JP2792249B2 - 発光素子およびその作製方法 - Google Patents
発光素子およびその作製方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体を用いた近赤外
光の発光素子に関するものである。
光の発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、近赤外領域の発光素子は、その主
な使用対象が光通信用であることから、光通信用発光素
子と総称され、材料としては、１．２〜１．６μｍの波
長帯では、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩ
ｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y が知られている。また、転位
の発生したシリコンは、１．２〜１．６μｍの波長帯に
鋭い発光を示すことが知られている。
な使用対象が光通信用であることから、光通信用発光素
子と総称され、材料としては、１．２〜１．６μｍの波
長帯では、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩ
ｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y が知られている。また、転位
の発生したシリコンは、１．２〜１．６μｍの波長帯に
鋭い発光を示すことが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｉｎ
1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y のような化合物半導体では、各
成分の組成比を正確にコントロールしなげればならな
い、発光線の半値幅が広い、といった問題点があった。
また、シリコンを発光素子に用いることは、現在のシリ
コンＬＳＩに発光素子までも組み込めるということか
ら、デバイスの集積化および多機能化の観点から、非常
に期待が持てる技術であるが、シリコンは発光強度が非
常に弱いために、発光素子に応用することはできなかっ
た。
1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y のような化合物半導体では、各
成分の組成比を正確にコントロールしなげればならな
い、発光線の半値幅が広い、といった問題点があった。
また、シリコンを発光素子に用いることは、現在のシリ
コンＬＳＩに発光素子までも組み込めるということか
ら、デバイスの集積化および多機能化の観点から、非常
に期待が持てる技術であるが、シリコンは発光強度が非
常に弱いために、発光素子に応用することはできなかっ
た。
【０００４】本発明は、従来技術のこのような欠点を解
消し、シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子
を提供することを目的とする。
消し、シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子
を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン基板
上にエピタキシャル成長した、シリコンおよびシリコン
とゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成し、シリ
コン側の界面に発生した転位を介した電子とホールの再
結合の際に放出される近赤外光を利用することを特徴と
する発光素子である。この発光素子の作製において、発
光中心となる転位を発生させるために、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶と
で、超格子構造を形成した後、熱処理を加えることを特
徴とする。また、発光中心となる転位を発生させるため
の別の方法として、シリコン基板上に、シリコンおよび
シリコンとゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成
する際に、厚いシリコン層を成長させてから、このシリ
コン層をエッチングによって薄くすることを特徴とす
る。さらに、この発光素子において、シリコンおよびシ
リコンとゲルマニウムの混晶とで形成した超格子構造
に、二次元の微細パターンを形成することによって、発
光強度を強くさせることを特徴とする。さらに、この発
光素子において、フィルターで結晶表面を覆うことによ
って、転位に起因するいくつかの発光線のうち特定の波
長の光を取り出すことを特徴とする。
上にエピタキシャル成長した、シリコンおよびシリコン
とゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成し、シリ
コン側の界面に発生した転位を介した電子とホールの再
結合の際に放出される近赤外光を利用することを特徴と
する発光素子である。この発光素子の作製において、発
光中心となる転位を発生させるために、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶と
で、超格子構造を形成した後、熱処理を加えることを特
徴とする。また、発光中心となる転位を発生させるため
の別の方法として、シリコン基板上に、シリコンおよび
シリコンとゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成
する際に、厚いシリコン層を成長させてから、このシリ
コン層をエッチングによって薄くすることを特徴とす
る。さらに、この発光素子において、シリコンおよびシ
リコンとゲルマニウムの混晶とで形成した超格子構造
に、二次元の微細パターンを形成することによって、発
光強度を強くさせることを特徴とする。さらに、この発
光素子において、フィルターで結晶表面を覆うことによ
って、転位に起因するいくつかの発光線のうち特定の波
長の光を取り出すことを特徴とする。
【０００６】
【作用】シリコン基板上に、シリコンとゲルマニウムの
混晶をエピタキシャル成長させると、成長条件に応じ
て、界面に転位が発生する。ゲルマニウムの組成比が小
さい場合には、シリコン側に、直線的な転位が結晶の
〈１１０〉方向に沿って形成される。転位を導入したシ
リコンにおいては、この転位に起因して、１．２〜１．
６μｍの波長領域に、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と名付け
られた４本の鋭い発光線が観測される。これらの発光線
は転位の部分で、電子とホールが再結合することによっ
て放出される光であり、転位の種類や密度によって、そ
の強度や半値幅が決定される。シリコン基板上にシリコ
ンとゲルマニウムの混晶をエピタキシャル成長した時に
発生する転位の場合には、非常に強い発光が観測され
る。しかし、シリコン基板上にシリコンとゲルマニウム
の混晶を１回エピタキシャル成長しただけでは、発光素
子として使うには発光強度が十分でない。そこで、シリ
コン基板上にシリコとゲルマニウムの混晶をエピタキシ
ャル成長させた後、さらにその上にシリコン，シリコン
とゲルマニウムの混晶，シリコン，…の順に繰り返しエ
ピタキシャル成長を行ない、超格子構造を作成する。こ
のような超格子構造においては、電子と正孔が各層に閉
じ込められて２次元的な振る舞いをするために、発光強
度が非常に強くなる。そこで、このような超格子構造を
ｐｎ接合部分に用いたダイオードを作製し、ｐｎ接合に
電圧を加えると、電子とホールはｐｎ接合部分で、転位
を介して再結合して近赤外光を放出するので、近赤外の
発光素子として使うことができる。
混晶をエピタキシャル成長させると、成長条件に応じ
て、界面に転位が発生する。ゲルマニウムの組成比が小
さい場合には、シリコン側に、直線的な転位が結晶の
〈１１０〉方向に沿って形成される。転位を導入したシ
リコンにおいては、この転位に起因して、１．２〜１．
６μｍの波長領域に、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と名付け
られた４本の鋭い発光線が観測される。これらの発光線
は転位の部分で、電子とホールが再結合することによっ
て放出される光であり、転位の種類や密度によって、そ
の強度や半値幅が決定される。シリコン基板上にシリコ
ンとゲルマニウムの混晶をエピタキシャル成長した時に
発生する転位の場合には、非常に強い発光が観測され
る。しかし、シリコン基板上にシリコンとゲルマニウム
の混晶を１回エピタキシャル成長しただけでは、発光素
子として使うには発光強度が十分でない。そこで、シリ
コン基板上にシリコとゲルマニウムの混晶をエピタキシ
ャル成長させた後、さらにその上にシリコン，シリコン
とゲルマニウムの混晶，シリコン，…の順に繰り返しエ
ピタキシャル成長を行ない、超格子構造を作成する。こ
のような超格子構造においては、電子と正孔が各層に閉
じ込められて２次元的な振る舞いをするために、発光強
度が非常に強くなる。そこで、このような超格子構造を
ｐｎ接合部分に用いたダイオードを作製し、ｐｎ接合に
電圧を加えると、電子とホールはｐｎ接合部分で、転位
を介して再結合して近赤外光を放出するので、近赤外の
発光素子として使うことができる。
【０００７】この発光素子の作製において、発光中心と
なる転位を発生させることが必要であるが、シリコン基
板上に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶
とで、超格子構造を形成した場合、エピタキシャル成長
したシリコン層およびシリコンとゲルマニウムの混晶層
は非常に薄い膜であり、通常は転位が発生していない。
そこで、超格子構造を形成した後に、熱処理を加えるこ
とによって転位を発生させる。また、エピタキシャル成
長したシリコン層が厚い場合には、格子のミスフィット
によって成長中に転位が発生するので、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶と
で、超格子構造を形成する際に、シリコン層を厚く成長
させて転位を発生させてから、このシリコン層をエッチ
ングによって薄くして、さらに次のシリコンとゲルマニ
ウムの混晶層を成長させることを、発光中心となる転位
を発生させるための別の方法として用いることができ
る。
なる転位を発生させることが必要であるが、シリコン基
板上に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶
とで、超格子構造を形成した場合、エピタキシャル成長
したシリコン層およびシリコンとゲルマニウムの混晶層
は非常に薄い膜であり、通常は転位が発生していない。
そこで、超格子構造を形成した後に、熱処理を加えるこ
とによって転位を発生させる。また、エピタキシャル成
長したシリコン層が厚い場合には、格子のミスフィット
によって成長中に転位が発生するので、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶と
で、超格子構造を形成する際に、シリコン層を厚く成長
させて転位を発生させてから、このシリコン層をエッチ
ングによって薄くして、さらに次のシリコンとゲルマニ
ウムの混晶層を成長させることを、発光中心となる転位
を発生させるための別の方法として用いることができ
る。
【０００８】このようにして作製した発光素子におい
て、さらに発光強度を強くするための方法として、エッ
チングによって２次元の微細パターンを形成する方法が
ある。微細パターン化することによって、電子とホール
がパターンの中に閉じ込められ、発光効率が増大する。
て、さらに発光強度を強くするための方法として、エッ
チングによって２次元の微細パターンを形成する方法が
ある。微細パターン化することによって、電子とホール
がパターンの中に閉じ込められ、発光効率が増大する。
【０００９】シリコンの転位に起因する発光線は、Ｄ１
からＤ４の４本が主なものとしてあるが、この素子の表
面を、近赤外領域の干渉フィルターで覆うことによっ
て、４本の発光線のうち特定の波長だけを取り出すこと
ができる。
からＤ４の４本が主なものとしてあるが、この素子の表
面を、近赤外領域の干渉フィルターで覆うことによっ
て、４本の発光線のうち特定の波長だけを取り出すこと
ができる。
【００１０】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【００１１】図２は、シリコン基板上に、シリコンとゲ
ルマニウムの混晶をエピタキシャル成長させた試料のフ
ォトルミネッセンススペクトルである。１．２〜１．６
μｍの波長領域に、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４という転位
に起因する４本の発光線が観測される。これらの発光線
のうち、特にＤ１とＤ２は、発光強度が大きく、半値幅
も２０ｎｍ程度で、現在、光通信用発光素子として使わ
れているＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y の面発光の場合の
半値幅６０〜１００ｎｍに比較して狭い。したがって、
このＤ１あるいはＤ２の発光ラインを発光素子に使うこ
とが可能である。
ルマニウムの混晶をエピタキシャル成長させた試料のフ
ォトルミネッセンススペクトルである。１．２〜１．６
μｍの波長領域に、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４という転位
に起因する４本の発光線が観測される。これらの発光線
のうち、特にＤ１とＤ２は、発光強度が大きく、半値幅
も２０ｎｍ程度で、現在、光通信用発光素子として使わ
れているＩｎ1-x Ｇａx Ａｓy Ｐ1-y の面発光の場合の
半値幅６０〜１００ｎｍに比較して狭い。したがって、
このＤ１あるいはＤ２の発光ラインを発光素子に使うこ
とが可能である。
【００１２】図１は、本発明による近赤外発光素子の素
子構造の例を示したものである。図１において、１はｎ
型のシリコン基板、２は基板上にエピタキシャル成長さ
せたシリコンとゲルマニウムの混晶、３はさらにエピタ
キシャル成長させらシリコン、４は、２のシリコンとゲ
ルマニウムの混晶層および３のシリコン層が交互に繰り
返されてできた超格子構造でシリコン層には転位が発生
している。５はｐ型のシリコン層、６と７は電極、８は
フィルターである。図１において、６の電極に正、７の
電極に負の電圧を加えることによって、ｎ型シリコン中
の電子、ｐ型シリコン中のホールはそれぞれ超格子構造
の接合部分へ集まり、転位を介して再結合をし、光を放
出する。図１では接合の端面で光を取り出すようになっ
ており、８のフィルターによってＤ１〜Ｄ４の発光線の
うち、特定の発光線のみが放出される。図１の構造にお
いて、電極を透明にすることによって面発光型の素子と
することも可能である。
子構造の例を示したものである。図１において、１はｎ
型のシリコン基板、２は基板上にエピタキシャル成長さ
せたシリコンとゲルマニウムの混晶、３はさらにエピタ
キシャル成長させらシリコン、４は、２のシリコンとゲ
ルマニウムの混晶層および３のシリコン層が交互に繰り
返されてできた超格子構造でシリコン層には転位が発生
している。５はｐ型のシリコン層、６と７は電極、８は
フィルターである。図１において、６の電極に正、７の
電極に負の電圧を加えることによって、ｎ型シリコン中
の電子、ｐ型シリコン中のホールはそれぞれ超格子構造
の接合部分へ集まり、転位を介して再結合をし、光を放
出する。図１では接合の端面で光を取り出すようになっ
ており、８のフィルターによってＤ１〜Ｄ４の発光線の
うち、特定の発光線のみが放出される。図１の構造にお
いて、電極を透明にすることによって面発光型の素子と
することも可能である。
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子が提供
される。
シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子が提供
される。
【図１】本発明による近赤外発光素子の素子構造を示し
た図である。
た図である。
【図２】シリコン基板上に、シリコンとゲルマニウムの
混晶をエピタキシャル成長させた試料のフォトルミネッ
センススペクトルを示す図である。
混晶をエピタキシャル成長させた試料のフォトルミネッ
センススペクトルを示す図である。
１ ｎ型のシリコン基板 ２ 基板上にエピタキシャル成長させたシリコンとゲ
ルマニウムの混晶 ３ エピタキシャル成長させたシリコン ４ シリコンとゲルマニウムの混晶層およびシリコン
層が交互に繰り返されてできた超格子構造 ５ ｐ型のシリコン層 ６ 電極 ７ 電極 ８ フィルター
ルマニウムの混晶 ３ エピタキシャル成長させたシリコン ４ シリコンとゲルマニウムの混晶層およびシリコン
層が交互に繰り返されてできた超格子構造 ５ ｐ型のシリコン層 ６ 電極 ７ 電極 ８ フィルター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00
Claims (4)
- 【請求項１】 第１導電型のシリコン基板上にシリコン
とゲルマニウムの混晶と、転位を有するシリコンとを交
互に多層積層して成る超格子構造を備え、前記超格子上
に第２導電型のシリコン層を備えたことを特徴とする発
光素子。 - 【請求項２】 請求項1記載の発光素子において、フィ
ルターで光出射面を覆ったことを特徴とする発光素子。 - 【請求項３】 第１導電型のシリコン基板上に、シリコ
ンとゲルマニウムの混晶層とシリコン層とを交互に積層
成長して超格子構造を形成する工程と、前記超格子構造
に熱処理を加えて前記シリコン層中に転位を形成する工
程と、前記超格子構造上に第２導電型のシリコン層を成
長する工程とを有することを特徴とする発光素子の作製
方法。 - 【請求項４】 第１導電型のシリコン基板上に、シリコ
ンとゲルマニウムの混晶層とシリコン層を交互に積層成
長して超格子構造を形成する工程と、前記超格子構造上
に第２導電型のシリコン層を成長する工程とを有し、前
記超格子形成工程が、厚いシリコン層を成長させてシリ
コン層中にミスフィット転位を発生させる工程と、前記
厚いシリコン層をエッチングによって薄くする工程と、
エッチングによって薄くしたシリコン層上にシリコンと
ゲルマニウムの混晶層を成長する工程とを順次繰り返し
て超格子構造を形成する工程であることを特徴とする発
光素子の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4311291A JP2792249B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 発光素子およびその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4311291A JP2792249B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 発光素子およびその作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04280479A JPH04280479A (ja) | 1992-10-06 |
| JP2792249B2 true JP2792249B2 (ja) | 1998-09-03 |
Family
ID=12654748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4311291A Expired - Fee Related JP2792249B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 発光素子およびその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2792249B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0014042D0 (en) | 2000-06-08 | 2000-08-02 | Univ Surrey | A radiation-emissive optoelectric device and a method of making same |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01160063A (ja) * | 1987-12-16 | 1989-06-22 | Fujitsu Ltd | 発光素子 |
| JP2658291B2 (ja) * | 1988-11-04 | 1997-09-30 | 日本電気株式会社 | 発光素子 |
-
1991
- 1991-03-08 JP JP4311291A patent/JP2792249B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．１９９０，ＶＯＬ．５７，ＮＯ．１０，Ｐ．１０３７−１０３９ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04280479A (ja) | 1992-10-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19980519 |
|
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