JP4142374B2 - Light emitting element - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、β−ＦｅＳｉ2が注目されている。β−ＦｅＳｉ2は、資源的に豊富であり、無害で化学的に安定な半導体である。β−ＦｅＳｉ2は、禁止帯幅が約０．８５ｅＶの直接遷移型半導体である。また、β−ＦｅＳｉ2は、Ｓｉ基板上へのエピタキシャル成長が可能である。このため、β−ＦｅＳｉ2は、環境負荷の小さい次世代の発光・受光素子の材料として期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、β−ＦｅＳｉ2に関しては不明点が多い。連続的なβ−ＦｅＳｉ2膜から発光が観測されたという報告は、これまでされていない。イオン注入法または分子エピタキシャル（ＭＢＥ）法によってＳｉ（１００）基板に埋め込まれたＦｅＳｉ2微結晶から、フォトルミネッセンス（ＰＬ）発光が観測されたとの報告はある。しかし、その発光は、基板を昇温するとすぐ消滅してしまう。このため、発光素子への応用は難しい。また、その発光は、基板の種類（ＦＺまたはＣＺ）および微結晶の大きさに強く依存する。このため、発光の制御が難しい。
【０００４】
そこで、本発明は、Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ2膜を備える発光素子の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の表面上に設けられたβ−ＦｅＳｉ2膜と、Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、β−ＦｅＳｉ2膜の表面側に設けられた第２の電極とを備える。β−ＦｅＳｉ2膜は、Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有している。
【０００６】
本発明の発光素子では、Ｓｉ基板とβ−ＦｅＳｉ2膜との間にｐｎ接合が形成される。この発光素子は、第１および第２の電極を介して電流が注入されると発光する。Ｓｉ基板上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ2膜を発光層として備える。このため、発光特性が基板の種類や純度の影響を受けにくい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光素子１０を示す断面図である。図２は、発光素子１０の平面図である。発光素子１０は、Ｓｉ基板１、β−ＦｅＳｉ2膜２、下部電極３および上部電極４から構成されている。β−ＦｅＳｉ2膜２および上部電極４は、基板１の表面側に設けられている。下部電極３は、基板１の裏面側に設けられている。
【００１１】
Ｓｉ基板１は、Ｃｚｏｃｈｒａｓｋｉ（ＣＺ）法により製造されたｎ型のＳｉ（１１１）基板（主面の面方位が（１１１）の基板）である。基板のサイズは、２インチである。
【００１２】
β−ＦｅＳｉ2膜２は、Ｓｉ基板１の表面全体に被着されている。β−ＦｅＳｉ2膜２の厚さは、好ましくは１００〜２５０ｎｍ、より好ましくは１００〜２００ｎｍの範囲内とする。本実施形態では、β−ＦｅＳｉ2膜２の厚さは、２００ｎｍである。β−ＦｅＳｉ2膜２の導電型は、Ｓｉ基板１と異なり、ｐ型である。
【００１３】
第１の電極３は、図１に示されるように、Ｓｉ基板１の裏面全体に被着されている。電極３の材質は、Ａｌ金属である。
【００１４】
第２の電極４は、図２に示されるように、β−ＦｅＳｉ2膜２の表面上に等間隔で設けられている。電極４の形状は、円形である。電極４の材質も、Ａｌ金属である。
【００１５】
次に、発光素子１０の製造方法について説明する。この方法では、まず、Ｓｉ基板１を昇温して、この基板１の加熱クリーニングを行う。このクリーニング工程では、２×１０-7Ｔｏｒｒバックグラウンド圧力の下で基板１を８５０℃まで昇温し、その温度を３０分間維持する。
【００１６】
次に、クリーニングした基板１の表面上に、β−ＦｅＳｉ2の薄い初期層を形成する。初期層の形成には、高真空スッパタリング装置、具体的にはロードロック装置を備えるＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いる。公知のＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いることができる。ＲＦマグネトロンスパッタリング装置は、低温かつ高速でβ−ＦｅＳｉ2膜を形成できる。
【００１７】
スパッタリング温度は、４４０〜５５０℃が好ましく、４８０〜５２０℃がより好ましい。この実施形態では、スパッタリング温度は、５００℃である。この温度下で９９．９９％のＦｅターゲットをスパッタリングし、β−ＦｅＳｉ2初期層を形成する。この初期層の導電型は、ｐ型である。初期層の厚さは、好ましくは５〜８０ｎｍの範囲内とする。この実施形態では、初期層の厚さは、２０ｎｍである。初期層の形成中は、アルゴン圧を３×１０-3Ｔｏｒｒに制御する。
【００１８】
続いて、初期層が形成された基板１を、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置内で７３０〜７６０℃まで昇温し、３５ｎｍ／ｈｏｕｒの速度でβ−ＦｅＳｉ2初期層を２００ｎｍの厚さまで成長させる。β−ＦｅＳｉ2の膜厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた断面の観察によって測定する。得られたβ−ＦｅＳｉ2膜は、ほぼ平坦な表面を有している。その導電型は、ｐ型である。β−ＦｅＳｉ2膜のホール濃度は、室温で１０18ｃｍ-3台であり、そのホール移動度は、室温で約２０ｃｍ2／Ｖ・ｓである。
【００１９】
次に、β−ＦｅＳｉ2膜をアニールする。これにより本実施形態の発光素子１０のβ−ＦｅＳｉ2膜２が得られる。熱アニーリングの温度は、７９０〜８５０℃が好ましい。この実施形態では、アニーリング温度は８００℃である。この熱アニーリングでは、β−ＦｅＳｉ2膜が形成されたＳｉ基板１を８００℃の窒素雰囲気に２０時間さらす。この熱アニーリングは、石英管の中で行う。β−ＦｅＳｉ2膜の導電型は、ｐ型のままである。この結果、ｎ型のＳｉ基板１とｐ型のβ−ＦｅＳｉ2膜２との間にｐｎ接合が形成される。β−ＦｅＳｉ2膜２を８００℃でアニールした後では、そのホール濃度は、室温で１０16ｃｍ-3台に減少し、そのホール移動度は、室温で１００ｃｍ2／Ｖ・ｓに増加する。
【００２０】
続いて、Ｓｉ基板１の表裏に電極を形成する。具体的には、Ｓｉ基板１の裏面にＡｌ金属を真空蒸着させて下部電極３を形成する。また、β−ＦｅＳｉ2膜２の表面にマスクを用いてＡｌ金属を真空蒸着させて、上部電極４を形成する。下部電極３と上部電極４は、どちらを先に形成しても良い。これらの電極３、４が形成されると、本実施形態の発光素子１０が完成する。
【００２１】
このようにして得られたｐ型β−ＦｅＳｉ2膜２／ｎ型ＣＺ−Ｓｉ基板１ヘテロ構造にＡｌ電極３，４を介して直流電流を注入すると、室温で１．５μｍ帯の発光が確認された。図３に、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルの順方向電流依存性を示す。図３から明らかなように、高い電流を注入するほどＥＬ強度は強くなる。
【００２２】
発光素子１０は、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ2膜２を発光層として有している。このため、その発光特性が基板の種類や純度の影響を受けにくい。したがって、発光素子１０の製造工程の制御が容易である。
【００２３】
また、均一な複数の発光素子１０を備える大面積のウェーハを、スパッタリングを用いて製造することが可能である。スパッタリングは簡易で低コストなので、発光素子１０も低コストで量産できる。
【００２４】
（第２実施形態）
以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。本発明者らは、β−ＦｅＳｉ2膜のアニーリングをより高温で行うと、β−ＦｅＳｉ2膜の導電型がｐ型からｎ型に変わることを見出した。本実施形態では、この導電型の変化を利用して、ｐ型のＳｉ基板上にｎ型のβ−ＦｅＳｉ2膜を有する発光素子を製造する。
【００２５】
本実施形態の発光素子は、第１実施形態と同様に、図１に示される構成を有している。ただし、基板１の種類および導電型とβ−ＦｅＳｉ2膜２の導電型が第１実施形態と異なっている。
【００２６】
Ｓｉ基板１は、浮遊帯域（ＦＺ）法により製造されたｐ型のＳｉ（１１１）基板である。基板のサイズは、２インチである。
【００２７】
β−ＦｅＳｉ2膜２の導電型は、Ｓｉ基板１と異なり、ｎ型である。β−ＦｅＳｉ2膜２は、Ｓｉ基板１の表面全体に被着されている。
【００２８】
次に、発光素子１０の製造方法について説明する。この方法は、上述の第１実施形態と同様に、クリーニング工程、初期層形成工程、成長工程およびアニーリング工程を有する。
【００２９】
クリーニング工程では、第１実施形態と同様に、２×１０-7Ｔｏｒｒバックグラウンド圧力の下で基板１を８５０℃まで昇温し、その温度を３０分間維持する。
【００３０】
初期層形成工程では、９９．９９％のＦｅターゲットをスパッタリングし、厚さ５〜８０ｎｍのβ−ＦｅＳｉ2初期層を形成する。スパッタリング温度は、４５０℃である。初期層の導電型は、ｐ型である。スパッタリングは、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いる。初期層の形成中は、アルゴン圧を３×１０-3Ｔｏｒｒに制御する。
【００３１】
成長工程では、初期層が形成された基板１をＲＦマグネトロンスパッタリング装置内で７００〜７６０℃まで昇温し、β−ＦｅＳｉ2初期層を２５０ｎｍの厚さまで成長させる。β−ＦｅＳｉ2膜の導電型は、ｐ型のままである。β−ＦｅＳｉ2膜のホール濃度は、室温で２×１０18ｃｍ-3台であり、そのホール移動度は、室温で２０ｃｍ2／Ｖ・ｓである。
【００３２】
次に、β−ＦｅＳｉ2膜をアニールする。これにより本実施形態の発光素子１０のβ−ＦｅＳｉ2膜２が得られる。熱アニーリングの温度は、８８０〜９００℃が好ましい。この実施形態では、アニーリング温度は８９０℃である。この熱アニーリングでは、β−ＦｅＳｉ2膜が形成されたＳｉ基板１を８９０℃の窒素雰囲気に２０時間さらす。この熱アニーリングは、石英管の中で行う。熱アニーリングにより、β−ＦｅＳｉ2 膜の導電型は、ｐ型からｎ型に変わる。この結果、ｐ型のＳｉ基板１とｎ型のβ−ＦｅＳｉ2膜２との間にｐｎ接合が形成される。８９０℃アニーリングによって、キャリア濃度が低下し、移動度が上昇する。具体的には、３〜１０×１０16ｃｍ-3の電子濃度と、最大で２３０ｃｍ2／Ｖ・ｓの移動度が得られる。
【００３３】
アニーリング工程後、第１実施形態と同様にして下部電極３および上部電極４を形成する。これにより、本実施形態の発光素子１０が完成する。
【００３４】
このようにして得られたｎ型β−ＦｅＳｉ2膜２／ｐ型ＦＺ−Ｓｉ基板１ヘテロ構造にＡｌ電極３，４を介して直流電流を注入すると、室温で発光素子１０を発光させることができる。このように、本実施形態でも、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ2膜２を発光層として備える発光素子１０を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明者らは、Ｓｉ基板１上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ2膜についてＸ線回折解析を行った。図４は、その結果を示すグラフである。このＸ線回折解析は、４結晶回折計を用いて行った。
【００３６】
図４に示されるように、β−ＦｅＳｉ2膜２については、広範囲の回折角にわたって一つのピークしか現れていない。すなわち、基板信号の隣に、β−ＦｅＳｉ2（２２０）または（２０２）のピークが検出された。したがって、β−ＦｅＳｉ2膜は、高い（１１０）または（１０１）配向性を有している。
【００３７】
β−ＦｅＳｉ2ピークのロッキングカーブ（ωスキャン）は、１５ａｒｃｍｉｎの半値幅（ＦＷＨＭ）を有している。これは、β−ＦｅＳｉ2ピークが極めて狭いことを示す。したがって、β−ＦｅＳｉ2膜は、高い結晶性を有している。
【００３８】
本発明者らは、図４のサンプルについて、面内エピタキシャル配列（ｉｎ−ｐｌａｎａ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を調べた。その結果、β−ＦｅＳｉ2の〔００１〕方向（〔０１０〕ではなく）は、Ｓｉ基板の〔１１０〕方向と平行であった。これは、β−ＦｅＳｉ2膜の成長方向の（１１０）配向性を強く支持するものである。
【００３９】
また、本発明者らは、β−ＦｅＳｉ2膜の室温での光子エネルギーと吸収係数との関係を調べた。図５は、その結果を示すグラフである。図５において、破線で示される直線は、直接遷移が可能なことを示している。この直線は、エネルギー軸（横軸）との交差点において０．８２ｅＶのバンドギャップを与える。
【００４０】
連続した高配向性のβ−ＦｅＳｉ2膜は、加熱クリーニングの直後に初期層を形成せずに、Ｓｉ基板上に直接成長させることもできる。しかし、Ｘ線回折解析の結果、初期層を形成しない場合のβ−ＦｅＳｉ2ピークのωスキャン半値幅は、初期層を形成した場合と比べ３０％以上広い。したがって、初期層を形成した方が、より結晶性の高いβ−ＦｅＳｉ2膜が得られることが分かる。
【００４１】
上記実施形態では、ｐ型ＦＺ−Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ2膜を形成する。しかし、ｐ型ＣＺ−Ｓｉ基板を用いても、初期層の形成および成長によって高い結晶性を有するβ−ＦｅＳｉ2膜が得られると考えられる。
【００４２】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態では、Ｓｉ基板１上に形成されたβ−ＦｅＳｉ2膜の表面に電極を設けている。しかし、β−ＦｅＳｉ2膜上にＳｉキャップ層を形成し、そのキャップ層上に電極を設けてもよい。キャップ層を設けることで、発光効率の向上が期待できる。
【００４４】
また、上記実施形態では、基板上にβ−ＦｅＳｉ2膜を製造するための高真空スパッタリング装置としてＲＦマグネトロンスパッタリング装置を使用する。しかし、他の方式によるマグネトロンスパッタリング装置を使用することもできる。ただし、ＲＦマグネトロンスパッタリング堆積法は、連続的な高配向性のβ−ＦｅＳｉ2膜をＳｉ（１１１）基板上に設けるために好適に使用できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ2膜を発光層として備える発光素子を得ることができる。発光層が基板内の微結晶ではなく基板上の連続的な膜なので、本発明の発光素子の発光特性は、基板の種類や純度の影響を受けにくい。このため、本発明の発光素子は、制御の容易な製造工程によって製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る発光素子の平面図である。
【図３】第１実施形態の発光素子に電流注入した場合のＥＬ強度を示すグラフである。
【図４】Ｓｉ基板上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ2膜について、Ｘ線回折解析を行った結果を示すグラフである。
【図５】Ｓｉ基板上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ2膜について、光子エネルギーと吸収係数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板、２…β−ＦｅＳｉ2膜、３…下部電極、４…上部電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light-emitting element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, β-FeSi 2 has attracted attention. β-FeSi 2 is a resource-rich semiconductor that is harmless and chemically stable. β-FeSi 2 is a direct transition semiconductor having a forbidden band width of about 0.85 eV. Further, β-FeSi 2 can be epitaxially grown on the Si substrate. Therefore, β-FeSi 2 is expected as a material for next-generation light-emitting / light-receiving elements that have a low environmental load.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are many unclear points regarding β-FeSi 2 . There has been no report that light emission was observed from a continuous β-FeSi 2 film. There are reports that photoluminescence (PL) emission was observed from FeSi 2 microcrystals embedded in a Si (100) substrate by ion implantation or molecular epitaxial (MBE). However, the light emission disappears as soon as the temperature of the substrate is raised. For this reason, the application to a light emitting element is difficult. Further, the light emission strongly depends on the type of substrate (FZ or CZ) and the size of the microcrystal. For this reason, it is difficult to control light emission.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a light emitting device including a β-FeSi 2 film on a Si substrate.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The light emitting device of the present invention includes a Si substrate, a β-FeSi 2 film provided on the surface of the Si substrate, a first electrode provided on the back side of the Si substrate, and a surface side of the β-FeSi 2 film. And a second electrode. The β-FeSi 2 film has a conductivity type different from that of the Si substrate.
[0006]
In the light emitting device of the present invention, a pn junction is formed between the Si substrate and the β-FeSi 2 film. The light emitting element emits light when current is injected through the first and second electrodes. A continuous β-FeSi 2 film provided on a Si substrate is provided as a light emitting layer. For this reason, the light emission characteristics are not easily affected by the type and purity of the substrate.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. For the convenience of illustration, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0010]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the light emitting element 10. The light emitting element 10 includes a Si substrate 1, a β-FeSi 2 film 2, a lower electrode 3, and an upper electrode 4. The β-FeSi 2 film 2 and the upper electrode 4 are provided on the surface side of the substrate 1. The lower electrode 3 is provided on the back side of the substrate 1.
[0011]
The Si substrate 1 is an n-type Si (111) substrate (substrate with a principal plane of (111)) manufactured by the Czochraski (CZ) method. The size of the substrate is 2 inches.
[0012]
The β-FeSi 2 film 2 is deposited on the entire surface of the Si substrate 1. The thickness of the β-FeSi 2 film 2 is preferably in the range of 100 to 250 nm, more preferably 100 to 200 nm. In the present embodiment, the thickness of the β-FeSi 2 film 2 is 200 nm. Unlike the Si substrate 1, the conductivity type of the β-FeSi 2 film 2 is p-type.
[0013]
As shown in FIG. 1, the first electrode 3 is attached to the entire back surface of the Si substrate 1. The material of the electrode 3 is Al metal.
[0014]
As shown in FIG. 2, the second electrodes 4 are provided on the surface of the β-FeSi 2 film 2 at equal intervals. The shape of the electrode 4 is circular. The material of the electrode 4 is also Al metal.
[0015]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 10 will be described. In this method, first, the temperature of the Si substrate 1 is raised and the substrate 1 is heated and cleaned. In this cleaning step, the substrate 1 is heated to 850 ° C. under a background pressure of 2 × 10 −7 Torr, and the temperature is maintained for 30 minutes.
[0016]
Next, a thin initial layer of β-FeSi 2 is formed on the cleaned surface of the substrate 1. For the formation of the initial layer, a high vacuum sputtering apparatus, specifically, an RF magnetron sputtering apparatus equipped with a load lock apparatus is used. A known RF magnetron sputtering apparatus can be used. The RF magnetron sputtering apparatus can form a β-FeSi 2 film at a low temperature and at a high speed.
[0017]
The sputtering temperature is preferably 440 to 550 ° C, more preferably 480 to 520 ° C. In this embodiment, the sputtering temperature is 500 ° C. Under this temperature, a 99.99% Fe target is sputtered to form a β-FeSi 2 initial layer. The conductivity type of this initial layer is p-type. The thickness of the initial layer is preferably in the range of 5 to 80 nm. In this embodiment, the initial layer thickness is 20 nm. During the formation of the initial layer, the argon pressure is controlled to 3 × 10 −3 Torr.
[0018]
Subsequently, the substrate 1 on which the initial layer is formed is heated to 730 to 760 ° C. in an RF magnetron sputtering apparatus, and the β-FeSi 2 initial layer is grown to a thickness of 200 nm at a rate of 35 nm / hour. The film thickness of β-FeSi 2 is measured by observing a cross section using a scanning electron microscope (SEM). The obtained β-FeSi 2 film has a substantially flat surface. Its conductivity type is p-type. The hole concentration of the β-FeSi 2 film is about 10 18 cm −3 at room temperature, and its hole mobility is about 20 cm 2 / V · s at room temperature.
[0019]
Next, the β-FeSi 2 film is annealed. Thereby, the β-FeSi 2 film 2 of the light emitting device 10 of the present embodiment is obtained. The temperature of thermal annealing is preferably 790 to 850 ° C. In this embodiment, the annealing temperature is 800 ° C. In this thermal annealing, the Si substrate 1 on which the β-FeSi 2 film is formed is exposed to a nitrogen atmosphere at 800 ° C. for 20 hours. This thermal annealing is performed in a quartz tube. The conductivity type of the β-FeSi 2 film remains p-type. As a result, a pn junction is formed between the n-type Si substrate 1 and the p-type β-FeSi 2 film 2. After the β-FeSi 2 film 2 is annealed at 800 ° C., its hole concentration decreases to the 10 16 cm −3 level at room temperature, and its hole mobility increases to 100 cm 2 / V · s at room temperature.
[0020]
Subsequently, electrodes are formed on the front and back of the Si substrate 1. Specifically, the lower electrode 3 is formed by vacuum-depositing Al metal on the back surface of the Si substrate 1. Further, Al metal is vacuum-deposited on the surface of the β-FeSi 2 film 2 using a mask to form the upper electrode 4. Either the lower electrode 3 or the upper electrode 4 may be formed first. When these electrodes 3 and 4 are formed, the light emitting element 10 of this embodiment is completed.
[0021]
When direct current is injected through the Al electrodes 3 and 4 into the p-type β-FeSi 2 film 2 / n-type CZ-Si substrate 1 heterostructure thus obtained, light emission in the 1.5 μm band is confirmed at room temperature. It was done. FIG. 3 shows the forward current dependence of the electroluminescence (EL) spectrum. As is apparent from FIG. 3, the EL intensity increases as a higher current is injected.
[0022]
The light emitting element 10 has a continuous β-FeSi 2 film 2 provided on the Si substrate 1 as a light emitting layer. For this reason, the light emission characteristics are not easily affected by the type and purity of the substrate. Therefore, it is easy to control the manufacturing process of the light emitting element 10.
[0023]
In addition, a large-area wafer including a plurality of uniform light-emitting elements 10 can be manufactured by sputtering. Since sputtering is simple and low cost, the light emitting element 10 can be mass-produced at low cost.
[0024]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. The inventors have found that when the β-FeSi 2 film is annealed at a higher temperature, the conductivity type of the β-FeSi 2 film changes from p-type to n-type. In this embodiment, a light-emitting element having an n-type β-FeSi 2 film on a p-type Si substrate is manufactured using this change in conductivity type.
[0025]
The light emitting device of this embodiment has the configuration shown in FIG. 1 as in the first embodiment. However, the type and conductivity type of the substrate 1 and the conductivity type of the β-FeSi 2 film 2 are different from those of the first embodiment.
[0026]
The Si substrate 1 is a p-type Si (111) substrate manufactured by a floating zone (FZ) method. The size of the substrate is 2 inches.
[0027]
Unlike the Si substrate 1, the conductivity type of the β-FeSi 2 film 2 is n-type. The β-FeSi 2 film 2 is deposited on the entire surface of the Si substrate 1.
[0028]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 10 will be described. This method includes a cleaning process, an initial layer forming process, a growth process, and an annealing process, as in the first embodiment.
[0029]
In the cleaning process, as in the first embodiment, the temperature of the substrate 1 is raised to 850 ° C. under a background pressure of 2 × 10 −7 Torr, and the temperature is maintained for 30 minutes.
[0030]
In the initial layer forming step, a 99.99% Fe target is sputtered to form a β-FeSi 2 initial layer having a thickness of 5 to 80 nm. The sputtering temperature is 450 ° C. The conductivity type of the initial layer is p-type. For sputtering, an RF magnetron sputtering apparatus is used. During the formation of the initial layer, the argon pressure is controlled to 3 × 10 −3 Torr.
[0031]
In the growth process, the substrate 1 on which the initial layer is formed is heated to 700 to 760 ° C. in an RF magnetron sputtering apparatus, and the β-FeSi 2 initial layer is grown to a thickness of 250 nm. The conductivity type of the β-FeSi 2 film remains p-type. The β-FeSi 2 film has a hole concentration of 2 × 10 18 cm −3 at room temperature, and its hole mobility is 20 cm 2 / V · s at room temperature.
[0032]
Next, the β-FeSi 2 film is annealed. Thereby, the β-FeSi 2 film 2 of the light emitting device 10 of the present embodiment is obtained. The temperature of thermal annealing is preferably 880 to 900 ° C. In this embodiment, the annealing temperature is 890 ° C. In this thermal annealing, the Si substrate 1 on which the β-FeSi 2 film is formed is exposed to a nitrogen atmosphere at 890 ° C. for 20 hours. This thermal annealing is performed in a quartz tube. Due to the thermal annealing, the conductivity type of the β-FeSi 2 film changes from p-type to n-type. As a result, a pn junction is formed between the p-type Si substrate 1 and the n-type β-FeSi 2 film 2. By annealing at 890 ° C., the carrier concentration decreases and the mobility increases. Specifically, an electron concentration of 3 to 10 × 10 16 cm −3 and a mobility of 230 cm 2 / V · s at the maximum are obtained.
[0033]
After the annealing step, the lower electrode 3 and the upper electrode 4 are formed in the same manner as in the first embodiment. Thereby, the light emitting element 10 of this embodiment is completed.
[0034]
When direct current is injected through the Al electrodes 3 and 4 into the n-type β-FeSi 2 film 2 / p-type FZ-Si substrate 1 heterostructure thus obtained, the light-emitting element 10 can emit light at room temperature. it can. Thus, also in this embodiment, the light emitting element 10 provided with the continuous β-FeSi 2 film 2 provided on the Si substrate 1 as the light emitting layer can be obtained.
[0035]
In addition, the present inventors performed an X-ray diffraction analysis on the β-FeSi 2 film before annealing that was grown on the Si substrate 1. FIG. 4 is a graph showing the results. This X-ray diffraction analysis was performed using a four-crystal diffractometer.
[0036]
As shown in FIG. 4, for the β-FeSi 2 film 2, only one peak appears over a wide range of diffraction angles. That is, the β-FeSi 2 (220) or (202) peak was detected next to the substrate signal. Therefore, the β-FeSi 2 film has high (110) or (101) orientation.
[0037]
The rocking curve (ω scan) of the β-FeSi 2 peak has a full width at half maximum (FWHM) of 15 arcmin. This indicates that the β-FeSi 2 peak is very narrow. Therefore, the β-FeSi 2 film has high crystallinity.
[0038]
The inventors examined in-plane epitaxial arrangements for the sample of FIG. As a result, the [001] direction (not [010]) of β-FeSi 2 was parallel to the [110] direction of the Si substrate. This strongly supports the (110) orientation in the growth direction of the β-FeSi 2 film.
[0039]
In addition, the inventors investigated the relationship between the photon energy at room temperature and the absorption coefficient of the β-FeSi 2 film. FIG. 5 is a graph showing the results. In FIG. 5, a straight line indicated by a broken line indicates that direct transition is possible. This straight line gives a band gap of 0.82 eV at the intersection with the energy axis (horizontal axis).
[0040]
The continuous highly oriented β-FeSi 2 film can be directly grown on the Si substrate without forming the initial layer immediately after the heat cleaning. However, as a result of X-ray diffraction analysis, the ω-scan half-width of the β-FeSi 2 peak when the initial layer is not formed is 30% or more wider than when the initial layer is formed. Therefore, it can be seen that a β-FeSi 2 film having higher crystallinity can be obtained by forming the initial layer.
[0041]
In the above embodiment, the β-FeSi 2 film is formed on the p-type FZ-Si substrate. However, even if a p-type CZ-Si substrate is used, it is considered that a β-FeSi 2 film having high crystallinity can be obtained by forming and growing an initial layer.
[0042]
The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
[0043]
For example, in the above embodiment, the electrode is provided on the surface of the β-FeSi 2 film formed on the Si substrate 1. However, an Si cap layer may be formed on the β-FeSi 2 film, and an electrode may be provided on the cap layer. By providing the cap layer, improvement in luminous efficiency can be expected.
[0044]
In the above embodiment, an RF magnetron sputtering apparatus is used as a high vacuum sputtering apparatus for producing a β-FeSi 2 film on a substrate. However, other magnetron sputtering apparatuses can be used. However, the RF magnetron sputtering deposition method can be suitably used for providing a continuous highly oriented β-FeSi 2 film on a Si (111) substrate.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a light emitting device including a β-FeSi 2 film as a light emitting layer on a Si substrate. Since the light emitting layer is not a microcrystal in the substrate but a continuous film on the substrate, the light emission characteristics of the light emitting element of the present invention are not easily influenced by the type and purity of the substrate. For this reason, the light emitting element of this invention can be manufactured by the manufacturing process with easy control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing EL intensity when current is injected into the light emitting device of the first embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of a β-FeSi 2 film before annealing grown on a Si substrate.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between photon energy and absorption coefficient for an unannealed β-FeSi 2 film grown on a Si substrate.
[Explanation of symbols]
1 ... Si substrate, 2 ... β-FeSi 2 film, 3 ... lower electrode, 4 ... upper electrode.

Claims (2)

Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の表面上に設けられ、前記Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有するβ−ＦｅＳｉ2膜と、
前記Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、
前記β−ＦｅＳｉ2膜の表面側に設けられた第２の電極と
を備え、
前記Ｓｉ基板は、導電型がｎ型で（１１１）配向性を有しており、
前記β−ＦｅＳｉ2膜は、導電型がｐ型で（１１０）または（１０１）配向性を有しており、ホール濃度が１０ １６ ｃｍ −３ 台であること、
を特徴とする発光素子。A Si substrate;
A β-FeSi 2 film provided on the surface of the Si substrate and having a conductivity type different from that of the Si substrate;
A first electrode provided on the back side of the Si substrate;
A second electrode provided on the surface side of the β-FeSi 2 film,
The Si substrate has n-type conductivity and (111) orientation,
Said beta-FeSi 2 film, conductivity type has a (110) or (101) orientation in p-type, hole concentration is -3 10 16 cm,
A light emitting device characterized by the above. Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の表面上に設けられ、前記Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有するβ−ＦｅＳｉ2膜と、
前記Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、
前記β−ＦｅＳｉ2膜の表面側に設けられた第２の電極と
を備え、
前記Ｓｉ基板は、導電型がｐ型で（１１１）配向性を有しており、
前記β−ＦｅＳｉ2膜は、導電型がｎ型で（１１０）または（１０１）配向性を有しており、電子濃度が３×１０ １６ ｃｍ −３ 以上１０×１０ １６ ｃｍ −３ 以下であること、
を特徴とする発光素子。A Si substrate;
A β-FeSi 2 film provided on the surface of the Si substrate and having a conductivity type different from that of the Si substrate;
A first electrode provided on the back side of the Si substrate;
A second electrode provided on the surface side of the β-FeSi 2 film,
The Si substrate has p-type conductivity and (111) orientation,
The β-FeSi 2 film has an n-type conductivity, (110) or (101) orientation, and an electron concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 10 × 10 16 cm −3 or less. That
A light emitting device characterized by the above.
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