JP3228481B2 - Light emitting thin film fabrication method - Google Patents

Light emitting thin film fabrication method

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は発光薄膜作製方法に係
り、特に非発光物質であるシリコン、ゲルマニウム、又
はこれらの混晶系の発光させるための発光薄膜作製方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a light emitting thin film, and more particularly to a method for producing a light emitting thin film for emitting light of silicon, germanium, or a mixed crystal thereof as a non-light emitting substance.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、シリコン(以下Si)、ゲルマニ
ウム(以下Ge)、その混晶系(以下SiGe混晶系)
は、間接遷移型のエネルギーバンド構造を有しているた
め、III-V 族化合物半導体の如く直接遷移型のエネルギ
ーバンド構造を有している物質とは異なり、励起された
電子によるバンド間遷移の再結合に基づく発光を観察す
ることができなかった。しかし近年、微結晶相から発生
するフォトルミネッセンスが観察されている。この報告
は、例えばL.T. Canham,Appl.Phys.Lett.57,1046(199
0)、S.Furukawa, Phys.Rev.B 38,5726(1988)、H.Takag
i,Appl.Phys.Lett.56, 2379(1990)等の文献に記載され
ている。またGeに関しては、CF 4 /O 2 を使用したプ
ラズマエッチング法で作製された改質Geの表面からフ
ォトルミネッセンスが観察されている。上述のSiやG
e等の発光作用は、微結晶が有する量子サイズ効果に起
因して発生していると考えられている。すなわち、物質
の大きさがいわゆる超微粒子と呼ばれるサイズになる
と、バンドのエネルギー準位が離散的になり、その結果
再結合の際に光を放射する。
2. Description of the Related Art Conventionally, silicon (hereinafter referred to as Si), germanium (hereinafter referred to as Ge), and a mixed crystal thereof (hereinafter referred to as SiGe mixed crystal).
Has an indirect transition-type energy band structure, and therefore differs from a substance having a direct transition-type energy band structure, such as a group III-V compound semiconductor, in that the transition between bands due to excited electrons is No luminescence due to recombination could be observed. However, in recent years, photoluminescence generated from a microcrystalline phase has been observed. This report can be found, for example, in LT Canham, Appl.Phys. Lett. 57, 1046 (199
0), S. Furukawa, Phys. Rev. B 38, 5726 (1988), H. Takag
i, Appl. Phys. Lett. 56, 2379 (1990). Regarding Ge, photoluminescence is observed from the surface of modified Ge produced by a plasma etching method using CF 4 / O 2 . Si or G mentioned above
It is considered that the light emitting action such as e occurs due to the quantum size effect of the microcrystal. That is, when the size of a substance becomes a so-called ultrafine particle, the energy levels of the bands become discrete, and as a result, light is emitted upon recombination.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前記の各文献に記載さ
れた発光体は、それぞれの作製方法で、超微粒子を作製
している。従来の超微粒子を作る方法は、電気化学的方
法、純粋な化学的方法、又はプラズマエッチング方法を
利用して、超微粒子状態を作製している。各文献に開示
される作製方法は、いずれも、素材物質を削ることによ
り、所望の形状を作る方法である。従来の作製方法は、
その定量性や再現性の観点で特に問題を有している訳で
はない。本発明の目的は、従来の微結晶作製方法とは全
く異なる方法で作製される微結晶構造を有する薄膜であ
って、且つ微結晶を制御良く作製でき、微結晶のサイズ
及び形態を連続的に変化させることができ、発光波長の
幅を高い自由度で制御できる発光薄膜作製方法を提供す
ることにある。
The luminous bodies described in the above-mentioned documents produce ultrafine particles by the respective production methods. Conventional methods for producing ultrafine particles use an electrochemical method, a pure chemical method, or a plasma etching method to produce ultrafine particles. Each of the manufacturing methods disclosed in each document is a method of forming a desired shape by shaving a raw material. The conventional manufacturing method is
There is no particular problem in terms of its quantification and reproducibility. An object of the present invention is to provide a thin film having a microcrystalline structure manufactured by a method completely different from a conventional microcrystal manufacturing method, and to be able to manufacture the microcrystal with good control, and to continuously control the size and morphology of the microcrystal. An object of the present invention is to provide a method for producing a light emitting thin film that can be changed and can control the width of the emission wavelength with a high degree of freedom.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明に係る発光薄膜作
製方法は、酸化マグネシウム(MgO)等のアルカリ土
類金属からなる酸化物の(111)面を熱燐酸に漬ける
ことによって、(100)面で形成される多数の三角錐
の突起部を有する(111)面を形成し、突起部を有す
る(111)面上に、シリコン、ゲルマニウム、これら
の混晶系のうちのいずれかの堆積層を形成し、突起部に
堆積して形成した堆積層の尖端部を発光部としたことを
特徴とする。前記の発光薄膜作成方法において、好まし
くは、堆積層は、100オングストローム以上1ミクロ
ン以下の膜厚を有することを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a method for producing a light emitting thin film, wherein the (111) plane of an oxide made of an alkaline earth metal such as magnesium oxide (MgO) is immersed in hot phosphoric acid.
Many triangular pyramids formed by (100) plane
Forming a (111) plane having a projection, and having a projection
Silicon and germanium on the (111) plane
Of any of the mixed crystal systems of
The tip portion of the deposited layer formed by deposition is used as a light emitting portion . In the above method for forming a light emitting thin film, preferably, the deposited layer has a thickness of 100 Å or more and 1 μm or less.

【0005】[0005]

【作用】本発明では、酸化マグネシウム(MgO)の
(111)面を形成するため、その基本的前提として次
の処理を行う。まず発光薄膜の基板となるMgOの(1
11)面を出すために、面心立方結晶であるMgOにお
いて、X線回折により〔111〕方位を決め、この方位
に垂直な方向にダイヤモンド切断機で切断する。次に、
アルミナの粒度の細かい粉の上で、切断痕を取り除くた
め、切り出した(111)面が鏡面になるまで研磨す
る。その後、約70℃の熱燐酸の中に15分漬けること
により、発光薄膜基板となる(111)面を形成する。
上記の如く作製したMgOの〔111〕方位軸に垂直な
(100)面は、3個の(100)面から形成される三
角錐が、規則正しく、極めて多数存在する面となってい
る。三角錐の高さは、数ミクロンである。こうして作製
されたMgOの(111)面に、化学気相成長法又は物
理蒸着法を用いてSi、Ge、SiGe混晶系のいずれ
かを堆積し、これにより堆積層を形成する。この堆積層
は、その表面に、(111)面の多数の三角錐の形状に
対応して、多数の三角錐の凸部を形成することになる。
この突起物の尖端形状によって微結晶の量子サイズ効果
に基づいて、発光現象を生じさせることが可能となる。
化学的に処理された(111)面の上に堆積した層が、
その膜厚が100オングストローム以上になると、フォ
トルミネッセンスが観測される。しかし、1ミクロン以
上になると、フォトルミネッセンスの強度が減少する。
これは、堆積層の厚みが厚くなるために、堆積層の表面
の角錐の尖端形状が崩れ、微結晶の量子サイズ効果が薄
れてくるからである。
In the present invention, the following processing is performed as a basic premise for forming the (111) plane of magnesium oxide (MgO). First, MgO (1
11) In order to form a plane, the [111] direction is determined by X-ray diffraction in MgO, which is a face-centered cubic crystal, and cut by a diamond cutter in a direction perpendicular to this direction. next,
In order to remove cutting marks on the fine powder of alumina, the cut (111) plane is polished until it becomes a mirror surface. Thereafter, the substrate is immersed in hot phosphoric acid at about 70 ° C. for 15 minutes to form a (111) plane to be a light emitting thin film substrate.
The (100) plane perpendicular to the [111] azimuth axis of MgO prepared as described above is a plane in which a large number of triangular pyramids formed from three (100) planes are present regularly. The height of the triangular pyramid is several microns. Any of Si, Ge, and SiGe mixed crystal system is deposited on the (111) plane of the MgO thus manufactured by using a chemical vapor deposition method or a physical vapor deposition method, thereby forming a deposited layer. This deposited layer forms a large number of triangular pyramid projections on its surface corresponding to the shape of the many (111) triangular pyramids.
The pointed shape of the projection makes it possible to cause a light emission phenomenon based on the quantum size effect of the microcrystal.
A layer deposited on the chemically treated (111) plane
When the film thickness exceeds 100 angstroms, photoluminescence is observed. However, above 1 micron, the intensity of photoluminescence decreases.
This is because the pointed shape of the pyramid on the surface of the deposited layer is broken and the quantum size effect of the microcrystal is weakened because the thickness of the deposited layer is increased.

【0006】[0006]

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図1において、1はMgOの基板である。
基板1の図中上面には(111)面が形成されている。
この(111)面の形成方法については、前記作用の欄
で説明した通りであり、〔111〕方位を見つけ、この
方位に垂直に切断を行い、前述の所要の処理を施すこと
により、(111)面1aを形成することができる。こ
の(111)面には前述した無数の三角錐形状の突起部
3が形成されている。参照符号3aは、三角錐形状の突
起部3を形成する(100)面を指す。次に図2に示す
如く、(111)面の上に堆積層2を作製する。堆積層
2の材質は、Si、Ge、SiGe混晶系のいずれかで
ある。この堆積層2を形成するための技術としては、任
意のものを使用することができる。堆積層2は、基板の
(111)面の上に堆積が開始されると、(111)面
の形状に合致して堆積を行う。したがって、堆積層2の
表面の形状も、(111)面の形状に倣って、三角錐の
形状を有した多数の突起部が形成される。この堆積層2
の表面に形成される突起部に関し、堆積層2の厚みが1
00オングストローム以上の厚みになると、その尖端形
状部において、微結晶の量子サイズ効果が発生する。こ
れにより、励起光を与えると、堆積層2の表面の多数の
突起部の尖端部から光を発生する。堆積層2の厚みを、
所定の範囲内で適宜に調整すると、堆積層表面の突起部
の尖端形状を制御することができ、これによって、発光
する光の波長等の調整を任意に行うことができ、極めて
制御性の良い光を作ることができる。基板1の表面にお
ける堆積を更に継続すると、堆積層2の膜厚が厚くな
り、図3に示す如く、堆積層の表面に形成される突起部
の角錐形状が崩れてくる。したがって、堆積層2の膜厚
が1μmを越えると、微結晶の量子サイズ効果が低減
し、発光現象が弱くなって、所望の光強度の光を得るこ
とが困難になる。前記の実施例では、基板1の材質とし
て、MgOについて説明したが、アルカリ土類金属から
なる酸化物であれば、任意のものを用いることができ
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an MgO substrate.
A (111) plane is formed on the upper surface of the substrate 1 in the drawing.
The method of forming the (111) plane is as described in the section of the operation. The (111) direction is found, cut perpendicular to the [111] direction, and by performing the above-described required processing, the (111) direction is obtained. ) Surface 1a can be formed. On the (111) plane, the innumerable triangular pyramid-shaped projections 3 are formed. Reference numeral 3a indicates a (100) plane on which the triangular pyramidal projection 3 is formed. Next, as shown in FIG. 2, a deposition layer 2 is formed on the (111) plane. The material of the deposition layer 2 is any of Si, Ge, and a mixed crystal of SiGe. Any technique can be used for forming the deposition layer 2. When deposition starts on the (111) plane of the substrate, the deposition layer 2 is deposited according to the shape of the (111) plane. Therefore, the shape of the surface of the deposition layer 2 also follows the shape of the (111) plane, and a large number of protrusions having a triangular pyramid shape are formed. This sedimentary layer 2
The thickness of the deposited layer 2 is 1
When the thickness is more than 00 Å, a quantum size effect of microcrystals occurs at the pointed portion. Thus, when excitation light is applied, light is generated from the tips of a number of protrusions on the surface of the deposition layer 2. The thickness of the deposition layer 2
When appropriately adjusted within a predetermined range, it is possible to control the shape of the tip of the projection on the surface of the deposition layer, whereby it is possible to arbitrarily adjust the wavelength of emitted light, etc., and to have extremely excellent controllability. Can make light. When the deposition on the surface of the substrate 1 is further continued, the thickness of the deposition layer 2 increases, and as shown in FIG. 3, the pyramid shape of the protrusion formed on the surface of the deposition layer is broken. Therefore, when the thickness of the deposited layer 2 exceeds 1 μm, the quantum size effect of the microcrystal is reduced, the light emission phenomenon is weakened, and it becomes difficult to obtain light of a desired light intensity. In the above embodiment, MgO was described as the material of the substrate 1. However, any material can be used as long as it is an oxide made of an alkaline earth metal.

【0007】[0007]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、従来の手法とは異なる方法で規則正しい無数の
突起部を有し、各突起部の先端部が微結晶の量子サイズ
効果を発揮する発光薄膜を作製することができる。更
に、この発光薄膜作製方法によれば、薄膜の厚み等の調
整が容易であるので、発光条件を制御しやすいという効
果を有する。
As is clear from the above description, according to the present invention, the present invention has a myriad of regular projections in a method different from the conventional method, and the tip of each projection has a quantum size effect of the microcrystal. A light emitting thin film exhibiting the above characteristics can be produced. Further, according to this method for producing a light emitting thin film, it is easy to adjust the thickness and the like of the thin film, so that there is an effect that the light emitting conditions can be easily controlled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(111)面を有するMgO基板の縦断面図で
ある。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an MgO substrate having a (111) plane.

【図2】(111)面に堆積層が形成された状態の発光
薄膜の縦断面図である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a light emitting thin film in a state where a deposition layer is formed on a (111) plane.

【図3】堆積層が厚くなり過ぎた状態の発光薄膜の縦断
面図である。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a light emitting thin film in a state where a deposited layer is too thick.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …基板 1a …(111)面 2 …堆積層 3 …突起部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 1a ... (111) surface 2 ... Deposited layer 3 ... Protrusion

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/20 - 21/205 H01L 33/00 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C23C 16/00-16/56 H01L 21/20-21/205 H01L 33/00 JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アルカリ土類金属からなる酸化物の(1
11)面を熱燐酸に漬けることによって、(100)面
で形成される多数の三角錐の突起部を有する(111)
面を形成し、 前記突起部を有する(111)面上に、 シリコン、ゲル
マニウム、これらの混晶系のうちのいずれかの堆積層を
形成し 前記突起部に堆積して形成した前記堆積層の尖端部を発
光部とした ことを特徴とする発光薄膜作製方法。
1. An oxide (1) of an alkaline earth metal oxide
11) By soaking the surface in hot phosphoric acid, the (100) surface
(111) having a large number of triangular pyramid projections formed of
Forming a surface, said has a projection (111) surface of silicon, germanium, the deposition layer or the deposited layer was formed, was formed by depositing on the protrusion of these mixed crystals From the point of the
A method for producing a light emitting thin film, wherein the light emitting portion is used.
【請求項2】 請求項1記載の発光薄膜作成方法におい
て、前記堆積層は、100オングストローム以上1ミク
ロン以下の膜厚を有することを特徴とする発光薄膜作製
方法。
2. The method according to claim 1, wherein the deposited layer has a thickness of 100 Å or more and 1 μm or less.
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