(57)【要約】  本発明は、第１の型の第１素子（１０）をドープされた結晶性半導体材料の面（１）と、第１の型と反対の第２の型の第２素子（２）をドープされた結晶性半導体材料の面（２）との間の分子結合からなるエレクトロルミネセントｐ−ｎ接合を作製する方法に関する。半導体材料は、間接遷移型禁制帯を有する。前記面によって提供される結晶格子は、所定角度だけ回転オフセットし、それにより、結合界面（３）において、らせん転位のアレイ（４）のが少なくとも形成される。
2009522759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の型をドープされた第１素子（１０）の結晶性半導体材料内の面（１）と、前記第１の型と反対の第２の型をドープされた第２素子（２）の結晶性半導体材料内の面（２）との分子結合からなるエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製する方法であって、前記半導体材料は、間接遷移型禁制帯を有し、前記結合は、前記面によって示される結晶格子を所定角度だけ回転シフトすることによって実施され、それにより、結合界面（３）における、らせん型転位網（４）の形成が少なくとももたらされる方法。
【請求項２】
前記結合界面（３）において前記分子結合を強め、欠陥を除去することが可能な、中性または不動態化雰囲気下での後続の熱的アニーリングの工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結合は、真空内で実施され、前記方法は、分子結合を強め、欠陥を除去することが可能な、真空内での、５００℃以下の温度の後続の処理工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
分子結合は、大気圧で実施され、前記方法は、分子結合の前に、前記面（１，２）を化学的に洗浄する工程を含む請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
分子結合は真空内で達成され、前記方法は、分子結合の前に、真空内で、前記面（１，２）を化学的におよび／または熱的に洗浄する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記洗浄工程と前記結合工程との間で、前記面（１，２）を脱酸素する工程を含む請求項４または５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記素子（１０，２０）の少なくとも一方は、大量の半導体材料のブロックである請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方は、積層体によって形成される複合基板（１００，２００）の膜であり、前記膜は前記積層体の表面にある請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記複合基板（１００，２００）は、セミコンダクタ−オン−インシュレータ基板である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方は、バルクにドープされる請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記素子（１０，２０）の少なくとも一方は、前記表面においてドープされる請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
結合は、両方の面（１，２）の間に撓み角を導入することによって実施され、それにより、らせん型転位網に加えて、前記結合界面（４）において、刃状型転位網がもたらされる請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムである請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記回転シフト角は、できる限り小さいが、非ゼロであるピッチで、らせん型転位網（４）を生じるために調整される請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
発光ダイオードを作製する方法であって、エレクトロルミネセントＰＮ接合は、請求項１から１４に記載の方法によって作製され、各素子に関し、電気コンタクト（１１，２１）が、結合されるべき面と反対の面上に形成される方法。
【請求項１６】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方が、複合基板（１００，２００）の膜であるとき、前記複合基板（１００，２００）のエッチングが、電気コンタクト（１１，２１）を形成する前に実施され、それにより、前記電気コンタクト（１１，２１）を保持すべき面が露出される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
分子結合によって互いに組み立てられる反対の型の２つのドープされた半導体結晶性素子（１０，２０）を含み、前記半導体が間接遷移型禁制帯を有するエレクトロルミネセントＰＮ接合であって、前記結合界面（３）において、少なくとも１つのらせん型転位網（４）をさらに含むことを特徴とするＰＮ接合。
【請求項１８】
前記結合界面（３）において、刃状型転位網をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のＰＮ接合。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか一項に記載のＰＮ接合を含み、各素子（１０，２０）は、前記結合界面（３）の反対側に、電気コンタクト（１１，２１）を備えることを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子結合によって、間接遷移型禁制帯を有する半導体材料内にエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンは、微小電子工学産業において最もよく使用される半導体材料である。製造コストおよび技術的成熟度の観点から、シリコンは、光電子回路を作製するための最も有利な基板であることになる。残念ながら、バルク単結晶シリコンは、その間接遷移型禁制帯のため、非常に効率的がよいわけではない光エミッタである。思い起こすこととして、材料の禁制帯またはバンドギャップは、材料の伝導帯と価電子帯とのエネルギー差に相当する。伝導帯の電子と価電子帯の正孔は、波動ベクトルに依存するエネルギーを有する。価電子帯の最大値と伝導帯の最小値は、このように位置する。伝導帯の最小値が、価電子帯の最大値と同じ波動ベクトルを有するとき、禁制帯は、直接遷移型であると言われ、逆の場合、禁制帯は、間接遷移型であると言われる。したがって、直接遷移型禁制帯を有する半導体は、一般に、他の半導体に比べて光電子用途により適している。実際に、発光デバイスは、その禁制帯幅によって決まる波長で放出する。
【０００３】
結論として、シリコンおよびゲルマニウムなどの間接遷移型禁制帯を有する他の半導体材料は、集積化光源として使用し得るが問題がある。シリコンの場合、電磁波光スペクトルの赤外部分に位置する１，１５０ナノメートルの単一波長で、光が放出される。バルクシリコンは、さらに、０．０１％未満のフォトルミネセンス効率または内部量子収率を有する。
【０００４】
シリコンのルミネセンス特性を改善するために、および／または、シリコンナノ結晶、Ｓｉ／Ｓｉ０２超格子、多孔質性シリコン、エルビウムをドープされたシリコン、などの、電磁光スペクトルの可視部分でシリコンに放出させるようにするために、異なる手法が考えられてきた。多孔質性シリコンは、禁制帯構造に存在する量子閉じ込めの理由から、バルクシリコンの禁制帯構造と少し異なる禁制帯構造を有する。
【０００５】
シリコンの禁制帯幅に相当する波長で放出する最も効率的な発光デバイスは、参考文献としてこの明細書の説明の最後に見出される文献［１］に記載された転位ループデバイスに関して確認された。これらは、ボロンなどのＰ型ドーパントをＮ型基板内に埋め込むことによって作製された発光ダイオードである。この埋め込みは、シリコン結晶内に転位を生じ、約１，０００℃でアニーリングすることによって、転位ループ網を誘起する。これらの転位ループは、局所的な応力場を生成し、局所的な応力場は、結晶の電子バンド構造を局所的に変化させ、そのため、電子キャリアの空間的な閉じ込めを可能にする。エレクトロルミネセンスが、シリコンの禁制帯の幅に相当する波長で、室温で、０．１％に近い内部量子収率で得られることを可能にするのは、この空間的閉じ込めである。しかし、イオン埋め込みによって転位ループを得る方法には、制限があり、一方で、転位ループの最小サイズのために、直径は約８０〜約１００ナノメートルであり、他方で、その密度のために、間隔は少なくとも２０ナノメートルである。これらの寸法は、これらの転位を有する材料で作製された部材の集積化を制限する。
【０００６】
他の技法では、転位ループは、ドープする前に、たとえば、圧迫によって結晶を塑性変形することによって得られる。参考文献として明細書の最後に見出される文献［２］は、この実施形態を示す。結晶内に《量子井戸》を形成することによる、または、たとえば、酸化物析出物用のトラップとして振る舞う（これは後で見られる）ことによる、これらの転位は、バルクシリコンの禁制帯幅に相当する波長を越える波長、特に、約１，１５０〜１，６００ナノメートルの光が放出されることを可能にする。しかし、結晶を塑性変形することによって得られる転位を有するダイオードを作製する方法は、微小電子工学で使用される標準的な超大規模集積技術（ＵＬＳＩ）に容易に適合しない。こうした技術によって、百万を越える部材を有するチップが得られる可能性がある。塑性変形によって得られるこれらのダイオードは、容易に制御されない可能性がある形状および転位密度を有する。そして、非常によく制御されかつ再現性のある平坦性と界面状態を必要とする微小電子工学デバイスおよび／またはフォトニックデバイスに、続いてダイオードを集積化することを考えることは難しい。
【０００７】
転位は、また、シリコン酸化物析出物用のトラップの役目を果たし、シリコン酸化物析出物は、高温アニーリング工程中の、結晶からの残留酸素の拡散中に形成される。これらの析出物によって、シリコンのギャップに相当する波長を上回る波長で光が放出される場合があることが確認された。
【０００８】
さらに、ＰＮ接合ダイオードは、両方のウェハの結晶格子の垂直軸間に傾斜角が生じることに起因して、転位網を有する２つの単結晶シリコンウェハの分子結合によって作製された。この角度は、また、撓み角度または《傾斜》角または《ミスカット（ｍｉｓｃｕｔ）》角の名の下で知られている。この撓み角度は、両方のウェハが一緒に組み立てられるときに、事実上不可避である。１，４００〜１，６００ナノメートルのエレクトロルミネセンスは、７７°Ｋ程度の低温のクライオスタット内で確認された。しかし、現在の使用に対しては、この温度は、やはり低すぎる。さらに、転位のピッチ、したがって、転位の密度を制御することが非常に難しく、それにより、ＰＮ接合の効率を最適化し、再現性のあるＰＮ接合を作製することは可能でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記制限および困難さを持たない、間接遷移型禁制帯を有する半導体材料内にエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製する方法を提案することである。
【００１０】
特に、本発明の目的は、こうしたエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製するために効率および再現性を改善することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、ＰＮ接合を構成する材料の禁制帯幅に相当する波長で発光することができるが、１つまたはいくつかの他の波長でも発光することができるこうしたＰＮ接合を作製することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、室温で発光することができるこうしたＰＮ接合を作製することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、マイクロエレクトロニクス（微小電子工学）技術に適合するこうしたＰＮ接合を作製する方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの目的を達成するために、本発明は、より具体的には、第１の型（導電型）をドープされた第１素子の結晶性半導体材料内の面と、第１の型と反対の第２の型（導電型）をドープされた第２素子の結晶性半導体材料内の面との分子結合からなるエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製する方法に関する。素子の半導体材料は、間接遷移型禁制帯を有する。結合は、前記面によって示される結晶格子を所定角度だけ回転シフトすることによって実施され、それにより、結合界面における、らせん型の転位網の形成が少なくとももたらされる。
【００１５】
求められる目的は、分子結合によって、らせん型転位網を形成することによって達成されてもよい。
【００１６】
前記方法は、中性または《不動態化》雰囲気下での熱的アニーリング用の後続の工程を含んでもよい。中性雰囲気とは、たとえば、真空、窒素、またはアルゴン雰囲気などの、結合される材料に対する不活性雰囲気を意味する。《不動態化》雰囲気とは、たとえば、水素、ギ酸ガス、窒素内の水素、またはアンモニアＮＨ３などの、分子結合および転位網の形成を妨げない任意のガス雰囲気を意味する。
【００１７】
あるいは、前記方法は、分子結合を強め、考えられる欠陥を除去するために、真空分子結合の場合、真空内での、５００℃以下の温度での後続の処理工程を含んでもよい。
【００１８】
良質な結合を得るために、特に、結合が大気圧下で実施される場合、結合の前に、面を化学的に洗浄する工程を設けることが好ましい。
【００１９】
真空内で達成される分子結合の場合、熱的洗浄が、追加されてもよく、または、化学的洗浄工程に置換えられてもよい。この熱的洗浄は、たとえば、結合の前における、両面の水素下での高温アニーリングであってよい。
【００２０】
同じ目的で、洗浄工程と実際の分子結合工程との間で、面を脱酸素する工程を設けることが好ましい。
【００２１】
素子の少なくとも１つは、バルク半導体材料のブロックであってよい。
【００２２】
コストが安い代替法として、素子の少なくとも一方は、積層体によって形成される複合基板の膜であってよく、積層体の表面に膜がある。
【００２３】
複合基板は、有利には、セミコンダクタ−オン−インシュレータ基板である。
【００２４】
素子の少なくとも一方は、バルクにドープされてもよく、または、他法として、表面においてドープされてもよい。
【００２５】
結合は、両方の面の間に撓み角を導入することによって行ってもよく、それにより、らせん型転位網に加えて、結合界面において、刃状型転位網がもたらされる。
【００２６】
素子の半導体材料は、シリコンであってよいが、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムであってよい。
【００２７】
効率を最適化するために、回転シフト角は、できる限り小さいが、非ゼロであるピッチを有する、らせん型転位網を生じるように調整される。
【００２８】
本発明は、また、発光ダイオードを作製する方法に関しており、エレクトロルミネセントＰＮ接合は、前記請求項の方法によって作製され、各素子に関し、電気コンタクトが、結合されるべき面と反対の面上に形成される。
【００２９】
素子の少なくとも一方が、複合基板の膜であるとき、複合基板のエッチングが、電気コンタクトを形成する前に達成され、それにより、電気コンタクトを保持すべき面が露出される。
【００３０】
本発明は、また、反対の型をドープされた２つの半導体結晶性素子を含むエレクトロルミネセントＰＮ接合に関し、これらの半導体素子は間接遷移型禁制帯を有し、分子結合によって互いに組み立てられる。エレクトロルミネセントＰＮ接合は、さらに、結合界面において、少なくとも１つのらせん型転位網を含む。
【００３１】
エレクトロルミネセントＰＮ接合は、さらに、結合界面において、刃状型転位網を含んでもよく、エレクトロルミネセントＰＮ接合をよりよく働くようにする。
【００３２】
本発明は、また、それにより特徴付けられたＰＮ接合を含むエレクトロルミネセントダイオードに関し、各素子は、結合界面の反対に、電気コンタクトを備える。
【００３３】
本発明は、添付図面を参照して、所与の例示的な実施形態の説明を読むことによって、制限としてではなく単に指示として、よりよく理解されるであろう。
【００３４】
図１および２に示す種々の代替法は、互いに排他的でないとして理解されるべきである。
【００３５】
以降で述べる異なる図の、同一の、同様な、または等価な部分は、１つの図から他の図へ移るのを容易にするために、同じ参照符号を持つ。
【００３６】
図に示す異なる部分は、図をよりわかり易くするために、必ずしも一定比例尺に従わない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明のエレクトロルミネセントＰＮ接合物を作製する例示的な方法、次に、このＰＮ接合を備えるダイオードの説明が、図１Ａ〜１Ｄを参照して行われる。
【００３８】
図１Ａに示すように、それぞれが結合面１、２を有する結晶性半導体材料の２つの素子１０、２０から始める。この半導体材料は、間接遷移型禁制帯を有し、これは、たとえば、単結晶シリコンであってよいが、特に、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、または間接遷移型禁制帯を有する任意の半導体などの、他の結晶性半導体材料が使用されてもよい。素子１０、２０は、共に、図１に示す半導体材料の厚いバルク結晶であってよく、または、図２に示す膜であってよい。膜とは、その厚さが約１マイクロメートル未満である層を意味する。
【００３９】
面のうちの一方の面１の材料は、あるドープ型、たとえば、Ｎ型を有し、他の面２の材料は、反対の型、たとえば、Ｐ型を有する。
【００４０】
ドーピングは、バルク内で行ってもよく、ドーピングは、結晶の引き抜き中に達成されてもよい、そうでなければ、表面で行ってもよく、ドーピングは、たとえば、ドーパントを埋め込むことによって得ることが可能であったかもしれない。ドーパントは、たとえば、Ｐドープド素子１０においてボロン、Ｎドープド素子２０においてリンであってよい。図１の例では、ドーピングが表面で起こること、および、図２の例ではバルク内であることと想定される。ドープドエリアは、図１Ａにて、２０．１および１０．１として参照される。逆が可能であろう。すなわち、素子１、２の一方は、バルク内にドーピングを有し、他の素子は、表面にドーピングを有してもよい。ドーピングレートは、ＰＮ接合の内部電界が、従来のＰＮダイオードの場合と同様に、それぞれのＮエリアまたはＰエリアのドーピングレートに依存することを知って、１０１６〜２，３×１０２０イオン／ｃｍ３にあってよい。
【００４１】
ＰＮ接合を作製するために、第１素子１０の結晶性半導体材料内の面１は、第２素子２０の結晶性半導体材料内の面２に接触させられ、それにより、前記面１、２によって示される結晶格子が、所定の角度だけ回転シフトする。この回転シフト角は、ねじれ角として知られている。このねじれ角は、図１Ｂにて矢印によって具体化される。この図では、素子１、２のそれぞれの３つの結晶軸も見える。
【００４２】
この接触は、分子結合によって実施される。こうした作業は、十分に平滑な表面で、また、できる限り汚染が無いように達成されるべきである。
【００４３】
いずれの分子結合も、洗浄工程と、その後、一般に、結合される面を脱酸素する工程を含み、これらの工程は、分子接着を施す結合の前に行われることが一般に認識される。
【００４４】
両方の素子１０、２０は、密な接触が開始されることを可能にするために、互いに十分に近くに維持されるべきである。引力が、面１と２との間に現れ、面１と２を接触させ、分子結合をもたらす。
【００４５】
この分子結合は、室温でかつ大気圧で達成されてもよい。
【００４６】
したがって、この分子接着を可能にするために、両方の面１、２の事前の洗浄が行われる。当業者に知られているこの洗浄は、特に、結合が大気圧下で実施されるとき、たとえば、塩酸ＨＣｌ、硝酸ＨＮＯ３、硫酸Ｈ２ＳＯ４、過酸化水素Ｈ２Ｏ２、アンモニアＮＨ３、ＣＡＲＯ混合物（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）、王水、ＲＣＡ  ＳＣ１洗浄（ＮＨ４ＯＨ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２０）、またはＲＣＡ  ＳＣ２洗浄（Ｈ２Ｏ２：ＨＣｌ：  Ｈ２０）に基づく、１つまたはいくつかの化学バス内での浸漬による化学的洗浄からなる。この処理は、液体または蒸気としてのフッ化水素酸ＨＦによって、表面におけるペンダント結合の水素化によって通常実施される脱酸素処理で終わる場合がある。
【００４７】
シリコン／シリコン結合が、表面に酸化物層が無い状態で実施されるとき、これは、疎水性結合と呼ばれる。酸化物／酸化物結合の場合、これは、親水性結合と呼ばれる。本発明の方法では、これは、好ましくは疎水性結合であることになる。
【００４８】
分子結合は、また、真空内で実施されてもよい。熱的洗浄工程および／または化学的洗浄工程が、前もって行われてもよい。熱的洗浄は、組み立てられる面の、水素下の高温（通常、１，１００℃より大きい）におけるアニーリングであってよく、結合の前に実施される。化学的洗浄は、先に述べた洗浄と同様であってよい。真空内での分子結合は、結合される両方の面１、２の前もって行われる脱酸素後に、真空内で熱的に、または、任意の他の脱酸素法によって実施される。この技法は、当業者に知られている。
【００４９】
界面における結合エネルギーおよび整然とした転位網のエネルギーの増大は、たとえば、約５００℃を越える温度で、中性雰囲気下で、たとえば、真空内で、または、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気下で、または任意の他の不活性ガスの雰囲気下で、結合される材料に対して熱処理を加えることによって得られる可能性がある。あるいは、この熱処理は、不動態化雰囲気下で、たとえば、水素下、窒素内の水素下、ギ酸ガス下、アンモニアＮＨ３下、あるいは、結合または転位網の形成を妨げない任意の他のガス下で実施されてもよい。加熱処理の継続時間は、その温度に依存することになり、ドーパントを過剰に拡散させないように、数時間に制限されることになる。
【００５０】
このアニーリング、いわゆる、シーリングアニーリングは、結合の界面における、分子結合および転位網の形成を強める目的、および、界面において考えられる欠陥を除去するか、結合界面またはＰＮ接合において、たとえば、酸化物の考えられる析出物の形成を可能にする目的を有する。
【００５１】
そのため、両方の面１と２との間の結合の大多数は、共有結合であることになる。この処理は、気泡などの結合界面３に存在する欠陥を除去することを目指す。
【００５２】
分子結合が、高温処理によって行われる代わりに、真空内で実施された場合、たとえば、約５００℃未満の低温でかつ真空内で、後続の熱処理を行うことが可能である。
【００５３】
図１Ｃは、結合後に得られる構造を示す。ねじれ角に応じて、らせん型転位網４が、結合界面３に、したがって、ＰＮ接合に生じる。ＰＮ接合は、特に室温で改善された効率を有し、シリコンの禁制帯幅に相当する波長で発光することができるが、少なくとも別の波長でも発光することができる（これは、後に、図３のグラフを調べることによって見られるであろう）。この例では、他の波長は、シリコンの禁制帯に相当する波長より長い。
【００５４】
実際に、２つの結晶性ウェハの分子結合中の回転の角度向きのずれは、結合界面において、四角形の周期的ならせん型転位網を生じ、そのピッチが、ねじれ角に依存することが知られている。参考文献として明細書の説明の最後に見出される論文［４］が参照されてもよい。
【００５５】
ねじれ型転位網によって、ＰＮ接合の禁制帯の幅を局所的に修正することが可能である。まず第１に、ねじれ型転位網は、電子キャリアの閉じ込めがそれによりＰＮ接合において増加する局所的な空間応力場を生じ、キャリアの拡散が阻止され、転位が全く無い接合に比較して、接合の効率および内部量子収率が、特に改善される可能性がある。
【００５６】
この結合法によって、らせん型転位網のピッチ、したがって、転位密度を制御することが可能である。それは、このピッチがねじれ角に依存し、このねじれ角が高い精度で調整される場合があるからである。こうして、得られるＰＮ接合の発光および内部量子収率を調節する転位密度を最適化することが可能である。
【００５７】
［４］として参照される論文は、組み立て中に、たとえば１°の１／１００の程度の高い精度で所望のねじれ角を導入する方法を述べる。両方の素子は、結晶性半導体材料の同じブロックから採取され、それは、円弧に沿う目盛を付けたスケールの形状を有してもよい局在化マークを備える。両方の採取された素子は、これらの局在化マークを保持するであろう。所望のねじれ角は、相対シフトを導入することによって、局在化マークを位置合わせすることによって得られてもよい。こうして、２０°のねじれ角は、約１ナノメートルのらせん転位ピッチを提供する。
【００５８】
両方の素子が、同じ結晶性ブロックに由来しない場合、ねじれ角を高い精度で調整することも可能であるが、素子のそれぞれの結晶格子の少なくとも１つの軸が、決定されなければならない。これは、たとえば、Ｘ線によって達成される。
【００５９】
文献［３］では、エレクトロルミネセンスは、撓み向きのずれ、すなわち、傾斜角を排他的に有するサンプルに関して観測されただけであった。実際に、分子結合による組み立て中に、スマートカット（ｓｍａｒｔ−ｃｕｔ）（登録商標）法によって得られる２つの表面の場合を除いて、傾斜角が、実際には避けられないことを承知しながら、結晶格子ができる限り一致するように、いずれのねじれ角をも導入しないことが一般に求められる。
【００６０】
最後に、結合界面、したがって、接合に位置する転位は、量子井戸が形成されることをも可能にし、ギャップより低いエネルギーでの発光のため、井戸は、転位によって（シリコンのエネルギーギャップ未満の、転位のルミネセンス線の約１．５〜１．６マイクロメータの発光）、または、文献［５］（参考文献として明細書の説明の終わりに与えられる）で教示されるシーリングアニーリング中に転位において形成される場合がある酸化物析出物によって形成される。これらの《量子井戸》は、使用される材料のエネルギーレベルを局所的に修正し、使用される結晶性材料の禁制帯幅に相当するよりも低いエネルギーレベルの光の放出を可能にする。これは、放出される光が異なる波長を有すること、および、この場合、使用される結晶性材料の禁制帯幅に相当する波長を越えることを意味する。エネルギーと波長を結合する関係は、
エネルギー（ｅＶ単位）×波長（Å単位）≒１２，４１０
である。
【００６１】
任意の２つの素子の組み立て中に、撓み向きのずれが必然的に起こる（これは、先に見られた）。撓み向きのずれについてのこの傾斜角は、界面３に第２の刃状型転位網を生じ、転位のピッチは、この傾斜角に直接依存するが、ねじれ角にも依存する。この刃状型転位網が、図１に示す例に存在することが考えられるが、刃状型転位網は、らせん型転位網に重なる。こうした理由で、刃状型転位網が見えない。この第２の刃状型転位網の導入は、特に、室温における接合のエレクトロルミネセンスを強める可能性があるだけである。
【００６２】
両方の素子が、たとえば、破断によって同じ結晶性ブロックから採取される場合で、かつ、両方の素子が、破断時に組み立てられる場合、傾斜角はゼロである。
【００６３】
得られるＰＮ接合は、特に、集積回路またはダイオードにおいて使用されてもよい。
【００６４】
先に得られたＰＮ接合から発光ダイオードを得るためには、それぞれが、結合界面３と反対の、組み立てられた素子１０、２０の一方の上に、電気コンタクト１１、２１を作製すれば十分である。これらの電気コンタクトは、図１Ｄの１１および２１として参照される。これらの電気コンタクト１１、２１は、金属を噴霧することによって、また、おそらくは、熱的アニーリングによって作製されてもよい。電気コンタクトは、組み立てられる素子と反対にある素子１、２の面の全体を被覆してもよく、または、この面上の境界を定めてもよい。これらの電気コンタクト１１、２１は、オーミック型であってもよく、または、ショットキ型であってもよい。電気コンタクト１１、２１は、たとえば、チタン、アルミニウム、ニッケル、金、タングステンを基礎として作製されてもよい。コンタクトは、半導体の型およびドーピングレートならびに使用される金属の性質（金属／半導体のフェルミ準位）に応じて、オーミックタイプであるか、または、ショットキタイプであるであろう。たとえば、Ｎ型シリコン上の金堆積物またはＰ型シリコン上のアルミニウム堆積物は、金属を堆積する前に、シリコンの表面の酸化物を前もって除去した後に、一般に、オーミックになる。他方、５×１０１９イオン／ｃｍ３未満のドーピングレートでのＮ型ドープドシリコン上のアルミニウム堆積物は、ショットキタイプである。
【００６５】
これらの電気コンタクト１１、２１を用いて、ダイオードを通って電流を生じさせ、ＰＮ接合が光を放出するように、転位網を用いて、ＰＮ接合内に電子キャリアを注入することが可能である。
【００６６】
本発明によるＰＮ接合の他の例を、図２Ａを参照してここで考える。両方の素子が厚いバルク結晶であることに代えて、両方の素子は、それぞれが、複合基板１００、２００の一部である２つの膜１０３、２０３であってよい。両方の膜１０３、２０３は、大量にドープされ、もはや表面にだけあるのではないと想定される。こうした複合基板１００、２００は、表面の膜を含むいくつかの層の積層体によって形成されてもよい。積層体は、連続して、全体が半導体材料の支持体１０１、２０１、誘電性材料層１０２、２０２、および結晶性半導体材料の膜１０３、２０３を含んでもよい。これは、セミコンダクタ−オン−インシュレータタイプ、より具体的には、シリコン−オン−インシュレーションタイプ（ＳＯＩ）の基板であってよく、または、ゲルマニウム−オン−インシュレータ（ＧＯＩまたはＧｅＯＩ）基板であってよい。組み立てならびに組み立て前処理および組み立て後処理は、図１で先に述べたように達成されるであろう。これらのＳＯＩまたは他の基板による利益は、たとえば、フォトニック結晶の作製、または、微小電子工学などのための、光学部品用の用途にある。
【００６７】
電気コンタクト１１、２１を作製するために、膜１０３、２０３の、組み立てられる面と反対の面が、好ましくは、それぞれの素子について部分的に露出されることになる。露出エリア１０４、２０４は、たとえば、ＫＯＨまたはＴＭＡＨ溶液によってシリコンを化学的にエッチングすることによって得られてもよい。この化学的エッチングは、誘電性シリコン酸化物層のための、または、フッ化水素酸の混合物を用いたプラズマエッチング技法で達成されてもよい。この化学的エッチングは、複合基板１００、２００の支持体１０１、２０１から誘電性層１０２、２０２を通して実施される。
【００６８】
電気コンタクト１１、２１は、露出エリア１０４、２０４を被覆する。電気コンタクトは、先に述べたように、たとえば、局在化噴霧によって作製されてもよい。
【００６９】
ここで、図３Ａ〜３Ｄを参照して、異なる温度および異なるねじれ角についての、波長に応じた、本発明によるダイオードによって放出された光の強度を示すグラフに関して言及する。
【００７０】
図３Ａでは、本発明によるシリコンＰＮ接合に関して、測定が、３００°Ｋ（室温）で行われた。２°、２０°、４５°のねじれ角を有するＰＮ接合が試験された。傾斜角は、知られておらず、ゼロであってもよいが、これは、可能性が高くない。分子結合によって得られ、ゼロのねじれ角を有するが、所与の傾斜角、したがって、従来技術の一部を有するＰＮ接合もまた試験された。
【００７１】
０°、２°、２０°のねじれ角による結合についてのこれらのねじれ角は、それぞれ、１００ｎｍ、１０ｎｍ、および１ｎｍのピッチを有する、周期的ならせん型転位網を生じた。０°のねじれ角による結合は、常に、著しく低い向きのずれを有し、傾斜角による転位について一般に観測されるピッチに匹敵する、ほぼ１００ｎｍまたはさらにそれ以上のピッチを有するねじれ転位網を生じる。ピッチが小さくなればなるほど（しかし、ゼロではない）、信号強度が強くなることが理解される。２０°のねじれ角に相当する曲線は、シリコンの帯成に相当する波長（１，１５０ｎｍ）において強いピークを特徴付けたが、１，５５０ｎｍの周りでもピークを特徴付けた。エレクトロルミネセンス効率は、従来技術に対して疑いなく改善されている。従来技術からのサンプルは、シリコンの禁制帯幅に相当する波長、すなわち、１，１５０ｎｍ周辺の信号を放出するだけである。転位網が存在しない場合、すなわち、ねじれ角が４５°である場合、放出信号は実質的にゼロである。
【００７２】
図３Ｂでは、本発明によるシリコンＰＮ接合と従来のＰＮ接合に関して、８０°Ｋ（低温）で、測定が行われた。ＰＮ接合は、２°、２０°のねじれ角、および、従来の接合に対して０°に近いまたはゼロのねじれ角を有する。これらの角度は、それぞれ、２°のねじれ角に対して１０ｎｍのピッチ、２０°のねじれ角に対して１ｎｍのピッチ、およびゼロのねじれ角に対して１００ｎｍのピッチを有する周期的ならせん型転位網を生じる。従来のＰＮ接合の場合、両方の素子のアライメントの不完全さに起因して、傾斜角は、約１００ナノメートルの最小ピッチを有する、刃状型転位網ならびにらせん型転位網を生じる。文献［４］に述べられたように、０．０１°未満の精度で両方の結晶格子を完全に位置合わせすることが難しいため、実際には、わずかな角度ミスアライメントが、一般に残る。
【００７３】
ここで再び、ピッチが小さければ小さいほど、信号強度が強くなる。最も強度が強いピークは、この場合、１，４００ｎｍ〜１，６００ｎｍの範囲で、より詳細には、１，５００ｎｍの付近で得られる。この波長は、シリコンの禁制帯幅に相当する波長と異なりかつ長い。他のピークは、１，１５０ナノメートルの周りに見出される。
【００７４】
図３Ｃは、最も小さいピッチ、したがって、最も強い転位密度を有する、本発明による接合に対する図３Ａおよび３Ｂで得られた結果の比較を可能にする。３００°Ｋで得られるものと比較して、８０°Ｋで１，５００ｎｍ付近で得られた光強度の増加によって、８０°Ｋの試験されたＰＮ接合に、《量子井戸》が存在することを推測することが可能である。
【００７５】
図３Ｄでは、室温３００°Ｋにおいて、本発明のＰＮ接合の信号強度が、従来のＰＮ接合によって送出される信号強度と比較された。両方の接合は、シリコン接合である。結合によって得られた本発明のＰＮ接合は、２０°のねじれ角を有し、０．１５６Ｗの電力が、ＰＮ接合内に注入された。同様に結合によって得られた従来のＰＮ接合は、ゼロのねじれ角を有する。２．２Ｗの電力が、ＰＮ接合内に注入された。これらの接合の両方の素子は、組み立てる前に、液体フッ化水素酸で処理された。シリコンの禁制帯幅に相当する波長において、比較が実施される。注入された電力を考慮すると、本発明によるＰＮ接合は、従来のＰＮ接合に比べて４０倍効率がよいことが推測されうる。
【００７６】
本発明のいくつかの実施形態が、詳細に示され、述べられたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および修正が行われてもよいことが理解されるであろう。特に、素子の一方がバルク半導体材料であること、および、他の素子が膜であることが可能である。
【００７７】
（参考文献）
［１］「An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode」  Wai Lek Ngら著，Nature, Vol.410, 2001年3月8日，192〜194頁
［２］「Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence」  V. Kvederら著，Applied Physics Letter, Volume 84, Number 12, 2004年3月22日，2106-2108頁
［３］「Electroluminescence from silicon P-N junctions prepared by wafer onding」  Einar O. Sveinbj ornssonら著，Electrochemical Society Proceedings, 2002年9月1日, Vol. 97-36，264-271頁
［４］「Accurate control of the misorientation angles in direct wafer bonding」  Frank Fournelら著，Applied Physics Letters, Volume 80, Number 5, 2002年2月4日，793-795頁
［５］「Optical properties of oxygen precipitates and dislocations in silicon」  S. Binettiら著，Journal of Applied Physics, Volume 92, Number 5, 2002年9月1日，2437-2445頁
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合の例と発光ダイオードの例を作製する異なる工程のうちの１つを示す図である。
【図１Ｂ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合の例と発光ダイオードの例を作製する異なる工程のうちの１つを示す図である。
【図１Ｃ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合の例と発光ダイオードの例を作製する異なる工程のうちの１つを示す図である。
【図１Ｄ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合の例と発光ダイオードの例を作製する異なる工程のうちの１つを示す図である。
【図２Ａ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合と発光ダイオードを作製する工程の他の例を示す図である。
【図２Ｂ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合と発光ダイオードを作製する工程の他の例を示す図である。
【図２Ｃ】本発明による、エレクトロルミネセントＰＮ接合と発光ダイオードを作製する工程の他の例を示す図である。
【図３Ａ】放出信号の波長に対する、本発明による、または、従来技術からの種々のダイオードによって放出された信号強度を示すグラフである。
【図３Ｂ】放出信号の波長に対する、本発明による、または、従来技術からの種々のダイオードによって放出された信号強度を示すグラフである。
【図３Ｃ】放出信号の波長に対する、本発明による、または、従来技術からの種々のダイオードによって放出された信号強度を示すグラフである。
【図３Ｄ】放出信号の波長に対する、本発明による、または、従来技術からの種々のダイオードによって放出された信号強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１、２  面
３  接合界面
４  転位
１０  第１素子
１０．１、２０．１  ドープドエリア
１１、２１  電気コンタクト
２０  第２素子
１００、２００  複合基板
１０３、２０３  素子
【図１Ａ】
2009522759.tif 000003
【図１Ｂ】
2009522759.tif 000004
【図１Ｃ】
2009522759.tif 000005
【図１Ｄ】
2009522759.tif 000006
【図２Ａ】
2009522759.tif 000007
【図２Ｂ】
2009522759.tif 000008
【図２Ｃ】
2009522759.tif 000009
【図３Ａ】
2009522759.tif 000010
【図３Ｂ】
2009522759.tif 000011
【図３Ｃ】
2009522759.tif 000012
【図３Ｄ】
2009522759.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月29日(2007.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の型をドープされた第１素子（１０）の結晶性半導体材料内の面（１）と、前記第１の型と反対の第２の型をドープされた第２素子（２）の結晶性半導体材料内の面（２）との分子結合からなるエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製する方法であって、前記半導体材料は、間接遷移型禁制帯を有し、前記結合は、前記面によって示される結晶格子を２°または２０°の値で所定角度だけ回転シフトすることによって実施され、それにより、結合界面（３）における、らせん型転位網（４）の形成が少なくとももたらされる方法。
【請求項２】
前記結合界面（３）において前記分子結合を強め、欠陥を除去することが可能な、中性または不動態化雰囲気下での後続の熱的アニーリングの工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結合は、真空内で実施され、前記方法は、分子結合を強め、欠陥を除去することが可能な、真空内での、５００℃以下の温度の後続の処理工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
分子結合は、大気圧で実施され、前記方法は、分子結合の前に、前記面（１，２）を化学的に洗浄する工程を含む請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
分子結合は真空内で達成され、前記方法は、分子結合の前に、真空内で、前記面（１，２）を化学的におよび／または熱的に洗浄する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記洗浄工程と前記結合工程との間で、前記面（１，２）を脱酸素する工程を含む請求項４または５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記素子（１０，２０）の少なくとも一方は、大量の半導体材料のブロックである請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方は、積層体によって形成される複合基板（１００，２００）の膜であり、前記膜は前記積層体の表面にある請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記複合基板（１００，２００）は、セミコンダクタ−オン−インシュレータ基板である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方は、バルクにドープされる請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記素子（１０，２０）の少なくとも一方は、前記表面においてドープされる請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
結合は、両方の面（１，２）の間に撓み角を導入することによって実施され、それにより、らせん型転位網に加えて、前記結合界面（４）において、刃状型転位網がもたらされる請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムである請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記回転シフト角は、できる限り小さいが、非ゼロであるピッチで、らせん型転位網（４）を生じるために調整される請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
発光ダイオードを作製する方法であって、エレクトロルミネセントＰＮ接合は、請求項１から１４に記載の方法によって作製され、各素子に関し、電気コンタクト（１１，２１）が、結合されるべき面と反対の面上に形成される方法。
【請求項１６】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方が、複合基板（１００，２００）の膜であるとき、前記複合基板（１００，２００）のエッチングが、電気コンタクト（１１，２１）を形成する前に実施され、それにより、前記電気コンタクト（１１，２１）を保持すべき面が露出される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
分子結合によって互いに組み立てられる反対の型の２つのドープされた半導体結晶性素子（１０，２０）を含み、前記半導体が間接遷移型禁制帯を有するエレクトロルミネセントＰＮ接合であって、前記結合界面（３）において、少なくとも１つのらせん型転位網（４）をさらに含み、前記結晶性素子は、２°または２０°の角度だけ回転シフトした結晶格子を有することを特徴とするＰＮ接合。
【請求項１８】
前記結合界面（３）において、刃状型転位網をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のＰＮ接合。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか一項に記載のＰＮ接合を含み、各素子（１０，２０）は、前記結合界面（３）の反対側に、電気コンタクト（１１，２１）を備えることを特徴とする発光ダイオード。
【手続補正書】
【提出日】平成20年8月28日(2008.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の型をドープされた第１素子（１０）の結晶性半導体材料内の面（１）と、前記第１の型と反対の第２の型をドープされた第２素子（２）の結晶性半導体材料内の面（２）との分子結合からなるエレクトロルミネセントＰＮ接合を作製する方法であって、前記半導体材料は、間接遷移型禁制帯を有し、前記結合は、前記面によって示される結晶格子を所定角度だけ回転シフトすることによって実施され、それにより、結合界面（３）における、らせん型転位網（４）の形成が少なくとももたらされる方法。
【請求項２】
前記結合界面（３）において前記分子結合を強め、欠陥を除去することが可能な、中性または不動態化雰囲気下での後続の熱的アニーリングの工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結合は、真空内で実施され、前記方法は、分子結合を強め、欠陥を除去することが可能な、真空内での、５００℃以下の温度の後続の処理工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
分子結合は、大気圧で実施され、前記方法は、分子結合の前に、前記面（１，２）を化学的に洗浄する工程を含む請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
分子結合は真空内で達成され、前記方法は、分子結合の前に、真空内で、前記面（１，２）を化学的におよび／または熱的に洗浄する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記洗浄工程と前記結合工程との間で、前記面（１，２）を脱酸素する工程を含む請求項４または５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記素子（１０，２０）の少なくとも一方は、大量の半導体材料のブロックである請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方は、積層体によって形成される複合基板（１００，２００）の膜であり、前記膜は前記積層体の表面にある請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記複合基板（１００，２００）は、セミコンダクタ−オン−インシュレータ基板である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方は、バルクにドープされる請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記素子（１０，２０）の少なくとも一方は、前記表面においてドープされる請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
結合は、両方の面（１，２）の間に撓み角を導入することによって実施され、それにより、らせん型転位網に加えて、前記結合界面（４）において、刃状型転位網がもたらされる請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムである請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記回転シフト角は、できる限り小さいが、非ゼロであるピッチで、らせん型転位網（４）を生じるために調整される請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
発光ダイオードを作製する方法であって、エレクトロルミネセントＰＮ接合は、請求項１から１４に記載の方法によって作製され、各素子に関し、電気コンタクト（１１，２１）が、結合されるべき面と反対の面上に形成される方法。
【請求項１６】
前記素子（１０３，２０３）の少なくとも一方が、複合基板（１００，２００）の膜であるとき、前記複合基板（１００，２００）のエッチングが、電気コンタクト（１１，２１）を形成する前に実施され、それにより、前記電気コンタクト（１１，２１）を保持すべき面が露出される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
分子結合によって互いに組み立てられる反対の型の２つのドープされた半導体結晶性素子（１０，２０）を含み、前記半導体が間接遷移型禁制帯を有するエレクトロルミネセントＰＮ接合であって、前記結合界面（３）において、少なくとも１つのらせん型転位網（４）をさらに含み、前記結晶性素子は、２°または２０°の角度だけ回転シフトした結晶格子を有することを特徴とするＰＮ接合。
【請求項１８】
前記結合界面（３）において、刃状型転位網をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のＰＮ接合。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか一項に記載のＰＮ接合を含み、各素子（１０，２０）は、前記結合界面（３）の反対側に、電気コンタクト（１１，２１）を備えることを特徴とする発光ダイオード。
【国際調査報告】
2009522759.tif 000014
2009522759.tif 000015
2009522759.tif 000016
2009522759.tif 000017
2009522759.tif 000018
2009522759.tif 000019