JP3532512B2 - 発光基板の作製方法 - Google Patents
発光基板の作製方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は発光基板の作製方法
に関するものであり、特に、シリコン基板表面に金属シ
リサイドのナノ粒子を形成する工程を有する発光基板の
作製方法に関するものである。ここに、「ナノ粒子」と
は、大きさ数〜数十ｎｍの微粒子を意味する。
に関するものであり、特に、シリコン基板表面に金属シ
リサイドのナノ粒子を形成する工程を有する発光基板の
作製方法に関するものである。ここに、「ナノ粒子」と
は、大きさ数〜数十ｎｍの微粒子を意味する。
【０００２】
【従来の技術】シリコン基板の表面にエピタキシャル成
長した金属のシリサイド膜は、主に集積回路のコンタク
トや各薄膜層との接続などに利用されている。また、金
属シリサイド層を埋め込む技術としては、シリコン基板
表面に金属イオンを高エネルギーで注入した後、熱処理
をしてエピタキシャルな金属のシリサイド膜を形成でき
ることが知られている。
長した金属のシリサイド膜は、主に集積回路のコンタク
トや各薄膜層との接続などに利用されている。また、金
属シリサイド層を埋め込む技術としては、シリコン基板
表面に金属イオンを高エネルギーで注入した後、熱処理
をしてエピタキシャルな金属のシリサイド膜を形成でき
ることが知られている。
【０００３】最近では、この金属シリサイドの物性的な
研究が盛んになり、英国のサーレイ（ Surrey ）大学の
研究グループでは、シリコン基板に鉄イオンを注入した
後に熱処理を行なって形成した鉄シリサイド膜の性質と
して、波長１.５８μｍでの発光現象が観測されたこと
が報告された。この報告を契機として、鉄シリサイドに
よる半導体デバイスの実現に向けた多様な鉄シリサイド
の形成方法の研究開発が進展している。筑波大学の研究
グループでは、シリコン基板上に鉄（Ｆｅ）を蒸着した
後、熱処理により鉄シリサイド膜が作製されている。
研究が盛んになり、英国のサーレイ（ Surrey ）大学の
研究グループでは、シリコン基板に鉄イオンを注入した
後に熱処理を行なって形成した鉄シリサイド膜の性質と
して、波長１.５８μｍでの発光現象が観測されたこと
が報告された。この報告を契機として、鉄シリサイドに
よる半導体デバイスの実現に向けた多様な鉄シリサイド
の形成方法の研究開発が進展している。筑波大学の研究
グループでは、シリコン基板上に鉄（Ｆｅ）を蒸着した
後、熱処理により鉄シリサイド膜が作製されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、鉄シリ
サイドをシリコン基板内の所定の位置範囲に形成する従
来の方法として、鉄イオンをシリコン基板に注入した後
に加熱処理する方法が用いられているが、この方法にお
いては、イオン注入のために、大型で高価なイオンイン
プランタエーション装置が必要となる。
サイドをシリコン基板内の所定の位置範囲に形成する従
来の方法として、鉄イオンをシリコン基板に注入した後
に加熱処理する方法が用いられているが、この方法にお
いては、イオン注入のために、大型で高価なイオンイン
プランタエーション装置が必要となる。
【０００５】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、本発明が解決しようとする課題は、従来のイオ
ンインプランテーション装置のような大型の装置を使用
することなく、簡易な作製工程で、表面領域にナノ粒子
状鉄シリサイドを含有する層を形成することを可能とす
る発光基板の作製方法を提供することにある。
であり、本発明が解決しようとする課題は、従来のイオ
ンインプランテーション装置のような大型の装置を使用
することなく、簡易な作製工程で、表面領域にナノ粒子
状鉄シリサイドを含有する層を形成することを可能とす
る発光基板の作製方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、請求項１に記載のように、シリコン層上
に鉄酸化物のナノ粒子を付着させる工程と、該シリコン
層上に付着した該鉄酸化物のナノ粒子の加熱処理により
鉄のナノ粒子を形成する工程と、該鉄のナノ粒子上にシ
リコン薄層を形成することにより鉄シリサイドのナノ粒
子を形成する工程とを有することを特徴とする発光基板
の作製方法を構成する。
に、本発明は、請求項１に記載のように、シリコン層上
に鉄酸化物のナノ粒子を付着させる工程と、該シリコン
層上に付着した該鉄酸化物のナノ粒子の加熱処理により
鉄のナノ粒子を形成する工程と、該鉄のナノ粒子上にシ
リコン薄層を形成することにより鉄シリサイドのナノ粒
子を形成する工程とを有することを特徴とする発光基板
の作製方法を構成する。
【０００７】また、本発明は、請求項２に記載のよう
に、請求項１に記載の発光基板の作製方法において、前
記鉄酸化物のナノ粒子の大きさは３〜１５ｎｍであり、
前記加熱処理の温度は８５０〜９００℃であることを特
徴とする発光基板の作製方法を構成する。
に、請求項１に記載の発光基板の作製方法において、前
記鉄酸化物のナノ粒子の大きさは３〜１５ｎｍであり、
前記加熱処理の温度は８５０〜９００℃であることを特
徴とする発光基板の作製方法を構成する。
【０００８】
【０００９】
【発明の実施の形態】［実施の形態１］本発明の実施の
形態の１つとして、シリコン基板上に鉄シリサイドを作
製する方法について、図１を用いて説明する。
形態の１つとして、シリコン基板上に鉄シリサイドを作
製する方法について、図１を用いて説明する。
【００１０】まず、鉄シリサイドの原材料として直径３
〜１５ｎｍ（より好ましくは５〜１０ｎｍ）のきわめて
微少かつ均一な酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）のナノ粒子を準備
し、このナノ粒子をアルコール溶液内で撹絆し、充分に
懸濁させる。
〜１５ｎｍ（より好ましくは５〜１０ｎｍ）のきわめて
微少かつ均一な酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）のナノ粒子を準備
し、このナノ粒子をアルコール溶液内で撹絆し、充分に
懸濁させる。
【００１１】つぎに、（１１１）面を基板面とするシリ
コン基板１（図１の（ａ）に示す）の表面を充分に清浄
化した後、上記のナノ粒子を含んだ溶液内に浸し、シリ
コン基板１の表面に上記の懸濁液の酸化鉄ナノ粒子２と
アルコールとを付着させて図１の（ｂ）に示した状態と
する。その後、アルコールが蒸発して、酸化鉄ナノ粒子
２のみが表面に付着している状態のシリコン基板１を分
子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ装置）内にセット
した後、８５０〜９００℃の加熱処理を行う。この加熱
処理によって、酸化鉄ナノ粒子２は還元されて鉄ナノ粒
子３が生成し、図１の（ｃ）に示した状態となる。その
後、シリコン基板１の温度を５２０℃として、１２００
℃に加熱したＫセル源からシリコン原子を２ｎｍ堆積さ
せ、鉄ナノ粒子３を埋め込む構造とした。ただし、後述
するように、シリコン原子の堆積中に、シリコン原子と
鉄ナノ粒子３との反応が起こり、その結果として、ナノ
メートルサイズの鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）ナノ
粒子４が形成され、その鉄シリサイドナノ粒子４がシリ
コンカバー層５の中に埋め込まれた状態（図１の（ｄ）
に示す）となる。鉄シリサイドナノ粒子４の大きさは出
発物質である酸化鉄ナノ粒子２の大きさに近い。
コン基板１（図１の（ａ）に示す）の表面を充分に清浄
化した後、上記のナノ粒子を含んだ溶液内に浸し、シリ
コン基板１の表面に上記の懸濁液の酸化鉄ナノ粒子２と
アルコールとを付着させて図１の（ｂ）に示した状態と
する。その後、アルコールが蒸発して、酸化鉄ナノ粒子
２のみが表面に付着している状態のシリコン基板１を分
子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ装置）内にセット
した後、８５０〜９００℃の加熱処理を行う。この加熱
処理によって、酸化鉄ナノ粒子２は還元されて鉄ナノ粒
子３が生成し、図１の（ｃ）に示した状態となる。その
後、シリコン基板１の温度を５２０℃として、１２００
℃に加熱したＫセル源からシリコン原子を２ｎｍ堆積さ
せ、鉄ナノ粒子３を埋め込む構造とした。ただし、後述
するように、シリコン原子の堆積中に、シリコン原子と
鉄ナノ粒子３との反応が起こり、その結果として、ナノ
メートルサイズの鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）ナノ
粒子４が形成され、その鉄シリサイドナノ粒子４がシリ
コンカバー層５の中に埋め込まれた状態（図１の（ｄ）
に示す）となる。鉄シリサイドナノ粒子４の大きさは出
発物質である酸化鉄ナノ粒子２の大きさに近い。
【００１２】以上の作製工程における鉄ナノ粒子３の生
成過程を確認するために、図１の（ｂ）から（ｃ）に到
る加熱処理の前と途中と後とにおける鉄原子の結合の様
子をＭｇＫα線を用いたＸ線光電子分析（ＸＰＳ）によ
って観察した結果を図２に示す。
成過程を確認するために、図１の（ｂ）から（ｃ）に到
る加熱処理の前と途中と後とにおける鉄原子の結合の様
子をＭｇＫα線を用いたＸ線光電子分析（ＸＰＳ）によ
って観察した結果を図２に示す。
【００１３】図２は、室温、５００℃、７２０℃、８５
０℃、９００℃におけるＦｅ２ｐに着目して結合エネル
ギーの強度変化を観測したデータであり、室温で明瞭に
観測される酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）に相当する７１０.５
ｅＶと７２４ｅＶの信号は８５０℃、９００℃の加熱に
より消滅し、鉄（Ｆｅ）に相当する７０７ｅＶの結合エ
ネルギーにおいてピークが観測される。この図２から、
シリコン基板１の８５０〜９００℃の加熱処理により酸
化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）ナノ粒子２は還元され、シリコン基
板との化学反応によりナノメートルサイズの鉄ナノ粒子
３が形成されたことが分かる。
０℃、９００℃におけるＦｅ２ｐに着目して結合エネル
ギーの強度変化を観測したデータであり、室温で明瞭に
観測される酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）に相当する７１０.５
ｅＶと７２４ｅＶの信号は８５０℃、９００℃の加熱に
より消滅し、鉄（Ｆｅ）に相当する７０７ｅＶの結合エ
ネルギーにおいてピークが観測される。この図２から、
シリコン基板１の８５０〜９００℃の加熱処理により酸
化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）ナノ粒子２は還元され、シリコン基
板との化学反応によりナノメートルサイズの鉄ナノ粒子
３が形成されたことが分かる。
【００１４】さらに、２ｎｍの厚さにシリコン原子を堆
積させた後のＸＰＳによれば、堆積中に生じたシリコン
原子と鉄ナノ粒子３との反応により、ナノメートルサイ
ズの鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）ナノ粒子４が形成
され、それがシリコン基板上に埋め込まれたことが確認
できた。
積させた後のＸＰＳによれば、堆積中に生じたシリコン
原子と鉄ナノ粒子３との反応により、ナノメートルサイ
ズの鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）ナノ粒子４が形成
され、それがシリコン基板上に埋め込まれたことが確認
できた。
【００１５】なお、鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）ナ
ノ粒子のシリコン基板上の面密度を観測すると１０８〜
１０１０個／ｃｍ２であった。
ノ粒子のシリコン基板上の面密度を観測すると１０８〜
１０１０個／ｃｍ２であった。
【００１６】作製された鉄シリサイド（β-ＦｅＳ
ｉ２）ナノ粒子の光学的特性として、ＰＬ法（フォトル
ミネッセンス法）により、ＰＬスペクトルを観測したデ
ータを図３に示す。図において、横軸は発光波長、縦軸
は発光強度である。測定基板温度は１２Ｋおよび８０Ｋ
であるが、波長１.６１５５μｍおよび１.６１８μｍの
発光が観測され、その半値幅は１５ｍｅＶときわめて狭
く、単色性に優れている特性を有している。このこと
は、鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）が、バンドギャッ
プ的に直接遷移型の半導体材料であることを暗示してい
る。 ［実施の形態２］ つぎに、本発明に係る発光基板の作製方法の一応用例に
ついて説明する。
ｉ２）ナノ粒子の光学的特性として、ＰＬ法（フォトル
ミネッセンス法）により、ＰＬスペクトルを観測したデ
ータを図３に示す。図において、横軸は発光波長、縦軸
は発光強度である。測定基板温度は１２Ｋおよび８０Ｋ
であるが、波長１.６１５５μｍおよび１.６１８μｍの
発光が観測され、その半値幅は１５ｍｅＶときわめて狭
く、単色性に優れている特性を有している。このこと
は、鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ２）が、バンドギャッ
プ的に直接遷移型の半導体材料であることを暗示してい
る。 ［実施の形態２］ つぎに、本発明に係る発光基板の作製方法の一応用例に
ついて説明する。
【００１７】図４は、シリコン基板上にｐｎ接合を形成
するとともに、ｐ層領域に鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ
２）ナノ粒子を含有する層を形成した発光素子の断面を
示す図である。図において、４１はＳｂドープのｎ＋シ
リコン基板であり、４２はｎ ＋シリコン基板４１上に形
成されたｎ型の第１のシリコン層であり、４３は第１の
シリコン層４２上に形成され、鉄シリサイドナノ粒子４
５を含有するｐ型の第２のシリコン層であり、４４は第
２のシリコン層４３上に形成されたｐ＋型のシリコン層
であり、４５は第２のシリコン層４３中に形成された鉄
シリサイドナノ粒子であり、４６は基板側電極であり、
４７は表面側電極である。
するとともに、ｐ層領域に鉄シリサイド（β-ＦｅＳｉ
２）ナノ粒子を含有する層を形成した発光素子の断面を
示す図である。図において、４１はＳｂドープのｎ＋シ
リコン基板であり、４２はｎ ＋シリコン基板４１上に形
成されたｎ型の第１のシリコン層であり、４３は第１の
シリコン層４２上に形成され、鉄シリサイドナノ粒子４
５を含有するｐ型の第２のシリコン層であり、４４は第
２のシリコン層４３上に形成されたｐ＋型のシリコン層
であり、４５は第２のシリコン層４３中に形成された鉄
シリサイドナノ粒子であり、４６は基板側電極であり、
４７は表面側電極である。
【００１８】この発光素子の作製方法について以下に説
明する。
明する。
【００１９】まず、分子線エピタキシャル装置内で、
（１００）基板面を有するＳｂドープのｎ＋シリコン基
板４１上に、基板温度５００〜６００℃として、高濃度
のｎ型ドーパントを有する第１のシリコン層４２（電極
層として作用する）を約０.３μｍほど形成した後、ｐ
型ドーパントを有するシリコン層を約５０ｎｍほど形成
する。その後、装置から成長基板４１を取り出し、５〜
２０ｎｍの大きさの酸化鉄ナノ粒子を含有したアルコー
ル溶液内にシリコン基板４１を浸漬し、液を充分に含浸
させた後、再度、分子線エピタキシャル装置にシリコン
基板４１を配置し、超高真空中で約８５０℃に基板４１
を加熱し、ｐ型のシリコン層表面上に鉄ナノ粒子層を形
成する。基板温度を５００℃〜６００℃にもどし、再度
ｐ型ドーパントとともにシリコン層を約０.５μｍ形成
する。この過程で、上記ｐ型ドーパントとともに形成さ
れた２層のシリコン層は一体化して第２のシリコン層４
３となり、鉄ナノ粒子は堆積されたシリコン原子と反応
し、第２のシリコン層４３内に埋め込まれた鉄シリサイ
ド（β-ＦｅＳｉ２）ナノ粒子４５となる。このように
して、ｐ型の第２のシリコン層４３とｎ型の第１のシリ
コン層４２とがｐｎ接合層を構成し、第２のシリコン層
４３内に鉄シリサイドナノ粒子４５が含有されている構
造が実現する。この場合に、鉄シリサイドナノ粒子４５
を含有する第２のシリコン層４３が発光素子の活性層と
なる。
（１００）基板面を有するＳｂドープのｎ＋シリコン基
板４１上に、基板温度５００〜６００℃として、高濃度
のｎ型ドーパントを有する第１のシリコン層４２（電極
層として作用する）を約０.３μｍほど形成した後、ｐ
型ドーパントを有するシリコン層を約５０ｎｍほど形成
する。その後、装置から成長基板４１を取り出し、５〜
２０ｎｍの大きさの酸化鉄ナノ粒子を含有したアルコー
ル溶液内にシリコン基板４１を浸漬し、液を充分に含浸
させた後、再度、分子線エピタキシャル装置にシリコン
基板４１を配置し、超高真空中で約８５０℃に基板４１
を加熱し、ｐ型のシリコン層表面上に鉄ナノ粒子層を形
成する。基板温度を５００℃〜６００℃にもどし、再度
ｐ型ドーパントとともにシリコン層を約０.５μｍ形成
する。この過程で、上記ｐ型ドーパントとともに形成さ
れた２層のシリコン層は一体化して第２のシリコン層４
３となり、鉄ナノ粒子は堆積されたシリコン原子と反応
し、第２のシリコン層４３内に埋め込まれた鉄シリサイ
ド（β-ＦｅＳｉ２）ナノ粒子４５となる。このように
して、ｐ型の第２のシリコン層４３とｎ型の第１のシリ
コン層４２とがｐｎ接合層を構成し、第２のシリコン層
４３内に鉄シリサイドナノ粒子４５が含有されている構
造が実現する。この場合に、鉄シリサイドナノ粒子４５
を含有する第２のシリコン層４３が発光素子の活性層と
なる。
【００２０】その後、第２のシリコン層４３上に、電極
層として、ｐ＋シリコンからなる第３のシリコン層４４
を形成し、公知の電極形成技術およびパターニング技術
を利用して、基板側電極４６（ＡｕＳｂよりなる）およ
び表面側電極４７（Ａｌよりなる）を形成した。
層として、ｐ＋シリコンからなる第３のシリコン層４４
を形成し、公知の電極形成技術およびパターニング技術
を利用して、基板側電極４６（ＡｕＳｂよりなる）およ
び表面側電極４７（Ａｌよりなる）を形成した。
【００２１】図４の構造の素子を低温で電流を注入した
ところ、前記したように波長１.６１μｍ近辺で発光が
観測された。このような発光は、従来、シリコン系材料
では困難と考えられていたものである。
ところ、前記したように波長１.６１μｍ近辺で発光が
観測された。このような発光は、従来、シリコン系材料
では困難と考えられていたものである。
【００２２】以上に説明したように、本発明に係る発光
基板の作製方法によって、従来のイオンインプランテー
ション装置のような大型の装置を使用することなく、簡
易な作製工程で表面領域にナノ粒子の鉄シリサイド層を
形成することができるとともに、従来シリコン系材料で
は困難と考えられていた発光素子を実現することができ
る。
基板の作製方法によって、従来のイオンインプランテー
ション装置のような大型の装置を使用することなく、簡
易な作製工程で表面領域にナノ粒子の鉄シリサイド層を
形成することができるとともに、従来シリコン系材料で
は困難と考えられていた発光素子を実現することができ
る。
【００２３】
【発明の効果】本発明の実施によって、簡易な作製工程
で、表面領域にナノ粒子状鉄シリサイドを含有する層を
形成することを可能とする発光基板の作製方法を提供す
ることが可能となる。
で、表面領域にナノ粒子状鉄シリサイドを含有する層を
形成することを可能とする発光基板の作製方法を提供す
ることが可能となる。
【図１】実施の形態１における発光基板の作製方法を説
明する図である。
明する図である。
【図２】実施の形態１におけるＸ線光電子分光分析によ
る観察のデータである。
る観察のデータである。
【図３】実施の形態１における鉄シリサイド（β-Ｆｅ
Ｓｉ２）ナノ粒子を含有する層のＰＬ測定データを示す
図である。
Ｓｉ２）ナノ粒子を含有する層のＰＬ測定データを示す
図である。
【図４】実施の形態２において作製される鉄シリサイド
（β-ＦｅＳｉ２）ナノ粒子を含有する層を活性層とす
る発光素子の基本的な構成図を示したものである。
（β-ＦｅＳｉ２）ナノ粒子を含有する層を活性層とす
る発光素子の基本的な構成図を示したものである。
１…シリコン基板、２…酸化鉄ナノ粒子、３…鉄ナノ粒
子、４…鉄シリサイドナノ粒子、５…シリコンカバー
層、４１…ｎ＋シリコン基板、４２…第１のシリコン
層、４３…第２のシリコン層、４４…第３のシリコン
層、４５…鉄シリサイドナノ粒子、４６…基板側電極、
４７…表面側電極。
子、４…鉄シリサイドナノ粒子、５…シリコンカバー
層、４１…ｎ＋シリコン基板、４２…第１のシリコン
層、４３…第２のシリコン層、４４…第３のシリコン
層、４５…鉄シリサイドナノ粒子、４６…基板側電極、
４７…表面側電極。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平11−340499（ＪＰ，Ａ)
特開2000−160157（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
H01L 31/04 - 31/06
Claims (2)
- 【請求項１】シリコン層上に鉄酸化物のナノ粒子を付着
させる工程と、該シリコン層上に付着した該鉄酸化物の
ナノ粒子の加熱処理により鉄のナノ粒子を形成する工程
と、該鉄のナノ粒子上にシリコン薄層を形成することに
より鉄シリサイドのナノ粒子を形成する工程とを有する
ことを特徴とする発光基板の作製方法。 - 【請求項２】請求項１に記載の発光基板の作製方法にお
いて、前記鉄酸化物のナノ粒子の大きさは３〜１５ｎｍ
であり、前記加熱処理の温度は８５０〜９００℃である
ことを特徴とする発光基板の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000262866A JP3532512B2 (ja) | 2000-08-31 | 2000-08-31 | 発光基板の作製方法 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002076431A JP2002076431A (ja) | 2002-03-15 |
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|---|---|---|---|---|
| DE10223706A1 (de) * | 2002-05-28 | 2003-12-18 | Nat Taiwan University Taipeh T | Lichtemissionsdiode |
| US7407887B2 (en) | 2003-10-16 | 2008-08-05 | The Regents Of The University Of California | Nanostructures, nanogrooves, and nanowires |
| KR100707183B1 (ko) * | 2005-02-19 | 2007-04-13 | 삼성전자주식회사 | 나노입자의 적층 구조 및 그 제조 방법 |
-
2000
- 2000-08-31 JP JP2000262866A patent/JP3532512B2/ja not_active Expired - Fee Related
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