JPH04280479A - 発光素子およびその作製方法 - Google Patents
発光素子およびその作製方法Info
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- JPH04280479A JPH04280479A JP3043112A JP4311291A JPH04280479A JP H04280479 A JPH04280479 A JP H04280479A JP 3043112 A JP3043112 A JP 3043112A JP 4311291 A JP4311291 A JP 4311291A JP H04280479 A JPH04280479 A JP H04280479A
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- Led Devices (AREA)
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。
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体を用いた近赤外
光の発光素子に関するものである。
光の発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、近赤外領域の発光素子は、その主
な使用対象が光通信用であることから、光通信用発光素
子と総称され、材料としては、1.2〜1.6μmの波
長帯では、InP基板上にエピタキシャル成長されたI
n1−x Gax Asy P1−y が知られている
。また、転位の発生したシリコンは、1.2〜1.6μ
mの波長帯に鋭い発光を示すことが知られている。
な使用対象が光通信用であることから、光通信用発光素
子と総称され、材料としては、1.2〜1.6μmの波
長帯では、InP基板上にエピタキシャル成長されたI
n1−x Gax Asy P1−y が知られている
。また、転位の発生したシリコンは、1.2〜1.6μ
mの波長帯に鋭い発光を示すことが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、In1
−x Gax Asy P1−y のような化合物半導
体では、各成分の組成比を正確にコントロールしなげれ
ばならない、発光線の半値幅が広い、といった問題点が
あった。 また、シリコンを発光素子に用いることは、現在のシリ
コンLSIに発光素子までも組み込めるということから
、デバイスの集積化および多機能化の観点から、非常に
期待が持てる技術であるが、シリコンは発光強度が非常
に弱いために、発光素子に応用することはできなかった
。
−x Gax Asy P1−y のような化合物半導
体では、各成分の組成比を正確にコントロールしなげれ
ばならない、発光線の半値幅が広い、といった問題点が
あった。 また、シリコンを発光素子に用いることは、現在のシリ
コンLSIに発光素子までも組み込めるということから
、デバイスの集積化および多機能化の観点から、非常に
期待が持てる技術であるが、シリコンは発光強度が非常
に弱いために、発光素子に応用することはできなかった
。
【0004】本発明は、従来技術のこのような欠点を解
消し、シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子
を提供することを目的とする。
消し、シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子
を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン基板
上にエピタキシャル成長した、シリコンおよびシリコン
とゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成し、シリ
コン側の界面に発生した転位を介した電子とホールの再
結合の際に放出される近赤外光を利用することを特徴と
する発光素子である。この発光素子の作製において、発
光中心となる転位を発生させるために、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶とで
、超格子構造を形成した後、熱処理を加えることを特徴
とする。また、発光中心となる転位を発生させるための
別の方法として、シリコン基板上に、シリコンおよびシ
リコンとゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成す
る際に、厚いシリコン層を成長させてから、このシリコ
ン層をエッチングによって薄くすることを特徴とする。 さらに、この発光素子において、シリコンおよびシリコ
ンとゲルマニウムの混晶とで形成した超格子構造に、二
次元の微細パターンを形成することによって、発光強度
を強くさせることを特徴とする。さらに、この発光素子
において、フィルターで結晶表面を覆うことによって、
転位に起因するいくつかの発光線のうち特定の波長の光
を取り出すことを特徴とする。
上にエピタキシャル成長した、シリコンおよびシリコン
とゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成し、シリ
コン側の界面に発生した転位を介した電子とホールの再
結合の際に放出される近赤外光を利用することを特徴と
する発光素子である。この発光素子の作製において、発
光中心となる転位を発生させるために、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶とで
、超格子構造を形成した後、熱処理を加えることを特徴
とする。また、発光中心となる転位を発生させるための
別の方法として、シリコン基板上に、シリコンおよびシ
リコンとゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成す
る際に、厚いシリコン層を成長させてから、このシリコ
ン層をエッチングによって薄くすることを特徴とする。 さらに、この発光素子において、シリコンおよびシリコ
ンとゲルマニウムの混晶とで形成した超格子構造に、二
次元の微細パターンを形成することによって、発光強度
を強くさせることを特徴とする。さらに、この発光素子
において、フィルターで結晶表面を覆うことによって、
転位に起因するいくつかの発光線のうち特定の波長の光
を取り出すことを特徴とする。
【0006】
【作用】シリコン基板上に、シリコンとゲルマニウムの
混晶をエピタキシャル成長させると、成長条件に応じて
、界面に転位が発生する。ゲルマニウムの組成比が小さ
い場合には、シリコン側に、直線的な転位が結晶の〈1
10〉方向に沿って形成される。転位を導入したシリコ
ンにおいては、この転位に起因して、1.2〜1.6μ
mの波長領域に、D1,D2,D3,D4と名付けられ
た4本の鋭い発光線が観測される。これらの発光線は転
位の部分で、電子とホールが再結合することによって放
出される光であり、転位の種類や密度によって、その強
度や半値幅が決定される。シリコン基板上にシリコンと
ゲルマニウムの混晶をエピタキシャル成長した時に発生
する転位の場合には、非常に強い発光が観測される。し
かし、シリコン基板上にシリコンとゲルマニウムの混晶
を1回エピタキシャル成長しただけでは、発光素子とし
て使うには発光強度が十分でない。そこで、シリコン基
板上にシリコとゲルマニウムの混晶をエピタキシャル成
長させた後、さらにその上にシリコン,シリコンとゲル
マニウムの混晶,シリコン,…の順に繰り返しエピタキ
シャル成長を行ない、超格子構造を作成する。このよう
な超格子構造においては、電子と正孔が各層に閉じ込め
られて2次元的な振る舞いをするために、発光強度が非
常に強くなる。そこで、このような超格子構造をpn接
合部分に用いたダイオードを作製し、pn接合に電圧を
加えると、電子とホールはpn接合部分で、転位を介し
て再結合して近赤外光を放出するので、近赤外の発光素
子として使うことができる。
混晶をエピタキシャル成長させると、成長条件に応じて
、界面に転位が発生する。ゲルマニウムの組成比が小さ
い場合には、シリコン側に、直線的な転位が結晶の〈1
10〉方向に沿って形成される。転位を導入したシリコ
ンにおいては、この転位に起因して、1.2〜1.6μ
mの波長領域に、D1,D2,D3,D4と名付けられ
た4本の鋭い発光線が観測される。これらの発光線は転
位の部分で、電子とホールが再結合することによって放
出される光であり、転位の種類や密度によって、その強
度や半値幅が決定される。シリコン基板上にシリコンと
ゲルマニウムの混晶をエピタキシャル成長した時に発生
する転位の場合には、非常に強い発光が観測される。し
かし、シリコン基板上にシリコンとゲルマニウムの混晶
を1回エピタキシャル成長しただけでは、発光素子とし
て使うには発光強度が十分でない。そこで、シリコン基
板上にシリコとゲルマニウムの混晶をエピタキシャル成
長させた後、さらにその上にシリコン,シリコンとゲル
マニウムの混晶,シリコン,…の順に繰り返しエピタキ
シャル成長を行ない、超格子構造を作成する。このよう
な超格子構造においては、電子と正孔が各層に閉じ込め
られて2次元的な振る舞いをするために、発光強度が非
常に強くなる。そこで、このような超格子構造をpn接
合部分に用いたダイオードを作製し、pn接合に電圧を
加えると、電子とホールはpn接合部分で、転位を介し
て再結合して近赤外光を放出するので、近赤外の発光素
子として使うことができる。
【0007】この発光素子の作製において、発光中心と
なる転位を発生させることが必要であるが、シリコン基
板上に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶
とで、超格子構造を形成した場合、エピタキシャル成長
したシリコン層およびシリコンとゲルマニウムの混晶層
は非常に薄い膜であり、通常は転位が発生していない。 そこで、超格子構造を形成した後に、熱処理を加えるこ
とによって転位を発生させる。また、エピタキシャル成
長したシリコン層が厚い場合には、格子のミスフィット
によって成長中に転位が発生するので、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶とで
、超格子構造を形成する際に、シリコン層を厚く成長さ
せて転位を発生させてから、このシリコン層をエッチン
グによって薄くして、さらに次のシリコンとゲルマニウ
ムの混晶層を成長させることを、発光中心となる転位を
発生させるための別の方法として用いることができる。
なる転位を発生させることが必要であるが、シリコン基
板上に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶
とで、超格子構造を形成した場合、エピタキシャル成長
したシリコン層およびシリコンとゲルマニウムの混晶層
は非常に薄い膜であり、通常は転位が発生していない。 そこで、超格子構造を形成した後に、熱処理を加えるこ
とによって転位を発生させる。また、エピタキシャル成
長したシリコン層が厚い場合には、格子のミスフィット
によって成長中に転位が発生するので、シリコン基板上
に、シリコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶とで
、超格子構造を形成する際に、シリコン層を厚く成長さ
せて転位を発生させてから、このシリコン層をエッチン
グによって薄くして、さらに次のシリコンとゲルマニウ
ムの混晶層を成長させることを、発光中心となる転位を
発生させるための別の方法として用いることができる。
【0008】このようにして作製した発光素子において
、さらに発光強度を強くするための方法として、エッチ
ングによって2次元の微細パターンを形成する方法があ
る。微細パターン化することによって、電子とホールが
パターンの中に閉じ込められ、発光効率が増大する。
、さらに発光強度を強くするための方法として、エッチ
ングによって2次元の微細パターンを形成する方法があ
る。微細パターン化することによって、電子とホールが
パターンの中に閉じ込められ、発光効率が増大する。
【0009】シリコンの転位に起因する発光線は、D1
からD4の4本が主なものとしてあるが、この素子の表
面を、近赤外領域の干渉フィルターで覆うことによって
、4本の発光線のうち特定の波長だけを取り出すことが
できる。
からD4の4本が主なものとしてあるが、この素子の表
面を、近赤外領域の干渉フィルターで覆うことによって
、4本の発光線のうち特定の波長だけを取り出すことが
できる。
【0010】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【0011】図2は、シリコン基板上に、シリコンとゲ
ルマニウムの混晶をエピタキシャル成長させた試料のフ
ォトルミネッセンススペクトルである。1.2〜1.6
μmの波長領域に、D1,D2,D3,D4という転位
に起因する4本の発光線が観測される。これらの発光線
のうち、特にD1とD2は、発光強度が大きく、半値幅
も20nm程度で、現在、光通信用発光素子として使わ
れているIn1−x Gax Asy P1−y の面
発光の場合の半値幅60〜100nmに比較して狭い。 したがって、このD1あるいはD2の発光ラインを発光
素子に使うことが可能である。
ルマニウムの混晶をエピタキシャル成長させた試料のフ
ォトルミネッセンススペクトルである。1.2〜1.6
μmの波長領域に、D1,D2,D3,D4という転位
に起因する4本の発光線が観測される。これらの発光線
のうち、特にD1とD2は、発光強度が大きく、半値幅
も20nm程度で、現在、光通信用発光素子として使わ
れているIn1−x Gax Asy P1−y の面
発光の場合の半値幅60〜100nmに比較して狭い。 したがって、このD1あるいはD2の発光ラインを発光
素子に使うことが可能である。
【0012】図1は、本発明による近赤外発光素子の素
子構造の例を示したものである。図1において、1はn
型のシリコン基板、2は基板上にエピタキシャル成長さ
せたシリコンとゲルマニウムの混晶、3はさらにエピタ
キシャル成長させらシリコン、4は、2のシリコンとゲ
ルマニウムの混晶層および3のシリコン層が交互に繰り
返されてできた超格子構造でシリコン層には転位が発生
している。5はp型のシリコン層、6と7は電極、8は
フィルターである。図1において、6の電極に正、7の
電極に負の電圧を加えることによって、n型シリコン中
の電子、p型シリコン中のホールはそれぞれ超格子構造
の接合部分へ集まり、転位を介して再結合をし、光を放
出する。図1では接合の端面で光を取り出すようになっ
ており、8のフィルターによってD1〜D4の発光線の
うち、特定の発光線のみが放出される。図1の構造にお
いて、電極を透明にすることによって面発光型の素子と
することも可能である。
子構造の例を示したものである。図1において、1はn
型のシリコン基板、2は基板上にエピタキシャル成長さ
せたシリコンとゲルマニウムの混晶、3はさらにエピタ
キシャル成長させらシリコン、4は、2のシリコンとゲ
ルマニウムの混晶層および3のシリコン層が交互に繰り
返されてできた超格子構造でシリコン層には転位が発生
している。5はp型のシリコン層、6と7は電極、8は
フィルターである。図1において、6の電極に正、7の
電極に負の電圧を加えることによって、n型シリコン中
の電子、p型シリコン中のホールはそれぞれ超格子構造
の接合部分へ集まり、転位を介して再結合をし、光を放
出する。図1では接合の端面で光を取り出すようになっ
ており、8のフィルターによってD1〜D4の発光線の
うち、特定の発光線のみが放出される。図1の構造にお
いて、電極を透明にすることによって面発光型の素子と
することも可能である。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子が提供
される。
シリコン系の材料を用いた近赤外領域の発光素子が提供
される。
【図1】本発明による近赤外発光素子の素子構造を示し
た図である。
た図である。
【図2】シリコン基板上に、シリコンとゲルマニウムの
混晶をエピタキシャル成長させた試料のフォトルミネッ
センススペクトルを示す図である。
混晶をエピタキシャル成長させた試料のフォトルミネッ
センススペクトルを示す図である。
1 n型のシリコン基板
2 基板上にエピタキシャル成長させたシリコン
とゲルマニウムの混晶 3 エピタキシャル成長させたシリコン4
シリコンとゲルマニウムの混晶層およびシリコン層が
交互に繰り返されてできた超格子構造5 p型の
シリコン層 6 電極 7 電極 8 フィルター
とゲルマニウムの混晶 3 エピタキシャル成長させたシリコン4
シリコンとゲルマニウムの混晶層およびシリコン層が
交互に繰り返されてできた超格子構造5 p型の
シリコン層 6 電極 7 電極 8 フィルター
Claims (5)
- 【請求項1】 シリコン基板上にシリコンとゲルマニ
ウムの混晶と、転位を有するシリコンとで成る超格子構
造を少くとも備えたことを特徴とする発光素子。 - 【請求項2】 請求項1記載の発光素子において、フ
ィルターで光出射面を覆ったことを特徴とする発光素子
。 - 【請求項3】 請求項1記載の発光素子において、シ
リコンおよびシリコンとゲルマニウムの混晶とで形成し
た超格子構造を二次元の微細パターン化したことを特徴
とする発光素子。 - 【請求項4】 シリコン基板上に、シリコンおよびシ
リコンとゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成し
た後、熱処理を加えることを特徴とする発光素子の作製
方法。 - 【請求項5】 シリコン基板上に、シリコンおよびシ
リコンとゲルマニウムの混晶とで、超格子構造を形成す
る際に、厚いシリコン層を成長させてから、このシリコ
ン層をエッチングによって薄くすることを特徴とする発
光素子の作製方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4311291A JP2792249B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 発光素子およびその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4311291A JP2792249B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 発光素子およびその作製方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04280479A true JPH04280479A (ja) | 1992-10-06 |
JP2792249B2 JP2792249B2 (ja) | 1998-09-03 |
Family
ID=12654748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4311291A Expired - Fee Related JP2792249B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 発光素子およびその作製方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2792249B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003536262A (ja) * | 2000-06-08 | 2003-12-02 | ユニバーシティ オブ サリー | 結晶性物質の電子及び光電特性を局所的に変更する方法及びこのような物質製の素子 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01160063A (ja) * | 1987-12-16 | 1989-06-22 | Fujitsu Ltd | 発光素子 |
JPH02125670A (ja) * | 1988-11-04 | 1990-05-14 | Nec Corp | 発光素子 |
-
1991
- 1991-03-08 JP JP4311291A patent/JP2792249B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01160063A (ja) * | 1987-12-16 | 1989-06-22 | Fujitsu Ltd | 発光素子 |
JPH02125670A (ja) * | 1988-11-04 | 1990-05-14 | Nec Corp | 発光素子 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003536262A (ja) * | 2000-06-08 | 2003-12-02 | ユニバーシティ オブ サリー | 結晶性物質の電子及び光電特性を局所的に変更する方法及びこのような物質製の素子 |
US8890177B2 (en) | 2000-06-08 | 2014-11-18 | University Of Surrey | Semiconductor devices made from crystalline materials with locally modifying electronic and optoelectronic properties |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2792249B2 (ja) | 1998-09-03 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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