JP2011199145A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン等の半導体を用いた半導体発光素子を実現できるようにする。
【解決手段】半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体基板１１と、該ｎ型半導体基板１１の上に形成され、不純物が意図的にドープされていないｉ型半導体層１２と、該ｉ型半導体層１２の上に形成された金属周期構造を有する金属膜１３とを備えている。ｎ型半導体基板１１から金属膜１３にｉ型半導体層１２を通して電子を注入することにより、金属膜１３に励起された表面プラズモンが発光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に表面プラズモンを用いた半導体発光素子に関する。

シリコン集積回路の高密度化が進み、金属配線における電気信号の伝達遅延が集積回路のさらなる高速化を妨げる要因となってきている。このため、特に長距離配線における信号伝達方法の根本的な解決が求められている。この問題の解決手段の１つとして、信号伝達に光を用いる光インターコネクションが半導体ロードマップ上でも提案されている。

シリコンチップ内での光インターコネクションにおいて、必要とされる素子の１つは、１０Ｇｂｐｓ以上の直接変調が可能な光源である。しかし、バルクシリコンは間接遷移半導体であるため、発光ダイオード素子又は半導体レーザ素子のような化合物半導体を用いた発光素子を形成することは不可能である。そこで、シリコン上発光素子を実現するために、シリコンからなる半導体基板に化合物半導体薄膜を転写する技術、シリコン上に化合物半導体を結晶成長させて発光素子を作製する技術、及びシリコンをナノサイズに微細加工することによって直接遷移半導体に変化させる技術等が検討されていることが、非特許文献１に報告されている。

日経マイクロデバイス 第288巻、2009年6月号、"光がＬＳＩをつなぐ" Nano Letters 7, p.3612 (2007)（第３図）

しかしながら、上述した各技術には、以下のような種々の問題がある。

まず、シリコンからなる半導体基板に化合物半導体薄膜を転写する技術は、シリコン基板とヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はリン化インジウム（ＩｎＰ）等からなる化合物基板とをウェハ単位で貼り合せる必要がある。従って、発光素子はシリコン基板上に形成しないことから、シリコンからなる電子回路を形成するには、化合物基板上に結晶成長させた化合物半導体薄膜を利用することができず、製造コストが高くなってしまう。また、シリコン基板上に転写した化合物半導体薄膜は、汚染物質（コンタミネーション）となるおそれがある。さらには、化合物半導体プロセスはシリコンとは異なるため、通常のシリコンデバイス製造工程を利用することができず、製造コストをさらに増大させる。

次に、シリコン上に化合物半導体を結晶成長させて発光素子を作製する技術は、化合物半導体中に形成される多数の結晶欠陥が問題となる。シリコンと化合物半導体とは結晶の格子定数が異なるため、原理的に多数の貫通転移等の結晶欠陥が発生する。結晶欠陥は非発光再結合中心として機能するため、シリコン上に結晶成長した化合物半導体を用いた発光素子の発光効率は低く寿命も短いため、実用化されていない。また、前述のように、化合物半導体を用いた場合は、その製造プロセスがシリコンデバイス製造工程と整合が取れない。

次に、シリコンをポーラスシリコン又は量子井戸構造等のように、微細加工することによって直接遷移半導体に変化させる技術においても、加工表面に形成される結晶欠陥が問題となる。その結果、微細加工シリコンによる発光素子の発光効率は低く、素子としての寿命も短いと考えられる。

本発明は、前記の問題を解決し、シリコン等の半導体を用いた半導体発光素子を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光素子を、例えば金属のナノ粒子に半導体層から電子を注入することによりプラズモン（表面プラズモン）発光を生じさせる構成とする。

すなわち、本発明は、半導体中のバンドギャップ間の電子遷移による発光ではなく、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）のような金属中の電子の集団励起状態であるプラズマ振動を発光に用いる。これにより、化合物半導体のように、シリコンデバイス製造工程と整合しにくい材料ではなく、整合しやすい金属材料を用いることにより、半導体発光素子を実現することができる。

本願明細書においては、プラズマ振動を量子論的な擬粒子と捉えてプラズモンと呼ぶこととする。プラズモンには、金属中の３次元プラズマ振動であるバルクプラズモン、金属表面（金属／空気界面）又は金属／誘電体界面に発生するプラズマ振動である表面プラズモン、及び金属微粒子中でのプラズマ振動である微粒子プラズモン等がある。本発明においては、振動数、すなわち発光波長を微細な金属周期構造（１次元又は２次元の回折格子）の周期によって制御可能な表面プラズモンを用いる。

金属周期構造による表面プラズモンが光によって励起されることを利用する波長フィルタは広く知られている。一方、本発明においては、図５（ａ）及び図５（ｂ）に記載されているように、表面プラズモンを電子によって励起し、励起した表面プラズモンが光を放射する現象を利用して、シリコン上発光素子を実現する（例えば、非特許文献２を参照。）。但し、本発明においては、図５（ａ）のような電子線ではなく、半導体中の電子を用いる。このため、本発明に係る発光素子は高真空を必要とせず、固体上において表面プラズモンの発光を実現することができるので、光インターコネクションの光源として利用することができる。

ところで、表面プラズモンを励起するには、表面プラズモンの量子エネルギーが必要である。表面プラズモンの量子エネルギーはエネルギー保存則から、放出する光（フォトン）の量子エネルギーと等しい。従って、例えばシリコン中において透明な、波長が１μｍの光を放出する表面プラズモンの量子エネルギーは約１．２ｅＶである。すなわち、この表面プラズモンを励起するには、伝導帯の底から０．８ｅＶだけ高いエネルギー状態で移動する電子が必要である。

本発明においては、このような電子としてバリスティック（弾道的）電子を用いる。バリスティック電子は不純物散乱等によるエネルギーの損失がないため、バリスティック電子の発生に用いたエネルギーを表面プラズモンの励起に高効率に利用することができる。バリスティック電子は、ドーパントが導入（ドープ）されない半導体層に対してその厚さ方向に電界を印加することにより発生が可能である。

具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされた第１の半導体層と、第１の半導体層の上に形成され、不純物が意図的にドープされていない第２の半導体層と、第２の半導体層の上に形成された金属微細構造とを備え、第１の半導体層から金属微細構造に第２の半導体層を通して電子を注入する。

ここで、不純物のドープとは、半導体層に意図的に不純物を添加することを意味する。また、不純物とは、半導体層の導電型（ｎ型化又はｐ型化）に寄与する不純物と、導電型に寄与しない不純物の双方を含む。

また、金属微細構造と接する第２の半導体層には、不純物を意図的に添加しないことにより、添加した不純物がイオン化した場合のクーロン散乱及び不純物の添加による結晶周期の乱れによる散乱を防止し、散乱による電子のエネルギーの損失が防止される。

本発明の半導体発光素子において、第１の半導体層が金属微細構造に対して電位が正となるように、第１の半導体層にバイアスを印加して金属微細構造に電子が注入されることにより、金属微細構造が発光することが好ましい。

また、本発明の半導体発光素子は、第１の半導体層に形成された第１の電極と、金属微細構造に形成された第２の電極とをさらに備え、第２の電極は、第１の電極に対して正バイアスが印加されることにより、金属微細構造が発光することが好ましい。

このようにバイアスを印加することにより、第１の半導体層から第２の半導体層を通してバリスティック電子を金属微細構造へ注入することにより、金属微細構造を発光させることができる。

本発明の半導体発光素子において、第２の半導体層の膜厚は５０ｎｍ以下であってもよい。

このようにすると、室温における電子散乱距離は、シリコン（Ｓｉ）において約５０ｎｍであり、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ又はＧａＮ等の化合物半導体は電子の移動度がＳｉよりも高いため、電子散乱距離はサブμｍレベルといわれている。このため、第２の半導体層の膜厚が５０ｎｍ以下であれば、電子を第１の半導体層から第２の半導体層を通して、バリスティック電子として金属微細構造に注入することができる。すなわち、この構成により発生したバリスティック電子によって、金属微細構造における表面プラズモンを励起し、励起された表面プラズモンの光放射を利用することによって発光素子が実現される。

本発明の半導体発光素子において、第１の半導体層におけるｎ型不純物のドーピング濃度は、１０^１６ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子において、金属微細構造は、周期構造を有していることが好ましい。

このようにすると、金属微細構造からの発光波長を制御することができる。

本発明の半導体発光素子において、金属微細構造は、注入された電子によって表面プラズモン発光を生じることが好ましい。

本発明の半導体発光素子において、金属微細構造は、電気的に連続となるように形成されていることが好ましい。

本発明の半導体発光素子において、金属微細構造に注入される電子は、バリスティック電子であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子において、第１の半導体層及び第２の半導体層は、シリコンからなることが好ましい。

このようにすると、シリコン上の発光素子を実現することができる。

本発明の半導体発光素子において、金属微細構造は、金又はアルミニウムからなっていてもよい。

このようにすると、金属微細構造に表面プラズモンを生成することができる。

本発明に係る半導体発光素子によると、半導体製造工程、例えばシリコン製造工程と整合した材料によって半導体発光素子を実現することができる。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光素子及びその動作を模式的に示し、図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）はバイアス電圧の印加前と印加後のバンドダイアグラムを示し、図１（ｃ）は表面プラズモンが励起される様子を示す断面図であり、図１（ｄ）は表面プラズモンが発光する様子を示す断面図である。 図２（ａ）〜図２（ｆ）は本発明の一実施形態に係る半導体発光素子に用いる金属膜の金属周期構造を示す平面図、並びにＩ−Ｉ線及びII−II線における断面図である。 図３は本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子を示す模式的な断面図である。 図４は本発明の一実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子を示す模式的な断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は従来の表面プラズモンを用いた波長フィルタを示し、図５（ａ）は動作の原理を示す断面図であり、図５（ｂ）は発光の様子を示すカソードルミネッセンス（ＣＬ）像と、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とである。

（一実施形態）
本発明の一実施形態について図１（ａ）〜図１（ｄ）を参照しながら説明する。

図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、ｎ型不純物である、例えばリン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）が積極的（意図的）にドープされたｎ^＋型シリコン（Ｓｉ）からなり、抵抗率が０．００５Ωｃｍのｎ型半導体基板１１と、該ｎ型半導体基板１１の上にアンドープのＳｉがエピタキシャル成長した、厚さが１０ｎｍのｉ型Ｓｉからなるｉ型半導体層１２と、該ｉ型半導体層１２の上に、スパッタ法又は真空蒸着法により形成された、例えば金（Ａｕ）からなり膜厚が１００ｎｍの金属膜１３と、ｎ型半導体基板１１におけるｉ型半導体層１２と反対側の面（裏面）上に形成された、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック電極１４とから構成されている。

ここで、ｎ型半導体基板１１におけるｎ型不純物のドーピング濃度は、１０^１６ｃｍ^−３以上である。

金属膜１３には、径が１００ｎｍの複数の貫通孔１３ａが周期１８０ｎｍで２次元正方格子状に配列されてなる金属周期構造を有している。金属膜１３は、金（Ａｕ）に限られず、例えばアルミニウム（Ａｌ）又は銀（Ａｇ）等を用いることができる。

金属膜１３とオーミック電極１４との間には、金属膜１３が正のバイアス電圧を印加できるように直流電源１５が接続されている。

次に、本実施形態に係る半導体発光素子の動作について説明する。

図１（ｂ）は、無バイアス時と正バイアス時とにおける電子のバンド構造のダイアグラムを示している。金属膜１３とｉ型Ｓｉからなるｉ型半導体層１２とはショットキー接合を形成しており、金属膜１３のｉ型半導体層１２に対するショットキーバリアφｂの高さは０．５ｅＶである。

ここで、オーミック電極１４に正バイアスを印加すると、高抵抗のｉ型半導体層１２に対して主に電界が印加され、０．５Ｖのバイアス値でフラットバンドとなって、電流が急激に増大する。このとき、ｉ型半導体層１２を通過する電子は、不純物等による散乱を受けることなく、バリスティック電子として伝導帯Ｅｃ中を通過する。このため、以下の式（１）に示すように、金属膜１３には、伝導帯Ｅｃの底からＥだけ高いエネルギーを持った電子として到達する。

Ｅ ＝ Ｖ ＋ φｂ ［ｅＶ］ ………（１）
ここで、Ｖはバイアス電圧である。また、バイアス電圧Ｖにより生じるバリスティック電子は散乱を受けないため、そのエネルギーはＥを中心としたデルタ関数的な分布となる。

また、金属と誘電体との界面、すなわち金属膜１３とｉ型半導体層１２との界面における表面プラズモンの波長λは、以下の式（２）で表せることが一般に知られている。

λ ＝ λ_０｛（ε_ｍ + ε_ｄ／ε_ｍε_ｄ｝^１／２ ………（２）
ここで、λ_０は同じ振動数の光の真空中の波長、すなわち発光素子が空気中に放射する光の波長（発光波長）である。ε_ｍとε_ｄとは、それぞれ金属と誘電体との誘電率である。λ_０＝１３４０ｎｍの場合は、ε_ｍとε_ｄとは、ＡｕとＳｉとであるため、それぞれ−８６．０８−８．３２ｉ（ここで、ｉ^２＝−１）と、１２．２７とである。但し、波長λを計算する際には、ε_ｍの虚部を無視できるため、ここでは、λ＝３５４ｎｍとなる。

従って、本実施形態に係る金属膜１３の金属周期構造における周期は、表面プラズモンの波長のほぼ２分の１であり、また、貫通孔１３ａに挟まれた金属膜１３が形成された領域の幅は表面プラズモンの波長のほぼ４分の１である。この場合、貫通孔１３ａに挟まれた金属膜１３の貫通孔１３ａとの界面で反射される表面プラズモンは位相が揃う。すなわち、本実施形態に係る金属周期構造は、発光波長λ_０＝１３４０ｎｍの振動数に相当する表面プラズモンに対して、１次の回折次数の２次元回折格子として機能して定在波を発生させる。

このような定在波が発生する周期構造において、フォトニック結晶で知られているように、波数−周波数特性においてバンドギャップが形成され、形成されたバンドギャップ端の周波数の近傍において、表面プラズモンの状態密度が増大する。

エネルギーＥを持つ電子による、周波数νの表面プラズモンの励起効率は、フェルミ（Fermi）の黄金律から、以下に示す式（３）の値に比例する。

δ（ｈν−Ｅ ）×電子分布密度（Ｅ）×表面プラズモンの状態密度（ｈν）
×表面プラズモンの電界強度（ａ） ………（３）
ここで、δはデルタ関数であり、ｈはプランク定数である。電子分布密度（Ｅ）はエネルギーＥを持つ電子の分布密度であり、表面プラズモンの状態密度（ｈν）は周波数νを持つ表面プラズモンの状態密度である。表面プラズモンの電界強度（ａ）は、Ａｕ／Ｓｉ界面からの距離ａにおける電界強度である。

上述したように、電子分布密度は、電子がバリスティック電子であるため、デルタ関数として近似できる。従って、表面プラズモンの状態関数と電界強度とにほぼ比例して、表面プラズモンが励起される。表面プラズモンは、金属と誘電体との界面に強く局在し、電界強度は金属と誘電体との界面において最大となる。

すなわち、本実施形態に係る金属周期構造においては、λ_０＝１３４０ｎｍの周波数に相当する量子エネルギー（ｈν）は０．９ｅＶである。このため、式（１）から、Ｅ ＝ Ｖ ＋ φｂ＝０．９ｅＶとなるバイアス電圧Ｖ＝０．４ｅＶの場合に、金属膜１３に注入される電子によって、量子エネルギーが０．９ｅＶの表面プラズモンが選択的且つ効率的に励起される。これを模式的に示したのが、図１（ｃ）である。このとき、λ_０＝１３４０ｎｍの周波数に相当する表面プラズモンの電界分布は数１００ｎｍまで延びているため、金属膜１３に電子が到達するよりも前に、電子が表面プラズモンと相互作用して表面プラズモンを励起する場合もある。

励起された表面プラズモンは、図１（ｄ）に示すように、λ_０＝１３４０ｎｍの光を放射する。表面プラズモンが光を放出するまでの寿命は、λ_０＝１３４０ｎｍに相当する周波数領域では数ｐｓ（ピコ秒）であるため、高速に変調することができる。変調方法としてはバイアス電圧を変化させるだけでよい。

このように、本実施形態に係る半導体発光素子は、シリコン製造工程と整合する金属膜を発光材料として用いることにより、シリコン上発光素子を実現することができる。

なお、図２（ａ）に示すように、本実施形態においては、金属膜１３に設ける金属周期構造として、金属膜１３に複数の貫通孔１３ａが２次元正方格子状に配置されたものを用いている。

しかしながら、図２（ｂ）に示すように、貫通孔１３ａの平面形状が三角形状又は四角形状（図示せず）であってもよい。また、図２（ｃ）に示すように、貫通孔１３ａの配置を２次元三角格子状としてもよい。

また、金属周期構造は、図２（ｄ）に示すように、金属膜１３に非貫通の複数の穴部１３ｂが形成されることによる凹凸状であってもよい。

さらには、金属周期構造は、図２（ｅ）に示すように、複数のドット状の構造体１３ｃが互いに接続された構造であってもよい。また、図２（f）に示すように、ドット状の構造体１３ｃは、金属膜１３に周期的に設ける構造に限られず、不規則に配置される構造であってもよい。

（一実施形態の第１変形例）
図３に一実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子の断面構成を示す。

図３に示すように、第１変形例においては、バリスティック電子を注入する半導体として、低抵抗のｎ^＋型Ｓｉからなるｎ型半導体基板１１に代えて、ｉ型Ｓｉからなるｉ型半導体基板１６の上にエピタキシャル成長した、厚さが１μｍのｎ型Ｓｉからなるｎ型半導体層２１を用いている。

このような構成であっても、本願発明の原理に基づいた半導体発光素子を実現することができる。これは、バリスティック電子を注入するｎ型半導体は、基板であっても半導体層であっても、その導電型がｎ型であれば、電子の注入源として機能するからである。

なお、Ａｌからなるオーミック電極１４は、ｎ型半導体層２１におけるｉ型半導体層１２の側方に露出した上面に形成されている。また、ｎ型半導体層２１のｎ型不純物の濃度は、１０^１６ｃｍ^−３以上であれば、ｎ型を実現することができる。

（一実施形態の第２変形例）
図４に一実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子の断面構成を示す。

第２変形例においては、バリスティック電子を注入する半導体として、シリコンに代えて、化合物半導体を用いている。

図４に示すように、第２変形例においては、積層された半導体層として、主面の面方位が（０００１）面であるサファイアからなる基板１７の上にエピタキシャル成長した、厚さが２μｍのｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型化合物半導体層２２と、該ｎ型化合物半導体層２２の上にエピタキシャル成長した、厚さが５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＮからなるｉ型化合物半導体層２３とを用いる。ここでも、ｉ型ＩｎＧａＮからなるｉ型化合物半導体層２３には、不純物は意図的にはドープされていない。

第２変形例においては、バリスティック電子を注入する半導体層がｎ型化合物半導体層２２であり、バリスティック電子が通過する半導体層がｉ型化合物半導体層２３である。このような構成であっても、本発明の原理に基づいた半導体発光素子を実現することができる。

ここでも、オーミック電極２４は、チタンとアルミニウムとの積層体からなり、第１変形例と同様に、ｎ型化合物半導体層２２におけるｉ型化合物半導体層２３の側方に露出した上面に形成されている。

また、第１変形例及び第２変形例においても、図２（ｂ）から図２（ｆ）の構造を持つ金属膜１３を用いることができる。

本発明に係る半導体発光素子は、シリコン等の半導体を用いた半導体発光素子（シリコン上発光素子等）を実現でき、特に表面プラズモンを用いた半導体発光素子等に有用である。

１１ ｎ型半導体基板（第１の半導体層）
１２ ｉ型半導体層（第２の半導体層）
１３ 金属膜
１３ａ 貫通孔
１３ｂ 孔部
１３ｃ ドット状の構造体
１４ オーミック電極
１５ 直流電源
１６ ｉ型半導体基板
１７ 基板
２１ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
２２ ｎ型化合物半導体層（第１の半導体層）
２３ ｉ型化合物半導体層（第２の半導体層）

Claims (11)

1. ｎ型不純物がドープされた第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上に形成され、不純物が意図的にドープされていない第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上に形成された金属微細構造とを備え、
   前記第１の半導体層から前記金属微細構造に前記第２の半導体層を通して電子を注入することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の半導体層が前記金属微細構造に対して電位が正となるように、前記第１の半導体層にバイアスを印加して前記金属微細構造に電子が注入されることにより、前記金属微細構造が発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１の半導体層に形成された第１の電極と、
   前記金属微細構造に形成された第２の電極とをさらに備え、
   前記第２の電極は、前記第１の電極に対して正バイアスが印加されることにより、前記金属微細構造が発光することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２の半導体層の膜厚は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の半導体層におけるｎ型不純物のドーピング濃度は、１０^１６ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記金属微細構造は、周期構造を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記金属微細構造は、注入された電子によって表面プラズモン発光を生じることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記金属微細構造は、電気的に連続となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記金属微細構造に注入される電子は、バリスティック電子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記第１の半導体層及び第２の半導体層は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
11. 前記金属微細構造は、金又はアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。