JP3825358B2 - シリコン光素子及びこれを適用した発光ディバイス装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン光素子に係り、特に安価及び高効率を達成できるシリコン光素子及びこれを適用した発光ディバイス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体基板には論理素子、演算素子及びドライブ素子などを高い信頼性で高集積化でき、シリコンが安いために化合物半導体に比べてより安価で、高集積回路を実現しうる利点がある。したがって、大部分の集積回路はシリコン（Ｓｉ）を基本材料として使用している。
【０００３】
前記のようなシリコンが有する利点を十分に生かし、集積回路との製造工程上の互換性ある安価の光電子ディバイスを具現するためにシリコンに基づいた発光素子を作ろうとする研究が進行しつつある。多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンは発光特性を有するのが実験的に確認され、これに関する研究が進行されている。
【０００４】
図１はバルク型の単結晶シリコンの表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）との間のエネルギーバンドギャップを示す図面である。
多孔性シリコンは、バルク型の単結晶Ｓｉを、例えば、フッ酸(ＨＦ)が含まれた電解質溶液に入れ、そのバルク型Ｓｉの表面を電気化学的に陽極処理（ａｎｏｄｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）することによって製造されうる。
【０００５】
バルク型シリコンをＨＦ溶液に入れたままで陽極処理を行う時、そのバルク型シリコンの表面側には図１に示されたように、多数の孔１ａを有する多孔性シリコン領域１が形成される。前記孔１ａ部分には膨出部（ＨＦにより融解されない部分）１ｂに比べてＳｉ−Ｈ結合がより多く存在する。多孔性シリコン領域１での価電子帯エネルギーＥｖと伝導帯エネルギーＥｃとのネルギーバンドギャップは多孔性シリコン領域１の形状と反対に現れる。
【０００６】
したがって、エネルギーバンドギャップ図面で膨出部に取囲まれた窪み（多孔性シリコン領域１、図面では孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂ）は量子拘束効果（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ）を示してバルク型シリコンのエネルギーバンドギャップより大きくなり、この部分に電子とホールとがトラップされて発光結合を行う。
【０００７】
例えば、多孔性シリコン領域１で、孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂを量子拘束効果を示す単結晶シリコンワイヤー状に形成すれば、電子とホールとはこのワイヤーにトラップされて発光結合をし、ワイヤーの大きさ（幅と長さ）によって発光波長は近赤外線から青色波長まで可能である。この際、孔１ａの周期は図１に示したように、例えば約５ｎｍ、多孔性シリコン領域の最大厚さは、例えば約３ｎｍである。
【０００８】
したがって、多孔性シリコンに基づく発光素子を製造し、多孔性シリコン領域１が形成された単結晶シリコンに所定の電圧を印加すれば、多孔性特性によって所望の波長領域の光を発光させうる。
しかし、前述したような多孔性シリコンに基づいた発光素子は、まだ発光素子としての信頼性が確保されておらず、外部量子効率（ＥＱＥ：ＥｘｔｅｒｎａｌＱｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が約０．１％と低い問題点がある。
【０００９】
図２はナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。
図面を参照すれば、ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子は、ｐ型単結晶シリコン基板２と、前記基板２上に形成された非晶質シリコン層３と、前記非晶質シリコン層３上に形成された絶縁膜５と、前記基板２の下面及び前記絶縁膜５上に各々形成された下部、上部電極６、７を含む層構造を有し、前記非晶質シリコン層３内に形成された量子点状のナノクリスタルシリコン４とを具備する。
【００１０】
前記非晶質シリコン層３を酸素雰囲気下で７００℃に急昇温させて再結晶化させれば、量子点状のナノクリスタルシリコン４が形成される。この際、前記非晶質シリコン層３の厚さは３ｎｍで、ナノクリスタルシリコン４の大きさは約２〜３ｎｍである。
前述したようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は前記上下部電極７、６を通じて逆方向に電圧をかければ、シリコン基板２とナノクリスタルシリコン４との間の非晶質シリコンの両端に大きな電界が生じて高エネルギー状態の電子と正孔が生成され、これらがナノクリスタルシリコン４内にトンネリングされて発光結合を行う。この際、ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子において発光波長はナノクリスタルシリコン量子点の大きさが小さいほど短くなる。
【００１１】
このようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は、ナノクリスタルシリコン量子点の大きさ制御及び均一性を確保しにくく、効率が極めて低い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を勘案して案出されたものであって、多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンを用いた発光素子より効率に優れるだけでなく、発光素子及び受光素子のうち何れか１つの素子として使用でき、安価の新たなシリコン光素子及びこれを適用した発光ディバイス装置を提供するのにその目的がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明に係る光素子は、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つでは電子と正孔対の消滅結合により発光が起こる。前記ドーピング領域に複数の微細なホールをさらに備え、発光された光の出力効率を向上させる。
本発明に係る別の光素子は、ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子―正孔対を生成する。紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きい光素子である。
【００１４】
前記基板の一面には前記ドーピング領域形成時にマスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成する制御膜をさらに備えることが望ましい。
前記制御膜はシリコン酸化膜であることが望ましい。
前記ドーピング領域は前記ドープ剤の非平衡拡散により形成されうる。
【００１５】
前記ドープ剤はホウ素及び燐のうち何れか１つを含む。
【００１６】
前記ホールは前記ｐ−ｎ接合部位の光が発光される領域の下部まで延びていることが望ましい。
この際、前記ホールは、特定の発光波長をλ、前記ホール内での媒質の屈折率をｎとすれば、約λ／（２ｎ）の整数倍の大きさよりなることが望ましい。
【００１７】
本発明による光素子は、前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子−正孔対を生成し、受光素子として使用できる。
ここで、本発明による光素子は、紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きくなったことが望ましい。
【００１８】
特に、波長が１５０ｎｍ以下の紫外線領域まで検出可能になったことが望ましい。
一方、前記第１電極は前記ドーピング領域が形成された前記基板の一面に形成され、前記第２電極は前記基板の反対面に形成されうる。
前記第１及び第２電極は、前記ドーピング領域に電気的に接続可能に前記基板の一面に形成されうる。
【００１９】
前記半導体物質はＳｉＣを更に含む。
前記目的を達成するための本発明に係る発光ディバイス装置は、発光素子として機能をする少なくとも１つ以上の光素子を備え、前記光素子は、ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つでは電子と正孔対の消滅結合により発光が起こる。前記ドーピング領域に複数の微細なホールをさらに備え、発光された光の出力効率を向上させる。
本発明に係る別の発光ディバイス装置は、発光素子として機能をする少なくとも１つの以上の光素子を備え、前記光素子は、ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子―正孔対を生成し、紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きい発光ディバイス装置である。
【００２０】
この際、前記光素子の基板の一面には、前記ドーピング領域の形成時にマスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成する制御膜をさらに備えることが望ましい。
前記光素子は、前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位で電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、多数の光素子が２次元配列で形成され、ディスプレーシステムとして使われることが望ましい。
【００２１】
本発明に係る発光ディバイス装置において、前記光素子の２次元配列は相異なる色光を出射する３つの光素子が各画素に対応するように形成されてなりうる。
本発明に係る発光ディバイス装置において、前記光素子は白色光を出射し、前記光素子の２次元配列の前面に波長選択カラーフィルターを備えられる。
【００２２】
一方、本発明に係る発光ディバイス装置は、前記光素子の第１及び第２電極を通じて電流を印加するとき、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位で電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、前記光素子を少なくとも１つ以上備え、照明システムとしても使える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳しく説明する。
図３を参照すれば、本発明に係るシリコン光素子は、基板１１と、前記基板１１の一面に形成されたドーピング領域１５と、前記ドーピング領域１５に電気的に接続可能に前記基板１１に形成された第１及び第２電極１７、１９とを含んで構成される。また、本発明に係るシリコン光素子は前記ドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能し、またドーピング領域１５を所望通り極端に浅く形成させる制御膜１３を前記基板１１の一面にさらに備えることが望ましい。この制御膜１３は前記ドーピング領域１５を形成した後、選択的に除去されうる。
【００２４】
前記基板１１はＳｉを含む所定の半導体物質、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣまたはダイヤモンドよりなり、ｎ型ドーピングされている。
前記ドーピング領域１５は所定のドープ剤、例えば、ホウ素または燐を前記制御膜１３の開口を通じて前記基板１１内に非平衡拡散工程により注入させ、前記基板１１と反対型、例えば、ｐ+型ドーピングされた領域である。
【００２５】
ドーピング時、前記ドーピング領域１５の前記基板１１との境界部、すなわち、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つが形成されて量子拘束効果による光電変換効果を発揮するように、前記ドーピング領域１５は所望通り極端に浅くドーピングされたことが望ましい。
ここで、前記ｐ−ｎ接合部位１４には主に量子ウェルが形成され、量子点や量子線も形成されうる。また、前記ｐ−ｎ接合部位１４には前記量子ウェル、量子点、量子線のうち２種以上が複合形成されることもある。以下、表現の便宜上、前記ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたとして説明する。以下、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明しても、これは量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つであると見なされる。
【００２６】
図４Ａはドーピング領域１５を非平衡拡散により極端に浅く形成する時のｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図４Ｂは非平衡拡散により図４Ａに示されたｐ−ｎ接合部位１４に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルＱＷのエネルギーバンドを示す。図４Ｂにおいて、Ｅｃは伝導帯エネルギー準位、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｆはフェルミエネルギー準位を各々示すが、このようなエネルギー準位については半導体関連技術分野ではよく知られているので、その詳細な説明は略す。
【００２７】
図４Ａ及び図４Ｂに示されたように、ｐ−ｎ接合部位１４は他のドーピング層が交互に形成された量子ウェル構造を有するが、ウェルとバリヤーとは約２、３ｎｍである。
このようにｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルを形成する極端に浅いドーピングは前記制御膜１３の厚さ及び拡散工程条件などを最適に制御することによって形成されうる。
【００２８】
拡散工程のうち適正な拡散温度及び基板１１表面の変形されたポテンシャルにより拡散プロファイルの厚さが、例えば、１０−２０ｎｍに調節され、このように極端に浅い拡散プロファイルには量子ウェルが生成される。ここで、基板１１表面は初期制御膜の厚さと表面前処理により変形され、このような変形は工程の進行につれて深化される。
【００２９】
前記制御膜１３はドーピング領域１５を極端に浅く形成させる適正厚さを有するＳｉＯ2であることが望ましい。この制御膜１３は、例えば、基板１１の一面上にＳｉＯ2を形成した後、拡散工程のための開口部分をフォトリソグラフィー工程を用いてエッチングすることによってマスク構造で形成される。
拡散技術分野で知られたところによれば、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ（数千Å）より厚いか、または低温であれば、主に空席が拡散に影響を与えて拡散が深く起こり、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さより薄いか、または高温であれば、Ｓｉ自己間隙が主に拡散に影響を与えて拡散が深く起こる。したがって、シリコン酸化膜をＳｉ自己間隙及び空席が類似した割合で生じる適正厚さに形成すれば、Ｓｉ自己間隙と空席とが相互結合されてドープ剤の拡散を促進しなくなるので、極端に浅いドーピングが可能となる。ここで、空席及び自己間隙と関連した物理的な性質は拡散と関連した技術分野ではよく知られているので、より詳細な説明は略す。
【００３０】
ここで、前記基板１１はｐ型ドーピングされ、前記ドーピング領域１５はｎ+型ドーピングされうる。
前記第１電極１７はドーピング領域１５が形成された基板１１の一面上に形成され、前記第２電極１９は前記基板１１の底面に形成される。図３は前記第１電極１７を、不透明金属材質でドーピング領域１５の外側一部分にコンタクトされるように形成した例を示す。前記第１電極１７はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明電極材質を使用してドーピング領域１５上に全体的に形成されうる。
【００３１】
前述したような本発明に係るシリコン光素子は前記ドーピング領域１５の基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４に電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェルが形成されているので、発光素子または受光素子として使用されうる。
例えば、前記第１電極１７と第２電極１９とを通じてＤＣ電圧（または電流）が加えられると、キャリア、すなわち、電子と正孔とが前記ｐ−ｎ接合部位１４の量子ウェルに注入され、量子ウェル内の副エネルギーレベルを通じて再結合（消滅結合）される。この際、キャリアが結合される状態によって多様な波長の電場発光（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）が生じる。
【００３２】
本発明に係るシリコン光素子が発光素子として使われる時、ＥＬの強度は、図５に示されたような基板１１表面（実際には、ドーピング領域１４表面）に形成される微小欠陥による微小空隙の共振波長とよく合う場合に増幅されうる。したがって、製作工程により微小空隙の大きさを調節すれば、本発明に係るシリコン光素子を用いて、非常に短波長から長波長領域（特に、ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ（ＵＶ）〜ｉｎｆｒａ ｒｅｄ（ＩＲ））までの発光素子が得られる。
【００３３】
ここで、微小空隙は変形されたポテンシャルによって生じる。したがって、微小空隙を調節すれば特定波長、または広い波長帯域が得られる。
前述したように本発明に係るシリコン光素子を発光素子として使用する時、広い波長帯域の発光特性が得られ、外部量子効率（ＥＱＥ）も、例えば、約６０％と非常に高い。
【００３４】
一方、本発明に係るシリコン光素子が発光素子として使われる時、極端に浅いｐ−ｎ接合部位内の量子ウェルから生じる光は四方に発散される。本発明に係るシリコン光素子が発光素子として使われる時、可視光領域の光のうち表面に垂直に表面側に進行する光は主に表面に形成された微細欠陥を通じて外部に放出されるが、他の方向に進行する光は内部の発光部周囲、特に、基板１１で大部分吸収され、発光効率にほとんど寄与できない。
【００３５】
これは基板１１をなすシリコンが可視領域に対する吸収率が高いからである。可視光領域でシリコンの吸収係数αは約３０００／ｃｍ〜５００００／ｃｍであり、４００〜６５０ｎｍ領域でシリコンの吸収係数αは約５０００／ｃｍ〜３００００／ｃｍである。したがって、吸収係数αを２００００／ｃｍと仮定し、強度Ｉｏの光がシリコン物質内で距離ｘだけ進行した時の光度は数学式１のようである。
【００３６】
【数１】
数学式１を用いれば、光が２０ｎｍ進行した時、光の吸収率は１％よりはるかに小さい。したがって、ドーピング領域１５の厚さが２０〜３０ｎｍであることを考慮すれば、表面に垂直の方向に進行する光は９９．９％以上放出されうる。しかし、他の方向に進行する時は進行距離がそれだけ長くなるために相当量が基板１１に吸収される。
【００３７】
表面に垂直でない方向に進行する光の吸収を減らして発光効率をさらに高めるための本発明に係るシリコン光素子の実施例が図６に開示されている。図７は図６に示されたドーピング領域１５の一部を抜粋して示す平面図である。図６において、図３と同一な符号は実質的に同一な機能をする同一部材を示すので、その詳細な説明は略す。
【００３８】
図６及び図７を参照すれば、本実施例に係るシリコン光素子は、内部で吸収される光の一部を外部に出力させて発光された光の出力効率を向上できるように、ドーピング領域１５にその表面から形成された微細なホール２５を備える。このホール２５はｐ−ｎ接合部位１４の光が発光される領域下部まで延長形成されたことが望ましい。
【００３９】
前記ホール２５の空間は、空気で充填されるか、特定波長の光を吸収しない物質で充填されうる。
ここで、前記ホール２５は特定波長の光を増幅させる役割をするように、前記特定波長をλとする時、λ／（２ｎ）またはその整数倍の大きさにも形成されうる。この際、前記ｎは前記特定波長での孔に充填された物質（または空気媒質）の有効屈折率である。
【００４０】
前述したようにドーピング領域１５にホール２５が形成された構造のシリコン光素子では、表面に垂直でない方向に発散される光の一部も前記ホール２５の構造により出力可能なので発光効率が高まる。また、前記ホール２５を特定波長に対して前記条件を満たす大きさに形成すれば、増幅効果までも期待しうる。
前述したように、本発明に係るシリコン光素子は発光素子として機能を行うために、本発明に係るシリコン光素子はディスプレーシステムまたは照明システムなどの発光ディバイス装置に適用されうる。この際、前記発光ディバイス装置は本発明に係る光素子を少なくとも１つ以上備える。
【００４１】
本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置がディスプレーシステムである場合、前記発光ディバイス装置は、例えば、図８及び図９に示されたように本発明に係るシリコン光素子を２次元に配列して形成されうる。
本発明に係る光素子は半導体物質を用いて半導体製造工程を通じて超小型に形成されるので、これをディスプレーシステム、特に薄型固体状ディスプレーに応用可能なのは明白である。
【００４２】
図８は各画素５１に、例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を各々出射するように形成された３つの特定色光用シリコン光素子５５ａ、５５ｂ、５５ｃが位置するように本発明に係るシリコン光素子の２次元配列５０を形成し、カラーフィルター無しにＲ、Ｇ、Ｂフルカラーを具現できる発光ディバイス装置を示す。図８に示された発光ディバイス装置により鮮明なカラー具現のためにカラーフィルターを付加できることはもちろんである。 図９は、白色光を出射するように形成された白色光用のシリコン光素子７５を用いてシリコン光素子の２次元配列７０を形成し、このシリコン光素子の２次元配列７０の全面に波長選択カラーフィルター８０を備えてフルカラーを具現できる発光ディバイス装置を示す。この際、各画素７１には白色光を出射する３つの本発明に係るシリコン光素子７５が前記カラーフィルター８０のＲ、Ｇ、Ｂ要素に対応して配置されることが望ましい。この際、カラーフィルター８０のＲ、Ｇ、Ｂ要素の配置形状は図８に示されたシリコン光素子の２次元配列５０と同一か、または類似している。
【００４３】
ここで、シリコン光素子の２次元配列５０及び／またはカラーフィルター８０のＲ、Ｇ、Ｂカラーを具現するための配置は多様に変形されうる。
このような発光ディバイス装置は、図３と同様に構成され、２次元配列で形成されたシリコン光素子は、第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、ドーピング領域の基板とのｐ−ｎ接合部位で電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、照明システムやディスプレーシステム等の発光ディバイス装置として使われる。 本発明に係る発光素子を適用した発光ディバイス装置が照明システムである場合、前記発光ディバイス装置は照明システムの用途及び照度要求に対応して少なくとも１つ以上の本発明に係るシリコン光素子よりなる。
【００４４】
前述したような本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置の構造は以上の説明を通じて十分に類推可能なので、より詳細な説明及び図示は略す。
一方、前述したように、本発明に係るシリコン光素子は発光素子だけでなく受光素子としても使用しうる。これは本発明に係るシリコン光素子に光が照射されれば、発光素子として機能をする時とは反対に、ドーピング領域１５を通じて入射された光によりエネルギーを得た電子と正孔とが電流を生成して照射された光量に比例する電流信号が生じるからである。
【００４５】
このような本発明に係るシリコン光素子は垂直方向に電圧を与えたり、水平方向に電圧を与えると、ｐ−ｎ接合部位１４に形成された量子ウェル内のサブエネルギーバンド間のエネルギー差を十分に大きくできるために、紫外線検出器として使用できる。ここで、図３に示されたシリコン光素子は第２電極１９が基板１１の底面に形成され、第１及び第２電極１７、１９を通じて垂直方向に電圧を印加する構造である。図１０に示されたシリコン光素子は、図３とは違って、基板１１の底面に第２電極を形成する代わりに、第１及び第２電極１７、１９を共にドーピング領域１５の形成面側に形成し、水平方向に電圧を印加する構造である。図１０において、図３と同一な参照符号は同一または類似した機能をする同一部材を示すので、その詳細な説明は略す。
【００４６】
紫外線は波長が４００ｎｍから１ｎｍ（１ｋｅＶ）までの電磁気波を称し、波長３００ｎｍ以上を近紫外、波長２００ｎｍ以下を真空紫外と称する。
このような紫外線の検出に用いられる通常の検出器は次の通りである。
近紫外線や波長１００ｎｍまでの光検出時には可視光に使われる検出器、すなわち、フォトダイオードや光電管、光電子増配管を紫外線用として改造して使用する。Ｘ線領域に近い波長に対しては放射線検出器が使われる。
【００４７】
近紫外線検出器としては、シリコンフォトダイオードが使われる。シリコンは入射光の波長が短いほど吸収が大きいので、紫外線は検出器の表面近傍でのみ吸収される。したがって、紫外線検出器では感度を高めるために接合を減らす必要がある。ここで、シリコン検出器は通常２００〜１１００ｎｍ領域で感度を有する。
【００４８】
一般のドーピングによりドーピング領域が形成された通常の検出器で、光はｐ+（またはｎ+）ドーピング層で吸収散乱されてしまうので、垂直方向の電極に引出されて応答に寄与する電子正孔対として形成できない。また、ドーピング領域が形成された通常の検出器は、量子効果なしに、ドーピング層下の空乏層領域で吸収された光のみが電流信号として検出される間接バンドギャップ構造であって、このような間接バンドギャップにより感度が落ちて紫外線検出効率が劣る。
【００４９】
一方、本発明に係るシリコン光素子の極端に浅いドーピング領域１５は外部電圧と電荷分布ポテンシャルの局部的な変化によって量子効果が生じ、外部電圧を印加することによって量子ウェル内には図１１に示されたようにサブエネルギーバンドが形成され、高エネルギーの紫外線を吸収できるほど広いエネルギーバンドギャップを有し、吸収係数のスペクトルが変更されて紫外線を効率よく感知しうる。図１１において、３１は量子ウェル、３３はサブエネルギーバンドを示す。ｅは電子、ｈはホール、ｐは光子である。また、図１１において、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｃは伝導帯エネルギー準位を示す。
【００５０】
前述したような極端に浅いドーピング領域１５を有する本発明に係るシリコン光素子は２００〜１１００ｎｍ領域で優秀な感度を示す。また、量子ウェル内のサブバンドのギャップがシリコンでのバンドギャップより大きいので、２００ｎｍ以下の非常に短波長の紫外線も検出できる。
一方、紫外線検出器で問題となる点は、紫外線は大部分の物質に対して不透明であるという点である。通常、シリコン光素子は透明窓を通じて光が進退されるようにパッケージングされるが、透明窓を形成するために用いられるガラス（ＳｉＯ2）は波長が１５０ｎｍ以上の紫外線のみを透過させうる。
【００５１】
したがって、本発明に係るシリコン光素子を紫外線検出器として使用するには、露出されたウィンドウ（ｂａｒｅｄ ｗｉｎｄｏｗ）、すなわち、光の入射方向にガラス材質のウィンドウがない構造よりなって、１５０ｎｍ以下波長の紫外線も検出可能になったことが望ましい。
【００５２】
【発明の効果】
前述したように本発明に係るシリコン光素子は、効率が優秀で、発光素子及び受光素子のうち少なくとも何れか１つの素子として使用でき、かつシリコンに基づくためにコストダウンとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バルク型の単結晶シリコン表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップを示す図面である。
【図２】 ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。
【図３】 本発明に係るシリコン光素子を概略的に示す断面図である。
【図４Ａ】 ドーピング領域を非平衡拡散により極端に浅く形成する時、ｐ−ｎ接合部位の構造を概略的に示す図面である。
【図４Ｂ】 非平衡拡散により図４Ａに示されたｐ−ｎ接合部位に、表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルのエネルギーバンドを示す図面である。
【図５】 基板面に形成される微小空隙を示す図面である。
【図６】 表面に垂直でない方向に進行する光の吸収を減らして発光効率をさらに高めるための本発明に係るシリコン光素子の実施例を概略的に示す断面図である。
【図７】 図６に示されたドーピング領域の一部分を抜粋して示す平面図である。
【図８】 本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置の一実施例を概略的に示す平面図である。
【図９】 本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置の他の実施例を概略的に示す平面図である。
【図１０】 受光素子として使われる時の本発明に係るシリコン光素子の他の実施例を概略的に示す図面である。
【図１１】 本発明に係るシリコン光素子が紫外線検出器として使われる時、量子ウェル内のエネルギーバンドで紫外線が感知される原理を示す図面である。
【符号の説明】
１１ 基板
１３ 制御膜
１５ ドーピング領域
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン光素子に係り、特に安価及び高効率を達成できるシリコン光素子及びこれを適用した発光ディバイス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体基板には論理素子、演算素子及びドライブ素子などを高い信頼性で高集積化でき、シリコンが安いために化合物半導体に比べてより安価で、高集積回路を実現しうる利点がある。したがって、大部分の集積回路はシリコン（Ｓｉ）を基本材料として使用している。
【０００３】
前記のようなシリコンが有する利点を十分に生かし、集積回路との製造工程上の互換性ある安価の光電子ディバイスを具現するためにシリコンに基づいた発光素子を作ろうとする研究が進行しつつある。多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンは発光特性を有するのが実験的に確認され、これに関する研究が進行されている。
【０００４】
図１はバルク型の単結晶シリコンの表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）との間のエネルギーバンドギャップを示す図面である。
多孔性シリコンは、バルク型の単結晶Ｓｉを、例えば、フッ酸(ＨＦ)が含まれた電解質溶液に入れ、そのバルク型Ｓｉの表面を電気化学的に陽極処理（ａｎｏｄｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）することによって製造されうる。
【０００５】
バルク型シリコンをＨＦ溶液に入れたままで陽極処理を行う時、そのバルク型シリコンの表面側には図１に示されたように、多数の孔１ａを有する多孔性シリコン領域１が形成される。前記孔１ａ部分には膨出部（ＨＦにより融解されない部分）１ｂに比べてＳｉ−Ｈ結合がより多く存在する。多孔性シリコン領域１での価電子帯エネルギーＥｖと伝導帯エネルギーＥｃとのネルギーバンドギャップは多孔性シリコン領域１の形状と反対に現れる。
【０００６】
したがって、エネルギーバンドギャップ図面で膨出部に取囲まれた窪み（多孔性シリコン領域１、図面では孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂ）は量子拘束効果（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ）を示してバルク型シリコンのエネルギーバンドギャップより大きくなり、この部分に電子とホールとがトラップされて発光結合を行う。
【０００７】
例えば、多孔性シリコン領域１で、孔１ａに取囲まれた膨出部１ｂを量子拘束効果を示す単結晶シリコンワイヤー状に形成すれば、電子とホールとはこのワイヤーにトラップされて発光結合をし、ワイヤーの大きさ（幅と長さ）によって発光波長は近赤外線から青色波長まで可能である。この際、孔１ａの周期は図１に示したように、例えば約５ｎｍ、多孔性シリコン領域の最大厚さは、例えば約３ｎｍである。
【０００８】
したがって、多孔性シリコンに基づく発光素子を製造し、多孔性シリコン領域１が形成された単結晶シリコンに所定の電圧を印加すれば、多孔性特性によって所望の波長領域の光を発光させうる。
しかし、前述したような多孔性シリコンに基づいた発光素子は、まだ発光素子としての信頼性が確保されておらず、外部量子効率（ＥＱＥ：ＥｘｔｅｒｎａｌＱｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が約０．１％と低い問題点がある。
【０００９】
図２はナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。
図面を参照すれば、ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子は、ｐ型単結晶シリコン基板２と、前記基板２上に形成された非晶質シリコン層３と、前記非晶質シリコン層３上に形成された絶縁膜５と、前記基板２の下面及び前記絶縁膜５上に各々形成された下部、上部電極６、７を含む層構造を有し、前記非晶質シリコン層３内に形成された量子点状のナノクリスタルシリコン４とを具備する。
【００１０】
前記非晶質シリコン層３を酸素雰囲気下で７００℃に急昇温させて再結晶化させれば、量子点状のナノクリスタルシリコン４が形成される。この際、前記非晶質シリコン層３の厚さは３ｎｍで、ナノクリスタルシリコン４の大きさは約２〜３ｎｍである。
前述したようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は前記上下部電極７、６を通じて逆方向に電圧をかければ、シリコン基板２とナノクリスタルシリコン４との間の非晶質シリコンの両端に大きな電界が生じて高エネルギー状態の電子と正孔が生成され、これらがナノクリスタルシリコン４内にトンネリングされて発光結合を行う。この際、ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子において発光波長はナノクリスタルシリコン量子点の大きさが小さいほど短くなる。
【００１１】
このようなナノクリスタルシリコン４を用いた発光素子は、ナノクリスタルシリコン量子点の大きさ制御及び均一性を確保しにくく、効率が極めて低い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を勘案して案出されたものであって、多孔性シリコン及びナノクリスタルシリコンを用いた発光素子より効率に優れるだけでなく、発光素子及び受光素子のうち何れか１つの素子として使用でき、安価の新たなシリコン光素子及びこれを適用した発光ディバイス装置を提供するのにその目的がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明に係る光素子は、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つでは電子と正孔対の消滅結合により発光が起こる。前記ドーピング領域に複数の微細なホールをさらに備え、発光された光の出力効率を向上させる。
本発明に係る別の光素子は、ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子―正孔対を生成する。紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きい光素子である。
【００１４】
前記基板の一面には前記ドーピング領域形成時にマスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成する制御膜をさらに備えることが望ましい。
前記制御膜はシリコン酸化膜であることが望ましい。
前記ドーピング領域は前記ドープ剤の非平衡拡散により形成されうる。
【００１５】
前記ドープ剤はホウ素及び燐のうち何れか１つを含む。
【００１６】
前記ホールは前記ｐ−ｎ接合部位の光が発光される領域の下部まで延びていることが望ましい。
この際、前記ホールは、特定の発光波長をλ、前記ホール内での媒質の屈折率をｎとすれば、約λ／（２ｎ）の整数倍の大きさよりなることが望ましい。
【００１７】
本発明による光素子は、前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子−正孔対を生成し、受光素子として使用できる。
ここで、本発明による光素子は、紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きくなったことが望ましい。
【００１８】
特に、波長が１５０ｎｍ以下の紫外線領域まで検出可能になったことが望ましい。
一方、前記第１電極は前記ドーピング領域が形成された前記基板の一面に形成され、前記第２電極は前記基板の反対面に形成されうる。
前記第１及び第２電極は、前記ドーピング領域に電気的に接続可能に前記基板の一面に形成されうる。
【００１９】
前記半導体物質はＳｉＣを更に含む。
前記目的を達成するための本発明に係る発光ディバイス装置は、発光素子として機能をする少なくとも１つ以上の光素子を備え、前記光素子は、ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つでは電子と正孔対の消滅結合により発光が起こる。前記ドーピング領域に複数の微細なホールをさらに備え、発光された光の出力効率を向上させる。
本発明に係る別の発光ディバイス装置は、発光素子として機能をする少なくとも１つの以上の光素子を備え、前記光素子は、ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている。前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子―正孔対を生成し、紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きい発光ディバイス装置である。
【００２０】
この際、前記光素子の基板の一面には、前記ドーピング領域の形成時にマスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成する制御膜をさらに備えることが望ましい。
前記光素子は、前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位で電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、多数の光素子が２次元配列で形成され、ディスプレーシステムとして使われることが望ましい。
【００２１】
本発明に係る発光ディバイス装置において、前記光素子の２次元配列は相異なる色光を出射する３つの光素子が各画素に対応するように形成されてなりうる。
本発明に係る発光ディバイス装置において、前記光素子は白色光を出射し、前記光素子の２次元配列の前面に波長選択カラーフィルターを備えられる。
【００２２】
一方、本発明に係る発光ディバイス装置は、前記光素子の第１及び第２電極を通じて電流を印加するとき、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位で電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、前記光素子を少なくとも１つ以上備え、照明システムとしても使える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳しく説明する。
図３を参照すれば、本発明に係るシリコン光素子は、基板１１と、前記基板１１の一面に形成されたドーピング領域１５と、前記ドーピング領域１５に電気的に接続可能に前記基板１１に形成された第１及び第２電極１７、１９とを含んで構成される。また、本発明に係るシリコン光素子は前記ドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能し、またドーピング領域１５を所望通り極端に浅く形成させる制御膜１３を前記基板１１の一面にさらに備えることが望ましい。この制御膜１３は前記ドーピング領域１５を形成した後、選択的に除去されうる。
【００２４】
前記基板１１はＳｉを含む所定の半導体物質、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣまたはダイヤモンドよりなり、ｎ型ドーピングされている。
前記ドーピング領域１５は所定のドープ剤、例えば、ホウ素または燐を前記制御膜１３の開口を通じて前記基板１１内に非平衡拡散工程により注入させ、前記基板１１と反対型、例えば、ｐ+型ドーピングされた領域である。
【００２５】
ドーピング時、前記ドーピング領域１５の前記基板１１との境界部、すなわち、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つが形成されて量子拘束効果による光電変換効果を発揮するように、前記ドーピング領域１５は所望通り極端に浅くドーピングされたことが望ましい。
ここで、前記ｐ−ｎ接合部位１４には主に量子ウェルが形成され、量子点や量子線も形成されうる。また、前記ｐ−ｎ接合部位１４には前記量子ウェル、量子点、量子線のうち２種以上が複合形成されることもある。以下、表現の便宜上、前記ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたとして説明する。以下、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明しても、これは量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つであると見なされる。
【００２６】
図４Ａはドーピング領域１５を非平衡拡散により極端に浅く形成する時のｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図４Ｂは非平衡拡散により図４Ａに示されたｐ−ｎ接合部位１４に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルＱＷのエネルギーバンドを示す。図４Ｂにおいて、Ｅｃは伝導帯エネルギー準位、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｆはフェルミエネルギー準位を各々示すが、このようなエネルギー準位については半導体関連技術分野ではよく知られているので、その詳細な説明は略す。
【００２７】
図４Ａ及び図４Ｂに示されたように、ｐ−ｎ接合部位１４は他のドーピング層が交互に形成された量子ウェル構造を有するが、ウェルとバリヤーとは約２、３ｎｍである。
このようにｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルを形成する極端に浅いドーピングは前記制御膜１３の厚さ及び拡散工程条件などを最適に制御することによって形成されうる。
【００２８】
拡散工程のうち適正な拡散温度及び基板１１表面の変形されたポテンシャルにより拡散プロファイルの厚さが、例えば、１０−２０ｎｍに調節され、このように極端に浅い拡散プロファイルには量子ウェルが生成される。ここで、基板１１表面は初期制御膜の厚さと表面前処理により変形され、このような変形は工程の進行につれて深化される。
【００２９】
前記制御膜１３はドーピング領域１５を極端に浅く形成させる適正厚さを有するＳｉＯ2であることが望ましい。この制御膜１３は、例えば、基板１１の一面上にＳｉＯ2を形成した後、拡散工程のための開口部分をフォトリソグラフィー工程を用いてエッチングすることによってマスク構造で形成される。
拡散技術分野で知られたところによれば、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ（数千Å）より厚いか、または低温であれば、主に空席が拡散に影響を与えて拡散が深く起こり、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さより薄いか、または高温であれば、Ｓｉ自己間隙が主に拡散に影響を与えて拡散が深く起こる。したがって、シリコン酸化膜をＳｉ自己間隙及び空席が類似した割合で生じる適正厚さに形成すれば、Ｓｉ自己間隙と空席とが相互結合されてドープ剤の拡散を促進しなくなるので、極端に浅いドーピングが可能となる。ここで、空席及び自己間隙と関連した物理的な性質は拡散と関連した技術分野ではよく知られているので、より詳細な説明は略す。
【００３０】
ここで、前記基板１１はｐ型ドーピングされ、前記ドーピング領域１５はｎ+型ドーピングされうる。
前記第１電極１７はドーピング領域１５が形成された基板１１の一面上に形成され、前記第２電極１９は前記基板１１の底面に形成される。図３は前記第１電極１７を、不透明金属材質でドーピング領域１５の外側一部分にコンタクトされるように形成した例を示す。前記第１電極１７はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明電極材質を使用してドーピング領域１５上に全体的に形成されうる。
【００３１】
前述したような本発明に係るシリコン光素子は前記ドーピング領域１５の基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４に電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェルが形成されているので、発光素子または受光素子として使用されうる。
例えば、前記第１電極１７と第２電極１９とを通じてＤＣ電圧（または電流）が加えられると、キャリア、すなわち、電子と正孔とが前記ｐ−ｎ接合部位１４の量子ウェルに注入され、量子ウェル内の副エネルギーレベルを通じて再結合（消滅結合）される。この際、キャリアが結合される状態によって多様な波長の電場発光（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）が生じる。
【００３２】
本発明に係るシリコン光素子が発光素子として使われる時、ＥＬの強度は、図５に示されたような基板１１表面（実際には、ドーピング領域１４表面）に形成される微小欠陥による微小空隙の共振波長とよく合う場合に増幅されうる。したがって、製作工程により微小空隙の大きさを調節すれば、本発明に係るシリコン光素子を用いて、非常に短波長から長波長領域（特に、ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ（ＵＶ）〜ｉｎｆｒａ ｒｅｄ（ＩＲ））までの発光素子が得られる。
【００３３】
ここで、微小空隙は変形されたポテンシャルによって生じる。したがって、微小空隙を調節すれば特定波長、または広い波長帯域が得られる。
前述したように本発明に係るシリコン光素子を発光素子として使用する時、広い波長帯域の発光特性が得られ、外部量子効率（ＥＱＥ）も、例えば、約６０％と非常に高い。
【００３４】
一方、本発明に係るシリコン光素子が発光素子として使われる時、極端に浅いｐ−ｎ接合部位内の量子ウェルから生じる光は四方に発散される。本発明に係るシリコン光素子が発光素子として使われる時、可視光領域の光のうち表面に垂直に表面側に進行する光は主に表面に形成された微細欠陥を通じて外部に放出されるが、他の方向に進行する光は内部の発光部周囲、特に、基板１１で大部分吸収され、発光効率にほとんど寄与できない。
【００３５】
これは基板１１をなすシリコンが可視領域に対する吸収率が高いからである。可視光領域でシリコンの吸収係数αは約３０００／ｃｍ〜５００００／ｃｍであり、４００〜６５０ｎｍ領域でシリコンの吸収係数αは約５０００／ｃｍ〜３００００／ｃｍである。したがって、吸収係数αを２００００／ｃｍと仮定し、強度Ｉｏの光がシリコン物質内で距離ｘだけ進行した時の光度は数学式１のようである。
【００３６】
【数１】
【００３７】
表面に垂直でない方向に進行する光の吸収を減らして発光効率をさらに高めるための本発明に係るシリコン光素子の実施例が図６に開示されている。図７は図６に示されたドーピング領域１５の一部を抜粋して示す平面図である。図６において、図３と同一な符号は実質的に同一な機能をする同一部材を示すので、その詳細な説明は略す。
【００３８】
図６及び図７を参照すれば、本実施例に係るシリコン光素子は、内部で吸収される光の一部を外部に出力させて発光された光の出力効率を向上できるように、ドーピング領域１５にその表面から形成された微細なホール２５を備える。このホール２５はｐ−ｎ接合部位１４の光が発光される領域下部まで延長形成されたことが望ましい。
【００３９】
前記ホール２５の空間は、空気で充填されるか、特定波長の光を吸収しない物質で充填されうる。
ここで、前記ホール２５は特定波長の光を増幅させる役割をするように、前記特定波長をλとする時、λ／（２ｎ）またはその整数倍の大きさにも形成されうる。この際、前記ｎは前記特定波長での孔に充填された物質（または空気媒質）の有効屈折率である。
【００４０】
前述したようにドーピング領域１５にホール２５が形成された構造のシリコン光素子では、表面に垂直でない方向に発散される光の一部も前記ホール２５の構造により出力可能なので発光効率が高まる。また、前記ホール２５を特定波長に対して前記条件を満たす大きさに形成すれば、増幅効果までも期待しうる。
前述したように、本発明に係るシリコン光素子は発光素子として機能を行うために、本発明に係るシリコン光素子はディスプレーシステムまたは照明システムなどの発光ディバイス装置に適用されうる。この際、前記発光ディバイス装置は本発明に係る光素子を少なくとも１つ以上備える。
【００４１】
本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置がディスプレーシステムである場合、前記発光ディバイス装置は、例えば、図８及び図９に示されたように本発明に係るシリコン光素子を２次元に配列して形成されうる。
本発明に係る光素子は半導体物質を用いて半導体製造工程を通じて超小型に形成されるので、これをディスプレーシステム、特に薄型固体状ディスプレーに応用可能なのは明白である。
【００４２】
図８は各画素５１に、例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を各々出射するように形成された３つの特定色光用シリコン光素子５５ａ、５５ｂ、５５ｃが位置するように本発明に係るシリコン光素子の２次元配列５０を形成し、カラーフィルター無しにＲ、Ｇ、Ｂフルカラーを具現できる発光ディバイス装置を示す。図８に示された発光ディバイス装置により鮮明なカラー具現のためにカラーフィルターを付加できることはもちろんである。 図９は、白色光を出射するように形成された白色光用のシリコン光素子７５を用いてシリコン光素子の２次元配列７０を形成し、このシリコン光素子の２次元配列７０の全面に波長選択カラーフィルター８０を備えてフルカラーを具現できる発光ディバイス装置を示す。この際、各画素７１には白色光を出射する３つの本発明に係るシリコン光素子７５が前記カラーフィルター８０のＲ、Ｇ、Ｂ要素に対応して配置されることが望ましい。この際、カラーフィルター８０のＲ、Ｇ、Ｂ要素の配置形状は図８に示されたシリコン光素子の２次元配列５０と同一か、または類似している。
【００４３】
ここで、シリコン光素子の２次元配列５０及び／またはカラーフィルター８０のＲ、Ｇ、Ｂカラーを具現するための配置は多様に変形されうる。
このような発光ディバイス装置は、図３と同様に構成され、２次元配列で形成されたシリコン光素子は、第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、ドーピング領域の基板とのｐ−ｎ接合部位で電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、照明システムやディスプレーシステム等の発光ディバイス装置として使われる。 本発明に係る発光素子を適用した発光ディバイス装置が照明システムである場合、前記発光ディバイス装置は照明システムの用途及び照度要求に対応して少なくとも１つ以上の本発明に係るシリコン光素子よりなる。
【００４４】
前述したような本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置の構造は以上の説明を通じて十分に類推可能なので、より詳細な説明及び図示は略す。
一方、前述したように、本発明に係るシリコン光素子は発光素子だけでなく受光素子としても使用しうる。これは本発明に係るシリコン光素子に光が照射されれば、発光素子として機能をする時とは反対に、ドーピング領域１５を通じて入射された光によりエネルギーを得た電子と正孔とが電流を生成して照射された光量に比例する電流信号が生じるからである。
【００４５】
このような本発明に係るシリコン光素子は垂直方向に電圧を与えたり、水平方向に電圧を与えると、ｐ−ｎ接合部位１４に形成された量子ウェル内のサブエネルギーバンド間のエネルギー差を十分に大きくできるために、紫外線検出器として使用できる。ここで、図３に示されたシリコン光素子は第２電極１９が基板１１の底面に形成され、第１及び第２電極１７、１９を通じて垂直方向に電圧を印加する構造である。図１０に示されたシリコン光素子は、図３とは違って、基板１１の底面に第２電極を形成する代わりに、第１及び第２電極１７、１９を共にドーピング領域１５の形成面側に形成し、水平方向に電圧を印加する構造である。図１０において、図３と同一な参照符号は同一または類似した機能をする同一部材を示すので、その詳細な説明は略す。
【００４６】
紫外線は波長が４００ｎｍから１ｎｍ（１ｋｅＶ）までの電磁気波を称し、波長３００ｎｍ以上を近紫外、波長２００ｎｍ以下を真空紫外と称する。
このような紫外線の検出に用いられる通常の検出器は次の通りである。
近紫外線や波長１００ｎｍまでの光検出時には可視光に使われる検出器、すなわち、フォトダイオードや光電管、光電子増配管を紫外線用として改造して使用する。Ｘ線領域に近い波長に対しては放射線検出器が使われる。
【００４７】
近紫外線検出器としては、シリコンフォトダイオードが使われる。シリコンは入射光の波長が短いほど吸収が大きいので、紫外線は検出器の表面近傍でのみ吸収される。したがって、紫外線検出器では感度を高めるために接合を減らす必要がある。ここで、シリコン検出器は通常２００〜１１００ｎｍ領域で感度を有する。
【００４８】
一般のドーピングによりドーピング領域が形成された通常の検出器で、光はｐ+（またはｎ+）ドーピング層で吸収散乱されてしまうので、垂直方向の電極に引出されて応答に寄与する電子正孔対として形成できない。また、ドーピング領域が形成された通常の検出器は、量子効果なしに、ドーピング層下の空乏層領域で吸収された光のみが電流信号として検出される間接バンドギャップ構造であって、このような間接バンドギャップにより感度が落ちて紫外線検出効率が劣る。
【００４９】
一方、本発明に係るシリコン光素子の極端に浅いドーピング領域１５は外部電圧と電荷分布ポテンシャルの局部的な変化によって量子効果が生じ、外部電圧を印加することによって量子ウェル内には図１１に示されたようにサブエネルギーバンドが形成され、高エネルギーの紫外線を吸収できるほど広いエネルギーバンドギャップを有し、吸収係数のスペクトルが変更されて紫外線を効率よく感知しうる。図１１において、３１は量子ウェル、３３はサブエネルギーバンドを示す。ｅは電子、ｈはホール、ｐは光子である。また、図１１において、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｃは伝導帯エネルギー準位を示す。
【００５０】
前述したような極端に浅いドーピング領域１５を有する本発明に係るシリコン光素子は２００〜１１００ｎｍ領域で優秀な感度を示す。また、量子ウェル内のサブバンドのギャップがシリコンでのバンドギャップより大きいので、２００ｎｍ以下の非常に短波長の紫外線も検出できる。
一方、紫外線検出器で問題となる点は、紫外線は大部分の物質に対して不透明であるという点である。通常、シリコン光素子は透明窓を通じて光が進退されるようにパッケージングされるが、透明窓を形成するために用いられるガラス（ＳｉＯ2）は波長が１５０ｎｍ以上の紫外線のみを透過させうる。
【００５１】
したがって、本発明に係るシリコン光素子を紫外線検出器として使用するには、露出されたウィンドウ（ｂａｒｅｄ ｗｉｎｄｏｗ）、すなわち、光の入射方向にガラス材質のウィンドウがない構造よりなって、１５０ｎｍ以下波長の紫外線も検出可能になったことが望ましい。
【００５２】
【発明の効果】
前述したように本発明に係るシリコン光素子は、効率が優秀で、発光素子及び受光素子のうち少なくとも何れか１つの素子として使用でき、かつシリコンに基づくためにコストダウンとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バルク型の単結晶シリコン表面に形成された多孔性シリコン領域の断面及びその多孔性シリコン領域での価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップを示す図面である。
【図２】 ナノクリスタルシリコンを用いた発光素子の一例を概略的に示す断面図である。
【図３】 本発明に係るシリコン光素子を概略的に示す断面図である。
【図４Ａ】 ドーピング領域を非平衡拡散により極端に浅く形成する時、ｐ−ｎ接合部位の構造を概略的に示す図面である。
【図４Ｂ】 非平衡拡散により図４Ａに示されたｐ−ｎ接合部位に、表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェルのエネルギーバンドを示す図面である。
【図５】 基板面に形成される微小空隙を示す図面である。
【図６】 表面に垂直でない方向に進行する光の吸収を減らして発光効率をさらに高めるための本発明に係るシリコン光素子の実施例を概略的に示す断面図である。
【図７】 図６に示されたドーピング領域の一部分を抜粋して示す平面図である。
【図８】 本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置の一実施例を概略的に示す平面図である。
【図９】 本発明に係るシリコン光素子を適用した発光ディバイス装置の他の実施例を概略的に示す平面図である。
【図１０】 受光素子として使われる時の本発明に係るシリコン光素子の他の実施例を概略的に示す図面である。
【図１１】 本発明に係るシリコン光素子が紫外線検出器として使われる時、量子ウェル内のエネルギーバンドで紫外線が感知される原理を示す図面である。
【符号の説明】
１１ 基板
１３ 制御膜
１５ ドーピング領域
Claims (21)
- ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、
前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、
前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、
を含み、
前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成され、
前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つでは電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、
前記ドーピング領域に複数の微細なホールをさらに備え、発光された光の出力効率を向上させる、
光素子。 - ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、
前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、
前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、
を含み、
前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成されている、
前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子―正孔対を生成し、
紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きい、
光素子。 - 前記基板の一面には前記ドーピング領域形成時にマスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成する制御膜をさらに備える、請求項１または２に記載の光素子。
- 前記制御膜は、シリコン酸化膜である、請求項３に記載の光素子。
- 前記ドーピング領域は前記ドープ剤の非平衡拡散により形成される、請求項１ないし４のうち何れか１項に記載の光素子。
- 前記ドープ剤はホウ酸及び燐のうち何れか１つを含む、請求項５に記載の光素子。
- 前記ホールは前記ｐ−ｎ接合部位の光が発光される領域の下部まで延びている、請求項１に記載の光素子。
- 前記ホールは、特定の発光波長をλ、前記ホール内での媒質の屈折率をｎとすれば、約λ／（２ｎ）の整数倍の大きさよりなる、請求項１に記載の光素子。
- 前記ホールは発光波長を吸収しない物質より充填された、請求項１に記載の光素子。
- 前記ホールは空気より充填される、請求項１に記載の光素子。
- 波長が１５０ｎｍ以下の紫外線領域まで検出可能になった、請求項２に記載の光素子。
- 前記第１電極は前記ドーピング領域が形成された前記基板の一面に形成され、前記第２電極は前記基板の反対面に形成された、請求項２に記載の光素子。
- 前記第１及び第２電極は前記ドーピング領域に電気的に接続可能に前記基板の一面に形成された、請求項２に記載の光素子。
- 前記半導体物質はＳｉＣを更に含む、請求項１または２に記載の光素子。
- 発光素子として機能をする少なくとも１つの以上の光素子を備え、
前記光素子は、
ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、
前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、
前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、
前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成され、
前記第１及び第２電極を通じて電流を印加する時、前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つでは電子と正孔対の消滅結合により発光が起こり、
前記ドーピング領域に複数の微細なホールをさらに備え、発光された光の出力効率を向上させる、
発光ディバイス装置。 - 発光素子として機能をする少なくとも１つの以上の光素子を備え、
前記光素子は、
ｎ型またはｐ型のＳｉを含む所定の半導体物質またはダイヤモンドを含む基板と、
前記基板の一面に形成され、所定のドープ剤により前記基板と反対型でドーピングされたドーピング領域と、
前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極と、を含み、
前記ドーピング領域と前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成及び消滅結合が起こる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか１つが形成され、
前記ドーピング領域に入射される光をそのｐ−ｎ接合部位の量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つから吸収して電子―正孔対を生成し、
紫外線検出として使用可能に、前記量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくとも何れか１つ内のサブエネルギーバンド間のエネルギーの差が十分に大きい、
発光ディバイス装置。 - 前記光素子の基板の一面には、前記ドーピング領域の形成時にマスクとして機能を行い、前記ドーピング領域を極端に浅く形成する制御膜をさらに備える、請求項１５または１６に記載の発光ディバイス装置。
- 多数の光素子が２次元配列で形成され、ディスプレーシステムとして使われる、請求項１５に記載の発光ディバイス装置。
- 前記シリコン光素子の２次元配列は相異なる色光を出射する３つの光素子が各画素に対応するように形成されてなる、請求項１８に記載の発光ディバイス装置。
- 前記光素子は白色光を出射し、前記光素子の２次元配列の前面に波長選択カラーフィルターを備える、請求項１５に記載の発光ディバイス装置。
- 前記光素子を少なくとも１つ以上備え、照明システムとして使われる、請求項１５に記載の発光ディバイス装置。
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