JP4529646B2 - 希土類元素イオンの拡散領域の製造方法および発光素子の製造方法および発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、希土類元素イオンの拡散領域の製造方法、および、ディスプレイやバックライトなどの発光デバイスに応用可能なもので、発光層に、半導体２次元量子井戸構造、半導体量子細線もしくは半導体量子ドットと、希土類元素イオンとを含んだ発光素子の製造方法およびその発光素子に関するものである。

現在、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光デバイスの多くは、主に、ＧａＡｓ等のIII−Ｖ族やII−VI族の、化合物半導体材料で作られている。しかし、これら化合物半導体材料の作製には、サファイヤ基板を始めとする高価な基板を必要とすること、アルシンを始めとする危険で有害なガスを使用するために作製プロセスが困難なこと、除害装置を始めとする大型で高価な製造設備が必要な上にランニングコストも高いこと等の課題がある。

一方、現在、トランジスタやメモリ装置を始めとする多くの半導体デバイスは、シリコンやシリコン化合物材料を用いて作られている。これは、シリコン資源が豊富で安価である上に環境負荷が小さいためである。特に、シリコン材料におけるＬＳＩの高集積化は、１９７０年代以降約３０年の長期に亘り、個々のトランジスタの微細化を進めることで着実に進歩しており、ギガビット級の集積度を持つＤＲＡＭが市場に登場している現在でも、将来の集積回路の更なる性能向上を果たすため、開発が続けられている。このように、微細化技術のノウハウが蓄積されている上、原料価格が安く、環境負荷の小さい、優秀な半導体デバイス材料であるシリコンおよびシリコン化合物であるが、バンド構造が間接遷移型であるために発光しにくく、発光デバイスとしての検討はこれまであまりされて来なかった。

そのような中、この間接遷移型のシリコン系材料を、直接遷移型のようにキャリアを効率よく光へ変換させるための様々な検討・提案が報告されるようになってきた（例えば、特許文献１、２、３参照。）。その一つに、キャリアの波動関数を局所化し、量子効果を用いる方法がある。この方法によれば、２次元量子井戸構造、１次元量子井戸構造（量子細線）、０次元量子井戸構造（量子ドット）などの、量子井戸を用いることで、キャリアである電子やホールを、小さいサイズの入れ物に閉じ込めることができる。量子ドットについては、特に、電子やホールを０次元に局在化させることで、キャリアの状態密度をデルタ関数的に近づけることができ、キャリア閉じ込めの大きさに応じたキャリアの波動関数の量子化が起こり、エネルギーが離散的な値をとるようになる。この閉じ込めの方法や、大きさを制御することで、バンド端発光再結合の、効率の向上が可能となる。

また、従来より半導体に添加された希土類元素の原子は、殻内遷移による鋭い赤外、および可視発光を示すことが知られている。こうした希土類元素の原子の発光波長や半値幅は、半導体からなる母体材料、または温度にほとんど依存せず、一定の値を示すことが知られている。特に、希土類元素の中でエルビウム（Ｅｒ）は、１．５５μｍの波長で発光するものである。この１．５５μｍの発光波長は、光ファイバーの最小伝達損失波長であるため、エルビウム発光による光ファイバー通信への応用が期待されている（例えば、特許文献２参照。）。

上述したように、半導体量子ドットや、希土類元素などの発光材料の研究は、報告されてきてはいるものの、発光素子として有効に機能させるための、素子構造に関する研究や提案は、十分にされていないのが現状である。

ナノクリスタルだけで得られる発光波長は、通常、数十〜数百ｎｍの大きな半値幅を示すことが知られており、この幅の広い半値幅を持つ発光波長を半値幅が狭くかつ発光強度が大きな発光波長に改善することは、現在のところ困難だと考えられている。また、エルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素を酸化シリコン（ＳｉＯ₂）のようにバンドギャップの大きな材料中に形成・添加し、光励起や電子線励起により発光させる研究が行われているが、実際に、電子デバイスとして電流注入により発光させる場合、絶縁物である酸化シリコン（ＳｉＯ₂）に電流を流すことになる。この場合、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の電気抵抗が大きいためにほとんど電流は流れず、十分な発光強度を得ることは困難である。

そこで、例えば、発光層として、量子井戸と希土類元素イオンとを含んだ酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を用いることで、絶縁体である酸化シリコン膜に希土類元素イオンを分散させただけの発光素子に比べ、より低電圧で大きな電流を流すことができ、狭い半値幅の発光波長を有し、発光強度を大きくすることが可能な発光素子の検討が行われている。これは、絶縁体である酸化シリコン膜中に形成された半導体量子井戸にキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態になるためと考えられ、この時、半導体量子井戸の近傍に希土類元素イオンが存在すると、半導体量子井戸に閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類元素イオンに移送され、希土類元素イオンの殻内遷移により発光が生じるものと考えられる。この場合、半導体量子井戸が存在せず、ホットエレクトロンのみによって希土類元素イオンの殻内遷移による発光が生じる場合に比べ、より強い発光強度が得られることが期待される。

さらに、絶縁体である酸化シリコンのみの発光層に比べ、半導体量子井戸構造を含有する構成では、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧化が図られる。また、希土類元素イオンにユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）を用いると赤色発光素子となり、希土類元素にエルビウム（Ｅｒ）を用いると橙色発光素子となり、希土類元素にテルビウム（Ｔｂ）もしくはセリウム（Ｃｅ）を用いると緑色発光素子となり、希土類元素にセリウム（Ｃｅ）もしくはツリウム（Ｔｍ）を用いると青色発光素子となる。

この希土類元素イオン以外の上記発光層を構成する構成物は、化学気相法やスパッタ法により作製したＳｉＯ_2-x（２≧ｘ≧０）膜を、アニール処理することによって作製される。また、希土類元素イオンは、イオン注入法により、発光層中に直接作製されてもよい。この発光素子の発光層中における希土類元素イオンの分布の中心位置から量子井戸までの距離に応じて、発光強度が変化する。

特開平９−２９５８９１号公報 特表２００２−５３６８５０号公報 特開２００１−２０３３８２号公報

解決しようとする問題点は、発光層中に導入される希土類元素イオンは、イオン注入法によって導入されるが、発光層中の希土類元素イオンの濃度分布におけるピーク値の位置は、イオン注入の際の加速エネルギーによって決まる。このため、そのピーク値の位置が、発光層表面から遠いほど（深いほど）、大きな加速エネルギーと時間が必要となる点である。さらに、イオン注入処理を外部に委託して行っている場合は時間に応じて費用が増大する点である。また、希土類元素イオンの濃度分布におけるピーク値の位置のみが異なる発光素子を、いくつか作製する際、異なるピーク値の位置に応じて、別途、イオン注入処理を行う必要があり、この場合、手間がかかる上に、時間と費用が増大するという問題点があった。

本発明に係る希土類元素イオンの拡散領域の製造方法は、基板中に所定の分布を有する希土類元素イオンの拡散領域を形成する工程と、熱処理によって前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明に係る発光素子の製造方法は、基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子の製造方法であって、前記量子井戸に接する前記発光層を構成する材料層に前記希土類元素イオンを導入した後、前記発光層を構成する材料層に導入された前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理を行うことを最も主要な特徴とする。

本発明に係る発光素子は、基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子であって、熱処理によって、前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域が移動するものであることを最も主要な特徴とする。

本発明に係る希土類元素イオンの拡散領域の製造方法は、熱処理によって希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して基板の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域を移動させるため、希土類元素イオンの拡散領域の分布状態を維持して希土類元素イオンの拡散領域の濃度ピーク位置（最も高濃度となる位置）を容易に合わせ込むことができ、しかも安価にできるという利点がある。

本発明に係る発光素子の製造方法は、発光層を構成する材料層に導入された希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して基板の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理を行うため、希土類元素イオンの拡散領域の濃度ピーク位置を拡散領域の分布状態を維持して移動できるので、所望の位置を容易に合わせ込むことができる。これによって、発光層中における希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布のピーク位置を調整することが可能となることで、熱処理により、発光素子の発光強度の調整が可能となる。しかも安価にできるという利点がある。

本発明に係る発光素子は、本発明の発光素子の製造方法により製造された発光素子であるため、希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布のピーク値の位置が所望の位置に形成されたものとなり、所望の発光強度を有する発光素子となるという利点がある。

希土類元素イオンの濃度分布のピーク位置を制御して発光素子の発光強度を調節するという目的を、熱処理を行うことで、希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して基板の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域を移動させることで実現した。

まず、本発明の希土類元素イオンの拡散領域の製造方法について、図１の製造工程断面図によって説明する。

図１（１）に示すように、プラズマ化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition＝ＰＥ−ＣＶＤ）法により、上記基板１１上に、シリコンを主成分とする第１材料層１２、量子井戸１３、シリコンを主成分とする第２材料層１４が形成され、上記第２材料層１４中に希土類元素イオンがイオン注入されていて、希土類元素イオンの拡散領域１６が形成されている。なお、図１では、図面を解り易くするため、第２材料層１４および拡散領域１６は厚さ方向に拡大して描いている。

次に、図１（２）に示すように、熱処理によって希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して第２材料層１４中の深さ方向に上記拡散領域１６を移動させる。このとき、上記拡散領域１６の希土類元素イオンの分布状態は、イオン注入時よりも広がるが、熱処理条件によって拡散領域１６の希土類元素イオンの分布状態はほとんど変化しない。

したがって、本発明の希土類元素イオンの拡散領域の製造方法によれば、所望の希土類元素イオンの分布状態が得られるようにイオン注入条件を決定して、希土類元素イオンのイオン注入を行い、その後、熱処理を行うことで、拡散領域１６における希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値（濃度が最も高い値）の位置を所望の位置に移動させることが可能になる。

次に、本発明の発光素子の製造方法を適用することができる発光素子の一例を、図２の概略構成断面図によって説明する。

図２に示すように、発光素子１が形成される基板１１としてシリコン基板を用いる。この基板１１上には、シリコンを主成分とする第１材料層１２が形成されている。この第１材料層１２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層で形成されている。上記第１材料層１２上には量子井戸１３が形成されている。ここでいう量子井戸とは、２次元量子井戸（通称：量子井戸）、１次元量子井戸（通称：量子細線）および０次元量子井戸（通称：量子ドット）を指す。以下、本明細書では上記のように量子井戸を定義する。この量子井戸１３は、例えばシリコン、ゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムからなる。もしくは、上記量子井戸１３は、シリコン系酸化物からなる。また、上記量子井戸１３上には、シリコンを主成分とする第２材料層１４が形成されている。この第２材料層１４は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層で形成される。さらに、上記量子井戸１３の近傍の第２材料層１４には希土類元素イオン１５が導入されていて、希土類元素イオンの拡散領域１６が形成されている。この拡散領域１６は、上記量子井戸１３から１０ｎｍの範囲内に、拡散領域１６における希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値が位置するように形成される。このように、希土類元素イオン１５が導入されることにより、フォースター機構もしくはデクスター機構によるエネルギー移動を起こすことが可能になる。言い換えれば、これは、量子井戸１３からフォースター機構もしくはデクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に濃度ピーク値を位置させるものにもなっている。上記フォースター機構とは、共鳴的双極子-双極子相互作用によるエネルギー移動であり、上記デクスター機構とは、分子間接触による電子の交換によるエネルギー移動である。また、量子井戸１３からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に濃度ピーク値を位置させるものにもなっている。

次に、発光素子１の製造方法に係る一例を、図３の製造工程断面図によって説明する。なお、図３では、図面を解り易くするため、第２材料層１４および拡散領域１６は厚さ方向に拡大して描いている。

図３（１）に示すように、基板１１としてシリコン基板を用意する。次いで、プラズマ化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition＝ＰＥ−ＣＶＤ）法により、上記基板１１上に、シリコンを主成分とする第１材料層１２を形成する。この第１材料層１２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を１００ｎｍ程度の厚さに成膜して形成する。

次に、例えばＰＥ−ＣＶＤ法により、上記第１材料層１２上に量子井戸１３を形成する。この量子井戸１３は、例えば、シリコン層、ゲルマニウム層もしくはシリコンゲルマニウム層で形成することができる。もしくは、シリコン系酸化物層で形成することができる。ここでは、一例として、シリコン層を１０ｎｍの厚さに形成して、量子井戸１３を形成した。

さらに、ＰＥ−ＣＶＤ法により、上記量子井戸１３上に、シリコンを主成分とする第２材料層１４を形成する。この第２材料層１４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を７０ｎｍ程度の厚さに成膜して形成する。

次に、図３（２）に示すように、イオン注入法によって、上記第２材料層１４の表面から希土類元素イオン１５をイオン注入する。例えば、希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値が、第２材料層１４表面から３５ｎｍの深さの位置になるように、すなわち、量子井戸１３表面から第２材料層１４側に例えば３５ｎｍ程度の深さの位置となるように、希土類元素イオン１５をイオン注入する。ここでは、一例として、緑色発光を得るために希土類元素イオンにテルビウムイオンを用いた。また、他の発光色を得るために、上記説明した他の希土類元素イオンを注入することもできる。

上記第２材料層１４への希土類元素イオンとしてテルビウムイオンのイオン注入は、具体的には、加速エネルギーを５０ｋｅＶ程度、ドーズ量を１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度に設定してイオン注入する。

このようにして、基板１１上に、ＳｉＯ₂膜からなる第１材料層１２が１００ｎｍの膜厚に形成され、第１材料層１２上に、シリコン（Ｓｉ）層からなる量子井戸１３が形成され、量子井戸１３上に、ＳｉＯ₂膜からなる第２材料層１４が７０ｎｍの膜厚で形成され、上記第２材料層１４中に導入された希土類元素イオン（テルビウムイオン）の拡散領域１６の濃度分布ピーク値の位置が、量子井戸１３から３５ｎｍ程度離れた位置に形成された発光素子１が得られた。

上記発光素子１は、上記希土類元素にユーロビウム（Ｅｕ）を用いる場合には赤色を発光する。またプラセオジウム（Ｐｒ）を用いる場合には赤色を発光する。またエルビウム（Ｅｒ）を用いる場合には橙色を発光する。またテルビウム（Ｔｂ）を用いる場合には緑色を発光する。またセリウム（Ｃｅ）を用いる場合には青色を発光する。またツリウム（Ｔｍ）を用いる場合には青色を発光する。また、上記希土類元素は、複数種の希土類元素を用いることができる。この場合の発光色は、例えば、上記発光素子１に導入した希土類元素イオンが発光する特有の発光色の混色となる。

次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第１実施例を説明する。第１実施例の発光素子２は、前記図３によって説明した製造方法で作製した発光素子１を、その発光層表面が上方に向いた状態で、不活性な雰囲気中で、１１００℃、３０分間、アニール処理して作製したものである。その結果、図４に示すように、希土類元素イオンの拡散領域１６は第２材料層１４中を量子井戸層１３方向に所定の希土類元素イオンの分布状態を保持して移動した。

次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第２実施例を説明する。第２実施例の発光素子３は、前記図３によって説明した製造方法で作製した発光素子１を、その発光層表面が上方に向いた状態で、不活性な雰囲気中で、１２００℃、３０分間、アニール処理して作製したものである。その結果、図５に示すように、希土類元素イオンの拡散領域１６は第２材料層１４中を量子井戸層１３方向に所定の希土類元素イオンの分布状態を保持して上記発光素子２よりもさらに移動した。

次に、本発明の発光素子の製造方法に係る第３実施例を説明する。第３実施例の発光素子４は、前記図３によって説明した製造方法で作製した発光素子１を、その発光層表面が下方に向いた状態で、不活性な雰囲気中で、１２００℃、３０分間、アニール処理して作製したものである。その結果、図６に示すように、希土類元素イオンの拡散領域１６は第２材料層１４中を量子井戸層１３方向とは反対方向に所定の希土類元素イオンの分布状態を保持して移動した。

上記各発光素子１〜４の発光層を構成する第２材料層１４中の希土類元素イオン（テルビウムイオン）の分布状態は、ラザフォード（Ratherford）後方散乱（ＲＢＳ）測定により調べた。

上記各発光素子１〜４のイオン分布測定結果を表１に示す。

表１に示すように、発光素子１では、量子井戸１３から希土類元素イオン（テルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置までの距離は３５ｎｍであった。そのテルビウムイオンの分布のばらつきを示す標準偏差は１７ｎｍであった。

また、上記発光素子１を用い、その発光面を上方に向けて、不活性な雰囲気中で、１１００℃、３０分間の追加のアニール処理を行った実施例１の発光素子２では、量子井戸１３から希土類元素イオン（テルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置までの距離は１０ｎｍであった。そのテルビウムイオンの分布のばらつきを示す標準偏差は２３ｎｍであった。このように、希土類元素イオン（テルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置は、フォースター機構によるエネルギー遷移を起こす範囲内になった。また、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内にもなっている。

また、上記発光素子１を用い、その発光面を上方に向けて、不活性な雰囲気中で、１２００℃、３０分間の追加のアニール処理を行った実施例２の発光素子３では、量子井戸１３からテルビウムイオン（テルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置までの距離は５ｎｍであった。そのテルビウムイオンの分布のばらつきを示す標準偏差は２４ｎｍであった。このように、希土類元素イオン（テルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置は、フォースター機構によるエネルギー遷移を起こす範囲内になった。また、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内にもなっている。

また、上記発光素子１を用い、その発光面を下方に向けて、不活性な雰囲気中で、１２００℃、３０分間の追加のアニール処理を行った実施例３の発光素子４では、量子井戸１３からテルビウムイオン（テルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置までの距離は６０ｎｍであった。そのテルビウムイオンの濃度分布のばらつきを示す標準偏差は２３ｎｍであった。

このように、所定の分布を持つように材料層中に導入された希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）に熱処理を行うことで、材料層中の希土類元素イオンの濃度分布状態を維持した状態で、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を自在に変えることが可能になる。

また、上記発光素子１〜４では希土類元素イオンにテルビウムイオンを用いたが、その他の希土類元素イオンであっても、同様な結果が得られる。

次に、上記各発光素子１〜４の光学特性評価を行った。その光学特性評価方法を説明する。

上記発光素子１〜４の光学特性評価は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定装置（励起光：ＨｅＣｄレ-ザ／励起パワー：３０ｍＷ／ディテクター：シリコンフォトディテクター）により、室温環境下で行った。具体的には、ＨｅＣｄレ-ザ（励起パワー：３０ｍＷ）を照射した各発光素子から発光する光を、シリコンフォトディテクターで受光し、波長５４５ｎｍ付近に発光ピークを持つ光の発光強度を読み取った。

上記光学特性の結果を表２に示す。表２中の発光強度は、上記発光素子１の発光強度を１００としたときの発光強度である。

上記表２に示すように、上記発光素子１の発光強度を１００とした時の、発光素子２の発光強度は１５０、発光素子３の発光強度は１８０、発光素子４の発光強度は４０であった。

このように、量子井戸１３からテルビウムイオンの濃度分布ピーク値の位置までの距離が１０ｎｍの場合（発光素子２）および５ｎｍの場合（発光素子３）では、例えば、共鳴的双極子-双極子相互作用によるエネルギー移動（Forster機構）による移動距離の上限が１０ｎｍと言われており、この１０ｎｍ以内となっているため、エネルギーの遷移効率が大幅に向上する。

さらに、上記追加の熱処理条件を工夫することにより、量子井戸１３からテルビウムイオンの濃度分布ピーク値の位置までの距離を１ｎｍとすることもできる。この場合には、例えば、分子間接触による電子の交換によるエネルギー移動（交換機構またはデクスター（Dexter）機構）による移動距離の上限が１ｎｍと言われており、この１ｎｍ以内となっているため、エネルギーの遷移効率がさらに向上するものと期待される。

以上、説明したことから、発光層として、Ｓｉまたは、（ＳｉＯ_2-x（２＞ｘ＞０））を主成分とする半導体材料からなる量子井戸１３と、希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）を含んだ酸化シリコンからなる第２材料層１４を用いた発光素子において、不活性な雰囲気中で熱処理することで、発光層中の希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置を移動させることができ、熱処理条件によって、その分布中心の位置を調整することができる。

さらに、希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置と上記量子井戸１３との距離に応じて発光強度が変化することから、希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の濃度分布ピーク値の位置を移動させることで、そのピーク値の位置を調整することができる。これによって、発光素子の発光強度を調整することができる。

また、熱処理した発光素子中の、希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の分布の標準偏差は、イオン注入しただけの濃度分布に比べて大きくなる傾向があり、希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の濃度分布が広がる傾向にある。しかしながら、この熱処理条件による希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の標準偏差にほとんど差異がないので、希土類元素イオン（例えばテルビウムイオン）の分布状態はほとんど変化しないことがわかる。すなわち、この熱処理では、所定の希土類元素イオンの分布状態を維持して、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を設定することができる。

また、上記発光素子１〜４では、第１材料層１２の膜厚が１００ｎｍの場合について説明し、第２材料層１４の膜厚が７０ｎｍの場合について説明したが、他の膜厚の場合についても、同様の効果が得られる。また、第１、第２材料層１２、１４の膜厚が同一であっても、同様の効果が得られる。

また、上記発光素子１〜４では、量子井戸１３の厚さが１０ｎｍの場合について説明したが、その他の厚さを有する量子井戸１３であっても、同様の効果が得られる。

また、上記発光素子１〜４では、量子井戸１３の材料として、シリコン（Ｓｉ）について説明したが、量子井戸としての機能を有するものであればよく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_2-x（２＞ｘ＞０））を主成分とする半導体材料、シリコンを主成分とする窒化シリコンなどのシリコン系化合物もしくはその混合物、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のシリコン族系材料もしくはその混合物、他の半導体材料もしくはその混合物を用いても、同様の効果が得られる。

また、上記発光素子１〜４では、量子井戸１３が、基板１１面に対し、平行になるよう配置されている場合について説明したが、量子井戸が、基板１１上に形成されたＳｉＯ₂からなる第２材料層１４中に、ランダムに配置されている場合についても、同様の効果が得られる。例えば、量子ドット、量子細線等で構成されたものであってもよい。

また、上記発光素子１〜４では、基板１１にシリコン基板を用いた場合について説明したが、基板１１はその他の半導体基板、ＳＯＩ基板、化合物半導体基板等であってもよい。

また、上記発光素子１〜４では、希土類元素イオンとして、テルビウムイオンについて説明し、さらに、ユーロビウム、プラセオジウム、エルビウム、セリウム、ツリウム等の希土類元素イオンを用いることができることを説明したが、その他の希土類元素イオンについても、同様の効果が期待できる。

また、上記発光素子１〜４では、不活性な雰囲気としてアルゴン雰囲気を用いることができ、その他に、例えば、アルゴン以外の希ガス雰囲気もしくは窒素雰囲気もしくは真空雰囲気を用いても、同様の効果が期待できる。なお、ここでいう真空とは、物理的真空ではなく、真空ポンプ等を用いて達成できる工業的真空である。

本発明に係る希土類元素イオンの拡散領域の製造方法は、熱処理によって希土類元素イオン１５の分布状態を所定の分布状態に保持して基板１１の深さ方向に希土類元素イオンの拡散領域１６を移動させるため、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を拡散領域１６の分布状態を維持して移動できるので、希土類元素イオンの濃度分布ピーク値の位置を容易に合わせ込むことができ、しかも安価にできるという利点がある。

本発明に係る発光素子の製造方法は、発光層を構成する第２材料層１４に導入された希土類元素イオン１５の分布状態を所定の分布状態に保持して基板１１の深さ方向に拡散領域１６を移動させる熱処理を行うため、拡散領域１６における希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置を希土類元素イオン１５の分布状態を維持して移動できるので、その濃度分布ピーク値の位置を容易に合わせ込むことができる。これによって、発光層中における拡散領域１６における希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置を調整することが可能となることで、熱処理により、発光素子１の発光強度の調整が可能となる。しかも安価にできるという利点がある。

本発明に係る発光素子１は、本発明の発光素子の製造方法により製造された発光素子であるため、拡散領域１６における希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置が所望の位置に形成されたものとなり、所望の発光強度を有する発光素子１となるという利点がある。

より具体的には、希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置が、発光層（第２材料層１４）の表面に近い（浅い）位置に、所望のドーズ量を注入しておき、熱処理することで、表面からより離れた（より深い）所望の位置まで、希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置を移動させることができる。このため、予め、発光層（第２材料層１４）の表面に近い（浅い）位置に、希土類元素イオン１５を注入することで、イオン注入処理時の加速エネルギーを低減し、処理時間をより短時間にすることが可能になる。その上、イオン注入処理を、外部に委託して行っている場合は、費用の低減化が可能になる。

また、希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置のみが異なる発光素子をいくつか作製する際、ピーク値の異なる位置に応じて、別途、イオン注入処理を行う必要がなく、同時にイオン注入処理を行った後に、加熱処理条件を変えることで、希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置を所望の位置まで移動させることができる。よって、イオン注入処理に要する手間と時間と費用とが低減できる。

また、仮に、誤った加速エネルギーでイオン注入処理を行った場合でも、熱処理することで、希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置を所望の位置まで移動させることができる。

また、発光強度を調整（主に、発光強度の最大値から、低い強度に調整する）する際、通常、希土類元素イオン注入量を調整することで、強度の調整を行う必要があるため、別途、イオン注入処理を行う必要がある。しかしながら、本発明では、熱処理によって希土類元素イオン１５の濃度分布ピーク値の位置を調整することで、発光強度を調整することが可能になる。したがって、発光強度の異なる発光素子を製造する場合、同じイオン注入量の発光素子を用いることができるので、イオン注入処理を行う回数が削減できる。

本発明の発光素子の製造方法は、エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子の製造方法、真性エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子の製造方法、電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子の製造方法、光励起型発光デバイスに用いる発光素子の製造方法等、その他、電子注入型発光デバイスなど各種発光デバイスに用いられる発光素子の製造方法に適用することができ、その発光素子は、エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子、真性エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子、電流注入型エレクトロルミネッセンスデバイスに用いる発光素子、光励起型発光デバイスに用いる発光素子等、各種発光デバイスに用いられる発光素子に適用することができる。

本発明の希土類元素イオンの拡散領域の製造方法を示した製造工程断面図である。 本発明の発光素子の製造方法を適用することができる発光素子の一例を示した概略構成断面図である。 発光素子１の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。 発光素子２の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。 発光素子３の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。 発光素子４の製造方法に係る一例を示した製造工程断面図である。

符号の説明

１…発光素子、１１…基板、１３…量子井戸層、１５…希土類元素イオン、１６…拡散領域

Claims (23)

1. 基板中に所定の分布を有する希土類元素イオンの拡散領域を形成する工程と、
   熱処理によって前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる工程と
   を備えたことを特徴とする希土類元素イオンの拡散領域の製造方法。
2. 基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子の製造方法であって、
   前記量子井戸に接する前記発光層を構成する材料層に前記希土類元素イオンを導入した後、
   前記発光層を構成する材料層に導入された前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理を行う
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
3. 前記発光層を構成する材料層に導入された前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域を移動させる熱処理は、
   前記希土類元素イオンが前記発光層を構成する材料層に導入された後に行われる熱処理後に行う、
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
4. 前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸からフォースター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内にする
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
5. 前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸から１０ｎｍの範囲内にする
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
6. 前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸からデクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内にする
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
7. 前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸から１ｎｍの範囲内にする
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
8. 前記希土類元素イオンの拡散領域における濃度分布ピーク値の位置を、前記量子井戸からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内にする
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
9. 前記発光層は、量子井戸と希土類元素イオンとシリコンを主成分とする材料層とから構成される
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
10. 前記シリコンを主成分とする材料層は、シリコン系酸化物からなる
    ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
11. 前記希土類元素は、ユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、セリウム（Ｃｅ）、ツリウム（Ｔｍ）もしくは複数種の希土類元素である
    ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
12. 前記熱処理は不活性な雰囲気中で行われる
    ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
13. 前記不活性な雰囲気はアルゴン雰囲気である
    ことを特徴とする請求項１２記載の発光素子の製造方法。
14. 前記不活性な雰囲気は窒素雰囲気である
    ことを特徴とする請求項１２記載の発光素子の製造方法。
15. 前記不活性な雰囲気は真空雰囲気である
    ことを特徴とする請求項１２記載の発光素子の製造方法。
16. 前記発光層を構成する材料層は、
    化学的気相成長法もしくはスパッタリング法によりＳｉＯ_2-x（２≧ｘ≧０）膜で作製した後、アニール処理して形成される
    ことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
17. 基板上に形成された発光層に量子井戸と希土類元素イオンとを含んでいる発光素子であって、
    熱処理によって、前記希土類元素イオンの分布状態を所定の分布状態に保持して前記基板の深さ方向に前記希土類元素イオンの拡散領域が移動するものである
    ことを特徴とする発光素子。
18. 前記希土類元素イオンの分布の中心位置を移動させることで発光強度が調整されたものからなる
    ことを特徴とする請求項１７記載の発光素子。
19. 前記希土類元素イオンの分布の中心位置を移動が熱処理により行われたものからなる
    ことを特徴とする請求項１７記載の発光素子。
20. 前記希土類元素イオンがイオン注入法により前記発光層中に導入されたものからなる
    ことを特徴とする請求項１７記載の発光素子。
21. 前記発光層は、量子井戸と希土類元素イオンとシリコンを主成分とする材料層とから構成されたものからなる
    ことを特徴とする請求項１７記載の発光素子。
22. 前記シリコンを主成分とする材料層は、シリコン系酸化物からなる
    ことを特徴とする請求項２１記載の発光素子。
23. 前記希土類元素は、ユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、セリウム（Ｃｅ）、ツリウム（Ｔｍ）もしくは複数種の希土類元素である
    ことを特徴とする請求項１７記載の発光素子。

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