JPH06310816A - シリコン微結晶発光媒質及びそれを用いた素子 - Google Patents

シリコン微結晶発光媒質及びそれを用いた素子

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JPH06310816A
JPH06310816A JP12087893A JP12087893A JPH06310816A JP H06310816 A JPH06310816 A JP H06310816A JP 12087893 A JP12087893 A JP 12087893A JP 12087893 A JP12087893 A JP 12087893A JP H06310816 A JPH06310816 A JP H06310816A
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JP
Japan
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silicon
medium
laser
crystallite
microcrystal
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JP12087893A
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Takahiro Matsumoto
貴裕 松本
Toshirou Futaki
登史郎 二木
Shusuke Mimura
秀典 三村
Teruyuki Tamaki
輝幸 玉木
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 間接遷移型シリコン半導体を1〜20nmの
サイズに微結晶化しその表面にシリコンクラスターを結
合させることによって高効率な発光を引き起こさせるこ
とを目的とする。 【構成】 シリコン微結晶発光媒質を光または電気的な
手法を用いて励起することによってキャリアの生成が微
結晶内で起こるようになる。生成されたキャリアはこの
微結晶表面に付着した発光媒体であるシリコンクラスタ
ーに効率よくトランスファーされる。この結果、表面の
シリコンクラスター準位には反転分布状態が形成され、
レーザー発振が引き起こされるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン微結晶発光媒
質及びこれを用いた素子に関するもので、光通信、自発
光型ディスプレー、光源、光集積回路等に用いることが
出来る。
【0002】
【従来の技術】シリコン半導体は間接遷移型半導体であ
るために発光素子の実現は不可能であるとされてきた。
そのため、従来より発光素子にはII−VI属、III −V 属
並びにIV−VI属の化合物半導体が用いられてきた。しか
しこれらの半導体はシリコン半導体と比較して、材料
の安定性が悪い,単結晶作製技術が低く大面積の基板
を安価に供給できない,デバイス設計、作製技術が低
いため高集積化が難しく信頼性の高い論理、演算、駆動
回路を作ることが難しい,材料が有害であり、廃物処
理を行う際大きな環境問題を引き起こす,等数々の問題
点を持つ。
【0003】そこでシリコン半導体をナノメーター構造
にして発光させる試みが幾つかなされている。その例と
して、Si/SiX Ge1-X の超格子を作製してバン
ドの折り返し効果により直接遷移型半導体構造を作り出
す方法(E.A.Montie et al.,App
l.Phys.Lett.56,340(199
0)),シリコンの一次元鎖構造(ポリシラン)を作
製して一次元励起子閉じ込め効果により高効率な発光を
生み出す方法(S.Furukawa et al.,
Phys.Rev.B31,2114(1985)),
シリコンを数ナノメーターのサイズに微結晶化しキャ
リアの閉じ込め効果を引き起こすことによって高効率な
発光を生み出す方法(H.Takagi et a
l.,Appl.Phys.Lett.56,2379
(1990)),等があるが単に量子閉じ込め効果を発
光に結び付けようとする上記,,の方法は発光効
率の低さ、材料の安定性等に問題点を持つ。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実情に基
づいてなされたものであり、シリコン間接遷移型半導体
から非常に高効率な発光、ひいてはレーザー発振をおこ
させることを目的としたものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に関する間接遷移
型半導体から高輝度な発光及びレーザー発振をおこさせ
る方法はナノメートルオーダーのシリコン微結晶と微結
晶の表面にシリコン原子の個数が1〜100個程度の数
で構成されるシリコンクラスターを結合させた系を用い
ることを特徴としている。
【0006】
【作用】以下本発明の作用について図1を参照しながら
説明する。バルクのシリコン結晶は図1(a)に示すよ
うに間接遷移型のバンド構造を有するため発光の効率は
非常に弱い。ところがこのシリコン半導体を1〜20n
mの微結晶サイズにすることによって、この中に励起さ
れたキャリアは微結晶内に強く閉じ込められ、量子力学
的効果を引き起こすようになる。この量子力学的効果は
図1(b)に示すように、価電子帯と導伝帯の間のエネ
ルギーギャップをワイドニングさせ、かつそのバンド構
造を不連続準位化させるようになる。この結果図1
(a)に示すように、通常の結晶シリコンが有する連続
準位に較べて、量子閉じ込め効果によって形成された不
連続準位内では図1(b)に示すようにフォノンの放出
による緩和が抑制され準位内の緩和時間が非常に遅くな
ることが期待される(およそnsからmsのオーダ
ー)。
【0007】ところで1〜20nmの微結晶内で励起さ
れたキャリアはその微結晶表面または界面にfsからp
sのオーダーで非常に速くキャリアトランスファーする
ことが知られている(T.Matsumoto et
al.,ExtendedAbstract of t
he International Conferen
ce on Solid State Devices
and Materials,Tsukuba,19
92,pp.478)。そこでこのシリコン微結晶表面
にシリコンクラスター等のような発光媒体を結合させて
おくと微結晶内で励起されたキャリアが非常に効率よく
表面の発光媒体にトランスファーされるようになる。こ
の発光媒質を光または電気的手法を用いて励起すること
によって、図2に示すようにキャリアの生成は微結晶内
で起こり、発光は微結晶表面のシリコンクラスターで起
こる、4準位が関与する緩和過程が引き起こされる。こ
の表面に結合したシリコンクラスターはnsからmsの
非常に遅い緩和を示すので図2に示すように励起の強度
を上げていくことによって表面準位には反転分布状態が
容易に形成されるようになり、最終的にレーザー発振を
引き起こすことが可能となる。
【0008】上記シリコンクラスターとしては図3
(a),(b),(c)に示すように、線状のもの、平
面状のもの、または立体構造を持つものなどが考えられ
る。このようなナノメートル構造を持つシリコン半導体
微結晶を図4のように配置することによって実際にこれ
らの媒質からレーザー発振を起こさせることが可能にな
る。この方法を用いて発光またはレーザー発振の波長を
短波長化するには、微結晶サイズ並びにクラスターサイ
ズを小さくすればよい。即ち、微結晶内のバンド端は微
結晶サイズを小さくしていくことによって高エネルギー
側にシフトさせることができる。このとき表面に結合し
ているシリコンクラスターの種類、次元または大きさを
同時に小さくすることによって、表面準位も同時に高エ
ネルギー側にシフトすることになるので、より高エネル
ギー領域での発光ならびにレーザー発振が可能となる。
この結果、300nmから2μmの間で波長可変なレー
ザー媒質を、シリコン系材料で構成することが可能とな
る。
【0009】このとき上記1〜20ナノメートルオーダ
ーのシリコン微結晶は次のような方法で作製することが
可能である。シリコン基板またはポリシリコン膜等を
HF中で陽極化成する方法、シリコン基板またはポリ
シリコン膜等をKOH溶液等で異方性エッチングする方
法、シリコン基板とSiO2 ガラスをRFスパッター
する方法、シリコン基板をレーザーアブレーションす
る方法、シリコン基板をアルゴンガスでスパッターし
た後アルゴンガス中で蒸着する方法。また図3に示すよ
うなシリコンクラスターは、有機合成法、シリコン
基板をレーザースパッタリングする方法、シリコン基
板をアルゴンガスでスパッタリングする方法、等を用い
て作製される。これらの微結晶とシリコンクラスターを
気相中または液相中で反応させることによって微結晶表
面をクラスターの凝集状態にすることができる。
【0010】また、この様な方法以外にも、微結晶表面
に例えば水素または水酸基のような一価の安定な原子、
基または分子を気相中または液相中で結合させ、微結晶
表面をこれらの結合で終端するような方法も考えられ
る。これらの方法によって微結晶表面を疑似的に強く発
光するシリコンクラスターの凝集した状態にさせること
ができる。以上の様な方法を用いることによって発光効
率の高く安定な発光媒質を作製することが可能となる。
【0011】
【実施例】以下本発明の詳細を実施例に基づき図を参照
しながら説明する。 (実施例1)図4は本発明における間接遷移型半導体微
結晶の量子効果を利用したレーザー発振の1実施例を示
す模式図である。ポンピングレーザー光1を半導体微結
晶媒質2に照射することによって図2に示したように微
結晶内で励起されたキャリアが表面準位にトランスファ
ーし表面準位には反転分布が形成されることになる。こ
のときポンピングレーザー光としては、CW−Arイオ
ンレーザー、パルスYAGレーザーの第二、第三高調
波、CW He−Cdレーザー等が適当である。微結晶
媒質をミラー3,4ではさみ、共振器を組むことによっ
てレーザー発振5を引き起こすことが可能となる。
【0012】このときミラー3は全反射するものを、ま
たミラー4は数%から数十%透過するものを選ぶ。この
ときポンプレーザー光強度が高い場合には微結晶媒質が
熱的にまたは空気中の酸素によって損傷または酸化を受
け易い状態にあるので媒質2をペルチェ素子6等で冷却
を行う。微結晶媒質の表面が光学的に粗い場合、または
微結晶が空気中の酸化に対して弱い場合にはその表面に
屈折率が同じで可視光に対して透明であり空気中で安定
なARコート膜7を微結晶媒質2の両面にコートする。
このコートによって微結晶表面が粗い場合でも光散乱に
よる損失を抑えることができるようになるので上記手法
はレーザー発振をさせる際に非常に有効な手法となる。
【0013】(実施例2)図5は電流注入でシリコン半
導体微結晶からレーザー発振を起こさせるための実施例
を示す図である。シリコン半導体微結晶膜2を2と同じ
屈折率を持つ導電性の膜8で挟み、粗い表面を持つ膜構
造においても散乱による損失が少なくなるようにする。
その膜8の両側にシリコン半導体微結晶膜2に電流注入
を行うためのP型層の膜9とN型層の膜10を付ける。
このときP型層の膜9とN型層の膜10はシリコン微結
晶膜2と較べて広いギャップを有する半導体膜でなけれ
ばならないので微結晶を含有する非晶質シリコンカーボ
ン膜等が適している。この微結晶含有シリコンカーボン
膜のP型はB2 6 ガスを入れることによって、またN
型はPH3 を入れることによって作製することができ
る。このP型およびN型注入層の両側に共振器を構成す
るための反射膜11,12を付けることによってシリコ
ン半導体微結晶を用いた電流注入型のレーザーを構成す
ることが可能となる。このとき反射膜としては300n
mから2μmの光の波長を反射しかつ導電性を有する
金,アルミ等の金属または、半導体の多層膜等が適して
いる。この結果、通常の集積回路の駆動電圧と同じ電圧
で十分な輝度をもつ面発光レーザーを作製することが可
能となる。
【0014】
【発明の効果】本発明によればシリコン半導体をナノメ
ートルオーダーの微結晶サイズにすることによって波長
可変なレーザー発振を起こさせることができるので自発
光型ディスプレー、光通信、光集積回路、等の高輝度な
光源をシリコン半導体で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シリコンバルクのバンド構造及びシリコン微結
晶のバンド構造を示す模式図である。
【図2】微結晶表面準位からレーザー発振することを示
す模式図である。
【図3】1次元、2次元、3次元シリコンクラスターを
示す模式図である。
【図4】光励起によりシリコン微結晶をレーザー発振さ
せるための1実施例を示す図である。
【図5】電流注入によりシリコン微結晶をレーザー発振
させるための1実施例を示す図である。
【符号の説明】
1 ポンピングレーザー光 2 シリコン半導体微結晶媒質 3,4 ミラー 5 レーザー発振 6 ペルチェ素子 7 ARコート膜 8 レーザー媒質との屈折率マッチングをとった導電
性膜 9 P型層 10 N型層 11,12 反射膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 秀典 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新日 本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者 玉木 輝幸 神奈川県相模原市淵野辺5丁目10番1号 新日本製鐵株式会社エレクトロニクス研究 所内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直径が1〜20nmのシリコン微結晶表
    面にシリコン原子の個数が、1〜100個からなるシリ
    コンクラスターを結合させたシリコン微結晶媒質。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のシリコン微結晶媒質を有
    する発光素子。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のシリコン微結晶媒質を有
    するレーザ素子。
  4. 【請求項4】 前記シリコン微結晶媒質の表面が光学的
    に粗い場合、この媒質と屈折率がほぼ同じで可視光に対
    して透明な無反射コートを施したことを特徴とする請求
    項2記載の発光素子。
  5. 【請求項5】 前記シリコン微結晶媒質の表面が光学的
    に粗い場合、この媒質と屈折率がほぼ同じで、可視光に
    対して透明な無反射コートを施したことを特徴とする請
    求項3記載のレーザ素子。
  6. 【請求項6】 前記無反射コート膜は導電性を有するも
    のであることを特徴とする請求項4記載の発光素子。
  7. 【請求項7】 前記無反射コート膜は導電性を有するも
    のであることを特徴とする請求項5記載のレーザ素子。
  8. 【請求項8】 前記導電性を有する無反射コート膜を施
    したシリコン微結晶媒質の両側に、該媒質より広いバン
    ドギャップを有するP型およびN型の半導体膜を付け電
    流注入で発光させることを特徴とする請求項6記載の発
    光素子。
  9. 【請求項9】 前記PN接合半導体膜の両側に、300
    nmから2μmの波長の光を反射し、かつ導電性を有す
    る膜をつけ電流注入でレーザ発振を引き起こさせること
    を特徴とする請求項7記載のレーザ素子。
JP12087893A 1993-04-23 1993-04-23 シリコン微結晶発光媒質及びそれを用いた素子 Withdrawn JPH06310816A (ja)

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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