JP2017050302A - Indirect transition type semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (5)
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.
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.
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.
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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