JPH1117216A - 発光素子材料の製造方法 - Google Patents
発光素子材料の製造方法Info
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- JPH1117216A JPH1117216A JP17132797A JP17132797A JPH1117216A JP H1117216 A JPH1117216 A JP H1117216A JP 17132797 A JP17132797 A JP 17132797A JP 17132797 A JP17132797 A JP 17132797A JP H1117216 A JPH1117216 A JP H1117216A
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- porous
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】 Erを細孔に電着させた多孔質Si基板を熱
処理して多結晶化することで耐久性に優れた発光素子を
得る。 【解決手段】 電気化学的エッチング等によりP型Si
基板1の表面に多数の細孔を形成後、Si基板を負極と
してErイオン含有電解液(Er Cl3 5〜50w
t%のメタノール溶液)中で電解する。細孔表面に付着
したErを酸化処理して発光体Er2O3に転化後、熱
処理して多孔質構造を多結晶構造に変える。基板は単結
晶、多結晶,非晶質Siの何れでもよく、酸化処理は高
温短時間がよい。Si基板の裏側にはBをイオン注入し
てP+層を形成した上にAl電極2を蒸着する。基板の
表面側には前記の方法で高濃度のErを含む発光層3を
形成し、その上にPを大量ドープしたn+Siのエピタ
キ成長膜4を形成する。この多層膜にメサエッチングで
V溝を形成し、その表面に形成した酸化膜5をエッチ除
去し成長膜上にAl電極6を蒸着してPn接合型発光素
子を得る。
処理して多結晶化することで耐久性に優れた発光素子を
得る。 【解決手段】 電気化学的エッチング等によりP型Si
基板1の表面に多数の細孔を形成後、Si基板を負極と
してErイオン含有電解液(Er Cl3 5〜50w
t%のメタノール溶液)中で電解する。細孔表面に付着
したErを酸化処理して発光体Er2O3に転化後、熱
処理して多孔質構造を多結晶構造に変える。基板は単結
晶、多結晶,非晶質Siの何れでもよく、酸化処理は高
温短時間がよい。Si基板の裏側にはBをイオン注入し
てP+層を形成した上にAl電極2を蒸着する。基板の
表面側には前記の方法で高濃度のErを含む発光層3を
形成し、その上にPを大量ドープしたn+Siのエピタ
キ成長膜4を形成する。この多層膜にメサエッチングで
V溝を形成し、その表面に形成した酸化膜5をエッチ除
去し成長膜上にAl電極6を蒸着してPn接合型発光素
子を得る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信,自発光ディス
プレー,光集積回路,発光源等に使用される発光素子材
料の製造方法に関する。
プレー,光集積回路,発光源等に使用される発光素子材
料の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】Siに希土類元素を注入すると、Si中
の酸素原子と希土類元素のイオンとの結合による発光が
生じる。なかでも、Erは、光ファイバの損失が最も少
ない波長に相当する1.54μmの発光を呈するため、
光通信,光集積回路等への応用が期待されている。たと
えば、Appl.Phys.Lett.43,p943
−945(1983)では、ErをSi基板中にイオン
インプランテーションすることにより、6Kの温度で
1.54μmのホトルミネッセンス特性を示すことが報
告されている。
の酸素原子と希土類元素のイオンとの結合による発光が
生じる。なかでも、Erは、光ファイバの損失が最も少
ない波長に相当する1.54μmの発光を呈するため、
光通信,光集積回路等への応用が期待されている。たと
えば、Appl.Phys.Lett.43,p943
−945(1983)では、ErをSi基板中にイオン
インプランテーションすることにより、6Kの温度で
1.54μmのホトルミネッセンス特性を示すことが報
告されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】Erを注入した発光素
子で十分な発光強度を得るためには、高濃度でErを注
入する必要がある。しかし、従来のイオンインプランテ
ーション法では、Erイオンが重いため、Er3+ビーム
を安定に得難い。また、Si基板へ数μmの深さでEr
3+を打ち込むために大きな加速電圧を必要とする。しか
も、Si基板前面にEr3+イオンを打ち込む際に、数m
m2 のイオンビームをウェーハ全体にわたって長時間ス
キャンさせることが必要になる。このようなことから、
Si基板全体へのErイオン注入濃度は、1019個/c
m3 程度の低濃度に止まる。高濃度でEr3+を単結晶S
iに注入することには限界があり、必要とする発光強度
に必要な濃度までEr注入量を多くすることは困難であ
る。また、イオンインプランテーション法では、Erイ
オンを高速でSi基板に打ち込むため、点欠陥,線欠
陥,ループ欠陥,転位等の欠陥が生成し易い。このよう
な欠陥があると発光効率が低下し、必要とする発光素子
が得られない。Er注入の基板には、単結晶Siの外に
ポリSi,非晶質Si,多孔質Si等を使用する試みも
検討されている。この場合には、単結晶Si基板と比較
して多量のErイオンを注入できるが、多量注入によっ
て点欠陥,線欠陥,転位等の欠陥が発生し易い。その結
果、注入量の増加は、却って発光効率を低下させる原因
となる。
子で十分な発光強度を得るためには、高濃度でErを注
入する必要がある。しかし、従来のイオンインプランテ
ーション法では、Erイオンが重いため、Er3+ビーム
を安定に得難い。また、Si基板へ数μmの深さでEr
3+を打ち込むために大きな加速電圧を必要とする。しか
も、Si基板前面にEr3+イオンを打ち込む際に、数m
m2 のイオンビームをウェーハ全体にわたって長時間ス
キャンさせることが必要になる。このようなことから、
Si基板全体へのErイオン注入濃度は、1019個/c
m3 程度の低濃度に止まる。高濃度でEr3+を単結晶S
iに注入することには限界があり、必要とする発光強度
に必要な濃度までEr注入量を多くすることは困難であ
る。また、イオンインプランテーション法では、Erイ
オンを高速でSi基板に打ち込むため、点欠陥,線欠
陥,ループ欠陥,転位等の欠陥が生成し易い。このよう
な欠陥があると発光効率が低下し、必要とする発光素子
が得られない。Er注入の基板には、単結晶Siの外に
ポリSi,非晶質Si,多孔質Si等を使用する試みも
検討されている。この場合には、単結晶Si基板と比較
して多量のErイオンを注入できるが、多量注入によっ
て点欠陥,線欠陥,転位等の欠陥が発生し易い。その結
果、注入量の増加は、却って発光効率を低下させる原因
となる。
【0004】一部では、多孔質Siの表面にErを電気
化学的に付着させることも試みられている。たとえば、
Appl.Phys.Lett.65,p983(19
94)では、比抵抗が数Ω・cmのp型(100)Si
基板を用い、フッ化水素酸溶液中で1〜8mA/cm2
の電流を供給する陽極化成処理により多孔質Siを作製
し、次いでErCl3 を解かしたエタノール溶液中に多
孔質Siをカソードとして浸漬し、Er3+を多孔質Si
の表面に電着させることが報告されている。しかし、多
孔質Siは脆い構造であり、しかも電流注入型発光素子
を作製する場合には多孔質Siと電極との接点が非常に
小さいので、Erを電着させた多孔質Si発光素子は、
接点に大きな電界がかかり、寿命が極端に短い。本発明
は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、Erを細孔に電着させた多孔質Siをアニーリング
で多結晶化することにより、発光特性に優れた良質の膜
を作製することを目的とする。
化学的に付着させることも試みられている。たとえば、
Appl.Phys.Lett.65,p983(19
94)では、比抵抗が数Ω・cmのp型(100)Si
基板を用い、フッ化水素酸溶液中で1〜8mA/cm2
の電流を供給する陽極化成処理により多孔質Siを作製
し、次いでErCl3 を解かしたエタノール溶液中に多
孔質Siをカソードとして浸漬し、Er3+を多孔質Si
の表面に電着させることが報告されている。しかし、多
孔質Siは脆い構造であり、しかも電流注入型発光素子
を作製する場合には多孔質Siと電極との接点が非常に
小さいので、Erを電着させた多孔質Si発光素子は、
接点に大きな電界がかかり、寿命が極端に短い。本発明
は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、Erを細孔に電着させた多孔質Siをアニーリング
で多結晶化することにより、発光特性に優れた良質の膜
を作製することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、そ
の目的を達成するため、電気化学的エッチング又はマス
クパターンを用いたメサエッチングによりSi基板の表
面に多数の細孔を形成した後、Si基板を陰極として希
土類金属イオン含有電解液中で電解することにより細孔
表面に希土類金属イオンを付着させ、付着した希土類金
属を酸化処理し、次いで多孔質構造を多結晶構造にする
アニーリングを施すことを特徴とする。
の目的を達成するため、電気化学的エッチング又はマス
クパターンを用いたメサエッチングによりSi基板の表
面に多数の細孔を形成した後、Si基板を陰極として希
土類金属イオン含有電解液中で電解することにより細孔
表面に希土類金属イオンを付着させ、付着した希土類金
属を酸化処理し、次いで多孔質構造を多結晶構造にする
アニーリングを施すことを特徴とする。
【0006】Si基板としては、単結晶Si,多結晶S
i,非晶質Si等が使用される。Er含有電解液として
は、ErCl3 質量濃度5〜50%のエタノール溶液が
好ましい。酸化処理は、内部まで酸化されないように高
温短時間(具体的には、1200〜1400℃に10〜
60秒)の加熱が好ましい。また、過酸化水素水又は質
量濃度1〜10%の水酸化リチウム溶液に1〜60秒浸
漬する酸化処理も採用可能である。多孔質化の程度によ
っては、アニーリングでSi基板表面を十分に多結晶化
できないことがある。このような場合、アニーリングに
先立って、酸化処理されたSi基板表面にある細孔をS
i粉末で充填する方法,酸化処理されたSi基板の表面
にSiをエピタキシャル成長させる方法等が採用され
る。以下の説明では、希土類金属としてErを例にとっ
て説明するが、本発明はこれに拘束されるものではな
く、Yb(発光波長1μm),Nd(発光波長1.06
μm)等、他の希土類元素も同様に使用可能である。
i,非晶質Si等が使用される。Er含有電解液として
は、ErCl3 質量濃度5〜50%のエタノール溶液が
好ましい。酸化処理は、内部まで酸化されないように高
温短時間(具体的には、1200〜1400℃に10〜
60秒)の加熱が好ましい。また、過酸化水素水又は質
量濃度1〜10%の水酸化リチウム溶液に1〜60秒浸
漬する酸化処理も採用可能である。多孔質化の程度によ
っては、アニーリングでSi基板表面を十分に多結晶化
できないことがある。このような場合、アニーリングに
先立って、酸化処理されたSi基板表面にある細孔をS
i粉末で充填する方法,酸化処理されたSi基板の表面
にSiをエピタキシャル成長させる方法等が採用され
る。以下の説明では、希土類金属としてErを例にとっ
て説明するが、本発明はこれに拘束されるものではな
く、Yb(発光波長1μm),Nd(発光波長1.06
μm)等、他の希土類元素も同様に使用可能である。
【0007】
【実施の形態】Si基板としては、単結晶Si,多結晶
Si,非晶質Si等が使用される。Si基板は、電気化
学的なエッチングにより表面が多孔質化される。たとえ
ば、48%フッ酸水溶液に0.1〜5倍のエチルアルコ
ールを加えた溶液にp型Si基板を浸漬し、電流密度5
〜500mA/cm2 で1〜60分間陽極処理すると、
基板表面が多孔質化される。このとき、フッ酸水溶液に
対しエチルアルコールが0.1倍未満になると、陽極処
理時に生成した泡によって多孔質化が阻害される。逆に
5倍を超えるエチルアルコールでは、多孔質の構造が極
端に脆くなるため、安定的な試料の取扱いが困難にな
る。また、電流密度が500mA/cm2 を超えると多
孔質化ではなく電解研磨が起こり始め、逆に5mA/c
m2 に満たない電流密度では長時間の処理を必要とす
る。n型基板を使用する場合には、同様な処理条件に加
え、陽極化成処理時にSi基板を光照射することが必要
である。n型Si基板から作製した多孔質Siは、p型
Si基板から作製した多孔質Siに比較して、同じ電流
密度で化成処理しても多孔度が低いため、多孔質構造が
安定になる。
Si,非晶質Si等が使用される。Si基板は、電気化
学的なエッチングにより表面が多孔質化される。たとえ
ば、48%フッ酸水溶液に0.1〜5倍のエチルアルコ
ールを加えた溶液にp型Si基板を浸漬し、電流密度5
〜500mA/cm2 で1〜60分間陽極処理すると、
基板表面が多孔質化される。このとき、フッ酸水溶液に
対しエチルアルコールが0.1倍未満になると、陽極処
理時に生成した泡によって多孔質化が阻害される。逆に
5倍を超えるエチルアルコールでは、多孔質の構造が極
端に脆くなるため、安定的な試料の取扱いが困難にな
る。また、電流密度が500mA/cm2 を超えると多
孔質化ではなく電解研磨が起こり始め、逆に5mA/c
m2 に満たない電流密度では長時間の処理を必要とす
る。n型基板を使用する場合には、同様な処理条件に加
え、陽極化成処理時にSi基板を光照射することが必要
である。n型Si基板から作製した多孔質Siは、p型
Si基板から作製した多孔質Siに比較して、同じ電流
密度で化成処理しても多孔度が低いため、多孔質構造が
安定になる。
【0008】マスクパターンを用いてメサエッチングす
ると、Si(100)基板ではV溝が、Si(110)
基板では垂直溝が形成される。V溝を使用する場合に
は、V溝全体にわたってErイオンが一様に電着するた
め、厚く且つErイオンの濃度勾配が緩やかな発光層が
形成される。他方、垂直溝では、溝の底面にErイオン
が電着するため、薄いものの、δ関数的に局部的にEr
が高濃度に注入された発光層が形成される。多孔質化さ
れたSi基板は、Erのハロゲン化物を含む電解液中で
陰極電解される。たとえば、質量濃度5〜50%のEr
Cl3 エタノール溶液を電解液として使用する場合、電
流密度0.1〜1mA/cm2 で10〜100分間陰極
電解することにより、1020〜1022個/cm3 の高濃
度でErが多孔質Siの表面に付着する。Erの付着量
は電気量で定まるが、Er付着濃度が1020個/cm 3
以上となるように電流及び供給時間が設定される。
ると、Si(100)基板ではV溝が、Si(110)
基板では垂直溝が形成される。V溝を使用する場合に
は、V溝全体にわたってErイオンが一様に電着するた
め、厚く且つErイオンの濃度勾配が緩やかな発光層が
形成される。他方、垂直溝では、溝の底面にErイオン
が電着するため、薄いものの、δ関数的に局部的にEr
が高濃度に注入された発光層が形成される。多孔質化さ
れたSi基板は、Erのハロゲン化物を含む電解液中で
陰極電解される。たとえば、質量濃度5〜50%のEr
Cl3 エタノール溶液を電解液として使用する場合、電
流密度0.1〜1mA/cm2 で10〜100分間陰極
電解することにより、1020〜1022個/cm3 の高濃
度でErが多孔質Siの表面に付着する。Erの付着量
は電気量で定まるが、Er付着濃度が1020個/cm 3
以上となるように電流及び供給時間が設定される。
【0009】Erが付着した多孔質Siは、酸化処理さ
れる。Erは、酸化処理によって発光体として有効なE
r2 O3 等に転化される。加熱酸化による場合、不活性
ガスArで0.1〜1atm.の範囲にO2 濃度を調節
した酸化性雰囲気を使用し、昇温速度200℃/秒以上
で昇温して、800〜1400℃に10〜60秒加熱し
た後、降温速度100℃/秒以上で冷却する。酸化処理
では、内部まで酸化が進行しないように800〜140
0℃×10〜60秒の高速短時間加熱が好ましい。内部
まで酸化が進行すると、膜全体が絶縁性のガラス層にな
るため、電流注入素子の作製に際して電流注入が不可能
になる。800℃未満の加熱温度や10秒に達しない加
熱時間では加熱が十分に進行せず、1400℃を超える
加熱温度や60秒を超える加熱時間では内部まで酸化さ
れるようになり、何れも好ましくない。
れる。Erは、酸化処理によって発光体として有効なE
r2 O3 等に転化される。加熱酸化による場合、不活性
ガスArで0.1〜1atm.の範囲にO2 濃度を調節
した酸化性雰囲気を使用し、昇温速度200℃/秒以上
で昇温して、800〜1400℃に10〜60秒加熱し
た後、降温速度100℃/秒以上で冷却する。酸化処理
では、内部まで酸化が進行しないように800〜140
0℃×10〜60秒の高速短時間加熱が好ましい。内部
まで酸化が進行すると、膜全体が絶縁性のガラス層にな
るため、電流注入素子の作製に際して電流注入が不可能
になる。800℃未満の加熱温度や10秒に達しない加
熱時間では加熱が十分に進行せず、1400℃を超える
加熱温度や60秒を超える加熱時間では内部まで酸化さ
れるようになり、何れも好ましくない。
【0010】酸化処理としては、過酸化水素水や質量濃
度1〜10%の水酸化リチウム溶液を用いた湿式法も採
用できる。この場合、過酸化水素水又は水酸化リチウム
溶液にEr電着膜を1〜60秒浸漬すると、膜全体が十
分に酸化される。酸化処理された多孔質Siは、レーザ
アニーリング,真空アニーリング等の処理によって脆い
多孔質構造が多結晶Siに変換される。このとき、多結
晶Siの内部にまでErが拡散し、表層のEr濃度が従
来のイオンインプランテーションに比較して1020個/
cm3 以上と高濃度になる。アニーリングには、不活性
雰囲気,真空雰囲気等の非酸化性雰囲気が使用され、た
とえば800〜1400℃に10〜60分加熱した後で
徐冷する条件が採用される。800℃未満の加熱温度や
10分に達しない短時間加熱では、多結晶化が十分に進
行しない。逆に、1400℃をこえる加熱温度や60分
を超える長時間加熱では、膜全体に均一に分散したEr
自体が再凝集を起こして、膜の発光特性を劣化させる。
度1〜10%の水酸化リチウム溶液を用いた湿式法も採
用できる。この場合、過酸化水素水又は水酸化リチウム
溶液にEr電着膜を1〜60秒浸漬すると、膜全体が十
分に酸化される。酸化処理された多孔質Siは、レーザ
アニーリング,真空アニーリング等の処理によって脆い
多孔質構造が多結晶Siに変換される。このとき、多結
晶Siの内部にまでErが拡散し、表層のEr濃度が従
来のイオンインプランテーションに比較して1020個/
cm3 以上と高濃度になる。アニーリングには、不活性
雰囲気,真空雰囲気等の非酸化性雰囲気が使用され、た
とえば800〜1400℃に10〜60分加熱した後で
徐冷する条件が採用される。800℃未満の加熱温度や
10分に達しない短時間加熱では、多結晶化が十分に進
行しない。逆に、1400℃をこえる加熱温度や60分
を超える長時間加熱では、膜全体に均一に分散したEr
自体が再凝集を起こして、膜の発光特性を劣化させる。
【0011】多孔質の程度によっては、アニールによっ
て多結晶化が十分に進行しないことがある。たとえば、
n型Si基板を使用した場合、細孔及びSiコラムの径
が数μmの大きな多孔質構造となるため、アニーリング
によって膜を平坦化できない。このような場合、酸化処
理後の多孔質SiをSiの融点1400℃以上まで加熱
し、又は多孔質Siに0.05μm程度の超微粉Siを
散布して細孔を埋め、又はSiをエピタキシャル成長さ
せることにより、Erの蒸発を抑制した条件下でアニー
ルすることが好ましい。このようにして、多孔質構造の
細孔を埋めると多結晶Siと同様な構造が得られ、ひい
ては多結晶Siと同様に温度800〜1400℃でアニ
ールできる。
て多結晶化が十分に進行しないことがある。たとえば、
n型Si基板を使用した場合、細孔及びSiコラムの径
が数μmの大きな多孔質構造となるため、アニーリング
によって膜を平坦化できない。このような場合、酸化処
理後の多孔質SiをSiの融点1400℃以上まで加熱
し、又は多孔質Siに0.05μm程度の超微粉Siを
散布して細孔を埋め、又はSiをエピタキシャル成長さ
せることにより、Erの蒸発を抑制した条件下でアニー
ルすることが好ましい。このようにして、多孔質構造の
細孔を埋めると多結晶Siと同様な構造が得られ、ひい
ては多結晶Siと同様に温度800〜1400℃でアニ
ールできる。
【0012】Erが高濃度に注入されたSiは、発光素
子,可視発光素子等に使用される。たとえば、発光素子
では、図1,2に示すような積層構造が採用される。図
1のpn接合型発光素子は、次のように作製される。p
型Si基板1の裏面にBをイオン注入してp+ 層を形成
し、p+ 層とオーミック接合するAl電極(+極)2を
蒸着法で形成する。p型Si基板1の表面側には、前述
した方法で1020個/cm3 以上のErイオンを含む発
光層3を形成し、大量のPをドーピングして活性化させ
たSiのエピタキシャル成長膜4を発光層3の上に形成
する。このようにして形成された多層膜にメサエッチン
グでV溝を形成し、V溝に臨む表面を酸化処理して酸化
膜5を形成する。次いで、表面酸化膜をエッチング除去
し、n+ のエピタキシャル成長膜4の上にAl電極6
(−極)を蒸着する。このpn接合型発光素子では、酸
化膜5を介して発光が取り出される。
子,可視発光素子等に使用される。たとえば、発光素子
では、図1,2に示すような積層構造が採用される。図
1のpn接合型発光素子は、次のように作製される。p
型Si基板1の裏面にBをイオン注入してp+ 層を形成
し、p+ 層とオーミック接合するAl電極(+極)2を
蒸着法で形成する。p型Si基板1の表面側には、前述
した方法で1020個/cm3 以上のErイオンを含む発
光層3を形成し、大量のPをドーピングして活性化させ
たSiのエピタキシャル成長膜4を発光層3の上に形成
する。このようにして形成された多層膜にメサエッチン
グでV溝を形成し、V溝に臨む表面を酸化処理して酸化
膜5を形成する。次いで、表面酸化膜をエッチング除去
し、n+ のエピタキシャル成長膜4の上にAl電極6
(−極)を蒸着する。このpn接合型発光素子では、酸
化膜5を介して発光が取り出される。
【0013】n型Si基板を使用する場合、図2に示す
ような構造をもつpn接合型発光素子が作製される。こ
の場合、n型Si基板7の裏面にPをイオン注入してn
+ 層を形成し、n+ 層とオーミック接合するAl電極
(−極)8を蒸着法で形成する。n型Si基板7の表面
側には、前述した方法で1020個/cm3 以上のErイ
オンを含む発光層9を形成し、Bを高濃度にドーピング
したp+ 層10を発光層9の上に形成する。次いで、B
ドープ層10を酸化して酸化膜11を形成し、酸化膜1
1の一部をエッチング除去し、Bドープ層10の上にA
l電極12(+極)を蒸着する。このpn接合型発光素
子では、上部から発光が取り出される。
ような構造をもつpn接合型発光素子が作製される。こ
の場合、n型Si基板7の裏面にPをイオン注入してn
+ 層を形成し、n+ 層とオーミック接合するAl電極
(−極)8を蒸着法で形成する。n型Si基板7の表面
側には、前述した方法で1020個/cm3 以上のErイ
オンを含む発光層9を形成し、Bを高濃度にドーピング
したp+ 層10を発光層9の上に形成する。次いで、B
ドープ層10を酸化して酸化膜11を形成し、酸化膜1
1の一部をエッチング除去し、Bドープ層10の上にA
l電極12(+極)を蒸着する。このpn接合型発光素
子では、上部から発光が取り出される。
【0014】
【実施例】比抵抗3〜5Ω・cmのp型(100)Si
基板から、次の手順で発光素子を作製した。HF:C2
H5 OH:H2 O=1:2:1の溶液にSi基板を陽極
として浸漬し、電流10mA/cm2 を60分供給し、
Si基板を電解エッチングした。電解エッチングによ
り、Si基板の表面が多孔質化した。Si基板表面に形
成された多孔質構造は、それぞれ5nm程度の細孔及び
Siコラムからなっていた。ErCl3 を質量濃度で1
0%溶かしたエタノール溶液を調製した。多孔質化され
たSi基板を陰極としてエタノール溶液に浸漬し、電流
密度0.1mA/cm2 で60分電着した。電着された
Erの分布をSIMSで観察すると、多孔質Si層とS
i基板との界面に向けてEr濃度が高く、多孔質Si層
の表面に向けてEr濃度が低くなっていた。Er濃度
は、界面近傍で4×1020個/cm3 ,表面近傍で1×
1020個/cm3 であり、界面から表面に向けてほぼ一
定の割合で減少していた。
基板から、次の手順で発光素子を作製した。HF:C2
H5 OH:H2 O=1:2:1の溶液にSi基板を陽極
として浸漬し、電流10mA/cm2 を60分供給し、
Si基板を電解エッチングした。電解エッチングによ
り、Si基板の表面が多孔質化した。Si基板表面に形
成された多孔質構造は、それぞれ5nm程度の細孔及び
Siコラムからなっていた。ErCl3 を質量濃度で1
0%溶かしたエタノール溶液を調製した。多孔質化され
たSi基板を陰極としてエタノール溶液に浸漬し、電流
密度0.1mA/cm2 で60分電着した。電着された
Erの分布をSIMSで観察すると、多孔質Si層とS
i基板との界面に向けてEr濃度が高く、多孔質Si層
の表面に向けてEr濃度が低くなっていた。Er濃度
は、界面近傍で4×1020個/cm3 ,表面近傍で1×
1020個/cm3 であり、界面から表面に向けてほぼ一
定の割合で減少していた。
【0015】Er電着後、急速加熱炉を用いてSi基板
を酸化処理した。酸化処理には、酸素分圧1atm.の
酸化雰囲気中で昇温速度200℃/秒で昇温し、120
0℃に30秒保持し、降温速度100℃/秒で冷却する
条件を採用した。酸化処理された表面を観察すると、多
孔質Siの表面に電着しているErがEr2 O3 に酸化
されており、Siコラムの表面も1原子層程度が酸化さ
れていた。次いで、真空中で1000℃に30分加熱
し、降温速度1℃/秒で徐冷するアニーリングを施し
た。アニーリングされたSi基板の表面は、100nm
〜数μmの結晶粒からなる膜厚5μm程度の多孔質Si
となっており、この多孔質Siに1020個/cm3 のE
r2 O3 発光体が含まれていた。このような膜をもつS
i基板から、図1に示すpn接合型発光素子を作製し
た。得られたpn接合型発光素子の発光特性を調査した
ところ、従来のイオンインプランテーションで素子の発
光効率(10-6程度)と比較して104 倍程度高い発光
効率(約10-2)を示した。
を酸化処理した。酸化処理には、酸素分圧1atm.の
酸化雰囲気中で昇温速度200℃/秒で昇温し、120
0℃に30秒保持し、降温速度100℃/秒で冷却する
条件を採用した。酸化処理された表面を観察すると、多
孔質Siの表面に電着しているErがEr2 O3 に酸化
されており、Siコラムの表面も1原子層程度が酸化さ
れていた。次いで、真空中で1000℃に30分加熱
し、降温速度1℃/秒で徐冷するアニーリングを施し
た。アニーリングされたSi基板の表面は、100nm
〜数μmの結晶粒からなる膜厚5μm程度の多孔質Si
となっており、この多孔質Siに1020個/cm3 のE
r2 O3 発光体が含まれていた。このような膜をもつS
i基板から、図1に示すpn接合型発光素子を作製し
た。得られたpn接合型発光素子の発光特性を調査した
ところ、従来のイオンインプランテーションで素子の発
光効率(10-6程度)と比較して104 倍程度高い発光
効率(約10-2)を示した。
【0016】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、多孔質化したSiにErを電着させた後、酸化処理
及びアニールすることにより表層のEr濃度を高めてい
る。そのため、従来のイオンインプランテーションに比
較して格段に高濃度のErをSi表層に注入することが
でき、優れた発光特性を呈する材料が得られる。また、
多孔質化したSi表層を多結晶化しているので、多孔質
に起因する脆さがなく、電極との接点を比較的大きくす
ることができるため、得られる発光素子の寿命も長くな
る。
は、多孔質化したSiにErを電着させた後、酸化処理
及びアニールすることにより表層のEr濃度を高めてい
る。そのため、従来のイオンインプランテーションに比
較して格段に高濃度のErをSi表層に注入することが
でき、優れた発光特性を呈する材料が得られる。また、
多孔質化したSi表層を多結晶化しているので、多孔質
に起因する脆さがなく、電極との接点を比較的大きくす
ることができるため、得られる発光素子の寿命も長くな
る。
【図1】 本発明に従ってErを高濃度で表層に注入し
たp型Si基板で形成された発光素子
たp型Si基板で形成された発光素子
【図2】 本発明に従ってErを高濃度で表層に注入し
たn型Si基板で形成された発光素子
たn型Si基板で形成された発光素子
1:p型Si基板 2,12:Al電極(+)
3,9:発光層 4:エピタキシャル成長膜 5,11:酸化膜
6,8:Al電極(−) 7:n型Si基板 10:Bドープ層
3,9:発光層 4:エピタキシャル成長膜 5,11:酸化膜
6,8:Al電極(−) 7:n型Si基板 10:Bドープ層
Claims (7)
- 【請求項1】 電気化学的エッチング又はマスクパター
ンを用いたメサエッチングによりSi基板の表面に多数
の細孔を形成した後、Si基板を陰極として希土類金属
イオン含有電解液中で電解することにより細孔表面に希
土類金属イオンを付着させ、付着した希土類金属を酸化
処理し、次いで多孔質構造を多結晶構造にするアニーリ
ングを施すことを特徴とする発光素子材料の製造方法。 - 【請求項2】 Si基板として単結晶Si,多結晶Si
又は非晶質Siを使用する請求項1記載の製造方法。 - 【請求項3】 希土類金属含有電解液としてErCl3
質量濃度5〜50%のエタノール溶液を使用する請求項
1記載の製造方法。 - 【請求項4】 800〜1400℃に10〜60秒加熱
する酸化処理を施す請求項1記載の製造方法。 - 【請求項5】 過酸化水素水又は質量濃度1〜10%の
水酸化リチウム溶液に1〜60秒浸漬することにより酸
化処理を行う請求項1記載の製造方法。 - 【請求項6】 アニーリングに先立って、酸化処理され
たSi基板表面にある細孔をSi粉末で充填する請求項
1記載の製造方法。 - 【請求項7】 アニーリングに先立って、酸化処理され
たSi基板の表面にSiをエピタキシャル成長させる請
求項1記載の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17132797A JPH1117216A (ja) | 1997-06-27 | 1997-06-27 | 発光素子材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17132797A JPH1117216A (ja) | 1997-06-27 | 1997-06-27 | 発光素子材料の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1117216A true JPH1117216A (ja) | 1999-01-22 |
Family
ID=15921187
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17132797A Pending JPH1117216A (ja) | 1997-06-27 | 1997-06-27 | 発光素子材料の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1117216A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006514445A (ja) * | 2003-03-21 | 2006-04-27 | インテル・コーポレーション | 改良された発光装置のシステム及び方法 |
JP2008053446A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体素子 |
CN100459182C (zh) * | 2003-02-28 | 2009-02-04 | 信越半导体株式会社 | 发光元件 |
JP2013165146A (ja) * | 2012-02-10 | 2013-08-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | シリコン発光素子およびその製造方法 |
JP2017092088A (ja) * | 2015-11-04 | 2017-05-25 | 株式会社ソディック | 発光素子 |
-
1997
- 1997-06-27 JP JP17132797A patent/JPH1117216A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100459182C (zh) * | 2003-02-28 | 2009-02-04 | 信越半导体株式会社 | 发光元件 |
JP2006514445A (ja) * | 2003-03-21 | 2006-04-27 | インテル・コーポレーション | 改良された発光装置のシステム及び方法 |
JP2008053446A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体素子 |
US8110836B2 (en) | 2006-08-24 | 2012-02-07 | Hamamatsu Photonics K.K. | Semiconductor device |
JP2013165146A (ja) * | 2012-02-10 | 2013-08-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | シリコン発光素子およびその製造方法 |
JP2017092088A (ja) * | 2015-11-04 | 2017-05-25 | 株式会社ソディック | 発光素子 |
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