JP2010238722A - Silicon light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はシリコンを用いた発光素子に関するものであり、特に、高輝度の発光ダイオード、シリコンレーザーとして好適な素子構造に関する。 The present invention relates to a light-emitting element using silicon, and more particularly to an element structure suitable as a high-intensity light-emitting diode or silicon laser.
インターネット産業を支えるブロード・バンド・ネットワークでは、光通信が採用されている。この光通信における光の送受信には、III-V族やII-VI族などの化合物半導体を用いたレーザーが使用されている。 Broadband networks that support the Internet industry employ optical communications. Lasers using compound semiconductors such as III-V and II-VI groups are used for transmission and reception of light in this optical communication.
化合物半導体レーザーには、様々な構造が提唱されているが、ダブル・ヘテロ構造が一般的である。ダブル・ヘテロ構造は、2種類の異なる化合物半導体を用いて、バンドギャップの小さい化合物半導体をバンドギャップの大きい化合物半導体で挟んだ構造をしている。ダブル・ヘテロ構造を作製するには、基板上に導電型がn型、ドーピングしていないi型、そしてp型の各化合物半導体を連続的にエピタキシャル成長させ、垂直方向に積層する。その際、間に挟まれているドーピングしていないi型の化合物半導体のバンド構造に注意をする必要があり、n型とp型の各化合物半導体よりもバンドギャップが小さく、i型の伝導帯レベルがn型の伝導帯レベルよりも低く、i型の価電子帯レベルがp型の価電子レベルよりも高いことが重要である。つまり、電子及び正孔がともに、i型の領域に閉じ込められる構造となっている。そのため、電子と正孔が同じ領域にいやすくなるため、電子と正孔が衝突して対消滅する確率が高まり、結果として、発光効率をあげる事ができる。また、屈折率はバンドギャップが小さくなるほど大きくなる傾向があるため、i型の化合物半導体の屈折率がn型やp型の各化合物半導体の屈折率よりも大きな材料を選ぶ事によって、光もi型の化合物半導体に閉じ込められることになる。閉じ込められた光は、反転分布をつくっている電子と正孔の再結合を効率よく誘導するため、レーザー発振することにつながる。 Various structures have been proposed for compound semiconductor lasers, but double heterostructures are common. The double hetero structure has a structure in which a compound semiconductor having a small band gap is sandwiched between compound semiconductors having a large band gap using two different compound semiconductors. In order to fabricate a double heterostructure, compound semiconductors of conductivity type n-type, undoped i-type, and p-type are continuously epitaxially grown on a substrate and stacked vertically. At that time, it is necessary to pay attention to the band structure of the undoped i-type compound semiconductor sandwiched between them. The band gap is smaller than each of the n-type and p-type compound semiconductors, and the i-type conduction band. It is important that the level is lower than the n-type conduction band level and the i-type valence band level is higher than the p-type valence level. That is, both electrons and holes are confined in the i-type region. Therefore, since electrons and holes are likely to be in the same region, the probability that electrons and holes collide and annihilate increases, and as a result, the luminous efficiency can be increased. In addition, since the refractive index tends to increase as the band gap becomes smaller, light can be obtained by selecting a material in which the refractive index of the i-type compound semiconductor is larger than that of each of the n-type and p-type compound semiconductors. It will be trapped in the type compound semiconductor. The confined light efficiently induces recombination of electrons and holes that form an inversion distribution, leading to laser oscillation.
このように効率よく発光する化合物半導体を用いた光通信によって、長距離情報通信が瞬時の間に大量に行われている。すなわち、情報処理や記憶はシリコンを基幹としたLSI上で行われており、情報の送信は化合物半導体を基幹としたレーザーによって行われている。シリコンを高効率で発光させる事ができれば、シリコン・チップ上に電子デバイスと発光素子をともに集積化させる事ができるため、その産業的価値は甚大である。そこで、シリコンを発光させるという研究は膨大に行われている。
しかしながら、シリコンを高効率に発光させる事は難しい。それは、シリコンが間接遷移型のバンド構造を有しているからである。間接遷移型のバンド構造とは、伝導帯のエネルギーが最低になる運動量または価電子帯のエネルギーが最低になる運動量のどちらか0でないバンド構造を指す。シリコンの場合には、価電子帯の最小エネルギー点は、運動量が0になるΓ点であるが、伝導帯の最小エネルギー点はΓ点にはなくΓ点とX点の間にあり、より具体的には、格子定数をaとして、k0=0.85*π/aと定義するならば、(0、0、±k0)、(0、±k0、0)、(±k0、0、0)の6点に縮退して存在する。この様子を、図1に示す。
これに対して、化合物半導体の多くは、伝導帯も価電子帯もΓ点に最小エネルギー点があるため直接遷移型の半導体と呼ばれる。
As described above, a large amount of long-distance information communication is instantaneously performed by optical communication using a compound semiconductor that emits light efficiently. That is, information processing and storage are performed on an LSI based on silicon, and information transmission is performed by a laser based on a compound semiconductor. If silicon can emit light with high efficiency, it is possible to integrate both an electronic device and a light emitting element on a silicon chip, and its industrial value is enormous. Therefore, a great deal of research has been done to make silicon emit light.
However, it is difficult to emit silicon with high efficiency. This is because silicon has an indirect transition type band structure. The indirect transition type band structure refers to a band structure in which the momentum at which the conduction band energy is the lowest or the momentum at which the energy of the valence band is the lowest is not zero. In the case of silicon, the minimum energy point of the valence band is the Γ point where the momentum becomes 0, but the minimum energy point of the conduction band is not between the Γ point but between the Γ point and the X point, and more specifically. Specifically, if the lattice constant is defined as a and defined as k 0 = 0.85 * π / a, (0, 0, ± k 0 ), (0, ± k 0 , 0), (± k 0 , 0 , 0). This is shown in FIG.
On the other hand, many compound semiconductors are called direct transition type semiconductors because the conduction band and the valence band both have a minimum energy point at the Γ point.
次に、何故、間接遷移型の半導体では発光効率が悪く、直接遷移型の半導体では発光効率が良いか説明する。上述のように、半導体素子で発光させるためには、電子と正孔が衝突して対消滅し、両者のエネルギーの差を光として抽出しなければならない。その際、エネルギーと運動量の保存則が共に満足されていなければならない。電子は伝導帯の中にエネルギー準位をもっており、正孔は価電子帯の中で電子がいない部分のエネルギー準位をもっている。両者の差が光の持っているエネルギーになり、エネルギーによって波長が異なるため、伝導帯と価電子帯のエネルギー差、すなわちバンドギャップの大きさが光の波長、すなわち色を決める事になる。こうして考えると、エネルギーの保存則が成立する事に格段の困難さは見いだせられない。 Next, the reason why the indirect transition type semiconductor has low luminous efficiency and the direct transition type semiconductor has high luminous efficiency will be described. As described above, in order for the semiconductor element to emit light, electrons and holes collide and disappear, and the energy difference between the two must be extracted as light. At that time, both energy and momentum conservation laws must be satisfied. Electrons have energy levels in the conduction band, and holes have energy levels in the valence band where there are no electrons. The difference between the two becomes the energy of light, and the wavelength varies depending on the energy. Therefore, the energy difference between the conduction band and the valence band, that is, the size of the band gap determines the wavelength of light, that is, the color. In this way, no particular difficulty can be found in the establishment of the law of conservation of energy.
一方、発光には電子と正孔の衝突現象が関与するため、運動量も保存されなければならない。微視的な世界を支配する法則である量子力学によると、電子、正孔、光子(光の量子)は共に、波でもあるが粒子として散乱されるため、運動量の保存則が成立する。運動量とは、定性的には、衝突の際に粒子をどの位の勢いで弾き飛ばすかという事を定量化する尺度である。光の分散関係(ω=ck、 ここでωは光の角振動数、cは高速、kは光子の運動量)やエネルギーから、結晶中の光子の運動量を見積もるとほとんどゼロとなる事がわかる。これは、光が衝突する事によって物質を弾き飛ばすという現象があるとしても、それによって物質が散乱される影響は非常に少ないという事を意味しており、我々の直感とも一致する。 On the other hand, since the collision phenomenon of electrons and holes is involved in light emission, the momentum must also be preserved. According to quantum mechanics, the rule governing the microscopic world, electrons, holes, and photons (light quanta) are all scattered in the form of waves, but the law of conservation of momentum holds. Momentum is qualitatively a measure that quantifies how quickly particles are blown off during a collision. From the light dispersion relationship (ω = ck, where ω is the angular frequency of the light, c is high speed, k is the momentum of the photon) and energy, it can be seen that the momentum of the photon in the crystal is almost zero. This means that even if there is a phenomenon that the material is bounced off by the collision of light, the effect of scattering the material is very small, which is consistent with our intuition.
一方、正孔もエネルギーの最小点がΓ点にあるため、ほとんど運動量を有していない。しかしながら、間接遷移型の半導体であるシリコン中では、電子がΓ点にほとんど存在せず、X点付近のエネルギー最小点に存在するため、大きさでk0=0.85*π/aもの大きな運動量を有している。 On the other hand, holes have almost no momentum because the minimum point of energy is at the Γ point. However, in silicon, which is an indirect semiconductor, almost no electrons are present at the Γ point, but at the minimum energy point near the X point, so a large momentum of k 0 = 0.85 * π / a in magnitude. Have.
従って、シリコン中では、単純に電子と正孔が衝突する課程では、運動量保存則とエネルギー保存則を同時に満足させる事ができない。そこで、結晶中の光子振動の量子であるフォノンを吸収または放出するなどして、運動量保存則とエネルギー保存則をなんとか同時に満足できた電子・正孔対のみが光に変換されることになる。このような過程は、物理的に存在しないわけではないが、電子・正孔・光子・フォノンが同時に衝突するような高次の散乱過程であるため、そのような現象がおこる確率は少ない。従って、間接遷移型の半導体であるシリコンは極めて発光効率が悪いということが知られている。
これに対して、直接遷移型の化合物半導体の多くは、伝導帯も価電子帯もΓ点にエネルギーの最小点が存在するため、運動量の保存則とエネルギーの保存則を共に満たす事ができる。従って、化合物半導体では発光効率が高い。下記非特許文献1には、発光効率の高い化合物半導体を用いたレーザーを化合物半導体で作られたバイポーラ・トランジスタで駆動するトランジスタ・レーザー素子が報告されている。
Therefore, in silicon, the momentum conservation law and the energy conservation law cannot be satisfied at the same time in a process in which electrons and holes simply collide. Therefore, only electron-hole pairs that somehow satisfy the momentum conservation law and the energy conservation law at the same time by absorbing or emitting phonons, which are the quantum of photon oscillation in the crystal, are converted into light. Although such a process does not physically exist, it is a high-order scattering process in which electrons, holes, photons, and phonons collide at the same time, so the probability of such a phenomenon occurring is low. Accordingly, it is known that silicon, which is an indirect transition type semiconductor, has extremely poor luminous efficiency.
On the other hand, many direct transition type compound semiconductors have both a momentum conservation law and an energy conservation law because the conduction band and the valence band have a minimum energy point at the Γ point. Therefore, the luminous efficiency is high in the compound semiconductor. Non-Patent
上述したようにバルクの状態では極めて発光効率が悪いシリコンであるが、ポーラス状態、あるいは、ナノ粒子状態にすることで発光効率が上がる事が知られている。たとえば、下記非特許文献2では、フッ酸溶液中で陽極酸化したシリコンがポーラス状態になることによって、室温でなおかつ可視光波長帯で発光することが報告されている。そのメカニズムに関しては、完全には解明されていないものの、多孔質の形成によって、狭い領域に閉じ込められたシリコンが存在するために生ずる量子サイズ効果が重要ではないかと考えられている。サイズの小さいシリコン中では、電子の位置がその領域内に閉じ込められるため、量子力学の不確定性原理により、逆に運動量が定まらなくなるため、電子と正孔の再結合が生じやすくなっているのではないかと考えられている。
As described above, silicon is extremely poor in light emission efficiency in the bulk state, but it is known that the light emission efficiency is increased by setting it to a porous state or a nanoparticle state. For example, in Non-Patent
シリコンを用いた別の方法として、たとえば下記非特許文献3には、Si基板に形成されたpn接合中にErイオンを注入する事によって、発光素子となる発光ダイオード(LED)をつくることができたと記載されている。ErイオンをSi基板中に注入すると、Erが不純物準位をつくり、不純物準位は空間的に局在した準位であるため、Siの伝導帯にある電子がErイオンのつくる不純物準位に捕獲されると運動量は実効的にゼロとなり、価電子帯の正孔と再結合ができるようになり発光すると考えられる。Erイオンを介在した発光は、1.54μmの波長であるため、周囲のシリコンに吸収されること無く光を伝搬させることができる。また既存の光ファイバーを用いた場合に損失が少なくなる波長でもあるため、将来の技術革新によって、Erイオンを用いたSiベースのLEDが実用化された場合にも、既存の光ファイバー網を利用する事ができるため、大規模な設備投資を必要する事が無いのではないかと、期待されている。 As another method using silicon, for example, in Non-Patent Document 3 below, a light emitting diode (LED) serving as a light emitting element can be manufactured by implanting Er ions into a pn junction formed on a Si substrate. It is stated that. When Er ions are implanted into the Si substrate, Er creates an impurity level, and the impurity level is a spatially localized level, so the electrons in the Si conduction band become the impurity level created by the Er ion. When trapped, the momentum effectively becomes zero, and it becomes possible to recombine with holes in the valence band and emit light. Since the light emitted through the Er ions has a wavelength of 1.54 μm, light can be propagated without being absorbed by surrounding silicon. In addition, since the wavelength is such that the loss is reduced when using an existing optical fiber, even if Si-based LEDs using Er ions are put into practical use due to future technological innovation, the existing optical fiber network should be used. Therefore, it is expected that there will be no need for large-scale capital investment.
さらに、シリコンを用いた別の方法として、たとえば下記非特許文献4や下記非特許文献5には、上述の量子サイズ効果とErイオンのアイディアを組み合わせて、シリコン・ナノ粒子中にErイオンを注入する事によって、効率を上げて発光させる事ができたと記載されている。 Further, as another method using silicon, for example, the following Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 described below, Er ions are implanted into silicon nanoparticles by combining the above quantum size effect and the idea of Er ions. It is described that it was possible to emit light with increased efficiency.
上記の従来技術では、シリコンを発光させるために、シリコンの伝導帯のバンド構造をバルクのバンド構造と変えて、不確定性原理によって、運動量をk0の点から離すためには、量子サイズ効果によって、シリコンを多孔質状態か、または、ナノ粒子状態などにすれば良いと考えられていた。しかしながら、たとえば、ナノ粒子のような構造のシリコンを形成すると、シリコン表面は極めて酸化されやすいという特徴から、シリコン・ナノ粒子の表面が酸化されて、表面に二酸化シリコンが形成されるという問題がある。二酸化シリコンはバンドギャップが極めて大きい絶縁体であるため、表面に二酸化シリコンが形成されると効率よく電子や正孔を注入することができないという問題が生じる。従って、従来のシリコン発光素子では、フォトルミネッセンスでは高い強度が得られたとしても、エレクトロルミネッセンスでは極めて効率が落ちてしまうという問題が生じる。また、発光の際には、発光層となる物質の結晶性が重要になるが、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成したナノ粒子や陽極酸化によって表面に不規則かつ多量の穴を開けた構造では、単結晶と比べて結晶性が悪くなるという問題がある。結晶性が悪いと欠陥準位を介した発光が発生するという事態が生ずるが、欠陥を利用した発光では、効率が悪いため、情報通信などの実用に耐える素子は作製できないという問題がある。 In the above prior art, in order to make silicon emit light, the band structure of the conduction band of silicon is changed to the bulk band structure, and the momentum is separated from the point of k 0 by the uncertainty principle. Therefore, it has been considered that silicon should be in a porous state or a nanoparticle state. However, for example, when silicon having a structure like a nanoparticle is formed, there is a problem that the surface of the silicon nanoparticle is oxidized and silicon dioxide is formed on the surface because the silicon surface is very easily oxidized. . Since silicon dioxide is an insulator having an extremely large band gap, when silicon dioxide is formed on the surface, there arises a problem that electrons and holes cannot be injected efficiently. Therefore, in the conventional silicon light emitting device, even if high intensity is obtained by photoluminescence, there is a problem that efficiency is extremely lowered by electroluminescence. In addition, when emitting light, the crystallinity of the material that becomes the light-emitting layer is important. However, the structure is a structure in which nanoparticles are formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) or anodized and a large number of holes are formed on the surface. Then, there exists a problem that crystallinity worsens compared with a single crystal. If the crystallinity is poor, light emission through the defect level occurs. However, since light emission using defects is inefficient, there is a problem that an element that can withstand practical use such as information communication cannot be manufactured.
上述のように、ポーラスシリコンやナノ粒子やErドープなど、様々な技術によってシリコンを発光させるという努力は行われているが、発光効率は実用レベルまで高くなかった。
我々は、電子を注入する第1の電極部と、正孔を注入する第2の電極部と、第1の電極部及び第2の電極部と電気的に接続された発光部を備え、発光部を単結晶のシリコンとし、発光部が第1の面(上面)と第1の面に対向する第2の面(下面)を有し、第1及び第2の面の面方位を(100)面とし、第1及び第2の面に直交する方向の発光部の厚さを薄くすることで、シリコンなどの基板上に通常のシリコン・プロセスを用いて容易に形成可能で、かつ、高効率に発光する発光素子を得られることを報告した(下記特許文献1)。これは、極薄の単結晶シリコン膜などに代表される極めて狭い領域に電子を閉じ込めた場合、バルクの電子状態では、伝導帯の電子がΓ点に存在しないシリコンのような物質であったとしても、実効的に薄膜の垂直方向には運動できないと理解できる。これは、定性的には、薄膜に垂直な方向がなくなるため、電子が薄膜に垂直な方向には動けなくなるという極めて当然の事を示している。すなわち、シリコンの極薄膜化でも、量子閉じ込め効果(2次元の閉じ込め効果)によって、バルクでは間接遷移型の半導体が、実効的に直接遷移に変わると考えられる。以下に発光の原理およびその実証結果を示す。
シリコンやそれに順ずるゲルマニウムなどのIV族半導体を効率良く光らせるための原理について、図面に基づいて説明する。
As described above, efforts have been made to make silicon emit light by various techniques such as porous silicon, nanoparticles, and Er doping, but the luminous efficiency has not been high to a practical level.
We have a first electrode part for injecting electrons, a second electrode part for injecting holes, and a light emitting part electrically connected to the first electrode part and the second electrode part, The light emitting portion has a first surface (upper surface) and a second surface (lower surface) opposite to the first surface, and the surface orientation of the first and second surfaces is (100 ) And the thickness of the light emitting portion in the direction perpendicular to the first and second surfaces is reduced, so that it can be easily formed on a substrate such as silicon using a normal silicon process. It has been reported that a light-emitting element that emits light efficiently can be obtained (
The principle for efficiently illuminating a group IV semiconductor such as silicon or germanium that conforms to it will be described with reference to the drawings.
シリコンなどの結晶中での電子の状態を表す波動関数Ψ(r)は大変良い近似で(式1)のように表すことができる。 The wave function Ψ (r) representing the state of electrons in a crystal such as silicon can be expressed as (Equation 1) with a very good approximation.
ここで、k0は伝導帯のバンドの谷底(valley)を与える運動量であり、r=(x,y,z)は空間上での位置を表し、Φk0(r)は伝導帯のバンドの谷でのBloch関数を与え、ξ(r)は包絡線関数を表す。Φk0(r)は、結晶中の単位格子ベクトルaに対する周期性を反映した周期関数uk0(r+a)=uk0(r)を用いて(式2)と表せる。 Where k 0 is the momentum that gives the valley of the conduction band, r = (x, y, z) represents the position in space, and Φ k0 (r) is the band of the conduction band. The Bloch function at the valley is given, and ξ (r) represents the envelope function. Φ k0 (r) can be expressed as (Equation 2) using a periodic function u k0 (r + a) = u k0 (r) reflecting the periodicity with respect to the unit cell vector a in the crystal.
このことからも明らかなように、原子スケールの距離の関数として激しく振動する。これに対して、包絡線関数ξ(r)は原子スケールでは緩やかな変化をする成分を表しており、半導体の物理的な形状や周囲から印加されている外場に対する応答を表す。ここで、Ψ(r)が、必ずしもバルク結晶ではない、有限の大きさを有した半導体構造中での波動関数である場合も含めて考えると、ξ(r)の満足すべき式を(式3)と導く事ができる。 As is clear from this, it vibrates violently as a function of atomic scale distance. On the other hand, the envelope function ξ (r) represents a component that gradually changes on the atomic scale, and represents the physical shape of the semiconductor and the response to the external field applied from the surroundings. Here, considering the case where Ψ (r) is a wave function in a semiconductor structure having a finite size, which is not necessarily a bulk crystal, a satisfactory expression for ξ (r) is 3) can be led.
ここで、ε=ε(k)は、運動量kを有する伝導帯電子のバルクにおけるバンド構造を表しており、運動量kに微分演算子を−i▽と運動量k0の和を代入したものをε(k0−i▽)と示している。また、V=V(r)は、電子の感じるポテンシャルで、たとえば、半導体の境界部に絶縁体や別の種類の半導体が接触している場合には、ポテンシャル障壁を与えるし、外部から電界効果によって電場を印加することによって、V=V(r)の値を調整する事もできる。ここでは簡単のために、Vのz方向に対する変化のみに注目する。
ここで、理解を容易にするため、具体的に、たとえば、半導体として(100)面上でのシリコンを想定すると、上述のようにバルクでは、図1に示したようなバンド構造をしているため、kz方向の(0,0,±k0)に存在する伝導帯の谷は、(式4)と近似することができる。
Here, ε = ε (k) represents the band structure in the bulk of the conduction band electrons having momentum k, and ε is obtained by substituting the sum of −i ▽ and momentum k 0 for the momentum k with the differential operator −i ▽. (k 0 −i ▽). V = V (r) is the potential felt by the electrons.For example, when an insulator or another type of semiconductor is in contact with the boundary of the semiconductor, a potential barrier is provided and a field effect is applied from the outside. By applying an electric field, the value of V = V (r) can be adjusted. Here, for the sake of simplicity, we focus only on the change of V in the z direction.
Here, in order to facilitate understanding, specifically, assuming, for example, silicon on the (100) plane as a semiconductor, the bulk has a band structure as shown in FIG. 1 as described above. Therefore, the valley of the conduction band existing at (0, 0, ± k 0 ) in the kz direction can be approximated as (Equation 4).
ここで、m*t及びm*lは、回転楕円体形状をしている伝導帯の谷の短軸及び長軸方向の曲率から求めたシリコン結晶中の有効質量を表している。すると (式3)は、(式5)と表される。 Here, m * t and m * l represent effective masses in the silicon crystal obtained from the curvature of the minor axis and major axis direction of the valley of the conduction band having a spheroid shape. Then, (Equation 3) is expressed as (Equation 5).
なお、(100)面に平行な方向を(x,y)とし、幅をW、長さをLとして、包絡線関数を(式6)と置くことによって、(式5)は、(式7)となる。 By setting the direction parallel to the (100) plane as (x, y), the width as W, the length as L, and the envelope function as (Equation 6), (Equation 5) becomes (Equation 7). ).
ここで、ΔEは、z方向のエネルギーを表し、伝導帯の底から測った電子の全エネルギーは、(式8)と表される。 Here, ΔE represents the energy in the z direction, and the total energy of electrons measured from the bottom of the conduction band is expressed as (Equation 8).
まず、(式7)がバルクの電子状態を再現する事を確かめる。そのためには、V(r)=0とおいた時の連続状態の解を求めれば良い。それは、z方向の厚さをtとして、包絡線波動関数が(式9)となり、ΔEが(式10)となる事から確かめられる。 First, we confirm that (Equation 7) reproduces the bulk electronic state. For that purpose, a solution in a continuous state when V (r) = 0 is obtained. This can be confirmed by assuming that the thickness in the z direction is t, the envelope wave function is (Equation 9), and ΔE is (Equation 10).
すなわち、波動関数は、バルク結晶全体に連続的に広がった状態で、波動関数は激しく振動している。この時、z方向の運動量の量子力学的期待値は、z方向の運動量演算子をkzとして(式11)となる事は当然である。 That is, the wave function oscillates violently with the wave function continuously spreading throughout the bulk crystal. At this time, it is natural that the quantum mechanical expectation value of the momentum in the z direction becomes (Equation 11) with the momentum operator in the z direction as kz.
すなわち、シリコンなどの間接遷移型の半導体では、電子の多くは、運動量空間で、Γ点から遠く離れた点にいる確率が圧倒的に高いため、非常に大きい運動量を持って動いているという事を数式の上からも示している。
本発明は、このz方向の厚さであるtが非常に小さい極薄膜の場合、量子閉じ込め効果によって、バルクでは間接遷移型の半導体が、実効的に直接遷移型に変わるという事を基本原理として使う。以下、この点について詳しく説明する。
In other words, in an indirect transition type semiconductor such as silicon, most of the electrons are moving with a very large momentum because the probability of being far from the Γ point in the momentum space is overwhelmingly high. Is also shown from the top of the formula.
The basic principle of the present invention is that in the case of an ultra-thin film having a very small thickness t in the z direction, an indirect transition type semiconductor is effectively changed into a direct transition type in the bulk due to the quantum confinement effect. use. Hereinafter, this point will be described in detail.
話を具体的にわかりやすく説明するために、引き続き、シリコンを例にとり、z方向の厚さtが非常に小さく、z方向の上下には、隣接して、SiO2などのバンドギャップの大きい絶縁体か、さらにエネルギー障壁が大きい真空または大気に接していると想定する。同様の効果が期待できる系としては、たとえば、電界効果などによって、電子を狭い領域に閉じ込めれば同様の効果が期待できる。これらの場合、シリコン中の電子の波動関数は、z方向の上下の界面でゼロになる。もちろん、厳密には量子力学的な波動関数のしみ出しが存在するが、エネルギー障壁が大きいため、z方向の距離に対して指数関数的にしみ出しは小さくなるため、界面でゼロになるという近似はほぼ厳密に正しい。従って、外部から印加されるポテンシャルV(r)=0であったとしても、包絡線波動関数の様子はtが厚い場合と全く異なる。実際、このような量子井戸中に閉じ込められた電子及び正孔の包絡線波動関数は、離散的エネルギー準位を表す指数をnとして、n=0,2,4, …と偶数の場合には、(式12)と解けるし、n=1,3,5,…と奇数の場合には、(式13)となり、エネルギー準位の値は、nが偶数か奇数かによらず、(式14)と表す事ができる。 In order to explain the story concretely and clearly, taking silicon as an example, the thickness t in the z direction is very small, and the upper and lower sides in the z direction are adjacent to each other with a large band gap such as SiO 2. Suppose you are in contact with your body or even a vacuum or atmosphere with a large energy barrier. As a system that can be expected to have the same effect, for example, the same effect can be expected if electrons are confined in a narrow region by a field effect or the like. In these cases, the wave function of electrons in silicon becomes zero at the upper and lower interfaces in the z direction. Strictly speaking, there is exudation of a quantum mechanical wave function, but since the energy barrier is large, the exudation becomes exponentially small with respect to the distance in the z direction, and the approximation is zero at the interface. Is almost strictly correct. Therefore, even if the potential V (r) = 0 applied from the outside, the envelope wave function is completely different from the case where t is thick. In fact, the envelope wave function of electrons and holes confined in such a quantum well is n, where n is an index representing the discrete energy level, and n is an even number. (Equation 12) can be solved, and when n = 1, 3, 5,... Is odd, (Equation 13) is obtained, and the value of the energy level is (Equation 12) regardless of whether n is even or odd. 14).
最もエネルギーが低い状態がn=0である事は言うまでもない。包絡線波動関数を示すにあたって、z軸の原点を薄膜シリコンの中心に設定し、z=±t/2にエネルギー障壁の高い界面が存在するとした。ここで、この包絡線波動関数χn(z)の性質について説明する。nが0または偶数であった場合、波動関数は、zの符号変化に対して対称的であり、χn(z)=χn(−z)という性質を有している。これをパリティが偶であるという。一方、nが奇数であった場合には、χn(z)=−χn(−z)という性質を有しており、パリティが奇であるという。
このような対称性を反映した構造をもっているため、包絡線波動関数による運動量への寄与を評価すると、(式15)となる。
It goes without saying that the lowest energy state is n = 0. In order to show the envelope wave function, the origin of the z axis is set at the center of the thin film silicon, and an interface with a high energy barrier exists at z = ± t / 2. Here, the property of the envelope wave function χ n (z) will be described. When n is 0 or an even number, the wave function is symmetric with respect to the sign change of z and has the property χ n (z) = χ n (−z). This is called parity even. On the other hand, when n is an odd number, it has a property of χ n (z) = − χ n (−z), and the parity is odd.
Since it has a structure reflecting such symmetry, when the contribution to the momentum by the envelope wave function is evaluated, (Equation 15) is obtained.
これは、χn(z)をz方向に対して微分をとると、もともとχn(z)が有していたパリティと変わるため、z方向に対して積分をとるとゼロになるというきわめて一般的な性質を示している。つまり、電子がz軸方向に強く束縛されているため、包絡線波動関数が定在波となり、電子が動かなくなる性質があることがわかる。これは、バルク状態での包絡線波動関数が(式9)で与えられるように指数関数的であり、電子が運動量をもってバルク結晶全体を動きまわっているのと全く対照的である。ただし、Bloch関数の存在まで考慮した全波動関数は、(式1)の中に、(式2)及び(式6)及び(式13)または(式14)を代入したものであるため、z方向の運動量の量子力学的期待値は、(式16)となる事に注意が必要である。 This, taking the derivative chi n a (z) with respect to the z direction, since the change and parity had originally chi n (z), quite generally that becomes zero when taking the integral with respect to z-direction Is characteristic. That is, since the electrons are strongly bound in the z-axis direction, the envelope wave function becomes a standing wave, and it can be seen that the electrons do not move. This is exponential as the envelope wave function in the bulk state is given by (Equation 9), and is in sharp contrast to the fact that electrons move around the entire bulk crystal with momentum. However, the total wave function considering the existence of the Bloch function is obtained by substituting (Equation 2), (Equation 6), and (Equation 13) or (Equation 14) into (Equation 1). It should be noted that the quantum mechanical expectation of the momentum in the direction becomes (Equation 16).
つまり、もともとの半導体材料の性質としてバルクのときには、Γ点に伝導帯の谷底があるわけでなく、(0,0,±k0)に谷底があるため、全体としての波動関数は、その性質を反映している。このようにしてみると、薄膜にしても、運動量±k0を持って、電子が動き回っているように見えるが、そこには注意が必要である事に気付いた。つまり、たとえば、シリコンのように結晶として反転対称性を有している物質では、(0,0,+k0)の谷と(0,0,−k0)の谷がエネルギー的に等しく、縮退している事に注意が必要である。このように、極めて一般的に縮退したエネルギー準位を有する量子力学的な状態が空間的に同じ領域に閉じ込められると、それらの状態間に混成が生じる。つまり、(0,0,+k0)の谷と(0,0,−k0)の谷の間を結ぶエネルギー的な結合が非常にわずかでも存在すれば、2つの離散準位は、結合軌道と反結合軌道を形成する。たとえば、バンド計算には十分に含まれていない電子間のクーロン相互作用などは、狭い領域に閉じ込められている電子間には強く働く事が考えられる。電子間に働く相互作用は電子相関と呼ばれ、高温超伝導をはじめとする多くの遷移金属酸化物などで大問題になっているが、バルクのシリコンでは、もともとのシリコン原子でのsp軌道が大きな軌道をもっていることを反映してこれまでは大きな問題とはなってこなかった。しかしながら、量子力学的な効果が重要となるような非常に狭い領域に閉じ込めた場合には、クーロン相互作用が強く働くために、このような電子間のクーロン相互作用を無視する事ができなくなる。クーロン相互作用をきちんと取り入れて、ハミルトニアンの行列要素を計算すれば、そこには(0,0,+k0)の谷と(0,0,−k0)の谷を結ぶ混成がある。そして、そのハミルトニアンを対角化すれば、結合軌道と反結合軌道に分裂していることがわかる。これは、ふたつの水素原子を近づけていった場合に、水素分子が形成されるプロセスと似ており、そのような系を評価する方法はHeitler-Londonによって量子力学が形成された70年位前から理解されていた。我々は、Heitler-Londonによって理解された結合状態の形成が、シリコンなどのIV族半導体が狭い領域に閉じ込められている場合において、谷間の結合にも重要となることにはじめて気がついた。また、たとえ、もし、そのようなエネルギー的な結合が全くなかったとしても、2つの状態のユニタリー変換から、z軸方向に運動していない定在波を構成できる。これをもう少し具体的に説明する。Bloch状態は、結晶の有する反転対称性からu-k0(r)=uk0(r)という性質があるため、(0,0,+k0)の谷と(0,0,−k0)の谷のBloch波動関数は、それぞれ、φk0(r)=uk0(r)eik0zとφ−k0(r)=uk0(r)e-ik0zと表せる。従って、e±ik0zの部分に着目すればよい事がわかる。これらの波動関数の和と差から新しい基底状態を構成するには、ユニタリー変換Uによって、(式17)と変換してやれば良い。 In other words, as a property of the original semiconductor material, when it is bulk, there is no valley bottom of the conduction band at the Γ point, and there is a valley bottom at (0, 0, ± k 0 ). Is reflected. In this way, even though it was a thin film, it seemed that electrons were moving around with a momentum of ± k 0 , but I noticed that there was a need for caution. That is, for example, in a material having inversion symmetry as a crystal such as silicon, the valley of (0, 0, + k 0 ) and the valley of (0, 0, −k 0 ) are energetically equal, Attention should be paid to degeneration. As described above, when quantum mechanical states having energy levels that are generally degenerated are confined in the same region in space, hybridization occurs between these states. In other words, if there is very little energetic coupling between the valley of (0, 0, + k 0 ) and the valley of (0, 0, −k 0 ), the two discrete levels Form an orbit and anti-bonded orbit. For example, a Coulomb interaction between electrons that are not sufficiently included in the band calculation may work strongly between electrons confined in a narrow region. The interaction between electrons is called electron correlation, and has become a major problem in many transition metal oxides including high-temperature superconductivity. In bulk silicon, the sp orbit of the original silicon atom is not sufficient. Reflecting the fact that it has a large orbit, it has never been a big problem. However, when confined in a very narrow region where the quantum mechanical effect is important, the Coulomb interaction works so strongly that the Coulomb interaction between electrons cannot be ignored. If we take the Coulomb interaction properly and calculate the matrix elements of the Hamiltonian, there is a hybrid connecting the valleys of (0, 0, + k 0 ) and (0, 0, −k 0 ). And, if the Hamiltonian is diagonalized, it can be seen that it is split into bond orbitals. This is similar to the process by which hydrogen molecules are formed when two hydrogen atoms are brought close to each other, and the method for evaluating such a system is about 70 years before quantum mechanics was formed by Heitler-London. It was understood from. We noticed for the first time that the formation of bonding states understood by Heitler-London is also important for valley coupling when a group IV semiconductor such as silicon is confined in a narrow region. Also, even if there is no such energy coupling, a standing wave that does not move in the z-axis direction can be constructed from the unitary transformation of the two states. This will be explained more specifically. Since the Bloch state has the property of u −k0 (r) = u k0 (r) due to the inversion symmetry of the crystal, the (0,0, + k 0 ) valley and the (0,0, −k 0 ) the Bloch wave function of the valley, respectively, expressed as φ k0 (r) = u k0 (r) e ik0z and φ-k 0 (r) = u k0 (r) e -ik0z. Therefore, it can be seen that attention should be paid to the part of e ± ik0z . In order to construct a new ground state from the sum and difference of these wave functions, it is only necessary to convert (Equation 17) by unitary transformation U.
従って、原子レベルの波動関数の変化は、21/2uk0(r)cos(k0z)と21/2uk0(r)sin(k0z)という2つの定在波の波動関数によって記述できることがわかる。そして、波動関数全体を示すと(式18)及び(式19)と表すことができる。 Therefore, the change of the wave function at the atomic level is the two standing wave waves 2 1/2 u k0 (r) cos (k 0 z) and 2 1/2 u k0 (r) sin (k 0 z). It turns out that it can be described by a function. The entire wave function can be expressed as (Equation 18) and (Equation 19).
(式18)または(式19)の状態での運動量のz軸方向の期待値は、定在波である事を反映して(式20)となる。 The expected value of the momentum in the z-axis direction in the state of (Expression 18) or (Expression 19) is expressed by (Expression 20) reflecting the fact that it is a standing wave.
つまり、電子がz軸方向には、全く動いていない事がわかる。基底を変えるだけで、運動量の期待値が変わって見える事には、誤解が生じかねないので、ここで注意する。実は、(式18)と(式19)のような基底波動関数は、運動量の固有状態ではない。すなわち、運動量演算子の行列要素は、(式18)と(式19)を用いると、(式21)となり、対角行列要素がゼロとなり、非対角行列要素が純虚数となる。 That is, it can be seen that electrons do not move at all in the z-axis direction. Note that just changing the base may cause misunderstanding that the expected value of momentum appears to change. Actually, the basis wave functions like (Equation 18) and (Equation 19) are not eigenstates of momentum. That is, the matrix elements of the momentum operator are (Expression 21) using (Expression 18) and (Expression 19), the diagonal matrix element is zero, and the non-diagonal matrix element is a pure imaginary number.
このような基底を取ることが物理的に適切かどうかは、対象としている系の性質に依存する。我々は、極薄の単結晶シリコン膜を想定しているが、そのような場合は、z軸方向に対する並進対称性が崩れかけているので、運動量の固有状態であるuk0(r)e±ik0zを用いるよりも、むしろ定在波となっている√2uk0(r)cos(k0z)や√2uk0(r)sin(k0z)を用いた方が適切である。逆に、バルクの状態を扱う時には、並進対称性が存在するため、uk0(r)e±ik0zを用いた方が良い。また、バルク状態では、運動量±k0を有している電子は結晶中を激しく動き回っており、その際に、結晶中の格子振動の量子であるフォノンなどに強く散乱されており、波動関数の位相がダイナミックに変化しているため、運動量+k0の状態と運動量−k0の状態がコヒーレントに結合した状態を形成する事は期待できない。これとは対称的に、極薄の単結晶シリコン膜などのように、散乱を特長づける長さである平均自由工程lよりも薄いような、極めて狭い領域に電子を閉じ込めている場合、室温でも十分波導関数は位相の定まった定在波を形成できる。定性的には、電子の波が狭い領域を高速で行き来しているうちに、その領域の大きさにピッタリあう定常的な波になるという事を意味している。 Whether such a basis is physically appropriate depends on the properties of the target system. We assume an ultra-thin single-crystal silicon film. In such a case, the translational symmetry with respect to the z-axis direction collapses, so the momentum eigenstate u k0 (r) e ± Rather than using ik0z , it is more appropriate to use √2u k0 (r) cos (k 0 z) and √2u k0 (r) sin (k 0 z) which are standing waves. Conversely, when dealing with the bulk state, it is better to use u k0 (r) e ± ik0z because of translational symmetry. Further, in the bulk state, electrons having momentum ± k 0 move violently in the crystal, and at that time, they are strongly scattered by phonons, which are the quantum of lattice vibration in the crystal, and the wave function Since the phase changes dynamically, it cannot be expected that a state of momentum + k 0 and a state of momentum −k 0 are combined coherently. In contrast to this, when electrons are confined in a very narrow region, such as an ultrathin single crystal silicon film, which is thinner than the mean free path l that characterizes scattering, even at room temperature. A sufficient wave derivative can form a standing wave with a fixed phase. Qualitatively, it means that while an electron wave travels through a narrow area at high speed, it becomes a steady wave that fits the size of that area.
上述のように、詳細に簡単な数式を用いて説明したように、極薄の単結晶シリコン膜などに代表される極めて狭い領域に電子を閉じ込めた場合、バルクの電子状態では、伝導帯の電子がΓ点に存在しないシリコンのような物質であったとしても、実効的に薄膜に垂直方向には運動しない事がわかる。これは、定性的には、薄膜に垂直な方向がなくなるため、電子が薄膜に垂直な方向には動けなくなるという極めて当然の事を示している。つまり、バルクでは高速に結晶中を動いていたとしても、薄膜では、そもそも動くべき方向がなくなってしまうため、電子は止まらざるを得ないという事を意味する。 As described above, as described in detail using simple mathematical formulas, when electrons are confined in an extremely narrow region typified by an ultrathin single crystal silicon film, electrons in the conduction band in the bulk electronic state. It can be seen that even if it is a silicon-like substance that does not exist at the Γ point, it does not effectively move in the direction perpendicular to the thin film. This qualitatively indicates that the direction perpendicular to the thin film disappears, so that electrons cannot move in the direction perpendicular to the thin film. In other words, even if the bulk moves in the crystal at high speed, the thin film loses the direction to move in the first place, which means that the electrons have to stop.
この様子をバンド図を使って説明したものが、図2である。z軸方向への運動ができなくなったため、バルクのバンド構造である図1は、kz=0の面に射影され、薄膜や電界効果を印加した場合などには、図2のようなバンド構造になる。図2のようなバンド構造は、シリコンで電界効果トランジスタを設計する際の基本であり、デバイス物理学の基本であると言っても差し支えない。このように2次元に閉じ込められた系は、2次元電子系と呼ばれている。また、薄膜でなく、ナノワイヤのような極微細線構造にすれば、更に、次元を低下させて、1次元電子系も形成することができる。
図2のようなバンド構造を前提とすると、上述のように、バルクでは、図1の谷底(0,0,±k0)に対応する状態が、図2ではΓ点に来ていることがわかる。上述のように、この状態にいる電子は、z軸方向に動いていない。
FIG. 2 illustrates this state using a band diagram. Since the movement in the z-axis direction is no longer possible, the bulk band structure shown in FIG. 1 is projected onto the surface of kz = 0, and when a thin film or a field effect is applied, the band structure as shown in FIG. Become. The band structure as shown in FIG. 2 is the basis for designing a field effect transistor with silicon, and can be said to be the basis for device physics. Such a system confined in two dimensions is called a two-dimensional electron system. In addition, if an ultrafine line structure such as a nanowire is used instead of a thin film, the dimension can be further reduced and a one-dimensional electron system can be formed.
Assuming the band structure as shown in FIG. 2, as described above, in the bulk, the state corresponding to the valley bottom (0, 0, ± k 0 ) in FIG. 1 comes to the Γ point in FIG. Recognize. As described above, the electrons in this state are not moving in the z-axis direction.
このようなデバイス物理の基礎に立ち戻るならば、図2でΓ点に存在する電子は、正孔と効率よく再結合し、発光素子として使えるはずであるという発想に至った。つまり、電子を閉じ込めることによって、電子は自由に動けなくなるわけであるから、同じくΓ点に存在するため運動量の小さい正孔と衝突した際、やはり運動量の小さい光を運動量とエネルギーの保存則を破ることなく、放出する事ができるわけである。上述のように、運動量とは、粒子が別の粒子に衝突した際に、どの位の衝撃で粒子を散乱するかという尺度である。我々は、電子を狭い領域に閉じ込める事によって、電子を動けなくするようにすれば、電子の運動量が失われるという事に気付いた。電子の運動量が小さくなれば、従来の方法では、難しかった散乱の際の運動量の保存則を満たす事ができるようになるため、シリコンなどのIV族半導体であっても効率よく光るようになる。 Returning to the basics of such device physics, the idea is that the electron existing at the Γ point in FIG. 2 should recombine efficiently with the hole and be used as a light emitting element. In other words, by confining the electrons, the electrons cannot move freely, so when they collide with a hole with a small momentum because they are also at the Γ point, the momentum and energy conservation laws are broken. It can be released without any problems. As described above, momentum is a measure of how much impact a particle scatters when it collides with another particle. We have realized that if we make an electron immobile by confining it in a small area, the momentum of the electron will be lost. If the momentum of electrons is reduced, it becomes possible to satisfy the law of conservation of momentum at the time of scattering, which was difficult in the conventional method, so that even a group IV semiconductor such as silicon can shine efficiently.
このような発想の元、実際に、極薄のSi膜を1cm角の大きさに基板に部分的に形成し、そのフォトルミネッセンスを測定した結果を図3、図4、及び図6に示す。図3及び図6には、フォトルミネッセンスによる発光の強度を示してある。ここから、極薄のSi膜から大変強い発光強度が観測された事がわかる。この強度は、バルクのシリコンの間接遷移による発光と比べて数桁大きいものである。つまり、狭い領域に電子を閉じ込める事によって、シリコンなどのIV族半導体が実効的に直接遷移型へと変化したと考えられる。 Based on such an idea, actually, an ultrathin Si film is partially formed on a substrate with a size of 1 cm square, and the photoluminescence measurement results are shown in FIG. 3, FIG. 4, and FIG. FIG. 3 and FIG. 6 show the intensity of light emission by photoluminescence. This shows that a very strong emission intensity was observed from the ultra-thin Si film. This intensity is several orders of magnitude greater than light emission due to indirect transition of bulk silicon. In other words, it is considered that by confining electrons in a narrow region, a group IV semiconductor such as silicon effectively changed to a direct transition type.
また、図4には、この実験の際に得られたスペクトルのピークの波長を示してある。ここから、シリコンのバンドギャップより(式14)で示されるエネルギーだけ大きい波長が得られている事が確認できた。これは、量子閉じ込め効果によって、エネルギーが離散的になる分だけ、バンドギャップが大きい事を反映しており、上述の原理が正しい事を示している。バンドギャップが大きくなった結果、どの程度発光波長が変わるかを計算した結果を、図5に示した。上述のように、シリコンの薄膜化によって、実効的にエネルギーの谷をΓ点とすることが可能となる。 FIG. 4 shows the wavelength of the peak of the spectrum obtained during this experiment. From this, it was confirmed that a wavelength larger than the band gap of silicon by the energy indicated by (Equation 14) was obtained. This reflects the fact that the band gap is large as the energy becomes discrete due to the quantum confinement effect, which indicates that the above principle is correct. FIG. 5 shows the result of calculating how much the emission wavelength changes as a result of the increased band gap. As described above, it is possible to effectively make the valley of energy a Γ point by thinning the silicon.
特許文献2では特許文献1の素子構造を基礎として、シリコン薄膜をシリコンレーザーの光源として効率よく利用するために、発光波長λの半分の間隔でフィン状に薄膜を並べ、導波路と組み合わせた素子構造も示されている。フィン状の構造の製造方法としては、マスクに細線パターンを描画した上で深くエッチングする方法と、MBE法を用いてシリコン層とシリコンゲルマニウム層を交互に積層した後、シリコンゲルマニウム層を選択的にエッチングする事によりフィン状のシリコン層だけを残す方法が示されている。
In
上述の特許文献1および特許文献2の発明ではシリコンの極薄膜に電子と正孔を注入して電界発光をさせる事のできる発光素子を提供している。しかし、その素子の発光効率はバルクのシリコン本来の間接遷移による発光効率と比べれば飛躍的に高いものの、GaAsなどのIII-V族半導体の発光効率と比べるとまだ小さい。
In the inventions of
より性能の良いシリコン発光素子、すなわち同じ電流・電圧でより強い発光強度が得られる素子、または少しでも小さな電流・電圧で同等の発光強度が得られる素子を作成するためには、発光源であるシリコン薄膜の発光効率をより一層高めた素子が必要である。 To create a silicon light emitting device with better performance, that is, a device that can obtain a higher light emission intensity with the same current and voltage, or a device that can obtain an equivalent light emission intensity with a little current and voltage, it is a light source. There is a need for a device that further enhances the luminous efficiency of the silicon thin film.
また、シリコンを光源とするシリコンレーザーを設計するにあたっても、光源の発光強度が強ければ強いほど、光閉じ込め用ミラーのサイズを小さくしたり、最低限必要な電圧・電流値を小さくしたりする余裕が生まれ、好ましい。
本発明は、特許文献2の発光素子の構造を基に、更にその発光効率を高めるための素子構造、およびその製造方法を提供する。
Also, when designing a silicon laser using silicon as the light source, the stronger the light emission intensity of the light source, the smaller the size of the light confinement mirror and the minimum required voltage / current value. Is born and preferable.
The present invention provides an element structure for further improving the light emission efficiency based on the structure of the light emitting element of
我々はシリコン発光素子の発光効率を向上させる方法を探るため、SiO2に挟まれたシリコン(001)薄膜の電子状態を第一原理から計算し、膜厚、界面構造、印加圧力などの変化による発光効率の変化を見積もった。
その結果まず、膜厚が薄ければ薄いほど効率が良く、特に3原子層、7原子層、11原子層がこの順に良い事がわかった。しかしこの事を利用するには、膜厚を原子層単位で制御してここまで薄くするのが容易でない点と、ここまで薄いと量子閉じ込め効果によってエネルギーギャップがかなり大きくなり、発光のための電子及び正孔の注入が困難になるという点に問題がある。当該薄膜の現状の製造技術を用いた場合は、1乃至10nm程度の膜厚がコスト・パフォーマンスを考慮すると現実的である。さらに、薄膜の制御の安定性などからは、5乃至10nm程度が好ましい。なお、理論的には、当該薄膜の膜厚が100nm以下なら、発光することが確かめられている。
In order to find a way to improve the luminous efficiency of silicon light emitting devices, we calculate the electronic state of the silicon (001) thin film sandwiched between SiO 2 from the first principle, and change the film thickness, interface structure, applied pressure, etc. The change in luminous efficiency was estimated.
As a result, it was found that the thinner the film thickness, the better the efficiency, and in particular, the 3 atomic layer, 7 atomic layer, and 11 atomic layer were in this order. However, to make use of this, it is not easy to control the film thickness in atomic layers and make it so thin, and if it is so thin, the energy gap becomes considerably large due to the quantum confinement effect, and the electrons for light emission In addition, there is a problem in that it becomes difficult to inject holes. When the current manufacturing technique for the thin film is used, a film thickness of about 1 to 10 nm is realistic considering cost performance. Furthermore, about 5 to 10 nm is preferable from the viewpoint of stability of control of the thin film. Theoretically, it has been confirmed that light emission occurs when the thickness of the thin film is 100 nm or less.
界面構造も発光効率に対して大きな影響を与えることがわかったが、シリコン膜を熱酸化過程で薄くして行くときに、酸化したSiO2と残ったシリコンとの間に自然に生じる構造なので、発光素子の製造方法を根本的に変えない限り制御が難しい。
様々な方向に対してシリコン(001)薄膜を圧縮または伸長し、発光効率を計算した結果によると、(001)方向すなわち膜の面に垂直な方向に圧縮した時、発光効率が上昇する事がわかった。体積が2%収縮する程度の圧縮が行われた時、圧力は1.5GPa程度で、発光効率は1割から3割程度上昇する。効率の上昇に幅があるのは膜厚(原子層数)によって変化の度合いが異なるためである。この効果は30原子層程度の、容易に作成できる膜厚のシリコン薄膜においても有効なので、シリコン(001)薄膜による発光素子の効率向上に利用する事が容易である。
It was found that the interface structure also has a large effect on the luminous efficiency, but when the silicon film is thinned during the thermal oxidation process, it is a structure that occurs naturally between the oxidized SiO 2 and the remaining silicon, Control is difficult unless the manufacturing method of the light emitting element is fundamentally changed.
According to the results of calculating the luminous efficiency by compressing or expanding the silicon (001) thin film in various directions, the luminous efficiency increases when compressed in the (001) direction, that is, the direction perpendicular to the film surface. all right. When compression is performed so that the volume shrinks by 2%, the pressure is about 1.5 GPa, and the luminous efficiency increases by about 10 to 30%. The reason for the increase in efficiency is that the degree of change differs depending on the film thickness (number of atomic layers). Since this effect is effective even in a silicon thin film having a film thickness of about 30 atomic layers that can be easily formed, it can be easily used for improving the efficiency of a light emitting element using a silicon (001) thin film.
本発明ではこの圧力効果を利用し、シリコン薄膜に圧力が印加されるような素子構造とする事によって発光効率を強化したシリコン発光素子を提供する。具体的には中空の層を挟んだシリコン層(膜)を複数並べ、それを熱酸化処理する。シリコンは酸化してSiO2になると体積が増加するため、酸化が進むとシリコン薄膜は薄くなるが、表面のSiO2層はそれ以上に厚くなり、中空だった空間は次第に狭くなる。最終的には両側のシリコン層から成長したSiO2層が中間点で接触し、更に厚く成長しようとするSiO2層が押し合う事によって圧力が発生する。圧力が所定の大きさになったところで熱酸化を終了する。SiO2層の膨張率はあらかじめわかっているので、最初に用意するシリコン層の厚さと間隔を適切に設計しておけば、熱酸化処理終了後のシリコン層の薄さと印加圧力を計画通り得ることができる。 The present invention provides a silicon light-emitting device that utilizes this pressure effect to enhance the light emission efficiency by adopting an element structure in which pressure is applied to the silicon thin film. Specifically, a plurality of silicon layers (films) sandwiching a hollow layer are arranged and thermally oxidized. When silicon is oxidized to SiO 2 , the volume increases. As the oxidation progresses, the silicon thin film becomes thinner, but the SiO 2 layer on the surface becomes thicker, and the hollow space gradually becomes narrower. Ultimately, the SiO 2 layers grown from the silicon layers on both sides come into contact with each other at the midpoint, and pressure is generated by the SiO 2 layers trying to grow thicker pressing each other. Thermal oxidation is terminated when the pressure reaches a predetermined level. Since the expansion rate of the SiO 2 layer is known in advance, if the thickness and spacing of the silicon layer to be prepared first are designed appropriately, the thinness of the silicon layer and the applied pressure after the thermal oxidation treatment can be obtained as planned. Can do.
なお、このような基本構造を持つ発光素子をシリコンレーザーの光源とする場合には、シリコン薄膜の配列の間隔を、発光波長λ(発光素子の媒質中での波長)の半分にすれば、レーザー発振を起こさせるのに都合が良い。最初に用意するシリコン層をこのλ/2の間隔で配置すれば良い。あとは最終的に得ようとするシリコン薄膜の薄さと圧力を考えて、初期配置のシリコン層の厚さを設定するだけである。 When a light emitting element having such a basic structure is used as a light source for a silicon laser, the laser can be obtained by setting the silicon thin film array interval to half the emission wavelength λ (wavelength in the medium of the light emitting element). Convenient for causing oscillation. The silicon layers prepared first may be arranged at this λ / 2 interval. After that, it is only necessary to set the thickness of the initially arranged silicon layer in consideration of the thinness and pressure of the silicon thin film to be finally obtained.
本発明によれば、シリコンなどの基板上に通常のシリコンプロセスを用いて容易に形成可能なシリコン発光素子の中でもより発光効率の良いものを安価に提供できる。また、同様にシリコンなどの基板上に通常のシリコンプロセスを用いて容易に形成可能なシリコンレーザーの中でも、より強力な発光源によって設計の自由度の増したものを安価に提供できる。 According to the present invention, a silicon light emitting element that can be easily formed on a substrate of silicon or the like using a normal silicon process can be provided at a lower cost. Similarly, among silicon lasers that can be easily formed on a substrate such as silicon by using a normal silicon process, a laser with increased design freedom can be provided at a low cost by a more powerful light source.
以下に図面を用いて実施例を詳細に説明する。 Embodiments will be described below in detail with reference to the drawings.
中空層を挟んだフィン状のシリコン薄膜列を作成し、それを用いて発光素子を作成する手順を、特許文献2の実施例1に記載された発光素子の製造方法に沿った形で示す。なお、本実施例では最終的にシリコン薄膜間がSiO2で満たされた構造になる点が、特許文献2とは異なる。
A procedure for preparing a fin-like silicon thin film array with a hollow layer sandwiched between them and manufacturing a light-emitting element using the thin-film array will be described in accordance with the method for manufacturing a light-emitting element described in Example 1 of
図7は、本発明による集積発光素子を形成する平面レイアウトを示したものである。図8から図13は、集積発光素子の形成工程を示す素子断面構造図である。それぞれの図中左側に、平面レイアウト(図7)のA−A‘断面、右側には平面レイアウト(図7)のB−B’断面を示した。 FIG. 7 shows a planar layout for forming an integrated light emitting device according to the present invention. 8 to 13 are device cross-sectional structure diagrams showing a process of forming an integrated light emitting device. The left side of each figure shows the A-A ′ section of the planar layout (FIG. 7), and the B-B ′ section of the planar layout (FIG. 7) on the right side.
シリコン支持基板(1100)上に厚さ1μmのシリコン酸化膜(1900)と、このシリコン酸化膜上に厚さ100nmの単結晶シリコン(1120)を持ったSOIウエハを熱酸化し、厚さ20nmの酸化膜(1910)を形成する(図8)。図7に示した活性領域パターン1150を用いてシリコンの薄膜状領域(フィン)およびコンタクト領域を形成する(図9)。基板面に対して垂直方向に形成された薄膜状の単結晶領域を以下フィンと呼ぶことにする。ここでフィン側面に露出したシリコン表面の熱酸化を、酸化膜(1920)がフィンの間の中空領域を満たし所定(1GPaから2GPa)の圧力がフィンの間にかかるまで行う。結果として得られるシリコン層の幅が、所定(1nmから5nm)の厚さになるよう、酸化前のフィンの厚さをあらかじめ設定しておく。また、露出するシリコン表面が(001)面となるようにSOIウエハの結晶方位をあらかじめ設定しておく(図10)。図7の1850孔パターンによりレジストマスク(1800)を形成し、イオン打ち込み法により砒素を加速エネルギー25keVで2×1015cm−3ドーピングすることでN型不純物拡散層(1200)を形成する(図11)。その後、図示はしないが、パターン1850を反転させたレジストマスクを形成し、イオン打ち込み法でボロンを5keVで2×1015cm−3打ち込むことで、P型不純物拡散層領域(1300)を形成する。これによりPN接合を持つダイオードを形成する。ここでは反転マスクを用いたが、P−N間の距離を調整することで、P−N間に真性領域を設ける等により、電界を所望のものに設定することができる。
An SOI wafer having a silicon oxide film (1900) having a thickness of 1 μm on a silicon support substrate (1100) and a single crystal silicon (1120) having a thickness of 100 nm on the silicon oxide film is thermally oxidized to obtain a film having a thickness of 20 nm. An oxide film (1910) is formed (FIG. 8). Using the
シリコン窒化膜をCVD法により300nm堆積し、図7の導波路パターン(1550)を用いて導波路1500を加工する。隙間を酸化膜で満たされたフィンが導波路1500により被覆される構成を得ることができる。ここでは、導波路という言葉を、単一波長等に限ることなく、広義の意味として光を伝える経路として用いる(図12)。酸化膜1910にコンタクト孔(図7、1650)を開口し、金属配線1600を形成する。(図7では省略)
これにより、PおよびN領域に配線することで、PN接合部に順方向バイアスを印加することができる。これにより、並列配置したフィン内の接合部で発光を得ることができる。複数のフィンを配置する場合、半波長間隔でフィンを配置することで、有効に発光を強めることができる。また、この構造を反射膜層で覆うことでレーザー発振させることができる。
A silicon nitride film is deposited to a thickness of 300 nm by CVD, and the
Thereby, a forward bias can be applied to the PN junction by wiring in the P and N regions. Thereby, light emission can be obtained at the joints in the fins arranged in parallel. When a plurality of fins are arranged, the light emission can be effectively enhanced by arranging the fins at half wavelength intervals. Moreover, laser oscillation can be achieved by covering this structure with a reflective film layer.
本実施例ではシリコン薄膜を基板面と平行方向に積層することで同様の圧力印加を行った発光素子を実現する方法を、特許文献2の実施例2の中の一例に沿った形で示す。なお、特許文献2の素子とは、最終的にシリコン薄膜間が酸化膜で満たされた構造となっている点が異なる。
In the present embodiment, a method for realizing a light emitting element to which a similar pressure application is performed by laminating a silicon thin film in a direction parallel to the substrate surface will be described in accordance with an example in
図14に、平面レイアウトを、図15は、図14のB−B’素子断面構造である。また、図14のA−A’断面で示した図16から図22を用いて、素子製造工程を説明する。 FIG. 14 shows a planar layout, and FIG. 15 shows a B-B ′ element cross-sectional structure of FIG. 14. The element manufacturing process will be described with reference to FIGS. 16 to 22 shown in the A-A ′ cross section of FIG. 14.
図16では、SOI基板1120上にMBE法を用いてシリコンゲルマニウム1121とシリコン1120の厚さおよそ3nmから10nmの薄膜を交互にエピ成長させる。シリコン薄膜の配置の周期が、発光波長λのちょうど半分になるようにしておくと、光を強めあう作用があるので好ましい。シリコンレーザーの光源として使う場合には正確にその周期で配置する事が重要である。また、そのλ/2の周期の中で、シリコン層の厚さとシリコンゲルマニウム層の厚さをどのように配分するかは、後にシリコンゲルマニウム層を取り去ってシリコン層を熱酸化し、酸化膜が中空部分を満たして圧力が生じるまで参加を行った時にちょうど所定のシリコン層の厚さ(1nmから5nm)が得られるように配分する。
In FIG. 16, thin films of
図17では、図14の活性領域パターン1165を用いて積層膜をエッチングし、エッチングされた積層膜(活性領域)1155を得る。
In FIG. 17, the laminated film is etched using the
図18では、図14のイオン打ち込みマスク1850およびその反転パターンを用いてPN接合を形成する。
In FIG. 18, a PN junction is formed using the
図19では、図14の薄膜化マスクパターン1165を用いて、シリコンゲルマニウム結晶層を選択的にエッチングすることで、PN接合を持ったシリコン薄膜の中空状薄膜構造を得る。
In FIG. 19, the silicon germanium crystal layer is selectively etched using the thin
図20では、フィン状のシリコン薄膜の熱酸化を、酸化膜(1920)がフィンの間の中空領域を満たし所定(1GPaから2GPa)の圧力がフィンの間にかかるまで行う。あらかじめ酸化後のシリコン層の厚さが、所定(1nmから5nm)の厚さになるようにフィン構造が作成されているので、発光に適した厚さのシリコン薄膜が得られる。シリコンの膜の表面の方向が(001)面となるようにSOIウエハの結晶方位をあらかじめ設定しておく。 In FIG. 20, the thermal oxidation of the fin-shaped silicon thin film is performed until the oxide film (1920) fills the hollow region between the fins and a predetermined pressure (1 GPa to 2 GPa) is applied between the fins. Since the fin structure is prepared in advance so that the thickness of the oxidized silicon layer is a predetermined thickness (1 nm to 5 nm), a silicon thin film having a thickness suitable for light emission can be obtained. The crystal orientation of the SOI wafer is set in advance so that the surface direction of the silicon film is the (001) plane.
図21では、シリコン窒化膜を堆積し、導波路パターン(図14、1550)を用いて加工する。このときシリコン薄膜によって形成された中空状領域には、シリコン窒化膜により埋められた構造が形成される。 In FIG. 21, a silicon nitride film is deposited and processed using a waveguide pattern (FIG. 14, 1550). At this time, a structure filled with a silicon nitride film is formed in the hollow region formed by the silicon thin film.
図22では、層間絶縁膜および金属配線を形成することで、縦方向に薄膜を集積した集積発光素子を得ることができる。 In FIG. 22, by forming the interlayer insulating film and the metal wiring, an integrated light emitting element in which thin films are integrated in the vertical direction can be obtained.
1150,1550,1650,1850,1165…マスクパターン、
1100,1120…単結晶シリコン、
1900,1910,1920…シリコン酸化膜、
1800…ホトレジスト、
1200,1300…不純物拡散層、
1500…導波路、
1600…金属層、
1121…シリコンゲルマニウム結晶、
1155…活性領域。
1150,1550,1650,1850,1165 ... mask pattern,
1100,1120 ... single crystal silicon,
1900,1910,1920 ... silicon oxide film,
1800 ... photoresist,
1200,1300 ... impurity diffusion layer,
1500 ... waveguide,
1600 ... metal layer,
1121… Silicon germanium crystal,
1155 ... Active region.
Claims (11)
前記絶縁層上に設けられた発光部と、
前記発光部の表面上に設けられ、前記発光部と電気的にそれぞれ接続された電子を注入するための第1の電極と、正孔を注入するための第2の電極と、を有し、
前記発光部は、前記電子および前記正孔の注入により光を発する程度の膜厚を有する2枚以上の薄膜の主面が互いに対向するように並行に配置された構造からなり、
前記薄膜はシリコン結晶から構成され、前記薄膜の主表面の面方位が(001)面もしくはこれと等価な面方位であり、
互いに対向するように並行に配置された前記薄膜の間がシリコン酸化膜に満たされた構造を有することを特徴とするシリコン発光素子。 An insulating layer provided on a semiconductor substrate;
A light emitting portion provided on the insulating layer;
A first electrode for injecting electrons provided on a surface of the light-emitting portion and electrically connected to the light-emitting portion, and a second electrode for injecting holes;
The light emitting portion has a structure in which main surfaces of two or more thin films having a film thickness that emits light by injecting the electrons and holes are arranged in parallel so as to face each other,
The thin film is made of silicon crystal, and the plane orientation of the main surface of the thin film is a (001) plane or a plane orientation equivalent thereto,
A silicon light emitting device characterized by having a structure in which a space between the thin films arranged in parallel so as to face each other is filled with a silicon oxide film.
前記所定の間隔が、該薄膜中で発光する光の該薄膜内での波長の半分であることを特徴とする請求項1記載のシリコン発光素子。 A plurality of the thin films are periodically arranged at predetermined intervals so as to face each other,
2. The silicon light emitting device according to claim 1, wherein the predetermined interval is half of the wavelength of light emitted in the thin film within the thin film.
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