JPH02503495A - シリコンエレクトロルミネセント素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 シリコンエレクトロルミネセント素子 この発明は、シリコンエレクトロルミネセント素子に関する。

シリコンエレクトロルミネセント素子°は、集積型の光学的、電子的及び電気光 学的部品を組み入れた、新たに登場しつつある集積回路の分野で必要とされてい る＊　ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ、　Ｖｏｗ、　ＱＥ−２２，ｈｈ　６　、　Ｊｕｎｅ　１９８６で５ｏｒｅｆ とＬｏｒｅｎｚ。

は、従来のシリコン集積回路への組み入れに通したシリコン導波路と電気光学的 スイッチを記載している。特にシリコン導波路は、ファイバオプティック道信用 の波長間隔１．３−１．５５μ臀の伝送に適する。しかし、シリモノ集積オプテ ィクスの分野は重要な１つの構成要素、すなわちシリコンでの集積に通した１、 　３−１．５５μｍの波長間隔におけるエレクトロルミネセント光源を欠いてい る。

エレクトロルミネセンスとは、媒体を通じた電流の通過に応じた媒体による光（ ルミネセンス）の発生に係わる。ＧａＡｓ半導体の発光ダイオード（ＬＥＤ）が 、エレクトロルミネセント素子の一般的な形である。このようなダイオードは、 動作時順方向にバイアスされるｐｎ接合を有する。少数キャリヤがこの接合によ り、再結合が生じてルミネセンスを発生するダイオードの領域へと注入される。

しかしこのプロセスは再結合のルートを通じて起こるだけでなく、その効率は注 入キャリヤ１個当りについて発生される光子（フォトン）の数（通常１よりはる かに小さい）で表される。さらに光子は、発生後素子内で再吸収されることもあ る。

従って、上記のプロセスは内部及び外部の量子効率によって特徴付けられる。こ れらのうち、前者つまり内部の量子効率は注入キャリヤ１個当りについて発生さ れる光子の数であり、後者つまり外部の量子効率は注入キャリヤ１個当りについ て外部で検出される光子の数である。当然、後者の方が小さい、ダイオードの電 極と接合の幾何形状的な要求は光子の放出上の要求と相反する傾向にあるため、 その大きさは非常に小さくなることがある。再結合のための自由キャリヤを生成 するのに光ビームが使われるフォトルミネセンスの関連分野でも、同様の量子効 率が定義されている。

しかしこの量子効率の各値は、接合も電極構造も必要、ないので、それほど異な らない傾向にある。

ＧａＡｓや１ｎＧａＡｓＰなどのｍ−ｖ族系ＬＥＤは効率が高く、好適に開発さ れている。これらは０．２−０．０５の間の内部量子効率を存する。しかしシリ コンベースでないので、これらＬＥＤはシリコン中に容易に集積できない。

下記のプロセスからルミネセンスを生じるシリコンベースのエレクトロルミネセ ント素子が、従来技術として記載され知られている。

（１）パンドーパント間遷移、 （２）シリコン中の希土類金属ドーパントから生じる遷移、及び（３）シリコン 内での照射誘起欠陥中心に関連した再結合。

ｐｎ接合シリコンダイオード内でのパンドーパント間遷移から生じるエレクトロ ルミネセンスは、Ｂａｙｎｅｓ他、Ｐｈｙｓ　Ｒｅｖ　１０１．　ｐｐ１６７６ −８　（１９５６）及びＭｉｃｈａｅ１ｇ他、Ｐｈｙｓ　５ｔａｔ　Ｓｏｌ　３ ６゜ｐ　３１１　　（１９６９）によって記載されている。しかし、内部量子効 率は１０−Ｓの範囲で、この大きさは通常のＬＥＤより４桁低い、これはシリコ ン内におけるバンドギャップの間接的性質の結果であり、基本的な問題である。

希土類金属ドーパントを含んだシリコンＬＥＤは、Ｅｒ＋ｎｅｎ他、＾ｐｐｌ　 Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ　４６　（４）　、１５　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９８５、ｐ ｐ３８１−３によって開示されている。この素子は、エピタキシャル成長された ｎ及びｐ形シリコン層からなり、これらの層にエルビウム（Ｅｒ）がドープされ ている。Ｅｒドーパントは、５．６Ｘ　３　Ｑ　”ａｍ−”のイオン濃度を与え る注入によって導入された。得られたダイオードは５Ｘ１０−’の外部量子効率 を示したが、これは筆者等の見るところ、素子応用を許容可能とするオーダーで なかった。その値は、通常のＬＥＤより約２桁低い大きさである。また、希土類 は電気的に不活性でないので、そのイオン注入は集積回路への応用にとって不利 である。すなわち半導体の禁止ギャップ内に、望ましくないエネルギーレベルを 導入する。これらレベルが、ホストシリコンの電気特性を乱すｆ頃向にある。関 連して、Ｅｎｎｅｎ他の素子は性能の劣る整流特性も存する。このため、キャリ ヤ注入、量子効率及びルミネセンスの性能も劣る。さらに希土類ドーパントは、 集積ＬＥＤの作製に使用すると同一シリコンチップ上の他の隣接したエレクトロ ニクス素子を乱すことがあるので、集積回路の技術に適合しないと思われる。

照射を受けることにより発生した欠陥中心を含んだシリコンエレクトロルミネセ ントダイオードは、１シａｎｏシ他、Ｓｏｖ　Ｐｈｙｓ　５ｏｌＳｔａｔｅＶｏ ｌ　　６．　Ｎａｌ　２、ｐｐ２９６，５−ｓｔ　Ｊｕｎｅｌ　９６５及びＹｕ ｋｈｎｅｖｉｃｂ、　Ｓｏｖ　Ｐｈｙｓ　Ｓｏｌ　５ｔａｔｅ　Ｖｏｌ　７．　 ｋ　１　、ｐｐ２５９−２６０＋Ｊｕｌシ１９６５によって開示されている。ど ちらのケースとも、ルミネセント欠陥中心は、コバルト−６０放射源からのＩＭ ｅＶを越えるＴ線の照射によりて形成された。量子効率は上記筆者等によって記 されていないが、そのように高いエネルギーでの照射はダイオードの電気特性を ひどく劣化していることが充分うかがえる０例えば、米国ニューヨーク州、Ｃｏ ｎ５ｕｌｔａｎｔａ　Ｂｕｒｅａｕ発行、「半導体と半導体装置における放射線 の影響」を参照のこと、有意な放射線損傷を含まないダイオードでは、飽和電流 に達するまで、バイアスｔｔＬが順方向のバイアス電圧の関数として急速に増加 する。放射線損傷の存在は、順方向バイアス１ｍの増加速度と鉋和電流を共に低 下させる。この低下つまり劣化は、照射ビームエネルギー及び線量の増加につれ て強まる。これはダイオード接合のキャリヤ輸送特性を悪化させ、ひいては内部 量子効率の減少をもたらす、かかる結果は、損傷を最小限とし、整流接合の手中 リヤ注入特性を保持するためには、この種のダイオードで照射線量とビームエネ ルギーが最小限に抑制されるべきことを示している。しかし他方、ルミネセンス 出力を増すためには、放射損傷を増大させる必要がある。この点は、フォトルミ ネセンスの関連分野で、Ｄａｖｉｓ他、Ｓｏｌ　５ｔａｔｅ　Ｃｏｍｍｕｎ　Ｖ ｏｌ　５０．　ｐ　１０５７　（１９８４）によって実証されている。つまり、 高いルミネセンス出力の要求は効率的な少数キャリヤ注入の要求と相反し、この 相反は従来技術において調和解決されていない。

この発明の目的は、シリコン材料のエレクトロルミネセント素子を提供すること にある。

本発明は、シリコン素材のルミネセント領域と、該ルミネセント領域に少数牛中 リヤを注入するための整流手段を含むエレクトロルミネセント素子において、前 記ルミネセン）８！域が、（ｉ）シリコンを格子間にトラップし、少なくともＩ Ｑ”ａｓ−’の照射発生欠陥中心濃度を与えるように配されたシリコン内の少な くとも１０”ａｍ−’の炭素原子、 （ｉｉ）１０’ゝｃｓ−’より低い二重空格子点濃度、及び（ｉｉ）空格子点ト ラップ特性と少なくとも１０”３−’の濃度を有する電気的に不活性なドーパン ト、 を含むエレクトロルミネセント素子を提供する。

つまり本発明は、少数牛中リヤの注入とルミネセンス出力という相反する要求が 調和解決された、照射発生の欠陥中心に基づくエレクトロルミネセントシリコン 素子を提供する。一実施例において、本発明では同様な素子からのパンドーパン ト間再結合の放射と比べ、ルミネセンスの出力強度が予信改善されることが示さ れている。炭素原子、空格子点及び電気的に不活性なドーパント濃度に関する前 記限度は極度の限度であり、好ましい実施例において炭素原子、欠陥中心及び電 気的に不活性なドーパント濃度はそれぞれ少なくともＩＱ”ｃ、−’、ＩＱ”ａ ｍ−”及びＩＱ”ｃ、−”である、これらの内最初の炭素濃度は、シリコン中に おける炭素の最大平衡溶解限度より高い。

照射発生の欠陥中心は、Ｇ中心、すなわち１．３−１．６μｍバンドの放射を発 するＣｓ−３ｉ＋−Ｃｓ複合体（Ｃｇ−置換炭素原子、５ｉｌ−格子間シリコン 原子）であるのが好ましい０代わりに、ＰまたはＨ中心も使える。電気的に不活 性なドーパントは酸素でもよいが、シリコンと等原子価の元素、つまりＧｅ、Ｐ ｂまたはＳｎであるのが好ましい。

好ましい実施例において、前記整流手段はルミネセント領域とこれと反対の導電 形の別の領域間のｐｎ接合である。あるいは、ダイオードをシ璽フトキーバリャ やトンネルダイオードの形に構成して、その整流特性を得てもよい。

別の特徴において、本発明はエレクトロルミネセント素子の製造方法において、 （ｉ）空格子点トラップ手段を有する炭素ドープシリコンエレクトロルミネセン ト領域を含むダイオードを形成する工程、及び（ｉｉ　）空格子点の形成には充 分だが、二重空格子点の直接生成には不充分なエネルギーを冑する電子ビームで 前記ルミネセント領域を照射する工程、 を含む製造方法を提供する。

ルミネセント欠陥中心を生じる照射はダイオード特性を許容不能なまでに劣化さ せるという従来技術の教示にも拘らず、許容可能なルミネセンスとキャリヤ注入 特性を組み合わせたダイオードを製造できることが意外なことに立証された。こ れは、電気特性を劣化させる顕著な数の二重空格子点を発生させずに、格子間シ リコンを含んだルミネセント欠陥中心を生成する速度なエネルギーで照射するこ とによって達成された。また、空格子点トラップ手段の使用で、移動可能な単一 空格子点の相互結合による二重空格子点の形成が抑制される。

本発明の方法は、少なくともＩＱ”ａｍ−”の炭素ドーパント濃度を有するダイ オードルミネセント領域の形成を含むのが好ましく、この濃度はシリコン中にお ける炭素の最大平衡溶解限度り高い。

空格子点のトラップ手段は、Ｇｅ、Ｓｎまたはｐｂをルミネセント領域にドープ することによって与えられるのが好ましいが、酸素ドーパントも使える。電子ビ ームのエネルギーと線量は、それぞれ１５０ｋｅＶから４００ｋｅＶの範囲及び １０１ＳからＩＱ＋？電子／−の範囲とし得、より高いビームエネルギーがより 低い線量に対応する。但しこれらの範囲は、２９０ｋｅＶから３１０ｋｅＶ及び ＩＱｌ＆から１０１１電子／ｃｉの範囲であるのが好ましい。

また本発明は、上記の方法によって作製されたエレクトロルミネセント素子も提 供する。

発明がさらに充分理解されるように、以下その実施例を例示としてのみ下記の添 付の図面を参照して説明する。尚、図面中共通の部分は同じ参照番号で示しであ る。

第１図はクライオスタンド（低温恒温層）内に置かれた本発明のエンジュミント 式発光ダイオードを示し、内部の詳細を見島くするためクライオスタンドの一部 が取り除かれている。

第２−６図は第１図のダイオードの製造工程を示す。

スペクトルを示す。

第８図は第７図のスペクトルを得るのに使われたダイオード構造からの、７７に でのフォトルミネセンススペクトルを示す。

第９図は一方は第１図のダイオードからの、また他方は第２−４及び６図に従っ て製造された非照射ダイオードからのくつまりそれぞれ照射及び非照射ダイオー ドからの）２つの７７にでのフォトルミネセンススペクトルを示す。

第１０図は第９図のスペクトルを生じたダイオードに関する２９３にでの２つの 重ね合わせたＩ−Ｖ曲線を示す。

第１１−１３図は炭素をドープした照射シリコン内で発生する放射損傷プロセス を例示する。

第１４図は第１１−１３図の各々プロセスの概要を示す。

第１５図はサンプルの製造で使われた照射電子ビームのエネルギーを関数とした 、一連のサンプルから実験的に得られたＧ線のフォトルミネセンス強度と理論的 なエレクトロルミネセント強度とを示す。

第１６図はＣＭＯＳマイクロ回路基板に組み入れられた発光素子を示す。

第１７−２３図は第１２図のダイオードの製造工程を示す、及び 第２４図は光透過用の集積導波路部分と共に、ＣＭＯＳマイクロ回路基板に組み 入れられた発光素子を示す。

第１図を参照すると、本発明の発光ダイオード１ｏが示してある、ダイオード１ ０は、１４で部分的に破断して示したクライオスタンド１２内に配置されている 。ダイオード１０は金属製のヘッダー１６上に載置され、温度７’ＩＫの液体窒 素１８内に浸漬されている。ダイオード１０への接続リード２０と２２がノ＼ウ ジング１２０ベース２４を介して、外部のバイアス電圧源に導かれている。一方 のり一部２０はヘッダー１６に接続され、ヘッダー１６はダイオード１０の下面 に接続されている。他方のり一部２２はヘッダー１６から絶縁され、ダイオード １０の上面に接続されている。

動作時には、ダイオード１０が順方向にバイアスされるように両リード２０と２ ２間に電圧が印加されると、矢印２６で示した赤外線光子がダイオード１０のエ ツジ２５から放出される。尚、「エツジ（端面）」という表現は、発光ダイオー ドの分野における通常用語である。つまりエンジュミントとは、エレクトロルミ ネセンス層に対して直角でなく、その面内における光放出に係わる。但し図示の ように、「エツジ」２５はダイオード面の一部でもある。クライオスタンド１２ は光子の透過のため、エツジ２５と対向した赤外線放射に対して３明な窓（図示 せず）を存する。

第２−６図は、ダイオード１０の連続した製造工程を示す、炭素を高ドープした シリコンウェハ３２が、２Ｘ１０”原子ｃｓ−”の置換炭素原子濃度、ｌＸｌ０ ’・原子ロー３の格子間酸素濃度、及び５Ｘ１０”原子３−３のリンドーパント 濃度を有する転位を含まないシリコン結晶から作製される。ウェハ３２は厚さ２ ００μｍである。

シリコンウェハ３２内における置換炭素の濃度は、純粋なシリコン中での炭素の 最大平衡溶解戻限に関する通常の許容値（３×１０”ｅｌｌ−ジよりほぼ１桁高 い大きさである。上記濃度は、１０００−２０００ガウス間の強度の垂直磁場内 で、炭素をドープした溶融体からシリコン結晶を垂直に引き上げることによって 得られる。

こうした条件下では、熔融体の酸素含有量を増加させると共に、炭素の蒸発を減 少させることができる。格子間の高い酸素含有量は、後述するように、シリコン の！換すイトにおける炭素を高レベルで安定化する。

ウェハ３２の上面３４は研磨され、下面３６はラップ仕上げされている。ウェハ 上面３４は、５０ｋｅＶのイオンエネルギーを用い、５Ｘ１０”原子ａｍ　−” のイオン線量でホウ素注入される。下面３６では同様なリン注入が、１００ｋｓ Ｖのイオンエネルギー、５Ｘ１０”原子（至）−２のイオン線量で行われる。ホ ウ素とリン注入物の活性化及び格子損傷の除去が、アルゴン中で、１０秒間、１ ２００℃での迅速熱アニールによって行われる。これで第３図に示すように、高 ドープのｐ形つまりｐ゛層４２が得られる。従って、ｐ’／ｎ−接合が、上面３ ４の下方約０．４μｍの深さに形成される。また下面３６のすぐ上に、高ドープ のｎ形つまりｎ゛接触４４がリン注入物によって形成される。

第４図に示すように、層４２と４４の外側にそれぞれ、厚さ１μｍの蒸着アルミ からなるメタライズ層が施される。メタライズ化は焼結ガス内で、１０分間、４ ５０℃において焼成し、両層４２と４４に良好なオーミンク接触を与えることに よってなされる。

次いで、ウェハ３２は矢印６０で示すように、層５２の上面５６から電子ビーム で照射される。電子ビーム６０は３００ｋｅＶのエネルギーと５　ｐＡｍｐ　ｃ ｓ−”の’ｔｆＬ密度を有し、上面５６に３．５ｘ　ｌ　Ｑ　Ｉ６電子Ｃ１１− ”の入射束を生じる。照射は、ウェハ３２をヒートシンク上に支持して、室温で 行われる。

シリコンウェハ３２とアルミ層５２．５４は１＋ａｍ”の面積でスクライブ後切 断され、ダイオード１０のような２　Ｘ　０．５　ｎの矩形ダイオードを形成す る。アルミ層５４の下面６４が、低温用のＥｐｏ−ｔｅｋ　　（登録商標）Ｈ２ ０Ｅ導這性エポキシ樹脂により、これを９０分間８０℃で硬化することによって 接着される。これで、ダイオード１０のヘッダー１６に対する電気接続が得られ る。各々２５μｍ厚の４本の金！６２が、上面５６上に散らばった各点に対する 電気接続のため熱圧縮ボンドされる。この上面５６に対するマルチ接続が、入力 を流を分散させ、ポンドの過熱及び脱離を防止する。各金線６２は、ヘッダー１ ６を通過し且つそこから絶縁されたリード２２の端子６６にはんだ付けされる。

また、リード２０がヘッダー１６に接続される。

第７及び８図を参照すると、アルミ層を施さずに前述のごとく形成されたダイオ ード構造について、それぞれ４．２にと７７にで測定したフォトルミネセンスス ペクトル７０と７６が示しである。

４．２にでのフォトルミネセンススペクトル７０は、Ｑ、　５　ｍ　Ｗアルゴン イオンレーザからの、波長５１４５人の放射によって得られた。７７にでのフォ トルミネセンススペクトル７６は、同じ励起波長だが、もっと高い出力１００ｍ Ｗのレーザ放射によって得られた。第７図のフォトルミネセンススペクトル７０ は、波長１．２８μｍのゼロ電子（フォノン）ｗＡ７２と、はぼ１．３−１．６ μｍ間のバイブロニック側波帯７４を示す、ゼロ電子（フォノン）＆９ｔ７２と バイブロニック側波帯７４は共に、Ｇ中心として知られる単一種類の欠陥から生 じている。Ｇ中心から生じるゼロ電子線７２は、ＧｍＩとして知られている。第 ８図のフォトルミネセンススペクトル７６も、Ｇ１１７Ｂとバイブロニック側波 帯８０を示す、第７及び８図両方において、光子出力は、電子ビームの照射によ ってダイオード内で生成されたＧ中心の光励起から生じている。

Ｇ線７８のルミネセンス強度は、Ｇ線７２のルミネセンス強度より低い、Ｇ線７ ８と比べたバイブロニック側波帯８０の相対強度は、Ｇｍ７２と比べたバイブロ ニック側波帯７４の相対強度より大きい。但し、７７に以上では、バイブロニッ ク側波帯の総ルミネセンス強度は温度と共に減少する。

バイブロニック側波帯７４と８０は、光通信用の対象スペクトル範囲である１、 　３−１．６μｍの波長範囲全体を通じて延びている。

以下のデータによって示されるように、Ｇ中心はホストシリコンの電気特性を大 きく左右することなく、ＶＬＳ　Ｉの相互接続目的に充分なルミネセンスを与え る。

前述したダイオード構造のフォトルミネセンススペクトルは、少数キャリヤをシ リコン内に注入する、バンドギヤツブ以上のエネルギーを持つ光子によって発生 される。あるいは、前述したようなエレクトロルミネセンスを生じる順方向のバ イアスをダイオード接合に加えることで、注入を得てもよい、これはダイオード のフォトルミネセンススペクトルと同様な特徴を示すが、照射の影響をそれより 受は品い。

次に第９図を参照すると、７７にの温度で測定された２つのエレクトロルミネセ ンススペクトル８２と８４が示しである。スペクトル８２と８４は、それぞれダ イオード１０（照射ダイオード）と、第５図の電子照射工程を行わずに製造され 、それ以外は等価のダイオード（非照射ダイオード）とから得られた。スペクト ル８４は、スペクトル８２より２０倍大きい垂直尺度でプロットしである６両ス ペクトルとも、１０ＡＣＩｍ−”の接合電流密度による順方向バイアス下で動作 された各ダイオードに対応する。ダイオード１０からの光子出力（スペクトル８ ２）は、ｐ’／ｎ−接合４３のｎ°側におけるＧ中心からのルミネセンスに基づ いている。

エレクトロルミネセンススペクトル８２はＧ線８５とバイブロニック側波帯８６ を示し、スペクトル８４はパンドーパント間再結合とその他のプロセスによるそ れぞれの寄与８８と８９を示す。

２つのスペクトル８２と８４の比較から、Ｇ中心によるエレクトロルミネセンス の積分強度の方が、非照射ダイオードからのパンドーパント間エレクトロルミネ センス８８の積分強度より約１０００倍大きいことが分かる。このため、照射ダ イオードｌＯの外部量子効率は、照射していないが他は等価のダイオードにおけ るパンドーパント間遷移によるものよりも３桁高い大きさである。但し、１ｖａ ｎｏｖ他の従来技術では、欠陥中心とパンドーパント間遷移からのルミネセンス について等しい効率が観測されている。

照射ダイオードは、それらの電気特性において損傷を受ける。

この損傷の程度は、前述したＶａｖｉｌｏν他の「半導体と半導体装置における 放射線の影響」で記載されているように、照射の前と後におけるダイオードのｔ 流−電圧特性曲線から得ることができる。

選定した順方向のバイアスを流で、特定ダイオードの各電流−電圧特性曲線から 、照射の前と後におけるバイアス電圧が得られる。

これら両電圧の比が放射損傷の程度を示し、この比が本明細嘗の目的上放射損傷 係数として定義される。この係数の値２が一般的な限界を意味し、これより大き いとダイオードの性能は放射によってひどく損なわれてしまう０次に第１０図を 参照すると、Ｉ−■特性９０が示してあり、照射ダイオードと非照射で等価のダ イオードからそれぞれ得られた特性曲線９２と９４が与えである。

両特性曲線９２と９４から得られたダイオード１０の放射損傷係数は、約１．３ である。従って、ダイオード１０の整流特性は、それに施した比較的穏やかな照 射処理によってひどく損なわれていなかった。従って、ダイオード、１０は従来 技術と異なり、良好なルミネセンス及びキナリヤ注入両特性を組み合わせたもの となる。

このように本発明は、照射によってダイオードｌＯ内に形成されたＧ中心から生 じるルミネセンスを与える。各Ｇ中心は、置換炭素原子と格子間シリコン原子の 複合体である。シリコンへの照射でＧ中心が形成可能となる前に、シリコンの格 子サイトに、炭素が理想的には一様にドープされているべきである。実際には、 炭素がシリコン内で固溶体の状態となり、かなりの比率の炭素が格子サイトに位 置していれば充分である。これは、前述したようにシリコンの成長段階で炭素を ドーピングするか、あるいは後述するようにイオン注入によつて達成できる。

第１１−１３図を参照すると、電子の照射下でシリコン格子９５内において生じ る内部プロセスの例が模式的に示しである。

格子９５は、斜線を施した円で示すシリコン原子と、全体を黒くした円で示す炭 素原子とからなる。尚、第１１−１３図に示した炭素の濃度は、ダイオード１０ の実際の炭素濃度とは何の関係もない、また第１１−１３図における炭素原子は 、シリコンサンプル内において、前述したようにドープされた炭素よりも相互に 接近している。照射すると第１１図に示すように、電子９６がシリコン原子９７ を変位させ、空格子点９８を生成する０次いで、変位されたシリコン原子９７が 炭素原子９９を変位させる。さらに別の２つの電子１００と１０２がそれぞれシ リコン原子１０４と１０６を変位させ、それぞれ空格子点１０８と１１０を形成 する。

これらの空格子点は、シリコン及び炭素原子の移動によつて格子９５内を移動し 得る。第１２図には、空格子点が隣合う格子サイトへと移動し、二重空格子点１ １２を形成した状態が示しである。

またこの図は、電子によって変位されたシリコン原子との衝突で自由になり、シ リコン原子１１６を変位させてそこに空く格子サイトを占めようとしている炭素 原子１１４も示している。すなわちシリコン原子１１６が炭素原子１１４によっ て置換される。第１３図は、格子間サイトに捕捉されたシリコン原子１１６を示 す。

つまり捕捉シリコン原子１１６が置換炭素原子１１４と１１８に束縛されて、Ｇ 線１２０を形成している。

次に第１４図を参照すると、照射によって格子９５内で生じるプロセスの模式的 概略が示しである。１１子１２２は直接的に空格子点１２４を生成するか、ある いはそのエネルギーが二重空格子点形成のしきい値より高ければ、二重空格子点 １２６を生成する。

また電子１２２は、間接的にＧ中心１２Ｂも形成し得る。さらに、−緒に移動す る２つの空格子点１３２と１３４によって、二重空格子点１３０が形成されるこ ともある。他のプロセスが存在しなければ、空格子点１２４は室温でアニール除 去されるか、あるいは二重空格子点の生成に寄与する。二重空格子点とＧ中心は 、室温でアニール除去されない、また、Ｇ中心も同時にアニール除去せずに、二 重空格子点をアニール除去することはできない。

前述したように、ダイオードの照射は整流特性を損ない、ひいては実現可能なエ レクトロルミネセンスを制限する。この損傷は、照射によって生じる二重空格子 点に起因している。照射のエネルギーが増すと、３つ以上の空格子点からなる欠 陥が生成されることもある。しかし、一般にこれらの濃度は二重空格子点の濃度 と比べると小さく、無視できる。空格子点もダイオードの整流特性を損なうが、 後述するように空格子点は空格子点トラップによって除去し得る。

本発明では、二重空格子点の濃度を１Ｏ１ｓｃＩＩ″３以下に制限することによ って、エレクトロルミネセントダイオードの整流特性を許容レベルに保てること が見いだされた。ダイオード１０の一実施例において、二重空格子点の濃度は２ Ｘ　Ｉ　Ｑ　”ｃｓ−”と測定された。

めに満たされねばならない少なくとも次の２つの条件が存在する。

（ａ）二重空格子点のしきいエネルギー以下の電子エネルギーで照射すること。

（ｂ）二重空格子点を形成する空格子点の結合を防ぐこと。

従来技術では、二重空格子点のしきいエネルギーが知られていなかった。このし きいエネルギーは、後述するように本発明の目的のために推定された。つまり、 １５０ｋｅＶと４００ｋｅＶ間の照射エネルギーを使えば、二重空格子点の許容 し得ない濃度を回避できることが見いだされた。

空格子点の移動による二重空格子点の形成防止は、本発明において、ダイオード １０のルミネセント領域をｗ！素でドーピングすることによって達成される。格 子ひずみを除去して炭素の含有量を安定化する他、酸素は空格子点用のトラップ も与える。！Ｉ！素濃度を（炭素濃度とほぼ匹敵する）　１０”ａｍ−”以上と することで、照射によって形成される空格子点はそれらの結合前にほとんどトラ ップされる。こうして、間接的なプロセスによる二重空格子点の形成は許容レベ ルに減じられる。格子間酸素はほぼ電気的に不活性なドーパントなので、半導体 内に望ましくないエネルギーレベルを問題となるような如何なる程度においても 導入しない、事実、格子間！１！素は一般に、リンなどのドナー不純物と比べ１ ０−１−１０１倍の電気的不活性度を育する。００％Ｓｎまたはｐｂなど他の等 価ドーパントも、さらに低い電気的不活性度を持つ空格子点トラップを与える。

ダイオードの電気特性に対する損傷を強める一方で、電子照射線量のエネルギー 増大は、Ｇ中心の濃度ひいては内部量子効率も高める。損傷とＧ中心濃度の増大 は相反するファクタで、効率的なエレクトロルミネセント素子を与えるような両 者間での調和は従来技術において達成されていない、以下の実験では、電子照射 エネルギーを関数としたＧ中心の生成と濃度を、フォトルミネセンスによって検 討する。実験の結果から、照射ダイオードの整流特性に対する損傷が、空格子点 及び二重空格子点生成のしきいエネルギーと共に確かめられる。

Ｇ中心の形成とそれに対応したルミネセンスの放出は、チックラルスキー（Ｃｚ ｏｃｈｒａｌｓｋｉ）成長シリコンのサンプルを用いて求めた。異なるサンプル 間における炭素及び酸素濃度の差は、５％以下であった、それぞれの濃度は、６ ．　Ｉ　Ｘ　１０　”ｃｍ−”と１．ＯＸ］Ｏ”ローツであった。各シリコンサ ンプルはそれぞれ１２０−４００ｋｅＶの範囲の電子ビームエネルギーで照射し たが、単位面積当りの総エネルギーは１．　ＯＸ　Ｉ　Ｏｌ′３−”の一定値に 保った。そして各シリコンサンプルについて、それぞれのフォトルミネセンスス ペクトルを得た。

第１５図を参照すると、実験によって得られたデータを用い、単位照射面積（任 意単位）当りで生じたＧｖＡフォトルミネセンス強度のグラフ１５０が、電子ビ ームエネルギー（ｋ　ｅ　Ｖ）とビーム線量（１０１ｈｅ−０１１−〇に対して 示しである０曲線１５２は、単位照射面積から放出されたＧ′ｆｓルミネセンス の強度を、電子ビームエネルギーを関数として示す、また曲線１５２は、１５０ ｋｅＶというＧ中心生成のしきい値も示している。この価は、衝突変位による格 子間シリコン生成のしきい値に対応すると考えられる。

グラフ１５０において、１５０ｋｅＶ以上では、曲線１５２が急速に上昇する。

これは、１５０ｋｅＶと３００ｋｅＶ間で、Ｇ中心の生成がエネルギーに強く依 存すること、つまり２２５ｋｅνと３００ｋｅＶ間では１桁の大きさで変化する ことを実証している。曲線１５２は急な屈曲部１５４を存し、そこを越えると、 電子ビームのエネルギーがさらに増加しても、ＧｖＡ強度の増大はほとんど得ら れないことが見られる。屈曲部１５４以下では、Ｇ線強度が急速に陣下する。

前述したように、照射シリコンからのフォトルミネセンスの内部量子効率は、エ レクトロルミネセンスの場合はど照射損傷に依存しない、その結果、フォトルミ ネセント効率はエレクトロルミネセント効率はど、照射ビームエネルギーによっ て影響されない。

グラフ１５０の屈曲部１５４は、フォトルミネセンスが二重空格子点の形成によ って影響され始めていることを示す、Ｇ中心の１度は屈曲部１５４以上でも増加 するが、同時に二重空格子点の形成が非放射性の再結合中心を与え、これがＧ中 心における放射性再結合で利用可能なキャリヤの数を減少させる。また二重空格 子点は、屈曲部１５４より高いエネルギーの照射によって形成されたダイオード の整流特性も損なう、従って、ビームエネルギーはフォトルミネセンスよりも強 くエレクトロルミネセンスに影響を及ぼす、理論曲線１５６は、それぞれのシリ コンサンプルを含んだダイオードからのエレクトロルミネセント出力に対するビ ームエネルギーの予測される依存性を示す、エレクトロルミネセンスは屈曲部１ ５４を越えると減少し、Ｇ中心の生成の増加より、これに相反する非照射プロセ スの方が優ってくることを示している。

エレクトロルミネセンスが顕著に影響される地点を求めるため、別の実験を行っ た。この実験では、別の２　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”ａｍ−”の炭素原子を含む２００μ ｍ厚のシリコンサンプルが、２００−４００ｋｅＶ間の電子エネルギーで、一定 のエネルギー−線量積１．０×１０　”ｋ　ｅ　Ｖｃａ−”を保って照射された 。そして照射の前と後に、各サンプルの抵抗率を測定した。４００ｋｅＶで照射 したサンプルでは、１４％の抵抗率の変化が観測された。もっと低いエネルギー で照射したサンプルでの抵抗率の変化は、有意でなかった。

４００ｋｅＶ照射サンプルの二重空格子点濃度は、５Ｘ１０’″′１−譚と測定 された。これは、エレクトロルミネセント内部量子効率の顕著な減少に対応する 。しかし、電子線量を１０′６電子ａｍ　−”以下とすれば、二重空格子点濃度 を４００ｋｅＶで１０”３−”以下に維持できる。

上記の実験は、空格子点の生成しきい値が約１５０ｋｅＶで、二重空格子点の生 成しきい値が約３００ｋｅＶで、４００ｋｅＶを越えると二重空格子点の濃度が 許容できなくなることを示している。エレクトロルミネセント素子は本発明によ れば、空格子点の生成しきい値以下で、許容不能な二重空格子点の濃度を生じる ビームエネルギー以下の照射エネルギーによって製造される。つまり、許容可能 な照射エネルギーの範囲は１５０−４００ｋｅＶである。屈曲部１５４の領域に おけるビームエネルギーが、許容可能な二重空格子点の濃度に合致しながら、最 大のルミネセンス強度を生じる。従って、ダイオード１０の製造においても、２ ９０−３１０ｋｅＶ間の照射エネルギーが、予測される最適なルミネセント出力 を持つ素子を与える。

照射ダイオードのルミネセント出力は、Ｇ中心の［［にも依存する。一定の濃度 以下において、内部効率はパンドーパント間遷移によるものよりも低い、１０” ３−’以下のＧ中心濃度では、二重空格子点の含有量に関わりなく、効率は許容 できないほど低い。

上記のＧ中心温度以上では、効率が二重空格子点の濃度に依存する。前記限界内 における一定の照射エネルギーにおいて、Ｇ中心濃度は炭素の濃度と照射線量に 依存する。また最大の線量は、ダイオードの整流特性と内部量子効率をひどく損 なわない線量に限定される。ｉ！剰のａｔは、空き格子点／酸素原子の複合体な ど、顕著な濃度の浅いキャリヤトラップを生じる。室温では、キャリヤの易動度 によって実質的な捕捉が防がれるので、それらのトラップは重要でない。しかし ７７にでは、浅いトラップが実質的に有効となり、従って有意となる。

整流特性を損なう他、線量の増加はそれだけ長い処理時間も必要とする。これは 、商業上好ましくない、また加熱が生じ、Ｇ中心をアニール除去して、ルミネセ ント効率を減少せしめる。線量に関するこれらの制御は、炭素濃度が１０”ｃ！ ！−”より大でなければならないことを意味する。この濃度で、最大限の線量は Ｇ中心濃度の低限である１０′！■−コを生じる。しかし好ましくは、炭素濃度 はＩＱ”ａｍ−”より大きく選ばれる。

１５０−４００ｋｅＶの範囲内の照射ビームエネルギーを用いて許容可能なエレ クトロルミネセント素子を作製する場合、実際の線量の範囲は選択するビームエ ネルギーに応じて変化する。

１５ＱｋｅＶの照射エネルギーの場合、＆ＩＩＬ＊　Ｉ　Ｑ　”　−１０ｒｅ＠ 子３−　’の間となり、４００ｋｅＶではｌ　ＱＩＳ−Ｉ　Ｑｌ＆電子ｅ１ｍ　 −”の間となる。約３００ｋｅＶの好ましいエネルギーにおいて、線量範囲は１ ０”−１０”を子ｃｓ−”である。

各Ｇ中心は、２つの隣合う置換炭素原子と格子間シリコン原子と関わり合ってい る。従つて、高い炭素濃度は照射時にそれだけ高いＧ中心濃度をもたらす、ダイ オード１０は、純粋なシリコン中での炭素の最大平衡溶解戻限を越える炭素濃度 を有する。この炭ｓ濃度は比較的高く、ダイオード１０の内部量子効率を高めて いる・前記の製造工程では、シリコン結晶を炭素含有量の高む１溶融体から垂直 上方に、垂直な磁場内で引き上げることによって・その炭素濃度を達成している 。さらにかかる条件下では、溶融体のａ素含有量を高め、その結果炭素の蒸発を 減少させることができる。また、格子間酸素の高い含有量は、高レベルの置換炭 素を安定化する。この点の更なる詳細は、Ｋ　Ｇ　Ｂａｒｒａｃｌｏｕｇｈ他に よつて、　Ｐｒｏｃ　　Ｆｉｆｔｈ　　ｌｎｔ　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｓ＋　　ｏ ｎ　　５ｉｌｉｃｏｎ、　　Ｍａｔ　　Ｓｃｉ　　ａｎｄ　　Ｔ■モ■B ”５ｉｌｉｃｏｎ　１９８６°、電気化学学会発行、Ｈｕｆｆ他編、に述ぺられ ている。

単結晶シリコン内で高い炭素濃度を生じるための別の方法は、８５０℃以下の温 度での分子ビームエビタクシ−または低圧気相エピタキシ中ル成長からなる。低 温では、炭素の拡散と析出が運動力学上妨げられるので、固溶体は最大平衡溶解 戻限以上に維持される。

炭素含有量を高める第３の方法は、イオン注入の後に続く、溶融状態でのパルス 状レーザによるアニール、あるいは固体相での急速熱ア二−ルシこよって与えら れる。

Ｇ中心は性質上両性で、これはＧ中心がホール及び電子トラップとして作用可能 なことを意味する。従って、Ｇ中心はｐ−ｎ接合のｐ側またはｎ側どちらにも位 置し得る。ダイオードｌＯにおいては、Ｇ中心がｐ’／ｎ−接合４３のｎ−側に 位置する。また、ｎ−側には、ホウ素と異なり、シリコンの格子間侵入に関して 炭素と競合しないリンがドープされている。ホウ素はｐ°側のドーパントなので 、この側にＧ中心を位置させると、素子１０の効率が影響を受ける。

本発明は、整流手段としてｐ−ｎ接合を用いた素子に限定されない、ＰＩＮ、シ シントキー及びトンネルダイオード構造も、Ｇ中心を含む領域にキナリヤを注入 するのに使える。

エレクトロルミネセンスは、Ｇ中心以外の欠陥中心を含むシリコン接合ダイオー ドにおいても達成できる。このようなルミネセント中心には、それぞれ波長１． ３４μｍと１．６１μｍでＨ及びＰのゼロ音子線を生じる既知の炭素関連欠陥が 含まれる。炭素関連で、照射発生欠陥中心のその他の例は、Ｇ　Ｄａｖｉｅｓ他 −Ｊ　Ｐｈｙｓ　Ｃ３ｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｈｙｓ　Ｌ４９９−５０３　（１９ ８４）によって与えられている。

また、さらに高いレベルの炭素は、電気的に等価なＩｖ族元素、つまりゲルマニ ウム、スズまたは鉛と一緒にドープすることによって、置換サイトで安定化し得 る０ｗ１Ｊに指摘したように、この結果もたらされるルミネセント中心の濃度増 加が、ダイオードの効率を一層高める。

本発明は、集積回路に組み入れることができる。この場合には、従来の物質構造 内に、局部的な光中心を生成する必要がある。つまり局部的なＧ中心の生成のた め、前述したような高炭素ウェハを用いる代わりに、炭素イオン注入の技術が、 過渡的アニールや選択的な領域エピタキシー及びしきい値に近い選択的な電子照 射と組み合わせて用いられる。

次に第１６図を参照すると、ＣＭＯＳマイクロ回路構造と適合可能な態様を有す る発光ダイオード素子２００が概略的に示しである。素子２００は、高ドープの ｎ形つまりｎ゛シリコン半導体基板２０２と、その上に載置された軽ドープのｎ 形つまりｎ−シリコン半導体エピタキシャル層２０４とからなる。酸化シリコン 層２０６が、炭素ドープ領域２１８とｐ゛半導体接点領域２１０上方の窓２０８ を除いて、層２０４を覆っている。領域２１０の下に、ｐ”／ｎ−接合２１２が 位置する。アルミ層２１４と２１６が電気接続の目的上、酸化シリコン層２０６ 及び窓２０Ｂの上面と、基板２０２の下面にそれぞれ被着されている。

次に第１７−２３図を参照すると、素子２００の製造工程が概略的に示しである 。ｎ−形半導体基板２０２が、チックラルスキー成長された転位を含まないシリ コン結晶から形成され、５×１０１８原子ＣＢ　−”の濃度でアンチモンがドー プされる。ｎ−半導体層２０４が既知のエピタキシ中ル法によって基板２０２上 に成長され、５Ｘ１０１Ｓ原子０１１−　’の濃度でリンがドープされる０層２ ０４は、５５−１Ｏｐの厚さとし得る。ドーピングは全て、既知の手法を用いて 行われる。基板２０２が層２０４と共に、ｐ−ウェルバルクＣＭＯＳマイクロ回 路用の共通の始発素子を形成する。

酸化シリコン層２０６が標準的な熱酸化の処理工程によって形成され、一般に０ ．５−１μｍの厚さである。窓２０８が酸化シリコン層２０６に既知の湿式エツ チング技術によって形成され、一般に各辺１０μｍの矩形である。

層２０４の炭素ドープ領域２１８が、１８０ｋｅＶのイオンエネルギーと約１０ ′４原子ｃｓ−ｔの線量を用いたイオン注入によって、窓２０の下方に形成され る。注入炭素は、０．３８μｍの範囲を有する。

ｐ″形半導体接点領域２１０が、低いイオンエネルギー、つまり３０ｋｅＶと一 般に５Ｘ１０”原子ｃｓ−ｔの線量を用いたイオン注入で、炭素ドープ領域２１ ８にホウ素をドープすることによって形成される。これで、０．１μｍの注入範 囲を持つホウ素ドープ領域が形成される。そしてｐ’／ｎ−接合２１２が、窓２ ０８の下方０．３ｉｍの深さに形成される。ホウ素と炭素のドーピングが素子２ ００の空乏層内に炭素含有量の高い層２２０を生成し、該層はｐ”／ｎ−接合２ １２のｎ−側に位置する。空乏層は約０．５ｉｍの幅を有し、炭素リッチ層２１ ８の下側に延びている。

ホウ索注入物の活性化と炭素の過飽和層の形成は、急速熱アニールによって構成 される。

両接点２１４と２１６が、それぞれｐ”ＭＩ域の上面とｎ−基板の下面上に、Ａ ＮまたはＡｊ−５ｉ−Ｃｕの蒸着及び、例えば１０分間、４５０℃での低温アニ ールによって形成される。

前述したように、Ｇ中心は１０　”−１０”ｅ−ａｓ−”の範囲の線量と１５０ ｋｅＶ−４００ｋｅＶの範囲の電子エネルギーを持つ電子照射によって、炭素含 有量の高い層２２０に生成される。この際、マイクロ回路の隣接部分における酸 化物内への電荷のトラップとシリコン格子の損傷を避けることが重要である。か かる損傷は、電子ビームを窓２０８へ集束させることによって避けられる。また 電子ビームは、窓の領域内で走査してもよい。

次に第２４図を参照すると、光学的な導波路特性を有するように構成された素子 ２００の別の実施例が示しである。尚、第２３図のものと等価な部分は同じ参照 番号で示されている。この実施例において、素子２００は導波路２２４を受は入 れる厚みを増した中央領域を有し、ここに能動的なダイオード構成要素が配置さ れる。導波路２２４は、異方性の湿式エツチングによる生成の人為的な結果とし て、やや不明瞭な壁構造を有する。素子２００からの光子出力が導波路２２４に よって、層２０４の別の部分（図示せず）に案内される。これで、マイクロ回路 の異なる領域間での光交信が与えられる。導波路２２４はｎ−形層２０４を領域 ２２０と組み合わせてなり、素子２００から発生された光子は導波路によって閉 じ込められる。

光子波長（μｍ）− 国際調査報告 ｍ−−１−Ｉ−ｈ−・１−ｕ−ＰＣＢ／ＧＢ　８Ｂ１００３１９−２−国際調査 報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．シリコン素材のルミネセント領域（２５）と、該ルミネセント領域（２５） に少数キャリヤを注入するための整流手段（４３）を含むエレクトロルミネセン ト素子において、前記ルミネセント領域（２５）が： （ｉ）シリコンを格子間にトラップし、少なくとも１０１４ｃｍ−３の照射発生 欠陥中心濃度を与えるように配されたシリコン内の少なくとも１０１６ｃｍ−３ の炭素原子、（ｉｉ）１０１５ｃｍ−３より低い二重空格子点濃度、及び（ｉｉ ｉ）少なくとも実質上電気的に不活性で、空格子点トラップ特性と少なくとも１ ０１６ｃｍ−２の濃度を有するドーパント、を含むことを特徴とするエレクトロ ルミネセント素子。
2. ２．前記炭素原子、欠陥中心及びドーパント濃度がそれぞれ少なくとも１０１８ ｃｍ−３、１０６ｃｍ−３及び１０１０ｄｍ−３であることを特徴とする請求の 範囲第１項記載のエレクトロルミネセント素子。
3. ３．前記欠陥中心がＧ中心であることを特徴とする請求の範囲第１または２項記 載のエレクトロルミネセント素子。
4. ４．前記電気的に不活性など−パントが酸素であることを特徴とする請求の範囲 第１、２または３項記載のエレクトロルミネセント素子。
5. ５．前記電気的に不活性なドーパントがゲルマニウム、スズまたは鉛であること を特徴とする請求の範囲第１、２または３項記載のエレクトロルミネセント素子 。
6. ６．前記整流手段が、ルミネセント領域（３２）とこれと反対の導電形の別のシ リコン素子領域（４２）間のｐｎ接合であることを特徴とする前記請求の範囲の いずれか１項記載のエレクトロルミネセント素子。
7. ７．前記ルミネセント領域（３２）が口形であることを特徴とする請求の範囲第 ６項記載のエレクトロルミネセント素子。
8. ８．エレクトロルミネセント素子の製造方法において：（ｉ）空格子点トラップ 手段を有する炭素ドープシリコンルミネセント領域（３２）を含むダイオード（ １０）を形成する工程、及び （ｉｉ）空格子点の形成には充分だが、二重空格子点の直接生成には不充分なエ ネルギーを有する電子ビーム（６０）で前記ルミネセント領域（３２）を照射す る工程、を含むことを特徴とする製造方法。
9. ９．前記ダイオードルミネセント領域（３２）が、シリコン素材の固溶体中にお ける少なくとも１０１０ｃｍ−３の炭素原子によつて形成され、また前記空格子 点トラツプ手段が、空格子点トラツプ特性と少なくとも１０１８ｃｍ−３の濃度 を有する電気的に不活性なドーパントであることを特徴とする請求の範囲第８項 記載の製造方法。
10. １０．前記電気的に不活性なドーパントがゲルマニウム、スズまたは鉛であるこ とを特徴とする請求の範囲第９項記載の製造方法。
11. １１．前記ダイオード（１０）が、ルミネセント領域（３２）と反対の導電形で それに隣接した別の領域（４２）を有することを特徴とする請求の範囲第８から １０項のうちいずれか１項記載の製造方法。
12. １２．前記ルミネセント領域がｎ形であることを特徴とする請求の範囲第１１項 記載の製造方法。
13. １３．前記電子ビームのエネルギーが１５０ｋｅＶから４００ＫｅＶの範囲で、 照射線量が１０１５から１０１９電子／ｃｍ２の範囲であり、より高いビームエ ネルギーがより低い線量に対応することを特徴とする請求の範囲第１２項記載の 製造方法。
14. １４．前記電子ビームのエネルギーが２９０ｋｅＶから３１０ｋｅＶの範囲で、 照射線量が１０１６から１０１８電子／ｃｍ２の範囲であることを特徴とする請 求の範囲第１３項記載の製造方法。
15. １５．前記請求の範囲第８から１４項のいずれか１項記載の方法によって製造さ れたことを特徴とするエレクトロルミネセント素子。