(57)【要約】【課題】連続発振動作が可能なMOS構造の発光素子を提供する。【解決手段】MOS構造の発光素子１は、MOSトランジスタ２と、MOSトランジスタ２の直下に配置された弾道電子源３とを備える。MOSトランジスタ２はｐチャネル型MOSトランジスタである。MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流にてホールを注入し、弾道電子源３からフローティングゲート１０に電子を注入する。これにより、フローティングゲート１０内で電子とホールが連続的に再結合して発光するので、連続発振動作が実現される。【選択図】図１
2008153606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
MOSトランジスタと、
前記MOSトランジスタのゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含むフローティングゲートと、
前記MOSトランジスタの直下に配置された弾道電子源と、を備え、
前記MOSトランジスタから前記フローティングゲートにホールを注入し、前記弾道電子源から前記フローティングゲートに電子を注入することで、前記フローティングゲート内で発光させることを特徴とするMOS構造の発光素子。
【請求項２】
MOSトランジスタと、
前記MOSトランジスタのゲート電極直下に配置された弾道電子源と、
前記MOSトランジスタのゲート電極直下の弾道電子源とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含むフローティングゲートと、を備え、
前記MOSトランジスタから前記フローティングゲートにホールを注入し、前記弾道電子源から前記フローティングゲートに電子を注入することで、前記フローティングゲート内で発光させることを特徴とするMOS構造の発光素子。
【請求項３】
第１のMOSトランジスタおよび第２のMOSトランジスタと、
一端側が前記第１のMOSトランジスタのゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に位置し、他端側が前記第２のMOSトランジスタのゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に位置するように形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含むフローティングゲートと、
前記第１のMOSトランジスタから前記フローティングゲートに電子を、前記第２のMOSトランジスタから前記フローティングゲートにホールをそれぞれ注入することで、前記フローティングゲート内で発光させることを特徴とするMOS構造の発光素子。
【請求項４】
前記第１のMOSトランジスタはｎチャネル型MOSトランジスタであり、前記第２のMOSトランジスタはｐチャネル型MOSトランジスタであることを特徴とする請求項３に記載のMOS構造の発光素子。
【請求項５】
前記第１のMOSトランジスタの基板およびゲート電極にそれぞれ印加する電位を電位１および電位２とし、前記第２のMOSトランジスタのゲート電極および基板にそれぞれ印加する電位を電位３および電位４とすると、
電位１＜電位２≦電位３＜電位４
の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載のMOS構造の発光素子。
【請求項６】
前記MOSトランジスタは、チャネル領域を含むシリコン基板と、前記基板上の前記チャネル領域に対応して、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記シリコン基板上の、前記チャネル領域の両側に形成されたソース領域およびドレイン領域と、を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のMOS構造の発光素子。
【請求項７】
前記フローティングゲートは、シリコンナノ粒子を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のMOS構造の発光素子。
【請求項８】
前記フローティングゲートは、直接遷移型半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のMOS構造の発光素子。
【請求項９】
前記フローティングゲートを形成する前記シリコンナノ粒子を含む材料或いは前記直接遷移型半導体材料として、不純物をドープしないｉ型半導体を用いたことを特徴とする請求項７又は８に記載のMOS構造の発光素子。
【請求項１０】
前記MOSトランジスタは、ｐチャネル型MOSトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載のMOS構造の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光インターコネクション用光源、ディスプレイ用光源、照明用光源、ピックアップ用光源などとして利用可能なMOS構造の発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光源は直接遷移型の化合物半導体をベースとするＬＥＤやＬＤが製品化されており、波長によりGaN、GaAs、InPといった材料が使用されている。これらの材料ではシリコンを主体とする現在の集積電子回路チップと光源をモノリシックに集積化するのは困難である。例えば日刊工業新聞（2006/6/29）Business & Technology  "豊橋技科大が組み込み技術  ICと発光素子一体化"  と報道された豊橋技術科学大学の手法では、モノリシック集積化の為に、シリコン基板上にSi/III-Ｖ-N混晶の無転位成長技術により直接遷移型半導体をエピタキシャル成長させるといった技術が使われている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、シリコンそのものを発光させる技術としては、現在までに多数の文献が発表されており、特にポーラスシリコンを用いた発光が非常に効率良く発光することが分かってきている（例えば、非特許文献２、非特許文献３、および特許文献１〜３など参照）。
【０００４】
また、シリコンナノ粒子をフローティングゲートに含有させて、フラッシュメモリと同様なMOS構造のシリコン回路として、ゲート電圧の反転によって電子とホールを交互に注入してシリコンナノ粒子を発光させる技術も報告されている（例えば、非特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平08-139359号公報「ポーラスシリコン発光素子の製造方法」
【特許文献２】特開平08-046245号公報「多孔質シリコン発光層の形成法」
【特許文献３】特開平05-198839号公報「シリコン一体型集積発光素子およびその製造方法」
【非特許文献１】太田, 森崎, 文, 石地, 古川, 米津, 若原,"Si/III-Ｖ-N光電子集積回路に向けたMOSFETおよびLEDの作製,"信学技報, ED2006-33, pp. 73-78 (May, 2006)
【非特許文献２】Journal of Applied Physics 98, 123509 (2005)
【非特許文献３】Applied Physics Letters 87, 031107(2005)
【非特許文献４】R. J. Walters et al., Nature materials, Vol. 4, No. 2(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、非特許文献１に記載された技術のようにシリコン基板上に直接遷移型半導体をエピタキシャル成長させて発光素子を作製する方法では、その製造工程が非常に複雑でかつ、化合物半導体の結晶装置をCMOSプロセスに導入する必要があり、CMOSプロセス装置類の汚染を引き起こす可能性が否定出来ない。
【０００６】
また、非特許文献２、非特許文献３、および特許文献１〜３などに記載された技術のようにポーラスシリコンを発光させる方法そのものは、その発光効率の向上手法などについて検討されているがそれをシリコンCMOS回路に集積する方法については未検討である。
【０００７】
さらに、非特許文献４に記載された方法では、CMOS回路との親和性は非常に良いものの、ゲート電圧の極性反転によって発光する為、パルス発振動作しか得られない。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、連続発振動作が可能なMOS構造の発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るMOS構造の発光素子は、MOSトランジスタと、前記MOSトランジスタのゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含むフローティングゲートと、前記MOSトランジスタの直下に配置された弾道電子源と、を備え、前記MOSトランジスタから前記フローティングゲートにホールを注入し、前記弾道電子源から前記フローティングゲートに電子を注入することで、前記フローティングゲート内で発光させることを要旨とする。
【００１０】
この態様によれば、MOSトランジスタからフローティングゲートにトンネル電流にてホールを注入し、弾道電子源からフローティングゲートに電子を注入する。これにより、フローティングゲート内で電子とホールが連続的に再結合して発光するので、連続発振動作が実現される。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様に係るMOS構造の発光素子は、MOSトランジスタと、前記MOSトランジスタのゲート電極直下に配置された弾道電子源と、前記MOSトランジスタのゲート電極直下の弾道電子源とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含むフローティングゲートと、を備え、前記MOSトランジスタから前記フローティングゲートにホールを注入し、前記弾道電子源から前記フローティングゲートに電子を注入することで、前記フローティングゲート内で発光させることを要旨とする。
【００１２】
この態様によれば、MOSトランジスタからフローティングゲートにトンネル電流にてホールを注入し、弾道電子源からフローティングゲートに電子を注入する。これにより、フローティングゲート内で電子とホールが連続的に再結合して発光するので、連続発振動作が実現される。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の第３の態様に係るMOS構造の発光素子は、第１のMOSトランジスタおよび第２のMOSトランジスタと、一端側が前記第１のMOSトランジスタのゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に位置し、他端側が前記第２のMOSトランジスタのゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜中に位置するように形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含むフローティングゲートと、前記第１のMOSトランジスタから前記フローティングゲートに電子を、前記第２のMOSトランジスタから前記フローティングゲートにホールをそれぞれ注入することで、前記フローティングゲート内で発光させることを要旨とする。
【００１４】
この態様によれば、フローティングゲートを２つのMOSトランジスタに共用させ、第１のMOSトランジスタからフローティングゲートにはトンネル電流にて電子を注入し、第２のMOSトランジスタからフローティングゲートにはトンネル電流にてホールを注入する。これにより、フローティングゲート内にキャリア分布（電荷分布）が生じるので、拡散電流が流れて電子とホールがフローティングゲートの中央部側へ移動し、フローティングゲート内で電子とホールが連続的に再結合して発光し、連続発振動作が実現される。
【００１５】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記第１のMOSトランジスタはｎチャネル型MOSトランジスタであり、前記第２のMOSトランジスタはｐチャネル型MOSトランジスタであることを要旨とする。
【００１６】
この態様によれば、ｎチャネル型MOSトランジスタからフローティングゲートの一端側に電子を、ｐチャネル型MOSトランジスタからフローティングゲートの一端側にホールをそれぞれトンネル電流により効率良く注入することができ、発光効率が向上する。この場合、第１のMOSトランジスタおよび第２のMOSトランジスタを一つのCMOSトランジスタで構成できる。
【００１７】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記第１のMOSトランジスタの基板およびゲート電極にそれぞれ印加する電位を電位１および電位２とし、前記第２のMOSトランジスタのゲート電極および基板にそれぞれ印加する電位を電位３および電位４とすると、
電位１＜電位２≦電位３＜電位４
の関係を満たすことを要旨とする。
【００１８】
この態様によれば、フローティングゲートの左右で、キャリアが中央に集まってくる方向の電位差が発生し、前記拡散電流に加え、この電位差によるドリフト電流が流れることで、更に発光効率が向上する。
【００１９】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記MOSトランジスタは、チャネル領域を含むシリコン基板と、前記基板上の前記チャネル領域に対応して、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記シリコン基板上の、前記チャネル領域の両側に形成されたソース領域およびドレイン領域と、を備えることを要旨とする。
【００２０】
上記非特許文献１に記載された技術のようにシリコン基板上に直接遷移型半導体をエピタキシャル成長させて発光素子を作製する方法では、その製造工程が非常に複雑でかつ、化合物半導体の結晶装置をCMOSプロセスに導入する必要があり、CMOSプロセス装置類の汚染を引き起こす可能性が否定出来ない。
【００２１】
また、非特許文献２、非特許文献３、および特許文献１〜３などに記載された技術のようにポーラスシリコンを発光させる方法そのものは、その発光効率の向上手法などについて検討されているがそれをシリコンCMOS回路に集積する方法については未検討である。
【００２２】
これに対して、この態様によれば、MOS構造のシリコンでできたトランジスタの形をしており、シリコンCMOSプロセスと互換なプロセスにおいて、シリコンをベースとしたデバイスでMOS構造の発光素子を作製できるので、この発光素子と集積電子回路チップ（シリコンCMOS回路）をモノリシックに集積化できる。従って、連続発振動作が可能で、かつシリコンCMOS回路とモノリシックに集積化できるMOS構造の発光素子を実現することができる。
【００２３】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記フローティングゲートは、シリコンナノ粒子を含む材料で形成されていることを要旨とする。
【００２４】
この態様によれば、シリコンナノ粒子を含んだフローティングゲート内で電子とホールが連続的に再結合することで、フローティングゲート内のシリコンナノ粒子が連続的に発光する。
【００２５】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記フローティングゲートは、直接遷移型半導体材料で形成されていることを要旨とする。
【００２６】
この態様によれば、直接遷移型半導体材料で形成されたフローティングゲート内で電子とホールが連続的に再結合することで、フローティングゲート内で連続的に発光する。フローティングゲートの材料として直接遷移型半導体材料を用いることで、発光効率が向上する。また、ゲート絶縁膜は、フローティングゲートより基板側の第１の絶縁膜とフローティングゲートよりゲート電極側の第２の絶縁膜の２つに分けて形成する。そして、第１の絶縁膜上に直接遷移型半導体を成長させてフローティングゲートを形成するので、シリコン基板上に直接遷移型半導体を成長させるよりもプロセスが容易で、かつ、絶縁膜材料を選ぶことで、様々な直接遷移型半導体材料に対応することができる。
【００２７】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記フローティングゲートを形成する前記シリコンナノ粒子を含む材料或いは前記直接遷移型半導体材料として、不純物をドープしないｉ型半導体を用いたことを要旨とする。
【００２８】
一般のPN接合による発光素子ではｐ型半導体，ｎ型半導体を作製するために不純物ドーピングを行うので、キャリア移動度が低下し、高速動作の妨げとなる。これに対して、この態様によれば、フローティングゲートを形成する前記シリコンナノ粒子を含む材料或いは前記直接遷移型半導体材料として、不純物ドーピングを行わないｉ型半導体（intrinsic型半導体）を用いることにより、キャリア移動度を高めることを可能になり、光源としての高速動作性能が向上する。
【００２９】
本発明の他の態様に係るMOS構造の発光素子は、前記MOSトランジスタは、ｐチャネル型MOSトランジスタであることを要旨とする。
【００３０】
この態様によれば、ｐチャネル型MOSトランジスタからフローティングゲートにトンネル電流によりホールを効率良く注入することができ、発光効率が向上する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、連続発振動作が可能なMOS構造の発光素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
（第１実施形態）
図1は本発明の第１実施形態に係るMOS構造の発光素子１の概略構成を示す模式図である。同図では、キャリアの注入を概念的に表す為に、●で電子を、○でホールをそれぞれ示している。
【００３３】
MOS構造の発光素子１は、MOSトランジスタ２と、MOSトランジスタ２の直下に配置された弾道電子源３とを備える。本実施形態で使用するMOSトランジスタ２は、ｐチャネル型MOS（p-MOS）トランジスタである。
【００３４】
MOSトランジスタ２は、チャネル領域４を含むｎ型のシリコン基板５と、シリコン基板５のチャネル領域４に対応して、ゲート絶縁膜６を介して形成されたゲート電極７と、シリコン基板５上の、チャネル領域４の両側に形成されたｐ型ソース領域８およびｐ型ドレイン領域９とを備える。
【００３５】
また、MOSトランジスタ２には、ゲート電極７とシリコン基板５のチャネル領域４との間のゲート絶縁膜６中に形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料としてのシリコンナノ粒子を含むフローティングゲート１０が形成されている。
【００３６】
このMOSトランジスタ２では、ゲート絶縁膜６中にフローティングゲート１０を形成するのに、ゲート絶縁膜６は、フローティングゲート１０よりシリコン基板５側の第１の絶縁膜６ａとフローティングゲート１０よりゲート電極７側の第２の絶縁膜６ｂの２つに分けて形成されている。つまり、シリコン基板５上に第１の絶縁膜６ａが形成され、第１の絶縁膜６ａ上にシリコンナノ粒子を含むフローティングゲート１０が形成され、このフローティングゲート１０上に第２の絶縁膜６ｂが形成され、さらに、第２の絶縁膜６ｂ上にゲート電極７が形成されている。
【００３７】
このように、第１実施形態に係るMOS構造の発光素子１では、まず、ポーラスシリコンによる弾道電子源３をシリコン基板５の一面上に作製する。この弾道電子源３は、ポーラスシリコン（シリコンをナノ粒子化してすかすかにしたもの）でできた弾道電子素子の層で、この層に高電界をかけると、表面から電子が弾道的に発射されるように構成されている。
【００３８】
このシリコン基板５の他面上にMOSトランジスタ（MOS回路）２を作製する。このMOSトランジスタ２のゲート電極７とチャネル領域４との間にシリコンナノ粒子を含有するフローティングゲート１０を配置した。チャネル領域４の上部の第１の絶縁膜６ａはシリコン酸化膜であり、その厚さは例えば3nm〜10nmであり、トンネル電流を流すことが可能となっている。ゲート長は例えば5μmであり、この5μmの大きさが発光領域となる。ゲート電極７にはITO透明電極を用い、光の外部取出しを容易にしている。
【００３９】
このゲート電極７をグラウンドに接続し、ｐ型ソース領域８上部のソース電極（図示省略）とｐ型ドレイン領域９上部のドレイン電極（図示省略）との間（ソース・ドレイン間）に高電圧を印加することで、MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流にてホールを注入する。これと同時に、弾道電子源３に高電界をかけることで、弾道電子源３からフローティングゲート１０に電子を注入する。これにより、シリコンナノ粒子が含有されたフローティングゲート１０内で電子-ホールが発光再結合し発光する。フローティングゲート１０内では、再結合に伴いホール、電子共に消滅するが、ゲート電極７をグラウンドとし、ソース・ドレイン間の高電圧印加を保持すると共に、弾道電子源３に高電界をかけ続けることで、MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流にてホールが連続的に注入されると同時に、弾道電子源３からフローティングゲート１０に電子が連続的に注入される。これにより、フローティングゲート１０内で電子-ホールが連続的に発光再結合し、フローティングゲート１０内で連続的に発光する。
【００４０】
フローティングゲート１０に含まれるシリコンナノ粒子は、例えば直径3nm程度のナノ結晶シリコンで、多結晶シリコンを陽極酸化することなどで製造できる。シリコン粒子の直径がボーア半径の4nm以下のシリコンナノ粒子になると、通常のバルク結晶シリコンの状態では見られない可視光の光子放出の物性が現れてくる、といわれている。
【００４１】
以上の構成を有する第１実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
【００４２】
○MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流にてホールを注入し、弾道電子源３からフローティングゲート１０に電子を注入する。これにより、フローティングゲート１０内で電子とホールが連続的に再結合して発光するので、連続発振動作が実現される。
【００４３】
○MOS構造の発光素子１は、MOS構造のシリコンでできたトランジスタの形をしており、シリコンCMOSプロセスと互換なプロセスにおいて、シリコンをベースとしたデバイスでMOS構造の発光素子を作製できるので、この発光素子１と集積電子回路チップ（シリコンCMOS回路）をモノリシックに集積化できる。従って、連続発振動作が可能で、かつシリコンCMOS回路とモノリシックに集積化できるMOS構造の発光素子１を実現することができる。
【００４４】
○フローティングゲート１０はシリコンナノ粒子を含む材料で形成されているので、フローティングゲート１０内で電子とホールが連続的に再結合することで、フローティングゲート１０内のシリコンナノ粒子が連続的に発光する。
【００４５】
○MOSトランジスタ２はホールをキャリアとするｐチャネル型MOSトランジスタであるので、MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流によりホールを効率良く注入することができ、発光効率が向上する。
【００４６】
（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態に係るMOS構造の発光素子１´の概略構成を示す模式図である。同図では、キャリアの注入を概念的に表す為に、●で電子を、○でホールをそれぞれ示している。
【００４７】
MOS構造の発光素子１´は、MOSトランジスタ２と、MOSトランジスタ２のゲート電極７の直下に形成された弾道電子源３´とを備える。本実施形態で使用するMOSトランジスタ２は、ｐチャネル型MOS（p-MOS）トランジスタである。
【００４８】
MOSトランジスタ２は、チャネル領域４を含むｎ型のシリコン基板５と、シリコン基板５上のチャネル領域４に対応して、ゲート絶縁膜６を介して形成されたゲート電極７と、シリコン基板５上の、チャネル領域４の両側に形成されたｐ型ソース領域８およびｐ型ドレイン領域９とを備える。
【００４９】
また、MOSトランジスタ２には、ゲート電極７の直下に形成された弾道電子源３´とシリコン基板５のチャネル領域４との間のゲート絶縁膜６中に形成され、電子とホールが再結合により発光可能な材料としてのシリコンナノ粒子を含むフローティングゲート１０が形成されている。
【００５０】
このMOSトランジスタ２では、ゲート絶縁膜６中にフローティングゲート１０を形成するのに、ゲート絶縁膜６は、フローティングゲート１０よりシリコン基板５側の第１の絶縁膜６ａとフローティングゲート１０よりゲート電極７側の第２の絶縁膜６ｂの２つに分けて形成されている。つまり、シリコン基板５上に第１の絶縁膜６ａが形成され、第１の絶縁膜６ａ上にシリコンナノ粒子を含むフローティングゲート１０が形成され、このフローティングゲート１０上に第２の絶縁膜６ｂが形成され、さらに、第２の絶縁膜６ｂ上に弾道電子源３´が形成され、その上部に更にゲート電極７が連続的に形成されている。
【００５１】
このように、第２実施形態に係るMOS構造の発光素子１´では、まず、シリコン基板５の面上にMOSトランジスタ（MOS回路）２を作製する。チャネル領域４の上部の第１の絶縁膜６ａはシリコン酸化膜であり、その厚さは例えば3nm〜10nmであり、トンネル電流を流すことが可能となっている。ゲート長は例えば5μmであり、この5μmの大きさが発光領域となる。
【００５２】
ゲート電極７はポリシリコン電極を用い、このポリシリコン電極自身を陽極酸化することで、ゲート電極７直下の部分をポーラス化して、弾道電子源３´として機能させている。
【００５３】
弾道電子源３´と発光層であるフローティングゲート１０層は数ｎｍの非常に薄い絶縁膜（第２の絶縁膜６ｂ）で分離されている。
【００５４】
このゲート電極７をグラウンドに接続し、ｐ型ソース領域８上部のソース電極（図示省略）とｐ型ドレイン領域９上部のドレイン電極（図示省略）間及び、シリコン基板５に高電圧を印加することで、MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流にてホールが注入されると同時に、弾道電子源３´からフローティングゲート側に電子が放出される。これにより、シリコンナノ粒子が含有されたフローティングゲート１０内で電子-ホールが発光再結合し発光する。
【００５５】
フローティングゲート１０内では、再結合に伴いホール、電子共に消滅するが、上記電位を維持する、つまり、ゲート電極７をグラウンドに接続し、ソース電極・ドレイン電極間及び、シリコン基板５に高電圧を印加することで、フローティングゲート１０内には電子、ホールが連続的に供給され連続発光が達成される。
【００５６】
フローティングゲート１０に含まれるシリコンナノ粒子は、例えば直径3nm程度のナノ結晶シリコンで、多結晶シリコンを陽極酸化することなどで製造できる。シリコン粒子の直径がボーア半径の4nm以下のシリコンナノ粒子になると、通常のバルク結晶シリコンの状態では見られない可視光の光子放出の物性が現れてくる、といわれている。
【００５７】
以上の構成を有する第２実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
【００５８】
○MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流にてホールを注入し、弾道電子源３´からフローティングゲート１０に電子を注入する。これにより、フローティングゲート１０内で電子とホールが連続的に再結合して発光するので、連続発振動作が実現される。
【００５９】
○MOS構造の発光素子１´は、MOS構造のシリコンでできたトランジスタの形をしており、シリコンCMOSプロセスと互換なプロセスにおいて、シリコンをベースとしたデバイスでMOS構造の発光素子を作製できるので、この発光素子１´と集積電子回路チップ（シリコンCMOS回路）をモノリシックに集積化できる。従って、連続発振動作が可能で、かつシリコンCMOS回路とモノリシックに集積化できるMOS構造の発光素子１´を実現することができる。
【００６０】
○フローティングゲート１０はシリコンナノ粒子を含む材料で形成されているので、フローティングゲート１０内で電子とホールが連続的に再結合することで、フローティングゲート１０内のシリコンナノ粒子が連続的に発光する。MOSトランジスタ２はホールをキャリアとするｐチャネル型MOSトランジスタであるので、MOSトランジスタ２からフローティングゲート１０にトンネル電流によりホールを効率良く注入することができ、発光効率が向上する。
【００６１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るMOS構造の発光素子１Ａを図３および図４に基づいて説明する。図３はMOS構造の発光素子１Ａの発光原理を説明するための模式図である。図４はMOS構造の発光素子１Ａの概略構成を示す平面図である。なお、図３では、右側のMOSトランジスタ２１のソース領域８１と左側のMOSトランジスタ２２のドレイン領域９２が隣り合って描かれているが、これは動作を分かり安く説明する為である。実際には、２つのMOSトランジスタ２１，２２は、図４に示すように、ソース領域８１，８２同士およびドレイン領域９１，９２同士がそれぞれ隣り合っている。
【００６２】
MOS構造の発光素子１Ａは、図３および図４に示すように、ｐチャネル型MOS（p-MOS）トランジスタである第２のMOSトランジスタ２１と、nチャネル型MOS（n-MOS）トランジスタである第１のMOSトランジスタ２２とを備えている。また、MOS構造の発光素子１Ａは、２つのMOSトランジスタ２１，２２に共有される一つのフローティングゲート１０Ａを備えた構造となっている。フローティングゲート１０Ａには上記第１実施形態と同様にシリコンナノ粒子が含有されている。
【００６３】
第２のMOSトランジスタ２１は、図１に示すMOSトランジスタ２と同様の構造を有するｐチャネル型MOSトランジスタで、チャネル領域４１を含むｎ型のシリコン基板５１と、シリコン基板５１上のチャネル領域４１に対応して、ゲート絶縁膜（図示省略）を介して形成されたゲート電極７１と、シリコン基板５１上の、チャネル領域４１の両側に形成されたｐ型ソース領域８１およびｐ型ドレイン領域９１とを備える。
【００６４】
また、第２のMOSトランジスタ２１のゲート絶縁膜（図示省略）は、図１に示すMOSトランジスタ２のゲート絶縁膜６と同様に、フローティングゲート１０Ａよりシリコン基板５１側の第１の絶縁膜（図示省略）とフローティングゲート１０Ａよりゲート電極７１側の第２の絶縁膜（図示省略）の２つに分けて形成されている。チャネル領域４１の上部の第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であり、その厚さは例えば3nm〜10nmであり、トンネル電流を流すことが可能となっている。ゲート長は例えば5μmである。
【００６５】
また、nチャネル型MOSトランジスタである第１のMOSトランジスタ２２は、チャネル領域４２を含むp型のシリコン基板５２と、シリコン基板５２上のチャネル領域４２に対応して、ゲート絶縁膜（図示省略）を介して形成されたゲート電極７２と、シリコン基板５２上の、チャネル領域４２の両側に形成されたn型ソース領域８２およびn型ドレイン領域９２とを備える。
【００６６】
また、第１のMOSトランジスタ２２のゲート絶縁膜は、図１に示すMOSトランジスタ２のゲート絶縁膜６と同様に、フローティングゲート１０Ａよりシリコン基板５２側の第１の絶縁膜（図示省略）とフローティングゲート１０Ａよりゲート電極７２側の第２の絶縁膜（図示省略）の２つに分けて形成されている。チャネル領域４２の上部の第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であり、その厚さは例えば3nm〜10nmであり、トンネル電流を流すことが可能となっている。ゲート長は例えば5μmである。
【００６７】
また、２つのMOSトランジスタ２１，２２のゲート間隔は例えば5μｍであり、フローティングゲート１０Ａの長さは１５μｍ、その幅は例えば５μｍとなっている。このフローティングゲート１０Ａの中間部分が最も発光するようになっている。そして、２つのMOSトランジスタ２１，２２の各ゲート電極７１，７２にはそれぞれITO透明電極を用い、光の外部取出しを容易にしている。
【００６８】
このように、MOS構造の発光素子１Ａは、第２のMOSトランジスタ２１および第１のMOSトランジスタ２２と、電子とホールが再結合により発光可能な材料を含む一つのフローティング１０Ａとを備える。このフローティングゲート１０Ａは、その右端側（一端側）が第２のMOSトランジスタ２１のゲート電極７１とチャネル領域４１との間のゲート絶縁膜中に位置し、その左端側（他端側）が第１のMOSトランジスタ２２のゲート電極７２とチャネル領域４２との間のゲート絶縁膜中に位置するように形成されている。
【００６９】
また、このMOS構造の発光素子１Ａは、第２のMOSトランジスタ２１からフローティングゲート１０Ａの右端側にホールを、第１のMOSトランジスタ２２からフローティングゲート１０Ａの左端側に電子をそれぞれ注入することで、フローティングゲート１０Ａ内の中間付近で発光させるようになっている。
【００７０】
次に、このように構成されたMOS構造の発光素子１Ａの動作を説明する。
ｎチャネル型MOSトランジスタである第１のMOSトランジスタ２２のシリコン基板５２側をグラウンド（電位１）とし、ゲート電極７２側を高電位（電位２）にする。
【００７１】
また、ｐチャネル型MOSトランジスタである第２のMOSトランジスタ２１のゲート電極７１側電位（電位３）を、第１のMOSトランジスタ２２のゲート電極７１側電位（電位２）より高く、または同じとし、第２のMOSトランジスタ２１のシリコン基板５１側電位（電位４）を、ゲート電極７１側電位（電位３）よりも更に高く設定する。
【００７２】
つまり、第１のMOSトランジスタ２２のシリコン基板５２およびゲート電極７２にそれぞれ印加する電位を電位１および電位２とし、第２のMOSトランジスタ２１のゲート電極７１およびシリコン基板５１にそれぞれ印加する電位を電位３および電位４とすると、
電位１＜電位２≦電位３＜電位４
の関係を満たすようにする。
【００７３】
これにより、第２のMOSトランジスタ２１からフローティングゲート１０Ａの右端側にトンネル電流にてホールが、第１のMOSトランジスタ２２からフローティングゲート１０Ａの左端側にトンネル電流にて電子がそれぞれ注入される。注入されたキャリアにより、フローティングゲート１０Ａにはキャリアの空間的な分布（キャリア分布）が生じる。この分布を平衡状態とするように拡散電流が流れるのと同時に、ゲート電位（電位２，電位３）と基板電位（電位１，電位４）が上記関係を満たすようにすることにより、フローティングゲート１０Ａの左右でキャリアが中央に集まってくる方向の電位差が発生する。これにより、上記拡散電流に加え、フローティングゲート１０Ａの左右で発生するキャリアが中央に集まってくる方向の電位差により、ドリフト電流が流れて電子とホールがフローティングゲート１０Ａの中央部側へ移動し、フローティングゲート１０Ａ内の中間付近で電子とホールが連続的に再結合して発光し、連続発振動作が実現される。
以上の構成を有する第３実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
【００７４】
○フローティングゲート１０Ａを２つのMOSトランジスタ２１，２２に共用させ、第１のMOSトランジスタ２１からフローティングゲート１０Ａにはトンネル電流にてホールを注入し、第２のMOSトランジスタ２２からフローティングゲート１０Ａにはトンネル電流にて電子をそれぞれ注入する。これにより、フローティングゲート１０Ａ内にキャリア分布が生じるので、拡散電流が流れて電子とホールがフローティングゲート１０Ａの中央部側へ移動し、フローティングゲート１０Ａ内の中間付近で電子とホールが連続的に再結合して発光し、連続発振動作が実現される。
【００７５】
○更に、上述した電位差の与え方を採用する、つまり、電位１＜電位２≦電位３＜電位４の関係を満たすようにすることで、拡散電流に加え、ドリフト電流が流れフローティングゲート１０Ａの中央部側へのキャリア移動が効率的に行われ、フローティングゲート１０Ａ内の中間付近で電子とホールが連続的に再結合して発光し、効率的な連続発振動作が実現される。
【００７６】
○MOS構造の発光素子１Ａは、ｐチャネル型MOSトランジスタである第１のMOSトランジスタ２１と、nチャネル型MOSトランジスタである第２のMOSトランジスタ２２とを備えている。このため、第１のMOSトランジスタ２１からフローティングゲート１０Ａの右端側にホールを、第２のMOSトランジスタ２２からフローティングゲート１０Ａの左端側に電子をそれぞれトンネル電流により効率良く注入することができ、発光効率が向上する。
【００７７】
○MOS構造の発光素子１Ａを、ｐチャネル型MOSトランジスタである第１のMOSトランジスタ２１と、nチャネル型MOSトランジスタである第２のMOSトランジスタ２２とからなる一つのCMOSトランジスタで構成できる。これにより、CMOS回路とモノリシック集積化が容易になる。
【００７８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係るMOS構造の発光素子について説明する。
このMOS構造の発光素子は、図１に示す上記第１実施形態に係るMOS構造の発光素子１において、フローティングゲート１０の材料（電子とホールが再結合により発光可能な材料）としてシリコンナノ粒子ではなく、直接遷移型の半導体材料を用いたものである。具体的にはその半導体材料としてAlGaNを用いた。また、チャネル領域４（図１参照）上部のゲート絶縁膜６（絶縁膜６ａ、６ｂ）はシリコン酸化膜ではなく、エピタキシャル成長させたAl2O3単結晶膜を用いた。その他の構成は、上記第１実施形態に係るMOS構造の発光素子１と同様である。
【００７９】
以上の構成を有する第４実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下のような作用効果を奏する。
【００８０】
○直接遷移型半導体材料で形成されたフローティングゲート内で電子とホールが連続的に再結合することで、フローティングゲート内で連続的に発光する。
【００８１】
○フローティングゲートの材料として直接遷移型半導体材料を用いることで、発光効率が向上する。
【００８２】
○ゲート絶縁膜は、フローティングゲート１０よりシリコン基板５側の第１の絶縁膜６ａとフローティングゲート１０よりゲート電極７側の第２の絶縁膜６ｂの２つに分けて形成する（図１参照）。そして、第１の絶縁膜６ａ上に直接遷移型半導体を成長させてフローティングゲート１０を形成するので、シリコン基板上に直接遷移型半導体を成長させるよりもプロセスが容易で、かつ、絶縁膜材料を選ぶことで、様々な直接遷移型半導体材料に対応することができる。
【００８３】
○PN接合を発光材料自体に必要としない為、単にシリコン基板上に直接遷移型半導体材料で発光素子を作製する方法に比較して、プロセスが容易である。
【００８４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係るMOS構造の発光素子について説明する。
【００８５】
このMOS構造の発光素子は、図３および図４に示す上記第３実施形態に係るMOS構造の発光素子１Ａにおいて、フローティングゲート１０Ａの材料（電子とホールが再結合により発光可能な材料）としてシリコンナノ粒子ではなく、直接遷移型の半導体材料を用いたものである。具体的にはその半導体材料としてAlGaNを用いた。また、２つのMOSトランジスタ２１，２２の各チャネル領域４１，４２（図３参照）上部のゲート絶縁膜はシリコン酸化膜ではなく、エピタキシャル成長させたAl2O3単結晶膜を用いた。その他の構成は、上記第３実施形態に係るMOS構造の発光素子１Ａと同様である。
【００８６】
以上の構成を有する第５実施形態によれば、上記第３実施形態の奏する作用効果に加えて以下のような作用効果を奏する。
【００８７】
○直接遷移型半導体材料で形成されたフローティングゲート１０Ａ（図３参照）内の中間付近で電子とホールが連続的に再結合することで、フローティングゲート１０Ａ内で連続的に発光する。
【００８８】
○フローティングゲートの材料として直接遷移型半導体材料を用いることで、発光効率が向上する。
【００８９】
○また、２つのMOSトランジスタ２１，２２の各チャネル領域４１，４２（図３参照）上部のゲート絶縁膜（図１に示すゲート絶縁膜６のうちの第１の絶縁膜６ａ）は、フローティングゲート１０Ａよりシリコン基板５側の第１の絶縁膜６ａとフローティングゲート１０よりゲート電極７側の第２の絶縁膜６ｂの２つに分けて形成する（図１参照）。そして、第１の絶縁膜６ａ上に直接遷移型半導体を成長させてフローティングゲート１０を形成するので、シリコン基板上に直接遷移型半導体を成長させるよりもプロセスが容易で、かつ、絶縁膜材料を選ぶことで、様々な直接遷移型半導体材料に対応することができる。
【００９０】
○PN接合を発光材料自体に必要としない為、単にシリコン基板上に直接遷移型半導体材料で発光素子を作製する方法に比較して、プロセスが容易である。
【００９１】
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
【００９２】
・上記第１乃至第３実施形態では、フローティングゲート１０は、「電子とホールが再結合により発光可能な材料」の一例として、シリコンナノ粒子を含む材料が形成されている。また、上記第４および第５実施形態では、「電子とホールが再結合により発光可能な材料」として、直接遷移型半導体材料であるAlGaNをそれぞれ用いている。本発明は、このような構成のMOS構造の発光素子に限定されない。フローティングゲート１０，１０Ａの材料として、シリコンナノ粒子や、直接遷移型半導体材料以外の「電子とホールが再結合により発光可能な材料」を用いた構成のMOS構造の発光素子にも本発明は適用される。
【００９３】
・また、フローティングゲート１０，１０Ａに用いる直接遷移型半導体材料としては、AlGaN以外のもの、例えばGaN、InGaN などの窒化物系半導体材料を用いたMOS構造の発光素子にも本発明は適用可能である。
【００９４】
・上記各実施形態において、フローティングゲートを形成するシリコンナノ粒子を含む材料或いは直接遷移型半導体材料として、不純物をドープしないｉ型半導体（intrinsic型半導体）を用いた構成のMOS構造の発光素子にも本発明は適用可能である。
【００９５】
一般のPN接合による発光素子ではｐ型半導体，ｎ型半導体を作製するために不純物ドーピングを行うので、キャリア移動度が低下し、高速動作の妨げとなる。これに対して、フローティングゲートに使用する半導体として不純物をドープしないｉ型半導体を用いることにより、キャリア移動度を高めることを可能になり、光源としての高速動作性能が向上する。
【００９６】
・上記第３実施形態では、ｐチャネル型MOSトランジスタである第２のMOSトランジスタ２１と、nチャネル型MOSトランジスタである第１のMOSトランジスタ２２の２つのタイプのMOSトランジスタを用いている。これはCMOS回路では両タイプのトランジスタを作製するので、CMOS回路とモノリシック集積化が容易であることをはっきりさせる為であり、発光させる目的ではであれば、ｐチャネル型MOSトランジスタを２つ用いてMOS構造の発光素子１Ａを構成し、或いは、nチャネル型MOSトランジスタを２つ用いてMOS構造の発光素子１Ａを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】第１実施形態に係るMOS構造の発光素子の概略構成を示す模式図。
【図２】第２実施形態に係るMOS構造の発光素子の概略構成を示す平面図。
【図３】第３実施形態に係るMOS構造の発光素子の発光原理を説明するための模式図。
【図４】第３実施形態に係るMOS構造の発光素子の概略構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００９８】
１，１´，１Ａ…MOS構造の発光素子、２，２１…ｐチャネル型MOSトランジスタ、２２…nチャネル型MOSトランジスタ、３，３´…弾道電子源、４，４１．４２…チャネル領域、５，５１，５２…シリコン基板、６…ゲート絶縁膜、６ａ…第１の絶縁膜、６ｂ…第２の絶縁膜、７，７１，７２…ゲート電極、８，８１…ｐ型ソース領域、９，９１…ｐ型ドレイン領域、８２…n型ソース領域、９２…n型ドレイン領域、１０，１０Ａ…フローティングゲート。
【図１】
2008153606.tif 000003
【図２】
2008153606.tif 000004
【図３】
2008153606.tif 000005
【図４】
2008153606.tif 000006