(57)【要約】【課題】  シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、広いエネルギー領域でバンドギャップを有し、ドーピングが可能であるうえ、非晶質薄膜上に成長できるシリコンカーボンナイトライド膜を形成することにより、近赤外線、可視光及び紫外線領域で発光効率を向上させることが可能なシリコン発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  シリコン発光層と、シリコン発光層に電圧差を印加するための電極とを含んでなるシリコン発光素子において、シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、前記シリコン発光層の発光効率を高めるためのシリコンカーボンナイトライド膜を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン発光層と、前記シリコン発光層に電圧差を印加するための電極とを含んでなるシリコン発光素子において、
前記シリコン発光層の発光効率を高めるために、前記シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つにシリコンカーボンナイトライド膜を備えることを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項２】
前記シリコン発光層は、非晶質シリコン酸化物またはシリコン窒化物の基底体によって取り囲まれた結晶質シリコン微細構造または非晶質シリコン量子ドットから構成されたことを特徴とする請求項１記載のシリコン発光素子。
【請求項３】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、厚さが０.１〜４μｍであることを特徴とする請求項１記載のシリコン発光素子。
【請求項４】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、ドーピング濃度が１０１６〜１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１記載のシリコン発光素子。
【請求項５】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、エネルギーバンドギャップが２.０ｅＶ〜４.０ｅＶであることを特徴とする請求項１記載のシリコン発光素子。
【請求項６】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、発光波長に対する透過率が６０〜９９％の範囲であることを特徴とする請求項１記載のシリコン発光素子。
【請求項７】
シリコン発光層と、前記シリコン発光層に電圧差を印加するための電極とを含んでなるシリコン発光素子において、
前記シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに前記シリコン発光層の発光効率を高めるためのシリコンカーボンナイトライド膜を形成する工程を含むことを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、化学気相蒸着法によってシランガスとメタンガス、窒素またはアンモニアガスのいずれか一つとを用いて蒸着することを特徴とする請求項７記載のシリコン発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は１００〜６００℃の温度範囲、０.１〜１０Ｔｏｒｒの成長圧力範囲で形成することを特徴とする請求項８記載のシリコン発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、スパッタリング法によって形成するが、メタン、窒素及びアンモニアガスを使用し、ターゲットとしてシリコン基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはシリコンナイトライド（ＳｉＮ）を用いて蒸着することを特徴とする請求項８記載のシリコン発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は１００〜６００℃の温度範囲、１〜１０Ｔｏｒｒの成長圧力範囲で形成することを特徴とする請求項８記載のシリコン発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は約１０１６〜１０１９ｃｍ―３範囲内のドーピング濃度を得るように不純物を活性化するために３００〜８００℃の温度で３０秒〜５分間急速熱処理することを特徴とする請求項８記載のシリコン発光素子の製造方法。
【請求項１３】
基板と、前記基板上の所定の領域に形成されたシリコン発光層と、
前記シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに発光効率を高めるために形成されたシリコンカーボンナイトライド膜と、
前記シリコン発光層に電圧差を印加するために配置される第１及び第２電極とを含んでなるシリコン発光素。
【請求項１４】
前記シリコンカーボンナイトライド膜は、前記シリコン発光層の上部に形成されるもので、
前記シリコン発光層の側部の前記シリコン基板上に形成された第１電極と、前記シリコンカーボンナイトライド膜の上部の所定の領域に形成された第２電極とを含むことを特徴とする請求項１３記載のシリコン発光素子。
【請求項１５】
前記シリコン発光層と前記シリコン基板との間にシリコンカーボンナイトライド膜をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載のシリコン発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン発光素子及びその製造方法に係り、特に、シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、シリコン発光層の発光効率を高めるためにシリコンカーボンナイトライド(silicon carbon nitride)膜を備えるシリコン発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン発光素子、例えばシリコンナノドット（シリコンナノ点）を用いた近赤外線、可視光及び紫外線発光素子は、間接遷移特性のために発光効率の低いシリコン半導体の限界を克服した新しい構造の発光素子である。
【０００３】
ところが、シリコンナノドットが量子効果を引き起こすために基底体として用いられるシリコン酸化物またはシリコン窒化物薄膜は、電流の移動性が殆どない絶縁体物質であって、素子の応用性を低下させる原因となっている。
【０００４】
前記絶縁体物質は、一般にドープされないため、電荷の移動性を向上させるためには上部にドープ層を成長させなければならない。しかし、前記シリコン酸化物または前記シリコン窒化物薄膜は、構造的に非晶質状態なので、このような薄膜上に成長できる薄膜または非晶質構造を有することが好ましい。
【０００５】
このような前記シリコンナノドットの大きさを調整して発光波長を調節する場合にも、効果的に発光層に電荷を注入するためには、上部ドーピング層のバンドギャップをそれぞれの場合に合わせて調節しなければならない。また、上部ドーピング層は発光波長に対して透明でなければ外部に光を効果的に放出することができない。
【０００６】
ところが、このような条件を満足させる非晶質ドーピング層が未だ開発されていないため、シリコン発光素子の商用化に非常に困っている実情である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、少ないシリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、広いエネルギー領域でバンドギャップを有し、ドーピングが可能であるうえ、非晶質薄膜上に成長できるシリコンカーボンナイトライド膜を形成することにより、近赤外線、可視光及び紫外線領域で発光効率を向上させることが可能なシリコン発光素子及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための技術的手段として、本発明の第１側面は、シリコン発光層と、シリコン発光層に電圧差を印加するための電極とを含んでなるシリコン発光素子において、シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、前記シリコン発光層の発光効率を高めるためのシリコンカーボンナイトライド膜を備えるシリコン発光素子を提供する。
【０００９】
好ましくは、シリコン発光層は、非晶質シリコン酸化物またはシリコン窒化物の基底体によって取り囲まれた結晶質シリコン微細構造または非晶質シリコン量子ドットから構成される。
【００１０】
好ましくは、シリコンカーボンナイトライド膜は、厚さが０.１〜４μｍ、ドーピング濃度が１０１６〜１０１９ｃｍ―３、エネルギーバンドギャップが２.０ｅＶ〜４.０ｅＶ、発光波長に対する透過率が６０〜９９％の範囲である。
【００１１】
本発明の第２側面は、シリコン発光層と、シリコン発光層に電圧差を印加するための電極とを含んでなるシリコン発光素子において、シリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、前記シリコン発光層の発光効率を高めるためのシリコンカーボンナイトライド膜を形成するシリコン発光素子の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明の第３側面は、基板と、前記基板上部の所定の領域に形成されたシリコン発光層と、シリコン発光層の上部と下部のうち少なく一つに発光効率を高めるために形成されたシリコンカーボンナイトライド膜と、シリコン発光層に電圧差を印加するために配置される第１及び第２電極とを含んでなるシリコン発光素子を提供する。
【００１３】
好ましくは、シリコンカーボンナイトライド膜は、前記シリコン発光層の上部に形成されるもので、シリコン発光層側の部の前記シリコン基板上に形成された第１電極と、前記シリコンカーボンナイトライド膜の上部の所定の領域に形成された第２電極とを含む。さらに好ましくは、シリコン発光層と前記シリコン基板との間にシリコンカーボンナイトライド膜をさらに含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のシリコン発光素子及びその製造方法によれば、２つの電極の間に介在したシリコン発光層の上部と下部のうち少なくとも一つに、シリコンカーボンナイトライド膜を透明ドーピング層で形成することにより、近赤外線、可視光及び紫外線領域で発光効率を向上させることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施例を詳細に説明する。これらの実施例は、当技術分野で通常の知識を有する者に本発明を充分理解させるために提供されるもので、様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。一方、ある膜が他の膜又は半導体基板の「上」にあると記載される場合、前記ある膜は前記他の膜又は半導体基板に直接接触して存在することもあり、或いはその間に第３の膜が介在することもある。また、図面における膜の厚さ又は大きさは説明の便宜上及び明確性のために誇張されることもある。図面上において、同一の符号は同一の要素を意味する。
【００１６】
図１は本発明に係るシリコン発光素子に適用されたシリコンカーボンナイトライド膜のエネルギーバンドギャップを説明するための図である。
【００１７】
図１に示すように、通常、３つ元素からなる化合物の場合には、２つの元素からなる化合物の間のエネルギーバンドギャップを有する。シリコンカーボンナイトライド膜（ＳｉＣＮ）膜と関連し、ＳｉＣｘＮ１−ｘにおけるｘ（０≦ｘ≦１）値の変化によってシリコンカーボンナイトライド膜のエネルギーバンドギャップは連続的に変わる。好ましくは、シリコンカーボンナイトライド膜は非晶質である。
【００１８】
従って、非晶質シリコンカーボンナイトライド膜の製造の際に炭素または窒素の量を調節すると、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）のエネルギーバンドギャップ２.０ｅＶからシリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）のエネルギーバンドギャップ５.０ｅＶまでの範囲内でエネルギーバンドギャップを有するシリコンカーボンナイトライド膜を製造することができる。
【００１９】
図２は本発明の第１実施例に係るシリコン発光素子を示す断面図である。
【００２０】
図２に示すように、基板１００上の所定の領域にシリコン発光層１１０が形成されており、シリコン発光層１１０が形成されていない基板１００上の所定の領域にｐ型電極１２０が形成されている。好ましくは、基板１００はｐ型シリコン基板である。
【００２１】
基板１００は、発光素子の基板として用いられるものであれば特に限定されずに適用可能であり、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体基板、ガラス、サファイア、石英、樹脂などの絶縁性基板のうちいずれか一つの基板を使用することもできる。但し、例えばシリコン量子ドットからシリコン発光層を構成する場合、シリコン基板を用いると、その基板上にシリコン発光層を直ちに形成することが可能になるという利点がある。一方、シリコン基板以外の他の種類の基板を用いると、その基板上に別途のシリコン層を形成し、その上にシリコン発光層を形成することができる。
【００２２】
シリコン発光層１１０の上部にはシリコンカーボンナイトライド膜１３０を形成する。好ましくは、シリコンカーボンナイトライド膜１３０は、ｎ型透明ドーピング層であり、その上部の所定領域にｎ型電極１４０が形成されている。ｎ型ドーピングのためには例えば燐（Ｐ）系列のドーパントを、ｐ型ドーピングのためには硼素（Ｂ）系列のドーパントを用いることができる。好ましい非晶質シリコンカーボンナイトライド膜のドーピング濃度は約１０１６〜１０１９ｃｍ−３程度の範囲内であり、この場合、エネルギーギャップは約２.０〜４.０ｅＶ程度の範囲内で調節することができ、発光波長に対する透過率は６０〜９９％程度の範囲である。
【００２３】
シリコン発光層１１０は、結晶質シリコン微細構造が非晶質シリコン酸化物または窒化物の基底体に取り囲まれるか、或いは非晶質シリコン量子ドットが非晶質シリコン酸化物又は窒化物の基底体に取り囲まれるようになっており、使用システムまたは要求特性に応じて発光波長が単一または様々な波長を発散し得るように成長できる。
【００２４】
また、シリコン発光層１１０は、例えばプラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）またはスパッタリング法によってシランガスと窒素源ガス（窒素またはアンモニアガス）または酸素源ガス（酸素または一酸化二窒素ガス）を用いてプラズマを形成した後、シリコン酸化物または窒化物薄膜とシリコン微細構造を製作することができ、シリコン微細構造を製作するために後熱処理工程を用いることもできる。
【００２５】
そして、ｐ型電極１２０及びｎ型電極１４０の材料は、それぞれＮｉ／Ａｕ及びＴｉ／Ａｌから構成されることが好ましく、ｐ型電極１２０及びｎ型電極１４０の位置が互いに入れ替わることもできる。
【００２６】
シリコンカーボンナイトライド膜１３０は、化学気相蒸着法によって蒸着することができる。この際、成長温度は約１００〜６００℃程度、成長圧力は約０.１〜１０Ｔｏｒｒ程度の範囲とすることが好ましく、ガス原料としてはシランガスとメタンガス以外に窒素又はアンモニアガスを使用することができ、シリコンカーボンナイトライド膜１３０の厚さは約０.１〜４μｍ程度とすることが好ましい。
【００２７】
一方、シリコンカーボンナイトライド膜１３０は、スパッタリング法によって製作することもでき、この際、成長温度は約常温〜６００℃程度、成長圧力は約１〜１００Ｔｏｒｒ程度の範囲とすることが好ましく、ガス原料としてはメタン、窒素及びアンモニアガスを使用することができ、ターゲットとしてはシリコン基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはシリコンナイトライド（ＳｉＮ）を使用することが好ましい。
【００２８】
シリコンカーボンナイトライド膜１３０は、例えば約１０１６〜１０１９ｃｍ―３程度の範囲内のドーピング濃度を得るように不純物を活性化するために３００〜８００℃の温度で３０秒〜５分間急速熱処理する。
【００２９】
図３は本発明の第２実施例に係るシリコン発光素子を示す断面図である。説明の便宜上、第２実施例についての説明は第１実施例との差異点を主として詳細に説明する。
【００３０】
図３に示すように、基板２００（例えば、ｐ型シリコン基板）の上部に第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０が形成されており、第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０の上部の所定領域にシリコン発光層２２０が形成されており、シリコン発光層２２０が形成されていない第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０上の所定の領域にｐ型電極２３０が形成されている。
【００３１】
また、シリコン発光層２２０の上部に第２シリコンカーボンナイトライド膜２４０が形成される。好ましくは、第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０はｐ型透明ドーピング層であり、第２シリコンカーボンナイトライド膜２４０はｎ型透明ドーピング層である。第２シリコンカーボンナイトライド膜２４０の上部の所定の領域にｎ型電極２５０が形成されている。
【００３２】
ここで、シリコン発光層２２０と第１、２シリコンカーボンナイトライド膜２１０、２４０は、前述した本発明の第１実施例で説明したので、説明の便宜のために詳細な説明は略する。
【００３３】
第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０は、ｐ型透明ドーピング層であって、好ましくは、厚さを約１〜４μｍ程度の範囲とし、そのドーピング濃度を約１０１６〜１０１９ｃｍ−３程度の範囲内で調節することができる。
【００３４】
一方、図３では、第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０が基板２００とｐ型電極２３０との間にも介在したものと示しているが、第１シリコンカーボンナイトライド膜２１０がシリコン発光層２２０と基板２００との間にのみ介在できることは自明である。
【００３５】
前述した本発明に係るシリコン発光素子及びその製造方法の好適な実施例について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明及び添付図面の範囲内で様々に変形して実施することが可能であり、この変形実施も本発明に属する。
【００３６】
例えば、図２と図３はシリコン発光層の下部にのみシリコンカーボンナイトライド膜が介在した場合は図示していないが、このような変形も可能であることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るシリコン発光素子に適用されたシリコンカーボンナイトライド（ＳｉＣＮ）膜のエネルギーバンドギャップを説明するための図である。
【図２】本発明の第１実施例に係るシリコン発光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施例に係るシリコン発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００、２００    基板
１１０、２２０    シリコン発光層
１２０、２３０    ｐ型電極
１３０    シリコンカーボンナイトライド膜
１４０、２５０    ｎ型電極
２１０    第１シリコンカーボンナイトライド膜
２４０    第２シリコンカーボンナイトライド膜
【図１】
2005303259.tif 000003
【図２】
2005303259.tif 000004
【図３】
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