(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素のイオンを用いてドーピングされた間接バンドギャップ半導体材料を収容する光活性化領域を含む光電子デバイスであって、動作中、ドーパントイオンの内部エネルギーに関連する特徴的遷移が、該内部エネルギー状態と、該半導体材料の伝導帯及び／又は価電子帯からのエネルギー状態と、の直接的な相互作用によってエネルギーの範囲においてシフトされる（shifted in energy）、光電子デバイス。
【請求項２】
希土類元素のイオンを用いてドーピングされた間接バンドギャップ半導体材料を収容する光活性化領域を含む光電子デバイスであって、前記イオンは、該半導体材料の伝導帯と価電子帯との間の禁制帯内にあるエネルギー状態を有し、動作中、該半導体材料のエネルギーバンドとドーパントイオンのエネルギー状態との間の放射線放出性遷移又は放射線吸収性遷移を受け得る、光電子デバイス。
【請求項３】
前記半導体材料はシリコンである、請求項１又は請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
ｐ型半導体領域及び／又はｎ型半導体領域に接した接合を含み、前記光活性化領域は前記ｐ型又はｎ型半導体領域に位置する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
希土類元素の前記イオンは三価ユーロピウムイオン Eu3+ である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
希土類元素の前記イオンは三価イッテルビウムイオン Yb3+ である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記光活性化領域は三価ユーロピウムイオン Eu3+ を用いてドーピングされたシリコンを収容し、動作中、該シリコン伝導帯におけるエネルギー状態から該三価 Eu3+ イオンの 7Fj 状態（ｊ＝０，１，２，３，４）の一つ以上への放射遷移を受け得る、請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記光活性化領域は三価イッテルビウムイオン Yb3+ を用いてドーピングされたシリコンを収容し、動作中、該シリコン伝導帯におけるエネルギー状態から該三価 Yb3+ イオンの 2F7/2 状態の一つ以上への放射遷移を受け得る、請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
光エミッタである、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とによって規定された p-n 接合を含み、前記光活性化領域は前記ｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域の一方又はもう一方に位置する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
発光ダイオードの形態をとる、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記光活性化領域は三価ユーロピウムイオン Eu3+ を用いてドーピングされたシリコンを収容し、1300nm 〜 1600nm の波長範囲での放射線の放出性を有する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記光活性化領域は三価イッテルビウムイオン Yb3+ を用いてドーピングされたシリコンを収容し、1200nm 〜 1600nm の波長範囲での放射線の放出性を有する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１４】
光増幅器の形態をとる、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１５】
該光増幅器はレーザであり、前記 p-n 接合は完全に反射する要素と部分的に反射する要素とが設けられて光キャビティを形成する、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
光検出器である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１７】
該光検出器はｎ型半導体領域に接した接合を有するフォトダイオードであり、前記光活性化領域は前記ｎ型半導体領域に位置し、動作中、該ドーパントイオンのエネルギー状態と前記半導体材料の伝導帯におけるエネルギー状態との間の放射線吸収性遷移を受け得る、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記半導体材料はシリコンであり、前記ドーパントイオンは三価ユーロピウムイオンであって、1280nm 〜 2000nm の波長範囲での放射線の吸収性を有する、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記半導体材料はシリコンであり、前記ドーパントイオンは三価イッテルビウムイオンであって、1280nm 〜 1360nm の波長範囲での放射線の吸収性を有する、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項２０】
該光検出器はｐ型半導体領域に接した接合を有するフォトダイオードであり、前記光活性化領域は前記ｐ型半導体領域に位置し、動作中、前記半導体材料の価電子帯におけるエネルギー状態と該ドーパントイオンのエネルギー状態との間の放射線吸収性遷移を受け得る、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記半導体はシリコンであり、前記ドーパントイオンは三価ユーロピウムイオンであって、2600nm 〜 約25000nm の波長範囲での放射線の吸収性を有する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記半導体はシリコンであり、前記ドーパントイオンは三価イッテルビウムイオンであって、6000nm 〜 25000nm の波長範囲での放射線の吸収性を有する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
該接合は p-n 接合である、請求項１７から請求項２２までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２４】
フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、p-i-n フォトダイオード、及びショットキーフォトダイオードから選択された、請求項１６から請求項２２までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記半導体材料は間接バンドギャップ材料であって空間的に制限するのに効果的な歪場を包含し、それによって、該半導体材料のエネルギー状態と該ドーパントイオンのエネルギー状態との間の遷移に匹敵し得る電荷キャリアの非放射再結合を抑制する、請求項１から請求項２４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記歪場はディスロケーションループの配列によって作り出される、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
請求項１から請求項２６までのいずれか一項に記載の少なくとも一つの光電子デバイスを含む光電子集積回路。
【請求項２８】
前記少なくとも一つの光電子デバイスは光エミッタ及び／又は光増幅器及び／又は光検出器を含むものであって、該光エミッタを該光検出器に結合する平面導波路を含む、請求項２７に記載の光電子集積回路。
【請求項２９】
前記光エミッタ、前記光増幅器、前記光検出器、及び前記平面導波路はシリコン基材上に形成されている、請求項２８に記載の光電子集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電子デバイス（optoelectronic devices）に関し、特に、シリコンベースの光電子デバイスに関するがそれに限るものではない。
【背景技術】
【０００２】
完全に集積されたシリコン光プラットフォームを実現する目的で、シリコンベースの光電子デバイス、特に、光エミッタ及び光増幅器のような光源、を開発する必要性が増大しつつある。しかしながら、シリコンは、電荷キャリア（charge carriers）の高速非放射再結合が支配的プロセスである間接バンドギャップ半導体材料であり、このことは、そのようなシリコンベースのデバイスの開発を妨害する傾向にあった。この問題を緩和する目的で、様々な異なるアプローチが採用されてきた。
【０００３】
米国特許第 7,274,041 号明細書（US Patent No. 7,274,041 B2）は、ディスロケーションループ（dislocation loop）の配列（array）によって作り出される歪場（strain field）を包含するシリコンから製造される光電子デバイスを記述している。その歪場は、電荷キャリアの放射再結合を空間的に制限して促進するのに効果的である。
【０００４】
米国特許第 6,288,415 明細書（US Patent No. 6,288,415 B1）は、高速放射ルートを提供する直接バンドギャップ半導体材料がシリコンホスト（silicon host）に導入されるようにする異なるアプローチを開示している。
【０００５】
希土類元素も、また、光源の開発のための光学的中心として有望であると考えられてきた。部分的に満たされた 4f 殻は、希土類元素原子の内部エネルギー状態間の急な（sharp）遷移を引き起こす。これらの遷移は、その結晶ホストと温度変化とに非常に影響を受け難いことが知られており、多くのそのような遷移は、内在的なゲイン（intrinsic gain）を示して他のホスト材料におけるレージング（lasing）を支持することが知られている。
【０００６】
「シリコンベースの発光デバイス（Silicon-based light emitting devices）」、M.A. Lourenco 他、Vacuum 78(2005) 551-556 は、希土類元素、エルビウム（Er）のイオンを用いてドーピングされたシリコンホストを具備する発光ダイオードを開示している。このデバイスは、電磁スペクトラムの赤外部分、主として波長 1555nm の放射線の放出性を有すると報告されている。
【０００７】
同様に、「拡張光通信帯域の 1.2-1.4μm 波長領域にわたって発光するシリコン発光ダイオード（Silicon Light emitting diodes emitting over the 1.2-1.4μm wavelength region in the extended optical communication band）」、M.A. Lourenco 他、Applied Physics Letters、92、161108(2008) は、希土類元素、ツリウム（Tm）のイオンを用いてドーピングされたシリコンホストを具備する発光ダイオードを記述している。再び、このデバイスは、赤外での、すなわち、最低励起エネルギー状態とツリウムイオンの基底状態との間の放射遷移に起因する、1200nm 〜 1350nm 範囲の波長での、放射線の放出性を有する。
【０００８】
Yongsheng Liu 他、J. Phys. Chem. C 2008、112、686-694 は、シリコンよりもずっと広いバンドギャップを有する、ZnO ナノ結晶に希土類元素、ユーロピウムの三価イオン（Eu3+）が注入された発光ダイオードを記述している。この場合、そのデバイスは、電磁スペクトラムの可視部分の、具体的には、可視部分の赤・黄色領域の放射線の放出性を有することが見出される。再び、その観察されるルミネセンス（luminescence）は、当該（Eu3+）イオンの内部エネルギー状態間の周知の特徴的な遷移に起因しており、すなわち、励起された 5D0 エネルギー状態と 7Fj エネルギー状態との間の遷移に起因しており、ここで、j = 0 〜 6 であり、波長 615nm での支配的な赤放出は、5D0 − 7F2 遷移に起因している。
【０００９】
各場合において、その観察されるルミネセンス（luminescence）は、希土類元素ドーパントイオンの内部エネルギー状態間の遷移に起因している。これらの遷移は、半導体ホストにおける電荷キャリアの再結合による間接エネルギー移動過程によって励起され、これは、放射速度を低減する傾向がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの面によれば、希土類元素のイオンを用いてドーピングされた半導体材料を収容する光活性化領域を含む光電子デバイスであって、該デバイスの動作中、ドーパントイオンの内部エネルギーに関連する特徴的遷移が、該内部エネルギー状態と、該半導体材料の伝導帯（conduction band）及び／又は価電子帯（valence band）からのエネルギー状態と、の直接的な相互作用によって修正される、光電子デバイス、が提供される。
【００１１】
本発明のもう一つの面によれば、希土類元素のイオンを用いてドーピングされた半導体材料を収容する光活性化領域を含む光電子デバイスであって、前記イオンは、該半導体材料の伝導帯と価電子帯との間の禁制帯内にあるエネルギー状態を有し、動作中、該半導体材料のエネルギーバンドとドーパントイオンのエネルギー状態との間の放射線放出性遷移又は放射線吸収性遷移を受け得る、光電子デバイス、が提供される。
【００１２】
本発明によるデバイスは、半導体ホスト材料の一つの又は複数のエネルギーバンドと、ドーパントイオンの一つ以上のエネルギー状態と、の間の直接的な相互作用を伴い、そのため、記述されたような種類の従来のデバイスにおいて必要とされる間接エネルギー移動過程に依存しない。
【００１３】
いくつかの好適な実施形態においては、希土類元素ドーパントイオンは、半導体ホスト材料のバンドギャップよりも大きくエネルギーが異なる内部状態を持つ。
【００１４】
好ましくは、半導体材料はシリコンであるが、他の間接バンドギャップ材料も使用可能であり、例えば、ゲルマニウム、スズ、炭素、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、及びそれらの合金のような、他の第 IV 族材料も使用可能であろう。
【００１５】
一実施形態においては、希土類元素の前記イオンは、三価ユーロピウムイオン、Eu3+、であるが、他の希土類元素のイオンが使用されてもよく、例えば、希土類元素、イッテルビウムの三価イオン、Yb3+、が使用されてもよい。
【００１６】
好適な実施形態においては、光電子デバイスの光活性化（photoactive）領域が、三価ユーロピウムイオンを用いてドーピングされたシリコンを収容し、該デバイスは、シリコン伝導帯におけるエネルギー状態から、三価 Eu3+ イオンの 7Fj 状態（j = 0, 1, 2, 3, 4）の一つ以上への、放射遷移を受ける（undergo）ことができる。この実施形態において、該光電子デバイスは、電磁スペクトラムの赤外部分における、具体的には 1300nm 〜 1600nm の波長範囲における、放射線の放出性を有する。この波長範囲におけるルミネセンス（luminescence）は全く予期されておらず、というのも、ユーロピウムイオンを包含する従来のデバイスは、全て、ドーパントイオンの内部エネルギー状態間の特徴的遷移に起因して、電磁スペクトラムの可視部分での放射線の放出性を有するからである。更に、赤外波長範囲 1300nm 〜 1600nm でのルミネセンス（luminescence）は、光ファイバ通信システムの開発を伴う応用にとってかなりの重要性を持つものである。
【００１７】
本光電子デバイスは、発光ダイオード及びレーザを含む光エミッタであってよい。本発明の他の実施形態において、本光電子デバイスは光増幅器である。
【００１８】
本発明の他の実施形態において、本光電子デバイスは、光検出器である。
【００１９】
典型的な実現において、本発明による光電子デバイスは、絶縁体上シリコン（silicon-on-insulator）導波プラットフォームのような光電子集積回路に導入されてもよい。
【００２０】
次いで、本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、例によってのみ記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明による発光ダイオード（LED）の略断面図を示す。
【図２】図２は、図１の LED からの放射（emission）を測定することによって得られるエレクトロルミネセンス（electroluminescence）スペクトラム（ES）を示す。
【図３】図３は、同一の LED からの放射を測定することによって得られるフォトルミネセンス（photoluminescence）スペクトラム（PS1）と、 Eu3+ イオンの内部エネルギー状態間の遷移に起因する放射を測定することによって得られるフォトルミネセンススペクトラム（PS2）と、を示す。
【図４】図４は、エネルギー（eV）の関数として再プロットされた、図３のフォトルミネセンススペクトラム PS1 及び PS2 を示す。
【図５】図５ａは、Eu3+ イオンの内部エネルギー状態間の遷移を図解的に説明し、図５ｂは、Eu3+ イオンの内部 7Fj エネルギー状態とシリコンのバンド構造との間の関係を図解的に説明する。
【図６】図６は、シリコンホストのエネルギー状態と Eu3+ ドーパントイオンの内部エネルギー状態との間の、80K での、放射線吸収性遷移を図解的に説明する。
【図７】図７は、Eu3+ イオンが希土類元素イッテルビウム（ytterbium）の三価イオン Yb3+ で置換された、図１の LED から得られるフォトルミネセンススペクトラムを示す。
【図８】図８ａは、Yb3+ イオンの内部エネルギー状態間の遷移を図解的に説明し、図８ｂは、Yb3+ イオンの内部 2F7/2 エネルギー状態とシリコンのバンド構造との間の関係を図解的に説明する。
【図９】図９は、シリコンホストのエネルギー状態と Yb3+ イオンの内部エネルギー状態との間の、80K での、放射線吸収性遷移を図解的に説明する。
【図１０】図１０は、本発明による、Eu3+ でドーピングされたシリコン LED  及び Yb3+ でドーピングされたシリコン LED から得られる、温度の逆数に対して対数でプロットされた光起電性応答（photovoltaic responses）を示す。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、本発明による光電子デバイスを包含する光電子集積回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照すると、光電子デバイス 10 は、発光ダイオード（LED）の形態を有する。該 LED は、n 型シリコンの領域 12 と p 型シリコンの領域 13 とによって規定される p-n 接合 11 を有する。この実施形態において、領域 12 はリン原子（P）を用いてドーピングされ、領域 13 は、ホウ素原子（B）を用いてドーピングされる。しかしながら、当業者に知られた適切な他のトーパントが代替的に使用され得るであろうことが理解される。
【００２３】
この LED は、零バイアスで p-n 接合の空亡領域（depletion region）にできるだけ近接した、p 型シリコンの領域 13 に位置する光活性化領域 14 を有する。この実施形態において、領域 13 の p 型シリコンは、希土類元素ユーロピウムの三価イオン Eu3+ を用いてドーピングされ、光活性化領域 14 を形成する。
【００２４】
オーミックコンタクト（ohmic contact）15、16  が、本デバイスの前面及び背面 17、18 に設けられ、p-n 接合にバイアス電圧が印加されるのを可能にする。この実施形態においては、前面 17 に設けられるオーミックコンタクト 15 はアルミニウム（Al）から作製され、背面 18 に設けられるオーミックコンタクト 16 は金／アンチモン合金（gold/antimony alloy）（AuSb）から作製される。コンタクト 15 は、本デバイスによって生成されるルミネセンス（luminescence）が通過し得る中央窓 19 を有する。
【００２５】
本 LED は、光活性化領域 14 の内部に、又はその近傍に、設置された歪場（strain field）を包含する。この実施形態においては、該歪場は、ディスロケーションループ（dislocation loop）の配列（array）の形態の拡張内在的格子欠陥（extended intrinsic lattice defects）によって作り出される。この歪場の目的は、後により詳細に説明される。
【００２６】
デバイス 10 が、典型的に 2 〜 4Ω・cm の範囲の抵抗を持つ n 型シリコン基材の等級（grade）のデバイスにホウ素原子を注入することによって製作された。その注入分量は 1015Bcm-2 で注入エネルギーは 30keV であったが、典型的に 1012 〜 1017Bcm-2 の範囲の注入分量、及び典型的に 10 〜 80keV の範囲の注入エネルギーが代替的に使用可能であろうことが理解される。注入されたホウ素原子は、二重の機能を提供し、即ち、それらは、p-n  接合 11 の p 型領域 13 を規定するドーパント原子として使用され、かつ、それらは、その領域にディスロケーションループ（dislocation loop）を形成するために使用され得るディスロケーションを作り出す。その基材は、引き続き、光活性化領域 14 を形成するために Eu3+ イオンを注入された。その注入分量は 1013 Eu3+ cm-2 で、その注入エネルギーは 400keV であったが、1012 〜 1014 Eu3+ cm-2 の範囲の注入分量、及び 1keV 〜 100MeV の範囲の注入エネルギーが代替的に使用可能であろう。
【００２７】
注入に続いて、その基材は、1 分間、950°C の周囲窒素の中で急速熱アニーリング（Rapid Thermal Annealing）（RTA）にさらされた。次いで、オーミックコンタクトは、蒸発又は他の適当な蒸着（deposition）プロセスの適用を受け、そして 約 2 分間、360°C で焼結（sinter）された。
【００２８】
RTA プロセスは、注入されたホウ素原子を活性化し、また、注入されたホウ素原子によって作り出されたシリコンインタスティシャル（silicon interstitials）の集合体（aggregation）を引き起こし、ディスロケーションループの形成をもたらす。「シリコンベースの発光デバイス（Silicon-based light emitting devices）」、M.A. Lourenco 他、Vacuum 78(2005) 551-556 に記述されるように、RTA プロセスは、この方法で形成されるディスロケーションループ配列の深さ及び程度を制御するように調整され得る。
【００２９】
フォトルミネセンス（PL）及びエレクトロルミネセンス（EL）の測定が、 10K 〜室温の範囲の温度で実行された。そのために、本 LED は、従来の１メートル分光計の前に置かれた可変温度連続フロー液体窒素クリオスタット（a variable temperature, continuous-flow liquid nitrogen cryostat）に搭載された。液体窒素冷却ゲルマニウム p-i-n ダイオードが、1000nm 〜 1700nm の波長範囲のルミネセンス（luminescence）を検出するために使用され、液体窒素冷却拡張 InGaAs 検出器が、1600nm 〜 2300nm の波長範囲のルミネセンス（luminescence）を検出するために使用された。
【００３０】
EL は、1.25Acm-2 の電流密度で LED に順方向バイアス（V）を印加することによって励起される一方、PL は、514nm の励起波長のアルゴンレーザによって生成された光に LED をさらすことによって励起された。
【００３１】
図２は、80K の温度での、図１を参照して記述された LED からの放射（emission）を測定することによって得られたエレクトロルミネセンススペクトラム（ES）を示す。エレクトロルミネセンス密度 IEL が波長 λ の関数としてプロットされている。
【００３２】
該スペクトラムは、広いバックグラウンド信号上に R1 、R2、及び R3 として参照されるいくつかの別個の放射領域を有する。夫々のそのような放射領域は、一つの又は一群の放射ピークを収容する。後に説明されるように、これらの放射領域は、Eu3+ イオンの初期状態と関連すると思われる一方、R4 として参照される、該スペクトラムにおける第四の領域は、シリコンホストにおける電荷キャリアのバンド・バンド再結合に起因する。
【００３３】
図３は、その図の右側に、同一の温度での同一の LED からの放射を測定することによって得られたフォトルミネセンススペクトラム（PS1）を示す。再び、フォトルミネセンス強度 IPL が波長 λ の関数としてプロットされている。見てわかるように、この図に示されるフォトルミネセンススペクトラム（PS1）は、構造的詳細の観点において、図２に示されるエレクトロルミネセンススペクトラム（ES）と実質的に同一である。また比較のために、図３には、その図の左側に、Eu3+ イオンの内部エネルギー状態間の遷移、即ち、励起された 5D0 状態とより低いエネルギー 7Fj 状態（ j = 0, 1, 2, 3, 及び 4 ）との間の遷移、に起因する特徴的放射を測定することによって得られたフォトルミネセンススペクトラム（PS2）が示されている。これらの遷移、及びそれらの各放射エネルギーは、図５ａにおいて図解的に説明されている。
【００３４】
図３に示されるフォトルミネセンススペクトラム（PS2）は、Yongsheng Liu 他、J. Phys. Chem. C 2008、112、686-694 において報告されるように、Eu3+ イオンを注入された酸化亜鉛（ZnO）のサンプルから得られた。ZnO は、比較のためにホスト材料として選択されたが、というのも、その Eu3+ イオンは、シリコン内の Eu3+ イオンによって占有される格子サイト（lattice site）と同一の四面体対称を有する格子サイトを占有するからである。
【００３５】
この方法で得られたフォトルミネセンススペクトラム（PS2）は、E1、E2、E3、及び E4 として参照される四つの別個の放射領域を持ち、これらの領域は、励起された 5D0 状態とより低いエネルギー 7F1、7F2、7F3、及び 7F4 状態の夫々との間の遷移に起因するものである。
【００３６】
図３に示される二つのスペクトラム PS1 、PS2 の比較は、それらが同様の構造的特徴を持つことを示すが、しかし、スペクトラム PS1 の放射領域は、スペクトラム PS2 の放射領域よりも、ずっと長い波長（即ち、より低いエネルギー）で起こることが、直ちに明らかである。より詳細には、スペクトラム PS1 の放射領域は、電磁スペクトラムの赤外領域の波長で（即ち、1300nm 〜 1600nm の範囲の波長で）起こるのに対し、スペクトラム PS2 の放射領域は、電磁スペクトラムの可視領域の波長で（即ち、可視スペクトラムの赤−黄部分の波長で）起こる。
【００３７】
この観察は、全く予期されていなかったものであり、というのも、Eu3+ イオンを包含する既知の通常の半導体デバイスは、全て、Eu3+ イオンの内部エネルギー状態間の特徴的遷移に起因して、電磁スペクトラムの可視部分での放射線の放出性を有するからである。注目すべきことに、それはまるで、Eu3+ イオンの内部エネルギー状態と関連する放射が、電磁スペクトラムの可視領域から赤外領域へと、レッドシフト（red-shift）にさらされたかのようであった。更に、既に説明されたように、そのドーパントイオンの内部エネルギー状態間の特徴的遷移は、半導体ホストにおける電荷キャリアのバンド・トゥ・バンド（band-to-band）の再結合による間接エネルギー移動過程によって供給される。しかしながら、Eu3+ イオンの場合、5D0 状態と 7Fj 状態との間のエネルギー差は、1.1eV しかないシリコンバンドギャップよりもずっと大きく、そのため、放射線放出は可視部分においてさえも全くないだろうと予想されてきた。
【００３８】
図４においては、図３のフォトルミネセンススペクトラム（PS1）が、エネルギーの関数として再プロットされており、この上に、同図からのスペクトラム（PS2）が重ねられて、同じくエネルギーの関数としてプロットされているが、適度に正規化され、エネルギー軸に沿って 1.15eV だけ、レッドシフトされており、そのため、5D0 − 7F2 遷移に起因する、支配的な放射領域 E2 は、スペクトラム PS1 の主放射領域 R2 と位置合わせされている。
【００３９】
図５ａに示される各 7Fj 状態は、離散レベルの多様体（manifold）からなり、そのため、スペクトラム PS2 における各放射領域は、狭いエネルギー範囲に広げられ、図４に示されるように、いくつかの別個の放射ピークを含み得る。図４から明らかなこととして、二つの再プロットされたスペクトラムの他の放射領域間には、位置と強度との両方の点で、強い相関があり、即ち、領域 E1 は、領域 R1 （拡大（x5）スケールで示される）と実質的に一致し、領域 E3 は、領域 R3 （拡大（x50）スケールで示される）と実質的に一致する。更に、本発明者達は、測定により、スペクトラム PS1 における観察される放射領域の位置は、シリコン伝導帯エッジの温度依存性を密接に追随する温度依存性を持つ一方、対照的に、希土類元素イオンの内部エネルギー状態間の遷移は、温度不変性であることがわかる、ということを見出した。
【００４０】
これらの観察は、Eu3+ イオンの 5D0 内部エネルギー状態が、事実上、Eu3+ イオンの 7Fj 内部エネルギー状態への放射遷移のための開始状態として、シリコン伝導帯のずっとより低いエネルギー状態によって置換されたことを実証する。
【００４１】
代替の説明は、放射線放出性遷移が、7Fj エネルギー状態とシリコン価電子帯におけるエネルギー状態との間で起こる、というものである。しかしながら、これは観察されるスペクトラムと一致せず、というのも、遷移の順序、従ってスペクトラムにおける放射領域の順序は、価電子帯におけるより低い終端エネルギー状態により逆転せしめられるであろうが、そのような逆転は観察されないからである。
【００４２】
図５ｂは、シリコンホストのバンド構造と Eu3+ イオンの内部 7Fj エネルギー状態とがどのように位置合わせ（align）されると思われるか、を図示している。この図に示されるように、7Fj エネルギー状態は、全て、シリコン伝導帯（CB）とシリコン価電子帯（VB）との間のエネルギーギャップ（EG）内にある。伝導帯エッジ SiCB から Eu3+ イオンの内部 7Fj エネルギー状態への放射遷移は、T1、T2、T3、T4 として参照され、そのうちの遷移 T1、T2、及び T3 は、スペクトラム PS1 における、それぞれ、放射領域 R1、R2、及び R3 に対応する。
【００４３】
これらのバンドエッジ修正遷移は、シリコン伝導帯における内部エネルギー状態と Eu3+ イオンの 7Fj エネルギー状態との間の直接的な相互作用を伴い、そのため、それらは、既知のデバイスにおいて必要とされた間接エネルギー移動過程に依存しない。単一の励起エネルギー状態（以前は 5D0 状態）に代えてバルク伝導帯連続（bulk conduction band continium）を直接伴うこと、及び、間接エネルギー移動過程に依存しないことは、効率的なエミッタ、増幅器、及び検出器の開発への鍵となる、より高い効率的な光伝送速度へと結果的につながるはずである。
【００４４】
比較的高い温度、典型的に 80K を超える温度においては、シリコンホストにおける高速非放射再結合過程は、Eu3+ イオンの内部エネルギー状態への放射遷移に匹敵する傾向があり、それ故、それらの効果をマスキングする（mask）可能性がある。この問題は、図１を参照して記述されたように、ディスロケーションループの配列によって作り出される歪場の提供によって緩和され得る。事実、配列の各ディスロケーションループの周囲の歪場は、ディスロケーションループのエッジからの距離の関数として逆方向に大きさが変化する三次元電位障壁（three dimensional potential barrier）を作り出す。その電位障壁は、電荷キャリアを空間的に制限するのに効果的であり、そのため、非放射再結合過程が通常起こるシリコン格子又は表面における点欠陥へのそれらの拡散を抑制し、それによってそれらの過程のマスキング効果を低減する。より低い温度では、非放射再結合過程は、ずっとより遅くなり、歪場の必要性を低減し又は排除する。
【００４５】
図１を参照して記述された LED は、既に説明されたように、商用的観点からも技術的観点からも重要な光電子材料になりつつあるシリコンに基づくものであるという点において、特に有益である。更に、この LED は、光通信システムの開発を伴う応用にとってかなりの重要性を持つ 1300nm 〜 1600nm の赤外波長範囲における放射線の放出性を有する。
【００４６】
図１〜図５を参照して記述された光電子デバイスは発光ダイオードであるが、本発明は、レーザ及び光増幅器のような光電子放出（photoemissive）デバイスといった他の形態を包含する。一つの実現例において、本発明によるレーザは、図１を参照して記述された構造と同様の構造を持つが、該デバイスの各端部における、完全に反射する要素と部分的に反射する要素（R, R’）（図１において破線輪郭で示される）との間に形成される光キャビティを持つ。
【００４７】
本発明は、また、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、p-i-n フォトダイオード、及びショットキーフォトダイオードを含むが、それらに限定されることのない光検出器を包含する。この場合、光活性化領域は、該デバイスの p 型領域又は n 型領域のいずれかに位置し、放射線吸収性遷移は、ホスト半導体材料のエネルギー状態とドーパント希土類元素イオンのエネルギー状態との間で起こる。図１を参照して記述された種類の歪場は、そのような放射線吸収性遷移の効率を改善すると期待されるであろう。
【００４８】
光活性化領域がデバイスの p 型領域に位置する場合、必要なエネルギーを持つ入射光子が、価電子帯に追加のホールを生じさせる光活性化領域における遷移を引き起こす。実際、価電子帯の電子は、価電子帯の追加のホールを去るドーパントイオンのより高い内部状態に移動し、逆方向バイアス条件下で検出され得る光電流を生成する。あるいは、光活性化領域がデバイスの n 型領域に位置する場合、必要なエネルギーを持つ入射光子が、伝導帯の追加の電子を生じさせる光活性化領域における遷移を引き起こす。実際、電子が、ドーパントイオンの内部エネルギー状態から伝導帯に移動し、それによって順方向バイアス条件下で検出され得る光電流を生成する。最大 80K の、比較的低い温度での、予想される放射線吸収性遷移が、図６に図解的に示されている。この図からわかるように、伝導帯への遷移（ｎ型遷移）は、1280nm 〜 2000nm の波長範囲の放射線吸収性を持つ一方、価電子帯からの遷移（ｐ型遷移）は、2600nm 〜約 9500nm の、種々のより広い波長範囲の放射線吸収性を持つ。これらの p 型遷移は、内部 Eu3+ エネルギー状態の、シリコン価電子帯 SiVB への近接により、非常に温度感受性である。より高い温度において、即ち室温又はそれに近接した温度で、2600nm 〜約 25,000nm の更により広い波長範囲における p 型遷移が期待されることとなる。希土類半導体及びドーピングタイプの選択に依存する所望の波長範囲での放射を検出するように光検出器が選択的に設計され得ることが予想される。
【００４９】
図１〜図５を参照して記述された LED は、三価ユーロピウムイオン Eu3+ でドーピングされたシリコンを収容する光活性化領域を持つが、本発明は、これらの材料に限定されない、ということが、また、評価されるであろう。本発明は、例えば、ゲルマニウム、スズ、炭素、シリコン／ゲルマニウム、炭化珪素、及びそれらの合金といった、他の第 IV 属間接バンドギャップ半導体材料のような、種々の半導体材料を収容する光活性化領域を持つ光電子デバイス（光エミッタ及び光検出器）を包含する。本発明は、また、種々の希土類ドーパントイオンを包含する。図７は、光活性化領域 14 が、三価ユーロピウムイオンに代えて、希土類元素イッテルビウム（ytterbium）の三価イオン Yb3+ でドーピングされた、図１を参照して記述された LED から得られたフォトルミネセンススペクトラムを示す。図８ａ及び図８ｂは、Yb3+ イオンに関連する放射遷移を図解的に示す。これらの図は、それぞれ、図５ａ及び図５ｂに類似しており、即ち、図８ａは、Yb3+ イオンの内部エネルギー状態間の放射遷移を図解的に説明する一方、図８ｂは、シリコンホストのバンド構造と Yb3+ イオンの内部 2F7/2 エネルギー状態とがどのように位置合わせされると思われるかを図解的に説明しており、起こり得る放射遷移 T1’、T2’、T3’、及び T4’を示している。その観察される（2F7/2 状態の一つ以上への）遷移は、1000nm 〜 1050nm の波長範囲に対応して、予想される内部遷移から 0.295eV だけ再びレッドシフトされる。再び、該デバイスは、1300nm 〜 1600nm の技術的に重要な赤外波長範囲での放射線の放出性を有する。図９は、図６に類似しており、Yb3+ イオンの 2F7/2 状態からシリコン伝導帯エッジ SiCB への（n 型材料の場合について）、及び、シリコン価電子帯エッジ SiVB から Yb3+ イオンの 2F7/2 状態への（p 型材料の場合について）、最大 80K の比較的低い温度での、予想される放射線吸収性遷移を図解的に説明する。光検出器として使用されるとき、本デバイスは、1280nm 〜 1360nm の波長範囲（n 型遷移）での、及び、6500nm 〜 9500nm の波長範囲（p 型遷移）での、放射線吸収性を持つ。より高い温度において、即ち室温又はそれに近接した温度で、6000nm 〜約 25,000nm の、より広いエネルギー範囲における p 型遷移が期待されることとなる。
【００５０】
図１０は、図１を参照して記述された種類の、しかし非バイアス光起電性モードで動作する、Si:Eu3+ 及び Si:Yb3+ の各 LED から得られた、温度の逆数に対して図解的にプロットされた光起電性応答（photovoltaic responses）を示す。これらのダイオードは、デバイスの背面を通して照明され、励起エネルギーは、シリコンバンドギャップエネルギーよりも十分に低く、即ち、1.8μm 〜 3.5μm の通過バンドで、赤外にあった。これは、鋭い 1.8μm 長通過応答を与える厚いゲルマニウムフィルタを有するタングステンランプを使用して達成された。関連するクォーツ光学系及びクリオスタット窓は、3.5μm 周辺のソフトカットオフを提供する。
【００５１】
両プロットは、室温まで、熱的に活性化された光応答を示す。希土類元素ドーピングから等しく離されて処理され、同じ照明条件下で測定された制御シリコン LED は、何らの検出可能な応答を与えなかった。
【００５２】
各場合において、光応答の主要な活性化エネルギーは、各プロットの高温線形領域の傾きから得られた。Eu3+ でドーピングされたデバイスに関しては、主要な活性化エネルギーは、測定によって、2600nm に等価な 0.477eV であると決定された。この値は、図６に示される、p 型に関しての、予測された最高エネルギー遷移（SiVB → 7F4）に一致する。
【００５３】
Yb3+ でドーピングされたデバイスに関しては、主要な活性化エネルギーは、測定によって、6500nm に等価な 0.190eV であると決定された。この値は、図８に示される、p 型に関しての、予測された最高エネルギー遷移（SiVB → 2F7/2(3”)）に一致する。
【００５４】
これらの結果は、図６及び図９に示されるバンドエッジ修正遷移についての独立した実験的実証を提供し、光検出器としてのバンドエッジ修正デバイスの電位（potential）を証明するが、ただし、図１０に示される測定値を得るために使用された LED は、そういうものとして具体的に設計されていなかった。
【００５５】
典型的な実現例においては、本発明による光電子デバイスは、光電子集積回路に組み込まれ、例えば、絶縁体上シリコン（silicon-on-insulator）「導波（waveguide）」プラットフォームのような集積シリコン光プラットフォームに組み込まれる。そのような実現の一例が図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に図示される。
【００５６】
図１１（ａ）に図解的に示されるように、光電子集積回路 90 は、平面導波路 92 によって光検出器 93 に結合された光エミッタ 91 を具備する。光エミッタ 91 及び／又は光検出器 93 は、本発明によるものであり、図１〜図１０を参照して記述された好適な実施形態の形を持つことができるであろう。
【００５７】
図１１（ｂ）により詳細に示されるように、光エミッタ 91 、平面導波路 92 、及び光検出器 93 は、シリコン基材 95 に埋設された二酸化珪素の電気絶縁層 94 上に形成される。平面導波路 92 はシリコン導波領域 96 を有し、シリコン導波領域 96 は、一つの側において電気絶縁層 94 に接するとともに、他の側において領域 96 の屈折率よりも低い屈折率を有する領域 97 に接している。酸化物で満たされた溝（trench）T  が、光エミッタ 91 への接触のための領域 98 を隔離する（isolate）とともに、光検出器 93 への接触のための領域 99 を隔離するために設けられ、同様の隔離溝が、光エミッタ 91 と光検出器 93 とを平面導波路 92 の領域 97 から隔離するために設けられている。回路の動作中、光エミッタ 91 によって放出される放射線が、光検出器 93 による検出のために導波領域 96 に沿って案内されるように、領域 97 の屈折率が選択される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ−５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ−８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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