JPH05327017A

JPH05327017A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH05327017A
Application number: JP13098192A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sakai; 忠司酒井; Tatsuro Beppu; 達郎別府; Keijiro Hirahara; 奎治郎平原; Hitoshi Yagi; 均八木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1993-12-10
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JP3212686B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン等の集積回路用に適した基板をベー
スとして、シリコンプロセス等に適合する半導体発光素
子を提供すること。【構成】シリコン基板１１上に形成される半導体発光
素子において、基板１１上に形成されたｐ型シリコン層
１２と、このｐ型シリコン層１２の表面を陽極エッチン
グ加工して形成されたｐ型の多孔質シリコン層１３と、
この多孔質シリコン層１３上に形成された、多孔質シリ
コンよりも禁制帯幅の大きなｎ型のＧａＰ層１４とを具
備し、多孔質シリコン層１３とＧａＰ層１４のｐｎ接合
に電流を注入して発光されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子の改良
に係わり、特に半導体多孔質層を用いた半導体発光素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路と発光，受光素子を結合
する光・電子集積回路（ＯＥＩＣ）の概念は、オプトエ
レクトロニクス分野を構築する上で重要な機能素子とし
てとらえられている。一般に、発光素子を構成する半導
体結晶材料には、禁制帯幅を種々選択でき、発光し易い
ことから化合物半導体が用いられている。一方、高度の
集積回路素子を構成するためには、シリコンが重要な役
割を果たしている。

【０００３】このように発光素子の基板材料と集積回路
素子の基板材料とが異なるため、両機能素子を同一の半
導体チップ内に構成するには無理がある。このため、両
機能素子は別々のプロセスで形成され、必要な場合に
は、両者をハイブリッド構成に集積することで実施され
ていた。従って、複数の発光素子が電子回路内に作り込
まれたような、より高度の複合機能素子を形成すること
は不可能であった。

【０００４】ところで、半導体結晶の構造を微細化して
いくと、量子効果によって発光遷移が短波長化していく
ことが観察されている。類似の現象であるのか否か、発
光機構に関しては現在議論の最中であるが、シリコン単
結晶に対して陽極エッチング加工を加えて形成された多
孔質シリコン層が可視域で明るいフォトルミネッセンス
を示すことも報告された。しかしながら、この発光現象
は、例えば紫外光による励起で起きるものであり、この
ままでは機能素子化は難しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、設計
の自由度の高い、例えば可視域で発光する半導体発光素
子は、それ以外の回路や受光素子などを構成するのに最
適なシリコンベースでは作成できないという問題があっ
た。

【０００６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、シリコン等の集積回路
用に適した基板をベースとして、シリコンプロセス等に
適合する半導体発光素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、半導体
多孔質層のｐｎ接合を流れる電流、又は半導体多孔質層
に印加される電界によって半導体多孔質層を発光させる
ことにある。

【０００８】即ち本発明（請求項１）は、シリコン等の
非化合物半導体基板上に形成される半導体発光素子にお
いて、第１導電型の半導体多孔質層と第２導電型の半導
体結晶層とを積層してｐｎ接合を形成し、半導体多孔質
層の禁制帯幅に対し半導体結晶層の禁制帯幅を大きくし
てなることを特徴とする。

【０００９】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものが上げられる。 (1) 半導体多孔質層は、第１導電型の半導体結晶層の表
面を陽極エッチング加工して形成されている。 (2) 半導体多孔質層として多孔質シリコンを用い、半導
体結晶層としてＧａＰ又はＩｎＧａＡｌＰ系の混晶を用
いる。 (3) 半導体多孔質層として多孔質シリコンを用い、半導
体結晶層としてＺｎＳ，ＺｎＳｅ又はＺｎＳＳｅ系の混
晶を用いる。 (4) 半導体多孔質層及び半導体結晶層がシリコン基板上
に形成され、このシリコン基板上には同時に電子回路や
受光素子が形成されている。

【００１０】また本発明（請求項２）は、シリコン等の
非化合物半導体基板上に形成される半導体発光素子にお
いて、半導体多孔質層と、この半導体多孔質層の両面に
絶縁層又は高抵抗層を介して積層された導電層とを具備
してなり、導電層間に電圧を印加して半導体多孔質層を
発光させることを特徴とする。

【００１１】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものが上げられる。 (1) 半導体多孔質層は半導体結晶層を陽極エッチング加
工して形成されている。 (2) 半導体多孔質層として多孔質シリコン、絶縁層又は
高抵抗層として酸化シリコン，窒化シリコン，高抵抗シ
リコン又はこれらの積層膜、導電層として透明導電膜，
シリコン，金属又はこれらの積層膜を用いる。 (3) 本発明の素子が形成される半導体基板に、該素子の
駆動用交流電源回路が同時に形成されている。 (4) 本発明の素子を形成する半導体基板は、ＳＯＩ基板
である、又は絶縁膜を介して直接接着したシリコン基板
である。 (5) 半導体基板としてシリコンを用い、このシリコン基
板に受光素子が同時に形成されている。そして、受光素
子として、フォトダイオード構造，ＰＩＮフォトダイオ
ード構造，アバランシェダイオード構造，光トリガサイ
リスタ構造又はＣＣＤ構造を採用する。

【００１２】

【作用】前述したように、多孔質シリコン層は紫外光励
起により発光することが知られている。本発明者らは、
半導体多孔質層の優れたフォトルミネッセンス特性を生
かし、半導体集積回路内に発光素子を構築する方法とし
て、ｐｎ接合の構成を必須としてとらえ、ｐｎ接合構成
の条件と方法を検討した。半導体多孔質層からのフォト
ルミネッセンス光から、この半導体多孔質層の実効的禁
制帯幅を仮定することができる。例えば、多孔質シリコ
ン層のフォトルミネッセンス光ピーク波長が６３０ｎｍ
であった場合、それは１．９７ｅＶのエネルギーに相当
する。

【００１３】従って、半導体多孔質層に少数キャリアの
注入を効率良く行うためには、該層とｐｎ接合を形成す
る半導体結晶層の禁制帯幅を半導体多孔質層よりも大き
くすれがよいと考えられる。そして、本発明で規定され
る材料と素子構造により、電流注入効率が高くなり、発
光効率の向上をはかることが可能となる。

【００１４】また、通常のシリコン単結晶は間接遷移型
半導体であり、本発明（請求項２）のような構成にして
電圧を印加しても発光は得られないが、最適な条件で単
結晶シリコンを多孔質化することによって、可視域での
ＥＬを得られることが判明した。同様の構成での発光は
シリコン以外にも間接遷移型半導体で得られる。従って
本発明によれば、シリコン等の半導体であっても可視域
の発光素子を得ることが可能となる。

【００１５】このような構成を採用することによって、
ＯＥＩＣの全ての部分を同一の半導体基板をベースにし
て作成することが可能になり、作成プロセスを著しく簡
素化することができる。また、入力信号の制御や演算、
さらに発光部の駆動回路等を発光部と一体の基板上に集
積化することが可能で、これらを含めた系の小型高機能
化がはかれる。

【００１６】即ち、受光部，入力信号処理回路，発光部
駆動回路も例えばシリコンを基板として、かつ互いに整
合性のあるプロセスで作成し、両者を集積化可能にする
ことができる。具体的には、発光部としてシリコンを陽
極エッチングして得られる多孔質シリコン層に、ｐｎ接
合を形成する半導体結晶層、又は電界を与える導電層を
組み合わせた構造を用い、受光部としては従来より公知
のシリコン光電変換素子構造或いは多孔質シリコン構造
を用いる。そして、この両者を同一の基板上、或いはシ
リコンウェハを絶縁層を介して接着して得たＳＯＩ基板
上に形成する、或いは各々別々のウェハプロセスで作成
し、ウェハレベルで接着することによって、目的の結合
素子を得ることが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１８】図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体発光素子の概略構成を示す断面図である。図中１１
はｐ⁺ 型シリコン単結晶基板であり、この基板１１上に
ｐ型シリコン層１２，ｐ型多孔質シリコン層（半導体多
孔質層）１３，ｎ型ＧａＰ層（半導体結晶層）１４が積
層されている。基板１１の裏面にはｐ側電極１５が形成
され、ＧａＰ層１４上の一部にはｎ側電極１６が形成さ
れている。

【００１９】各層の具体的な製造方法としては、基板１
１上に厚さ４〜５μｍのｐ型シリコン層１２を成長形成
し、このシリコン層１２の表面を陽極エッチング加工し
て厚さ１μｍの多孔質シリコン層１３に形成し、この多
孔質シリコン層１３上に厚さ３〜５μｍのｎ型ＧａＰ層
１４をＭＯＣＶＤ法で成長形成した。

【００２０】ここで、陽極エッチング加工としては、基
板１１の裏面を電極に接触させ、シリコン層１２の表面
に負電圧の白金電極を対向配置し、シリコン層１２の表
面を弗酸水溶液に浸漬する。これにより、シリコン表面
から深さ方向に向かって電解エッチングが進行し、多孔
質層が形成される。また、ｎ型ＧａＰ層１４は、シリコ
ン多孔質層１３よりも禁制帯幅の大きな半導体結晶層で
あればよく、III-V 族化合物半導体結晶としてのＧａＡ
ｌＩｎＰや、II-V族化合物半導体結晶としてのＺｎＳ，
ＺｎＳｅ，ＺｎＳＳｅ等を用いてもよい。

【００２１】このような構成によって、約２．５Ｖの印
加電圧でピーク波長６５０ｎｍの明るい赤色発光が観測
された。なお、多孔質シリコン層１３に直接電極を付け
たものは発光が確認できる程度の微小なものであった。

【００２２】図２は、本発明の第２の実施例に係わるＯ
ＥＩＣの概略構成を示す断面図である。なお、図１と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略す
る。本実施例の特徴は、発光素子とＭＯＳ型の集積回路
素子を同一基板上に一体形成したことにある。

【００２３】即ち、ｐ型シリコン層１２には先の実施例
と同様の発光素子が形成されると共に、これに隣接して
ＭＯＳトランジスタからなる電子回路が形成されてい
る。なお、図中２１はソース、２２はドレイン、２３は
ゲート絶縁膜、２４は層間絶縁膜、２５はゲート電極、
２６はソース電極、２７をドレイン電極を示している。
また、図には示さないが、基板１１には上記の発光素子
及び電子回路と共に、光結合部や受光素子等が形成され
ている。

【００２４】上記の集積の機能形態を図３に示す。３１
は半導体機能素子チップ、３２は本発明に基づく１ない
し複数個の発光素子、３３は光結合部、３４は１ないし
複数個の受光素子、３５は電子回路を示す。発光素子３
２の周辺に３３から３５までの機能素子のいずれかが集
積されたことにより、多様な機能システムの構築が可能
となった。

【００２５】なお、第１，２の実施例で示した発光素子
で半導体多孔質層には多孔質シリコンを用いたが、類似
の量子構造作成が可能な材料であればシリコンに限定さ
れるものではない。また、半導体結晶積層技術として実
施例においてはＭＯＣＶＤ法を用いたが、この手法に限
らずＭＢＥ等のエピタキシャル成長法，静電接着或いは
直接接着等を用いることも可能である。

【００２６】図４は本発明の第３の実施例に係わる半導
体発光素子の概略構成を示す断面図である。図中４１は
低抵抗シリコン基板、４２は第１の絶縁層、４３はシリ
コン結晶層、４４は第２の絶縁層、４５は多孔質シリコ
ン層、４６は第３の絶縁層、４７は透光性電極、４８は
下部電極である。このように多孔質シリコン層４５を上
下とも絶縁膜で挟む構造にすることによって、その絶縁
膜に積層して隣接した電極或いは導電層から容易に高電
界を印加することができ、これによって良好なエレクト
ロルミネッセンスを得ることができる。

【００２７】一般に、多孔質シリコン層を作成するため
には、シリコン結晶層の裏面に電極を設けて、表面のみ
を弗酸水溶液中に浸漬し、白金電極を負電圧の対向電極
として電解エッチングする。これによって、シリコン表
面から深さ方向に向かって電解エッチングが進行し、多
孔質層が形成される。この場合、エッチングには、必ず
電流を流す電極が多孔質シリコン層と接続している必要
があり、従来の方法では実施例に示したような多孔質シ
リコン層の下面が絶縁層に接しているような構成は実現
できない。

【００２８】そこで本発明者らは、このような構成を実
現する方法として、種々検討した結果、シリコンウェハ
の直接接着技術などによって得られた、シリコン層が絶
縁膜上に形成されたいわゆるＳＯＩ基板を用い、さらに
ラテラル方向の電解を用いることによって、これを実現
できることを見出した。

【００２９】具体的な製造工程を図５を参照して説明す
る。まず、図５（ａ）に示すように低抵抗シリコン基板
４１上に絶縁層４２を介してシリコン結晶層４３を設け
た素子形成基板を形成する。より具体的には、表面に酸
化膜を形成した２枚のシリコン基板同士を直接接着し、
上側の基板を所望の素子厚みとなるよう機械研磨してシ
リコン結晶層４３を形成する。本実施例ではシリコン結
晶層４３の厚みを１〜２０μｍの間とした。

【００３０】次いで、図５（ｂ）に示すように絶縁マス
ク層４４として、熱酸化膜の酸化シリコン膜とＣＶＤ法
による窒化シリコン膜を積層形成し、これを周知のリソ
グラフィによってパターニングして、エッチング領域５
１を開口形成した。さらに、本発明における作成方法の
特徴であるエッチング電極取出し領域５２をウェハ内の
別の場所に開口形成した。

【００３１】次いで、図５（ｃ）に示すように、電極取
出し領域５２にエッチング電極５３を接続し、エッチン
グ領域５１を弗酸中に浸漬し、電解エッチングした。こ
の際のエッチング液には弗酸（49％）をそのまま用いた
が、エッチング面をより均一にするために、エタノール
を混合してもよい。なお、エッチング領域５１に対向す
る対向電極には白金のプレートを用いた。

【００３２】白金電極側をマイナス、シリコン側をプラ
スとして定電圧電源から電流を供給し、電解エッチング
を行った。この際の電流密度は１０ｍＡ〜８０ｍＡの範
囲で調整した。なお、陽極エッチング加工に際しては、
シリコン多孔質層の多孔度を上げ発光効率を向上させる
ために、エッチング中にタングステンランプを近傍から
照射することも有効であった。エッチング時間は開口部
の発光領域が底部まで多孔質になるよう条件出しを行っ
て決定したが、例えば厚さ５μｍ，開口部直径２０μｍ
の時には、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ² で１０〜２０分程
度であった。これは、ランプ照射等の条件によっても変
化した。

【００３３】以上により、シリコン結晶４３中に多孔質
シリコン層４５を形成した。この多孔質シリコン層４５
は電解エッチング後に、さらに弗酸中に浸漬エッチング
させてもよい。この後、エッチング，電流密度，光照
射，エッチング液組成などを調整することによって、発
光波長及び効率を変化させることができる。

【００３４】次いで図５（ｄ）に示すように、多孔質シ
リコン層４５の上に上部絶縁層４６として、例えばスパ
ッタ法により窒化シリコン膜を形成した。この際に、発
光特性を低下させないためにはできるだけ低温での成膜
及び酸化性の雰囲気を下げることが重要であった。勿
論、膜の形成方法，膜材料は上述の例に限定されるもの
ではない。例えば、低温のプラズマＣＶＤ法やＥＣＲＣ
ＶＤ法など、さらに電子ビーム蒸着法等を用いてもよ
い。材料としては、酸化シリコン膜，酸化アルミニウム
膜等でもよいが、シリコン多孔質層の発光特性を良好に
保つためには非酸化物の方がより望ましかった。

【００３５】これ以降は、スパッタ法で透光性電極４７
としてＩＴＯ膜を形成し、さらに基板４１の裏面に下部
電極４８として金属膜を形成することによって、前記図
４に示す構造が実現されることになる。

【００３６】このようにして構成した素子の上下の電極
４７，４８間に交流電圧を印加して駆動したところ、従
来のＥＬ素子に比べパワー変換効率が約２倍に改善さ
れ、従来より低い印加電圧で実用上十分な高輝度特性が
得られた。また、発光面の輝度分布の均一性も良好であ
った。

【００３７】図６は、本発明の第４の実施例に係わるＯ
ＥＩＣの概略構成を示す断面図である。なお、図５と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略す
る。この実施例は、第３の実施例素子の上に受光素子を
形成したものである。

【００３８】４１〜４８からなる発光素子の上に透明絶
縁層６１を介してｐ型シリコン層６２が形成され、この
シリコン層６２上に絶縁層６３が形成されている。絶縁
層６３の一部には開口が設けられ、この開口から不純物
拡散によりｎ型層６４が形成されている。そして、この
ｎ型層６４上に電極６５が形成されている。

【００３９】ここで、受光素子部のシリコンのタイプは
ｐｎ接合が実現できれば逆でもよいし、材料自体も単結
晶に限らず多結晶や非晶質でもよい。例えば、透明絶縁
層６１に非晶質シリコン層を直接プラズマＣＶＤ法で形
成し、その一部にｐｎ接合を形成してもよい。また、こ
の受光素子部はシリコンに限定されるものではなく、他
の半導体材料を用いてもよい。さらに、この構成は単独
の受発光部の組み合わせに限定されるものではなく、各
々をアレイやマトリックス状に複数形成して、多チャネ
ルの結合を行えるようにしてもよい。さらに、受光部１
ユニットに対して、発光部をマトリックスなど複数の素
子から構成して、発光素子数を受光強度に換算させるな
どの論理回路形成に用いてもよい。

【００４０】また、発光素子部には多孔質の構造のみで
はなく、これに最適な交流電圧を印加させる回路部を同
時に形成させてもよい。さらに、上述の各要素部をシリ
コンの直接接着技術を用いた同一のＳＯＩ基板上に各々
絶縁分離して形成し、集積化してもよい。

【００４１】図７は、本発明の第５の実施例に係わるＯ
ＥＩＣの概略構成を示す断面図である。この実施例で
は、シリコン基板７１に絶縁層７２を介して直接接着し
たシリコン基板を適当な厚みに研磨調整して、複数の島
にパターニングしたのちに、各島に駆動回路７３，多孔
質発光部７４，受光素子７５を形成し、必要な領域間は
配線７６を形成して相互を接続した。

【００４２】このようにして、一体のシリコン基板上
に、光結合素子に必要な全ての要素を集積化することが
できる。しかも、受発光素子間は完全に電気的に絶縁す
ることができる。

【００４３】図８は、本発明の第６の実施例に係わるフ
ォトリンタラプタの概略構成を示す断面図である。ｐ⁺
型シリコン基板８１を発光素子部の下部導電層とし、こ
の基板８１上に絶縁層８３を介してｐ型シリコン層８４
を積層し、前述の方法によってシリコン層８４の一部に
多孔質シリコン層８５を形成した。さらに、受光素子用
として、シリコン層８４の表面の一部にｎ⁺ 拡散層８６
を形成した。この上に透明絶縁層８７を形成し、必要な
部分を開口した。絶縁層８７上に透明電極８８を形成
し、基板８１の裏面に金属電極８９を形成した。また、
発光素子部と受光素子部の間には基板表面から突出する
ように遮光壁９１を形成し、両者の間を遮光した。

【００４４】このような構成において、通常は発光素子
部からの光は遮光壁９１により遮られて受光素子部に照
射されることはない。被検出対象物が接近すると、発光
素子部からの光が反射して受光素子部に到達し、出力変
化を生じる。これを用いて、非接触の接近対象物センサ
を実現することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１）
によれば、多孔質半導体層の優れた発光特性を生かした
良質のｐｎ接合を形成することができ、シリコン等の集
積回路用の基板にＯＥＩＣ等に適した発光素子を実現す
ることができる。そして、複数個の発光素子を１枚の基
板に電子回路と共存する形で形成することが容易に可能
となる。従って、これまでにない新しい半導体機能デバ
イス、種々の機能素子が生み出されることになり、その
効果はオプトエレクトロニクス技術分野に対して大きな
技術革新を推進すると考えられる。

【００４６】また、本発明（請求項２）によれば、従来
困難であったシリコンを初めとする広範な半導体を元に
した高効率の発光素子を実現することができる。また、
発光素子部とその駆動回路或いは論理演算回路などの周
辺の必要な電子回路を、同様なプロセスで同一基板上に
形成することができる。また、発光素子部だけに止まら
ず、受光素子部との一体形成が発光素子部と同じ材料を
元にして可能になる。さらに、この基本構造を元にして
非常に小型で高機能の光結合素子、光インタラプタなど
の光集積素子を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体発光素子の概略構
成を示す断面図、

【図２】第２の実施例に係わるＯＥＩＣの概略構成を示
す断面図、

【図３】第２の実施例素子の集積形態を示す平面図、

【図４】第３の実施例に係わる半導体発光素子の概略構
成を示す断面図、

【図５】第３の実施例素子の製造工程を示す断面図、

【図６】第４の実施例に係わるＯＥＩＣの概略構成を示
す断面図、

【図７】第５の実施例に係わるＯＥＩＣの概略構成を示
す断面図、

【図８】第６の実施例に係わるフォトリンタラプタの概
略構成を示す断面図。

【符号の説明】

１１…ｐ⁺ 型シリコン単結晶基板、１２…ｐ型シリコン層、１３…ｐ型多孔質シリコン層（半導体多孔質層）、１４…ｎ型ＧａＰ層（半導体結晶層）、１５…ｐ側電極、１６…ｎ側電極、４１…低抵抗シリコン基板、４２…第１の絶縁層、４３…シリコン結晶層、４４…第２の絶縁層、４５…多孔質シリコン層、４６…第３の絶縁層、４７…透光性電極、４８…下部電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者八木均神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体多孔質層と第２導電型
の半導体結晶層とを積層してｐｎ接合を形成し、半導体
多孔質層の禁制帯幅に対し半導体結晶層の禁制帯幅を大
きくしてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】半導体多孔質層と、この半導体多孔質層の
両面に絶縁層又は高抵抗層を介して積層された導電層と
を具備してなり、前記導電層に電圧を印加して前記半導
体多孔質層を発光させることを特徴とする半導体発光素
子。