JP5664416B2 - Silicon quantum dot device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン量子ドット装置とその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon quantum dot device and a manufacturing method thereof.
シリコンは、間接遷移型バンド構造を有する半導体であり、広く集積回路、受光装置等に用いられている。微細化した寸法のシリコン結晶を形成すると、量子効果により発光現象も可能になる。量子効果を利用したシリコン半導体装置が種々提案されている(例えば特許文献1、特許文献2)。 Silicon is a semiconductor having an indirect transition type band structure, and is widely used in integrated circuits, light receiving devices, and the like. When a silicon crystal having a miniaturized size is formed, a light emission phenomenon is also possible due to the quantum effect. Various silicon semiconductor devices utilizing the quantum effect have been proposed (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
Si基板表面を陽極酸化し、量子細線集合体を含むポーラス領域を形成し、純水中に浸漬して再結合発光エネルギを調整し、キャリア供給機能を有する対向層を形成してSi発光装置を製造することが可能である。 Si substrate surface is anodized to form a porous region containing quantum wire aggregates, immersed in pure water to adjust recombination luminescence energy, and to form a counter layer having a carrier supply function to form a Si light emitting device. It is possible to manufacture.
Si基板上に、ストイキオメトリ組成よりSiが過剰な二酸化ケイ素層を形成し、例えば水素雰囲気中、高温アニールを行うことにより、二酸化ケイ素層中にSiナノメートル結晶を生じさせることができる。Si基板に負電極を形成し、上方に正電極を形成して、赤色発光装置を形成することが可能である。 By forming a silicon dioxide layer containing Si in excess of the stoichiometric composition on the Si substrate and performing high-temperature annealing in a hydrogen atmosphere, for example, Si nanometer crystals can be formed in the silicon dioxide layer. It is possible to form a red light emitting device by forming a negative electrode on the Si substrate and forming a positive electrode on the upper side.
プラズマセル中でシランガスを分解し、基板上にナノ結晶シリコンを堆積することが可能である。ナノ結晶シリコン表面を酸化すれば、複数層のナノ結晶シリコンを積層することもできる。触媒等を用いて、希望の位置にナノ結晶シリコンを生じさせることも可能である。Siリッチな酸化シリコン層と酸化シリコン層とを交互に積層し、高温アニールすることにより、Siリッチの酸化シリコン層中でSiの凝集によりナノ結晶シリコンを生じさせ、酸化シリコン層内に分散したナノ結晶シリコンを形成することもできる(例えば非特許文献1)。 It is possible to decompose silane gas in the plasma cell and deposit nanocrystalline silicon on the substrate. If the nanocrystalline silicon surface is oxidized, a plurality of layers of nanocrystalline silicon can be stacked. It is also possible to generate nanocrystalline silicon at a desired position using a catalyst or the like. By alternately laminating Si-rich silicon oxide layers and silicon oxide layers and annealing at high temperature, nanocrystalline silicon is produced by agglomeration of Si in the Si-rich silicon oxide layer, and the nano-crystalline dispersed in the silicon oxide layer Crystalline silicon can also be formed (for example, Non-Patent Document 1).
ナノメートルオーダの寸法を有し、キャリアを3次元方向で閉じ込め、量子効果を生じさせることの可能な構造を量子ドットと呼ぶ。一般的に、量子ドットは、バルク状態の材料とは異なる物性を有する。シリコン量子ドットは、シリコンから形成された量子ドットである。 A structure having a dimension of the order of nanometers and capable of confining carriers in a three-dimensional direction and generating a quantum effect is called a quantum dot. In general, quantum dots have physical properties different from those of bulk materials. A silicon quantum dot is a quantum dot formed from silicon.
量子ドットの研究が広く行われているが、シリコン量子ドットの研究開発は未だ十分行われたとは言えず、実用性ある製品を実現するには、今後解明すべき課題も多い。 Although quantum dots have been widely researched, silicon quantum dots have not been fully researched and developed, and there are many issues to be solved in the future in order to realize practical products.
本発明の実施例の目的は、複数の領域に異なる特性を有するシリコン量子ドットを有するシリコン量子ドット装置を提供することである。 An object of an embodiment of the present invention is to provide a silicon quantum dot device having silicon quantum dots having different characteristics in a plurality of regions.
本発明の実施例の他の目的は、複数の領域に異なる特性を有するシリコン量子ドットを形成することのできるシリコン量子ドット装置の製造方法を提供することである。 Another object of the embodiment of the present invention is to provide a method of manufacturing a silicon quantum dot device capable of forming silicon quantum dots having different characteristics in a plurality of regions.
実施例の1観点によれば、
基板と、
前記基板上方に配置され、第1の平均ドットサイズのシリコン量子ドットを含む第1酸化シリコンマトリクス層と、第1酸化シリコンマトリクス層を挟む1対の第1酸化シリコン層とを含む、第1量子ドット構造と、
前記基板上方に配置され、前記第1の平均ドットサイズと異なる第2の平均ドットサイズのシリコン量子ドットを含む第2酸化シリコンマトリクス層と、第2酸化シリコンマトリクス層を挟む1対の第2酸化シリコン層とを含む、第2量子ドット構造と、
を有し、
前記第1量子ドット構造が、複数層の前記第1酸化シリコンマトリクス層と複数層の前記第1酸化シリコン層とが交互に積層された構成を有し、
前記第2量子ドット構造が、複数層の前記第2酸化シリコンマトリクス層と複数層の前記第2酸化シリコン層とが交互に積層された構成を有し、
前記第2量子ドット構造が前記第1量子ドット構造と並列に前記基板上に配置され、
前記第1酸化シリコンマトリクス層は前記第2酸化シリコンマトリクス層と同一層から構成され、
前記第2酸化シリコン層は前記第1酸化シリコン層と同一層から構成されている
シリコン量子ドット装置。
が提供される。
According to one aspect of the embodiment,
A substrate,
A first quantum oxide layer disposed above the substrate and including a first silicon oxide matrix layer including silicon quantum dots having a first average dot size and a pair of first silicon oxide layers sandwiching the first silicon oxide matrix layer; Dot structure,
A second silicon oxide matrix layer that is disposed above the substrate and includes silicon quantum dots having a second average dot size different from the first average dot size, and a pair of second oxides sandwiching the second silicon oxide matrix layer A second quantum dot structure comprising a silicon layer;
I have a,
The first quantum dot structure has a configuration in which a plurality of the first silicon oxide matrix layers and a plurality of the first silicon oxide layers are alternately stacked,
The second quantum dot structure has a configuration in which a plurality of layers of the second silicon oxide matrix layers and a plurality of layers of the second silicon oxide layers are alternately stacked,
The second quantum dot structure is disposed on the substrate in parallel with the first quantum dot structure;
The first silicon oxide matrix layer is composed of the same layer as the second silicon oxide matrix layer,
The silicon quantum dot device, wherein the second silicon oxide layer is composed of the same layer as the first silicon oxide layer .
Is provided.
実施例の他の観点によれば、
基板上に酸化シリコン層とSiリッチの酸化シリコン層とを交互に堆積して積層を形成し、
積層表面から水素イオンを照射し、Siリッチの酸化シリコン層中において、Siの凝集を促進してシリコン量子ドットを生じさせ、シリコン量子ドットを含む酸化シリコンマトリクス層を形成する、
シリコン量子ドット装置の製造方法であって、
積層厚さ方向または面内方向に関して異なる条件で水素イオン照射を行なうことより、異なる平均ドットサイズのシリコン量子ドットを形成する、シリコン量子ドット装置の製造方法
が提供される。
According to another aspect of the embodiment,
A silicon oxide layer and a silicon rich silicon oxide layer are alternately deposited on the substrate to form a stack,
Irradiating hydrogen ions from the surface of the stack, in the Si-rich silicon oxide layer, promotes the aggregation of Si to produce silicon quantum dots, forming a silicon oxide matrix layer containing silicon quantum dots.
A method for manufacturing a silicon quantum dot device, comprising:
Provided is a method for manufacturing a silicon quantum dot device, in which silicon quantum dots having different average dot sizes are formed by performing hydrogen ion irradiation under different conditions with respect to the stacking thickness direction or in-plane direction.
シリコンリッチの酸化シリコン層に水素イオンを照射して、水素の存在下で、シリコン量子ドットを形成することができる。シリコンリッチの酸化シリコン層の条件、ないし照射する水素イオンの条件を調整することにより、異なる特性のシリコン量子ドットを作成することができる。 Silicon quantum dots can be formed in the presence of hydrogen by irradiating a silicon-rich silicon oxide layer with hydrogen ions. By adjusting the condition of the silicon-rich silicon oxide layer or the condition of the hydrogen ions to be irradiated, silicon quantum dots having different characteristics can be created.
シリコン中の酸素の拡散に関して、水素なしの場合の拡散障壁2.56eVが水素の存在下では1.25eVになるとの論文がある(Estreicher et al. : Phys. Rev. B41, 9886 (1990))。室温におけるシリコン中の酸素の拡散係数は、水素の存在下で水素なしの場合の10の10数乗倍になることを意味する。 Regarding the diffusion of oxygen in silicon, there is a paper that the diffusion barrier 2.56 eV without hydrogen is 1.25 eV in the presence of hydrogen (Estreicher et al.: Phys. Rev. B41, 9886 (1990)). . It means that the diffusion coefficient of oxygen in silicon at room temperature is 10 times the power of 10 in the presence of hydrogen and without hydrogen.
本発明者は、酸化シリコン中の酸素の解離に関して、計算を行ない、水素なしの場合の解離係数8.6eVが水素の存在下では、2.6eVになる結果を得た。酸化シリコン中の酸素の拡散は、室温において、水素の存在下で水素なしの場合の10の数10乗倍になることを意味する。 The present inventor made a calculation regarding the dissociation of oxygen in silicon oxide, and obtained a result that the dissociation coefficient of 8.6 eV in the absence of hydrogen becomes 2.6 eV in the presence of hydrogen. The diffusion of oxygen in silicon oxide means that at room temperature, it is a few tens of times that in the presence of hydrogen and no hydrogen.
シリコンリッチの酸化シリコン膜中には、過剰のシリコン原子が存在する。シリコン原子とシリコン原子を結合する酸素原子が拡散で移動すると、シリコン原子とシリコン原子とが会合し、成長核を形成し得ることになる。シリコン結晶が成長すれば、シリコンリッチの酸化シリコンが、シリコンと酸化シリコンとに相分離することになる。水素の導入は、この相分離を格段に生じやすくすることになる。酸素原子の拡散距離が限られる場合、生じるシリコン結晶はシリコン量子ドットを形成することになろう。 Excess silicon atoms exist in the silicon-rich silicon oxide film. When the silicon atom and the oxygen atom that bonds the silicon atom move by diffusion, the silicon atom and the silicon atom associate to form a growth nucleus. When the silicon crystal grows, silicon-rich silicon oxide is phase-separated into silicon and silicon oxide. The introduction of hydrogen makes this phase separation much easier. If the diffusion distance of oxygen atoms is limited, the resulting silicon crystal will form silicon quantum dots.
シリコン量子ドットは、そのサイズ(球形であれば直径、他の形状であれば対応する寸法)に応じて、その物性を変化させる。典型的には、サイズに応じて発光波長を変化させる。例えば、あるサイズのシリコン量子ドットからは赤色発光を生じ、サイズのより小さなシリコン量子ドットからは、緑色発光が生じ、さらにサイズの小さいシリコン量子ドットからは、青色発光が生じるように変化する。シリコン量子ドットは、エネルギギャップがドットサイズに応じて変化すると考えることが可能であろう。 Silicon quantum dots change their physical properties in accordance with their sizes (diameters if they are spherical, corresponding dimensions if they are other shapes). Typically, the emission wavelength is changed according to the size. For example, a change is made so that red light emission is generated from a silicon quantum dot of a certain size, green light emission is generated from a silicon quantum dot having a smaller size, and blue light emission is generated from a silicon quantum dot having a smaller size. Silicon quantum dots could be thought of as having an energy gap that varies with dot size.
ドットサイズの異なるシリコン量子ドットを選択的に形成することが可能となれば、実用上極めて有効となろう。例えば、平面内に赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子を選択的に配置できれば、カラー表示装置を形成できるであろう。 If silicon quantum dots having different dot sizes can be selectively formed, it will be extremely effective in practice. For example, if a red light emitting element, a green light emitting element, and a blue light emitting element can be selectively arranged in a plane, a color display device can be formed.
発光素子の代わりに、吸光素子(太陽電池)を形成する場合にも、シリコン量子ドットのサイズと波長との関係は同様となろう。青色波長にピーク感度を有する比較的小さなドットサイズのシリコン量子ドットは、ピーク青色波長より長波長の光は吸収しないであろう。赤色波長に高い感度を有する比較的大きなドットサイズのシリコン量子ドットは、赤色波長の光を吸収し、より高エネルギ(短波長)の光も吸収するであろう。 In the case of forming a light absorbing element (solar cell) instead of the light emitting element, the relationship between the size of the silicon quantum dot and the wavelength will be the same. A relatively small dot size silicon quantum dot with peak sensitivity at the blue wavelength will not absorb light longer than the peak blue wavelength. A relatively large dot size silicon quantum dot with high sensitivity to the red wavelength will absorb light of the red wavelength and will also absorb light of higher energy (short wavelength).
下側に赤外−赤色感光素子、上側に緑色−青色感光素子を積層配置すれば、同一面積で広い波長領域の光を吸収し、電気量に変換することが可能になる。効率的な太陽電池を形成できるであろう。なお、多数のシリコン量子ドットを形成する場合には、平均ドットサイズによって物性を制御することになろう。 If an infrared-red photosensitive element is laminated on the lower side and a green-blue photosensitive element is laminated on the upper side, it is possible to absorb light in the same area and a wide wavelength region and convert it into an electric quantity. An efficient solar cell could be formed. When a large number of silicon quantum dots are formed, the physical properties will be controlled by the average dot size.
以下、実施例に沿って本発明を説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.
図1A〜図1Cは、第1の実施例による、平均ドットサイズの異なるシリコン量子ドットを積層配置した構成の製造方法を示す、基板の断面図である。図1Dないし図1Eは電極を形成したシリコン量子ドット装置を示す断面図である。 1A to 1C are cross-sectional views of a substrate showing a manufacturing method of a configuration in which silicon quantum dots having different average dot sizes are stacked according to the first embodiment. 1D to 1E are cross-sectional views illustrating a silicon quantum dot device having electrodes formed thereon.
図1Aに示すように、n型Si基板11の表面上に、Siと酸化シリコンとのコスパッタリング、またはシラン等のシリコンソースガスと酸素などの酸素ソースガスを用いたプラズマ化学気相堆積(CVD)により、厚さ0.5nm〜2.0nm、例えば厚さ約1nm、のSiO2(酸化シリコン)層12と厚さ1nm〜10nm、例えば厚さ約5nm、のSiOx(xは0より大で、2未満、例えば1程度)層(Siリッチ酸化シリコン層)13とを交互に数十〜100程度、例えば約40対、積層し、最上層のSiO2層12を積層する。
As shown in FIG. 1A, plasma chemical vapor deposition (CVD) using a co-sputtering of Si and silicon oxide or a silicon source gas such as silane and an oxygen source gas such as oxygen on the surface of an n-type Si substrate 11. ) And a SiO 2 (silicon oxide)
x=1のSiOxは、2SiO=SiO2+Siで示されるように、酸化シリコンとシリコンの混成状態と考えることができよう。相分離を生じさせれば、酸化シリコン相とシリコン相が生じるであろう。 SiO x with x = 1 can be considered as a mixed state of silicon oxide and silicon, as shown by 2SiO = SiO 2 + Si. If phase separation occurs, a silicon oxide phase and a silicon phase will occur.
図1Bに示すように、厚さを小さくした、例えば厚さ2nmのSiOx層15と厚さ0.5nm〜2.0nm、例えば厚さ約1nm、のSiO2(酸化シリコン)層12とを交互に数十〜100程度、例えば約40対、積層する。積層の下部LPでは、厚さが5nmのSiOx層13とSiO2層12との交互積層が形成され、積層の上部UPでは、厚さが2nmのSiOx層15とSiO2層12との交互積層が形成される。
As shown in FIG. 1B, a SiO x layer 15 having a thickness of, for example, 2 nm and a SiO 2 (silicon oxide)
図1Cに示すように、積層上部から水素イオンH+を照射し、その加速エネルギを、数keV〜約40keVの範囲でステップ状に(例えば、5keV、10keV、20keV、40keVに)切り替える。積層全体に水素イオンH+が照射される。水素が存在することにより、酸素の拡散が促進される。 As shown in FIG. 1C, hydrogen ions H + are irradiated from the upper part of the stack, and the acceleration energy is switched stepwise (for example, to 5 keV, 10 keV, 20 keV, 40 keV) in the range of several keV to about 40 keV. The entire stack is irradiated with hydrogen ions H + . The presence of hydrogen promotes oxygen diffusion.
必須ではないが、水素イオンの照射と同時に、または水素イオンの照射に続いて、温度300℃、10分程度のアニールを行なう。300℃のアニールのみでは、酸素の拡散は限定される。アニール温度を高くすると、水素の存在/不存在による酸素の拡散の差が小さくなる。水素の存在/不存在によって、シリコン量子ドットを作り分けるには、アニール温度は500℃以下に設定することが望ましいであろう。例えばアニール温度は250℃〜500℃とする。 Although not essential, annealing is performed at a temperature of 300 ° C. for about 10 minutes simultaneously with irradiation of hydrogen ions or following irradiation of hydrogen ions. Oxygen diffusion is limited only by annealing at 300 ° C. Increasing the annealing temperature reduces the difference in oxygen diffusion due to the presence / absence of hydrogen. It may be desirable to set the annealing temperature to 500 ° C. or lower in order to create silicon quantum dots by the presence / absence of hydrogen. For example, the annealing temperature is 250 ° C. to 500 ° C.
上述の様に、水素の存在下で、酸素の解離、拡散が容易になっており、SiOx層13、15がSi量子ドットとSiO2とに相分離する。下部LPの厚さ5nmのSiOx層13中には平均サイズ5nm以下の量子ドット14が形成され、上部UPの厚さ2nmのSiOx層15中には平均サイズ2nm以下の量子ドット16が形成される。入射光の短波長成分は主に上部UPで吸収され、入射光の長波長成分は主に下部LPで吸収される。広い波長範囲の入射光を有効に吸収し、電荷に変換できるので効率的な太陽電池を構成できる。
As described above, dissociation and diffusion of oxygen are facilitated in the presence of hydrogen, and the SiO x layers 13 and 15 are phase-separated into Si quantum dots and SiO 2 . A
なお、Siリッチ酸化シリコン層が相分離して、Si量子ドットと酸化シリコン層となった時、この酸化シリコン層を酸化シリコンマトリクス層と呼ぶことがある。積層は酸化シリコン層と酸化シリコンマトリクス層との交互積層となり、酸化シリコンマトリクス層内にSi量子ドットが配置される。 When the Si-rich silicon oxide layer is phase-separated to become a Si quantum dot and a silicon oxide layer, this silicon oxide layer may be called a silicon oxide matrix layer. The lamination is an alternating lamination of a silicon oxide layer and a silicon oxide matrix layer, and Si quantum dots are arranged in the silicon oxide matrix layer.
図1Dに示すように、n型Si基板11裏面にAl等の金属電極層17を形成し、積層上面にインジウム錫酸化物(ITO),酸化亜鉛(ZnO)等の透明電極19を形成して、太陽電池を形成する。
As shown in FIG. 1D, a
図1Eに示すように、1層の酸化物透明電極19に代え、CVD法などで形成されるTiO2,SiNなどの単層構造からなる反射防止膜20と、その表面に、下部に太陽光が侵入するように、局所的に形成した金属電極21を用いることもできる。
As shown in FIG. 1E, instead of the oxide
なお、シリコン量子ドットのサイズが10nmを越えると、その性質はバルクシリコンに近くなる。太陽電池に用いるシリコン量子ドットの平均サイズとしては、1nm〜10nm程度が適当であろう。十分高濃度の水素を照射する場合、Siリッチの酸化シリコン層の厚さは、希望するシリコン量子ドットの平均サイズを考慮して設定することができよう。酸化シリコン層はシリコン量子ドットの分離、保護の機能を有する。この点からは分離保護膜と呼ぶことができ、酸化シリコンに限らず、他の絶縁材料で形成することも可能である。但し、Siリッチの酸化シリコン層との相性、信頼性などの点からは酸化シリコンが好ましい。バイアス電圧を印加しない、太陽電池のような用途では、分離保護膜を電荷がトンネルすることが望まれ、その厚さはトンネル可能な厚さ(約2nm以下)に制限される。 When the size of the silicon quantum dot exceeds 10 nm, the property is close to that of bulk silicon. As an average size of the silicon quantum dots used for the solar cell, about 1 nm to 10 nm may be appropriate. When a sufficiently high concentration of hydrogen is irradiated, the thickness of the Si-rich silicon oxide layer can be set in consideration of the desired average size of the silicon quantum dots. The silicon oxide layer has a function of separating and protecting silicon quantum dots. From this point, it can be called a separation protective film, and is not limited to silicon oxide, and can be formed of other insulating materials. However, silicon oxide is preferable from the viewpoint of compatibility with the Si-rich silicon oxide layer and reliability. In an application such as a solar cell in which a bias voltage is not applied, it is desired that charges are tunneled through the separation protective film, and the thickness is limited to a tunnelable thickness (about 2 nm or less).
図2A,2Bは、第2の実施例による太陽電池とその製造プロセスを説明する断面図である。図2Aに示すように、n型Si基板11の表面上に、厚さ0.5nm〜2nm、例えば厚さ1nmの酸化シリコン層12と、厚さ1nm〜10nm、例えば厚さ5nmのSiリッチ酸化シリコン層13を交互に、例えば100層ずつ、積層し、最後に厚さ1nmの酸化シリコン層12を形成する。
2A and 2B are cross-sectional views illustrating a solar cell and a manufacturing process thereof according to the second embodiment. As shown in FIG. 2A, a
図2Bに示すように、例えば、積層10底面近傍に強度(ドーズ量)のピークを有する水素イオンH+を積層10に照射する。水素イオンの照射に続き、または水素イオンの照射と共に300℃、10分以下のアニールを行なう。水素イオンの加速エネルギは、積層の厚さに応じて変化させ、積層の下部で高ドーズ、積層の上部で明らかにド−ズ量が減少するようにする。Siリッチ酸化シリコン層中でのSiと酸化シリコンの相分離を促進し、高ドーズ量領域で大きなシリコン量子ドット、低ドーズ量領域で小さなシリコン量子ドットを形成する。
As shown in FIG. 2B, for example, the
例えば、積層の全厚さが150nmなら加速エネルギ15keV程度、積層の全厚さが650nmなら加速エネルギ65keV程度で水素イオンを加速する。 For example, if the total thickness of the stack is 150 nm, the acceleration energy is about 15 keV, and if the total thickness of the stack is 650 nm, the hydrogen ions are accelerated with an acceleration energy of about 65 keV.
水素イオンビームの加速エネルギに応じて水素の侵入深さが決まり、その上部では水素が徐々に薄くなる濃度で分布する。積層10内部において、水素イオンドーズ量のピーク深さから、上方に向かうに従い、水素イオンのドーズ量は減少し、水素イオンのドーズ量が減少した浅い位置のSiリッチ酸化シリコン層13中では形成されるシリコン量子ドットのサイズが小さくなる。従って、1回の水素イオン注入により、下部で大きく、上部に向かうに従い小さくなるシリコン量子ドットを形成することができる。電極は、第1の実施例同様に形成することができる。
The penetration depth of hydrogen is determined according to the acceleration energy of the hydrogen ion beam, and hydrogen is distributed at a concentration where the hydrogen gradually becomes thinner above the penetration depth. Inside the stacked
図3A〜図3Cは、第3の実施例によるシリコン量子ドット装置の構成と製造方法を示す断面図である。基板表面に、例えば第1、第2、第3の領域が画定される。それぞれ1つの領域を例示するが、実際にはそれぞれ多数個とできる。 3A to 3C are cross-sectional views showing the configuration and manufacturing method of the silicon quantum dot device according to the third embodiment. For example, first, second, and third regions are defined on the substrate surface. Each region is illustrated as an example.
図3Aに示すように、シリコン、ガラス等の基板11上、第1、第2、第3の各領域に電極23を形成し、酸化シリコン等の絶縁膜中に覆って駆動基板11xを形成する。駆動基板11xの表面上に、厚さ1nm〜10nmのシリコンリッチの酸化シリコン膜13、厚さ0.5nm〜3nmの酸化シリコン膜12を交互に積層し最表面を酸化シリコン層12とした積層構造10を形成する。
As shown in FIG. 3A, an
図3Bに示すように、積層構造を有する駆動基板を加熱し、水素イオンH+を積層表面から第1の領域に選択的に照射して、被照射領域に所望サイズのシリコン量子ドットを形成する。例えば、500℃付近の温度で、高ドーズ量の水素イオンを照射することにより平均ドットサイズ5nmのシリコン量子ドットを形成する。 As shown in FIG. 3B, a driving substrate having a stacked structure is heated, and hydrogen ions H + are selectively irradiated from the stacked surface to the first region to form silicon quantum dots of a desired size in the irradiated region. . For example, silicon quantum dots having an average dot size of 5 nm are formed by irradiating a high dose amount of hydrogen ions at a temperature around 500 ° C.
図3Cに示すように、第2の領域に水素イオンを照射し、平均ドットサイズ1.5nmのシリコン量子ドットを形成する。第3の領域に水素イオンを照射し、平均ドットサイズ1nmのシリコン量子ドットを形成する。その後、各領域上に透明電極を形成する。 As shown in FIG. 3C, the second region is irradiated with hydrogen ions to form silicon quantum dots having an average dot size of 1.5 nm. The third region is irradiated with hydrogen ions to form silicon quantum dots having an average dot size of 1 nm. Thereafter, a transparent electrode is formed on each region.
上下対向電極間に電圧を印加し、電流を流すことによりシリコン量子ドットから、所定波長の光を発光させ、透明電極側から出射光を取り出すことができる。シリコン量子ドットは、直径1nm付近が青色発光し、直径4nm〜10nmが赤色発光する。緑色発光ドット、黄色発光ドット、等も形成することにより、カラー表示を行うことができる。 By applying a voltage between the upper and lower opposing electrodes and flowing a current, light of a predetermined wavelength can be emitted from the silicon quantum dots and the emitted light can be extracted from the transparent electrode side. Silicon quantum dots emit blue light around 1 nm in diameter and emit red light at 4 nm to 10 nm in diameter. Color display can be performed by forming green light emitting dots, yellow light emitting dots, and the like.
なお、基板11をガラス等の透明基板とし、電極23を透明電極とすることにより、基板側から発光を取り出すこともできる。出射側の電極は透明電極とし、対向電極はアルミニウム、銀等の高反射率の金属電極とすれば、外部光取り出し効率を高めることができる。
In addition, light emission can also be taken out from the substrate side by using the
本実施例によれば、水素イオンのドーズ量、照射時間を調整することによりシリコン量子ドットのサイズを調整できる。面内に異なる厚さのSiリッチ酸化シリコン層を作り分けなくても、異なる色で発光するシリコン量子ドットを有する発光素子を形成することが可能である。 According to the present embodiment, the size of the silicon quantum dots can be adjusted by adjusting the dose amount and irradiation time of hydrogen ions. A light-emitting element having silicon quantum dots that emit light of different colors can be formed without forming different Si-rich silicon oxide layers with different thicknesses in the surface.
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、例示した材料、数値は制限的なものではない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated along the Example, this invention is not limited to these. For example, the exemplified materials and numerical values are not restrictive.
10 積層、
11 Si基板、
12 酸化シリコン層、
13 シリコンリッチ酸化シリコン(SiOx)層、
14 シリコン量子ドット、
15 シリコンリッチ酸化シリコン(SiOx)層、
16 シリコン量子ドット、
UP 上部、
LP 下部、
17 金属電極層、
18 透光性電極、
19 透明電極、
20 透光性電極、
21 低抵抗電極、
23 電極、
24,25,26 シリコン量子ドット、
10 lamination,
11 Si substrate,
12 silicon oxide layer,
13 silicon-rich silicon oxide (SiO x ) layer,
14 silicon quantum dots,
15 silicon-rich silicon oxide (SiO x ) layer,
16 silicon quantum dots,
UP top,
LP bottom,
17 metal electrode layer,
18 translucent electrode,
19 Transparent electrode,
20 translucent electrode,
21 low resistance electrode,
23 electrodes,
24, 25, 26 silicon quantum dots,
Claims (9)
前記基板上方に配置され、第1の平均ドットサイズのシリコン量子ドットを含む第1酸化シリコンマトリクス層と、第1酸化シリコンマトリクス層を挟む1対の第1酸化シリコン層とを含む、第1量子ドット構造と、
前記基板上方に配置され、前記第1の平均ドットサイズと異なる第2の平均ドットサイズのシリコン量子ドットを含む第2酸化シリコンマトリクス層と、第2酸化シリコンマトリクス層を挟む1対の第2酸化シリコン層とを含む、第2量子ドット構造と、
を有し、
前記第1量子ドット構造が、複数層の前記第1酸化シリコンマトリクス層と複数層の前記第1酸化シリコン層とが交互に積層された構成を有し、
前記第2量子ドット構造が、複数層の前記第2酸化シリコンマトリクス層と複数層の前記第2酸化シリコン層とが交互に積層された構成を有し、
前記第2量子ドット構造が前記第1量子ドット構造と並列に前記基板上に配置され、
前記第1酸化シリコンマトリクス層は前記第2酸化シリコンマトリクス層と同一層から構成され、
前記第2酸化シリコン層は前記第1酸化シリコン層と同一層から構成されている
シリコン量子ドット装置。 A substrate,
A first quantum oxide layer disposed above the substrate and including a first silicon oxide matrix layer including silicon quantum dots having a first average dot size and a pair of first silicon oxide layers sandwiching the first silicon oxide matrix layer; Dot structure,
A second silicon oxide matrix layer that is disposed above the substrate and includes silicon quantum dots having a second average dot size different from the first average dot size, and a pair of second oxides sandwiching the second silicon oxide matrix layer A second quantum dot structure comprising a silicon layer;
I have a,
The first quantum dot structure has a configuration in which a plurality of the first silicon oxide matrix layers and a plurality of the first silicon oxide layers are alternately stacked,
The second quantum dot structure has a configuration in which a plurality of layers of the second silicon oxide matrix layers and a plurality of layers of the second silicon oxide layers are alternately stacked,
The second quantum dot structure is disposed on the substrate in parallel with the first quantum dot structure;
The first silicon oxide matrix layer is composed of the same layer as the second silicon oxide matrix layer,
The silicon quantum dot device, wherein the second silicon oxide layer is composed of the same layer as the first silicon oxide layer .
前記第1酸化シリコンマトリクス層、第2酸化シリコンマトリクス層と同一層から構成され、第3の平均ドットサイズのシリコン量子ドットを含む、複数の第3酸化シリコンマトリクス層と、前記第1酸化シリコン層、前記第2酸化シリコン層と同一層から構成された複数の第3酸化シリコン層とを含む第3量子ドット構造であって、前記基板上で前記第1量子ドット構造、前記第2量子ドット構造と並列に配置された第3量子ドット構造、
を有し、前記第2の平均ドットサイズは前記第1の平均ドットサイズより小さく、前記第3の平均ドットサイズは前記第2の平均ドットサイズより小さく、発光装置として機能する請求項1記載のシリコン量子ドット装置。 further,
A plurality of third silicon oxide matrix layers comprising the same layer as the first silicon oxide matrix layer and the second silicon oxide matrix layer and including silicon quantum dots having a third average dot size, and the first silicon oxide layer A third quantum dot structure including a plurality of third silicon oxide layers composed of the same layer as the second silicon oxide layer, wherein the first quantum dot structure and the second quantum dot structure are formed on the substrate. A third quantum dot structure arranged in parallel with
The a, the second average dot size is smaller than the first average dot size, the third average dot size is smaller than the second average dot size, according to claim 1 that functions as a light-emitting device Silicon quantum dot device.
積層表面から水素イオンを照射し、Siリッチの酸化シリコン層中において、Siの凝集を促進してシリコン量子ドットを生じさせ、シリコン量子ドットを含む酸化シリコンマトリクス層を形成する、
シリコン量子ドット装置の製造方法であって、
積層厚さ方向または面内方向に関して異なる条件で水素イオン照射を行なうことより、異なる平均ドットサイズのシリコン量子ドットを形成する、シリコン量子ドット装置の製造方法。 A silicon oxide layer and a silicon rich silicon oxide layer are alternately deposited on the substrate to form a stack,
Irradiating hydrogen ions from the surface of the stack, in the Si-rich silicon oxide layer, promotes the aggregation of Si to produce silicon quantum dots, forming a silicon oxide matrix layer containing silicon quantum dots.
A method for manufacturing a silicon quantum dot device, comprising:
A method of manufacturing a silicon quantum dot device, wherein silicon quantum dots having different average dot sizes are formed by performing hydrogen ion irradiation under different conditions with respect to a stacking thickness direction or an in-plane direction.
Defining multiple areas in the substrate, performed at different doses by the area irradiation of the hydrogen ions, any one of claims 3 to 5 forming the silicon quantum dots with an average dot size corresponding to the dose per area A method for producing a silicon quantum dot device according to claim 1.
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