JPH11307788A - シリコン製光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光素子あるいは受光素子として利用可能な
シリコン製素子を提供することを課題とする。 【解決手段】 シリコン基板２の表面に形成した凹部３
と、この凹部３の底部に位置するシリコン層４を陽極酸
化して形成した多孔質シリコン層５と、この多孔質シリ
コン層５を介在して配置した一対の電極７，８を備え、
前記凹部３は、その側面に傾斜した反射面６を備えるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光あるいは受光
に利用することができるシリコン製光学素子、及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＩＶ族化合物半
導体で作製されていたが、近年、シリコン（Ｓｉ）を多
孔質化することによってシリコンが発光することが報告
されて以来、シリコンを用いた発光素子の作製に関心が
持たれている。特に、シリコンは、化合物半導体に比べ
て資源が豊富であり、長年培われた単結晶作製技術によ
って大面積のものを安価に供給することができる。加え
て、シリコンは、化合物半導体では実現が困難な回路素
子の高集積化が可能であり、演算、駆動、受光等の種々
の回路を１つの基板内に組み込むことができる点で有用
である。

【０００３】ところで、多孔質シリコンを用いる表示装
置としては、例えば特開平８−２７４３７５号公報に示
されたものが知られている。この公報に示されたもの
は、互いに直交するように配置した上下のストライプ電
極の間に、多孔質シリコン層を備え、上下の電極の交点
部分に直流電圧を印加することによって多孔質シリコン
層が発光する構成となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例に示されたものは、上下の電極の交点で規定される
ドットの仕切りが存在しないので、発生した光の指向性
が悪いとともに、隣接ドットから出力される光の漏洩が
生じやすいという問題がある。

【０００５】そこで、本発明は、シリコン製素子を発光
素子として用いる場合、その指向性を高めることを課題
の１つとする。また、本発明は、シリコン製素子を多ド
ットの発光素子として用いる場合、隣接ドットから出力
される光の漏洩を防止することを課題の１つとする。ま
た、本発明は、シリコン製素子を受光素子として用いる
場合、その受光性能を高めることを課題の１つとする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン製光学
素子は、シリコン基板の表面に形成した凹部と、この凹
部の底部に位置するシリコン層を陽極酸化して形成した
多孔質シリコン層と、この多孔質シリコン層を介在して
配置した一対の電極を備え、前記凹部は、その側面に傾
斜した反射面を備えることを特徴とする。

【０００７】本発明のシリコン製光学素子は、シリコン
基板に複数のドットをマトリックス状に配置したシリコ
ン製光学素子であって、前記ドットは、前記シリコン基
板の表面に形成した断面逆台形状の凹部と、この凹部の
底部に位置する前記シリコン基板を陽極酸化して形成し
た多孔質シリコン層と、この多孔質シリコン層を介在し
て配置した一対の電極を備えていることを特徴とする。

【０００８】前記複数のドットは、多孔質度が異なる複
数種類の多孔質シリコン層を備えて構成することができ
る。

【０００９】また、前記一対の電極に接続する集積回路
を前記シリコン基板に内蔵することができる。

【００１０】本発明のシリコン製光学素子の製造方法
は、一導電型のシリコン基板の表面に所定厚さの逆導電
型シリコン層を形成する工程と、前記逆導電型シリコン
層の上部をエッチングによって除去して凹部を形成する
工程と、前記シリコン基板の裏面に電極を形成する工程
と、前記凹部の底部に位置する逆導電型シリコン層を陽
極酸化して多孔質シリコン層を形成する工程と、前記多
孔質シリコン層の表面に透明な電極を形成する工程を備
えることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を参照
して説明する。

【００１２】まず本発明の一実施例について図１を参照
して説明する。図１（ａ）は単ドット型シリコン製光学
素子１の平面図、図１（ｂ）はその断面図である。この
シリコン製光学素子１は、基板としてシリコン（Ｓｉ）
にホウ素（Ｂ）等のＰ型不純物を添加したＰ型シリコン
基板２を用いている。このシリコン基板２の表面には、
断面が逆台形状の凹部３を形成している。この凹部３
は、その底部に位置するＮ型シリコン層４の表面を陽極
酸化して形成した多孔質シリコン層５と、この多孔質シ
リコン層５を囲むように形成した反射面６を備えてい
る。尚、多孔質シリコン層５は、Ｎ型シリコン基板を用
いてその表面にＰ型シリコン層を形成し、このＰ型シリ
コン層を陽極酸化することによっても形成することがで
きる。

【００１３】多孔質シリコン層５の表面には、その全面
を覆うように、ＩＴＯ等の透明な第１電極７を設け、シ
リコン基板２の裏面には、その全面を覆うように金等の
第２電極８を設けている。この第１，第２電極７，８
は、多孔質シリコン層５を挟むように配置され、多孔質
シリコン層５にその発光に必要な電圧を印加し、あるい
は多孔質シリコン層５の電位変化を取り出すための一対
の電極を構成する。

【００１４】シリコン基板２の表面には、前記凹部３の
形成に利用する酸化シリコン等のマスク兼保護用の絶縁
膜９が残存し、この絶縁膜９の上に前記第１電極７に配
線するためのアルミニウム等の金属製電極１０を設けて
いる。

【００１５】次に、上記シリコン製光学素子１の製造方
法について、図２〜３を参照して説明する。ミラー指数
で（１００）と示される面を表面に備えるＰ型シリコン
基板２を用意し（図２（ａ））、このＰ型シリコン基板
２の表面にリン（Ｐ）等のＮ型不純物を特定の範囲に添
加して所定厚みのＮ型シリコン層４を形成する工程を行
う（図２（ｂ））。次に、シリコン基板２の表面に、前
記Ｎ型シリコン層４を囲むように、絶縁膜９を形成する
（図２（ｃ））。次に、絶縁膜９をエッチングマスクと
して利用し、Ｎ型シリコン層４を含むシリコン基板２の
表面をエッチング剤（例えば、ヒドラジン：Ｈ₂Ｏ＝８
０：２０）によって所定の深さまでエッチング処理し、
断面が逆台形状の凹部３を形成する工程を行う（図２
（ｄ））。このエッチング処理は、Ｎ型シリコン層４の
下部を残してその上部を除去するように、エッチング剤
やエッチング時間が調整される。凹部３の４つの側面
は、上記エッチング処理によって、ミラー指数で示す
（１００）面と一定の傾斜角度を持つ（１１１）面，
（−１１１）面，（１−１１）面，（１１−１）面の４
つ面となり、これらの面はいずれも鏡面となる。そし
て、（１００）面と一定の傾斜角度を持つこれらの面
は、反射面６として機能する。

【００１６】次に、シリコン基板２の裏面に、金（Ａ
ｕ）等の第２電極８を形成する工程を行った後、Ｎ型シ
リコン層４を特開平８−２７４３７５号公報等に示され
た公知の陽極酸化法を用いて陽極酸化し、凹部３の底部
に多孔質シリコン層５を形成する工程を行う（図３
（ｅ））。この多孔質シリコン層５は、発光や受光にお
いて光学的な機能を果たす。そして、多孔質シリコン層
５の光学的な機能（発光波長や受光波長）は、陽極酸化
の条件を変更してその多孔質度を調整することにより種
々設定することができる。

【００１７】次に、ＩＴＯ等の透明導電膜をスパッタリ
ングや真空蒸着によってシリコン基板２の表面全体に形
成した後、必要部分を残すようにパタ−ニングする工程
を行う。このパタ−ニング処理によって、凹部３の底部
に位置する多孔質シリコン層５の表面全体と、凹部３の
１つの側面をとおって絶縁膜９に至る領域に透明な第１
電極７が形成される（図３（ｆ））。

【００１８】次に、アルミニウム等の導電膜をスパッタ
リングや真空蒸着によってシリコン基板２の表面全体に
形成した後、必要部分を残すようにパタ−ニングする工
程を行う。このパタ−ニング処理によって、絶縁膜９の
上に、前記第１電極７と一部が重なった電極１０が形成
され（図３（ｇ））、図１に示すようなシリコン製光学
素子１が完成する。

【００１９】このようにして製造されたシリコン製光学
素子１は、一対の電極７，８間に所定の電圧を印加する
ことによって、多孔質シリコン層５が発光層として機能
し、その多孔質度に応じた波長の光を発光する発光素子
として利用することができる。ここで、多孔質シリコン
層５を底部に備える凹部３の側面は、鏡面（反射面６）
となっているので、多孔質シリコン層５から発生する光
を上向きに指向性良く出射することができる。

【００２０】また、シリコン製光学素子１は、多孔質シ
リコン層５を光電変換素子として機能させることによ
り、外部から入射する光に応じた電位変化を一対の電極
７，８から取り出す受光素子として利用することができ
る。ここで、多孔質シリコン層５を底部に備える凹部３
の側面は、鏡面（反射面６）となっているので、外部か
ら入射する光を多孔質シリコン層５に効率的に集光する
ことができる。

【００２１】尚、図２，３においては、説明を簡素化す
るために、シリコン基板２に１つのシリコン製光学素子
１を形成する場合を例示しているが、現実的には、製造
効率を高めるために、半導体ＩＣなどの製造方法と同様
に、１つの大型シリコン基板に複数のシリコン製光学素
子１を製造しておき、後で個々に分割する製造方法が採
用される。

【００２２】次に第２の実施例について図４を参照して
説明する。上記第１の実施例は、単ドット型のシリコン
製光学素子１を例に取ったが、本発明は、多ドット型の
シリコン製光学素子２０にも適用することができる。

【００２３】すなわち、図４に示すように、１つのシリ
コン基板２１上に、図１に示す単ドット型のシリコン製
光学素子１と同等の形状で同様の機能を果たす個別素子
１ａをドットマトリックス状に配置することにより、多
ドット型のシリコン製光学素子２０を構成することがで
きる。この多ドット型シリコン製光学素子２０は、前記
単ドット型シリコン製光学素子１を１つの大型シリコン
基板上に形成する場合と同様の手順で作製することがで
きる。しかしながら、その個別素子１ａと単ドット型シ
リコン製光学素子１とは、図１に示す第１電極７や電極
１０等の形状が多少相違するので、これらの相違点に対
応して各種のパタ−ニング用マスクに若干の変更を加え
る必要がある。

【００２４】また、この多ドット型シリコン製光学素子
２０を、多色表示用の素子として用いる場合は、複数の
色を発光可能とするために、多孔質度が相違する複数種
類の多孔質シリコン層を配置する必要がある。この場合
は、１つのシリコン基板２１上の複数のＮ型シリコン層
を陽極酸化するに際して、Ｎ型シリコン層を複数のグル
ープに区分けし、グループ単位に陽極酸化の条件を変更
してその多孔質度、すなわち発光波長を種々設定するこ
とが必要となる。

【００２５】多ドット型シリコン製光学素子２０は、個
別素子１ａをｍ×ｎのマトリックス状に配置するに際し
て、図４に示すようにｍ＞１，ｎ＞１に配置してもよい
が、ｍとｎのいずれか一方を１にして直線的な配列にす
ることもできる。

【００２６】このように構成した多ドット型シリコン製
光学素子２０は、第１の実施例の１ドット型シリコン製
光学素子１と同様の機能を果たすことができる。加え
て、各ドット（個別素子１ａ）は、その光学機能を果た
す多孔質シリコン層が凹部の底部にあり、その周囲が反
射面で囲まれているので、隣接ドットとの光分離（光漏
洩防止）を確実に行うことができる。よって、発光素子
として用いる場合に、隣接ドットの光漏洩による影響を
受けにくくすることができる。特に、多色表示する場合
の混色の発生を防止することができる。

【００２７】また、第３の実施例として、図５に示すよ
うに、回路内蔵型のシリコン製光学素子２２を構成する
こともできる。すなわち、本発明の製造手順と公知の半
導体製造手順を併用することによって、個別素子１ａを
発光素子として利用するための回路（駆動回路等）や、
あるいは、個別素子１ａを受光素子として利用するため
の回路（フィルタ回路や増幅回路等）を、両回路を別々
にあるいは両回路を組み合わせて集積回路２３とし、こ
の集積回路２３をシリコン基板２１に内蔵させることに
よって、回路内蔵型のシリコン製光学素子２２とするこ
ともできる。

【００２８】このように構成したシリコン製光学素子２
２は、第１，第２の実施例に記載の素子と同様の機能に
加えて、集積回路２３と個別素子１ａの配線を内部で予
め行うことができるので、ワイヤボンド等の外部配線が
不要となり、構成の簡素化に加えて、組立て作業性を良
好にすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、発光素子
あるいは受光素子として利用することができるシリコン
製光学素子を提供することができる。そして発光素子と
して用いる場合は、その指向性を高めることができ、受
光素子として用いる場合は、その受光性能を高めること
ができる。また、多ドット、多色表示を行う発光素子と
して用いる場合は、隣接ドットから出力される光の漏洩
を防止して鮮明な表示を行うことができる。また、集積
回路を内蔵させることにより、小型化を図ることができ
るとともに、配線数を削減して組立て作業性を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示し、（ａ）は平面図、
（ｂ）は断面図である。

【図２】本発明の製造方法を説明するための断面図であ
る。

【図３】本発明の製造方法を説明するための断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例を示す平面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す平面図である。

【符号の説明】

１ シリコン製光学素子 ２ Ｐ型シリコン基板 ３ 凹部 ４ Ｎ型シリコン層 ５ 多孔質シリコン層 ６ 反射面 ７ 第１電極 ８ 第２電極 ２０ シリコン製光学素子 ２１ シリコン基板 ２２ シリコン製光学素子 ２３ 集積回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板の表面に形成した凹部と、
   この凹部の底部に位置するシリコン層を陽極酸化して形
   成した多孔質シリコン層と、この多孔質シリコン層を介
   在して配置した一対の電極を備え、前記凹部は、その側
   面に傾斜した反射面を備えることを特徴とするシリコン
   製光学素子。
2. 【請求項２】 シリコン基板に複数のドットをマトリッ
   クス状に配置したシリコン製光学素子であって、前記ド
   ットは、前記シリコン基板の表面に形成した断面逆台形
   状の凹部と、この凹部の底部に位置する前記シリコン基
   板を陽極酸化して形成した多孔質シリコン層と、この多
   孔質シリコン層を介在して配置した一対の電極を備えて
   いることを特徴とするシリコン製光学素子。
3. 【請求項３】 前記複数のドットは、多孔質度が異なる
   複数種類の多孔質シリコン層を備えていることを特徴と
   する請求項２記載のシリコン製光学素子。
4. 【請求項４】 前記一対の電極に接続する集積回路を前
   記シリコン基板に内蔵したことを特徴とする請求項１あ
   るいは２記載のシリコン製光学素子。
5. 【請求項５】 一導電型のシリコン基板の表面に所定厚
   さの逆導電型シリコン層を形成する工程と、前記逆導電
   型シリコン層の上部をエッチングによって除去して凹部
   を形成する工程と、前記シリコン基板の裏面に電極を形
   成する工程と、前記凹部の底部に位置する逆導電型シリ
   コン層を陽極酸化して多孔質シリコン層を形成する工程
   と、前記多孔質シリコン層の表面に透明な電極を形成す
   る工程を備えることを特徴とするシリコン製光学素子の
   製造方法。