JP2014072498A - 半導体発光・受光素子の製造方法及び半導体発光・受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】間接遷移型の半導体であるシリコン基板に高出力・高効率の発光・受光素子を形成することができる。
【解決手段】ｎ型又はｐ型の半導体基板１０に不純物の拡散層２０を形成することで発光部又は受光部となるｐｎ接合部１０ｐｎを形成する半導体発光・受光素子の製造方法であって、不純物の拡散層２０を形成するために、半導体基板１０に不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光・受光素子の製造方法及び半導体発光・受光素子に関するものである。

シリコン（Ｓｉ）基板上に発光素子を形成する半導体発光素子の製造方法としては、単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成し、電解ドープ法などによってＥｒイオンを多孔質シリコン層に高濃度ドープした後、アニールを行って、表面部にドープされたＥｒを封じ込める溶融層を形成すると同時に、Ｅｒを活性化した発光層を形成することなどが知られている（下記特許文献１参照）。

特開平７−２５４７２９号公報

従来から、材料調達の容易さや誘電体として安定した熱酸化膜を形成できることなどの利点を生かして、電子回路の半導体集積化素子にはシリコンが用いられている。シリコンは間接遷移型の半導体であるため高効率な発光が得られないとされているが、シリコン基板上に高い発光・受光効率の発光素子や受光素子が形成できれば、電子素子と発光・受光素子の一体化が可能になり、光通信，表示・照明，露光技術，センサー技術などの各種分野で大きな技術革新が期待できる。

シリコン単結晶は、多孔質構造をとることで常温での発光が確認されており、前述した従来技術のように、単結晶シリコン基板に形成された多孔質層にＥｒなどの希土類元素をドープすることで、シリコン基板への発光素子の形成が可能になる。しかしながら、前述した従来技術によると、多孔質シリコン層の形成には煩雑な陽極化成反応の処理が必要になると共に、陽極化成反応の反応時間や反応条件によって様々な多孔質構造が形成され、それによって発光波長が変化するため、所望の発光波長を得ることが難しいという問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、間接遷移型の半導体であるシリコン基板に高出力・高効率の発光・受光素子を形成することができること、多孔質構造の形成を省き製造工程の容易化や製造コストの削減を可能にすること、発光波長や受光波長の設定を簡易に行うことができること、などが本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による半導体発光・受光素子の製造方法及び半導体発光・受光素子は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

ｎ型又はｐ型の半導体基板に不純物の拡散層を形成することで発光部又は受光部となるｐｎ接合部を形成する半導体発光・受光素子の製造方法であって、前記不純物の拡散層を形成するために、前記半導体基板に不純物濃度の空間分布パターンを形成することを特徴とする。

ｎ型又はｐ型の半導体基板に不純物の拡散層を形成することで発光部又は受光部となるｐｎ接合部を形成する半導体発光・受光素子であって、前記不純物の拡散層は、前記半導体基板に形成された不純物濃度の空間分布パターンをアニール処理することによって形成されることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明は、間接遷移型の半導体であるシリコン基板に高出力・高効率の発光・受光素子を形成することができる。シリコン基板などに発光・受光素子を形成するに際して、多孔質構造の形成を省き製造工程の容易化や製造コストの削減が可能になる。また、シリコン基板などに発光・受光素子を形成するに際して、発光波長や受光波長の設定を簡易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る半導体発光・受光素子の製造工程及び形態例を示した説明図である。 ２次元的な分散パターンの一例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体発光・受光素子の製造方法における工程例を説明する。 本発明の実施形態に係る半導体発光・受光素子の製造方法における工程例を説明する。 本発明の実施形態に係る半導体発光・受光素子の製造方法における工程例を説明する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る半導体発光・受光素子の製造工程及び形態例を示した説明図である。本発明の実施形態に係る半導体発光・受光素子１（図１（ｃ）参照）は、図１（ｂ）に示すように、ｎ型又はｐ型の半導体基板１０に不純物の拡散層２０を形成するに先だって、図１（ａ）に示すように、半導体基板１０内に不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成する。不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐとは、不純物濃度が半導体基板１０の内部で２次元的又は３次元的に不均一な分布を形成した状態を示している。

空間分布パターン２０Ｐは、一例としては、周期的な分散パターンにすることができる。周期的な分散パターンとは、半導体基板１０内で不純物が存在する部分と存在しない部分が分散した状態になっており、その分散状態が所定ピッチの周期性を有することを指している。この際のピッチ間隔は、発光又は受光する光の波長に対応して設定することで、発光波長又は受光波長を所望の波長にすることが可能になる。図１（ａ）に示した例は、半導体基板１０において不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１を所定の間隔で形成したものであり、不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐにおいては、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ幅の不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１が数１０ｎｍ〜数１００ｎｍのピッチ間隔で配置されている。

また、空間分布パターン２０Ｐは、一例としては、２次元的な分散パターンにすることができる。図２は、２次元的な分散パターンの一例を示した説明図である。図２（ａ）に示した例では、不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１が不純物の打ち込まれていない部分２０Ｐ２に対して格子状の分散パターンになっている。図２（ｂ）に示した例では、不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１が不純物の打ち込まれていない部分２０Ｐ２に対してドット状の分散パターンになっている。図示の例では、パターン形状が矩形状になっているが、これに限らず、円形状，楕円形状，平行四辺形，菱形，多角形状などであってもよい。

図１（ａ）における不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１の間に追加で不純物を打ち込むか或いは不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１を拡散させることで、図１（ｂ）に示すような不純物の拡散層２０を形成することができる。この際拡散層２０と半導体基板１０との境界部分にｐｎ接合部１０ｐｎが形成され、このｐｎ接合部１０ｐｎが発光部又は受光部となる。半導体発光・受光素子１は、図１（ｃ）に示すように、半導体基板１０の一面側に透明電極１Ａを形成し、半導体基板１０の他面側に金属電極１Ｂを形成し、透明電極１Ａと金属電極１Ｂの間に駆動電圧１Ｃを印加することで、ｐｎ接合部１０ｐｎから所望の波長λの光が出射する。また、ｐｎ接合部１０ｐｎに所望の波長λの光が入射することで、透明電極１Ａ及び金属電極１Ｂ間に入射した光のエネルギーに応じた電圧が発生する。

図１（ａ）に示すような不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成することで、拡散層２０と半導体基板１０との境界付近に形成されるｐｎ接合部１０ｐｎには、不純物濃度の不均一パターンがナノメートルオーダーで形成されることになる。このように、不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成した後にｐｎ接合部１０ｐｎに形成することで、この空間分布パターン２０Ｐによって所望の発光波長又は受光波長を設定することができる。ｐｎ接合部１０ｐｎに形成される不純物濃度の不均一パターンは、半導体基板１０に形成される不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐのピッチを変えることで任意に制御することが可能になる。不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐのピッチ間隔は、ｐｎ接合部１０ｐｎで発光又は受光する光の波長に対応して設定される。

不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐは、例えば、数１０〜数１００ｎｍピッチ間隔に形成することができる。そして、ピッチ間隔を（１／２）×λにすることで、ｐｎ接合部１０ｐｎはλの中心波長を有する光を発光又は受光する機能を得ることができる。例えば、ピッチ間隔を２１５〜２５０ｎｍに設定することで波長４３０〜５００ｎｍの青色発光を得ることができ、ピッチ間隔を２５０〜３００ｎｍに設定することで波長５００〜６００ｎｍの緑色発光を得ることができ、ピッチ間隔を３００〜３２５ｎｍに設定することで波長６００〜７５０ｎｍの赤色発光を得ることができる。

より具体的には、半導体基板１０としてヒ素（Ａｓ）等を拡散したｎ型のシリコン基板を用い、不純物としてｐ型の不純物であるボロン（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いて拡散層２０を形成する。シリコンは、間接遷移型の半導体であって一般には発光効率が低く、単にｐｎ接合を形成しただけでは有用な発光は得られない。これに対して、発光部又は受光部となるｐｎ接合部１０ｐｎを形成するに際して、不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成することで、形成されるｐｎ接合部１０ｐｎの近傍にドレスト光子を発生させることができ、このドレスト光子によって間接遷移型半導体であるシリコンをあたかも直接遷移型半導体であるかのように変化させ、高効率・高出力なｐｎ接合型発光又は受光機能を得ることができる。

この際、拡散層２０の形成に先立って形成される不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを任意に設定することで、ｐｎ接合部１０ｐｎにおけるドレスト光子の生成に有効な不純物の不均一パターンを形成することができ、不純物濃度を過剰に大きくすること無く、或いは半導体基板１０に多孔質構造を形成すること無く、シリコン基板に高効率・高出力な発光又は受光が得られるｐｎ接合部１０ｐｎを形成することができる。

図３〜図５に基づいて、本発明の実施形態に係る半導体発光・受光素子の製造方法における工程例を説明する。図３は、第１の実施形態を説明する説明図である。図３（ａ）は、半導体基板１０の上にマスクＭを形成する工程（マスク形成工程）を示している。マスクＭは、前述した不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐに対応した開口パターンＭｐを有しており、この開口パターンＭｐはフォトリソグラフィ工程によって形成される。図３（ｂ）は、マスクＭを介して半導体基板１０に不純物のイオンを打ち込む工程（不純物打ち込み工程）を示している。これによって、不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１が所定間隔で配列した不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐが形成される。

図３（ｃ）は、半導体基板１０に打ち込んだ不純物にアニール処理を施す工程（アニール処理工程）を示している。この工程では、半導体基板１０の上面に蒸着などによって透明電極１Ａを形成すると共に、半導体基板１０の下面に蒸着などによって金属電極１Ｂを形成する。そして、透明電極１Ａと金属電極１Ｂとの間にｐｎ接合に順方向となる加熱電圧１Ｄを印加し、半導体基板１０を流れる電流のジュール熱で不純物にアニール処理を施す。この際、半導体基板に打ち込んだ不純物に発光又は受光で使用する波長λの光を照射する。これによって不純物の拡散層２０が形成される。この拡散層２０は半導体基板１０との境界面付近に不純物の不均一パターンを有するｐｎ接合部１０ｐｎを形成し、境界面から離れた部分に均一な不純物分布を形成する。

このような半導体発光・受光素子の形成方法においては、アニール処理工程で不純物に光を照射することで、シリコン基板である半導体基板１０にフォノンを援用したアニール処理を施し、ｐｎ接合部１０ｐｎ近傍にドレスト光子を発生させることができる。この際においても、拡散層２０の形成に先立って半導体基板１０に不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成することで、不純物の打ち込み濃度を過剰に大きくすること無く、ｐｎ接合部１０ｐｎにドレスト光子を生成することが可能になる。また、拡散層２０の形成に先立って半導体基板１０に不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成することで、波長λの光照射を省略しても特定波長の発光又は受光を行うことが可能になる。

図４は、第２の実施形態を説明する説明図である。図４（ａ）は、図３（ａ）に示したマスク形成工程を示しており、図４（ｂ）は、図３（ｂ）に示した不純物打ち込み工程を示している。この実施形態では、図４（ｂ）に示した不純物打ち込み工程の後、図４（ｃ）に示すように、開口パターンＭｐに全開口Ｍｏを形成したマスクＭ１を用い、空間分布パターン２０Ｐの全体に不純物の追加打ち込みを行う。これによって、不純物が打ち込まれた部分２０Ｐ１の間を不純物で埋めた拡散層２０を形成する。

その後は、図４（ｄ）に示すように、図３（ｃ）に示したと同様のアニール処理工程を施す。これによって、半導体基板１０との境界面付近にｐｎ接合部１０ｐｎを形成し、境界面から離れた部分に均一な不純物分布を形成した拡散層２０が形成される。

図５は、第３の実施形態を説明する説明図である。図５（ａ）は、半導体基板１０に不純物のイオンビームを照射して不純物のイオンを打ち込む工程を示している。ここでは、イオンビームを数１０〜数１００ｎｍのスポットに集束した集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いている。これによると、半導体基板１０に不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを直接描写することができる。

その後は、図５（ｂ）に示したように、全開口ＭｏのマスクＭ１を用い、不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐの全体に不純物の追加打ち込みを行い、その後、図５（ｃ）に示すように、図３（ｃ）或いは図４（ｄ）に示したと同様のアニール処理工程を施す。これによって、半導体基板１０との境界面付近にｐｎ接合部１０ｐｎを形成し、境界面から離れた部分に均一な不純物分布を形成する拡散層２０が形成される。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る半導体発光・受光素子及びその製造方法は、シリコン（Ｓｉ）又はシリコンカーバイト（ＳｉＣ）から選択された間接遷移型の半導体を半導体基板１０として、この半導体基板１０に高効率・高出力の発光素子及び受光素子を形成することができる。この際、半導体基板１０に不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐを形成することでドレスト光子が生成されるｐｎ接合部１０ｐｎを簡易に形成することが可能になる。これによって、不純物の打ち込み濃度を過剰に大きくすること無く、また、半導体基板１０に多孔質構造を形成すること無く、間接遷移型半導体の半導体基板１０に有効な発光・受光素子を形成することができる。

更には、不純物濃度の空間分布パターン２０Ｐのピッチ間隔や幅を任意に設定することで、半導体基板１０に形成される発光素子又は受光素子の使用波長を任意に設定することが可能になる。これによって、発光波長や受光波長の設定を簡易に行うことが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。上述の各図で示した実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

１：半導体発光・受光素子，１Ａ：透明電極，１Ｂ：金属電極，
１Ｃ：駆動電圧，１Ｄ：加熱電圧，
１０：半導体基板，１０ｐｎ：ｐｎ接合部，
２０：拡散層，２０Ｐ：空間分布パターン，
Ｍ，Ｍ１：マスク

Claims (14)

1. ｎ型又はｐ型の半導体基板に不純物の拡散層を形成することで発光部又は受光部となるｐｎ接合部を形成する半導体発光・受光素子の製造方法であって、
   前記不純物の拡散層を形成するために、前記半導体基板に不純物濃度の空間分布パターンを形成することを特徴とする半導体発光・受光素子の製造方法。
2. 前記空間分布パターンは周期的な分散パターンであることを特徴とする請求項１に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
3. 前記周期的な分散パターンのピッチ間隔は、発光又は受光する光の波長に対応して設定されることを特徴とする請求項２に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
4. 前記空間分布パターンは、２次元的な分散パターンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
5. 前記空間分布パターンは、格子状の分散パターンであることを特徴とする請求項４に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
6. 前記空間分布パターンは、ドット状の分散パターンであることを特徴とする請求項４に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
7. フォトリソグラフィ工程により前記半導体基板上に前記空間分布パターンに対応した開口パターンを有するマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記マスクを介して前記半導体基板に不純物のイオンを打ち込む不純物打ち込み工程と、
   前記半導体基板に打ち込んだ不純物にアニール処理を施すアニール処理工程とを有することを特徴とする請求項１に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
8. 前記半導体基板に前記空間分布パターンを描写するイオンビームを照射して不純物のイオンを打ち込む不純物打ち込み工程と、
   前記半導体基板に打ち込んだ不純物にアニール処理を施すアニール処理工程とを有することを特徴とする請求項１に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
9. 前記不純物打ち込み工程の後、前記空間分布パターンの全体に不純物の追加打ち込みを行うことを特徴とする請求項７又は８に記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
10. 前記アニール処理工程において、前記半導体基板に打ち込んだ不純物に対して発光又は受光で使用する波長の光を照射することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
11. 前記半導体基板は、Ｓｉ，ＳｉＣから選択される材料の基板であり、前記不純物は、Ｂ，Ａｌから選択される材料であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載された半導体発光・受光素子の製造方法。
12. ｎ型又はｐ型の半導体基板に不純物の拡散層を形成することで発光部又は受光部となるｐｎ接合部を形成する半導体発光・受光素子であって、
    前記不純物の拡散層は、前記半導体基板に形成された不純物濃度の空間分布パターンをアニール処理することによって形成されることを特徴とする半導体発光・受光素子。
13. 前記不純物の拡散層は、前記アニール処理する過程で発光又は受光波長の光を照射することで形成されることを特徴とする請求項１２記載の半導体発光・受光素子。
14. 前記半導体基板は、Ｓｉ，ＳｉＣから選択される材料の基板であり、前記不純物は、Ｂ，Ａｌから選択される材料であることを特徴とする請求項１３記載の半導体発光・受光素子。

Images