JP2013012547A - シリコン及びゲルマニウム発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電極と発光領域の間にキャリアにとって狭い通路、すなわち1次元的または2次元的量子閉じ込め領域を作成する。量子閉じ込めにより、その部分ではバンドギャップが開くため、電子にとっても正孔にとってもエネルギー障壁となり、通常のIII−V族半導体レーザーのダブルへテロ構造と同様の効果が得られる。素子の形状を制御するだけで、通常のシリコンプロセスで使用する元素以外は使わないため、安価に製造することができる。
【選択図】図10
Description
これに対して、化合物半導体の多くは、伝導帯最低エネルギー点も価電子帯最高エネルギー点もΓ点にあるため直接遷移型の半導体と呼ばれる。
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。
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。
そのためにはIII−V族半導体を使ったレーザーのダブルへテロ構造と同様、電子と正孔を発光領域内に閉じ込めるための構造を作成する必要がある。そのような構造により発光効率が高まれば、レーザーの設計上の余裕が増え、設計の自由度が増して好ましい。またそのような構造はレーザーではない発光素子として利用する場合でも、発光効率を高めるのに有用である。しかし、従来型の半導体レーザーではエピタキシャル成長の技術により、基板に平行な面方向には一様に、基板に垂直な方向にはnmサイズで厚さを制御して、適切なサイズのバリア領域を作成する事ができたが、特許文献1や特許文献2のような薄膜に沿って横から電流を注入する素子では、基板に対して上下に積み上げる方向の微細構造制御だけでは不十分で、面に平行な方向にもnmサイズのパターンを描かなければならないので、従来の方法ではバリア領域を作成できない。この薄膜素子は非常に薄い超微細構造なので、それを壊すことなく更にバリア領域という微細構造を追加するためには、不必要な酸化の防止、微細構造が壊れないための温度管理、不純物の排除などに注意する必要があり、適用できる手法は限られている。そのため、バリア構造そのものを見直して従来とは異なる、実現可能な方法でキャリア(電子及び正孔)の閉じ込めを実現する必要がある。
本発明は、特許文献1及び特許文献2の発光素子の構造に適用可能な、ダブルへテロ構造に相当するキャリア閉じ込めのための素子構造、およびその製造方法を提供する。
電子や正孔は狭い空間に閉じ込められた時、量子閉じ込め効果によってエネルギーが上昇する。特許文献1及び特許文献2に記載の発光素子の発光領域は薄膜の形状をしているため、それだけで既にキャリアは2次元的量子閉じ込め領域の中にある。膜の表面に垂直な方向をz方向とすると、薄膜内のキャリアはz方向の井戸型ポテンシャルに閉じ込められていて、そのエネルギーはバルクの時と比べて上昇し、(式14)で表される。 nは0以上の整数だが、n=0の最低のエネルギー状態でもエネルギー上昇量はゼロではなく、薄膜の厚さtが薄ければ薄いほど上昇することがわかる。この量子閉じ込めにより、電子が注入される伝導帯下端のエネルギーは上昇し、正孔が注入される価電子帯上端のエネルギーは下降する。正孔とは電子が詰まっていない状態のことで、正孔の運動を論じる際には電子のエネルギーで表した式を正負逆転させて論じれば良いため、正孔の量子閉じ込めによるエネルギー上昇は価電子帯上端の下降となって現れる。こうして、2次元への量子閉じ込めの結果として、バルクの場合と比べると薄膜は既にバンドギャップが開いた状態になっている。ちなみにこのことを利用して、膜厚を制御することで発光波長を調整する事も可能である。
このような薄膜構造の両側、電極への接続部に更にバンドギャップが広い構造を作成する方法としては、キャリアが流れる通路を狭くして1次元的な量子閉じ込め領域を作成するという方法がある。薄膜がxy平面に平行にあり、正極と負極がx軸方向にある(電流がx軸に沿って流れる)とした時、y方向の幅を十分に狭くする事により、その狭い部分は1次元的に量子閉じ込めをされた領域となる。新たなy方向への量子閉じ込めにより、y方向の幅に応じてバンドギャップが更に開くので、その1次元量子閉じ込め領域がバンドギャップ拡張領域となり、バリア領域として機能する。
特許文献1及び特許文献2の発光素子において発光領域の薄膜を作成する際には、半導体が酸化される領域をエッチング等で限定した後、酸化の量を十分に制御しながら酸化を行うことにより、半導体部分が最終的に目的の薄膜の形に残るようにしていた。同様の手法を用いて、酸化を行うことにより、1次元的量子閉じ込め領域を作成することができる。薄膜の薄さを所定の薄さにするための酸化工程と、1次元閉じ込め領域の幅を所定の細さにするための酸化工程は同一の工程であっても良いし、それぞれ別の工程であっても良い。薄膜の作成と全く同じ技術を使用するため技術的な精度は高く、微細な構造の作成が可能で、温度、不純物などの点で新たな問題が発生しない。
バリア領域として1次元閉じ込め領域を作成するため、その領域では薄膜領域と比べて電流が流れる断面積が小さくなる。そのため、素子全体としての電気抵抗は大きくなる。少しでもその短所を減らすためには、バリア領域の長さをできるだけ短くした方が良い。x軸方向に電流が流れるとしたら、バリア領域のx方向の幅をできるだけ小さくする事が、電気抵抗の上昇を出来るだけ小さく済ませることにつながる。つまり、長い1次元量子細線で電極と接続するような構造は好ましくなく、1次元領域は短いほど良い。そのためには例えば、薄膜に円形の穴をy方向に並べて開け、隣り合う2つの穴の隙間が1次元閉じ込め領域となるようにする。このようにすると、最も幅の狭い1次元閉じ込め領域は隣り合う円の中心同士を結んだ直線上だけとなり、1つの穴の幅よりも小さい。
また、発光領域が5nm以上の厚みのある膜またはバルクゲルマニウムである場合、1次元閉じ込め領域ではなく2次元閉じ込め領域、すなわち5nm以下の薄膜をバリア領域とすることでも同様の効果が期待できる。
なお、ここではシリコン薄膜素子を例としたが、同様の方法によりゲルマニウム薄膜で同様の発光素子を作成する事も可能である。
その後、図15に示すように、シリコンナイトライドの上に50nm積もる程度にシリコン酸化膜を積層させる。これにより、シリコンフィン11同士の間の隙間が全てシリコン酸化膜に満たされるようにする。
11…単結晶シリコン、
12…p型ドープシリコン、
13…n型ドープシリコン、
20,21…シリコン酸化膜、
22…穴41を更に拡大した穴、
30…シリコンナイトライド、
31…シリコンナイトライドによる導波路、
41…シリコン酸化膜及びシリコン薄膜に開けた穴、
51…アルミニウム電極、
62…単結晶ゲルマニウム、
61…シリコンゲルマニウム。
Claims (12)
- 絶縁層を介して半導体基板上にそれぞれ設けら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、
前記第1及び第2の電極と電気的に接続され前記絶縁層上に配置された薄膜で構成された発光部とを有し、
前記薄膜は、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶から構成され、前記半導体基板に平行な平面構造か、または垂直方向に形成されたフィン構造であって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し、前記第1および第2の電極のそれぞれの近傍において設けられた、電子および正孔に対する量子閉じ込め機構によるバンドギャップ拡張領域を有することを特徴とする発光素子。 - 半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上にそれぞれ設けら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、
前記第1及び第2の電極と電気的に接続され前記絶縁層上に前記半導体基板表面に対して平行に延在する薄膜で構成された発光部とを有し、
前記薄膜は、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶から構成され、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し、
前記薄膜は、前記第1および第2の電極のそれぞれの近傍において長手方向に所定の間隔で配設された穴部を具備してなることを特徴とする発光素子。 - 前記穴部における隣接する穴同士の隙間が、10nm以下であることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 前記穴部において、各穴が一直線上に配列されていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 前記穴部において、隣接する穴同士が所定の間隔を保持しながら、各穴はジグザグ形状に配列されていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 前記穴部において、隣接する穴同士が所定の間隔を保持しながら、各穴はつづら折れ状に配列されていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 前記発光部上に、該発光部から出射される光を導波する導波路が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上にそれぞれ設けら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、
前記第1及び第2の電極と電気的に接続された発光部とを有し、
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具備したフィン形状を有する薄膜が複数並行に配置された構造からなり、
該薄膜は、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶から構成され、前記第1および第2の電極のそれぞれの近傍において前記半導体基板に垂直な方向に前記電子および前記正孔の経路を狭めたくびれ構造を有することを特徴とする発光素子。 - 前記穴部における隣接する穴同士の隙間が、10nm以下であることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
- 前記発光部上に、該発光部から出射される光を導波する導波路が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
- 半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上にそれぞれ設けら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、
前記第1及び第2の電極と電気的に接続された発光部とを有し、
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具備したフィン形状を有する薄膜が複数並行に配置された構造からなり、
該薄膜は、ゲルマニウム結晶から構成され、前記第1および第2の電極のそれぞれの近傍において前記半導体基板に水平な方向に前記電子および前記正孔の経路を狭めた狭窄領域を有することを特徴とする発光素子。 - 前記穴部における隣接する穴同士の隙間が、10nm以下であることを特徴とする請求項11に記載の発光素子。
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