギーの目標値を２００ｍｅＶとすると、目指すべきＳドープシリコン膜厚は５ｎｍ以下であることが分る。なお、目標値の２００ｍｅＶは、ＳｉＣ半導体のＡｌ不純物の活性化エネルギー（約２００ｍｅＶ）を参考にした値である。ＡｌドープＳｉＣでは、Ａｌ濃度にも依存するが、主として大きな活性化エネルギーが効いてキャリア活性化率は１０％台と小さい。要するに、母体の違い等はあるが、第ゼロ近似として、２００ｍｅＶまで活性化エネルギーが増えれば電子・正孔対の解離を９割方抑制できると期待されるためである。

従って、不純物ドープシリコンを超薄膜化することにより、室温消光の問題は解消され、室温下でシリコン中のＳから強発光が得られる訳である。

（４）不純物ドープ超薄膜シリコンを用いた活性層の形成
不純物ドープ超薄膜シリコンを用いて発光素子を構成する際、活性層の形成について説明する。

図８は、本発明の実施形態に係わる、電流励起のシリコン発光素子の模式的な素子断面図及び斜視図をそれぞれ示す。なお、この素子は不純物ドープ超薄膜シリコン形成の説明のための例として取り上げたものであり、無論、他の素子構成も可能である。

図８の横型通電素子では、半絶縁性のシリコン基板１内に、埋め込みシリコン酸化膜２が形成され、その上にｐ＋領域３、活性層である不純物ドープ超薄膜シリコン領域５、ｎ＋領域４が面内に並ぶ構造を持つ。ｐ＋領域３はｐ電極６と接し、ｎ＋領域４はｎ電極７とそれぞれ接する。ｐ＋領域から正孔を注入し、またｎ＋領域から電子を注入することで、不純物ドープ超薄膜シリコン領域で電子と正孔を再結合発光させる。

次に、図９（a）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）を参照して、Ｓドープ超薄膜シリコンを例にとり、素子形成の形成方法を示す。

図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、半絶縁性のシリコン基板１内に埋め込みシリコン酸化膜２が形成され、その後、窒化膜31よるパターニング、レジスト層３１、３２の塗布及びイオン注入により、シリコン酸化膜２の上に、同一面内において活性層形成領域５１を挟んでＰ+領域３及び、ｎ+領域４をそれぞれ形成する。

次に、図（ｅ）で示したように、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）プロセスにより、活性層形成領域５１を酸化しながら超薄膜化し、活性層５を形成する。活性層５の膜厚は酸化温度、酸化時間で制御する。

次に、図（ｆ）で示したように不純物となるＳを活性層５に注入する。Ｓ注入工程では、エネルギー、ドーズ、基板面方位、チルト角、基板温度などを最適化してＳイオンを注入する。Ｓ注入分布の中に超薄膜シリコンが含まれるように上記注入パラメータを選択する。

最後に、図示されていないアニール工程によって、イオン注入で乱された結晶格子を回復する。アニール温度、時間、雰囲気を調整することで、結晶中の残留欠陥を減らす。アニール条件は不純物の種類により異なるが、Ｓの場合、一旦窒素雰囲気中でアニールして結晶回復させた後に、更に酸素雰囲気中でアニールすると残留欠陥は大幅に減少し、超薄膜シリコンの結晶のクオリティーは増した。酸素雰囲気中アニールの効果は、酸化膜との界面に格子間Ｓｉを発生させ、この格子間Ｓｉが主として空孔からなる残留欠陥と反応して均一な結晶に回復するものと思われる。

以上説明したように、イオン注入工程とアニール工程によって、不純物ドープ超薄膜シリコンからなる活性層を作ることができる。なお、熱拡散工程とアニール工程との組合せからも、不純物ドープ超薄膜シリコンを形成可能である。さらに、これら以外の方法によって作られた不純物ドープ超薄膜シリコンを用いることもできる。

（５）本発明で対象とする不純物種類及び、母体となる半導体の種類
本発明で対象とする不純物は、シリコンのバンドギャップ中に許容遷移となる２つ以上の準位をつくる不純物である。Ｓをはじめ、Ｓｅ、Ｃｕ、Ａｇがこのような準位をつくる。従って、これら元素が本発明の対象である。

また、単体元素では所望の準位は構成しないが、２種類以上の元素を組合せることで所望の準位を作るものがある。本発明者らの研究によれば、ＮとＦの組合せ、あるいはＮとＩｎの組合せが該当する。従って、これらの元素の組合せも本発明の対象である。

なお、母体となる四面体結合構造を有する半導体としては、ダイヤモンド構造を有する、ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウム；閃亜鉛鉱構造を有する、ＳｉＣ、ＧｅＣ、ＢＮ、ＢＰ，ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ；これらに類する構造を有する、ＳｉxＧｅ1-x、ＳｉxＧｅyＣ1-x-y、Ｇａ（ＰxＡｓ1-x）、（ＧａxＩｎ1-x）Ｐ、（ＡｌxＧａ1-x）Ａｓ、（ＡｌxＧａ1-x）Ｓｂ、（ＡｌxＩｎ1-x）Ｓｂ、（ＧａxＩｎ1-x）（ＰyＡｓ1-y）、（ＡｌxＧａyＩｎ1-x-y）Ｐ［ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１である］；ウルツ鉱構造を有する固体など、ｓｐ３混成軌道を介した四面体結合構造を有する間接半導体を用いることが出来る。ここではシリコンを例に説明したが、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムの場合でも、同様な原理により、室温で不純物由来の強い発光が得られることを確認している。

また、ＩＶｂは周期律表中の族元素を表す。ＩＶｂはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＰｂからなる群より選択される少なくとも１種である。

さらに、本発明において、活性層内に電子正孔対（励起子）を生じさせ、延いては発光を得るための手段として、ｎ電極及びｐ電極を用いているが、励起手段としては、電極の代わりに、励起光源、励起電子源、励起Ｘ線源であっても構わない。

以上のことから、特定の不純物をドープした間接遷移型半導体を超薄膜化し、活性層とすることにより、直接遷移型化合物半導体と同等レベルに室温化で強く発光することを説明した。

以下、本発明のさらに具体的な実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態は、図８に示した電流励起型発光素子を具体化した例である。すなわち、本実施形態は、母体半導体がシリコンからなる横型通電構造のシリコン発光素子である。

活性層である不純物ドープ超薄膜シリコン領域には、不純物としてＳをドープしている。Ｓ濃度は１×１０^１８／ｃｍ３である。活性層のシリコン層厚は２ｎｍとした。

本実施形態で用いたＳ不純物は、シリコンのバンドギャップ内に光学許容となる２準位を作る。結晶シリコン中では、Ｓ由来の励起準位とシリコン伝導帯とがエネルギー的に近接し、Ｓからシリコンに電子が逃げて電子正孔対が解離するために室温消光する。本実施形態では、遷移自体は光学許容であるため、シリコンの超薄膜化により電子正孔対の結合を強めて解離を抑えることにより、室温発光が可能になる。

このように構成された発光素子を電流駆動すると、ｐ＋領域から正孔が注入され、またｎ＋領域から電子が注入され、Ｓドープ超薄膜シリコンからなる活性層領域で電子と正孔が再結合することで電流注入発光が生じる。

図１０は、電流注入により生じた発光スペクトルを示す。なお、図１０には、活性層領域に中心波長８００ｎｍ、パルス幅１ｐｓのチタンサファイアレーザーを照射した場合のＰＬ発光スペクトルの結果を合わせて示す。

図１０より、１．１μｍ付近（〜１．１ｅＶ）にピークを持つ電流注入発光が得られた。電流注入発光スペクトル（線ａ）と光励起によるＰＬ発光のスペクトル（線ｂ）形状は良く一致し、確かに、活性層のＳドープ超薄膜シリコンで再結合発光が生じることが確認できた。なお、超薄膜化しない場合の低温下におけるＳ由来の発光は１．５μｍ帯（〜０．８ｅＶ）に生じる。本実施形態に見られる発光波長の短波長化は、活性層を超薄膜化したことによる閉じ込め効果に由来するものである。

このときのＥＬ発光の外部量子効率φを見積もると、凡そφ〜０．０１であった。外部量子効率φは内部量子効率ηと次の式で関係付けられる。

φ＝ξ×η （１）
ξ＝０．５×［１−ｃｏｓ（ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎｓｉ））］〜０．０２ （２）
ここで、ξは光取り出し効率、Ｎｓｉはシリコンの屈折率（約３．６）である。

式（１）及び式（２）から内部量子効率を逆算すると、η〜０．５と見積もられる。Ｓドープ超薄膜シリコン領域では、再結合発光が大変効率よく起きることがわかる。

Ｓ由来の不純物遷移自体は光学許容であるため、本実施形態に見られるように、シリコンを超薄膜化することで電子正孔対の結合を強めて解離を抑えることにより、室温発光が可能になる。間接半導体であるシリコンを発光させる方法として、不純物ドープ超薄膜シリコンは大変有効な手法であることがわかる。

（比較例）
活性層であるＳドープシリコン層を超薄膜化せずに膜厚を２００ｎｍとした以外は、第１の実施形態と全く同様の構成の発光素子を用いて、電流注入による発光の有無を調べた。

結果としては、本比較例の素子は電流を注入しても非発光性であった。確認のために、チタンサファイアレーザーで光パルス励起したところ、室温では非発光性であったが、液体ヘリウム温度の低温下では波長１．５μｍ帯で強く発光した。

本比較例では、活性層中のＳ不純物は低温では発光するが、室温ではＳ由来の励起準位からシリコン伝導帯に電子が逃げることで容易に電子正孔対が解離し消光する。このことから、本比較例は非発光性だった訳である。

以上のことから、電子正孔対の結合を強めて解離を抑えてシリコンから室温発光を実現するには、不純物ドープシリコンを超薄膜化することが大変効果的であることがわかる。

（第２の実施形態）
活性層中の不純物としてＳの代わりにＮとＦの２元素を用いた以外は、第１の実施形態と全く同様の構成の発光素子を用いて、電流注入による発光の有無を調べた。なお、Ｎ濃度とＦ濃度は１×１０^１９／ｃｍ３である。

このように構成された発光素子を電流駆動すると、Ｎ−Ｆドープ超薄膜シリコンからなる活性層領域で電子と正孔が再結合し、電流注入発光が生じる。

図１１は、この素子の電流注入発光スペクトル、ＰＬ発光スペクトル、電流−電圧特性を合わせて示す。電流注入発光スペクトル（線ａ）とＰＬ発光スペクトル（線ｂ）は良く一致し、かつ両者のスペクトルピークのエネルギー（ピーク波長１．０５μｍ）は電流−電圧特性の立ち上がり電圧とよく一致した。このことから、電流注入により、確かに、Ｎ−Ｆドープ超薄膜シリコンで再結合発光が生じることが確認できた。

式（１）及び式（２）を用い、このときの電流注入発光の外部量子効率から、活性層の内部量子効率を見積もると凡そ０．７であった。Ｎ−Ｆドープ超薄膜シリコンでは再結合発光が大変効率よく起きることが確かめられた。

本実施形態からも、電子正孔対の結合を強めて解離を抑えてシリコンから室温発光を実現するには、不純物ドープシリコンを超薄膜化することが大変効果的であることがわかる。

（第３の実施形態）
活性層として図１２に模式的に示すＮ−Ｆドープ超薄膜シリコン多層構造を用いた以外は、第２の実施形態と全く同様の構成の発光素子を用いて、電流注入による発光の有無を調べた。

実施形態の説明に先立ち、まずこの超薄膜シリコン多層構造の作成法について補足説明する。超薄膜シリコン多層構造の形成には、アニールによるアモルファスシリコンのラテラル固相エピタキシャル成長技術を適用する。

超薄膜シリコン多層構造のプロセスを、図１３に参照して説明する。まず、図８（ａ）のＳＯＩ基板のシリコン層をドライ酸化等で酸化して超薄膜化する（図８（ｂ））。次に、パターニングとエッチング処理により、活性層となる部分だけに酸化膜８を残し、その他の部分はシリコン層を露出させる（図１３（ｃ））。次に、アモルファスシリコン５２をＣＶＤ等で積層する（図１３（ｄ））。このとき、必要ならば表面をＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等で平坦化処理する。次に、熱アニールを施すことで、アモルファスシリコン層５２を単結晶シリコンに変化させる（図１３（ｅ））。アモルファス層５２の単結晶化は、超薄膜シリコン層との界面から生じ、酸化膜８上に横方向に結晶成長する。このことから、ラテラル固相エピタキシャル成長と呼ぶ訳である。

酸化膜８上において、左右から成長した結晶面が交わることでラテラル固相エピタキシャル成長は完了し、目的とするシリコン単結晶中に部分的に酸化膜８が埋め込まれた構造（図１３（ｅ））が完成する。ここで、最上層のシリコン層５３を再度酸化して（図１３（ｆ））、パターニングとエッチング処理により、活性層となる部分だけに酸化膜８を残し、その他の部分はシリコン層を露出させる（図１３（ｇ））。次に、アモルファスシリコン５２をＣＶＤ等で積層する（図１３（ｈ））。次に、熱アニールを施すことで、アモルファスシリコン層５２を単結晶シリコンに変化させる（図１３（ｉ））。このように、超薄膜シリコン層を２層化できる。以上の工程をＮ回繰り返せばＮ層からなる超薄膜シリコン多層構造を形成できるという訳である。その後、本発明の不純物をイオン注入し、アニールで結晶回復させれば、目的とする不純物ドープ超薄膜シリコン多層構造を得ることができる。

本実施形態の、超薄膜シリコン１０層構造からなる活性層を有する発光素子を電流駆動すると、活性層領域で電子と正孔が再結合し、第２の実施形態と比較して、更に効率よく電流注入発光が生じた。同じく式（１）及び（２）を用い、電流注入発光の外部量子効率から内部量子効率を見積もるとほぼ１であった。Ｎ−Ｆドープ超薄膜シリコン多層構造では、室温において再結合発光が大変効率よく起きることが判明した。内部量子効率が向上した理由は現在調査中であるが、恐らく、活性層の体積が増えて、発光に寄与しないキャリアオーバーフローが劇的に減少したためと推測している。

本実施形態から、電子正孔対の結合を強めて解離を抑えてシリコンから室温発光を実現するには、不純物ドープシリコンを超薄膜化し、更に多層化することが大変効果的であることがわかる。

（第４の実施形態）
図１４（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る端面発光型のシリコン発光素子の断面図
および斜視図をそれぞれ示す。図１４（ｂ）に示すように、この発光素子の一方の端面には無反射膜ＮＲがコートされ、もう一方の端面には反射膜Ｒがコートされている以外は、第１の実施形態の素子構造と同様な構成である。この構造では無反射膜ＮＲをコートした端面から発光を放射させる。

（第５の実施形態）
図１５（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る端面発光型のレーザーダイオード（以下
、ＬＤ素子という）の断面図および斜視図をそれぞれ示す。このＬＤ素子は、図１５（ｂ）に示すように、このＬＤ素子の一方の端面には低反射率の誘電体多層膜ミラーＬＲが設けられ、もう一方の端面には高反射率の誘電体多層膜ミラーＨＲが設けられている以外は、第１の実施形態の素子構造と同様な構成を持つ端面発光素子である。

このＬＤ素子を電流駆動すると、端面からレーザー光を発振させることができる。発光
スペクトルを調べると、閾値電流以下ではスペクトルがブロードであるが、閾値電流以上
ではスペクトルが先鋭化して単色化する。これは、閾値電流以上では、連続的なレーザー
発振を生じさせることが可能なことを示している。

（第６の実施形態）
図１６に本実施形態の光素子アレイを示す。この光素子アレイは、同一基板上に発光素
子と、受光素子と、これらを結ぶ導波路とが集積化されている。この光素子アレイは、光
信号を発信し、伝送し、受信することができる。

図１６に示すように、シリコン基板１０１上に、発信用の端面発光ＬＤ素子１１０およ
び受信用のゲルマニウム受光素子１２０が形成されている。これらの中間の領域に酸化膜
１０２が形成され、その上に伝送用のＳｉ導波路１３０が形成されている。端面発光ＬＤ
素子１１０は第４の実施形態に示したものと同様な構造のものを用いている。この図では
、ｎ電極６６およびｐ電極６７を示している。このＬＤ素子１１０の近傍の基板１０１面
内にトレンチを掘り、端面を出している。ゲルマニウム受光素子１２０についてもｎ電極
１２１およびｐ電極１２２を示している。

図１７にＬＤ素子からの光信号と、受光素子の出力応答を示す。図１７に示されるよう
に、５０ＧＨｚの高速変調信号に対して、出力光も同じく５０ＧＨｚで変調されている。

このように、本実施形態の光素子アレイでは、高速光信号伝送が可能なことがわかる。従
来はウエハ上に光信号を伝送する光素子アレイを形成することは技術的に不可能であっ
たが、本実施形態ではそれが可能である。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

シリコンとＧａＡｓの模式的なエネルギーバンド図 従来のシリコン発光素子に関する、内部量子効率の等高線図。 Ｓドープ結晶シリコンのエネルギー準位図。 Ｓドープ結晶シリコンのヘリウム温度におけるＰＬ発光スペクトルを示す図。 Ｓドープ結晶シリコンの発光強度の温度依存性を示す図。 Ｓドープ超薄膜シリコンのエネルギー準位と従来のＳドープ結晶シリコンのエネルギー準位の比較図。 シリコン膜厚に対する電子束縛エネルギーの計算結果を示す図。 本発明の実施形態に係る電流励起のシリコン発光素子の模式的な素子断面図及び斜視図。 本発明の実施形態に係る発光素子の、素子形成の模式的なプロセスを示す図。 本発明の第１の実施形態に係る発光素子の、電流注入発光スペクトル及び電流−電圧特性を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る発光素子の、電流注入発光スペクトル、ＰＬ発光スペクトル及び電流−電圧特性を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る発光素子の模式的な素子断面図及び斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る発光素子の、素子形成の模式的なプロセスを示す図。 本発明の第４の実施形態に係る発光素子の模式的な素子断面図及び斜視図。 本発明の第５の実施形態に係る発光素子の模式的な素子断面図及び斜視図。 本発明の第６の実施形態に係る発光素子アレイの斜視図。 本発明の第６の実施形態に係る光素子アレイにおける、ＬＤ素子からの入力信号に対する受光素子の応答特性を示す図。

符号の説明

１…Ｓｉ基板、２…Ｓｉ酸化膜、３…ｐ+領域、４…ｎ+領域、５…活性層、６…ｐ電極、７…ｎ電極、８…ＳｉＯ２層、３０…ＳＯＩ膜（シリコン膜）、５１…活性層形成領域、５２…アモルファスシリコン層、６６…ｎ電極、６７…ｐ電極、１０１…シリコン基板、１０２…酸化膜、１１０…端面発光ＬＤ素子、１２０…ゲルマニウム受光素子、１２１…ｎ電極、１２２…ｐ電極、１３０…Ｓｉ導波路。

Claims (9)

1. Ｓ、Ｓｅ、Ｃｕ及びＡｇの少なくともいずれかを含み、四面体結合構造を有する母体半導体からなる活性層と、
   前記活性層に電流を通電するｎ電極とｐ電極とを具備し、
   前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に
   接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層
   および前記ｐ層は面内に配置され、
   前記活性層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。
2. 前記母体半導体はＩＶｂ単体半導体またはＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記活性層を複数積層することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
4. Ｎ及びＦ、またはＮ及びＩｎを含み、四面体結合構造を有する母体半導体からなる活性層と、
   前記活性層に電流を通電するｎ電極とｐ電極とを具備し、
   前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に
   接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層
   および前記ｐ層は面内に配置され、
   前記活性層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。
5. 前記母体半導体はＩＶｂ単体半導体またはＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択されることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
6. 前記活性層を複数積層することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の発光素子。
7. 前記活性層の一方の端面に設けられた無反射膜と他方の端面に設けられた反射膜とを有
   することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光素子。
8. 前記活性層を面内で挟むように対向して設けられた、互いに反射率が異なる一対の鏡面
   からなる光共振器を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光
   素子。
9. 同一基板上に、請求項１乃至８に記載の発光素子と、受光素子と、前記発光素子と前
   記受光素子とを結ぶ導波路とを有することを特徴とする光素子アレイ。

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