JP2017050302A - Indirect transition type semiconductor light-emitting element - Google Patents

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元一 大津
川添 忠
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忠 川添
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To remarkably improve light emission efficiency by optimizing the distribution of dopant.SOLUTION: Heat is generated based on light absorption in a junction of a (p) layer 14 and an (n) layer 13 by applying a forward bias voltage and radiating a light of which the wavelength is shorter than an absorption end wavelength in a semiconductor layer and which has a linearly polarized component. Based on the generation of heat, the distribution of dopant in any one or more layers is iteratively changed. In a place where a proximate field light is generated based on the changed dopant distribution, a light is emitted by guiding and discharging electrons in a conduction band generated based on the bias voltage over a plurality of stages based on a non-heat-insulation process, and the changed dopant distribution is fixed by suppressing the generation of heat with the light emission. Both directions of dopants constituting the changed dopant distribution and being most neighboring to each other are vertical to an irradiation direction of the light to be radiated and a direction of a linearly polarized light.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、間接遷移型半導体発光素子に関し、特に発光効率をより向上させる上で好適な間接遷移型半導体発光素子に関するものである。   The present invention relates to an indirect transition type semiconductor light emitting device, and more particularly to an indirect transition type semiconductor light emitting device suitable for further improving luminous efficiency.

近年、軽量・薄型の面発光型素子としてエレクトロルミネッセンス素子やLED等を始めとした発光素子が注目されている。この発光素子は、電界印加時に、陽極より注入された正孔と陰極より注入された電子との再結合エネルギーにより蛍光性物質が発光する原理を利用した素子である。発光素子は、主としてモバイル機器等の各種機器のディスプレイの発光素子等に用いられる。特にこの発光素子を実際に用いる場合、光損失の少ない近赤外光を発光させることがより望ましいものといえる。   In recent years, light-emitting elements such as electroluminescence elements and LEDs have attracted attention as light-weight and thin surface-emitting elements. This light emitting element is an element utilizing the principle that a fluorescent substance emits light by recombination energy between holes injected from an anode and electrons injected from a cathode when an electric field is applied. The light emitting element is mainly used for a light emitting element of a display of various devices such as a mobile device. In particular, when this light emitting device is actually used, it can be said that it is more desirable to emit near infrared light with little optical loss.

中でもシリコンは、近赤外においてバンドギャップを持つ無機半導体であるが、あくまで間接遷移型半導体であるため、近赤外発光素子としては望ましいものとはいえない。また、特に近年においてシリコンを微結晶化したポーラスシリコンによる発光素子が提案されているが、これらの発光効率もやはり1%に満たない。このため、あくまでシリコンを発光材料として用いる発光素子において近赤外における発光効率を向上させることが可能な技術が従来より望まれていた。   Among these, silicon is an inorganic semiconductor having a band gap in the near infrared. However, since it is an indirect transition semiconductor, it is not desirable as a near infrared light emitting element. In particular, in recent years, light-emitting elements using porous silicon in which silicon is microcrystallized have been proposed, but their light emission efficiency is also less than 1%. For this reason, a technique capable of improving the light emission efficiency in the near infrared in a light emitting element using silicon as a light emitting material has been desired.

このため、従来において特許文献1の開示技術が提案されている。この特許文献1の開示技術によれば、p層及びn層を含む半導体層を備える発光素子に対して順方向バイアス電圧を印加するとともに、半導体層における吸収端波長よりも短波長の光を照射し続ける。これによりp層とn層の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか1以上の層のドーパント分布を変化させることを繰り返させる。その結果、変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生し、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させることが可能となる。かかる手法により、シリコンを発光材料として用いる発光素子において近赤外における発光効率を向上させることが可能となる。   For this reason, the technique disclosed in Patent Document 1 has been proposed. According to the technique disclosed in Patent Document 1, a forward bias voltage is applied to a light emitting device including a semiconductor layer including a p layer and an n layer, and light having a wavelength shorter than the absorption edge wavelength in the semiconductor layer is irradiated. Keep doing. Thus, heat generation based on light absorption is generated at the junction between the p layer and the n layer, and the dopant distribution of any one or more layers is repeatedly changed based on the heat generation. As a result, near-field light is generated based on the changed dopant distribution, and light can be emitted by stimulated emission of electrons in the conduction band in a plurality of stages based on a non-adiabatic process. With this method, it is possible to improve the light emission efficiency in the near infrared in a light emitting element using silicon as a light emitting material.

しかしながら、特許文献1の開示技術では、シリコンを近赤外発光素子として用いるためのメカニズムが記載されているのみであり、実際にその発光効率をより向上させるためのドーパントの空間分布については特段記載されていない。   However, the disclosed technique of Patent Document 1 only describes a mechanism for using silicon as a near-infrared light emitting element, and specifically describes the spatial distribution of dopants for actually improving the light emission efficiency. It has not been.

特開2014−044836号公報JP, 2014-044836, A

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、シリコンを始めとする間接遷移型半導体を発光素子として用いる場合に、ドーパントの分布を最適化することで発光効率を従前よりも飛躍的に向上させることが可能な間接遷移型半導体発光素子を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to optimize the dopant distribution when an indirect transition type semiconductor such as silicon is used as a light emitting element. It is an object of the present invention to provide an indirect transition type semiconductor light emitting device capable of dramatically improving the light emission efficiency than before.

第1発明は、p層及びn層を含む半導体層を備える間接遷移型半導体発光素子において、順方向バイアス電圧が印加されるとともに、上記半導体層における吸収端波長よりも短波長で、かつ直線偏光成分を持つ光が照射されることにより、上記p層と上記n層の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか1以上の上記層のドーパント分布を変化させることを繰り返し、上記変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記バイアス電圧に基づいて生成される上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させるとともに、当該発光に伴って上記発熱を抑制することにより、上記変化後のドーパント分布を固定させ、上記変化後のドーパント分布を構成する互いに最隣接するドーパントの方向は、上記照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていることを特徴とする。   In a first aspect of the present invention, there is provided an indirect transition type semiconductor light emitting device including a semiconductor layer including a p layer and an n layer, a forward bias voltage is applied, a wavelength shorter than the absorption edge wavelength in the semiconductor layer, and linearly polarized light Irradiation with light having a component causes heat generation based on light absorption at the junction between the p layer and the n layer, and changes the dopant distribution of any one or more of the layers based on the heat generation. When the near-field light is generated based on the changed dopant distribution, the electrons in the conduction band generated based on the bias voltage are stimulated and emitted in multiple steps based on a non-adiabatic process. By making the light emitted, and suppressing the heat generation accompanying the light emission, the dopant distribution after the change is fixed, and the dopant distribution after the change is changed. Direction of dopant that is the closest to each other to formed is characterized in that there is a both a direction perpendicular to the irradiation direction and the direction of linear polarization of light that is the irradiation.

第2発明は、第1発明において、上記接合部のバンドギャップと上記発光のエネルギーとのエネルギー差をΔE、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つエネルギーをΔEfとし、ΔE/ΔEf=Nとしたとき、上記方向に向けて最隣接するドーパントの間隔は、格子定数aのN倍のものが最も多く分布することを特徴とする。   According to a second invention, in the first invention, ΔE is an energy difference between the band gap of the junction and the energy of the light emission, ΔEf is an energy of an optical phonon localized in the distance between the adjacent dopants, and ΔE / ΔEf. When N is set to N, the most adjacent dopant spacing in the above-mentioned direction is N times the lattice constant a, which is the most distributed.

第3発明は、第1又は第2発明において、上記最隣接するドーパントの方向は、上記接合部における価電子帯と伝導帯との波数差をΔk、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つ波数をΔkfとしたときΔkf=Δk/Nとされていることを特徴とする。   According to a third invention, in the first or second invention, the direction of the nearest neighbor dopant is Δk, which is a wave number difference between the valence band and the conduction band in the junction, and is localized in the distance between the nearest neighbor dopants. When the wave number of the phonon is Δkf, Δkf = Δk / N.

第4発明は、第1〜第3発明の何れかにおいて、上記最隣接するドーパント間において光学フォノンの存在確率がより高くなるように分布させてなることを特徴とする。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the optical phonon is distributed so as to have a higher probability of existence between the adjacent dopants.

第5発明は、第1〜第4発明の何れかにおいて、上記n層は、Siであり、上記p層は、Siに対してドーパントとしてBをドープさせてなり、上記変化後のドーパントとしてのBの分布を構成する互いに最隣接するBの間隔は、格子定数aのN(=3)倍のものが最も多く分布することを特徴とする。   In a fifth invention according to any one of the first to fourth inventions, the n layer is Si, the p layer is doped with B as a dopant to Si, and the dopant after the change is The interval between the adjacent Bs constituting the distribution of B is N (= 3) times as large as the lattice constant a, and is distributed most frequently.

上述した構成からなる本発明によれば、ドーパントの分布を最適化することで発光効率を従前よりも飛躍的に向上させることが可能となる。   According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to dramatically improve the light emission efficiency than before by optimizing the dopant distribution.

本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the indirect transition type semiconductor light-emitting device to which this invention is applied. n層〜p層からなる半導体層のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the semiconductor layer which consists of n layer-p layer. 接合層における価電子帯と伝導帯のそれぞれのエネルギーバンドの詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of each energy band of a valence band and a conduction band in a joining layer. ジュール熱発生前後におけるn層とp層との接合部の微視的なドーパントの分布を示す図である。It is a figure which shows microscopic dopant distribution of the junction part of n layer and p layer before and behind Joule heat generation. 半導体層を構成するシリコン単位胞の逆格子空間の実空間方位を示す図である。It is a figure which shows the real space orientation of the reciprocal space of the silicon unit cell which comprises a semiconductor layer. 非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルにより説明するための図である。It is a figure for demonstrating a non-adiabatic process with the model which replaced the coupling | bonding of atoms with the spring. 伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置するフォノン振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させる例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example which carries out the virtual transition to the phonon vibration level located in the middle of a band gap, and discharge | releases an electron from there in the conduction band. 所望の直線偏光方向の光を出射させることが可能な間接遷移型発光素子の作製方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the indirect transition type light emitting element which can radiate | emit the light of a desired linearly polarized light direction. 3次元アトムプローブ法により実際に測定したドーパントとしてのホウ素(B)の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the boron (B) as a dopant actually measured by the three-dimensional atom probe method. (a)は、半導体層に対して光を照射する前の最隣接のドーパント(B)の距離Lに対する個数分布を示す図であり、(b)は、半導体層に対して光を照射した後における最隣接のドーパント(B)の距離Lに対する個数分布を示す図である。(A) is a figure which shows the number distribution with respect to the distance L of the adjacent dopant (B) before irradiating light with respect to a semiconductor layer, (b) is after irradiating light with respect to a semiconductor layer. It is a figure which shows the number distribution with respect to the distance L of the nearest neighbor dopant (B) in. 図10(b)のデータから、実際に直線で示されるワイブル分布からのずれ(割合)を算出した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having computed deviation (ratio) from the Weibull distribution actually shown with a straight line from the data of Drawing 10 (b). 光の照射方向を図中のV方向としたときにおける最隣接するドーパント(B)の方向依存性を調査した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the direction dependence of the dopant (B) which adjoins when the irradiation direction of light is made into the V direction in a figure.

以下、本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, an indirect transition type semiconductor light emitting device to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子1の構成を示している。この間接遷移型半導体発光素子1は、N型半導体層(n層)13、n層13との間でpn接合を構成するP型半導体層(p層)14、n層13とp層14との間に形成される接合層35とを備えている。このn層13〜p層14までを半導体層30という。p層14には、電源2が接続されており、使用時には、p層14側が正電圧、n層13側が負電圧となるように順方向にバイアス電圧が負荷されることになる。但し、このバイアス電圧は、微弱なものであってもよい。   FIG. 1 shows a configuration of an indirect transition type semiconductor light emitting device 1 to which the present invention is applied. This indirect transition type semiconductor light emitting device 1 includes an N-type semiconductor layer (n layer) 13, a P-type semiconductor layer (p layer) 14 constituting a pn junction with the n layer 13, an n layer 13 and a p layer 14, And a bonding layer 35 formed therebetween. The layers from n layer 13 to p layer 14 are referred to as semiconductor layer 30. A power supply 2 is connected to the p layer 14, and in use, a bias voltage is loaded in the forward direction so that the p layer 14 side is a positive voltage and the n layer 13 side is a negative voltage. However, this bias voltage may be weak.

n層13は、いわゆるシリコン等の基板等で構成されるがこれに限定されるものではなく、他の間接遷移型半導体であってもよい。ここで代表的な間接遷移型半導体無機化合物にはシリコン以外に,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TiO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなどがあり、本手法はそのすべてに応用可能である。但し、何れの半導体材料を適用する場合においてもp層14側において不純物としてのドーパントが注入されていることが前提となる。 The n layer 13 is composed of a so-called silicon substrate or the like, but is not limited to this, and may be another indirect transition type semiconductor. Typical indirect transition semiconductor inorganic compounds include GaP, AlGaAs (depending on the mixed crystal ratio), AlP, AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TiO 2, GaS, AlSb, C (diamond). ), BN, etc., and this method can be applied to all of them. However, in the case of applying any semiconductor material, it is assumed that a dopant as an impurity is implanted on the p layer 14 side.

p層14は、シリコンに対して例えばホウ素等をp型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものとして構成される。p層14は、シリコン以外にn層13に使用される間接遷移型半導体無機化合物と同様の材料が適用されるものであってもよい。このp層14は、例えばイオン打ち込みにおいて打ち込みエネルギー700KeV、表面から1500nm付近においてそのドーピング密度は2×1019個/cm3されていてもよい。 The p layer 14 is configured by implanting silicon, for example, with boron or the like as a p-type dopant with high density and high energy. The p layer 14 may be made of the same material as the indirect transition semiconductor inorganic compound used for the n layer 13 in addition to silicon. The p layer 14 may have an implantation energy of 700 KeV in ion implantation and a doping density of 2 × 10 19 atoms / cm 3 in the vicinity of 1500 nm from the surface.

このような間接遷移型半導体発光素子1を作製する際には、p層14及びn層13に順方向バイアス電圧を印加するとともに、この半導体層30に対して光を照射する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期の間接遷移型半導体発光素子1を作製することが可能となる。   When manufacturing such an indirect transition type semiconductor light emitting device 1, a forward bias voltage is applied to the p layer 14 and the n layer 13, and the semiconductor layer 30 is irradiated with light. As a result, the indirect transition semiconductor light emitting device 1 according to the present invention can be manufactured based on the following mechanism.

図2は、n層13〜p層14からなる半導体層30のエネルギーバンド図を示している。半導体層30に対して光を照射した場合において、照射した光が、価電子帯と伝導帯とのエネルギー差に相当する吸収端波長よりも短い場合には、当該エネルギー差以上のエネルギーをもつため、半導体層30において光吸収される。この光吸収に応じて、伝導帯には電子が、価電子帯には、正孔が多数に亘り生成されることになる。   FIG. 2 shows an energy band diagram of the semiconductor layer 30 including the n layer 13 to the p layer 14. When the semiconductor layer 30 is irradiated with light, if the irradiated light is shorter than the absorption edge wavelength corresponding to the energy difference between the valence band and the conduction band, the energy is greater than the energy difference. The semiconductor layer 30 absorbs light. In accordance with this light absorption, a number of electrons are generated in the conduction band and a number of holes are generated in the valence band.

図3は、接合層35における価電子帯と伝導帯のそれぞれのエネルギーバンドの詳細を示しているが、伝導帯において励起されて生成された電子は、当該伝導帯上を移動して、最もエネルギー準位の低い方へ集中することとなる。同様に、価電子帯において生成された正孔は、当該価電子帯上を移動して、最もエネルギー準位の高い方へと集中することとなる。半導体層30は、間接遷移型半導体であるため、最もエネルギー準位の低い伝導帯の波数と、最もエネルギー準位の高い価電子帯の波数が互いに相違するものとなる。   FIG. 3 shows the details of the energy bands of the valence band and the conduction band in the bonding layer 35. The electrons excited and generated in the conduction band move on the conduction band and have the most energy. It will concentrate on the lower level. Similarly, the holes generated in the valence band move on the valence band and concentrate to the highest energy level. Since the semiconductor layer 30 is an indirect transition semiconductor, the wave number of the conduction band with the lowest energy level and the wave number of the valence band with the highest energy level are different from each other.

このような光吸収が生じた場合、エネルギーを吸収する分において発熱が生じることとなる。この発熱の特に大きな発生部位は、接合層35やn層13やp層14の表面等である。また照射する光強度をより高くしていくことにより、発熱は促進されることになる。   When such light absorption occurs, heat is generated as much as energy is absorbed. The part where the heat generation is particularly large is the surface of the bonding layer 35, the n layer 13, the p layer 14, or the like. Further, heat generation is promoted by increasing the intensity of light to be irradiated.

このような光吸収に伴う発熱が発生する結果、接合層35やn層13やp層14における流動性が増加し、そのドーパントの分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかるドーパントの分布変化が継続して生じることになる。   As a result of the generation of heat due to light absorption, the fluidity in the bonding layer 35, the n layer 13 and the p layer 14 increases, and the distribution of the dopant changes. By continuing to apply the forward bias voltage described above, such a change in the distribution of dopants will continue to occur.

図4(a)は、かかるジュール熱発生前におけるn層13とp層14の接合部35の微視的なドーパント31の分布の例である。この図4は、図5に示すような半導体層30を構成するシリコン単位胞の逆格子空間の実空間方位において、ドーパント31の形成位置51に着目したものである。つまり形成位置51のみについて隣接する単位胞毎に並べて配列させた図である。図4(a)に示すように、n層13とp層14の接合界面には、ドーパント(ホウ素)31がn層13を構成するn型Si基板に対して打ち込まれた結果、ドーパント31がn層13中の何れかの単位胞においてランダムに分布している状態が示されている。   FIG. 4A is an example of a microscopic distribution of the dopant 31 in the junction 35 between the n layer 13 and the p layer 14 before the generation of Joule heat. 4 focuses on the formation position 51 of the dopant 31 in the real space orientation of the reciprocal space of the silicon unit cell constituting the semiconductor layer 30 as shown in FIG. That is, it is a diagram in which only the formation position 51 is arranged side by side for each adjacent unit cell. As shown in FIG. 4A, as a result of the dopant (boron) 31 being implanted into the n-type Si substrate constituting the n layer 13 at the junction interface between the n layer 13 and the p layer 14, the dopant 31 is A state of being randomly distributed in any unit cell in the n layer 13 is shown.

図4(b)は、光吸収に伴う発熱が生じた後におけるn層13とp層14の接合部35の微視的なドーパント31の分布の例である。ちなみに、この図4(b)の例では、光の照射方向を図中紙面奥行き方向とし、図中矢印方向の直線偏光方向からなる偏光成分を含む光を照射する場合である。光吸収に伴う発熱が生じることにより、このn層13とp層14の接合部35の流動性が増加する結果、n層13やp層14等のドーパント31の分布がランダムに変化することになる。かかるドーパント31の分布の変化が繰り返し起こる結果、例えば、互いに最隣接するドーパント31の間隔も同様に変化し続けることとなる。このうち、最隣接するドーパントの方向は、光の照射方向に対して垂直であり、かつ直線偏光の方向に対して垂直である方向において最も多く分布するように徐々に配列することになる。図4(b)の例では、最隣接するドーパントの方向(図中のbの矢印方向)は、光の照射方向に対して垂直であり、直線偏光の方向に対して垂直であることが明らかである。互いに最隣接するドーパント31の間隔が間隔Lとされる場合が、ある確率の下で偶然に形成される。この間隔Lは、単位胞における格子定数a×N(ここでNは正の整数)で表すことができる。図4(b)の場合には、最隣接するドーパント間に2つの単位胞が隔てられていることから、間隔Lは、格子定数a×Nで、かつN=3となる。   FIG. 4B is an example of a microscopic distribution of the dopant 31 at the junction 35 between the n layer 13 and the p layer 14 after heat generation due to light absorption occurs. Incidentally, in the example of FIG. 4B, the light irradiation direction is the depth direction of the paper surface in the drawing, and the light including the polarization component composed of the linear polarization direction indicated by the arrow in the drawing is irradiated. As a result of heat generation due to light absorption, the fluidity of the junction 35 between the n layer 13 and the p layer 14 increases, and as a result, the distribution of the dopants 31 such as the n layer 13 and the p layer 14 changes randomly. Become. As a result of repeated changes in the distribution of the dopant 31, for example, the interval between the dopants 31 that are closest to each other also continues to change. Among these, the directions of the adjacent dopants are gradually arranged so as to be most distributed in the direction perpendicular to the light irradiation direction and perpendicular to the direction of linearly polarized light. In the example of FIG. 4B, it is clear that the direction of the nearest neighbor dopant (the arrow direction of b in the figure) is perpendicular to the light irradiation direction and perpendicular to the direction of linearly polarized light. It is. The case where the distance between the adjacent dopants 31 is the distance L is formed by chance with a certain probability. This interval L can be represented by a lattice constant a × N (where N is a positive integer) in the unit cell. In the case of FIG. 4B, since the two unit cells are separated between the adjacent dopants, the distance L is the lattice constant a × N and N = 3.

互いに最隣接するドーパント31の間隔が間隔Lとされている場合は、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した間隔といえる。なお、この近接場光は、n層13とp層14との界面に発生する場合に限定されるものではなく、間接遷移型半導体発光素子1を構成する何れか1以上の層のドーパント31の分布を変化させるものであればよい。   If the distance between the adjacent dopants 31 is the distance L, it can be said that the distance is more suitable for generating near-field light based on the incident light. The near-field light is not limited to the case where the near-field light is generated at the interface between the n layer 13 and the p layer 14, and the near-field light of any one or more layers of the dopant 31 constituting the indirect transition type semiconductor light emitting device 1. Any device that changes the distribution may be used.

このような互いに最隣接するドーパント31の間隔がLとされたときに、上述した光照射を更に続けると、最隣接するドーパント31の間隔Lの間で近接場光が局在しやすくなる。これはドーパント31としてのホウ素の質量がシリコンの質量よりも重いことからこれらドーパント31間がフォノンの振動の反射面となり、フォノンが局在し、ひいては近接場光が発生しやすくなるためである。ここでいう、近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、照射する光が、いわゆる誘導光となって生じる場合もあれば、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出及びそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。   If the above-mentioned light irradiation is further continued when the distance between the adjacent dopants 31 is L, the near-field light is likely to be localized between the distances L between the adjacent dopants 31. This is because since the mass of boron as the dopant 31 is heavier than the mass of silicon, the region between the dopants 31 becomes a reflection surface for vibrations of phonons, the phonons are localized, and near-field light is likely to be generated. Since the near-field light here includes the meaning of a virtual electromagnetic field, the formation of a virtual electromagnetic field is understood as meaning the generation of near-field light. The generation of near-field light may occur as so-called induced light, or spontaneous emission of injected charge during forward current injection, even in the absence of induced light. And stimulated emission based on it. Generation of this near-field light causes a non-adiabatic process described below.

この非断熱過程とは、図6に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図6(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という(T. Kawazoe、K. Kobayashi、S. Takubo、and M. Ohtsu、J. Chem. Phys.、Vol.122、No.2、January 2005、pp.024715 1-5)。   This non-adiabatic process can be considered by a model in which the bonds between atoms are replaced by springs as shown in FIG. In general, the wavelength of propagating light is much larger than the size of the molecule, so it can be regarded as a spatially uniform electric field at the molecular level. As a result, as shown in FIG. 6A, adjacent electrons are vibrated by the spring with the same amplitude and the same phase. Since the nucleus is heavy, it cannot follow the vibration of this electron, and the molecular vibration is extremely difficult to occur in the propagating light. In this way, in propagation light, it can be ignored that molecular vibrations are involved in the excitation process of electrons, so this process is called adiabatic process (T. Kawazoe, K. Kobayashi, S. Takubo, and M. Ohtsu, J Chem. Phys., Vol. 122, No. 2, January 2005, pp. 024715 1-5).

一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図6(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程(非断熱過程)が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。   On the other hand, the spatial electric field gradient of near-field light drops very steeply. For this reason, near-field light gives different vibrations to adjacent electrons, and as shown in FIG. 6B, the heavy nuclei are also vibrated by the vibrations of the different electrons. The occurrence of molecular vibration in the near-field light corresponds to energy taking the form of molecular vibration. Therefore, in the near-field light, an excitation process (non-adiabatic process) via the vibration level is possible. In this way, the excitation process via the vibration level of the nucleus is called a non-adiabatic process because the nucleus moves in response to the adiabatic process, which is a normal optical response.

また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯には電子がn層13側からp層14側にかけて移動することになる。その結果、この伝導帯中を移動してくる電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、ある確率の下で図7に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置するフォノン振動準位41に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることによる発光させることができる。また、かかる近接場光に基づいて伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させることができる。   Further, by continuing to apply the forward bias voltage described above, electrons move from the n layer 13 side to the p layer 14 side in the conduction band. As a result, on the basis of a non-adiabatic process using near-field light for electrons moving in the conduction band, as shown in FIG. Based on the above, it is possible to emit light by virtually transitioning electrons in the conduction band to the phonon vibration level 41 located in the middle of the band gap and emitting the electrons therefrom. Moreover, it can be made to emit light by carrying out the induced emission of the electron in a conduction band in several steps based on this near field light.

この図7の例では、フォノン振動準位41が3段に亘って形成されている例である。伝導体中の電子は、この3段に亘るフォノン振動準位41を上から下へと順に落下していき、最下段のフォノン振動準位41から基底準位(価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位)まで放出される際に発光することとなる。この発光のエネルギーをE1とし、接合部のバンドギャップ(価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位から、伝導帯のエネルギーの最も低いエネルギー準位)をE2としたとき、E1<E2となる。またΔE=E2−E1で表すとき、エネルギー保存則の観点からは、このΔEに相当するエネルギー分をフォノンにより供給する。換言すれば、このΔEに相当するものが3段に亘るフォノン振動準位41となる。従って、このフォノン振動準位41の1段あたりのエネルギーは、ΔE/3に相当するものとなり、これらがちょうど3段で構成されることでちょうどΔEとなり、エネルギー保存則をフォノンにより埋めることで実現できることとなる。 In the example of FIG. 7, the phonon vibration level 41 is formed over three stages. The electrons in the conductor fall in order from the top to the bottom of the phonon vibration level 41 over the three stages, and the ground level (highest energy in the valence band) from the bottom phonon vibration level 41. It emits light when it is released to the energy level. When the emission energy is E 1 and the band gap of the junction (from the energy level with the highest valence band energy to the energy level with the lowest conduction band energy) is E 2 , E 1 <E 2 When expressed by ΔE = E 2 −E 1 , the energy corresponding to ΔE is supplied by phonons from the viewpoint of the energy conservation law. In other words, what corresponds to this ΔE is the phonon vibration level 41 over three stages. Therefore, the energy per stage of this phonon vibration level 41 is equivalent to ΔE / 3, and it is just ΔE when these are composed of just three stages, which is realized by filling the energy conservation law with phonons. It will be possible.

また、この図7の横軸は波数であるが、この価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位における波数は、Γであり、伝導体において最も低いエネルギー準位における波数をXとしたとき、この価電子帯と伝導帯との波数差Δkは、X−Γで表される。波数保存則の観点からは、この価電子帯と伝導帯との波数差Δkについても同様にフォノンにより持たせる必要が出てくる。この例では、3段に亘るフォノン振動準位41が形成されている。従って、このフォノン振動準位41の1段あたりの波数は、Δk/3に相当するものとなり、これらがちょうど3段で構成されることでちょうどΔkとなり、波数保存則をフォノンにより埋めることで実現できることとなる。   The horizontal axis of FIG. 7 is the wave number. The wave number at the highest energy level of this valence band energy is Γ, and when the wave number at the lowest energy level in the conductor is X, The wave number difference Δk between the valence band and the conduction band is represented by X−Γ. From the viewpoint of the wave number conservation law, the wave number difference Δk between the valence band and the conduction band also needs to be provided by phonons. In this example, phonon vibration levels 41 are formed in three stages. Therefore, the wave number per stage of this phonon vibration level 41 is equivalent to Δk / 3, and when these are constituted by just three stages, it becomes exactly Δk, which is realized by filling the wave number conservation law with phonons. It will be possible.

即ち、このフォノン振動準位41は、その1段あたりのエネルギーがΔE/3であり、また1段あたりの波数がΔk/3であることから、このフォノン振動準位を3段で構成することで、ちょうどエネルギーの面においても、また波数の面においてもそれぞれの保存則を満たすこととなる。これにより、半導体層30が間接遷移型半導体で構成されている場合においても、電子の放出による発光を実現することが可能となる。   That is, the phonon vibration level 41 has an energy per stage of ΔE / 3 and a wave number per stage of Δk / 3, so that the phonon vibration level is composed of three stages. Thus, both the energy aspect and the wave number aspect satisfy the conservation laws. As a result, even when the semiconductor layer 30 is composed of an indirect transition type semiconductor, it is possible to realize light emission by electron emission.

なお、この3段に亘るフォノン振動準位41が形成されるということは、図4(b)に示すように、最隣接するドーパント31間の間隔Lは、格子定数a×Nで、かつN=3であることを意味している。ここでΔEについて考えてみる。Siの光学フォノンエネルギー:70meV(シリコンの場合)に固定されているため、バンドギャップエネルギーE21.14eVとDPPアニール波長(光子エネルギーE1:0.94eV)の差200meV(すなわちΔE)を埋めるには3個のフォノン70meV×3?200meVが必要になる。このフォノン70meV分がΔEfに相当する(エネルギー保存則)。 Note that the formation of the phonon vibration level 41 over three stages means that, as shown in FIG. 4B, the interval L between the adjacent dopants 31 is a lattice constant a × N, and N = 3. Now consider ΔE. Since the optical phonon energy of Si is fixed at 70 meV (in the case of silicon), to fill the difference of 200 meV (ie ΔE) between the band gap energy E 2 1.14 eV and the DPP annealing wavelength (photon energy E 1 : 0.94 eV) Three phonons 70meV × 3? 200meV are required. This phonon of 70 meV corresponds to ΔEf (energy conservation law).

また、価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位における波数Γは、図5に示すxyz軸における原点に対応し、伝導体において最も低いエネルギー準位における波数Xは、図5に示すXの方向に対応する。ちなみに、このXは、x軸、y軸、z軸の何れにもなりえるものである。この波数Xがドーパントの配列方向に対応するものである。即ち、ドーパントの配列方位は、(001)、(010)、(100)の何れかとなる。ちなみに、この波数から判別されるこのドーパントの配列方位は、上述した図4(b)の例における最隣接するドーパントの方向(図中のLの矢印方向)と一致する。即ち、図4(b)の例では、最隣接するドーパントの方向(図中のLの矢印方向)は(001)、(010)、(100)の配列方位に相当する。   The wave number Γ at the energy level having the highest energy in the valence band corresponds to the origin on the xyz axis shown in FIG. 5, and the wave number X at the lowest energy level in the conductor is the direction of X shown in FIG. Corresponding to Incidentally, this X can be any of the x-axis, y-axis, and z-axis. This wave number X corresponds to the arrangement direction of the dopant. That is, the arrangement direction of the dopant is any one of (001), (010), and (100). Incidentally, the arrangement direction of this dopant determined from this wave number coincides with the direction of the most adjacent dopant in the example of FIG. 4B described above (the arrow direction of L in the figure). That is, in the example of FIG. 4B, the direction of the nearest neighbor dopant (the arrow direction of L in the figure) corresponds to the array orientation of (001), (010), and (100).

当該間隔Lの下においては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、フォノン振動準位41を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である波長の光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができる。   Since near-field light continues to be generated under the interval L, a non-adiabatic process can be generated. In the stimulated emission by this non-adiabatic process, electrons are emitted through the phonon vibration level 41. At this time, even in light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength corresponding to the band gap width, electrons in the conduction band can be made to transition in multiple stages and emitted.

仮に順方向バイアス電圧を負荷することなく、光照射のみ行った場合には、上述したメカニズムに基づいて近接場光を発生させることができるものの、複数段階で誘導放出させるための電子を確保することができないため、発光させることができない。このため、順方向バイアス電圧の印加は、例えそれが微弱なものであっても、必要となる。この順方向バイアス電圧の印加により、伝導帯に電子を生成することができ、これを誘導放出に用いることで、上述の発光を実現することが可能となる。   If only light irradiation is performed without applying a forward bias voltage, near-field light can be generated based on the mechanism described above, but electrons for stimulated emission are secured in multiple stages. Can not emit light. For this reason, the application of the forward bias voltage is necessary even if it is weak. By applying this forward bias voltage, electrons can be generated in the conduction band, and by using this for stimulated emission, the above-described light emission can be realized.

なお、このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じ、発光が生じることにより、かかる近接場光が発生する上で好適な、最隣接するドーパント31の間隔がLとされた領域については、照射光による光吸収そのものを打ち消すことができる。これは、光吸収により生じる電子と正孔が、光放出により再び結合するように遷移しようとする結果、かかる近接場光が発生する最隣接するドーパント31の間隔がLとされた領域については、光放出(発光)により、光吸収に基づく発熱を抑制することが可能となる。その結果、近接場光が発生する最隣接するドーパント31の間隔がLとされた領域については、温度が低下することになる。そして、この最隣接するドーパント31の間隔がLとされた領域については、ジュール熱に基づくドーパント31の分布のランダムな変化が抑制されることになる。その結果、最隣接するドーパント31の間隔Lが保持されたまま変化することなく固定されることになる。   Regarding a region where the distance between the adjacent dopants 31 is L, which is suitable for generating such near-field light due to the occurrence of multi-step stimulated emission due to such a non-adiabatic process and light emission. The light absorption itself by the irradiation light can be canceled out. This is because, as a result of trying to transition so that electrons and holes generated by light absorption are recombined by light emission, the region where the distance between the adjacent dopants 31 where such near-field light is generated is L, Light emission (light emission) can suppress heat generation based on light absorption. As a result, the temperature of the region where the distance between the adjacent dopants 31 in which near-field light is generated is L is lowered. And about the area | region where the space | interval of this adjacent dopant 31 was set to L, the random change of the distribution of the dopant 31 based on a Joule heat will be suppressed. As a result, the distance L between the adjacent dopants 31 is fixed without being changed.

また、図7に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、ドーパント31の分布による近接場光が発生しやすくなる。その発生した近接場光により、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、最隣接するドーパント31の間隔Lの固定化並びに発光が促進されることとなる。   When light emission occurs as shown in FIG. 7, near-field light due to the distribution of the dopant 31 is likely to be generated based on the light emission. Due to the generated near-field light, a non-adiabatic process is more likely to occur in each part, and fixing of the interval L between the adjacent dopants 31 and light emission are promoted.

また、上述の如き光を照射し続けるとともに、順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。図4(b)に示すように、最隣接するドーパント31の間隔Lは、そのまま近接場光が発生し続けて、順方向バイアス電圧に基づいて流れる電子が、上述した非断熱過程により継続的に誘導放出される結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、最隣接するドーパント31の間隔L以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのまま光吸収に伴う発熱が生じることにより、このn層13とp層14の接合部35の流動性が増加する結果、n層13やp層14等のドーパント31の分布がランダムに変化する。このランダムな変化の結果、互いに最隣接するドーパント31の間隔がLとされる場合が、ある確率の下で新たに形成される。かかる場合に光を入射させると、新たに形成された間隔Lのドーパント31の間において近接場光が発生しやすくなる。そして、新たに形成された間隔Lのドーパント31の間においても同様に非断熱過程による誘導放出が生じる結果、温度が低下する。その結果、かかる最隣接するドーパント31の間隔がLの状態でそのまま固定され続ける。即ち、間接遷移型半導体発光素子1において近接場光が好適に発生する領域が順次増加していくこととなる。光放出により光吸収に伴う発熱量を低下させることにより、ドーパント31の分布を固定させることを繰り返し実行することになる。   Further, the above-described mechanism is continuously generated by continuing to irradiate the light as described above and continuously applying the forward bias voltage. As shown in FIG. 4B, the distance L between the adjacent dopants 31 is such that near-field light continues to be generated and electrons flowing based on the forward bias voltage are continuously generated by the above-described non-adiabatic process. As a result of the induced emission, the temperature is lowered and the fixing is continued in this shape. In addition, since the near-field light is not generated in the portions other than the distance L between the adjacent dopants 31, the portion is not cooled, and heat is generated due to light absorption as it is, so that the junction between the n layer 13 and the p layer 14. As a result of the increase in the fluidity of 35, the distribution of the dopants 31 such as the n layer 13 and the p layer 14 changes randomly. As a result of this random change, a case where the distance between the adjacent dopants 31 is L is newly formed with a certain probability. When light is incident in such a case, near-field light is likely to be generated between the newly formed dopants 31 having the distance L. As a result of stimulated emission caused by the non-adiabatic process between the newly formed dopants 31 having the distance L, the temperature is lowered. As a result, the distance between the adjacent dopants 31 is kept fixed in the L state. That is, the region where the near-field light is suitably generated in the indirect transition semiconductor light emitting device 1 is sequentially increased. By reducing the amount of heat generated due to light absorption by light emission, the distribution of the dopant 31 is fixed repeatedly.

かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には、n層13とp層14との界面において最隣接間隔がLとなるドーパント31が数多く形成されることになる。これは、光照射が行われた場合に近接場光が好適に発生する最隣接間隔がLとなるドーパント31が数多く作り出された間接遷移型半導体発光素子1として構成することが可能となる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。   If this process is repeatedly performed, ideally, a large number of dopants 31 having the nearest neighbor distance L at the interface between the n layer 13 and the p layer 14 are formed. This can be configured as an indirect transition type semiconductor light emitting device 1 in which a large number of dopants 31 having the nearest neighbor interval L, in which near-field light is suitably generated when light irradiation is performed, are created. As a result, the luminous efficiency can be dramatically improved.

次に、上述した作製方法に基づいて作製された間接遷移型半導体発光素子1による動作について説明をする。   Next, the operation of the indirect transition type semiconductor light emitting device 1 manufactured based on the manufacturing method described above will be described.

上述したように間接遷移型半導体発光素子1は、その作製の段階において、光が照射された場合に近接場光が好適に発生する、図4(b)に示すような最隣接間隔がLとなるドーパント31の配置が数多く形成されている。作製した間接遷移型半導体発光素子1により実際に発光動作させる場合には、このような間接遷移型半導体発光素子1に対して上述の如き光を照射することなく、順方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。その結果、既に好適に近接場光を発生し得る形状が作り込まれていることから、順方向バイアス電圧を印加すると、これに基づいて図4(b)に示すように、近接場光が多くの領域において発生する。そして、図7に示すように、その発生した近接場光による非断熱過程により、伝導帯にある電子がフォノン振動準位41を介して多段階で誘導放出されて発光することになる。このとき、順方向バイアス電圧の強度を更に増大させるとアバランシェ降伏が生じて更に発光量が大きくなる。   As described above, in the indirect transition type semiconductor light emitting device 1, near-field distance as shown in FIG. Many arrangements of the dopant 31 are formed. When a light emission operation is actually performed by the manufactured indirect transition type semiconductor light emitting device 1, a forward bias voltage is applied to the indirect transition type semiconductor light emitting device 1 without irradiating light as described above. It may be. As a result, since a shape capable of generating near-field light is already created, when a forward bias voltage is applied, a large amount of near-field light is obtained as shown in FIG. It occurs in the area. Then, as shown in FIG. 7, the electrons in the conduction band are stimulated and emitted in multiple steps through the phonon vibration level 41 by the non-adiabatic process by the generated near-field light, and emit light. At this time, when the intensity of the forward bias voltage is further increased, avalanche breakdown occurs and the amount of light emission is further increased.

上述したように、本発明では、光を照射するとともに、順方向バイアス電圧を印加することによりp層14とn層13の接合部35に光吸収を生じさせ、光吸収による発熱に基づいて間接遷移型半導体発光素子1を構成する何れか1以上の層のドーパント31の分布を変化させることを繰り返し実行する。   As described above, in the present invention, light is irradiated and a forward bias voltage is applied to cause light absorption at the junction 35 between the p layer 14 and the n layer 13 and indirectly based on heat generated by light absorption. The distribution of the dopant 31 in any one or more layers constituting the transition type semiconductor light emitting device 1 is repeatedly executed.

そして、変化後のドーパント31の分布において、最隣接間隔がLとなるドーパント31間では、近接場光が好適に発生し、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、光吸収による発熱量を減少させて温度を下げ、ドーパント31の分布を固定させる。   Then, in the distribution of the dopant 31 after the change, near-field light is suitably generated between the dopants 31 whose nearest neighbor interval is L, and electrons in the conduction band are induced and emitted in a plurality of stages based on a non-adiabatic process. As a result, the amount of heat generated by light absorption is reduced, the temperature is lowered, and the distribution of the dopant 31 is fixed.

また変化後のドーパント31の分布において、最隣接間隔がL以外となるドーパント31間は、フォノンが局在しないため、近接場光が好適に発生せずに直ぐに伝搬光に戻ってしまう。その結果、最隣接間隔がL以外となるドーパント31間は、光吸収による熱を発生させ続けてドーパント31分布を変化させることを、ドーパント31間の最隣接間隔がLとなるまで繰り返す。   Further, in the distribution of the dopant 31 after the change, since the phonons are not localized between the dopants 31 whose nearest neighbor interval is other than L, the near-field light is not suitably generated and returns to the propagating light immediately. As a result, between the dopants 31 whose nearest neighbor spacing is other than L, heat generated by light absorption is continuously generated to change the dopant 31 distribution until the nearest neighbor spacing between the dopants 31 becomes L.

これにより、本発明では、接合部35のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、n層13がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。   Thereby, in the present invention, light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength corresponding to the band gap width of the joint portion 35 can be emitted. If the n layer 13 is silicon, it is possible to emit light in the near infrared region as the emission wavelength of the silicon.

また、本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子1の作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。   In addition, in the method of manufacturing the indirect transition type semiconductor light emitting device 1 to which the present invention is applied, a light receiving device excellent in sensitivity to a desired wavelength can be manufactured at a low cost without requiring a particularly large apparatus. It becomes.

この波長帯は上記のSi,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TiO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなど用いる間接遷移型無機材料の種類を変更することによっても紫外から赤外光まで広く対応可能である。 The wavelength band above Si, GaP, (depending on alloy composition) AlGaAs, AlP, AlAs, Ge , SiC, PbS, PbTe, TiO 2, GaS, AlSb, C ( diamond), an indirect transition type inorganic employed such as BN By changing the type of material, a wide range from ultraviolet to infrared light can be dealt with.

なお、上述した実施の形態においては半導体層30としてシリコンを使用し、ドーパント31としてホウ素(B)を適用する場合を例に取り、最隣接するドーパント31間の間隔Lは、格子定数a×Nで、かつN=3である場合を例に挙げて説明をした。但し、他の間接遷移型半導体を適用する場合であっても、同様の技術思想を適用することにより、発光効率を向上させるようにしてもよいことは勿論である。かかる場合において、格子定数aの倍数Nについては、接合部35のバンドギャップと発光のエネルギーとのエネルギー差ΔEと、接合部35における価電子帯と伝導帯との波数差Δkとに応じたものであればいかなるものであってもよい。このとき、格子定数aの倍数Nは、最隣接するドーパント31の間隔Lに局在する光学フォノンの持つエネルギーΔEfと、N=ΔE/ΔEfを満たすものを選定するようにしてもよい。このとき、接合部35において倍数Nのものが最も多く分布するように調整がなされていればよく、倍数N以外ものが含まれていてもよいことは勿論である。   In the embodiment described above, silicon is used as the semiconductor layer 30 and boron (B) is applied as the dopant 31, and the interval L between the adjacent dopants 31 is a lattice constant a × N. And the case where N = 3 has been described as an example. However, it is a matter of course that even when other indirect transition type semiconductors are applied, the light emission efficiency may be improved by applying the same technical idea. In such a case, the multiple N of the lattice constant a depends on the energy difference ΔE between the band gap of the junction 35 and the energy of light emission, and the wave number difference Δk between the valence band and the conduction band at the junction 35. Anything can be used. At this time, the multiple N of the lattice constant a may be selected so as to satisfy the energy ΔEf of the optical phonon localized at the distance L between the adjacent dopants 31 and N = ΔE / ΔEf. At this time, it suffices that adjustment is made so that the number N of multiples is distributed most in the joint portion 35, and it is a matter of course that things other than the multiple N may be included.

またこれに加えて、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つ波数をΔkfとしたときΔkf=Δk/Nとされていることとしてもよい。   In addition to this, Δkf = Δk / N may be set, where Δkf is the wave number of the optical phonon localized in the interval between the adjacent dopants.

また本発明は、Nとの関係において以下のように説明することもできる。上述したΔEは、n層13、p層14について選択した材料系から容易に特定することができる。また、光学フォノンの持つエネルギーΔEfは、例えば
Compaan,A.,Lee,M.C.,Trott,G.J.Phys.Rev.B32(1985)6731や、
Kobliska,R.,Solin,S.A.,Selders,M.,Chang,R.K.,Alben,R.,Thorpe,M.F.,Weaire,D,:Phys.Rev.Lett.29(1972)725等において各材料毎に文献値が開示されている。このような文献値から、ΔEfを求めることで、ΔE/ΔEf=Nが求められる。上述した方向bに向けて最隣接するドーパントの間隔は、この求められたNと格子定数aとの間で、a×Nのものが最も多く分布することとなる。
The present invention can also be explained as follows in relation to N. ΔE described above can be easily specified from the material system selected for the n layer 13 and the p layer 14. The energy ΔEf of the optical phonon is, for example,
Compaan, A., Lee, MC, Trott, GJPhys. Rev. B32 (1985) 6731,
Kobliska, R., Solin, SA, Selders, M., Chang, RK, Alben, R., Thorpe, MF, Weaire, D, Phys. Rev. Lett. 29 (1972) 725 etc. Values are disclosed. By obtaining ΔEf from such literature values, ΔE / ΔEf = N is obtained. As for the distance between the adjacent dopants in the direction b described above, a × N is most frequently distributed between the determined N and the lattice constant a.

また、本発明においては、図8に示すように、作製時に入射する光が直線偏光成分を持つ場合において、最隣接するドーパント31の隣接方向bは、照射される光の直線偏光方向βに対して垂直とされている方向に自然に配列することは上述したとおりである。その結果、得られた間接遷移型発光素子1から出射される光も同様にこの直線偏光方向βの成分が強いものとなる。   In the present invention, as shown in FIG. 8, when the incident light at the time of production has a linearly polarized component, the adjacent direction b of the most adjacent dopant 31 is relative to the linearly polarized direction β of the irradiated light. As described above, the pixels are naturally arranged in the vertical direction. As a result, the light emitted from the obtained indirect transition type light emitting element 1 also has a strong component in the linear polarization direction β.

従って、間接遷移型発光素子1から所望の直線偏光方向の光を出射させたい場合に、当該直線偏光方向の光を入射させることで、これを作製することが可能となる。   Therefore, when it is desired to emit light having a desired linear polarization direction from the indirect transition light emitting element 1, it is possible to produce the light by making the light having the linear polarization direction incident.

以下、本発明を提供した間接遷移型半導体発光素子の実施例について説明をする。   Examples of indirect transition type semiconductor light emitting devices that provide the present invention will be described below.

n層13は、シリコン基板から構成され、p層14も同様にシリコン基板から構成されているが、ホウ素をp型ドーパントとして打ち込まれている。このp層14は、例えばイオン打ち込み法においてイオン打ち込みエネルギー700KeV、表面から1500nm付近においてそのドーピング密度は2×1019個/cm3とされている。 The n layer 13 is composed of a silicon substrate, and the p layer 14 is also composed of a silicon substrate. However, boron is implanted as a p-type dopant. The p layer 14 has an ion implantation energy of 700 KeV, for example, in the ion implantation method, and a doping density of 2 × 10 19 atoms / cm 3 in the vicinity of 1500 nm from the surface.

このような構成からなる半導体層30におけるバンドギャップE2は、1.14eVである。半導体層30に対して、p層14及びn層13に1.67A/cm2の順方向バイアス電圧を印加するとともに、この半導体層30に対して図9に示すような偏光方向からなる直線偏光成分の光を照射した。本実施例については、この光の照射方向は、発光素子の表面に対して垂直方向から照射した。照射した光の波長は、1.3μmである。発光のエネルギーE1は、0.94eVであった。このため、ΔEは0.2eVであった。 The band gap E 2 in the semiconductor layer 30 having such a configuration is 1.14 eV. A forward bias voltage of 1.67 A / cm 2 is applied to the p layer 14 and the n layer 13 with respect to the semiconductor layer 30, and linearly polarized light having a polarization direction as shown in FIG. The component light was irradiated. In this example, the light was irradiated from the direction perpendicular to the surface of the light emitting element. The wavelength of the irradiated light is 1.3 μm. The emission energy E 1 was 0.94 eV. For this reason, ΔE was 0.2 eV.

順方向バイアス電圧の印加並びに光の照射を約60分間に亘り行った後、FIB(Focused Ion Beam)により、計測用の試験片の切り出しを行った。この切り出しは、実際に発光素子の表面からちょうど半導体層30が形成されている深さにおいて3mm、高さhが625μmからなる、試験片55を切り出した。この切り出した試験片のうち、30nm×30nm×200nmの空間について3次元アトムプローブ法によるドーパント分布計測を行った。図9は、この3次元アトムプローブ法により実際に測定したドーパントとしてのホウ素(B)の分布の例である。   After applying a forward bias voltage and irradiating light for about 60 minutes, a test specimen for measurement was cut out by FIB (Focused Ion Beam). In this cutting, a test piece 55 having a thickness of 3 mm and a height h of 625 μm was cut out just from the surface of the light emitting element. Among the cut out test pieces, dopant distribution measurement was performed by a three-dimensional atom probe method in a space of 30 nm × 30 nm × 200 nm. FIG. 9 is an example of the distribution of boron (B) as a dopant actually measured by this three-dimensional atom probe method.

図10(a)は、半導体層30に対して光を照射する前の最隣接のドーパント(B)の距離Lに対する個数分布であり、図10(b)は、半導体層30に対して光を照射した後における最隣接のドーパント(B)の距離Lに対する個数分布である。縦軸は、30nm×30nm×200nmの空間において計測されたドーパントとしてのホウ素の個数を示している。また横軸は、最隣接のドーパント(B)の距離Lを示している。ここで図中の実線は、ドーパント(B)の原子密度のみで決定されるランダムな分布時に得られるワイブル分布である。   FIG. 10A shows the number distribution with respect to the distance L of the adjacent dopant (B) before irradiating the semiconductor layer 30 with light. FIG. 10B shows the number distribution with respect to the semiconductor layer 30. It is a number distribution with respect to the distance L of the nearest neighbor dopant (B) after irradiation. The vertical axis represents the number of boron as a dopant measured in a space of 30 nm × 30 nm × 200 nm. Moreover, the horizontal axis has shown the distance L of the nearest neighbor dopant (B). Here, the solid line in the figure is a Weibull distribution obtained at the time of a random distribution determined only by the atomic density of the dopant (B).

光を照射する前の最隣接のドーパント(B)の距離Lに対する個数分布は、図10(a)に示すように、原子間距離が6nmや9nmのところにワイブル分布から外れた領域にプロットが存在する。これはドーパントイオンの打ち込みの不均一性に由来するものである。   The number distribution with respect to the distance L of the adjacent dopant (B) before irradiating light is plotted in a region deviating from the Weibull distribution when the interatomic distance is 6 nm or 9 nm, as shown in FIG. Exists. This is due to the non-uniformity of dopant ion implantation.

これに対して、光を照射した後の最隣接のドーパント(B)の距離Lは、図10(b)に示すように、格子定数aの整数倍に一致する距離に細かいピークを持つ分布に変化したことが示されている。ちなみに、この距離Lを格子定数aで割った値がNとなる。格子定数aは、0.54であるが、これを図10(b)の距離Lを格子定数aで割った場合にNが3、4、5、6、・・の各位置が特定できることとなる。   On the other hand, the distance L of the adjacent dopant (B) after irradiation with light has a distribution having a fine peak at a distance that is an integral multiple of the lattice constant a, as shown in FIG. It has been shown that it has changed. Incidentally, a value obtained by dividing the distance L by the lattice constant a is N. Although the lattice constant a is 0.54, when the distance L in FIG. 10B is divided by the lattice constant a, each position where N is 3, 4, 5, 6,. Become.

また図11は、図10(b)のデータから、実際に直線で示されるワイブル分布からのずれ(割合)を算出した結果を示している。横軸はNであり、各Nに対するワイブル分布からのずれの割合を縦軸に取っている。   FIG. 11 shows the result of calculating the deviation (ratio) from the Weibull distribution actually indicated by a straight line from the data of FIG. 10B. The horizontal axis is N, and the vertical axis indicates the ratio of deviation from the Weibull distribution for each N.

その結果、この例ではN=3、即ち格子定数3個分のところにおいてワイブル分布からのずれの割合が最も高くなることが示されている。ワイブル分布に沿っているということは、ドーパントが自然に配列していることを意味しているのに対して、ワイブル分布からのずれが大きいということは、外部からの作用に基づいて自然な配列から逸脱して規則的に配列していることを意味している。N=3、即ち格子定数3個分のところにおいてワイブル分布からのずれの割合が最も高くなっているということは、最隣接のドーパント(B)の間隔が、ちょうど格子定数3個分のところに最も多く配列していることを意味している。   As a result, in this example, it is shown that the ratio of deviation from the Weibull distribution is the highest at N = 3, that is, at three lattice constants. Along the Weibull distribution means that the dopants are naturally arranged, whereas a large deviation from the Weibull distribution means that the dopant is naturally aligned based on external effects. It means that they are regularly arranged and deviate from. N = 3, that is, the ratio of deviation from the Weibull distribution is the highest at three lattice constants. This means that the distance between the adjacent dopants (B) is just at the lattice constant of three. It means that there is the most arrangement.

従って、n層13は、Siであり、p層14は、Siに対してドーパントとしてBをドープさせているものであるが、変化後のドーパントとしてのBの分布を構成する互いに最隣接するBの間隔は、格子定数aのN(=3)倍のものが最も多く分布していることが分かる。   Therefore, the n layer 13 is Si, and the p layer 14 is obtained by doping B as a dopant with respect to Si, but B adjacent to each other constituting the distribution of B as the changed dopant. It can be seen that the largest number of intervals is N (= 3) times the lattice constant a.

また図12は、光の照射方向を図中のV方向としたときにおける最隣接するドーパント(B)の方向依存性を調査した結果を示している。図12(a)に示すように、光の照射方向Vを0°として基準とし、この0°から90°までの各角度θ°につき、上述した単位空間において計測されたドーパント(B)の個数を測定した。   FIG. 12 shows the result of investigating the direction dependency of the adjacent dopant (B) when the light irradiation direction is the V direction in the figure. As shown in FIG. 12A, the number of dopants (B) measured in the unit space described above for each angle θ ° from 0 ° to 90 ° with the light irradiation direction V as a reference. Was measured.

その結果、図12(b)に示すようにθ=90°において最もドーパントの個数が多かった。これは入射方向Vに対して、ちょうど垂直方向にあたるθ=90°の方位に向けて、ドーパント(B)が数多く並んでいることが示唆されている。この90°の方位において、図11の結果に示すように最隣接するBの間隔は、格子定数aのN(=3)倍のものが最も多く分布していると仮定すれば、最隣接するドーパントの方向は、照射される光の照射方向に対して垂直であるものが最も多いことが分かる。   As a result, as shown in FIG. 12B, the number of dopants was the largest at θ = 90 °. This suggests that a large number of dopants (B) are arranged in the direction of θ = 90 ° which is just perpendicular to the incident direction V. In this 90 ° azimuth, as shown in the result of FIG. 11, the distance between the nearest neighbors B is the nearest neighbor if it is assumed that N (= 3) times the lattice constant a is the most distributed. It can be seen that the direction of the dopant is most often perpendicular to the irradiation direction of the irradiated light.

つまり、θ=90°において最もドーパントの個数が多いことに加え、このθ=90°において、図11の結果に示すように最隣接するBの間隔は、格子定数aのN(=3)倍のものが最も多く分布している。これは、最隣接するドーパントの方向も、照射される光の照射方向に対して垂直であるものが最も多いということを意味するものである。 なお照射される光は、紙面奥行き方向に向けた直線偏光成分を有するものであるから、これに対しても垂直方向に向けてドーパントが分布していた。このため、最隣接するドーパント間の方向は、照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていることを実験的に検証することができた。   That is, in addition to the largest number of dopants at θ = 90 °, the interval between the nearest neighbors B is N (= 3) times the lattice constant a as shown in the results of FIG. 11 at θ = 90 °. Are the most distributed. This means that the direction of the adjacent dopant is most often perpendicular to the irradiation direction of the irradiated light. In addition, since the irradiated light has a linearly polarized light component directed in the depth direction of the paper, the dopant is distributed in the vertical direction. For this reason, it was experimentally verified that the direction between the adjacent dopants was perpendicular to the irradiation direction of the irradiated light and the direction of linearly polarized light.

1 間接遷移型半導体発光素子
13 n層
14 p層
30 半導体層
31 ドーパント
35 接合層
41 フォノン振動準位
51 形成位置
55 試験片
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Indirect transition type semiconductor light-emitting device 13 n layer 14 p layer 30 semiconductor layer 31 dopant 35 junction layer 41 phonon vibration level 51 formation position 55 test piece

Claims (5)

p層及びn層を含む半導体層を備える間接遷移型半導体発光素子において、
順方向バイアス電圧が印加されるとともに、上記半導体層における吸収端波長よりも短波長で、かつ直線偏光成分を持つ光が照射されることにより、上記p層と上記n層の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか1以上の上記層のドーパント分布を変化させることを繰り返し、
上記変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記バイアス電圧に基づいて生成される上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させるとともに、当該発光に伴って上記発熱を抑制することにより、上記変化後のドーパント分布を固定させ、
上記変化後のドーパント分布を構成する互いに最隣接するドーパントの方向は、上記照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていること
を特徴とする間接遷移型半導体発光素子。
In an indirect transition type semiconductor light emitting device comprising a semiconductor layer including a p layer and an n layer,
A forward bias voltage is applied, and light having a linearly polarized component and a wavelength shorter than the absorption edge wavelength in the semiconductor layer is irradiated to the junction between the p layer and the n layer. Repeatedly generating heat generation based on light absorption, and changing the dopant distribution of any one or more of the layers based on the heat generation;
In a place where near-field light is generated based on the changed dopant distribution, light is emitted by stimulated emission of electrons in the conduction band generated based on the bias voltage in a plurality of stages based on a non-adiabatic process. In addition, by suppressing the heat generation accompanying the light emission, the dopant distribution after the change is fixed,
The indirect transition semiconductor characterized in that the directions of the dopants adjacent to each other constituting the changed dopant distribution are perpendicular to the irradiation direction of the irradiated light and the direction of linearly polarized light. Light emitting element.
上記接合部のバンドギャップと上記発光のエネルギーとのエネルギー差をΔE、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つエネルギーをΔEfとし、ΔE/ΔEf=Nとしたとき、上記方向に向けて最隣接するドーパントの間隔は、格子定数aのN倍のものが最も多く分布すること
を特徴とする請求項1記載の間接遷移型半導体発光素子。
When the energy difference between the band gap of the junction and the energy of the light emission is ΔE, the energy of the optical phonon localized at the distance between the adjacent dopants is ΔEf, and ΔE / ΔEf = N, 2. The indirect transition semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the spacing between the most adjacent dopants is most often distributed by N times the lattice constant a.
上記最隣接するドーパントの方向は、上記接合部における価電子帯と伝導帯との波数差をΔk、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つ波数をΔkfとしたときΔkf=Δk/Nとされていること
を特徴とする請求項1又は2記載の間接遷移型半導体発光素子。
The direction of the adjoining dopant is Δkf = Δk / where Δk is the wave number difference between the valence band and the conduction band at the junction and Δkf is the wave number of the optical phonon localized at the distance between the adjoining dopants. 3. The indirect transition type semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the indirect transition type semiconductor light emitting device is N.
上記最隣接するドーパント間において光学フォノンの存在確率がより高くなるように分布させてなること
を特徴とする請求項1〜3のうち何れか1項記載の間接遷移型半導体発光素子。
The indirect transition semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the indirect transition semiconductor light-emitting element is distributed so that the existence probability of optical phonons is higher between the adjacent dopants.
上記n層は、Siであり、
上記p層は、Siに対してドーパントとしてBをドープさせてなり、
上記変化後のドーパントとしてのBの分布を構成する互いに最隣接するBの間隔は、格子定数aのN(=3)倍のものが最も多く分布すること
を特徴とする請求項1〜4のうち何れか1項記載の間接遷移型半導体発光素子。
The n layer is Si,
The p layer is formed by doping B as a dopant with respect to Si,
The distance between the adjacent Bs constituting the distribution of B as the dopant after the change is most frequently distributed with N (= 3) times the lattice constant a. The indirect transition type semiconductor light emitting element of any one of them.
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