(57)【要約】【課題】電流を流すことによって発光可能なβ鉄シリサイド薄膜を作製して、β鉄シリサイド薄膜の発光効率を改善する。【解決手段】β鉄シリサイド薄膜を適宜の薄膜作成技術を用いて作製する際に、好ましくは１〜５ｍｏｌ％のカーボンをドーパントとしてβ鉄シリサイドに添加して成膜する。また、カーボン添加後のβ鉄シリサイド薄膜を不活性雰囲気中にて８００〜９４０℃でアニールすると、β鉄シリサイドの結晶化が促進されて、β鉄シリサイドは、効率良く発光するように変化する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンが添加されていることを特徴とするベータ鉄シリサイド。
【請求項２】
直接遷移型半導体となって電荷注入により発光可能であることを特徴とする請求項１記載のベータ鉄シリサイド。
【請求項３】
前記カーボンの添加量は、１〜５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１及び２記載のベータ鉄シリサイド。
【請求項４】
基板の一主面に形成されるとともにカーボンが添加されて直接遷移型半導体となっていることを特徴とするベータ鉄シリサイド膜。
【請求項５】
電荷注入により発光可能なベータ鉄シリサイド膜をシリコンウエハに作製する製造方法であって、
前記ベータ鉄シリサイド薄膜にカーボンを添加する工程を有することを特徴とするベータ鉄シリサイド薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記ベータ鉄シリサイド薄膜が形成された前記シリコンウエハを８００〜９４０℃までの範囲の任意の温度でアニールする工程をさらに含むことを特徴とする請求項５記載のベータ鉄シリサイド薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記ベータ鉄シリサイド薄膜へのカーボンの添加は、鉄、シリコン、及びカーボンを含むターゲットを用いたスパッタ法によって、前記ベータ鉄シリサイド薄膜を作製する際に行われることを特徴とする請求項５記載のベータ鉄シリサイド薄膜の製造方法。
【請求項８】
カーボンが添加されたベータ鉄シリサイド薄膜を有することを特徴とする発光素子。
【請求項９】
カーボンが添加されたベータ鉄シリサイド薄膜を有することを特徴とする受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベータ鉄シリサイド及びその薄膜と、ベータ鉄シリサイド薄膜の製造方法及び同薄膜を用いた発光・受光素子に関し、特に電荷の注入により発光可能なベータ鉄シリサイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンは、間接遷移型半導体であるため、原理的には効率の良い発光機能を持つことができない。従って、直接遷移形の伝導を呈する半導体材料を用いて、これまでに構築されてきたシリコン微細加工技術を生かしつつ、電子的機能と光学的機能とを一体化させた集積型デバイスを製造できれば、高電力回路の電気的絶縁、ノイズ対策、さらには半導体チップ間の光通信による高速化など、新たな用途の拡大が期待されている。
【０００３】
そこで、近年、化合物半導体が、様々な光デバイスや電子デバイス等に広く用いられている。例えば、Ｓｉ基板上にＧａＡｓをヘテロエピタキシャル成長させる試みも行われている。しかし、ＧａＡｓは、Ｓｉとの格子不整合が大きいため、良質な結晶性を持つ膜が得られないなどの多くの問題点を抱えている。
【０００４】
様々な半導体材料の中で、ベータ鉄シリサイド結晶（β−ＦｅＳｉ２、以下、β鉄シリサイドと称する）は、バンドギャップ０．９ｅＶ程度の疑似直接遷移型半導体であり、そのままでは発光しないが、結晶に格子歪みを与えたり応力を作用させるなどして発光することが知られている。β鉄シリサイドは、発光波長が１．５μｍ程度と、石英光ファイバの最低損失波長と一致していることから、β鉄シリサイドを光通信用デバイスに組み込むことが期待されている。また、β鉄シリサイドの格子定数は、β−ＦｅＳｉ２（１００）とＳｉ（１００）面と、β−ＦｅＳｉ２（１１０）とＳｉ（１１１）とが近く格子不整合が小さいことから、シリコンウエハ上でのβ鉄シリサイドのエピタキシャル成長が可能である。
【０００５】
従って、β鉄シリサイドを用いると、従来のシリコン基板を用いた集積回路上に、光通信に適した発光・受光素子を一体形成できるため、β鉄シリサイドは、光通信回路を高集積化し高性能化をもたらすものとして期待されている。
【０００６】
また、鉄シリサイドは、構成元素が鉄とケイ素という環境負荷が低く且つ資源寿命が長い元素であることから、実用性が高く且つ環境への負荷が少ない材料として注目されている。従って、β鉄シリサイドを用いた発光素子は、ガリウム・ヒ素などの化合物半導体素子とは異なり、地球上に豊富に存在するとともに環境に優しい発光・受光素子としての開発が期待されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、半導体は、伝導帯から価電子帯へ電子が遷移するときに発光し、遷移の際、運動量変化を伴わない直接遷移型になることが、効率の良い発光の必要条件となる。通常、β鉄シリサイドは、間接遷移型半導体である。しかし、応力を加えてシリコン結晶中でβ鉄シリサイドの結晶を特定の方向に歪ませると直接遷移型半導体となって発光することが計算から予測されている。また、β鉄シリサイドがＳｉの中で０．１μｍ程度の球形で埋め込まれたとき直接遷移型半導体になって発光することが確認されている。従って、β鉄シリサイドの結晶を発光させるためには、β鉄シリサイドの結晶に外部から応力を加えたり、β鉄シリサイドを熱膨張係数の異なる材料中に埋め込むなどの工夫が必要となる。
【０００８】
しかし、上記のβ鉄シリサイドを発光させる方法は、β鉄シリサイドから発光ダイオードなどの素子を製造する場合の製造工程やその容易さ、または生産性の点から、実用的ではない。
【０００９】
本発明の目的は、電流を流すことで発光可能なβ鉄シリサイド及びその薄膜を容易に作製できる製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のβ鉄シリサイドは、カーボンが添加されていることを特徴とする。カーボンを添加することにより、β鉄シリサイドの結晶に外部から歪みを作用させたり、又は、熱膨張係数の異なる材料に埋め込むのと同様に、β鉄シリサイドの結晶に格子変調が生じる。そして、アニール等を行うことによりβ鉄シリサイドに電流を流すことによってβ鉄シリサイドを発光可能にする。
【００１１】
具体的には、カーボンの添加量は、１〜５ｍｏｌ％であることが好ましい。カーボンの添加が非常に微量な場合では、β鉄シリサイドの格子変調が不十分である。また、過剰のカーボンの添加は、β鉄シリサイドの結晶構造を変えてしまう可能性があり、β鉄シリサイドを導体化してしまい半導体特性の喪失につながるので適切ではない。
【００１２】
また、本発明のベータ鉄シリサイド膜は、基板の一主面に形成されるとともにカーボンが添加されて直接遷移型半導体となっていることを特徴とする。したがって、このβ鉄シリサイド膜は、電荷が注入されると効率良く発光する。さらに、基板上に更なる層や電極などを形成することで、このβ鉄シリサイド薄膜から発光素子や受光素子を製造することができる。また、基板としてシリコンウエハを用いる場合は、ウエハを構成するシリコンと反応させることで発光可能なβ鉄シリサイドを容易に得ることができる。
【００１３】
次に、本発明のβ鉄シリサイド薄膜の作製方法は、電荷注入により発光可能なβ鉄シリサイド薄膜をシリコンウエハに作製する方法であって、前記β鉄シリサイド薄膜にカーボンを添加する工程を有することを特徴とする。この方法によって、カーボンが添加されたβ鉄シリサイドを容易に作製することができ、遷移形態が直接遷移型となって発光効率の高いβ鉄シリサイド薄膜をシリコンウエハに形成できる。
【００１４】
好ましくは、前記β鉄シリサイド薄膜が形成された前記シリコンウエハを８００〜９４０℃までの範囲の任意の温度でアニールする工程をさらに含むものである。β鉄シリサイド薄膜が形成されたシリコンウエハを８００〜９４０℃にアニールすると、カーボンが添加されたβ鉄シリサイド薄膜におけるβ鉄シリサイドの直接遷移化が促進されるので、β鉄シリサイドは効率良く発光できる。また、結晶化が促進されることによって発光効率の改善がみこまれる。
【００１５】
具体的には、前記β鉄シリサイド薄膜へのカーボンの添加は、鉄、シリコン及びカーボンを含むターゲットを用いたスパッタ法によって、前記β鉄シリサイド薄膜を作製する際に行われることを特徴とする。この方法によれば、ターゲットに含まれるカーボンの量を調節するだけで、β鉄シリサイド薄膜に添加されるカーボンの量を容易に調節でき、直接遷移型半導体となって電荷注入によって発光可能なβ鉄シリサイド薄膜を得ることができる。
【００１６】
本発明の発光素子は、カーボンが添加されたβ鉄シリサイド薄膜を有することを特徴とする。この構成により、発光効率の良い発光素子が得られる。また、この発光素子は、β鉄シリサイド薄膜が発光層となり、この発光層は、鉄とケイ素という環境負荷が小さく且つ資源寿命が長い元素から構成されるので、環境に優しい、例えば光通信用の素子として用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１に、本発明のβ鉄シリサイド薄膜を用いた発光素子の構成の一例を示す。図１に示すように、発光素子１０は、例えばｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板１２の（００１）面上に、適宜の薄膜作製技術を用いて、ｎ型シリコン層１４と、β鉄シリサイド層１６と、ｐ型シリコン層１８とが順次積層され、ｐ型シリコン層１８とｎ型シリコン層１４との上に電極２０、２２がそれぞれ形成されて構成されている。β鉄シリサイド層１６には、カーボンがドーパントとして１〜５ｍｏｌ％添加されており、その作製方法については後述する。なお、シリコン基板１２は、ｎ型を用いたが、これに替えて、ｐ型のシリコン基板を用いることもできる。ｐ型のシリコン基板を用いた場合、シリコン層１４はｐ型となり、シリコン層１８はｎ型となる。
【００１９】
この発光素子１０では、β鉄シリサイド層１６を発光層として発光させるためには、β鉄シリサイド層１６が直接遷移型半導体となり、電極２０，２２間に電流を流してβ鉄シリサイド層１６に注入された電荷によって電子が直接遷移をすることが必要である。
【００２０】
本発明者らは、β鉄シリサイドにドーパントを添加することによって、β鉄シリサイドの結晶に格子変調を生じさせてβ鉄シリサイドの遷移の形態を直接遷移型に変えることを試みた。様々な元素をドーパントとして試した結果、Ｓｉよりもイオン半径が小さいカーボンをβ鉄シリサイドに添加することにより、β鉄シリサイドの結晶にひずみを導入することができた。ドーパントによって生じたひずみは、外部からの応力の印加と同様に、遷移型の測定の結果、β鉄シリサイドの遷移形態を直接遷移型に変えたことが本発明者らによって確認された。
【００２１】
β鉄シリサイドの遷移形態は、吸収スペクトルの測定を行って、連続した波長帯域での吸収係数αの値の変化の状態から判断される。この遷移形態の判別について次に説明する。一般に、遷移形態と吸収係数とは、次に示す関係を満たすことが分かっている。すなわち、測定サンプルが間接遷移型の場合は、
【００２２】
α＝Ａ（ｈν−Ｅｇｉｎｄ−Ｅｐｈ）２          （１）
で規定される関係を満たし、測定サンプルが直接遷移型の場合は、
α＝Ａ（ｈν−Ｅｇｄｉｒ）１／２          （２）
で規定される関係を満たす。なお、式（１）、（２）において、νは、測定光の振動数、αは、吸収係数、Ｅｇｉｎｄは、間接遷移型半導体におけるエネルギギャップ、Ｅｇｄｉｒは、直接遷移型半導体におけるエネルギギャップ、Ｅｐｈは、間接遷移型半導体におけるフォノンの運動（格子振動）による運動量の変化量である。また、ｈは、プランク定数、Ａは、比例定数である。従って、測定サンプルが直接遷移型である場合、横軸を波長に対応する光子エネルギとし、縦軸を、測定サンプルの厚みで規格化された吸収係数αに光子エネルギＥを掛け合わせた値をさらに２乗したもの（αＥ）２とする対数グラフに式（２）を描くと、描いた線に線形部分が現れる。一方、測定サンプルが間接遷移型である場合、横軸及び縦軸を同一とする対数グラフに描かれた式（１）の線には線形部分は現れない。
【００２３】
従って、測定サンプルの吸収スペクトルの測定結果に基づき、測定光の光子エネルギとそのときの吸収係数との関係を対数グラフに線で描き、この線に線形部分が現れた場合、測定サンプルは、直接遷移型半導体であると考えられる。
【００２４】
次に、上記発光素子１０を構成できるとともに本発明によるカーボンが添加されたβ鉄シリサイド層１６の作製方法について説明する。カーボンが添加されるβ鉄シリサイド１６層は、例えばスパッタ法により作製され、図２に示すようなスパッタ装置３０を用いて作製される。
【００２５】
図２に示すように、ＲＦマグネトロンスパッタ装置３０は、チャンバ３２の内部に、ターゲット３４と基板ホルダ３６とが対向するように配置され、基板ホルダ３６に装着されたシリコン基板１２を、ターゲット３４に対して平行に支持するようになっている。また、ターゲット３４とホルダ３６との間には、シャッタ３５が配設されて、基板ホルダ３６とターゲット３４との間を適宜遮断できる。さらに、ターゲット３４と基板ホルダ３６とは、チャンバ３２の外部に配置された高周波電源３８にそれぞれ電気的に接続されて、ターゲット３４とホルダ３６との間に高周波電力を供給するようになっている。
【００２６】
また、ターゲット３４の裏側には磁石４０が配置されている。チャンバ３２には、クライオポンプなどの真空ポンプ４２が接続され、真空ポンプ４２は、チャンバ３２内を排気できる。さらに、チャンバ３２には、ガスボンベ４４が接続されて、チャンバ３２内にアルゴンなどのプロセスに必要なガスを供給できる。
【００２７】
また、ターゲット３４は、図３に示すように、鉄（Ｆｅ）及びシリコン（Ｓｉ）の割合が１：２で構成されたディスクからなる。ターゲット３４は、Ｆｅを３３．３ｍｏｌ％、シリコンを６６．６ｍｏｌ％の割合で混合した後、約１０００℃で焼結させて形成される。更に、図３に示すように、ターゲット３４の上に、例えば５ｍｍ×５ｍｍのカーボンチップ３６をドーパントとして配置する。このターゲット３４上に配置されるカーボンチップ３６の個数を変えることで、形成されるβ鉄シリサイド薄膜におけるカーボンを、適宜の濃度に、好ましくは１〜５ｍｏｌ％となるように制御する。
【００２８】
鉄シリサイド薄膜を形成した後、シリコン基板１２を、不活性雰囲気中に移す。そして、β鉄シリサイドの結晶化が生じる温度範囲内の適宜の温度で、好ましくは６００〜９００℃の温度範囲内の適宜の温度で所定時間に亘りアニールして、β鉄シリサイドの結晶化を促進させて、膜状となる直接遷移型半導体となるβ鉄シリサイド薄膜を基板上に形成する。
【００２９】
次に、上記ＲＦマグネトロンスパッタ装置３０を用いてβ鉄シリサイド薄膜を作製し、β鉄シリサイドを直接遷移型半導体とするカーボンの適切な濃度、及びβ鉄シリサイドの作製条件について説明する。β鉄シリサイドを直接遷移型にするカーボンの適切な濃度を決定するために、カーボン濃度とアニール温度とを以下に説明するように変えてサンプル１乃至サンプル１６のβ鉄シリサイド薄膜を作製した。そして、各サンプル１乃至サンプル１６の吸収スペクトルを測定して、光子エネルギに対する吸収係数の変化から、各サンプルの遷移型について調べた。なお、吸収測定は、日立製作所製のＵ−４０００系自記分光光度計を用いて行った。
【００３０】
最初に、直径が３インチのｐ型またはｎ型のシリコン基板１２をフッ酸（ＨＦ／Ｈ２Ｏ）水にて、シリコン基板１２の表面の自然酸化膜を除去した後、ＲＦマグネトロンスパッタ装置３０にロードして基板ホルダ３６に装着した。ターゲット３４は、例えば直径４インチ且つ厚み６ｍｍのディスクを使用した。ターゲット３４の上に載置される例えば５ｍｍ×５ｍｍのカーボンチップの個数を調節して、成膜されるβ鉄シリサイドのカーボンの濃度が、０．２、０．６、１．４、５．０ｍｏｌ％のうちのいずれかになるようにした。
【００３１】
次に、スパッタ装置３０を、真空ポンプ４２を稼働させてチャンバ３２内を１×１０−４Ｐａの真空度まで排気した後、Ａｒガスをチャンバ３２内に導入し、シャッタ３５を閉じたままで、スパッタ圧力を１．０ＰａとしてＲＦパワー３００Ｗで５分間のプレスパッタを行った。次に、シャッタ３５を開放して、プレスパッタと同一のスパッタ圧力及びＲＦパワーで、１０分間に亘り鉄シリサイド薄膜を形成した。その結果、膜厚約３００ｎｍのカーボンが添加された鉄シリサイド薄膜が形成された。
【００３２】
そして、上記の鉄シリサイド薄膜を窒素雰囲気中で６００、７００、８００、９００℃のうちの温度で８時間アニールして、鉄シリサイドを結晶化させた。
【００３３】
以下に上記各条件の下に作製されたカーボン添加の鉄シリサイド薄膜を記載する。
（サンプル１）
カーボン濃度を０．２ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後６００℃でアニールした。図４に、その吸収係数の変化を線ａ１で表す。
【００３４】
（サンプル２）
カーボン濃度を０．６ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後６００℃でアニールした。図４に、その吸収係数の変化を線ａ２で表す。
【００３５】
（サンプル３）
カーボン濃度を１．４ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後６００℃でアニールした。図４に、その吸収係数の変化を線ａ３で表す。
【００３６】
（サンプル４）
カーボン濃度を５．０ｍｏｌ％となるように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後６００℃でアニールした。図４に、その吸収係数の変化を線ａ４で表す。
【００３７】
（サンプル５）
カーボン濃度を０．２ｍｏｌ％となるように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後７００℃でアニールした。図５に、その吸収係数の変化を線ｂ５で表す。
【００３８】
（サンプル６）
カーボン濃度を０．６ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後７００℃でアニールした。図５に、その吸収係数の変化を線ｂ６で表す。
【００３９】
（サンプル７）
カーボン濃度を１．４ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後７００℃でアニールした。図５に、その吸収係数の変化を線ｂ７で表す。
【００４０】
（サンプル８）
カーボン濃度を５．０ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後７００℃でアニールした。図５に、その吸収係数の変化を線ｂ８で表す。
【００４１】
（サンプル９）
カーボン濃度を０．２ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後８００℃でアニールした。図６に、その吸収係数の変化を線ｃ９で表す。
【００４２】
（サンプル１０）
カーボン濃度を０．６ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後８００℃でアニールした。図６に、その吸収係数の変化を線ｃ１０で表す。
【００４３】
（サンプル１１）
カーボン濃度を１．４ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後８００℃でアニールした。図６に、その吸収係数の変化を線ｃ１１で表す。
【００４４】
（サンプル１２）
カーボン濃度を５．０ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後８００℃でアニールした。図６に、その吸収係数の変化を線ｃ１２で表す。
【００４５】
（サンプル１３）
カーボン濃度を０．２ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後９００℃でアニールした。図７に、その吸収係数の変化を線ｄ１３で表す。
【００４６】
（サンプル１４）
カーボン濃度を０．６ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後９００℃でアニールした。図７に、その吸収係数の変化を線ｄ１４で表す。
【００４７】
（サンプル１５）
カーボン濃度を１．４ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後９００℃でアニールした。図７に、その吸収係数の変化を線ｄ１５で表す。
【００４８】
（サンプル１６）
カーボン濃度を５．０ｍｏｌ％とするように鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後９００℃でアニールした。図７に、その吸収係数の変化を線ｄ１６で表す。
【００４９】
尚、比較のために以下の比較例となる鉄シリサイド薄膜を、カーボンをアンドープとする以外は上記サンプルと同一のスパッタ条件で作製した。
【００５０】
（比較例１）
カーボンがアンドープの鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後６００℃でアニールした。図４に、その吸収測定の結果を線Ｉで表す。
【００５１】
（比較例２）
カーボンがアンドープの鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後７００℃でアニールした。図５に、その吸収測定の結果を線ＩＩで表す。
【００５２】
（比較例３）
カーボンがアンドープの鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後８００℃でアニールした。図６に、その吸収測定の結果を線ＩＩＩで表す。
【００５３】
（比較例４）
カーボンがアンドープの鉄シリサイド薄膜を成膜し、その後９００℃でアニールした。図７に、その吸収測定の結果を線ＩＶで表す。
【００５４】
以上のサンプル１乃至１６及び比較例の吸収スペクトルの結果に基づいて吸収係数の変化を算出し、その値をアニール温度毎にグラフにしたものを、図４乃至図７に示す。図４乃至図７において、吸収係数は予めサンプルの膜厚で規格化して処理されている。
【００５５】
図４は、成膜後６００℃で８時間に亘りアニールを行ったサンプル１乃至４のβ鉄シリサイドの光子エネルギに対する、吸収係数と光子エネルギとの積の２乗の変化を示す曲線を示す。いずれのサンプル１乃至４の曲線に、線形部分が無いので、β鉄シリサイド薄膜は、間接遷移型のままであり直接遷移型にはならなかったと判断される。
【００５６】
図５は、成膜後７００℃で８時間に亘りアニールを行ったサンプル５乃至８のβ鉄シリサイドの光子エネルギに対する、吸収係数と光子エネルギとの積の２乗の変化を示す曲線を示す。いずれのサンプル５乃至８に、線形部分が無いので、β鉄シリサイド薄膜は、間接遷移型のままであり直接遷移型にはならなかったと判断される。
【００５７】
図６は、成膜後８００℃で８時間に亘りアニールを行ったサンプル９乃至１２のβ鉄シリサイドの光子エネルギに対する、吸収係数と光子エネルギとの積の２乗の変化を示す曲線を示す。カーボンをそれぞれ１．４、５．０ｍｏｌ％添加したサンプル１１、１２には、光子エネルギの０．９５乃至１．０５ｅＶの範囲内に線形部分がみられる。従って、カーボンをそれぞれ１．４、５．０ｍｏｌ％添加した場合、β鉄シリサイド薄膜は、直接遷移型に変化したと判断される。
【００５８】
図７は、成膜後９００℃で８時間に亘りアニールを行ったサンプル１３乃至１６のβ鉄シリサイドの光子エネルギに対する、吸収係数と光子エネルギとの積の２乗の変化を示す曲線を示す。カーボンをそれぞれ１．４、５．０ｍｏｌ％添加したサンプル１５、１６には、光子エネルギの０．９乃至１．１Ｖの範囲内に線形部分がみられる。従って、カーボンをそれぞれ１．４、５．０ｍｏｌ％添加した場合、β鉄シリサイドは、直接遷移型に変化したと判断される。
【００５９】
上記の如く、図４乃至図７から分かるように、８００℃、及び９００℃でアニールした場合に、カーボンを１．４ｍｏｌ％，５．０ｍｏｌ％添加したサンプル１１、１２、１５、１６に、β鉄シリサイドの遷移型が、間接遷移型から直接遷移型に変化したことが確認された。従って、カーボンを１．４ｍｏｌ％，５．０ｍｏｌ％添加してさらに８００℃、及び９００℃でアニールした場合、作製されたβ鉄シリサイド薄膜は、効率良く発光できると考えられる。
【００６０】
また、アニール温度が８００℃や９００℃に比較して低温である６００℃、７００℃の場合は、添加したカーボンの濃度に拘わらず、β鉄シリサイドの直接遷移型への変化は観察されなかった。従って、アニール温度がβ鉄シリサイドの結晶化温度の低温域にある場合は、カーボンを添加したとしてもその量に拘わらず、β鉄シリサイドは直接遷移型半導体にはならず、効率の良い発光はしないと考えられる。
【００６１】
また、上記サンプルに基づいた結果から、β鉄シリサイドの光学遷移が間接遷移型から直接遷移型へと変化することは、カーボンの濃度変化、及びβ鉄シリサイドの成膜後のアニール温度の変化に対して連続して生じていると考えられる。故に、上記サンプルに示された条件の他に、カーボンの添加については、１．４から５．０ｍｏｌ％までの範囲内の適宜の濃度では、約８００〜９００℃でアニールした後ではβ鉄シリサイドは直接遷移型になると判断できる。また、０．７から１．４ｍｏｌ％未満の範囲の濃度では、直接遷移型になることを完全に否定するものではない。また、５．０ｍｏｌ％を超えるカーボンの濃度においても、この濃度のカーボンの添加はβ鉄シリサイドを直接遷移型にすると考えられる。
【００６２】
しかし、カーボンの添加量を増やしていくと、やがてはβ鉄シリサイドの結晶構造を変えてしまい、β鉄シリサイドを半導体から導体に変化させることが本発明者による実験で判明している。よって、β鉄シリサイドの半導体特性を維持しつつ直接遷移型に変えるカーボンの添加量には上限が存在すると考えられている。このことから、カーボンの添加量は、１〜５ｍｏｌ％が好ましい。
【００６３】
同様に、β鉄シリサイドの成膜後のアニール温度についても同様であり、８００℃、及び９００℃のアニールで直接遷移型への変化が確認されたことから、８００〜９００℃までの温度範囲内の任意の温度のアニールによって、β鉄シリサイドが直接遷移型へ変化すると考えられる。但し、アニール温度が９４０℃を超えると、鉄シリサイドのα相が発現して鉄シリサイドは半導体ではなくなることが分かっている。そこで、β鉄シリサイドを直接遷移型に変化させるアニール温度の上限を、β鉄シリサイドの結晶化が促進される温度の上限である９４０℃とするのが好ましい。
【００６４】
上記の如く、鉄シリサイドにカーボンを１〜５ｍｏｌ％の範囲内で添加し、更に、鉄シリサイドの成膜後に８００〜９４０℃でアニールすることによって、基板上に形成されたβ鉄シリサイドは、直接遷移型半導体に変化する。従って、このようにβ鉄シリサイド薄膜を作製することによって、β鉄シリサイド薄膜の直接遷移型としての高効率の発光が可能となる。
【００６５】
また、β鉄シリサイドを用いて発光素子や受光素子を作製する際、高効率で発光可能なβ鉄シリサイド層を基板上に作製できるので、素子の製造を容易にする。
【００６６】
なお、上記方法では、シリコン基板１２の上に直接カーボンが添加されたβ鉄シリサイド薄膜を作製したが、これに限らず、作製される素子の構造に応じて、シリコン基板の上のｎ型シリコン層やｐ型シリコン層などの上に、β鉄シリサイド薄膜を形成することもできる。
【００６７】
また、図１に示す発光素子の構造は、一例であって、ホモ接合、ダブルヘテロ接合、量子井戸接合などの発光または受光可能な適宜の接合構造を取り得る。
【００６８】
さらに、β鉄シリサイド薄膜へのカーボン添加は、上記方法の他に、カーボンイオンを打ち込むイオン注入法を用いても行うことができる。
【００６９】
なお、ドーパントとしてカーボンに替えてルテニウムやゲルマニウムを添加し、ドーパント添加後に６００〜９００℃の温度範囲内でアニールをしてβ鉄シリサイド薄膜を作製し、吸収スペクトルを測定した。しかし、ドーパントの添加量に拘わらず、またアニール温度に拘わらず、β鉄シリサイド薄膜は間接遷移型半導体のままであり、直接遷移型半導体にはならなかった。
【００７０】
【発明の効果】
本発明のβ鉄シリサイドは、カーボンが添加されていることにより、β鉄シリサイドの結晶に外部から歪みを作用させたのと同様に、β鉄シリサイドの結晶に格子変調が生じて、β鉄シリサイドを、間接遷移型半導体から直接遷移型半導体に変化させることができる。従って、カーボンが添加されたβ鉄シリサイドは、直接遷移型半導体の特性を呈するようになるので、電荷の注入により効率良く発光できる。また、このようなβ鉄シリサイドを膜として基板に作製すると、実用に適した発光素子や受光素子を容易に製造できる。
【００７１】
本発明のβ鉄シリサイド薄膜の作製方法は、β鉄シリサイド薄膜をシリコンウエハに作製する方法であって、前記β鉄シリサイド薄膜にカーボンを添加する工程を有しているので、カーボンが添加されたβ鉄シリサイドを容易に作製することができ、光学遷移が直接遷移型となって発光効率の高いβ鉄シリサイド薄膜をシリコンウエハに形成できる。
【００７２】
本発明の発光素子は、カーボンが添加されたβ鉄シリサイド薄膜を有するので、発光効率の良い発光素子が得られる。また、この発光素子は、鉄とケイ素という環境負荷が小さく且つ資源寿命が長い元素から構成されたβ鉄シリサイド薄膜にて構成されているので、環境に優しい、例えば光通信用の素子となり得る。
【００７３】
本発明の受光素子は、カーボンが添加されたβ鉄シリサイド薄膜を有するので、受光効率の高い受光素子が得られる。また、この受光素子は、鉄とケイ素という環境負荷が小さく且つ資源寿命が長い元素から構成されたβ鉄シリサイド薄膜にて構成されているので、環境に優しい、例えば光通信用の素子となり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるβ鉄シリサイドを用いた発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明によるβ鉄シリサイドを作製する際に使用されるマグネトロンスパッタ装置を示す構成図である。
【図３】本発明によるカーボン添加のβ鉄シリサイドをスパッタ法にて作製する際に使用されるターゲットの上面図である。
【図４】成膜後に６００℃でアニールされた各サンプルの光子エネルギと吸収係数との関係を示すグラフである。
【図５】成膜後に７００℃でアニールされた各サンプルの光子エネルギと吸収係数との関係を示すグラフである。
【図６】成膜後に８００℃でアニールされた各サンプルの光子エネルギと吸収係数との関係を示すグラフである。
【図７】成膜後に９００℃でアニールされた各サンプルの光子エネルギと吸収係数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１２  シリコン基板
１６  β鉄シリサイド薄膜
【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５】
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【図６】
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【図７】
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