(57)【要約】  分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、ｎ型ドーピング層、およびｐ型基板構造を備える、高効率のシリコンベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）について開示する。シリコンベースのＬＥＤは、ｐ型メサ基板構造を有する基板、基板上に形成された活性層であって、第１面および第１面に対向する第２面を有する活性層、活性層の第１面に対向する第１反射層、ｐ型基板構造のいずれかの面に位置付けられ、活性層の第２面に対向する第２反射層、活性層と第１反射層との間に挟まれたｎ型ドーピング層、ｎ型ドーピング層に電気的に接続された第１電極、およびｐ型基板構造に電気的に接続された第２電極を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型メサ基板構造が形成された基板と、
前記基板上に形成された活性層であって、第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する活性層と、
前記活性層の前記第１面に対向している第１反射層と、
前記ｐ型基板構造のいずれかの面上に位置付けられ、前記活性層の前記第２面に対向する第２反射層と、
前記活性層と前記第１反射層との間に挟まれているｎ型ドーピング層と、
前記ｎ型ドーピング層に電気的に接続された第１電極と、
前記ｐ型基板構造に電気的に接続された第２電極と
を備えることを特徴とするシリコンベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項２】
前記ｐ型基板構造は、前記第２反射層を貫通して、前記活性層の第２面に接することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
前記第１電極は、前記第１反射層を取り囲む形状を有し、
前記ｐ型基板構造は、前記第１反射層の前記第１電極によって取り囲まれる領域の下に位置するように形成されることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
前記第１電極は、前記ｎ型ドーピング層上で、前記第１反射層を完全に取り囲む形状を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
前記第１電極は、リング状または多角形の表面を有することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
前記第１反射層の前記第１電極で取り囲まれる領域内に配置される発光領域をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
前記ｐ型基板構造は、０．０１〜１０ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
前記第１反射層及び第２反射層は、それぞれ異なる組成を有する２種のシリコン含有絶縁層が交互に積層されている分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を備えることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
前記第１反射層及び第２反射層は、それぞれ異なる組成を有する第１絶縁層及び第２絶縁層で構成され、前記第１絶縁層と第２絶縁層との屈折率差は、０．１〜１．５であることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
前記第１反射層及び第２反射層は、それぞれ前記第１絶縁層及び第２絶縁層の積層構造を２〜２０組備えることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
前記第１反射層及び第２反射層は、それぞれ酸化ケイ素の層と窒化シリコンの層とが順に繰り返し積層された構造を有することを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
前記ｎ型ドーピング層は、ｎ型化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
前記ｎ型ドーピング層は、ＺｎＯ、ＩｎＳｎＯ、ＮｉＯ、ＳｉＣまたはＳｎＯ2からなる群から選択された化合物で作製されていることを特徴とする請求項１２に記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
前記活性層は、結晶質シリコンナノサイズドットまたは非晶質シリコンナノサイズドットで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
前記活性層は、１０ｎｍ〜１００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
前記第１電極及び第２電極は、それぞれ１００μｍ〜５ｍｍの厚さを有する金属層で作製されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造方法に関し、より詳細には、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ:Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を備えたシリコンベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンナノサイズドットを利用したシリコンベースのＬＥＤは、他のシリコンベースの光電子デバイスと互換が容易で、製作コストが低いので、多くの研究が行われている。しかし、これまで知られたシリコンベースのＬＥＤは、低い発光効率と広い発光スペクトルのため、応用するのに困難が伴った。
【０００３】
発光、光検出、光変調およびその他の機能のために設計された各種光電子デバイスでは、高い反射率を有するＤＢＲが用いられている。ＤＢＲは、屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層して、その屈折率の差を利用して光を反射する反射鏡である。
【０００４】
化合物半導体ＬＥＤでは、ＤＢＲにドーピング物質を注入して高い発光効率と狭い発光スペクトルを得る。しかし、シリコンナノサイズドットを利用したシリコンベースのＬＥＤは、活性層を含む基底構造（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の種類によって、ＤＢＲとして酸化ケイ素または窒化ケイ素のような絶縁体物質を使用しなければならないため、ＤＢＲに直接ドーピングするのに問題がある。また、バンドギャップの大きい半導体ドーピング層はいつもｎ型に形成されるので、ｐ型の形成が非常に困難である。シリコンベースのＬＥＤの欠点を考慮すると、電子と正孔とを効果的に注入するためのドーピング層及びＬＥＤ構造が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ＤＢＲに直接的にドーピングする必要なく、ｎ型ドーピング層及びＤＢＲを使用して高い発光効率及び狭い発光スペクトルを具現できるシリコンベースのＬＥＤを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様では、メサ型のｐ型基板構造が形成された基板を備えるシリコンベースのＬＥＤが提供される。前記基板上には、活性層が形成される。前記活性層は、第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する。前記活性層の第１面には、第１反射層が対向している。そして、前記活性層の第２面には、第２反射層が対向している。前記第２反射層は、前記ｐ型基板構造のいずれかの面に位置している。前記活性層と前記第１反射層との間には、ｎ型ドーピング層が挟まれている。第１電極が前記ｎ型ドーピング層に電気的に接続され、第２電極が前記ｐ型基板構造に電気的に接続されている。
【０００７】
前記ｐ型基板構造は、前記第２反射層を貫通して、前記活性層の第２面に接する。前記第１電極は、前記第１反射層を取り囲むことができ、前記ｐ型基板構造は、前記第１反射層の、前記第１電極によって取り囲まれる領域の下に位置付けることができる。例えば、前記第１電極は、リング状または多角形の表面を有しうる。発光領域は、前記第１電極で取り囲まれる第１反射層の領域内に限定される。
【０００８】
前記第１反射層及び第２反射層は、それぞれ異なる組成を有する２種のシリコン含有絶縁層が交互に積層されているＤＢＲを、それぞれ備えることができる。前記ｎ型ドーピング層は、ｎ型化合物半導体で形成することができる。前記活性層は、結晶質シリコンナノサイズドットまたは非晶質シリコンナノサイズドットで形成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
シリコンベースのＬＥＤは、ｎ型ドーピング層のみを使用して活性層両面に反射層を形成し、それによって、高発光効率、狭発光スペクトルおよびエレクトロルミネッセンス特性の改善をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ＬＥＤの性能を向上させるためには、光を発生する活性層、キャリアを注入するドーピング層、および光を効果的に反射させるための反射層を効果的に配置することが重要である。特に、シリコンナノサイズドットを利用したシリコンＬＥＤでは、自発光が相対的に弱いため、ドーピング層と活性層の効果的な配置が重要である。
【００１１】
図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施形態によるシリコンＬＥＤは、ｐ型のシリコン基板等の基板１００と、基板１００の上に形成され、第１面１０４ａ及び第１面１０４ａと対向する第２面１０４ｂを有する活性層１０４とを備える。基板１００には、ｐ型メサ構造１０８が形成されている。活性層１０４は、結晶質または非晶質シリコンナノサイズドットで構成されており、１０ｎｍ〜１００μｍの厚さとすることができる。
【００１２】
活性層１０４の第１面１０４ａには、第１反射層１１０が対向しており、第２面１０４ｂには、第２反射層１２０が対向している。第２反射層１２０は、ｐ型基板構造１０８のいずれかの側に位置している。ｐ型基板構造１０８は、活性層１０４に正孔を移動させるために、第２反射層１２０を貫通して、活性層１０４の第２面１０４ｂに接する上面を備える。
【００１３】
図１及び図２に示すように、第１電極１２２は、第１反射層１１０を完全に取り囲む形状を有している。図２には、第１電極１２２が円形の表面を有することが示されているが、第１電極１２２は、円または楕円のようなリング状、または多角形としてもよい。図３には、四角形の第１電極１２２’の場合を例示した。図３において、図２と同一または類似した参照符号は、図２と同一要素を示し、したがって、説明の重複を避けるためにこれらについての詳細な説明は省略する。図２に示された要素ついての説明は、特別な記載がない限り、図３に示された要素にも同様に適用される。
【００１４】
ｐ型基板構造１０８は、第１反射層１１０の、第１電極１２２によって取り囲まれる領域の下に配置されている。ｐ型基板構造１０８の幅Ｗは、約０．０１〜１０ｍｍとすることができる。
【００１５】
第１反射層１１０の、第１電極１２２によって取り囲まれる領域は、発光領域２００に対応する。そして、発光領域２００内で第１電極１２２に隣接した部分は、高効率発光領域２１０となりうる。高効率発光領域２１０の幅は、約１０ｎｍ〜１μｍとすることができる。
【００１６】
活性層１０４と第１反射層１１０との間には、ｎ型ドーピング層１０６が挟まれている。ｎ型ドーピング層１０６は、例えばＺｎＯ、ＩｎＳｎＯ、ＮｉＯ、ＳｉＣまたはＳｎＯ２などのｎ型化合物半導体で作製されている。図１で参照符号“１３０”は、絶縁層を示す。
【００１７】
活性層１０４の第２面１０４ｂに対向するように位置している第２反射層１２０は、第２面１０に直接接している。
【００１８】
第１電極１２２は、ｎ型ドーピング層１０６に電気的に接続されており、第２電極１２４は、ｐ型基板構造１０８に電気的に接続されている。第１電極１２２及び第２電極１２４は、金属からなり、それぞれ約１００μｍ〜５ｍｍの厚さを有しうる。
【００１９】
上述の構成を有するシリコンベースのＬＥＤにおいて、第１反射層１１０及び第２反射層１２０は、それぞれ異なる組成を有する２種のシリコン含有絶縁層が交互に積層されているＤＢＲから構成されている。２種の絶縁層の間の屈折率差は、約０．１〜１．５とすることができる。特に望ましくは、ＤＢＲは、ＳｉＯ２とＳｉＮとが順次に繰り返し積層された積層構造からなる。例えば、ＤＢＲは、ＳｉＯ２及びＳｉＮの積層構造を約２〜２０組含みうる。
【００２０】
第１反射層１１０の周囲を取り囲んでいる第１電極１２２は、電子をｎ型ドーピング層１０６に移動させる役割を果たす。さらに、第２電極１２４を通じて注入された正孔は、ｐ型基板１００を介してｐ型基板構造１０８に移動する。
【００２１】
図１の構成において、第１電極１２２及び第２電極１２４に電流を印加すれば、電子または正孔で構成されたキャリアは、第１反射層１１０及びｐ型基板１００を介してｎ型ドーピング層１０６及びｐ型基板構造１０８に達する。第１反射層１１０及び第２反射層１２０を構成するそれぞれのＤＢＲは、ＳｉＯ２およびＳｉＮという絶縁層の積層からなるので、図１に示すように、ｐ型メサ基板構造１０８が形成されたｐ型基板１００およびｎ型ドーピング層１０６を使用することにより、キャリアが活性層１０４に効果的に注入される。より具体的には、第１電極１２２を介して注入された電子は、第１反射層１１０を貫通してｎ型ドーピング層１０６に達し、ｎ型ドーピング層１０６を貫通して活性層１０４の第１面１０４ａに安定的に注入される。第２電極１２４を通して注入された正孔は、ｐ型基板１００及びｐ型基板構造１０８に達し、ついで活性層１０４の第２面１０４ｂに注入される。活性層１０４はついで、シリコンナノサイズドットを利用して発光する。第１反射層１１０と第２反射層１２０との間に閉じ込められた光は発振して、狭い領域のスペクトルを選択的に増幅し、放出する。
【００２２】
図２及び図３の平面図に示すように、本発明によるシリコンベースのＬＥＤの発光領域２００は、第1の反射層１１０の第１電極１２２または１２２'によって取り囲まれた領域内に限定されうる。実際のシリコンベースのＬＥＤが動作するとき、第1の反射層１１０の第１電極１２２または１２２'で取り囲まれる領域全体が発光領域２００となり、高効率の発光領域２１０は、第１電極１２２または１２２'に隣接した発光領域２００の外側の一部に位置することが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明による、シリコンナノサイズドットを活性層として用いるシリコンベースのＬＥＤは、製造が容易なｎ型ドーピング層とＤＢＲを備える反射層を用いて、性能の改善を実現する。シリコンベースのＬＥＤは、高発光効率、狭発光スペクトル、安定動作特性、および改善されたエレクトロルミネセンス特性を提供する。
【００２４】
シリコンベースのＬＥＤは、発光、光検出、光変調その他の機能のために、様々な光デバイスにおいて広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の好ましい実施形態によるシリコンベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の主要部分の断面図である。
【図２】図１の一部の平面図である。
【図３】本発明の別の好ましい実施形態による、シリコンベースのＬＥＤの主要部分の平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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