(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ２膜を備える発光素子を提供する。【解決手段】本発明の発光素子１０は、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１の表面上に設けられ、Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有するβ−ＦｅＳｉ２膜２と、Ｓｉ基板１の裏面側に設けられた第１の電極３と、β−ＦｅＳｉ２膜２の表面側に設けられた第２の電極４とを備える。Ｓｉ基板１とβ−ＦｅＳｉ２膜２との間には、ｐｎ接合が形成される。本発明の発光素子１０は、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ２膜２を発光層として備える。その発光特性は、基板の種類や純度の影響を受けにくい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の表面上に設けられ、前記Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有するβ−ＦｅＳｉ２膜と、
前記Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、
前記β−ＦｅＳｉ２膜の表面側に設けられた第２の電極と
を備える発光素子。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板の導電型は、ｎ型であり、
前記β−ＦｅＳｉ２膜の導電型は、ｐ型である
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板の導電型は、ｐ型であり、
前記β−ＦｅＳｉ２膜の導電型は、ｎ型である
請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記Ｓｉ基板の面方位は、（１１１）であり、
前記β−ＦｅＳｉ２膜は、（１１０）または（１０１）配向性を有している
請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板の表面上に設けられたβ−ＦｅＳｉ２膜と、前記Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、前記β−ＦｅＳｉ２膜の表面側に設けられた第２の電極とを備える発光素子の製造方法であって、
前記Ｓｉ基板を加熱クリーニングするクリーニング工程と、
前記β−ＦｅＳｉ２からなる初期層を第１の温度で前記Ｓｉ基板上に形成する初期層形成工程と、
前記初期層を前記第１の温度より高い第２の温度で成長させる成長工程と、
前記成長工程の後に、前記第２の温度よりも高い第３の温度で前記β−ＦｅＳｉ２膜をアニールする工程と
を備える発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１の温度は、４４０〜５５０℃である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第２の温度は、７００〜７６０℃である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第３の温度は、７９０〜８５０℃である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第３の温度は、８８０〜９００℃である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記クリーニング工程は、ｎ型の前記Ｓｉ基板を加熱クリーニングし、
前記初期層形成工程は、ｐ型の前記初期層を形成し、
前記成長工程は、前記初期層を成長させてｐ型のβ−ＦｅＳｉ２膜を形成する請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記クリーニング工程は、ｐ型の前記Ｓｉ基板を加熱クリーニングし、
前記初期層形成工程は、ｐ型の前記初期層を形成し、
前記成長工程は、前記初期層を成長させてｐ型のβ−ＦｅＳｉ２膜を形成し、
前記β−ＦｅＳｉ２膜をアニールする工程は、前記β−ＦｅＳｉ２膜の導電型をｐ型からｎ型に変える
請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記Ｓｉ基板の面方位は、（１１１）である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記初期層形成工程は、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により前記β−ＦｅＳｉ２膜を形成する
請求項５または６に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記成長工程は、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により前記β−ＦｅＳｉ２膜を成長させる
請求項５または７に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、β−ＦｅＳｉ２が注目されている。β−ＦｅＳｉ２は、資源的に豊富であり、無害で化学的に安定な半導体である。β−ＦｅＳｉ２は、禁止帯幅が約０．８５ｅＶの直接遷移型半導体である。また、β−ＦｅＳｉ２は、Ｓｉ基板上へのエピタキシャル成長が可能である。このため、β−ＦｅＳｉ２は、環境負荷の小さい次世代の発光・受光素子の材料として期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、β−ＦｅＳｉ２に関しては不明点が多い。連続的なβ−ＦｅＳｉ２膜から発光が観測されたという報告は、これまでされていない。イオン注入法または分子エピタキシャル（ＭＢＥ）法によってＳｉ（１００）基板に埋め込まれたＦｅＳｉ２微結晶から、フォトルミネッセンス（ＰＬ）発光が観測されたとの報告はある。しかし、その発光は、基板を昇温するとすぐ消滅してしまう。このため、発光素子への応用は難しい。また、その発光は、基板の種類（ＦＺまたはＣＺ）および微結晶の大きさに強く依存する。このため、発光の制御が難しい。
【０００４】
そこで、本発明は、Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ２膜を備える発光素子の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の表面上に設けられたβ−ＦｅＳｉ２膜と、Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、β−ＦｅＳｉ２膜の表面側に設けられた第２の電極とを備える。β−ＦｅＳｉ２膜は、Ｓｉ基板の導電型と異なる導電型を有している。
【０００６】
本発明の発光素子では、Ｓｉ基板とβ−ＦｅＳｉ２膜との間にｐｎ接合が形成される。この発光素子は、第１および第２の電極を介して電流が注入されると発光する。Ｓｉ基板上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ２膜を発光層として備える。このため、発光特性が基板の種類や純度の影響を受けにくい。
【０００７】
本発明の方法は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の表面上に設けられたβ−ＦｅＳｉ２膜と、Ｓｉ基板の裏面側に設けられた第１の電極と、β−ＦｅＳｉ２膜の表面側に設けられた第２の電極とを備える発光素子を製造する。この方法は、Ｓｉ基板を加熱クリーニングするクリーニング工程と、β−ＦｅＳｉ２からなる初期層を第１の温度でＳｉ基板上に形成する初期層形成工程と、初期層を前記第１の温度より高い第２の温度で成長させる成長工程と、第２の温度よりも高い第３の温度でβ−ＦｅＳｉ２膜をアニールする工程とを備える。
【０００８】
本発明の方法によれば、上述した本発明の発光素子を製造できる。初期層を形成してからそれを成長させることにより、結晶性の高いβ−ＦｅＳｉ２膜がＳｉ基板上に形成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光素子１０を示す断面図である。図２は、発光素子１０の平面図である。発光素子１０は、Ｓｉ基板１、β−ＦｅＳｉ２膜２、下部電極３および上部電極４から構成されている。β−ＦｅＳｉ２膜２および上部電極４は、基板１の表面側に設けられている。下部電極３は、基板１の裏面側に設けられている。
【００１１】
Ｓｉ基板１は、Ｃｚｏｃｈｒａｓｋｉ（ＣＺ）法により製造されたｎ型のＳｉ（１１１）基板（主面の面方位が（１１１）の基板）である。基板のサイズは、２インチである。
【００１２】
β−ＦｅＳｉ２膜２は、Ｓｉ基板１の表面全体に被着されている。β−ＦｅＳｉ２膜２の厚さは、好ましくは１００〜２５０ｎｍ、より好ましくは１００〜２００ｎｍの範囲内とする。本実施形態では、β−ＦｅＳｉ２膜２の厚さは、２００ｎｍである。β−ＦｅＳｉ２膜２の導電型は、Ｓｉ基板１と異なり、ｐ型である。
【００１３】
第１の電極３は、図１に示されるように、Ｓｉ基板１の裏面全体に被着されている。電極３の材質は、Ａｌ金属である。
【００１４】
第２の電極４は、図２に示されるように、β−ＦｅＳｉ２膜２の表面上に等間隔で設けられている。電極４の形状は、円形である。電極４の材質も、Ａｌ金属である。
【００１５】
次に、発光素子１０の製造方法について説明する。この方法では、まず、Ｓｉ基板１を昇温して、この基板１の加熱クリーニングを行う。このクリーニング工程では、２×１０−７Ｔｏｒｒバックグラウンド圧力の下で基板１を８５０℃まで昇温し、その温度を３０分間維持する。
【００１６】
次に、クリーニングした基板１の表面上に、β−ＦｅＳｉ２の薄い初期層を形成する。初期層の形成には、高真空スッパタリング装置、具体的にはロードロック装置を備えるＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いる。公知のＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いることができる。ＲＦマグネトロンスパッタリング装置は、低温かつ高速でβ−ＦｅＳｉ２膜を形成できる。
【００１７】
スパッタリング温度は、４４０〜５５０℃が好ましく、４８０〜５２０℃がより好ましい。この実施形態では、スパッタリング温度は、５００℃である。この温度下で９９．９９％のＦｅターゲットをスパッタリングし、β−ＦｅＳｉ２初期層を形成する。この初期層の導電型は、ｐ型である。初期層の厚さは、好ましくは５〜８０ｎｍの範囲内とする。この実施形態では、初期層の厚さは、２０ｎｍである。初期層の形成中は、アルゴン圧を３×１０−３Ｔｏｒｒに制御する。
【００１８】
続いて、初期層が形成された基板１を、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置内で７３０〜７６０℃まで昇温し、３５ｎｍ／ｈｏｕｒの速度でβ−ＦｅＳｉ２初期層を２００ｎｍの厚さまで成長させる。β−ＦｅＳｉ２の膜厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた断面の観察によって測定する。得られたβ−ＦｅＳｉ２膜は、ほぼ平坦な表面を有している。その導電型は、ｐ型である。β−ＦｅＳｉ２膜のホール濃度は、室温で１０１８ｃｍ−３台であり、そのホール移動度は、室温で約２０ｃｍ２／Ｖ・ｓである。
【００１９】
次に、β−ＦｅＳｉ２膜をアニールする。これにより本実施形態の発光素子１０のβ−ＦｅＳｉ２膜２が得られる。熱アニーリングの温度は、７９０〜８５０℃が好ましい。この実施形態では、アニーリング温度は８００℃である。この熱アニーリングでは、β−ＦｅＳｉ２膜が形成されたＳｉ基板１を８００℃の窒素雰囲気に２０時間さらす。この熱アニーリングは、石英管の中で行う。β−ＦｅＳｉ２膜の導電型は、ｐ型のままである。この結果、ｎ型のＳｉ基板１とｐ型のβ−ＦｅＳｉ２膜２との間にｐｎ接合が形成される。β−ＦｅＳｉ２膜２を８００℃でアニールした後では、そのホール濃度は、室温で１０１６ｃｍ−３台に減少し、そのホール移動度は、室温で１００ｃｍ２／Ｖ・ｓに増加する。
【００２０】
続いて、Ｓｉ基板１の表裏に電極を形成する。具体的には、Ｓｉ基板１の裏面にＡｌ金属を真空蒸着させて下部電極３を形成する。また、β−ＦｅＳｉ２膜２の表面にマスクを用いてＡｌ金属を真空蒸着させて、上部電極４を形成する。下部電極３と上部電極４は、どちらを先に形成しても良い。これらの電極３、４が形成されると、本実施形態の発光素子１０が完成する。
【００２１】
このようにして得られたｐ型β−ＦｅＳｉ２膜２／ｎ型ＣＺ−Ｓｉ基板１ヘテロ構造にＡｌ電極３，４を介して直流電流を注入すると、室温で１．５μｍ帯の発光が確認された。図３に、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルの順方向電流依存性を示す。図３から明らかなように、高い電流を注入するほどＥＬ強度は強くなる。
【００２２】
発光素子１０は、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ２膜２を発光層として有している。このため、その発光特性が基板の種類や純度の影響を受けにくい。したがって、発光素子１０の製造工程の制御が容易である。
【００２３】
また、均一な複数の発光素子１０を備える大面積のウェーハを、スパッタリングを用いて製造することが可能である。スパッタリングは簡易で低コストなので、発光素子１０も低コストで量産できる。
【００２４】
（第２実施形態）
以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。本発明者らは、β−ＦｅＳｉ２膜のアニーリングをより高温で行うと、β−ＦｅＳｉ２膜の導電型がｐ型からｎ型に変わることを見出した。本実施形態では、この導電型の変化を利用して、ｐ型のＳｉ基板上にｎ型のβ−ＦｅＳｉ２膜を有する発光素子を製造する。
【００２５】
本実施形態の発光素子は、第１実施形態と同様に、図１に示される構成を有している。ただし、基板１の種類および導電型とβ−ＦｅＳｉ２膜２の導電型が第１実施形態と異なっている。
【００２６】
Ｓｉ基板１は、浮遊帯域（ＦＺ）法により製造されたｐ型のＳｉ（１１１）基板である。基板のサイズは、２インチである。
【００２７】
β−ＦｅＳｉ２膜２の導電型は、Ｓｉ基板１と異なり、ｎ型である。β−ＦｅＳｉ２膜２は、Ｓｉ基板１の表面全体に被着されている。
【００２８】
次に、発光素子１０の製造方法について説明する。この方法は、上述の第１実施形態と同様に、クリーニング工程、初期層形成工程、成長工程およびアニーリング工程を有する。
【００２９】
クリーニング工程では、第１実施形態と同様に、２×１０−７Ｔｏｒｒバックグラウンド圧力の下で基板１を８５０℃まで昇温し、その温度を３０分間維持する。
【００３０】
初期層形成工程では、９９．９９％のＦｅターゲットをスパッタリングし、厚さ５〜８０ｎｍのβ−ＦｅＳｉ２初期層を形成する。スパッタリング温度は、４５０℃である。初期層の導電型は、ｐ型である。スパッタリングは、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いる。初期層の形成中は、アルゴン圧を３×１０−３Ｔｏｒｒに制御する。
【００３１】
成長工程では、初期層が形成された基板１をＲＦマグネトロンスパッタリング装置内で７００〜７６０℃まで昇温し、β−ＦｅＳｉ２初期層を２５０ｎｍの厚さまで成長させる。β−ＦｅＳｉ２膜の導電型は、ｐ型のままである。β−ＦｅＳｉ２膜のホール濃度は、室温で２×１０１８ｃｍ−３台であり、そのホール移動度は、室温で２０ｃｍ２／Ｖ・ｓである。
【００３２】
次に、β−ＦｅＳｉ２膜をアニールする。これにより本実施形態の発光素子１０のβ−ＦｅＳｉ２膜２が得られる。熱アニーリングの温度は、８８０〜９００℃が好ましい。この実施形態では、アニーリング温度は８９０℃である。この熱アニーリングでは、β−ＦｅＳｉ２膜が形成されたＳｉ基板１を８９０℃の窒素雰囲気に２０時間さらす。この熱アニーリングは、石英管の中で行う。熱アニーリングにより、β−ＦｅＳｉ２　膜の導電型は、ｐ型からｎ型に変わる。この結果、ｐ型のＳｉ基板１とｎ型のβ−ＦｅＳｉ２膜２との間にｐｎ接合が形成される。８９０℃アニーリングによって、キャリア濃度が低下し、移動度が上昇する。具体的には、３〜１０×１０１６ｃｍ−３の電子濃度と、最大で２３０ｃｍ２／Ｖ・ｓの移動度が得られる。
【００３３】
アニーリング工程後、第１実施形態と同様にして下部電極３および上部電極４を形成する。これにより、本実施形態の発光素子１０が完成する。
【００３４】
このようにして得られたｎ型β−ＦｅＳｉ２膜２／ｐ型ＦＺ−Ｓｉ基板１ヘテロ構造にＡｌ電極３，４を介して直流電流を注入すると、室温で発光素子１０を発光させることができる。このように、本実施形態でも、Ｓｉ基板１上に設けられた連続的なβ−ＦｅＳｉ２膜２を発光層として備える発光素子１０を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明者らは、Ｓｉ基板１上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ２膜についてＸ線回折解析を行った。図４は、その結果を示すグラフである。このＸ線回折解析は、４結晶回折計を用いて行った。
【００３６】
図４に示されるように、β−ＦｅＳｉ２膜２については、広範囲の回折角にわたって一つのピークしか現れていない。すなわち、基板信号の隣に、β−ＦｅＳｉ２（２２０）または（２０２）のピークが検出された。したがって、β−ＦｅＳｉ２膜は、高い（１１０）または（１０１）配向性を有している。
【００３７】
β−ＦｅＳｉ２ピークのロッキングカーブ（ωスキャン）は、１５ａｒｃｍｉｎの半値幅（ＦＷＨＭ）を有している。これは、β−ＦｅＳｉ２ピークが極めて狭いことを示す。したがって、β−ＦｅＳｉ２膜は、高い結晶性を有している。
【００３８】
本発明者らは、図４のサンプルについて、面内エピタキシャル配列（ｉｎ−ｐｌａｎａ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を調べた。その結果、β−ＦｅＳｉ２の〔００１〕方向（〔０１０〕ではなく）は、Ｓｉ基板の〔１１０〕方向と平行であった。これは、β−ＦｅＳｉ２膜の成長方向の（１１０）配向性を強く支持するものである。
【００３９】
また、本発明者らは、β−ＦｅＳｉ２膜の室温での光子エネルギーと吸収係数との関係を調べた。図５は、その結果を示すグラフである。図５において、破線で示される直線は、直接遷移が可能なことを示している。この直線は、エネルギー軸（横軸）との交差点において０．８２ｅＶのバンドギャップを与える。
【００４０】
連続した高配向性のβ−ＦｅＳｉ２膜は、加熱クリーニングの直後に初期層を形成せずに、Ｓｉ基板上に直接成長させることもできる。しかし、Ｘ線回折解析の結果、初期層を形成しない場合のβ−ＦｅＳｉ２ピークのωスキャン半値幅は、初期層を形成した場合と比べ３０％以上広い。したがって、初期層を形成した方が、より結晶性の高いβ−ＦｅＳｉ２膜が得られることが分かる。
【００４１】
上記実施形態では、ｐ型ＦＺ−Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ２膜を形成する。しかし、ｐ型ＣＺ−Ｓｉ基板を用いても、初期層の形成および成長によって高い結晶性を有するβ−ＦｅＳｉ２膜が得られると考えられる。
【００４２】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態では、Ｓｉ基板１上に形成されたβ−ＦｅＳｉ２膜の表面に電極を設けている。しかし、β−ＦｅＳｉ２膜上にＳｉキャップ層を形成し、そのキャップ層上に電極を設けてもよい。キャップ層を設けることで、発光効率の向上が期待できる。
【００４４】
また、上記実施形態では、基板上にβ−ＦｅＳｉ２膜を製造するための高真空スパッタリング装置としてＲＦマグネトロンスパッタリング装置を使用する。しかし、他の方式によるマグネトロンスパッタリング装置を使用することもできる。ただし、ＲＦマグネトロンスパッタリング堆積法は、連続的な高配向性のβ−ＦｅＳｉ２膜をＳｉ（１１１）基板上に設けるために好適に使用できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｉ基板上にβ−ＦｅＳｉ２膜を発光層として備える発光素子を得ることができる。発光層が基板内の微結晶ではなく基板上の連続的な膜なので、本発明の発光素子の発光特性は、基板の種類や純度の影響を受けにくい。このため、本発明の発光素子は、制御の容易な製造工程によって製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る発光素子の平面図である。
【図３】第１実施形態の発光素子に電流注入した場合のＥＬ強度を示すグラフである。
【図４】Ｓｉ基板上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ２膜について、Ｘ線回折解析を行った結果を示すグラフである。
【図５】Ｓｉ基板上に成長させたアニール前のβ−ＦｅＳｉ２膜について、光子エネルギーと吸収係数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板、２…β−ＦｅＳｉ２膜、３…下部電極、４…上部電極。
【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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