JP3331591B2 - Light-emitting material, method of manufacturing the same, and light-emitting element using the same - Google Patents

Light-emitting material, method of manufacturing the same, and light-emitting element using the same

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JP3331591B2 JP14099998A JP14099998A JP3331591B2 JP 3331591 B2 JP3331591 B2 JP 3331591B2 JP 14099998 A JP14099998 A JP 14099998A JP 14099998 A JP14099998 A JP 14099998A JP 3331591 B2 JP3331591 B2 JP 3331591B2
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光で通信を行う光
インターコネクションの分野で使用される金属シリサイ
ド発光材料及びその製造方法並びにこれを用いた発光素
子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal silicide light emitting material used in the field of optical interconnection for performing communication by light, a method of manufacturing the same, and a light emitting device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】光インターコネクションのためのシリコ
ン基板上の発光素子としては、ガリウムヒ素等の化合物
半導体の応用がその候補となる。しかしそれらの化合物
半導体は、シリコン基板上で欠陥の少ない構造を作製す
ることが困難であり、熱安定性が乏しい。またその製造
においては、既存のシリコン集積回路の製造プロセスの
みでは対応できず、新たな製造プロセスの付加が必要と
なり、製造コストが高くなる。そのため、既存のシリコ
ン集積回路の製造プロセスのみで製造可能なシリコンベ
ースの発光構造の作製技術が望まれる。
2. Description of the Related Art As a light emitting element on a silicon substrate for optical interconnection, application of a compound semiconductor such as gallium arsenide is a candidate. However, these compound semiconductors have difficulty in producing a structure with few defects on a silicon substrate, and have poor thermal stability. In addition, in the manufacture thereof, it is not possible to cope with only the existing silicon integrated circuit manufacturing process, and it is necessary to add a new manufacturing process, which increases the manufacturing cost. Therefore, a technique for manufacturing a silicon-based light emitting structure that can be manufactured only by a manufacturing process of an existing silicon integrated circuit is desired.

【0003】従来、こうした技術で作製される発光素子
のうち電流注入で発光する素子として、石英の光ファイ
バに適合した1.5μm付近の波長で発光する、鉄シリ
サイドを含む発光素子が報告されている(D.Leong, M.H
arry, K.J.Reesen, and K.P.Homewood, "NATURE" Vol.3
87, 12 June 1997, pp686-688)。この発光素子は、結
晶方位(100)のn型シリコン基板上にエピタキシャ
ル成長によりn型シリコン層とp型シリコン層を積層
し、この基板上のpn接合の界面付近のp型シリコン層
に鉄イオンを注入した後、アニール処理してβ−FeS
2の単結晶層を形成して作られる。
Heretofore, among light-emitting elements manufactured by such a technique, a light-emitting element containing iron silicide, which emits light at a wavelength of about 1.5 μm and is compatible with a quartz optical fiber, has been reported as a light-emitting element which emits light by current injection. (D.Leong, MH
arry, KJReesen, and KPHomewood, "NATURE" Vol.3
87, 12 June 1997, pp686-688). In this light-emitting element, an n-type silicon layer and a p-type silicon layer are stacked on an n-type silicon substrate having a crystal orientation (100) by epitaxial growth, and iron ions are deposited on the p-type silicon layer near the interface of the pn junction on the substrate. After the implantation, annealing is performed so that β-FeS
to form a single crystal layer of i 2 are made.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記鉄シリサ
イドを含む発光素子は、β−FeSi2がドット状でな
く、層状に形成され、しかもイオン注入では結晶性の良
いβ−FeSi2が得られないため、外部量子効率が
0.1%程度となって、発光効率が低い問題点がある。
本発明の目的は、発光効率が高く、閾値電流の低い発光
材料を提供することにある。本発明の別の目的は、各種
の光ファイバに適合するように発光波長を調整すること
が可能であって、上記発光材料を簡便にかつ安価に製造
する方法を提供することにある。本発明の別の目的は、
上記発光材料を用いた発光素子を提供することにある。
However, in the light emitting device containing the above-mentioned iron silicide, β-FeSi 2 is formed not in a dot shape but in a layer shape, and β-FeSi 2 having good crystallinity can be obtained by ion implantation. Therefore, there is a problem that the external quantum efficiency is about 0.1% and the luminous efficiency is low.
An object of the present invention is to provide a light emitting material having high luminous efficiency and low threshold current. Another object of the present invention is to provide a method for easily and inexpensively producing the above-mentioned light-emitting material, wherein the light-emitting wavelength can be adjusted so as to be compatible with various optical fibers. Another object of the present invention is to
An object is to provide a light-emitting element using the light-emitting material.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
図1及び図2に示すようにp型若しくはn型アモルファ
スシリコン14又はp型若しくはn型アモルファス炭化
ケイ素中に粒径がナノメートルオーダーのβ−鉄シリサ
イド半導体粒子13がドット状に分散した発光材料10
a,10bである。粒径がナノメートルオーダーのβ−
鉄シリサイド半導体粒子13がドット状の結晶状態でバ
ンドギャップの大きいアモルファスシリコン14又はア
モルファス炭化ケイ素中に分散しているため、注入され
たキャリアはβ−鉄シリサイド半導体粒子13の内部に
閉じ込められる。β−鉄シリサイドの電気伝導特性によ
りアモルファスシリコン14又はアモルファス炭化ケイ
素はp型であることが望ましい。
The invention according to claim 1 is
As shown in FIGS. 1 and 2, a luminescent material in which β-iron silicide semiconductor particles 13 having a particle size of nanometer order are dispersed in a p-type or n-type amorphous silicon 14 or a p-type or n-type amorphous silicon carbide in a dot shape. 10
a and 10b. Β- with particle size of nanometer order
Since the iron silicide semiconductor particles 13 are dispersed in the amorphous silicon 14 or amorphous silicon carbide having a large band gap in a dot-like crystalline state, the injected carriers are confined inside the β-iron silicide semiconductor particles 13. It is desirable that the amorphous silicon 14 or the amorphous silicon carbide is p-type due to the electric conduction characteristics of β-iron silicide.

【0006】請求項2に係る発明は、p型若しくはn型
アモルファスシリコン、p型若しくはn型アモルファス
炭化ケイ素、絶縁性アモルファス窒化ケイ素又はアモル
ファス酸化ケイ素中に粒径がナノメートルオーダーのβ
−鉄以外の金属シリサイド半導体粒子がドット状に分散
した発光材料である。請求項1に係る発明と同様に、粒
径がナノメートルオーダーのβ−鉄以外の金属シリサイ
ド半導体粒子がドット状の結晶状態でバンドギャップの
大きいp型若しくはn型アモルファスシリコン、p型若
しくはn型アモルファス炭化ケイ素、絶縁性アモルファ
ス窒化ケイ素又はアモルファス酸化ケイ素中に分散して
いるため、注入されたキャリアは上記金属シリサイド半
導体粒子の内部に閉じ込められる。従って、請求項1及
び2に係る発明とも、イオン注入によりシリコン半導体
のpn接合の界面付近に鉄イオンを打ち込んだ後、アニ
ール処理して鉄シリサイド単結晶層を形成させた従来の
発光材料に比べて、これらの発明の発光材料の発光効率
は格段に向上する。
According to a second aspect of the present invention, a p-type or n-type amorphous silicon, a p-type or n-type amorphous silicon carbide, an insulating amorphous silicon nitride or an amorphous silicon oxide has a particle diameter of β of nanometer order.
-A luminescent material in which metal silicide semiconductor particles other than iron are dispersed in a dot shape. Similar to the invention according to claim 1, metal silicide semiconductor particles other than β-iron having a particle size of nanometer order are p-type or n-type amorphous silicon having a large band gap in a dot-like crystalline state, p-type or n-type. Since the carrier is dispersed in amorphous silicon carbide, insulating amorphous silicon nitride, or amorphous silicon oxide, the injected carriers are confined inside the metal silicide semiconductor particles. Therefore, both of the inventions according to the first and second aspects are compared with a conventional luminescent material in which iron ions are implanted near the interface of a pn junction of a silicon semiconductor by ion implantation and then an annealing treatment is performed to form an iron silicide single crystal layer. Therefore, the luminous efficiency of the luminescent materials of these inventions is remarkably improved.

【0007】請求項3に係る発明は、請求項2に係る発
明であって、p型若しくはn型アモルファスシリコン中
に分散したβ−鉄以外の金属シリサイド半導体粒子を構
成する金属原子がマグネシウム、バリウム、クロム、マ
ンガン、ルテニウム、レニウム、オスミウム又はイリジ
ウムである発光材料である。請求項4に係る発明は、請
求項2に係る発明であって、p型若しくはn型アモルフ
ァス炭化ケイ素、絶縁性アモルファス窒化ケイ素又はア
モルファス酸化ケイ素中に分散したβ−鉄以外の金属シ
リサイド半導体粒子を構成する金属原子がマグネシウ
ム、バリウム、クロム、マンガン、ルテニウム、レニウ
ム、オスミウム、イリジウム又はカルシウムである発光
材料である。
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the metal atoms constituting the metal silicide semiconductor particles other than β-iron dispersed in p-type or n-type amorphous silicon are magnesium and barium. , Chromium, manganese, ruthenium, rhenium, osmium or iridium. The invention according to claim 4 is the invention according to claim 2, wherein metal silicide semiconductor particles other than β-iron dispersed in p-type or n-type amorphous silicon carbide, insulating amorphous silicon nitride or amorphous silicon oxide are used. A light-emitting material in which the constituent metal atoms are magnesium, barium, chromium, manganese, ruthenium, rhenium, osmium, iridium, or calcium.

【0008】請求項5に係る発明は、図1に示すように
n型半導体基板11a上にp型アモルファスシリコン層
14aを形成し、このp型アモルファスシリコン層14
a上にβ−鉄シリサイド半導体粒子13をドット状に堆
積し、このβ−鉄シリサイド半導体粒子13を埋めるよ
うにp型アモルファスシリコン層14aを形成する発光
材料の製造方法である。請求項6に係る発明は、請求項
5に係る発明であって、β−鉄シリサイド半導体粒子1
3の堆積とp型アモルファスシリコン層14aの形成を
少なくとも1回繰返し行う発光材料の製造方法である。
According to a fifth aspect of the present invention, as shown in FIG. 1, a p-type amorphous silicon layer 14a is formed on an n-type semiconductor substrate 11a.
This is a method for producing a luminescent material in which β-iron silicide semiconductor particles 13 are deposited in dots on a, and a p-type amorphous silicon layer 14a is formed so as to fill the β-iron silicide semiconductor particles 13. The invention according to claim 6 is the invention according to claim 5, wherein the β-iron silicide semiconductor particles 1
This is a method for manufacturing a light emitting material in which the deposition of No. 3 and the formation of the p-type amorphous silicon layer 14a are repeated at least once.

【0009】請求項7に係る発明は、図2に示すよう
に、p型半導体基板11b上にp型アモルファスシリコ
ン層14aを形成し、このp型アモルファスシリコン層
14a上にβ−鉄シリサイド半導体粒子13をドット状
に堆積し、このβ−鉄シリサイド半導体粒子13を埋め
るようにp型アモルファスシリコン層14aを形成し、
このp型アモルファスシリコン層14a上にn型アモル
ファスシリコン層12aを形成する発光材料の製造方法
である。請求項8に係る発明は、請求項7に係る発明で
あって、β−鉄シリサイド半導体粒子13の堆積とp型
アモルファスシリコン層14aの形成を少なくとも1回
繰返し行った後、n型アモルファスシリコン層12aを
形成する発光材料の製造方法である。
According to a seventh aspect of the present invention, as shown in FIG. 2, a p-type amorphous silicon layer 14a is formed on a p-type semiconductor substrate 11b, and β-iron silicide semiconductor particles are formed on the p-type amorphous silicon layer 14a. 13 are deposited in a dot shape, and a p-type amorphous silicon layer 14a is formed so as to fill the β-iron silicide semiconductor particles 13;
This is a method for manufacturing a light emitting material for forming an n-type amorphous silicon layer 12a on the p-type amorphous silicon layer 14a. The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7, wherein the deposition of the β-iron silicide semiconductor particles 13 and the formation of the p-type amorphous silicon layer 14a are repeated at least once, and then the n-type amorphous silicon layer is formed. This is a method for producing a light emitting material for forming the light emitting material 12a.

【0010】請求項9に係る発明は、図3又は図4に示
すようにn型又はp型半導体基板11a,11b上に粒
径がナノメートルオーダーのβ−鉄シリサイド半導体粒
子13がp型アモルファスシリコン14中にドット状に
分散した発光層15a,15bが形成された発光素子2
0a,20bである。請求項1に係る発光材料を発光層
15a,15bとすることにより、発光効率が高く、発
光減衰速度の速い発光素子20a,20bが得られる。
According to a ninth aspect of the present invention, as shown in FIG. 3 or FIG. 4, a β-iron silicide semiconductor particle 13 having a particle size of nanometer order is formed on an n-type or p-type semiconductor substrate 11a, 11b. Light-emitting element 2 in which light-emitting layers 15 a and 15 b dispersed in a dot shape are formed in silicon 14.
0a and 20b. By using the light emitting material according to claim 1 as the light emitting layers 15a and 15b, light emitting elements 20a and 20b having high light emission efficiency and high light emission decay rate can be obtained.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明のβ−鉄シリサイド発光材
料又はその他の金属シリサイド発光材料は、アモルファ
スシリコン(Si)、アモルファス炭化ケイ素(SiC
X,但し、0<X≦1)、絶縁性アモルファス窒化ケイ
素(Si3Y,但し、0<Y≦4)又はアモルファス酸
化ケイ素(SiOZ,但し、0<Z≦2)中にβ−鉄又
はその他の金属シリサイド半導体粒子がドット状に分散
する。上記アモルファスのシリコン、炭化ケイ素、窒化
ケイ素又は酸化ケイ素は化学気相堆積法(以下、CVD
法という)により1層又は2層以上のアモルファス層を
積層して形成される。このアモルファスシリコン等の中
に分散するβ−鉄又はその他の金属シリサイド半導体粒
子は、アモルファス層と交互にやはりCVD法により粒
径がナノメートルオーダーのドット状に形成される。こ
のCVD法を用いることにより、β−鉄又はその他の金
属シリサイドは自己組織化してドット状に形成される。
本発明のCVD法では、イオン注入により金属シリサイ
ドを形成する場合と比べて、原料ガスの流入量、ガス
比、ガス圧、堆積時間等を制御することにより金属シリ
サイド半導体粒子をドット状に形成し易く、かつ結晶性
を良好にすることができる。このため、本発明の発光材
料は、格子欠陥や転位等の非発光中心の原因となる構造
が極めて少なく発光効率が増大する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The β-iron silicide luminescent material or other metal silicide luminescent material of the present invention comprises amorphous silicon (Si), amorphous silicon carbide (SiC).
X , where 0 <X ≦ 1), insulating amorphous silicon nitride (Si 3 N Y , where 0 <Y ≦ 4) or amorphous silicon oxide (SiO Z , where 0 <Z ≦ 2). Iron or other metal silicide semiconductor particles are dispersed in the form of dots. The amorphous silicon, silicon carbide, silicon nitride or silicon oxide is formed by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD).
), And is formed by laminating one or two or more amorphous layers. The β-iron or other metal silicide semiconductor particles dispersed in the amorphous silicon or the like are formed alternately with the amorphous layer into a dot shape having a particle size of nanometer order by the CVD method. By using this CVD method, β-iron or other metal silicide is self-organized and formed in a dot shape.
In the CVD method of the present invention, the metal silicide semiconductor particles are formed into dots by controlling the flow rate of the source gas, the gas ratio, the gas pressure, the deposition time, and the like, as compared with the case where metal silicide is formed by ion implantation. It is easy and can have good crystallinity. For this reason, the luminescent material of the present invention has very few structures that cause non-luminescent centers such as lattice defects and dislocations, and increases luminous efficiency.

【0012】金属シリサイド半導体粒子を構成する金属
原子の種類と粒径を変えることにより光インターコネク
ションの分野で使用される各種の光ファイバに適合した
波長を発光する発光素子を作り出すことができる。この
金属原子は、p型若しくはn型アモルファスシリコン中
に分散したβ−鉄以外の金属シリサイド半導体粒子を構
成する金属原子である場合、マグネシウム、バリウム、
クロム、マンガン、ルテニウム、レニウム、オスミウム
又はイリジウムから選ばれる。また金属原子がp型若し
くはn型アモルファス炭化ケイ素、絶縁性アモルファス
窒化ケイ素又はアモルファス酸化ケイ素中に分散したβ
−鉄以外の金属シリサイド半導体粒子を構成する金属原
子である場合には、がマグネシウム、バリウム、クロ
ム、マンガン、ルテニウム、レニウム、オスミウム、イ
リジウム又はカルシウムから選ばれる。金属シリサイド
半導体粒子の粒径は上記製造条件を制御することによ
り、変えることができる。またその粒径もナノメートル
オーダー(1nm〜数百nm)に揃えることができる。
この粒径は発光効率を考慮すると、好ましくは1〜10
0nmである。そのために金属シリサイドの堆積時間と
温度は金属シリサイドが膜状にならないように制御され
る。上記金属シリサイド半導体粒子は、金属原子毎に発
光する波長が異なるため、用途に応じて所望の金属シリ
サイドが選択される。例えば、β−鉄シリサイドは約
1.5μmの波長の光を発光するので、石英の光ファイ
バに適する。
By changing the type and particle size of the metal atoms constituting the metal silicide semiconductor particles, it is possible to produce a light emitting device which emits light of a wavelength suitable for various optical fibers used in the field of optical interconnection. When the metal atom is a metal atom constituting metal silicide semiconductor particles other than β-iron dispersed in p-type or n-type amorphous silicon, magnesium, barium,
It is selected from chromium, manganese, ruthenium, rhenium, osmium or iridium. Β in which metal atoms are dispersed in p-type or n-type amorphous silicon carbide, insulating amorphous silicon nitride or amorphous silicon oxide.
In the case where the metal atom constitutes a metal silicide semiconductor particle other than iron, is selected from magnesium, barium, chromium, manganese, ruthenium, rhenium, osmium, iridium or calcium. The particle size of the metal silicide semiconductor particles can be changed by controlling the above manufacturing conditions. Also, the particle size can be adjusted to nanometer order (1 nm to several hundred nm).
This particle size is preferably 1 to 10 in consideration of luminous efficiency.
0 nm. Therefore, the deposition time and temperature of the metal silicide are controlled so that the metal silicide does not form a film. Since the metal silicide semiconductor particles emit light of different wavelengths for each metal atom, a desired metal silicide is selected according to the application. For example, β-iron silicide emits light having a wavelength of about 1.5 μm and is suitable for a quartz optical fiber.

【0013】β−鉄シリサイド半導体粒子を閉じ込める
物質をp型アモルファスシリコン層とした場合に、本発
明の発光材料は次の2つの方法により製造される。第1
の製造方法は請求項5又は請求項6に係る方法であっ
て、先ず図1に示すようにn型半導体基板11a上にp
型アモルファスシリコン層14aを形成する。このp型
アモルファスシリコン層14aはCVDによる積層でも
よいし、或いは半導体基板11aの表面にホウ素、イン
ジウム、ガリウム等のドーパントをイオン注入して形成
してもよい。次いでこのp型アモルファスシリコン層1
4a上にCVD法によりβ−鉄シリサイド半導体粒子1
3をドット状に堆積し、このβ−鉄シリサイド半導体粒
子13を埋めるようにp型アモルファスシリコン層14
aを形成する。発光密度を高めるためには、β−鉄シリ
サイド半導体粒子13の堆積とp型アモルファスシリコ
ン層14aの形成を少なくとも1回繰返し行うことが好
ましい。この場合、p型アモルファスシリコン層14a
とβ−鉄シリサイド半導体粒子13とを交互に堆積す
る。これにより半導体基板11a上に発光層15aが形
成される。
When the substance for confining the β-iron silicide semiconductor particles is a p-type amorphous silicon layer, the luminescent material of the present invention is manufactured by the following two methods. First
Is a method according to claim 5 or claim 6, wherein p is first formed on an n-type semiconductor substrate 11a as shown in FIG.
A type amorphous silicon layer 14a is formed. The p-type amorphous silicon layer 14a may be stacked by CVD, or may be formed by ion-implanting a dopant such as boron, indium, or gallium into the surface of the semiconductor substrate 11a. Then, the p-type amorphous silicon layer 1
Β-iron silicide semiconductor particles 1 by CVD
3 is deposited in a dot shape, and the p-type amorphous silicon layer 14 is filled so as to fill the β-iron silicide semiconductor particles 13.
a is formed. In order to increase the light emission density, it is preferable to repeat the deposition of the β-iron silicide semiconductor particles 13 and the formation of the p-type amorphous silicon layer 14a at least once. In this case, the p-type amorphous silicon layer 14a
And β-iron silicide semiconductor particles 13 are alternately deposited. Thereby, the light emitting layer 15a is formed on the semiconductor substrate 11a.

【0014】第2の製造方法は請求項7又は請求項8に
係る方法であって、先ず図2に示すようにp型半導体基
板11b上にp型アモルファスシリコン層14aを形成
する。このp型アモルファスシリコン層14aはCVD
による積層でもよいし、或いは半導体基板11bの表面
にホウ素、インジウム、ガリウム等のドーパントをイオ
ン注入して形成してもよい。次いでこのp型アモルファ
スシリコン層14a上にCVD法によりβ−鉄シリサイ
ド半導体粒子13をドット状に堆積し、このβ−鉄シリ
サイド半導体粒子13を埋めるようにp型アモルファス
シリコン層14aを形成する。発光密度を高めるために
は、β−鉄シリサイド半導体粒子13の堆積とp型アモ
ルファスシリコン層14aの形成を少なくとも1回繰返
し行うことが好ましい。この場合、p型アモルファスシ
リコン層14aと金属シリサイド半導体粒子13とを交
互に堆積した後、n型アモルファスシリコン層12aを
形成する。これにより半導体基板11b上に発光層15
bが形成される。
The second manufacturing method is a method according to claim 7 or claim 8, wherein a p-type amorphous silicon layer 14a is first formed on a p-type semiconductor substrate 11b as shown in FIG. This p-type amorphous silicon layer 14a is formed by CVD.
Or a dopant such as boron, indium, or gallium may be ion-implanted into the surface of the semiconductor substrate 11b. Next, β-iron silicide semiconductor particles 13 are deposited in a dot shape on the p-type amorphous silicon layer 14a by the CVD method, and a p-type amorphous silicon layer 14a is formed so as to fill the β-iron silicide semiconductor particles 13. In order to increase the light emission density, it is preferable to repeat the deposition of the β-iron silicide semiconductor particles 13 and the formation of the p-type amorphous silicon layer 14a at least once. In this case, after alternately depositing the p-type amorphous silicon layer 14a and the metal silicide semiconductor particles 13, the n-type amorphous silicon layer 12a is formed. Thereby, the light emitting layer 15 is formed on the semiconductor substrate 11b.
b is formed.

【0015】請求項9に係る発明では、図3に示すよう
にn型半導体基板11a上に上述した発光層15aが、
また図4に示すようにp型半導体基板11b上に上述し
た発光層15bがそれぞれ形成される。発光層15a又
は15bの上面と半導体基板11a又は11bの下面に
それぞれ電極16及び17を形成することにより発光素
子20a又は20bが得られる。この半導体基板として
はシリコン基板が好ましい。
According to the ninth aspect of the present invention, as shown in FIG. 3, the light emitting layer 15a is formed on the n-type semiconductor substrate 11a.
Further, as shown in FIG. 4, the above-described light emitting layers 15b are formed on the p-type semiconductor substrate 11b. By forming the electrodes 16 and 17 on the upper surface of the light emitting layer 15a or 15b and the lower surface of the semiconductor substrate 11a or 11b, respectively, the light emitting element 20a or 20b is obtained. The semiconductor substrate is preferably a silicon substrate.

【0016】[0016]

【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。この例では第1の製造方法により、図5に示すCV
D装置を使用して以下の条件でシリコン基板上に発光層
を形成した。即ち、CVD炉20には第1ガス導入管2
1、第2ガス導入管22及び真空排気管23が設けられ
る。第1ガス導入管21からは窒素ガスで希釈されたS
iH4ガスとドーパント用のB26ガスが導入され、第
2ガス導入管22からは窒素ガスで希釈されたFeCl
2とFeCl3を主成分とする鉄塩化物ガスが導入され
る。CVD炉20内には結晶方位が(100)のn型の
シリコン基板11aが基板ホルダ24により保持され
る。第2ガス導入管22の前段には反応炉26が設けら
れる。反応炉26内には純度99.9%以上のフィラメ
ント状の鉄ワイヤ27が収容され、この反応炉26には
塩素ガス導入管28が設けられる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this example, the CV shown in FIG.
A light emitting layer was formed on a silicon substrate under the following conditions using a D apparatus. That is, the first gas introduction pipe 2 is provided in the CVD furnace 20.
First, a second gas introduction pipe 22 and a vacuum exhaust pipe 23 are provided. From the first gas introduction pipe 21, S diluted with nitrogen gas
iH 4 gas and B 2 H 6 gas for dopant are introduced, and FeCl diluted with nitrogen gas is introduced through the second gas introduction pipe 22.
An iron chloride gas mainly containing 2 and FeCl 3 is introduced. In the CVD furnace 20, an n-type silicon substrate 11a having a crystal orientation of (100) is held by a substrate holder 24. A reaction furnace 26 is provided before the second gas introduction pipe 22. A filamentous iron wire 27 having a purity of 99.9% or more is accommodated in the reaction furnace 26, and a chlorine gas introduction pipe 28 is provided in the reaction furnace 26.

【0017】次に上記CVD装置による発光層の形成に
ついて説明する。先ず反応炉26内の鉄ワイヤ27を3
00℃に加熱し、塩素ガス導入管28を通じて窒素ガス
で希釈された塩素ガス(Cl2)を反応炉26に導入す
ると鉄ワイヤ27は塩素ガスと化学反応してFeCl2
とFeCl3を主成分とする鉄塩化物ガスを生じる。こ
の鉄塩素物ガスは第2ガス導入管22を通じてCVD炉
20内に供給される。一方、第1ガス導入管21からは
窒素ガスで希釈されたSiH4ガスとドーパント用のB2
6ガスがCVD炉20内に供給される。第1及び第2
ガス導入管からのガス供給量を調整することにより、C
VD炉20内において、β−鉄シリサイド(FeS
2)の成膜速度が0.1nm/秒以下になるように、
SiH4ガスと鉄塩素物ガスの分圧は決定される。
Next, formation of a light emitting layer by the above-described CVD apparatus will be described. First, the iron wire 27 in the reaction furnace 26 is
When the gas is heated to 00 ° C. and chlorine gas (Cl 2 ) diluted with nitrogen gas is introduced into the reaction furnace 26 through a chlorine gas introduction pipe 28, the iron wire 27 chemically reacts with chlorine gas to produce FeCl 2.
And an iron chloride gas containing FeCl 3 as a main component. The iron chloride gas is supplied into the CVD furnace 20 through the second gas introduction pipe 22. On the other hand, SiH 4 gas diluted with nitrogen gas and B 2
H 6 gas is supplied into the CVD furnace 20. First and second
By adjusting the gas supply from the gas inlet pipe, C
In the VD furnace 20, β-iron silicide (FeS
i 2 ) so that the film formation rate is 0.1 nm / sec or less,
The partial pressures of the SiH 4 gas and the iron chloride gas are determined.

【0018】先ずn型シリコン基板11aの温度を56
0℃に下げて、第1ガス導入管21から窒素ガスで希釈
されたSiH4ガスとドーパント用のB26ガスをCV
D炉20内に導入し、高ドープのp型アモルファスシリ
コン層14aを形成した。次いでCVD炉20内のn型
シリコン基板11aを750〜850℃に加熱した後、
第1及び第2ガス導入管21及び22から所定の流量比
のガスを導入して、図1に示すように、シリコン基板1
1a上に形成された高ドープのp型アモルファスシリコ
ン層14a上にドッド状のβ−鉄シリサイド(FeSi
2)粒子13を形成した。
First, the temperature of the n-type silicon substrate 11a is set to 56
The temperature was lowered to 0 ° C., and the SiH 4 gas diluted with nitrogen gas and the B 2 H 6 gas for dopant were supplied from the first gas introduction pipe 21 to CV.
It was introduced into a D furnace 20 to form a highly doped p-type amorphous silicon layer 14a. Next, after heating the n-type silicon substrate 11a in the CVD furnace 20 to 750 to 850 ° C,
A gas having a predetermined flow ratio is introduced from the first and second gas introduction pipes 21 and 22, and as shown in FIG.
1a is formed on the highly doped p-type amorphous silicon layer 14a.
2 ) Particles 13 were formed.

【0019】次にn型シリコン基板11aの温度を再び
560℃に下げて、第1ガス導入管21から窒素ガスで
希釈されたSiH4ガスとドーパント用のB26ガスを
CVD炉20内に導入して、β−鉄シリサイド粒子13
を埋込むように高ドープのp型アモルファスシリコン層
14aを形成した。ここではp型アモルファスシリコン
層は20オングストローム以上堆積した。その後、β−
鉄シリサイド粒子13の堆積と高ドープのp型アモルフ
ァスシリコン層14aの堆積を4回繰返して、図1に示
すように発光層15aを形成した。
Next, the temperature of the n-type silicon substrate 11a is lowered again to 560 ° C., and the SiH 4 gas diluted with nitrogen gas and the B 2 H 6 gas for the dopant are supplied from the first gas introduction pipe 21 into the CVD furnace 20. To the β-iron silicide particles 13
To form a highly doped p-type amorphous silicon layer 14a. Here, the p-type amorphous silicon layer was deposited to 20 Å or more. Then, β-
The deposition of the iron silicide particles 13 and the deposition of the highly doped p-type amorphous silicon layer 14a were repeated four times to form the light emitting layer 15a as shown in FIG.

【0020】図1に示した発光材料を作製した後、シリ
コン基板11aをCVD炉20から取り出して、図示し
ない真空蒸着装置を使用して最上層のp型アモルファス
シリコン層14aの上面にAu薄膜からなる電極16
を、またシリコン基板11aの下面にAu−Sb合金膜
からなる電極17をそれぞれ形成して、発光素子20a
を得た。得られた発光素子20aの電極16及び17に
順方向バイアスを印加し、エレクトロルミネッセンス
(EL)を測定した。その結果を図6に示す。図6から
明らかなように、石英の光ファイバに適合する発光波長
である約1.5μmをピークとするエレクトロルミネッ
センスを確認した。
After the luminescent material shown in FIG. 1 is prepared, the silicon substrate 11a is taken out of the CVD furnace 20, and a Au thin film is formed on the upper surface of the uppermost p-type amorphous silicon layer 14a by using a vacuum evaporation apparatus (not shown). Electrode 16
And an electrode 17 made of an Au—Sb alloy film is formed on the lower surface of the silicon substrate 11a.
I got A forward bias was applied to the electrodes 16 and 17 of the obtained light emitting device 20a, and electroluminescence (EL) was measured. FIG. 6 shows the result. As is clear from FIG. 6, electroluminescence having a peak at about 1.5 μm, which is an emission wavelength suitable for a quartz optical fiber, was confirmed.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上述べたように、本発明の金属シリサ
イド発光材料は粒径がナノメートルオーダーの金属シリ
サイド半導体粒子がアモルファスシリコン中にドット状
に分散した構造を有するから、発光効率が高く、閾値電
流を低下させることができる。また化学気相堆積法とい
う従来の簡便な工程を利用して、金属シリサイドを自己
組織化するため、安価に発光材料を製造できる利点もあ
る。また金属シリサイド半導体粒子の粒径を変えること
により、発光波長を調整することが可能であるため、光
インターコネクションの分野で使用される各種の光ファ
イバに適合した波長を発光する発光素子を作り出すこと
ができる。
As described above, the metal silicide luminescent material of the present invention has a structure in which metal silicide semiconductor particles having a particle size of nanometer order are dispersed in amorphous silicon in the form of dots. The threshold current can be reduced. In addition, since the metal silicide is self-assembled using a conventional simple process called a chemical vapor deposition method, there is an advantage that a light emitting material can be manufactured at low cost. In addition, since the emission wavelength can be adjusted by changing the particle size of the metal silicide semiconductor particles, it is necessary to create a light-emitting element that emits a wavelength suitable for various optical fibers used in the field of optical interconnection. Can be.

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

【図1】本発明の第1の製造方法で作られた発光材料の
構成を示す模式断面図。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a light emitting material manufactured by a first manufacturing method of the present invention.

【図2】本発明の第2の製造方法で作られた発光材料の
構成を示す模式断面図。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a light emitting material manufactured by a second manufacturing method of the present invention.

【図3】本発明の第1の製造方法で作られた発光材料を
用いた発光素子の構成を示す模式断面図。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a light emitting element using a light emitting material manufactured by the first manufacturing method of the present invention.

【図4】本発明の第2の製造方法で作られた発光材料を
用いた発光素子の構成を示す模式断面図。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a light emitting element using a light emitting material manufactured by a second manufacturing method of the present invention.

【図5】本発明の発光材料の製造に使用するCVD装置
の構成図。
FIG. 5 is a configuration diagram of a CVD apparatus used for manufacturing the light emitting material of the present invention.

【図6】その発光素子の発光波長と発光強度を示す図。FIG. 6 is a diagram showing the emission wavelength and emission intensity of the light-emitting element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10a,10b β−鉄シリサイド発光材料 11a n型半導体基板(n型シリコン基板) 11b p型半導体基板(p型シリコン基板) 12a n型アモルファスシリコン層 13 β−鉄シリサイド半導体粒子 14 p型アモルファスシリコン 14a p型アモルファスシリコン層 15a,15b 発光層 16,17 電極 20a,20b 発光素子 10a, 10b β-iron silicide light emitting material 11a n-type semiconductor substrate (n-type silicon substrate) 11b p-type semiconductor substrate (p-type silicon substrate) 12a n-type amorphous silicon layer 13 β-iron silicide semiconductor particles 14 p-type amorphous silicon 14a P-type amorphous silicon layer 15a, 15b Light emitting layer 16, 17 Electrode 20a, 20b Light emitting element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−317086(JP,A) 国際公開98/18167(WO,A1) 国際公開93/9564(WO,A1) Jan.J.Appl.Phys.P art2,36[9A/B],p.L1225 −L1228 J.Appl.Phys.,58[7 ],p.2696−2703 Nature,387(1997)p.656− 688 Appl.Phys.Lett.,59 [17](1991),p.2145−2147 Nucl.Inst.& Meth. in Phys.Res.Sec.B, 84[2](1994),p.168−171 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-10-317086 (JP, A) WO 98/18167 (WO, A1) WO 93/9564 (WO, A1) Jan. J. Appl. Phys. Part 2, 36 [9A / B], p. L1225-L1228J. Appl. Phys. , 58 [7], p. 2696-2703 Nature, 387 (1997) p. 656-688 Appl. Phys. Lett. , 59 [17] (1991), p. 2145-2147 Nucl. Inst. & Meth. In Phys. Res. Sec. B, 84 [2] (1994), p. 168-171 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01S 5/00-5/50 JICST file (JOIS)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 p型若しくはn型アモルファスシリコン
(14)又はp型若しくはn型アモルファス炭化ケイ素中に
粒径がナノメートルオーダーのβ−鉄シリサイド半導体
粒子(13)がドット状に分散した発光材料。
1. A p-type or n-type amorphous silicon
(14) A light emitting material in which β-iron silicide semiconductor particles (13) having a particle size of nanometer order are dispersed in a dot form in p-type or n-type amorphous silicon carbide.
【請求項2】 p型若しくはn型アモルファスシリコ
ン、p型若しくはn型アモルファス炭化ケイ素、絶縁性
アモルファス窒化ケイ素又はアモルファス酸化ケイ素中
に粒径がナノメートルオーダーのβ−鉄以外の金属シリ
サイド半導体粒子がドット状に分散した発光材料。
2. Metallic silicide semiconductor particles other than β-iron having a particle size on the order of nanometers in p-type or n-type amorphous silicon, p-type or n-type amorphous silicon carbide, insulating amorphous silicon nitride or amorphous silicon oxide. A luminescent material dispersed in the form of dots.
【請求項3】 p型若しくはn型アモルファスシリコン
中に分散したβ−鉄以外の金属シリサイド半導体粒子を
構成する金属原子がマグネシウム、バリウム、クロム、
マンガン、ルテニウム、レニウム、オスミウム又はイリ
ジウムである請求項2記載の発光材料。
3. Metal particles constituting metal silicide semiconductor particles other than β-iron dispersed in p-type or n-type amorphous silicon are magnesium, barium, chromium,
The luminescent material according to claim 2, wherein the luminescent material is manganese, ruthenium, rhenium, osmium or iridium.
【請求項4】 p型若しくはn型アモルファス炭化ケイ
素、絶縁性アモルファス窒化ケイ素又はアモルファス酸
化ケイ素中に分散したβ−鉄以外の金属シリサイド半導
体粒子を構成する金属原子がマグネシウム、バリウム、
クロム、マンガン、ルテニウム、レニウム、オスミウ
ム、イリジウム又はカルシウムである請求項2記載の発
光材料。
4. A metal atom constituting metal silicide semiconductor particles other than β-iron dispersed in p-type or n-type amorphous silicon carbide, insulating amorphous silicon nitride or amorphous silicon oxide is magnesium, barium,
The luminescent material according to claim 2, which is chromium, manganese, ruthenium, rhenium, osmium, iridium, or calcium.
【請求項5】 n型半導体基板(11a)上にp型アモルフ
ァスシリコン層(14a)を形成し、前記p型アモルファス
シリコン層(14a)上にβ−鉄シリサイド半導体粒子(13)
をドット状に堆積し、前記β−鉄シリサイド半導体粒子
(13)を埋めるようにp型アモルファスシリコン層(14a)
を形成する発光材料の製造方法。
5. A p-type amorphous silicon layer (14a) is formed on an n-type semiconductor substrate (11a), and β-iron silicide semiconductor particles (13) are formed on the p-type amorphous silicon layer (14a).
Are deposited in the form of dots, and the β-iron silicide semiconductor particles
(13) Fill p-type amorphous silicon layer (14a)
A method for producing a luminescent material for forming
【請求項6】 β−鉄シリサイド半導体粒子(13)の堆積
とp型アモルファスシリコン層(14a)の形成を少なくと
も1回繰返し行う請求項5記載の発光材料の製造方法。
6. The method according to claim 5, wherein the deposition of the β-iron silicide semiconductor particles (13) and the formation of the p-type amorphous silicon layer (14a) are repeated at least once.
【請求項7】 p型半導体基板(11b)上にp型アモルフ
ァスシリコン層(14a)を形成し、前記p型アモルファス
シリコン層(14a)上にβ−鉄シリサイド半導体粒子(13)
をドット状に堆積し、前記β−鉄シリサイド半導体粒子
(13)を埋めるようにp型アモルファスシリコン層(14a)
を形成し、前記p型アモルファスシリコン層(14a)上に
n型アモルファスシリコン層(12a)を形成する発光材料
の製造方法。
7. A p-type amorphous silicon layer (14a) is formed on a p-type semiconductor substrate (11b), and β-iron silicide semiconductor particles (13) are formed on the p-type amorphous silicon layer (14a).
Are deposited in the form of dots, and the β-iron silicide semiconductor particles
(13) Fill p-type amorphous silicon layer (14a)
Forming a n-type amorphous silicon layer (12a) on the p-type amorphous silicon layer (14a).
【請求項8】 β−鉄シリサイド半導体粒子(13)の堆積
とp型アモルファスシリコン層(14a)の形成を少なくと
も1回繰返し行った後、n型アモルファスシリコン層(1
2a)を形成する請求項7記載の発光材料の製造方法。
8. After the deposition of the β-iron silicide semiconductor particles (13) and the formation of the p-type amorphous silicon layer (14a) are repeated at least once, the n-type amorphous silicon layer (1) is formed.
The method for producing a luminescent material according to claim 7, wherein 2a) is formed.
【請求項9】 n型又はp型半導体基板(11a,11b)上に
粒径がナノメートルオーダーのβ−鉄シリサイド半導体
粒子(13)がp型アモルファスシリコン(14)中にドット状
に分散した発光層(15a,15b)が形成された発光素子。
9. On the n-type or p-type semiconductor substrate (11a, 11b), β-iron silicide semiconductor particles (13) having a particle size of nanometer order are dispersed in the form of dots in p-type amorphous silicon (14). A light emitting element on which light emitting layers (15a, 15b) are formed.
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