JP3243303B2 - 量子閉じ込め半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は広く半導体による発光に
関する。更に詳しくは本発明は結晶シリコンなどの間接
バンドギャップ半導体材料からの発光を得るための方法
及び装置に関する。ここにおける装置は公知のＶＬＳＩ
プロセス技術と適合し、これにより構成することができ
る。

【０００２】

【従来技術】ＬＥＤは２端子（ｐ−ｎ接合）の整流素子
であり、順方向バイアスの場合には電子と正孔を再結合
させ、これにより発光する。ＬＥＤを半導体内に組み込
む場合には、電子はｎ型領域からｐ−ｎ接合領域に供給
され、また正孔はｐ型領域から供給される。放出された
光のエネルギー（従って、その波長）は二つの再結合キ
ャリアのエネルギーの差に等しい。半導体においては、
エネルギーの差は通常バンドギャップエネルギーにほぼ
等しい。多くの半導体において、最も著名なものはガリ
ウムひ素（ＧａＡｓ）であるが、バンドギャップは”直
接型”である。つまり、電子と正孔は単純に光子を放出
することによって、エネルギーを運び去ることができ
る。シリコン（Ｓｉ）などのこれ以外の半導体において
は、バンドギャップは”間接型”であり、これはフォノ
ンすなわち格子振動が光放出の過程において励起されな
ければならないことを意味する。その結果、間接ギャッ
プ材料は発光において直接ギャップ材料に比べ、一千倍
から百万倍ぐらい能率が悪い（即ち、電子正孔再結合か
ら放出される光は一層少なく、放出される熱は一層多
い）。このため、現在見られる固体ＬＥＤは主にＧａＡ
ｓ及びその合金などの直接ギャップ材料から製造され
る。

【０００３】間接バンドギャップのために今のところ発
光体として実施できない多くの半導体がある。例えばシ
リコン、ゲルマニウム、高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ等が
挙げられる。シリコンはその間接ギャップによって制限
される半導体材料の重要な特殊例である。もし、シリコ
ンを効率良く発光するようにできれば数多くの新たな技
術が可能になる。Ｓｉのデジタル及びアナログ処理能力
とオプトエレクトロニクス能力を機能的に集積すること
により、チップ上やボード上、またはチップ間、ボード
間、さらにはこれらの両者の間の高速ワイヤレス内部結
合のモノシリック製造や高帯域、ワイヤレス局部ネット
ワーク化、光誘導マーキング法が可能になる。

【０００４】Ｓｉ及びその合金における間接ギャップを
直接ギャップに効率よく変換するためにさまざまな案が
実行されてきている。その内のひとつ手法は間接ギャッ
プの超格子構造により発生されるバンドフォールディン
グ（band folding) を利用する。この方法は直接ギャッ
プを作り出すために確かに作動するが、結果のとして生
じる材料の放射再結合の断面積が極めて小さい。このた
め励起したキャリアが通常非放射性である他の再結合チ
ャンネルを見つけるのに時間がかかる。それゆえ、高効
率であることを要する素子の重要な基準、即ちキャリア
対再結合当たりに放出される光子数の割合が高くなけれ
ばならないという基準を満足することができない。

【０００５】別の方法としては不純物を間接ギャップ材
料に添加し、不純物原子における電子正孔再結合を局所
化する方法がある。これによりキャリアの波動関数は修
正され、直接ギャップ型の再結合が生じる。この例とし
てはＧａＰに窒素を混入させる場合とＳｉにエルビウム
を入れる二つの場合が挙げられる。第一の場合について
は、これまでのところほかの半導体材料に一般化されて
いない。後者の場合は、例えば、最大再結合効率が非常
に低く、また室温における放射性再結合に対し、不純物
の効果を発揮しない。つまり、これもまた前記効率の基
準を満たしていない。

【０００６】直接ギャップ材料とシリコンを一体化して
集積化を達成するため多くの努力が現在までになされて
きている。これらの方法の中には、シリコン上に直接Ｇ
ａＡｓを成長させる試みがあるが、今のところ部分的な
成功に留まっている。ＳｉウェファーにＧａＡｓ素子を
結合するというようなハイブリッド技術も開発されてい
る。しかし、これらの集積化技術は、いずれも標準的な
Ｓｉ素子製造方法にない新たな工程を要するため、Ｓｉ
素子加工が複雑になる。

【０００７】間接ギャップ半導体を直接ギャップ半導体
に変換する方法の一つとして間接ギャップ材料内のキャ
リアの波動関数を局所化することが考えられる。キャリ
アを閉じ込めれば、閉じ込めの大きさでキャリアの波動
関数の量子化が起こり、これによりエネルギーが離散的
な値Ｅn （ｎ＝１，２，３，．．．．）に限定される。
これらのレベル（”量子レベル”）は図１に示されるよ
うなＳｉＯ2 ／Ｓｉ量子井戸構造の束縛状態図により一
般的に表現される。キャリアを閉じ込める半導体層の厚
さがキャリアのドブロイ波長（λ＝h'／ｐ，ｈ' はプラ
ンク定数、ｐはキャリアの運動量）に近づくと、レベル
間の間隔が意味を持つ（例えば、キャリアの熱エネルギ
ー（室温で２５ｍＶ）より大きくなる）。キャリアの量
子閉じ込めに伴い、発光（ＰＬ）ピークエネルギーが大
きい（波長が短くなる）方へシフトし、またバンドエッ
ジ（bandedge）再結合の効率が向上する。量子井戸、量
子ワイヤー及び量子ドット構造はこの手法の最も簡単明
瞭な例である。

【０００８】量子閉じ込め効果の実用的なモデルとして
非常に単純でしかも正確な近似を考察しよう。ｄ次元の
無限深の矩形井戸型ポテンシャルにおいて、エネルギー
レベルは下記（１）式により与えられる。

【化１】 により与えらる。式中、h'はプランク定数を２πで割っ
たものであり、ｎi は量子数であり、１以上の整数（粒
子の波動関数が閉じ込め壁に閉じ込める半波の数）であ
り、ｍi はキャリアの有効質量、Ｌi はｉ次元の井戸幅
である。すべてのｎi ＝１の場合に最低エネルギーとな
る。この場合には”ｄ”次元において、等方的質量に関
して、すべてのＬi はＬとなり、（即ち正方形の井戸）
で、

【化２】 となる。図１に示すように、量子閉じ込め半導体におけ
る電子のエネルギーは、このようにΔＥe1、ΔＥe2など
といった量ずつ増加し、正孔のエネルギーはΔＥh1、Δ
Ｅh2の量ずつ増加する（ここで一般に質量は異なってい
る。）

【０００９】電子正孔再結合から放出される光子の全エ
ネルギーは

【化３】 により与えられる。ｄ次元の井戸において簡単のためｍ
_e ＝ｍ_h ＝ｍ（自由電子）と仮定した場合、Ｅg からの
増分ΔＥ＝ΔＥｅ_n ＋ΔＥｈ_n は、Ｌ（ｎｍ）において
ｄ／Ｌ²(eV) にほぼ等しくなる。図２にこの様子をｄ＝
１，２，３について示す。

【００１０】キャリアの量子閉じ込めはＳｉネットワー
クの遷移不変量に変化を生み（つまり、周期構造の不安
定さを増加させ）、多くの運動量選択則が適用できなく
なる。この結果、キャリアの再結合の際のフォノンの発
生は光子の発生に必要無くなる（すなわち、直接遷移の
数が増加し、間接遷移の数が減少する）、素子の効率が
向上する。更に、同一の小体積に電子及び正孔を空間的
に閉じ込めることにより、波動関数の重なりを増加さ
せ、この結果、放射性再結合の確率を増加させる。

【００１１】電子閉じ込めの例は今や非常に多く、結晶
及び非結晶シリコンにおいても幾つかの例がある。最も
新しいものは、電気化学的エッチングにより小さいが連
続した凝集体(clump) に形成されたｐ型シリコン（いわ
ゆる”多孔質シリコン”）上で行う。この多孔質シリコ
ンは、シリコンウェファーをウェファーのなかに小さな
穴をあける酸性の電気化学的浴槽に浸すことにより形成
される。次いでウェファーは化学的にエッチングされ穴
が広げられる。これにより、連らなったシリコン細線の
幾分不規則なパターンが形成され、スポンジ状の構造と
なる。連なったＳｉ細線の断面が３ｎｍ程度の場合、肉
眼視でき、且つ適度に有効な室温発光がが観測される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】電気ルミネセンスは直
接ギャップ材料における１及び２次元閉じ込め構造にお
いて観測されている。電気ルミネセンスはまた、シリコ
ンダイオード内のＳｉ被覆へのトンネル注入によっても
誘導される。しかしながら、いまのところ、Ｓｉまたは
その他の間接ギャップ材料で、実用的な性能特性、特に
電子光学的効率をもった電気ルミネセンス素子（例えば
ＬＥＤ）を製造されていない。このような素子を提供す
ることが本発明の一つの目的である。

【００１３】更に、半導体ＬＥＤは主に単波長の光を発
する。この波長は主としてＬＥＤを構成する半導体材料
によって決定される。しかし、ＬＥＤの適合性を最適化
するために二つもしくはそれ以上の異なる出力波長間で
ＬＥＤ出力波長を調整、切り替えすることが必要となる
ことがある。発光素子の出力波長を調整し、または切り
替えるために回折格子、ホログラム等の外部装置を従来
使用してきた。しかしながら、このような外部調整配置
は光源のサイズを大きくし、また複雑化するので不都合
である。このため、素子そのものの特性を制御すること
により、素子を調整できれば好都合である。この為、本
発明の別の目的は発光素子の出力波長の調整特性もしく
は切替を改良することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明はシリコンなどの
間接ギャップ材料から製造され、多次元（少なくとも二
次元）で量子キャリア閉じ込めを行うように構成した発
光装置、及びこのような装置を製造する方法を提供す
る。本発明の一態様によれば、本装置は結晶シリコン等
の半導体材料の基板上にナノ単位（直径が３ナノ程度）
の平行な発光構造のアレイを有する。この発光構造は実
質的なフリーキャリアの閉じ込めを行う２次元のほぼ円
柱状の構造（カラム構造）として形成されている。別の
態様によれば、２次元カラム構造の代わりに、二次元
（即ち量子ワイヤ）にフリーキャリアを閉じ込める（即
ち量子化する）平面構造、または三次元（即ち、弱く連
結された量子ドット）にフリーキャリア閉じ込める（即
ち量子化する）構造を基板に構成する。２次元または３
次元の量子閉じ込めカラム、ワイヤもしくはドットの大
きさによる機械的脆さはその構造にフィールド材料を供
与することにより解決される。このフィールド材料はま
たアレーを不動態化し保護する働きも担う。フィールド
材料は動作波長において光学的に透明であり、構造体そ
のものの形成副産物であってもよい。例えば金属コンタ
クト層を蒸着することにより、電気接触をもたらして、
ＬＥＤを形成する。

【００１５】量子カラム、ワイヤまたはドットの結晶核
の空間的大きさにより、発光のピーク波長λ（λ Ｌ2
、ここでＬは量子閉じ込め領域の横方向の大きさ）が
決定される。この為、本発明による発光装置の出力波長
はその大きさ（例えば、カラム構造の直径）を制御する
ことにより選択することができる。或は、ＬＥＤアレイ
の形成処理工程を制御することにより、そのアレイから
複数の異なる波長を同時に発することが可能であり、ま
た複数の異なる波長で同時に離散的に発光するようにア
レーを組み立てたり、アレーを一つの基板上で独立に駆
動し得る。

【００１６】２次元または３次元の量子閉じ込め構造に
順方向バイアスを印加すると、量子的に閉じ込められた
電子及び正孔がお互の方に向かってドリフトしそして再
結合する。この再結合は量子閉じ込め構造のみに生じる
（即ちカラム、ワイヤ、またはドットにおいてのみ、中
間構造フィールド材料では起こらない）。しかし、構造
体の中心同士の間隔は発光された波長よりずっと小さい
ので、構造体及び中間構造フィールド材料全体を構造体
と中間構造フィールド材料の屈折率の中間の実効屈折率
を有する一つの均一な光学構造体として扱うことができ
る。この為、光子のコヒーレントでない放出に関して、
直接ギャップ半導体を用いた標準的なバルクＬＥＤから
の発光と同等にランバート分布にてアレイから光が放射
される。更に、もし効率が十分に高いと、コヒーレント
な誘導放出は自然放出を支配し、レーザー発光を導く。

【００１７】本発明は一般にすべての間接ギャップ半導
体材料についてのものであるが、ここでは説明を単純化
する為の例として結晶シリコンの具体例及びその製造を
用いる。更に、本発明は、多くのタイプの発光素子のう
ちの一つを生産するものであるが、特定の例として発光
ダイオード（ＬＥＤ）の具体例及び製造を取り上げる。
本発明のシリコンｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎＬＥＤの製造
方法は、縮退的にドープしたｎ型層（例えばＡｓドーピ
ング）をＳｉ基板内のｐ型領域またはウェファーまたは
ｐ型ドープ領域に創出する工程を含む広義の方法を意味
する。次にドット（例えば絶縁材料からなる）アレイを
ｎ型層の表面に形成する。パターンニングは電子線リソ
グラフィまたはＸ線リソグラフィよって行う。次にｐ型
層にこれらのドットをＲＩＥマスクとする反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）により、シリコンに垂直壁カラム
を形成する。次にこのＳｉカラムを酸化する。このドッ
トはまた酸化マスクとして作用する。Ｓｉ表面のＲＩＥ
による損傷は酸化処理により除去される。カラムの非酸
化Ｓｉ残部が２−３ｎｍ程度の厚さになったら酸化を中
止する。次に必要があれば、酸化物の焼きなまして、粘
性緩和及び応力緩和をさせることができる。絶縁ドット
を選択的にエッチング除去し、インジウム・ズズ酸化物
（ＩＴＯ）等の透明金属を蒸着しカラムとの電気接触を
形成する。次いで透明被覆材料を蒸着または引き伸ばし
て不動態化し且つカラムを構造的に保護する。このよう
に各カラムが、一つのＬＥＤを形成し、動作の際には各
ＬＥＤに並列に順方向にバイアスをかけ、発光を誘発す
る。

【００１８】本発明の範囲及び従来技術に関する問題点
に対処する方法は添付図面及び特許請求範囲と共に以下
の詳細説明から、より一層明らかになるであろう。

【００１９】

【実施例】図３を参照し、シリコンＬＥＤ１０の製造を
本発明に従い説明する。ＶＬＳＩ処理をすることが可能
な（または既に多くのデバイス処理過程を実際に施し
た）結晶シリコンの基板１２にはｐ型領域１４が形成さ
れている。この領域は、基板にＬＥＤを包含するための
十分な深さ、例えば１００ｎｍまで、部分的に又は全体
的に充填されている。ｐ型領域１４は既知の多くの方法
のひとつ、例えば注入等によって形成され得る。ｐ−ｎ
ダイオード接合構造は縮退的にドープしたｎ型層１６を
領域１４（及び場合によっては基板１２）に接触する関
係で形成される。層１６は例えば、エピタキシャル過成
長、注入、拡散またはその他のよく知られた手段によ
り、ｐ型領域１４内を貫通しない程度の厚さまでＡｓを
ドーピングすることによって形成される。なお、ここで
は領域１４はｐ型材料、領域１６はｎ型材料として記述
したが、上記及び本記述のすべてにおいて、本発明の原
理を変えることなく、また特許請求範囲に記載したよう
な本発明の範囲から逸脱することなく、ｎとｐを交換す
ることが可能である。更に、ｐ−ｎ接合素子の製造の初
期工程を上述したが、ドーピングしていない真性材料層
（図示せず）を層１４と１６の間に単に形成する殊によ
って、ｐ−ｉ−ｎ素子の基礎が得られる。

【００２０】層１６の形成に続き、材料層１８を層１６
の上側の露出表面上に蒸着または形成する。層１８は、
典型的には窒化ケイ素等の絶縁材料にし得るが、以下に
記述するそのほかの材料も使用できる。層１８の材料及
び層１６の材料（本具体例においてはシリコン）間の内
部拡散は最小限に抑えなければならない。次に層１６上
にドット１８ａのアレイを残すべく層１８にパターンを
形成し、エッチングを施す。ここでドットの直径は２０
ｎｍ程度であり、また、典型的なドット１８ａの中心間
距離は５０ｎｍ程度である。ドット１８ａのアレイは本
発明の基本的な概念から逸脱せずに、規則的であって
も、不規則であっても構わない。ドット１８ａを得るの
に用いる処理により、実質的な酸化が起こるようなこと
はあってはならない。また、内部拡散を最小限に抑える
必要がある。電子ビームリソグラフィー、Ｘ線リソグラ
フィーなどの方法は、これらの要請に応ずるドット１８
ａを得るために適する。図４にドット１８ａが配列した
アレイの平面図を示す。

【００２１】ドット１８ａの直下の層１４及び１６の領
域をエッチングしないで残すために、エッチングマスク
として作用するドット１８ａのアレイにより、層１４及
び１６（及び場合によっては基板１２）を適当な方法、
例えば反応イオンエッチング（ＲＩＥ）でエッチングす
る（ＲＩＥは、典型的には垂直壁構造を形成するが、図
５Ｂに示すように、その断面が基部において若干広がり
且つ先端に向かって先細りになった構造１９も許容され
る）。これにより、ｐ型材料１４、ｎ型材料１６及び絶
縁材料（ドット１８ａ）の積層領域からなる垂直壁カラ
ム２０が形成される。図５Ａはこの構造を示している。
ドット１８ａを形成するための方法及び層１４、１６等
をエッチングする方法によって、フォトレジスト等のこ
の他の材料（図示せず）をカラムに積層することもでき
る。エッチングを例えば図５Ａに示すように層１４を中
ばまで行うことによって、層１４のｐ型材料の一部によ
り相互接続されたカラム２０を各々残すように実行す
る。

【００２２】次にｐ−ｎ（またはｐ−ｉ−ｎ）接合が存
在するカラム２０を細くし、必要な量子閉じ込めを得な
ければならない。このために、Ｏ₂ またはＨ₂ Ｏを使用
し、８５０℃前後の温度範囲でカラムを酸化する。ドッ
ト１８ａは酸化マスクとして作用する。十分に報告され
ているように、酸化を防止するマスクを使用すると常に
マスクの下に酸化物侵食をもたらす。この効果に利用し
て、ドット１８ａの下のカラムを狭める。同時に、酸化
物２２の成長が進み、カラムの間の空隙を埋める。酸化
物２２を有する酸化構造を図６Ａに示す。

【００２３】酸化工程は本発明の技法を実現可能かつ実
際的にする多くの利点をもたらす。例えばＳｉ残部の曲
率半径が小さくなると酸化速度が急激に遅くなり、これ
により、カラムの直径を均一にし、更に狭細の最終段階
の向上した制御をもたらす。更に、Ｓｉ／ＳｉＯ2 境界
は安定し、不動態化された大きなバンドギャップのＳｉ
端部となる。これはバイポーラ素子に有効である。更
に、ＲＩＥにより誘起される真性のｐ型及びｎ型Ｓｉ表
面における損傷も酸化処理により無くなる。また、分離
係数が非常に小さい、即ち、酸化物中における不純物の
平衡濃度がシリコン中の不純物の平衡濃度よりずっと小
さいひ素等の不純物に関し、これらの添加原子は酸化物
が成長するにつれ酸化物から除去され且つＳｉコアーの
方向に誘導される傾向にある。これのように、酸化処理
は、カラム内の添加不純物濃度を増加させるという利点
ももたらす。

【００２４】カラム内の非酸化Ｓｉ残部の幅が２−３ｎ
ｍ程度になったところで酸化を中止する。口径測定の工
程はサンプルを酸化反応器内の冷却部に引き出してか
ら、サンプルからのホトルミネセンスにより走査または
検査することができる。酸化の終わりに近づいたとき
に、酸化温度を下げ、制御を向上させることができる。
その後、必要に応じて、酸化物を焼きなまして粘性緩和
及び応力緩和させることができる。

【００２５】構造体を完成されるために、狭細化された
カラムに電気接触を形成しなけらばならない。図６Ｂに
示すように他の構造に影響を及ぼすことなく（例えばＳ
ｉ3Ｎ4 ドットに対しては、リン酸を使用し）、ドット
１８ａを剥ぎ取り、図７に示すようにカラムの頂上にク
ロムフラッシュ２４を堆積する。このクロムフラッシュ
はシリコンとその上に堆積する金属層との接着及び電気
接触を改善する働きをする。次いで、インジウム・スズ
酸化物（ＩＴＯ）２６などの透明金属層２６を堆積しフ
ラッシュ２４と電気的に接触させ、これにより各カラム
を接続する。その上にポリイミドなどの透明被包材料２
８を堆積し不動態化し且つ下部のカラムを構造的に保護
する。

【００２６】動作の際には層２６及び基板１２（または
ｐ井戸へのＰヴァイア接点（図示せず））を電気接点と
して用いて、素子１０にバイアスを印加する。この印加
バイアスは、電子と正孔をお互の方向に移動させ、カラ
ム２０内で結合させるのに十分なバイアスである。この
結果室温動作条件において、光が発生する。図１５の矢
印はこの光の発生を示す。発生した光は酸化層、被包
層、透明金属接触層を透過し、素子１０の表面を通って
放出される。ここで、方向を調整し、目的にあわせて使
用し得る。

【００２７】間接ギャップ材料のＬＥＤを形成する上述
の方法にはさまざまな変形が考えられる。例えば、カラ
ム形成の際にＳｉといっしょにエッチングされる材料に
よりドット１８ａを構成することが可能である。この方
法によれば、図８に示すような構造３０が得られる。酸
化は上述のように進行するが、酸化物３２は横だけでな
く、カラムの上の部分にも形成されるという違いがあ
る。この様子を図９に示す。次に透明絶縁材料３４（Ｓ
ｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 、ポリイミド等）を図９に示すよう
にカラムの間の空隙に堆積させる。次にこれを適当な方
法で図１０に示すように平坦化し、各カラムのｎ型材料
を露出する。その後にガスアニーリングを行なってもよ
い。つぎにスパッタリングまたは別の方法により透明金
属接触層３６で堆積し、図１０に示すようにしてオーム
接触を形成する。

【００２８】上述した基本処理の別の態様として、自己
配列球体から形成されるようなナノ単位規模の自己配列
マスク（図示せず）を利用する方法がある。これらの球
体は２０から２００ｎｍの範囲の直径を有しポリスチレ
ンやこれに類似した材料で構成される。これらの球体を
エタノールなどの低密度で高蒸気圧の液体に懸濁し、こ
れを基板、窒化ケイ素、二酸化ケイ素等の表面に被覆す
る。この基板を例えば３０ｒｐｍ程度で回転させ、球体
を自己組織化単分子層中に配分させる。次にこの球体に
よりを懸濁している液体を乾燥Ｎ2 等の温風で蒸発さ
せ、残った乾燥した単分子層をマスクとして使用し（球
体が溶けないように注意して）低出力ＲＩＥを行い得
る。その後、ウェファーを洗う等して球体を除去する。

【００２９】更にはドット１８ａをパラジウムや金属多
層膜等の非酸化金属により形成する別の変形例がある。
ドット１８ａの材料の選択を制限する条件、即ち、酸化
及び相互拡散を最小限に抑えるという要請に加え、この
態様においては、更に金属及びシリコンが最大処理温度
より低い共融温度で共融混合物を形成してはならないと
いう制限が材料の選択に際し付加される。この他の材料
・処理の制限としては、ドット１８ａを構成する材料は
プロセス中に実質的に酸化することがないことと、ドッ
ト材料とシリコンとの間の相互拡散を最小に抑えること
である。ドット１８ａを構成する適当な方法のひとつと
して、上述の球体のアレイ間の空所から適当な金属を蒸
着する方法がある。

【００３０】図１１に示す構造３０を参照する。ドット
１８ａが適当な金属により形成されたら、上述のように
すべての処理工程を行い得る。ただし、この際、カラム
とのオーム接触を形成する際にドット１８ａの除去を行
わなう必要はなく、酸化後、このまま酸化層２２上及び
カラムと電気接触するドット１８ａ上にＩＴＯなどの透
明導体層４０を覆う。反応器系に金属ドット１８ａを用
いることは好ましいことではないが、この態様に従っ
て、間接ギャップ材料のＬＥＤを製造するには工程数を
一層減らすことが要求され、このような素子の製造の特
別設計システムを導く可能性がある。

【００３１】この他の変形例としては結晶性シリコン以
外の基板を使用する方法がある。例えばサファイアやガ
ラスの基板に単結晶または多結晶シリコンを堆積し、こ
のシリコンを上述のＬＥＤを形成する処理にかける。更
に基板そのものはＧａＡｓ等の直接ギャップ材料にし
得、その上にＡｌＧａＡｓやその他の類似化合物構造の
間接ギャップ材料の層を被覆することも可能である。

【００３２】更にまた、ｐ型基板上に半導体材料ではな
いが、キャリア（例えば電子）の供給源として作用する
材料を形成または堆積することも可能である。この場合
の材料としては、例えば適当な金属（例えば白金）等が
可能であり、これによりショットキー型のダイオード素
子が構成される。ショットキー型ダイオード素子の一具
体例において、多次元の量子閉じ込めを上述のごとく提
供することができよう。また別のショットキー型ダイオ
ード素子の具体例としては、ｐ型基板を多孔質シリコン
により構成することができる。この例において、シリコ
ン基板を部分的にエッチングし、上述のカラムコアーと
同等の大きさ（数十オングストローム程度の幅）のカラ
ム構造をもたらす。等大の透明、堆積の不動態化絶縁体
（パリレン等）をこの構造体に例えば１００ 程度の厚
さに被覆する。次にこのパリレンを横方向イオン研磨ま
たはそのほかの同様な方法により、シリコン構造の最上
部が露出されるまで平面研磨する。最後に、クロムフラ
ッシュまたは同様な物質を付着させＩＴＯなどの透明導
体で覆いカラム構造に電気的接触をもたらす。

【００３３】次に本発明の別な具体例について記述す
る。この具体例では半導体量子ワイヤー構造の縦軸が基
板面に平行、即ち水平に横たわっている。概して言え
ば、間接ギャップ半導体材料の実際の構造において電子
ルミネセンスを実現する際に、主に二つの難点がある。
その一つは発光構造が極端に小さくなければならないこ
とである。この要請はすでに言及した。第二の要請はこ
の構造を使用するＩＣ組み込み可能な素子の製造であ
る。デバイス技術戦略に組み込むための代替構造を提供
するために本発明を以下に述べるように平面的な構造に
し得る。

【００３４】図１２は及び図１３はそれぞれこのような
構造を採用する素子１００の平面図及び側面図である。
これらの図を参照するに、シリコン基板１０２には結晶
シリコン最上層１０６の下にＳＩＭＯＸまたは埋設酸化
物層１０４の領域が設けられている。シリコン最上層１
０６のうち領域１０８（ここでは上から見て素子１００
の上部に示す部分）はｐ型不純物が注入されており、補
足領域１１０（ここでは上から見て素子１００の下部に
示す部分）はｎ型の不純物が注入されている。次に、後
で形成される量子閉じ込め構造を調整するために用いら
れるシリコン最上層１０６に表面酸化物１１２を成長さ
せる。更に窒化ケイ素を堆積させ、シリコン最上層１０
６の上側の面上に横切って延びるストライプ１１４にパ
ターン化する。このストライプ１１４は図示の如、実質
的にシリコン最上層１０６の上側の面の長さと同等に伸
びている。しかし、これらのストライプは量子閉じ込め
構造の長さを規定するので、量子閉じ込め構造の望まし
い最終寸法大きさに依存して、同方向に伸ばしたり、縮
めたりし得る。ストライプ１１４の要請の一つとして、
いかなる長さであろうと、このストライプがｐ型領域１
０８とｎ型領域１１０の間の境界を跨っている必要があ
る。次にこの窒化ケイ素ストライプ１１４を酸化マスク
として用いて、シリコン最上層１０６の上側の面から酸
化を行う。この結果、先に述べた侵食により、窒化シリ
コンストライプ１１４の下にある狭幅のコアー領域１１
６を非酸化結晶シリコンとして残す以外は、層１０６を
酸化する。あるいは、ＲＩＥを用いることも可能であ
り、この場合にも、ストライプ１１４をマスクとして用
い、ストライプ１１４の間の隙間領域及び、下側に空洞
（図示せず）を形成する。酸化工程は横方向に進行し、
結晶シリコンのコア１１６を形成するように制御され
る。次に必要に応じてストライプ１１４を除去する。い
ずれの方法で狭幅コアー１１６を形成した場合において
も、２から３ｎｍ程度までコアの幅を狭め、量子閉じ込
め構造を形成する。コアの長さはその幅及び高さに比し
て極めて長く、このため”量子ワイヤ”と呼ばれる。各
量子ワイヤはｐ−ｎ（または同等なｐ−ｉ−ｎ）接合１
１８を有し、これによりひとつのＬＥＤを構成する。接
触１２０及び１２２を適宜な方法で形成し素子を完成さ
せる。（必要であれば、基板１０２から適当な静電隔離
（例えばｐ−ｎ接合）により、下からの隔離をもたらす
ことが可能である。）光は酸化されたシリコン最上層１
０６の露出した上面から射出される。このため、カラム
状量子閉じ込め素子の屈折率に関する先の考察はここに
おいても同様に応用できる。それゆえ、放出される全光
束を干渉効果により最大にするように表面の酸化層１１
２を設計することが可能である。

【００３５】最後に、本発明は三次元の量子キャリア閉
じ込めを示す構造においても容易に応用され得る。これ
の構造はよく”量子ドット”として呼ばれるが、多くの
方法により作成できる。図１６において、例えば構造１
５０は先ず、エピタキシャル基礎層の上にｐ型領域１５
４及びｎ型領域１５６を有する上述の量子カラムを形成
する。各カラムはキャリアをカラム内に垂直に閉じ込め
るように別のエピタキシャル層１５８により仕切られて
いる。この閉じ込め範囲がドブロイ波長に近づくと、キ
ャリアは上述したように三次元で量子化する。この他の
例は文献に見いだすことができよう。

【００３６】

【発明の効果】結晶シリコンのような間接ギャップ材料
から発光構造を形成するに際しての著しい利点として
は、これらの材料の処理がＩＣ回路素子等のよく知られ
た電子構造を製造するために行われる作業からかなりよ
く理解されることにある。また、別の利点としては、制
御、論理等の同等な電子構造体や光検出器、導波管等の
その他の光学構造体を発光構造体とモノリシックに製造
できることがある。図１４Ａはこのようなモノリシック
組込みの具体構造５０を示す。図１４Ｂに模式的に示す
ように、ＬＥＤアレイ５２（本文中に記載の任意のタイ
プのＬＥＤまたはこれらと等価なものにより構成されて
いる）をドレイン５６、ソース５８、ゲート６０を有す
る電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）５４に電気的に相互
接続し、ＦＥＴ５４により、その制御を行う。この他の
さまざまな素子及び相互接続配置は当業者にとっては明
らかであろう。例えば、間接ギャップ材料の発光構造の
アレイをほかの構成要素と同時にモノリシックに形成す
ることもあれば、あるいはアレイまたはそのほかの構成
要素のどちらかまたはその両方を前もって形成し、その
後に一体化の処理または結合を行ってもよい。

【００３７】異なる直径のＬＥＤコアは異なる波長の光
を放出する。このため、異なる色のＬＥＤを一つのチッ
プ上で別々の駆動装置により駆動することが可能であ
る。異なるコア径のＬＥＤを製造するする方法として
は、ドット１８ａの直径を変える以外に、時間序列的Ｒ
ＩＥによりカラムを形成する方法、酸化の開始を遅らす
ためにカラムに酸化防止膜を形成する方法などがある。
これは低解像のマスキングだけガこれらの操作に要求さ
れる。

【００３８】一般に、当業者は、さまざまな構造上の変
更、本発明の広範な具体例及び応用を本発明の主旨及び
範囲から逸脱しない限りにおいて、見いだすことであろ
う。例えば、上記説明はシリコン上に形成された発光構
造に焦点を絞ったが、この他の間接ギャップ半導体材料
も本発明により形成及び動作される発光構造の基礎とし
て使用できる。更に、上述の構造においては間接ギャッ
プ半導体材料からルミネセンスを起こすために二次元量
子化を用いたが、本発明の製造方法に従い作動し、形成
する三次元の量子化構造を（例えばいわゆる”量子ドッ
ト”）形成するために同様な原理を用いることができ
る。このように、ここでの開示及び記述は例示であり、
いかなる制限をも意図しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳｉＯ2 により、空間的に閉じ込められたＳｉ
のエネルギーバンドギャップの典型を示しており、一次
元量子化による離散エネルギーレベル（”量子レベ
ル”）状態の説明図である。

【図２】１次元、２次元及び３次元の量子閉じ込めにの
大きさに対するエネルギーレベルの変化の概略曲線を示
す。

【図３】本発明の一具体例による間接バンドギャップ材
料から発光装置を形成する処理における初期段階の断面
構造を示す。

【図４】図３に示す処理段階構造の平面図であり、本発
明の一具体例による発光素子において、円柱状の構造を
形成するためのドット構造のアレイを示す。

【図５】図５Ａは本発明の一具体例の発光素子における
円柱状構造を形成する処理のエッチング工程後の図３の
構造の断面を示す。図５Ｂは図５Ａの変形であり、本発
明の一具体例による発光素子において、その一部として
傾いている側壁を有するほぼ円柱形の構造を示す。

【図６】図６Ａは本発明の一具体例の発光素子における
間接バンドギャップ材料の発光素子を形成する処理にお
ける酸化後の段階の構造の断面を示す。図６Ｂは次の処
理のために絶縁ドットを取り除いた図６Ａの構造を示
す。

【図７】カラムを最初に絶縁材料で塞ぐようになってい
る別の具体例を示しており、金属接触、透明金属接触層
及び透明被覆材料を堆積させた後の断面構造を示す。

【図８】エッチング後にコラムの先端にドットが残らな
い図５の変形構造を示す。

【図９】発光素子の形成における図８の次の段階を示し
ており、構造を酸化した後、カラム間を透明絶縁材料で
被覆した状態を示す。

【図１０】発光素子の形成における図９の次の段階を示
しており、構造を平坦化した後に金属接触層を施した状
態を示す。

【図１１】図６Ａの構造の変形の断面を示しており、カ
ラムの境界を形成するドットを金属材料により構成し、
透明金属接触層及び透明被覆材料を堆積させた後の状態
を示す。

【図１２】発光構造が基板面の平面上に平行に伸びる量
子ワイヤにより構成される本発明の別の具体例の平面図
を示す。

【図１３】図１２に示す具体例の側面一部省略図を示
す。

【図１４】図１４Ａは本発明の一具体例による電子構造
（ＦＥＴ）及び光学構造（ＬＥＤ）の両方を具備するモ
ノリシックＶＬＳＩ構造の一具体例の断面説明図であ
る。図１４Ｂは本発明の一具体例による電子構造（ＦＥ
Ｔ）及び光学構造（ＬＥＤ）の両方を具備するモノリシ
ックＶＬＳＩ構造の具体例の概略回路説明図である。

【図１５】本発明の一具体例による素子が発光するよう
に電流源及び接地に接続した状態を示す概略断面図であ
る。

【図１６】三次元の量子キャリア閉じ込めを示す構造で
あり、この構造において、カラムはエピタキシャル基礎
層の上に形成され、別のエピタキシャル層により塞が
れ、キャリアをカラム内に垂直に閉じ込めようにした構
造を示す。一般に各図において同じ構成要素は同符号に
より示す。

【符号の説明】

１２ 基板 １４ ｐ型材料層 １６ ｎ型材料層 １８ａ ドット ２０ 垂直壁カラム ２２ 酸化層 ２４ フラッシュ ２６ 透明金属層 ２８ 透明被覆材料層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノーブル エム．ジョンソン アメリカ合衆国 94025 カリフォルニ ア州 メンロ パーク ハーバード ア ベニュー 709 (56)参考文献 特開 平４−118916（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−121320（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−317318（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−296727（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．59 Ｎｏ．13（1991），ｐ．1603 −1605 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．57 Ｎｏ．10（1990），ｐ．1046 −1048 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 第一の伝導型を有するキャリアにより支配的に占有さ
   れ、かつ前記基板と接触関係に配置された間接ギャップ
   半導体の第一領域と、 前記第一の伝導型と反対の第二の伝導型のキャリアによ
   り支配的に占有された間接ギャップ半導体の第二領域で
   あって、第一及び第二の領域からのキャリアが結合し、
   それによって光を発するように配置された上記第二領域
   と、前記第一領域と前記第二領域を囲む酸化された領域と、 を含み、上記第一及び第二の領域が多次元において量子
   キャリアの閉じ込めをもたらすように形成されているエ
   レクトロルミネッセンス構造体。
2. 【請求項２】 エレクトロルミネッセンス構造体の製造
   方法であって、 （１）結晶シリコンの基板にｐ型領域を形成する段階
   と、 （２）縮退的にドープしたｎ型層を前記ｐ型領域に接触
   して形成する段階と、 （３）材料層を前記ｎ型層の上側の露出表面上に蒸着ま
   たは形成する段階と、 （４）前記材料層にパターンを形成し、エッチングを施
   し、ドットのアレイを残す段階と、 （５）前記ｎ型層および前記ｐ型領域を所定の深さまで
   エッチングし、円柱状のカラムを形成する段階と、 （６）前記ドットを酸化膜マスクとして、前記カラムを
   酸化し、該カラムを狭める段階と、 （７）前記ドットを除去する段階と、 （８）電気的接触のための金属層を形成する段階と、 を有するエレクトロルミネッセンス構造体の製造方法。