JP4922611B2

JP4922611B2 - 酸化亜鉛光デバイス、酸化亜鉛光デバイスの製造方法、および酸化亜鉛光デバイスの利用方法

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Publication number: JP4922611B2
Application number: JP2005372927A
Authority: JP
Inventors: 新為趙
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP2007173739A

Description

本発明は、酸化亜鉛薄膜に電流を流すことにより発光させる酸化亜鉛光デバイス、酸化亜鉛光デバイスの製造方法、および酸化亜鉛光デバイスの利用方法に関するものである。

特許文献１には、単結晶ｐ型シリコン基板に酸化亜鉛をヘテロエピタキシャル成長させる方法として、シリコン単結晶の酸化膜をフッ酸で除去してから、スパッタリング技術で酸化亜鉛を堆積してバッファを形成し、そのバッファの上に、アセチルアセトン亜鉛を用いて酸化亜鉛薄膜を気相成長させる方法が開示されている。

また、特許文献１には、シリコン基板上に酸化亜鉛薄膜を形成することができたときには、シリコン加工技術を使い新規なデバイスを作ることができる等の多大な利点があると述べると同時に、それを実現することの困難性が述べられている。

さらに、特許文献１には、先行技術として、Ｍ．ＳＨＩＭＩＺＵ等による、気相成長法によりｐ型シリコン上に酸化亜鉛薄膜が形成でき、その間にｐｎ接合が形成されたとの報告がある旨、さらには、Ａ．ＭＩＹＡＫＥ等による、シリコン基板の上に硫化亜鉛を形成し、これを酸素中でアニールすることにより酸化亜鉛薄膜を形成したとの報告がある旨を述べている。

一方、本発明者等が、非特許文献１に、「エルビウムをドープした酸化亜鉛の薄膜中の光学活性中心の局所構造分析」を報告し、また、非特許文献２に、「シリコン基板上へのエルビウムをドープした酸化亜鉛の薄膜の製作、及び光遷移の機構」を報告している。

特開２００３−３１８４６号公報 J. Appl. Phys. 89(7) 3678 (01 Apr 2001) J. Luminescence 87-89 (2000) 1254-1256

ここで、酸化亜鉛は光デバイスとしてよく知られている。他方、シリコン基板については高度なシリコン加工技術がある。これ故、シリコン基板の上にｐｎ接合を形成しながら酸化亜鉛薄膜を形成できると、新規な光集積回路を作ることができると期待されている。しかし、シリコン基板と酸化亜鉛薄膜の間にｐｎ接合を、容易かつ安価に形成する方法は未だ知られていない。

一方、光デバイスが表示用に使われる場合は、そのようなシリコン基板上の光集積回路を、可視光領域で発光させる必要がある。従って、そのような光デバイスは、可視光で発光する光デバイスとして使えることが望まれる。

他方、通信用に使われる場合は、そのような光集積回路に使われる光の周波数は、下記の二つの観点から選ばれる。
その第１は、信号の高速処理のために光通信を高速化できる周波数を選ぶ。このためには、光ファイバの屈折率の分散が小さい１２００ｎｍ程度の波長の光を使う必要があり、この帯域で発光する光集積回路用の光デバイスと半導体レーザーが望まれる。
その第２は、遠距離用光通信のために光ファイバでの損失をできるだけ小さくする。このために、波長が１５００ｎｍ程度の光を使う必要があり、この帯域で発光する光集積回路用の光デバイスと半導体レーザーが要望される。

さらには、緑色で発光する光デバイスと半導体レーザーを、安価に製造する技術が要望されている。

本発明は、上記した課題を、再現可能性をもって、かつ安価に実現し得る光デバイスを提案することにある。

上記した課題は、請求項１に記載の酸化亜鉛光デバイスによって解決された。
即ち、一方の面に導電薄膜が設けられたｐ型シリコン単結晶基板と、上記ｐ型シリコン単結晶基板の他方の面にｐｎ接合されたｎ型酸化亜鉛薄膜と、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜の上記ｐ型シリコン単結晶基板と反対側の面に形成された第１の光透過性導電薄膜とを備える酸化亜鉛光デバイスにおいて、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜が、酸化亜鉛を、上記ｐ型シリコン単結晶基板の（１００）面上に、ＹＡＧレーザー光によるレーザー・アブレーションの技術を用いて沈積させ、酸素雰囲気中で６００〜８００℃でアニール（第１のアニール）して形成されたｎ型酸化亜鉛薄膜であることと、上記第１の光透過性導電薄膜が、ＩＴＯを、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜上に、ＹＡＧレーザー光によるレーザー・アブレーションの技術を用いて積層させ、上記第１のアニールより低い温度で、不活性気体雰囲気中でアニール（第２のアニール）して形成された第１の光透過性導電薄膜であることと、上記導電薄膜が、上記ｐ型シリコン単結晶基板に真空蒸着されたアルミニウムの薄膜であることとを特徴とする酸化亜鉛光デバイスによって解決された。
この光デバイスは、酸素雰囲気の中で、シリコン基板と酸化亜鉛薄膜の間にｐｎ接合を作ることができるという特徴を有する。特に、請求項２、３、４に記載されているように希土類、特にエルビウムをドープした酸化亜鉛を用いると、ｐｎ接合が確実に形成され、同時に、酸化亜鉛の微結晶の結晶性も良くなる。そして、その結果として、電気光学的特性も改善される。

また、請求項５に記載の製造方法によりこの光デバイスを製造することができる。
即ち、一方の面に導電薄膜が設けられたｐ型シリコン単結晶基板と、上記ｐ型シリコン単結晶基板の他方の面にｐｎ接合されたｎ型酸化亜鉛薄膜と、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜の上記ｐ型シリコン単結晶基板と反対側の面に形成された第１の光透過性導電薄膜とを備える酸化亜鉛光デバイスの製造方法において、ＹＡＧレーザー光を照射し、レーザー・アブレーションの技術を用いて、ｐ型シリコン単結晶基板の（１００）面に酸化亜鉛を沈積させ、その後、酸素雰囲気中で６００〜８００℃でアニール（第１のアニール）して、ｎ型酸化亜鉛薄膜を形成する工程と、その後、ＩＴＯのペレットにＹＡＧレーザーを照射し、レーザー・アブレーションの技術でＩＴＯを上記ｎ型酸化亜鉛薄膜上に積層させ、続いて、上記第１のアニールより低い温度で、不活性気体雰囲気中でアニール（第２のアニール）して、第１の光透過性導電薄膜を形成する工程と、次に、上記ｐ型シリコン単結晶基板の上記ｎ型酸化亜鉛薄膜及び第１の光透過性導電薄膜が形成された面と反対側の面に、アルミニウムの薄膜を真空蒸着し、上記導電薄膜を形成する工程とを含むことを特徴とする、酸化亜鉛光デバイスの製造方法によって製造することができる。さらに、請求項６に記載のように、順方向電圧を印加することにより、または、請求項８に記載のように、逆方向電圧を印加することにより、可視光で発光させる表示用の光デバイスとすることができる。

また、請求項７に記載のように、順方向電圧を印加すると、光ファイバの屈折率の分散が小さい周波数領域で、光デバイスを発光させることができる。また、請求項９に記載のように、逆方向電圧を印加すると、赤外領域で発光させることができ、特に、１５４０ｎｍの波長の光を使うと、光ファイバの損失が小さい周波数領域で、光デバイスを動作させることができる。

更にまた、請求項１０に記載のように、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスにおける、上記真空蒸着されたアルミニウムの薄膜が導電ストライプであることと、上記ｐ型シリコン基板の両端に設けられた共振用鏡面を備えることと、上記ｐｎ接合に順電圧を印加させてレーザー発振をさせることを特徴とする、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスの利用方法に従って、導電ストライプと共振用鏡面を設け、反転状態が発生するように順電圧を印加すると、１１８０ｎｍに発光し、逆電圧を印可すると、緑色と１５４０ｎｍに発光する半導体レーザーを実現することができる。

上記した本発明によれば、シリコン基板と酸化亜鉛薄膜の間にｐｎ接合を容易かつ安価に形成でき、ｐｎ接合における電子・正孔対消滅に起因する発光、および、希土類元素、特にエルビウムのエネルギー準位間遷移に起因して発光する光デバイスを容易に実現することができる。

以下、上記した本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの構造及び製作方法等を、詳細に説明する。

＜構造＞
図１は、本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの好ましい実施の形態を示した概念的斜視図である。
図示したように、ｐ型シリコン単結晶１の下面には、一方の電極として使われるアルミニウム薄膜２が設けられ、上面には、ｎ型酸化亜鉛薄膜３が形成されている。そして、上記酸化亜鉛薄膜３の上面には、他方の電極として使われる光透過性導電薄膜４が、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)によって形成されている。
なお、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜３には、希土類元素（エルビウム、イットリウム、ハフニウム等）をドープしない場合と、ドープした場合がある。また、ＩＴＯは、光透過性電気導体として周知のものであるため、ここではその説明を省略する。

＜製作＞
図２は、図１の酸化亜鉛光デバイスの製作方法の一例のフローチャートである。
本発明の酸化亜鉛光デバイスにおいては、次の手順で、酸化亜鉛薄膜とｐ型シリコン基板の間にｐｎ接合を形成させる。
なお、以下にエルビウムをドープした酸化亜鉛を用いる場合について説明するが、他の希土類元素をドープした場合、および希土類元素をドープしない場合も同様である。

STEP１：エルビウムをドープした酸化亜鉛ペレットにＹＡＧレーザー光を照射し、レーザー・アブレーションの技術を用いて、ｐ型シリコン単結晶基板の（１００）面に、エルビウムをドープした酸化亜鉛を沈積させる。その厚さは、２００〜５００ｎｍ程度である。この際、レーザー・アブレーションを行う真空室に約１×１０^-3Torrの酸素を封じ込めておく。

STEP２：酸素雰囲気中で６００〜８００℃、好ましくは７００℃程度で、数分間、例えば３分間アニールする。このアニールは、発光を良くするためのものである。STEP１でレーザー・アブレーションで積層された状態では、エルビウムの近くに５個の酸素原子があるが、アニールをすることにより対称性がＣ_4Vに変わり、６個の酸素原子を引き付けるようになり、その結果、酸化亜鉛中に酸素欠乏箇所が増え、ｎ型が形成しやすく、かつ酸化亜鉛とエルビウムの発光が強くなるものと考えられる。

STEP３：次に、透明電極として、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を酸化亜鉛の他の面にレーザー・アブレーションの技術で積層させる。ＩＴＯのペレットにＹＡＧレーザーを照射し、真空室の酸素分圧を約１×１０^-3Torrに保ちながらＩＴＯを上記酸化亜鉛薄膜の上に約７０ｎｍ積層させる。

STEP４：続いて、STEP２におけるアニールより低い温度、例えば４００〜６００℃程度で、不活性気体、例えば窒素雰囲気中で、例えば５分間アニールする。

STEP５：次に、上記シリコン基板の裏面に、アルミニウムの薄膜（厚さ約１００ｎｍ）を真空蒸着で形成する（蒸着時の真空度は約１×１０^-6Torrで、基板の温度は約２５０℃）。

STEP６：マスキング法、腐食法等により、上記工程の途中において、あるいは上記工程の後に、上記ＩＴＯ薄膜とアルミニウム薄膜を電極用の形状に形成し、リード線をそれらの電極に接続しておく。実験用には、銀ペーストを用いて、リード線を接続してもよい。この際、当然にオーミック(Ohmic) 接続が要求される。

なお、上記STEP２のアニールを省略して、上記STEP４のアニールだけとすることも可能である。

＜ＩＴＯ＞
上記のようにして作られた図１の酸化亜鉛光デバイスの特性を調べる前に、先ず、光透過性電極として使われるＩＴＯ層の特性を調べた。

ＩＴＯ層の特性を評価するために、評価用ＩＴＯ層を石英(Quartz)の上に形成したものを作成し、特性を評価した。形成条件は、基板を石英に変えただけで、図１の酸化亜鉛光デバイスにおけるＩＴＯ層と同じである。ただし、アニール温度は３００℃、４００℃、５００℃、６００℃と変えたものを作成した。

図３の、３００℃でアニールしたＩＴＯ層のＸ線回折スペクトルから、ＩＴＯが結晶化していることが分る。
ＩＴＯ層の電気的特性は、図４に概念的に示されている電気回路で測定された。図５は、市販のガラスの上に形成されたＩＴＯ層、本実験で石英の上に形成された７０ｎｍのＩＴＯ層、およびシリコン基板について、図４の電気回路の電流を変えたときの測定電圧を示すグラフである。この測定結果から、次のように評価された。

ρ_s＝（Ｖ／Ｉ）×（π／Ｉｎ２）＝２２×４．４５＝９９．６６（Ω／ □）
ｗ／ｓ＝７０ｎｍ／（１×１０⁶ｎｍ）＝７×１０^-5Ｆ（ｗ／ｓ）≡１
ρ＝ρ_s・ｗ・Ｆ（ｗ／ｓ）＝９９．６６×７０ｎｍ×１
＝７×１０^-4Ωｃｍ
上記計算式から、ＩＴＯの比抵抗は、７×１０^-4Ωｃｍであった。この値は、金属よりは電気抵抗は大きいが、電極用導体として充分使えることが分る。また、市販のものよりよいことも分かる。

図６は、石英の上に形成された、厚さ７０ｎｍのＩＴＯ層にアニールを施さない場合（ａ）と、アニールを施した場合（ｂ）の、光透過率スペクトルである。このスペクトルは、５００℃で５分間のアニールのものである。可視光領域と、近赤外領域でほぼ均一な高い光透過率が認められる。

図７は、石英の上に形成された、厚さ７０ｎｍのＩＴＯ層にアニールを施こさない場合（丸印）と、施した場合（四角印）の、電流・電圧特性の測定値を示すグラフである。いずれの場合も、オーミック(Ohmic) ・コンタクトが形成されていることが分る。アニールを施すと、電気抵抗が少なくなることも分る。

図８は、石英の上に形成された、厚さ７０ｎｍのＩＴＯ層にアニール温度を変えてアニールを施こした場合の、電気抵抗（丸印）と、波長３２５ｎｍの光の透過率（四角印）と、波長１５４０ｎｍの光の透過率（菱形）の測定値を示すグラフである。アニール温度が高い程、電気抵抗が小さく、透過率が高いことが分る。

＜ダイオード特性＞
続いて、製作された酸化亜鉛光デバイスに対し、図１に示すようにアルミニウム電極とＩＴＯ電極の間に電圧を印加して、本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの特性を調べた。
なお、順方向に電圧を印加するとは、図９（ａ）に示すようにｐ型シリコン２側からｎ型酸化亜鉛３の方向に電流が流れるように電圧を印加することを言い、逆方向に電圧を印加するとは、図９（ｂ）に示すようにｎ型酸化亜鉛３側からｐ型シリコン２の方向に電流が流れるように電圧を印加することを言う。

図１の酸化亜鉛光デバイスの電圧／電流特性を、図１の回路で測定した結果を、図１０に示す。図１０のグラフは典型的なダイオード特性を示し、図１の酸化亜鉛光デバイスのｐ型シリコン基板と酸化亜鉛薄膜の間にｐｎ接合が形成されていることを示している。
なお、図１０は、エルビウムをドープしている場合を示すが、ドープしていない場合も同様な結果であった。

＜順方向電圧特性＞
本発明に係る酸化亜鉛光デバイスについて、図１１の測定システムを用いて、発光特性を測定した。この測定システムの概略は、次の通りである。
先ず、発信器からのクロック信号に同期して試験電圧が増幅器を介して試料に印加され、試料を流れる電流に対応する信号が抵抗器（１００Ω）を介してオシロスコープに送られ、一方の信号となる。試料に印加された電圧信号に応答して発光した光は、分光器で分光され上記発信器からの信号に同期しているディテクタで検出され、発信器の信号と同期しているロックインアンプを使って微弱信号が増幅されて、上記オシロスコープに送られ、他方の信号となる。このようにして得られた発光スペクトルは、狭義のエレクトロルミネッセンスにより発光したもの以外に、電子・正孔の対消滅等の他のメカニズムで発光するものをも含むが、この明細書では、この発光スペクトルを総称してＥＬ発光スペクトルと呼ぶ。

図１２は、図１の酸化亜鉛光デバイスに図９（ａ）の回路で順電圧を印加した時の、１０００ｎｍまでのＥＬ発光スペクトルの一例である。図１３は、図１２のＥＬ発光スペクトルから、電流密度と全光量の関係を求めたグラフである。図１４は、図１２のＥＬ発光スペクトルから、印加電圧と全光量の関係を求めたグラフである。これらの図から、波長５００ｎｍから１０００ｎｍまで連続スペクトルになり、全光量は電流密度に比例し、約７ボルトに閾値を有する発光ダイオードが形成されていることが分る。

図１５は、図１の酸化亜鉛光デバイスに図９（ａ）の回路で順電圧を印加した時の、１０００ｎｍ以上でのＥＬ発光スペクトルの一例である。赤外領域の１１８０ｎｍ付近にピークを有する。この波長領域は、光ファイバの屈折率の分散が最小で、信号波形が崩れない波長領域に対応する。従って、この光は高速光通信用の光源として使用することができる。図１６は、発光スペクトルの１１８０ｎｍ付近のピーク波長の印加電圧依存性を示すグラフである。このピーク・シフト特性を利用して、光通信をさらに最適化することもできる。
なお、図１７のウィーンの変位則を表すグラフから分るように、波長１１８０ｎｍのピークが黒体放射によるとすれば、温度は２４００℃以上になってしまう。従って、この波長１１８０ｎｍにおけるピークは黒体放射によるものではない。

図１８は、図１５のＥＬ発光スペクトルから、電流密度と波長１０００〜１３００ｎｍの光の全光量との関係と、電流密度と波長１３００〜１７００ｎｍの光の全光量の関係との関係を別々に求めたグラフである。図１９は、図１５のＥＬ発光スペクトルから、印加電圧と波長１０００〜１３００ｎｍの光の全光量との関係と、印加電圧と波長１３００〜１７００ｎｍの光の全光量の関係との関係を別々に求めたグラフである。これらの図から、１１８０ｎｍの発光に関し、発光が電流密度の２乗に比例し、可視よりも発光が増加しやすいことが分かる。また、電圧の閾値は約３ボルトであり、優先して発光することが分かる。

図２０は、図１の酸化亜鉛光デバイスに順方向に電圧を印加したときの、ｐ型シリコン基板とｎ型酸化亜鉛の間のｐｎ接合の模式図である。可視光領域（６０２〜９１４ｎｍ）における広帯域の発光は、ドナー準位Ｅ_Dとアクセプタ準位Ｅ_Aの間の遷移として説明できる。赤外領域の１１８０ｎｍ付近の発光はトンネル効果による、ｐ型シリコン基板からの正孔と、ｎ型酸化亜鉛からの電子の対消滅によるものである。

＜逆方向電圧特性＞
図２１は、図１の酸化亜鉛光デバイスに図９（ｂ）のように逆電圧を印加した時の、電流をパラメータとする、９００ｎｍまでの発光スペクトルの一例である。図の各スペクトルは、下から順に５ｍＡ、１０ｍＡ、１５ｍＡ、２０ｍＡ、２５ｍＡ、３０ｍＡ、３５ｍＡ、４０ｍＡ、４５ｍＡ、５０ｍＡの電流を流したときのスペクトルである。５３６、５５６、６６５ｎｍに鋭いピークがあることが分る。

図２２は、図１の酸化亜鉛光デバイスに図９（ｂ）のように逆電圧を印加した時の、１０００ｎｍ以上の発光スペクトルの一例である。図の各スペクトルは、下から順に５ｍＡ、１０ｍＡ、１５ｍＡ、２０ｍＡ、２５ｍＡ、３０ｍＡ、３５ｍＡ、４０ｍＡ、４５ｍＡ、５０ｍＡの電流を流したときのスペクトルである。波長１５３８ｎｍにピークがあることが分る。

図２３は、酸化亜鉛の中のエルビウムの主なエネルギー準位の模式図である。可視光領域の５３６、５５６、６６５ｎｍにおける鋭いピーク、および赤外領域の波長１５３８ｎｍのピークは、それぞれエルビウムのエネルギー準位間の遷移として説明できる。すなわち、逆電圧のときｐ型シリコン基板からの電子、あるいはｎ型酸化亜鉛からの正孔の少数キャリアが電界より加速され、衝突励起によりエルビウムイオンが励起され、それが低い準位に落ちる時の発光である。逆電圧を印加した場合は、酸化亜鉛はエルビウムを保持する媒体として機能している。なお、赤外領域の１１００ｎｍから１５００ｎｍまでの連続スペクトルは、電流による酸化亜鉛の微結晶の表面の活性化、局所的温度上昇、格子欠陥等、酸化亜鉛が単結晶でなく微結晶であることに起因するものであると考えられる。１１８０ｎｍのピークは、ｐｎ接合における少数キャリアの正孔・電子の再結合による発光である。

図２４の可視光領域の発光スペクトルの強度の電流密度依存性の例、図２５の可視光領域の発光スペクトルの強度の印加電圧依存性の例、図２６の可視光領域の発光スペクトルの強度の電界強度依存性の例、および図２７の赤外領域におけるピーク波長における発光スペクトルの強度の電流密度依存性の例、図２８のピーク波長における発光スペクトルの強度の印加電圧依存性の例は、いずれも、この発光メカニズムにより説明される。

図２９は、図１の酸化亜鉛光デバイスの赤外領域におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルである。ＰＬでは、赤外領域では、波長１５３８ｎｍにだけ大きなピークがあることが分る。

図３０は、図１の酸化亜鉛光デバイスの、フォトルミネッセンス（ＰＬ）と、順電圧のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）と、逆電圧エレクトロルミネッセンス（ＥＬ．Ｒ）との、２０Ｋにおける赤外領域のスペクトルである（光強度は、ピーク値を１に規格化されて示されている）。フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルでは、１５４０ｎｍにだけに大きいピークがあり（これはエルビウムのエネルギー準位間遷移に起因する）、順電圧のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルでは、１１８０ｎｍにだけに大きいピークがあり（これはｐｎ接合における電子・正孔の対消滅に起因する）、逆電圧エレクトロルミネッセンス（ＥＬ．Ｒ）スペクトルでは、両方が観測される。

＜半導体レーザー＞
図１の酸化亜鉛光デバイスの発光機構を用いて、半導体レーザーを実現することができる。
図３１は、図１の酸化亜鉛光デバイスを用いて作られる半導体レーザーの概念的斜視図である。
この半導体レーザーは、図示したようにｐ型シリコン基板１の上に、エルビウムがドープされていない、あるいはドープされたｎ型酸化亜鉛層３を形成し、さらにその上に導体ストライプ（Ｐｔ／Ｔｉ）５を形成する。そして、アルミニウム電極２と導体ストライプ５の間に順電圧を印加すると、酸化亜鉛の導体ストライプとシリコン基板の間の部分が発光する。十分に電流を供給し、電子状態分布の反転を実現すると、放射された光は酸化亜鉛層とシリコン基板の境界領域に沿って伝播し、シリコン基板のへき開面を利用して光反射面（図示せず）をシリコン基板の両端に形成しておくことにより、半導体レーザーが実現される。

導体ストライプ（Ｐｔ／Ｔｉ）は、厚さ数１０ｎｍ（例えば３０ｎｍ）のＴｉ層の上に厚さ数１０ｎｍ（例えば５０ｎｍ）のＰｔ層を重ねた導電薄膜である。導体ストライプの下にさらにＳｎ薄膜を設ける場合もある。導体ストライプおよび酸化亜鉛の形状・寸法は、プラズマ・エッチング等の公知に技術を用いて調節することができる。

エルビウムがドープされていない場合は、電子・正孔の対消滅に起因して波長１１８０ｎｍの赤外線半導体レーザーが実現される。一方、エルビウムがドープされている場合は、緑色の可視光半導体レーザー、および波長１５４０ｎｍの赤外線半導体レーザーが実現される。

＜他の実施の形態の発光デバイス＞
図３２は、本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの他の実施の形態を示した概念的斜視図である。
この実施形態においては、石英(Quartz)基板またはシリコン基板６の上面に、第２のＩＴＯ薄膜７を形成したものに、さらにエルビウムをドープした酸化亜鉛薄膜層３を形成したものである。そして、上記酸化亜鉛薄膜３の上面には、他方の電極として使われる光を透過する第１の光透過性導電性薄膜４が、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)によって形成されている。

この実施の形態は、図１の実施の形態におけるシリコン基板１に代えて、石英(Quartz)基板またはシリコン基板６の上面に第２の導電薄膜７を形成したものが使われている点以外は、図１の実施の形態と同じであるので、対応する部材には同じ参照番号を付して説明を省略する。

この実施の形態においては、ｐｎ接合は形成されていないので、ｐｎ接合に起因する発光はなく、第２の導電薄膜７と第１の導電薄膜４の間に電圧を印加することにより、エルビウムイオンを励起した後、下の順位に落ちる際のエネルギー準位の間の遷移による光放出により発光する。

ＥＬ発光スペクトルは、図１の実施の形態によるものと同じで、波長５３６ｎｍと５５６ｎｍの緑色発光、波長６６５ｎｍの赤色発光、および、波長９８０ｎｍと１５４０ｎｍにおける赤外発光が起こる。従って、可視光領域の発光デバイス、赤外領域では、光ファイバの損失が少ない帯域（１５４０ｎｍ）での発光デバイスとして使うことができる。また、石英(Quartz)基板を使うと、デバイスの両面からの発光を利用することができる。

以上、本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの実施の形態について説明したが、本発明は、既述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において、更に種々の変形、変更を加えた酸化亜鉛光デバイスとすることができることは当然である。

本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの好ましい実施の形態を示す概念的斜視図である。図１の酸化亜鉛光デバイスの製作方法のフローチャートである。ＩＴＯ層のＸ線回折スペクトルである。ＩＴＯ層の特性測定のために回路図を示す概念図である。ガラスの上に形成されたＩＴＯ層、石英の上に形成されたＩＴＯ層、およびシリコン基板について、図４の電気回路の電流を変えたときの測定電圧を示すグラフである。石英の上に形成された、厚さ７０ｎｍのＩＴＯ層にアニールを施さない場合（ａ）と、アニールを施した場合（ｂ）の透過率スペクトルである。石英の上の形成された厚さ７０ｎｍのＩＴＯ層にアニールを施こさない場合（丸印）と施した場合（四角印）の、電流・電圧特性の測定値を示すグラフである。石英の上の形成された厚さ７０ｎｍのＩＴＯ層にアニール温度を変えてアニールを施こした場合の、電気抵抗（丸印）と、波長３２５ｎｍの光の透過率（四角印）と、波長１５４０ｎｍの光の透過率（菱形）の測定値を示すグラフである。順方向電圧印加（ａ）と，逆方向電圧印加（ｂ）を示す概念図である。図９の回路で測定した電圧／電流特性である。発光特性を測定する測定システムの概念図である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で順電圧を印加した時の、１０００ｎｍまでに発光スペクトルの一例である。図12の発光スペクトルから、電流密度と全光量の関係を求めたグラフである。図12の発光スペクトルから、印加電圧と全光量の関係を求めたグラフである。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で順電圧を印加した時の、１０００ｎｍ以上での発光スペクトルの一例である。発光スペクトルの１１８０ｎｍ付近のピーク波長の印加電圧依存性を示すグラフである。黒体放射のピーク波長が温度に反比例するというウィーンの変位則を表すグラフである。図15の発光スペクトルから、電流密度と波長１０００〜１３００ｎｍの光の全光量との関係と、電流密度と波長１３００〜１７００ｎｍの光の全光量の関係との関係を別々に求めたグラフである。図15の発光スペクトルから、印加電圧と波長１０００〜１３００ｎｍの光の全光量との関係と、印加電圧と波長１３００〜１７００ｎｍの光の全光量の関係との関係を別々に求めたグラフである。図１の酸化亜鉛光デバイスに順方向に電圧を印加したときの、ｐ型シリコン基板とｎ型酸化亜鉛の間のｐｎ接合の模式図である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、９００ｎｍまでに発光スペクトルの一例である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、１０００ｎｍ以上の発光スペクトルの一例である。酸化亜鉛の中のエルビウムの主なエネルギー準位の模式図である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、波長５３６（丸印）、５５６（四角印）、６６５ｎｍ（菱形）の発光スペクトルの強度の電流密度依存性の一例である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、波長５３６（丸印）、５５６（四角印）、６６５ｎｍ（菱形）の発光スペクトルの強度の印加電圧依存性の一例である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、波長５３６（丸印）、５５６（四角印）、６６５ｎｍ（菱形）の発光スペクトルの強度の電界強度依存性の一例である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、赤外領域におけるピーク波長における発光スペクトルの強度の電流密度依存性の一例である。図１の酸化亜鉛光デバイスに図９の回路で逆電圧を印加した時の、赤外領域におけるピーク波長における発光スペクトルの強度の印加電圧依存性の一例である。図１の酸化亜鉛光デバイスの赤外領域におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルである。図１の酸化亜鉛光デバイスの、フォトルミネッセンス（ＰＬ）と、順電圧エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）と、逆電圧エレクトロルミネッセンス（ＥＬ．Ｒ）との、２０Ｋにおける赤外領域のスペクトルである。図１の酸化亜鉛光デバイスを用いて作られる半導体レーザーを示す概念的斜視図である。本発明に係る酸化亜鉛光デバイスの他の好ましい実施の形態を示す概念的斜視図である。

符号の説明

１ｐ型シリコン基板
２アルミニウム薄膜（導電薄膜）
３酸化亜鉛薄膜
４第１の光透過性導電薄膜
５導電ストライプ
６石英(Quartz)基板またはシリコン基板
７第２の光透過性導電薄膜

Claims

一方の面に導電薄膜が設けられたｐ型シリコン単結晶基板と、上記ｐ型シリコン単結晶基板の他方の面にｐｎ接合されたｎ型酸化亜鉛薄膜と、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜の上記ｐ型シリコン単結晶基板と反対側の面に形成された第１の光透過性導電薄膜とを備える酸化亜鉛光デバイスにおいて、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜が、酸化亜鉛を、上記ｐ型シリコン単結晶基板の（１００）面上に、ＹＡＧレーザー光によるレーザー・アブレーションの技術を用いて沈積させ、酸素雰囲気中で６００〜８００℃でアニール（第１のアニール）して形成されたｎ型酸化亜鉛薄膜であることと、上記第１の光透過性導電薄膜が、ＩＴＯを、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜上に、ＹＡＧレーザー光によるレーザー・アブレーションの技術を用いて積層させ、上記第１のアニールより低い温度で、不活性気体雰囲気中でアニール（第２のアニール）して形成された第１の光透過性導電薄膜であることと、上記導電薄膜が、上記ｐ型シリコン単結晶基板に真空蒸着されたアルミニウムの薄膜であることとを特徴とする、酸化亜鉛光デバイス。
上記ｎ型酸化亜鉛に希土類元素がドープされていることを特徴とする、請求項１に記載の酸化亜鉛光デバイス。
上記希土類元素がエルビウムであることを特徴とする、請求項２に記載の酸化亜鉛光デバイス。
上記希土類元素の濃度が、０．０５wt％から５wt％の範囲であることを特徴とする、請求項２に記載の酸化亜鉛光デバイス。
一方の面に導電薄膜が設けられたｐ型シリコン単結晶基板と、上記ｐ型シリコン単結晶基板の他方の面にｐｎ接合されたｎ型酸化亜鉛薄膜と、上記ｎ型酸化亜鉛薄膜の上記ｐ型シリコン単結晶基板と反対側の面に形成された第１の光透過性導電薄膜とを備える酸化亜鉛光デバイスの製造方法において、ＹＡＧレーザー光を照射し、レーザー・アブレーションの技術を用いて、ｐ型シリコン単結晶基板の（１００）面に酸化亜鉛を沈積させ、その後、酸素雰囲気中で６００〜８００℃でアニール（第１のアニール）して、ｎ型酸化亜鉛薄膜を形成する工程と、その後、ＩＴＯのペレットにＹＡＧレーザーを照射し、レーザー・アブレーションの技術でＩＴＯを上記ｎ型酸化亜鉛薄膜上に積層させ、続いて、上記第１のアニールより低い温度で、不活性気体雰囲気中でアニール（第２のアニール）して、第１の光透過性導電薄膜を形成する工程と、次に、上記ｐ型シリコン単結晶基板の上記ｎ型酸化亜鉛薄膜及び第１の光透過性導電薄膜が形成された面と反対側の面に、アルミニウムの薄膜を真空蒸着し、上記導電薄膜を形成する工程とを含むことを特徴とする、酸化亜鉛光デバイスの製造方法。
上記酸化亜鉛光デバイスに順電圧を印加し、５００ｎｍから９００ｎｍの波長の光を発光させることを特徴とする、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスの利用方法。
上記酸化亜鉛光デバイスに順電圧を印加し、１１８０ｎｍの波長の光を発光させることを特徴とする、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスの利用方法。
上記酸化亜鉛光デバイスに逆電圧を印加し、５３６ｎｍ、５５６ｎｍ、６６５ｎｍ、９８０ｎｍの波長の光を発光させることを特徴とする、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスの利用方法。
上記酸化亜鉛光デバイスに逆電圧を印加し、１５４０ｎｍの波長の光を発光させることを特徴とする、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスの利用方法。
請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスにおける、上記真空蒸着されたアルミニウムの薄膜が導電ストライプであることと、上記ｐ型シリコン単結晶基板の両端に設けられた共振用鏡面を備えることと、上記ｐｎ接合に順電圧を印加させてレーザー発振をさせることを特徴とする、請求項３に記載の酸化亜鉛光デバイスの利用方法。