(57)【要約】【課題】新規な構造を有し熱的安定性が高いＦＴ半導体に立脚した実用可能な発光素子を提供する。【解決手段】四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して＋１または−１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっている活性層と、前記活性層に電流を通電するｎ電極およびｐ電極とを具備したことを特徴とする発光素子。【選択図】図１１
2007157749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して＋１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっている活性層と、
前記活性層に電流を通電するｎ電極およびｐ電極と
を具備したことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して−１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっている活性層と、
前記活性層に電流を通電するｎ電極およびｐ電極と
を具備したことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記母体半導体はＩＶｂ単体半導体およびＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＶａ元素およびＶｂ元素からなる群より選択され、前記異種原子ＺはＶＩＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記母体半導体はＩＶｂ単体半導体およびＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＩＩａ元素およびＩＩＩｂ元素からなる群より選択され、前記異種原子ＺはＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＶａ元素およびＩＶｂ元素からなる群より選択されてＩＩＩｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＶＩＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＩａ元素およびＩＩｂ元素からなる群より選択されてＩＩＩｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項７】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＶＩａ元素およびＶＩｂ元素からなる群より選択されてＶｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＶＩＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＶａ元素およびＩＶｂ元素からなる群より選択されてＶｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項９】
さらに、前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層および前記ｐ層は積層されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記活性層に接して前記活性層と前記ｎ電極との間に設けられたｎ層と、前記活性層に接して前記活性層と前記ｐ電極との間に設けられたｐ層とを有し、前記ｎ層、前記活性層および前記ｐ層は面内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記活性層の一方の端面に設けられた無反射膜と他方の端面に設けられた反射膜とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記ｎ電極またはｐ電極は表面電極として配置され、前記活性層の上方に表面電極に覆われていない部分に設けられた無反射膜と、前記無反射層に対向して活性層の下方に設けられた反射膜とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記ｎ電極またはｐ電極は表面電極として配置され、前記表面電極は透光性を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記活性層を面内で挟むように対向して設けられた、互いに反射率が異なる一対の鏡面からなる光共振器を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記活性層を上下から挟むように対向して設けられた、互いに反射率が異なる一対の鏡面からなる光共振器を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１６】
同一基板上に、請求項１乃至１５に記載の発光素子と、トランジスタとを有することを特徴とする光電気素子アレイ。
【請求項１７】
同一基板上に、請求項１乃至１５に記載の発光素子と、受光素子とを有することを特徴とする受発光素子アレイ。
【請求項１８】
同一基板上に、請求項１乃至１５に記載の発光素子を複数有することを特徴とする発光素子アレイ。
【請求項１９】
同一基板上に、請求項１乃至１５に記載の発光素子と、受光素子と、前記発光素子と前記受光素子とを結ぶ導波路とを有することを特徴とする光素子アレイ。
【請求項２０】
四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して＋１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっていることを特徴とする蛍光体。
【請求項２１】
四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して−１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっていることを特徴とする蛍光体。
【請求項２２】
前記母体半導体はＩＶｂ単体半導体およびＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＶａ元素およびＶｂ元素からなる群より選択され、前記異種原子ＺはＶＩＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２０に記載の蛍光体。
【請求項２３】
前記母体半導体はＩＶｂ単体半導体およびＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＩＩａ元素およびＩＩＩｂ元素からなる群より選択され、前記異種原子ＺはＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２１に記載の蛍光体。
【請求項２４】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＶａ元素およびＩＶｂ元素からなる群より選択されてＩＩＩｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＶＩＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２０に記載の蛍光体。
【請求項２５】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＩａ元素およびＩＩｂ元素からなる群より選択されてＩＩＩｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２１に記載の蛍光体。
【請求項２６】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＶＩａ元素およびＶＩｂ元素からなる群より選択されてＶｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＶＩＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２０に記載の蛍光体。
【請求項２７】
前記母体半導体はＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択され、前記異種原子ＤはＩＶａ元素およびＩＶｂ元素からなる群より選択されてＶｂの原子Ａと置換され、前記異種原子ＺはＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択されることを特徴とする請求項２１に記載の蛍光体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＴ半導体（Filled Tetrahedral Semiconductor）に立脚した、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、物質固有と考えられていたエネルギーバンド構造を変調することで、発光や吸収といった物質特有の光学特性を変調するバンドエンジニアリングに関する研究が活発化している。
【０００３】
例えば、代表的なバンドエンジニアリング法として、量子ドット（量子細線、超格子）と、歪み効果の２つがよく知られている。量子ドット（量子細線、超格子）は、物質の大きさを３次元的（２次元的、１次元的）に縮小し、電子をその中に閉じ込めることでバンド構造を変調する方法である。歪み効果は、物質に引張り応力または圧縮応力を加えることにより、バンド構造を変調する方法である。
【０００４】
一方、これらとは全く異なる原理で半導体のバンド構造を変調するバンドエンジニアリング法として、ＦＴ半導体（Filled Tetrahedral Semiconductor）が理論提案されている（非特許文献１、２参照）。
【０００５】
ＦＴ半導体とは、図１に示すように、ダイヤモンド構造、閃亜鉛鉱構造などの四面体結合構造をなす母体半導体の「格子間サイト」に、閉殻構造の希ガス原子や２原子分子が導入された固体物質を指す。
【０００６】
通常の結晶シリコンとＦＴ半導体とのバンド構造の違いについて説明する。図２（ａ）は結晶シリコンのバンド図、図２（ｂ）はＨｅをドープしたＦＴ−シリコンのバンド図を示す。図２（ｂ）は仮想的に結晶シリコンの格子間サイトにＨｅ原子を挿入したＦＴ構造のシリコン（以下、ＦＴ−シリコンと略す）の第一原理によるバンド計算の結果を示したものである。これらの図から、結晶シリコンのバンド構造と比較してＦＴ−シリコンの伝導帯の形状は大きく変化し、ＧａＡｓとよく似た直接的なバンド構造に変調されることが分る。ＦＴ半導体の効果の１つは、シリコンに代表される非発光性の間接半導体において、その間接的なバンド構造を直接的なバンド構造に大きく変調し、ＧａＡｓをはじめとする光半導体と同等レベルの発光特性（遷移確率）を発現させることである。
【０００７】
ところが、上述のRompaらにより理論提案されている希ガス系ＦＴ半導体や分子系ＦＴ半導体は、挿入物質が結晶内を動き回れるが故に熱的に不安定であり、実用には適さないと考えられている。
【０００８】
これを示唆するものとして、シリコンウエハに希ガス原子をイオン注入すると、機構はよくはわからないが、１ｅＶ付近のエネルギー領域でフォトルミネッセント発光（ＰＬ発光）を生じるとする実験結果が報告されている（非特許文献３参照）。しかし、希ガス原子が注入されたウエハをアニールすると、これもまた理由は判然としないが、ＰＬ発光は消失する。ＰＬ発光の消失は、希ガス原子とシリコン原子との間に化学的な結合が生じないためアニールによって希ガス原子がシリコン結晶内を動き回り、やがてウエハから離脱することに由来するものと思われる。
【０００９】
従って、希ガス系ＦＴ半導体や分子系ＦＴ半導体は、たとえＦＴ構造を作れたとしても、熱的安定性が低いことが容易に予想される。要するに、ＦＴ半導体は実用的な物質系ではないという問題がある。
【非特許文献１】H. W. A. M. Rompa et.al., Phys. Rev. Lett. 52, 675(1984)
【非特許文献２】D. M. Wood et.al., Phys. Review B31, 2570(1985)
【非特許文献３】N. Burger et.al., Phys. Rev. Lett. 52, 1645(1984)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、ＦＴ半導体は新しいバンドエンジニアリング法であり、間接半導体に適用することで発光機能を発現させる効果がある。しかしながら、格子間サイトに希ガス原子や２原子分子など閉殻物質を挿入したＦＴ半導体は、閉殻物質と母体半導体との間に化学結合が生じないことから、熱的安定性が低く、実用的ではない問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、新規な構造を有し熱的安定性が高いＦＴ半導体に立脚した実用可能な発光素子および蛍光体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様に係る発光素子は、四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して＋１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっている活性層と、前記活性層に電流を通電するｎ電極およびｐ電極とを具備したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様に係る発光素子は、四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して−１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっている活性層と、前記活性層に電流を通電するｎ電極およびｐ電極とを具備したことを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様に係る蛍光体は、四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して＋１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様に係る蛍光体は、四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの前記原子Ａと置換される異種原子Ｄと、前記異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｄは前記原子Ａと比較して−１だけ異なる価電子数を有し、前記異種原子Ｚは前記異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、本来は非発光性である母体半導体の格子点サイトおよび格子間サイトにそれぞれ異種原子Ｄおよび異種原子Ｚのペアを導入したことにより、熱的安定性が高く、光半導体と同等レベルの強く効率よい発光を可能にする発光素子および蛍光体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の中核をなすＦＴ半導体（Filled Tetrahedral Semiconductor）の作用を詳細に説明する。
【００１８】
以下では、まず、（１）シリコンなどの間接半導体がなぜ間接的なバンド構造を持つのか、および（２）なぜ非発光性なのか、その理由を説明する。次に（３）他のバンドエンジニアリング法と比較してＦＴ半導体（希ガス系と分子系ＦＴ半導体）の特徴を説明し、（４）その原理を簡潔に説明する。そして、本発明の骨子である、（５）新規なＦＴ半導体、すなわちペンダント型ＦＴ半導体について説明する。
【００１９】
（１）間接半導体のバンド構造
図３に、シリコンのバンド構造を示す。シリコン以外の間接半導体も、図３に類似した形状のバンド構造を示すことがよく知られている。そもそもシリコンが間接半導体となる主たる理由は、構成原子間の結合長ｄが僅かに短いためである。Γ点における伝導帯と価電子帯のエネルギー差ΔＥはｄの関数であり、近似的にΔＥ∝１／ｄ2で表される。従って、ｄが長くなるとΔＥが急速に小さくなり、直接バンド構造をとるよう変化する。
【００２０】
図３には、通常格子のバンド構造と合わせて、歪み効果によって格子を結晶軸＜１１１＞方向に引張り、Ｓｉ−Ｓｉ結合長を１０％増加させた仮想的な格子のバンド構造の計算結果を示す。両者は価電子帯上端が揃うよう図示している。
【００２１】
図３に示すように、結合長が伸びると、Ｘ点に大きな変化は見られないが、Γ点では伝導帯が大きく落ち込み、ＧａＡｓのそれと類似した直接的なバンド構造に変化することが分る。ΔＥが小さくなる理由は、大まかに言えば、結合が伸びて電子間の反発エネルギーが減ることにより、通常格子では上方にあった伝導帯（ｓ軌道）が下がり、価電子帯（ｐ軌道）に近づくためである。
【００２２】
（２）間接半導体の光学特性
間接半導体は、電気双極子遷移が光学禁制であり、本質的に非発光性である。対照的に、ＧａＡｓなど光半導体は電気双極子遷移に由来する強いバンド間発光が生じる。両者の相違は、以下に述べる２つの選択則を満たすかどうかに主な原因がある。
【００２３】
その１つは波数の選択則であり、特定波数でエネルギーギャップが最小となることである。もう１つは波動関数の対称性に関する選択則であり、ギャップ最小となる波数において、伝導帯と価電子帯のうち一方が偶関数、もう一方が奇関数となることである。
【００２４】
対称性の選択側について補足すると、２準位間の発光や光吸収の強さは＜上準位｜遷移双極子モーメントμ｜下準位＞で与えられ、この２準位が原子軌道近似でｓ軌道（偶関数）およびｐ軌道（奇関数）で表される半導体では、μは奇関数であることから、＜ｓ｜μ｜ｐ＞＝∫偶・奇・奇ｄｒ≠０であり、光学許容となる。これに対し、２準位がともにｐ軌道で表される半導体では、＜ｐ｜μ｜ｐ＞＝∫奇・奇・奇ｄｒ＝０であり、光学禁制となる。
【００２５】
光半導体は、Γ点でギャップ最小となり波数の選択則を満足する。光半導体は、伝導帯と価電子帯の波動関数がそれぞれｓ軌道とｐ軌道で表されるため、対称性の選択則も満たす。
【００２６】
一方、間接半導体は、ギャップ最小となる波数が伝導帯と価電子帯で異なることから波数の選択則を満足せず、しかも伝導帯と価電子帯の波動関数がともにｐ軌道であることから対称性の選択則も満足しない。このために光学禁制である。
【００２７】
（３）ＦＴ半導体
はじめに述べたように、ＦＴ半導体は、１９８４年にＧａＡｓの伝導帯構造を計算する過程で発見された理論上の物質である。発見者であるRompaらは、バンド計算によって、ＧａＡｓの格子間サイトにＨｅを導入したＦＴ−ＧａＡｓにおいて、Ｘ点エネルギーが上昇することを見出した。
【００２８】
本発明は、Ｘ点のエネルギー制御が可能なＦＴ半導体構造をシリコンなどの間接半導体に適用し、本来は発光し難い間接半導体に発光機能を付与するものである。
【００２９】
ここで、バンドエンジニアリング法としてのＦＴ半導体の利点を、量子ドット、および歪み効果（引張り効果）と比較して説明する。図４（ａ）はシリコン量子ドットのバンド図、図４（ｂ）は１０％の等方引張りを与えたシリコンのバンド図、図４（ｃ）はＦＴ−シリコンのバンド図をそれぞれ示す。
【００３０】
量子ドットは、３次元閉じ込め効果により、Ｘ点近傍の伝導帯（ｐ軌道）をΓ点に広げ、Γ点でギャップ最小となるようにし、直接的なバンド構造に変化させる。しかしながら、閉じ込め効果を受けても、伝導帯と価電子帯の波動関数に基本的に変化はなく、ともにｐ軌道のままであり、対称性の選択則は満足しない。要するに、間接半導体の量子ドットの光学特性は、それ単独の効果では強い発光が期待できない擬似的電気双極子遷移である。
【００３１】
歪み効果（引張り効果）は、結合長を１０％程度増加させることで、Γ点の上方にあった伝導帯（ｓ軌道）を下げ、直接的なバンド構造に変調する。得られるバンド構造は、光半導体のそれと大変よく似ている。バンド間遷移は光半導体と同様な電気双極子遷移であり、効率よく発光することが予測される。しかしながら、１０％オーダーで結合長を引張ることは困難である可能性が高い。
【００３２】
これらの方法に対し、ＦＴ半導体は、Ｘ点近傍の伝導帯（ｐ軌道）を上げ、Γ点の伝導帯（ｓ軌道）を下げることで、光半導体や歪み効果の場合とよく似た直接的なバンド構造を実現する。バンド間遷移は電気双極子遷移であり、効率よく発光することが予測される。
【００３３】
（４）ＦＴ半導体の発光機構の原理
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、シリコンのダイヤモンド構造におけるＸ点伝導帯（Ｘｃ）、Γ点伝導帯（Γｃ）、Γ点価電子帯（Γｖ）の各々について実空間上での電子状態を示す図である。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、結晶軸＜１１１＞方向で見ると、原子座標（０，０，０）、（１／４，１／４，１／４）にシリコン原子が位置し、Ｓｉ−Ｓｉ結合で結ばれている。原子座標（２／４，２／４，２／４）、（３／４，３／４，３／４）には、テトラヘドラルサイトと呼ばれる格子間サイトが並ぶ。四面体結合構造では、結晶軸＜１１１＞に沿って、原子が２個並び、格子間サイトが２個並び、再び原子が２個並ぶという、比較的隙間の多い結晶構造をとる。格子間サイトには原子が存在しないが、シリコン原子の反結合性ｐ軌道が格子間サイト方向に向かって広がるため、格子間サイトにはこの反結合性ｐ軌道の状態が存在する。Ｘｃは、この格子間サイトの電子状態を表している。
【００３５】
ＦＴ半導体では、格子間サイトの空間に閉殻構造の希ガス原子（または分子）を導入することでＦＴ構造を実現している。そうすることで、既述の図４（ｃ）に示したように、格子間サイトの電子が排除されてＸｃエネルギーが上昇し、Γｃ（反結合性ｓ軌道）とＸｃのエネルギーが相対的に逆転し、間接的なバンド構造が直接的な構造に変換される。図６（ａ）に、格子間サイトに希ガス原子を導入することにより、Ｘｃエネルギーが上昇することを示す。この現象は、図６（ｂ）および（ｃ）に示すように、たとえて言えば、水槽に物質を入れると水面が上昇することと類似した現象だと考えられている。
【００３６】
格子間に原子が存在すると、バンドギャップ内に深い準位や欠陥準位が形成される場合がある。しかしながら、ＦＴ構造ではワイドギャップを有する閉殻構造の原子（または分子）が挿入されるため、原理的にそのような準位は形成されない。
【００３７】
（５）新規なペンダント型ＦＴ半導体
図７に、本発明の一実施形態に係る新規なＦＴ半導体の原子の結合状態を示す。このＦＴ半導体をペンダント型ＦＴ半導体と呼ぶ。本発明の骨子であるペンダント型ＦＴ半導体は、四面体結合構造をなして母体半導体を構成する原子Ａと、格子点サイトの原子Ａと置換される異種原子Ｄと、異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含む。異種原子Ｄは原子Ａと比較して＋１または−１だけ異なる価電子数を有し、格子点サイトの原子Ａと置換されて四面体結合構造をとってイオン化する。異種原子Ｚは異種原子Ｄとの電荷補償により電子配置が閉殻構造をとってイオン化する。このため、異種原子Ｄと異種原子Ｚとの間にイオン結合が生じ、異種原子Ｄは異種原子Ｚをピン止めする作用を示す。こうしたペンダント型ＦＴ半導体は、希ガス系や分子系ＦＴ半導体で問題となる熱的安定性を改善することができる。これは、異種原子Ｄと異種原子Ｚを引き離そうとすると、両者の間に静電相互作用が働き、両者の間のイオン結合を保とうとする力が生じるためである。
【００３８】
図７は、母体半導体を構成する原子Ａがシリコン、格子点サイトの原子Ａと置換される異種原子Ｄがリン（Ｐ）、異種原子Ｄに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚがフッ素（Ｆ）であるペンダント型ＦＴ半導体を示している。Ｐ原子の電子配置は１ｓ2２ｓ2２ｐ6３ｓ2３ｐ3であり、Ｆ原子の電子配置は１ｓ2２ｓ2２ｐ5である。この２原子間に電荷補償効果が働き、イオン性のＰ+−Ｆ-結合（ＰＦペア）が形成される。Ｐ+イオンは格子点のシリコン原子と置換し、四面体結合構造をとり安定化される。Ｆ-イオンは、電子配置がネオン（Ｎｅ）と同様の閉殻構造になるため、やはり安定化される。
【００３９】
シリコンでペンダント型ＦＴ半導体を実現しようする場合、格子点サイトに置換される異種原子Ｄとして、ＬＳＩプロセスで豊富な実績のあるｎ型またはｐ型のドーパントをそのまま利用できる。このことは、ペンダント型ＦＴ半導体の製造を容易にし、コストを低減させる。
【００４０】
本発明の実施形態に係るペンダント型ＦＴ半導体でも、希ガス系や分子系ＦＴ半導体と同様に、間接半導体に発光機能を与えられるかどうかが重要なポイントになる。図８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、異種原子Ｄとしてリン（Ｐ）、異種原子Ｚとしてフッ素（Ｆ）を用いたＰＦドープＦＴ−Ｓｉの、第一原理によるバンド計算の結果を示す。ＰＦペア濃度がバンド構造に与える影響を見積もるため、Ｓｉ原子数に対してＰＦペア数が異なるスーパーセルを用いて計算している。具体的には、（ａ）Ｓｉ原子６４個に対してＰＦペアゼロ個（ＰＦペア濃度ゼロ。Ｓｉ原子濃度＝５．０×１０22／ｃｍ3）、（ｂ）Ｓｉ原子６３個に対してＰＦペア１個（ＰＦペア濃度＝７．８×１０20／ｃｍ3）、（ｃ）Ｓｉ原子７個に対してＰＦペア１個（ＰＦペア濃度＝６．３×１０21／ｃｍ3）の３つのケースについて計算している。
【００４１】
計算結果を見ると、図８（ａ）に示した、ＰＦペア濃度がゼロの場合には、Ｘｃ近傍が伝導帯最下端となり結晶シリコン特有の間接的なバンド構造を示す。図８（ｂ）に示した、ペア濃度が７．８×１０20／ｃｍ3の場合、Ｘｃは殆ど変化しないが、Γｃが大きく下がり伝導帯最下端となり、物質内部に局所的に直接的なバンド構造が出現する。図８（ｃ）に示した、ペア濃度が６．３×１０21／ｃｍ3の場合、Ｘｃが大きく上昇し、物質全体が直接的なバンド構造に変化する。これらの計算結果は、ＰＦペアが低濃度の場合にはペアが導入された場所が局所的に発光し、ＰＦペアが高濃度の場合には物質全体が発光する、ということを示している。
【００４２】
もう少し具体的に言えば、ＰＦペア濃度が７．８×１０20／ｃｍ3以下である場合、例えば結晶中に1ペアしか存在しない場合においても、ペアが導入された箇所の伝導帯最下端は局所的に反結合性ｓ軌道に変調される。価電子帯は結合性ｐ軌道であることから、先の（２）節で述べたように、その箇所での発光の強さは＜ｓ｜μ｜ｐ＞≠０で与えられる。従って、７．８×１０20／ｃｍ3以下の濃度の場合、発光機能を有するという訳である。
【００４３】
また、ＰＦペア濃度が６．３×１０21／ｃｍ3以上である場合、ペアが導入された箇所はやはり反結合性ｓ軌道に変調され、しかも互いの軌道が実空間上で近接するため重なり合ってバンド（Γｃ）となる。発光の強さはやはり＜ｓ｜μ｜ｐ＞≠０で与えられるため、６．３×１０21／ｃｍ3以上の場合においても発光機能を有する。
【００４４】
また、７．８×１０20／ｃｍ3から６．３×１０21／ｃｍ3までの中間的濃度の場合、ペアが導入された箇所の伝導帯最下端はやはり反結合性ｓ軌道に変調される。この濃度領域では、濃度増加に伴い、ｓ軌道は徐々にバンドを組むようになる。発光の強さはやはり＜ｓ｜μ｜ｐ＞≠０で与えられるため、この中間的な濃度領域においても、他の濃度領域と同様に発光機能を有する。
【００４５】
要するに、ペンダント型ＦＴ半導体は、ＤＺペア濃度の多少には依らず、希ガス系や分子系ＦＴ半導体と同様に、間接半導体に発光機能を与える効果を有すると予測される。
【００４６】
本発明の実施形態において、ペンダント型ＦＴ半導体に含まれる母体半導体（構成原子Ａ）、異種原子Ｄおよび異種原子Ｚの組み合わせとしては、以下の例が挙げられる。
【００４７】
（１）母体半導体をＩＶｂ単体半導体およびＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択し、異種原子ＤをＶａ元素およびＶｂ元素からなる群より選択し、異種原子ＺをＶＩＩｂ元素からなる群より選択する。
【００４８】
（２）母体半導体をＩＶｂ単体半導体およびＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体からなる群より選択し、異種原子ＤをＩＩＩａ元素およびＩＩＩｂ元素からなる群より選択し、異種原子ＺをＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択する。
【００４９】
（３）母体半導体をＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択し、異種原子ＤをＩＶａ元素およびＩＶｂ元素からなる群より選択してＩＩＩｂの原子Ａと置換し、異種原子ＺをＶＩＩｂ元素からなる群より選択する。
【００５０】
（４）母体半導体をＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択し、異種原子ＤをＩＩａ元素およびＩＩｂ元素からなる群より選択してＩＩＩｂの原子Ａと置換し、異種原子ＺをＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択する。
【００５１】
（５）母体半導体をＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択し、異種原子ＤをＶＩａ元素およびＶＩｂ元素からなる群より選択してＶｂの原子Ａと置換し、異種原子ＺをＶＩＩｂ元素からなる群より選択する。
【００５２】
（６）母体半導体をＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体からなる群より選択し、異種原子ＤをＩＶａ元素およびＩＶｂ元素からなる群より選択してＶｂの原子Ａと置換し、異種原子ＺをＩａ元素およびＩｂ元素からなる群より選択する。
【００５３】
母体半導体の例としては以下のようなものが挙げられる。ＩＶｂ単体半導体はダイヤモンド、シリコン、およびゲルマニウムからなる群より選択される。ＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体はＳｉＣ、ＧｅＣ、ＳｉxＧｅ1-x（０＜ｘ＜１）、およびＳｉxＧｅyＣ1-x-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）からなる群より選択される。ＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体はＢＮ、ＢＰ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、およびＧａＰからなる群より選択される。
【００５４】
また、異種原子Ｄおよび異種原子Ｚの例としては以下のようなものが挙げられる。Ｉａ元素はＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、およびＣｓからなる群より選択される。ＩＩａ元素はＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａからなる群より選択される。ＩＩＩａ元素はＳｃ、Ｙ、Ｌａ、およびＬｕからなる群より選択される。ＩＶａ元素はＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆからなる群より選択される。Ｖａ元素はＶ、Ｎｂ、およびＴａからなる群より選択される。ＶＩａ元素はＣｒ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択される。Ｉｂ元素はＣｕ、Ａｇ、およびＡｕからなる群より選択される。ＩＩｂ元素はＺｎ、Ｃｄ、およびＨｇからなる群より選択される。ＩＩＩｂ元素はＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＴｌからなる群より選択される。ＩＶｂ元素はＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂからなる群より選択される。Ｖｂ元素はＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉからなる群より選択される。ＶＩｂ元素はＯ、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅからなる群より選択される。ＶＩＩｂ元素はＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩからなる群より選択される。
【００５５】
本発明の実施形態に係る発光素子は、ＦＴ構造を有する活性層と、活性層を励起するためのｎ電極およびｐ電極とを有する。ＦＴ構造を有する活性層に対するｎ電極およびｐ電極の配置は特に限定されない。図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の実施形態に係るシリコン発光素子の断面図を示す。図９（ａ）は縦型通電の発光素子、図９（ｂ）は横型通電の発光素子である。
【００５６】
図９（ａ）の縦型通電の発光素子では、ｎ+領域１の上に、ＦＴ構造を有する活性層２および絶縁膜３が形成され、さらにこれらの上にｐ+領域４が形成されている。すなわち、活性層２の上下にそれぞれｎ+領域１およびｐ+領域４が接している。ｎ+領域１には図示しないｎ電極が接続され、ｐ+領域４には図示しないｐ電極が接続される。この発光素子では縦方向に通電して、ｎ+領域１から活性層２へ電子を注入し、ｐ+領域４から活性層２へ正孔を注入することで、直接的なバンド構造のＦＴ構造を有する活性層２において電子と正孔を再結合発光させる。
【００５７】
図９（ｂ）の横型通電の発光素子では、半絶縁性のシリコン基板１１内に埋め込み酸化膜１２が形成され、その上に同一面内においてＦＴ構造を有する活性層１３を挟んでｎ+領域１４およびｐ+領域１５が形成されている。ｎ+領域１４には図示しないｎ電極が接続され、ｐ+領域１５には図示しないｐ電極が接続される。この発光素子では横方向に通電して、ｎ+領域１４から活性層１３へ電子を注入し、ｐ+領域１５から活性層１３へ正孔を注入することで、直接的なバンド構造のＦＴ構造を有する活性層１３において電子と正孔を再結合発光させる。
【００５８】
なお、縦型通電および横型通電のいずれの発光素子でも、埋め込み酸化膜を設けて電流リークを防いでいるが、素子構成、基板抵抗、回路など、いずれかの手段で電流リークを防げる場合には、埋め込み酸化膜はなくてもよい。
【００５９】
図９（ａ）および（ｂ）は発光素子の基本構造を示したものであり、具体的な発光素子については種々の構造が考えられる。たとえば、本発明の実施形態に係る発光素子は、端面光取り出しでもよいし、表面光取り出しでもよい。表面光取り出しの場合には、表面に透明電極を用いてもよい。活性層を挟んで、対をなすように低反射率の鏡面と高反射率の鏡面で形成される光共振器を設け、レーザー発振させてもよい。これらの構造を適宜組み合わせることができる。また、同一基板上に複数の発光素子を集積化して発光素子アレイを作製してもよい。同一基板上に発光素子とトランジスタを集積化して光電気素子アレイを作製してもよい。同一基板上に発光素子と受光素子を集積化して受発光素子アレイを作製してもよい。同一基板上に発光素子と受光素子とこれらを結ぶ導波路を集積化して光素子アレイを作製してもよい。これらの変形例については後により詳細に説明する。
【００６０】
次に、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を参照して、ＦＴ構造を有する活性層の形成方法について説明する。ここでは、ＰＦドープＦＴ−Ｓｉからなる活性層を形成する場合について説明する。
【００６１】
図１０（ａ）に示すようにＳｉウエハ２１を用意し、図１０（ｂ）に示すようにＳｉウエハ２１の所定のドープ領域２２に異種原子Ｄとしてリン（Ｐ）をドープする。リン（Ｐ）はｎ型ドーパントとして作用する。
【００６２】
図１０（ｃ）に示すようにＰドープされたＳｉウエハ２１の所定のドープ領域２２に異種原子Ｚとしてフッ素イオン（Ｆ+）をイオン注入する。このイオン注入工程では、エネルギー、ドーズ量、基板面方位、チルト角、基板温度などを最適化する。Ｆ+イオンは元来活性なイオン種であるが、Ｐ原子がもつ余分な電子や、基板を介してグランドから供給された電子を受け取ってＦ-イオンとなり、ネオン（Ｎｅ）原子と同様の閉核構造となるため、化学的に不活性化される。
【００６３】
図１０（ｄ）の工程では、アニールを行いイオン注入で乱された格子を再結晶化してＦＴ−Ｓｉからなる活性層２３を形成する。このアニール工程では、アニール温度、時間、雰囲気などを調整することで、格子点のシリコン原子がＰ原子で置換され、格子間にＦ原子が挿入されるよう制御できる。Ｐ原子は格子点に位置するが、Ｆ原子に電子を奪われるため、電気的には不活性となり高抵抗化する。Ｐ原子とＦ原子はイオン結合で結びつけられ、アニールによる温度上昇によっても解離せず、ペアリング状態を保つ。
【００６４】
さらに、その他の工程を実施することにより、図９（ａ）または（ｂ）に示したような発光素子を作製することができる。
【００６５】
以上のように、イオン注入とアニールを組み合わせた方法により、母体半導体中にＦＴ構造を有する活性層を形成することができる。なお、熱拡散とアニールを組み合わせて、ＦＴ構造を有する活性層を形成してもよい。これら以外の方法を用いてＦＴ構造を有する活性層を形成してもよい。
【００６６】
ＰＦペアのように、格子点の異種原子Ｄと格子間の異種原子Ｚが結びつくと、母体半導体の格子振動とは別の固有振動モードが生じる。このため、赤外分光またはラマン分光から、ＦＴ構造を直接的に解析することが可能になる。ＰＦペアを例に挙げると、基準振動計算から、波数１５０〜２００ｃｍ-1付近に振動モードが現れる。このように、振動モードの評価は、ＦＴ構造の有無を調べる有力な手段の１つである。
【００６７】
ＤＺペアの存在を知る間接的かつ簡便な方法として、電気抵抗やホール測定などの電気測定を用いることもできる。格子点の異種原子Ｄとしてｎ型またはｐ型ドーパントを用いた場合、格子間の異種原子Ｚをドーピングする前の基板はｎ型またはｐ型となり低抵抗である。ここで、異種原子Ｄと異種原子Ｚをペアリングさせると、異種原子Ｚと異種原子Ｄとの電荷補償により、フリーキャリアが減って基板は高抵抗化する。このため、異種原子Ｚのドーピング前後における電気抵抗やキャリア濃度の変化を調べることでＤＺペアが形成できたか否かを知ることができる。
【００６８】
また、本発明に係るペンダント型ＦＴ半導体を粉末にして蛍光体として用いることもできる。蛍光体を構成する母体半導体（構成原子Ａ）、異種原子Ｄおよび異種原子Ｚの組み合わせは、活性層に関連して上記で説明したとおりである。
【００６９】
以下、本発明のさらに具体的な実施形態を説明する。
【００７０】
（第１の実施形態）
図９（ａ）に示した構造を有する、縦型通電のシリコン発光素子について説明する。母体半導体としてシリコン、格子点サイトに置換される異種原子ＤとしてＰ原子、格子間サイトに挿入される異種原子ＺとしてＦ原子を用い、ＰＦドープＦＴ−Ｓｉ活性層を形成する。ＰＦペア濃度は２．５×１０20／ｃｍ3である。Ｐ原子とＦ原子の濃度はＳＩＭＳにより確認している。
【００７１】
この活性層中にペンダント型ＦＴ構造のＰＦペアが形成できているかどうかは、ＰＦペア固有の振動モードを調べることが有効であり、活性層の顕微分光により検出できる。ＰＦペア形成を簡便にチェックする方法としては、本実施形態に係る発光素子とは別に、高抵抗基板表面に活性層と同一組成のＰＦドープ領域およびＰ単独ドープ領域を作り、両者のシート抵抗あるいはキャリア濃度を比較する方法がある。ＰＦペアが形成されると電荷補償が生じるため、ＰＦドープ領域はＰ単独ドープ領域と比べて高抵抗化し、キャリア濃度は減少する。
【００７２】
活性層のＰＦドープＦＴ−Ｓｉを光励起すると、結晶シリコンのバンドギャップに対応する波長領域でＰＬ発光が生じる。図８（ａ）および（ｂ）のバンド計算結果からわかるように、ＰＦドープＦＴ−Ｓｉのバンドギャップは結晶シリコンのそれとほぼ等しい。したがって、ＰＬ発光波長は先の計算結果から期待される発光波長と矛盾しない。このことから、活性層にはＦＴ−Ｓｉが形成され、直接的なバンド構造に変化しているものと考えられる。
【００７３】
この発光素子を電流駆動し、ｐ+領域から活性層へ正孔を注入し、ｎ+領域から活性層へ電子を注入することで、電流励起の再結合発光を生じさせることができる。
【００７４】
以上のことから、間接半導体に発光機能を付与するバンドエンジニアリング法として、エネルギーバンドを直接的な構造に変調するペンダント型ＦＴ半導体は大変有効な方法であることがわかる。
【００７５】
（比較例）
活性層中の格子間サイトに挿入する異種原子Ｚとして、Ｆ原子の代わりにＢ原子を用いた以外は、第１の実施形態と全く同様の構成の素子について説明する。Ｂ濃度は、第１の実施形態におけるＦ濃度と一致させて、２．５×１０20／ｃｍ3とする。
【００７６】
比較例の素子は電流を注入しても非発光性である。比較例の素子は、活性層を光励起しても非発光性である。
【００７７】
非発光性となる理由は、結晶中におけるＢ原子の位置に原因がある。よく知られているように、Ｂ原子は典型的なｐ型ドーパントであり、通常、格子間サイトではなく、格子点サイトを置換する。このため、Ｂ原子とＰ原子は電荷補償して活性層は高抵抗化するが、ペンダント型ＦＴ構造は形成されない。
【００７８】
以上のことから、ペンダント型ＦＴ構造を形成し、かつ母体半導体に直接的なバンド構造を誘起するには、格子点サイトに置換される異種原子と格子間サイトに挿入される異種原子の組み合わせを十分考慮した上で、異種原子を選択することが必要である。
【００７９】
（第２の実施形態）
異種原子Ｄとしてｐ型ドーパントであるＢ原子を用い、異種原子ＺとしてＫ原子を用いた以外は、第１の実施形態と全く同様の構成の発光素子を作製する。ＳＩＭＳから求めたＢ濃度とＫ濃度はともに５×１０20／ｃｍ3であり、ＢＫペア濃度は５×１０20／ｃｍ3と見積もられる。
【００８０】
この発光素子を光励起すると、結晶シリコンのバンドギャップ近傍の波長でＰＬ発光が生じる。この素子を電流駆動すると、活性層のＦＴ構造領域から電流注入発光を生じさせることが可能である。発光波長はやはり結晶シリコンのバンドギャップ近傍の波長であり、ＰＬ発光スペクトルと似た形状の発光スペクトルを示す。
【００８１】
本実施形態に示したように、異種原子Ｄと異種原子ＺがＩＩＩｂ元素とＩａ元素の組み合わせである場合にも、間接半導体に発光機能を与えることができる。
【００８２】
（第３の実施形態）
母体半導体、格子点の異種原子Ｄ、格子間の異種原子Ｚとして、種々の材料を用いて、第１の実施形態と同様にして発光素子を作製する。
【００８３】
表１は、電流注入発光が得られる発光素子について、（１）活性層の母体半導体、（２）異種原子Ｄによって置換される格子点サイト、（３）格子点の異種原子Ｄ、（４）格子間の異種原子Ｚ、（５）Ｚ濃度から見積もったＤＺペア濃度、（６）電流注入発光のピーク波長を示す。
【００８４】
表１に示されるように、化合物系の間接半導体においても、ペンダント型ＦＴ構造を導入することで、電流注入発光が生じる。
【表１】
2007157749.tif 000003
【００８５】
（第４の実施形態）
図９（ｂ）に示した構造を有する、横型通電のシリコン発光素子について説明する。母体半導体としてシリコン、格子点サイトに置換される異種原子ＤとしてＰ原子、格子間サイトに挿入される異種原子ＺとしてＦ原子を用い、ＰＦドープＦＴ−Ｓｉ活性層を形成する。ＰＦペア濃度は４．６×１０20／ｃｍ3である。Ｐ原子とＦ原子の濃度はＳＩＭＳにより確認する。
【００８６】
この活性層中にペンダント型ＦＴ構造のＰＦペアが形成されているかどうかは、ＰＦペア固有の振動モードを調べることが有効である。また、簡便には抵抗値やキャリア濃度からも知ることができる。
【００８７】
この発光素子を電流駆動すると、活性層のＦＴ構造領域から電流注入発光を生じさせることができる。発光は結晶シリコンのバンドギャップ近傍で生じる。
【００８８】
このように、縦型通電の場合と同様、横型通電によっても、ＦＴ構造を導入した発光素子に電流注入発光を生じさせることができる。
【００８９】
（第５の実施形態）
図１１（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る端面発光型のシリコン発光素子の断面図および斜視図をそれぞれ示す。半絶縁性のシリコン基板３１内に埋め込み酸化膜３２が形成され、その上にＰドープのｎ+領域３３、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層３４、Ｂドープのｐ+領域３５が形成されている。活性層３４は、格子点の異種原子ＤとしてＰ原子、格子間の異種原子ＺとしてＦ原子をドーピングしたＰＦドープＦＴ−Ｓｉである。ＰＦペア濃度は約３×１０20／ｃｍ3である。ｐ+領域３５、活性層３４およびｎ+領域３３の一部がエッチングされ、ｎ+領域３３に接続されるｎ電極３６と、ｐ+領域３５に接続されるｐ電極３７が形成されている。ｎ電極３６およびｐ電極３７はいずれもＮｉシリサイド／Ａｕからなる。図１１（ｂ）に示すように、この発光素子の一方の端面には無反射膜ＮＲがコートされ、もう一方の端面には反射膜Ｒがコートされている。この構造では無反射膜Ｒをコートした端面から効率よく電流注入発光を放射させることができる。
【００９０】
この発光素子を電流駆動すると、電流注入発光が生じる。図１２に、電流−電圧−発光強度特性を示す。
【００９１】
このように、ＦＴ構造を導入した端面発光型のシリコン発光素子を作製し、電流注入発光が生じさせることができる。
【００９２】
（第６の実施形態）
図１３（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る表面発光型のシリコン発光素子の断面図および斜視図をそれぞれ示す。半絶縁性のシリコン基板４１内に埋め込み酸化膜４２が形成され、その上にＰドープのｎ+領域４３、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層４４が形成されている。活性層４４は、格子点の異種原子ＤとしてＰ原子、格子間の異種原子ＺとしてＦ原子をドーピングしたＰＦドープＦＴ−Ｓｉである。ＰＦペア濃度は約７×１０20／ｃｍ3である。活性層４４上に絶縁層４５およびＢドープのｐ+領域４６が形成されている。ｐ+領域４６、絶縁層４５、活性層４４およびｎ+領域４３の一部がエッチングされ、ｎ+領域４３に接続されるｎ電極４７と、ｐ+領域４６に接続されるｐ電極４８が形成されている。ｐ電極４８は絶縁層４５の上方に配置される。ｎ電極４７およびｐ電極４８はいずれもＮｉシリサイド／Ａｕからなる。本実施例の発光素子では、ＥＬ発光をｐ+領域４６を介して表面から取り出す。このため、表面から見て、活性層４４がｐ電極４８で隠されないように、活性層４４とｐ電極４８との重なりを小さくする（ゼロに近くする）ように設計されている。表面のｐ+領域４６上には無反射膜４９が形成され、基板４１の裏面には反射膜５０が形成されている。両端面には反射膜がコートされている。この構造では、表面側の無反射膜４９から効率よく電流注入発光を放射させることができる。
【００９３】
この発光素子を電流駆動すると、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層４４において電子と正孔が再結合し、電流注入発光が生じる。図１４に、電流−電圧−発光強度特性を示す。
【００９４】
このように、ＦＴ構造を導入した表面発光型のシリコン発光素子を作製し、電流注入発光が生じさせることができる。
【００９５】
（第７の実施形態）
図１５（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る表面発光型のシリコン発光素子の断面図および斜視図をそれぞれ示す。この発光素子は、第６の実施形態の発光素子における無反射膜４９の代わりに、補助電極５１および透明電極５２を形成したものである。
【００９６】
この発光素子を電流駆動すると、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層４４において電子と正孔が再結合し、電流注入発光が生じる。図１６に、電流−電圧−発光強度特性を示す。
【００９７】
このように、ＦＴ構造を導入するとともに透明電極を用いて表面発光型のシリコン発光素子を作製し、電流注入発光が生じさせることができる。
【００９８】
（第８の実施形態）
図１７（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る端面発光型のレーザーダイオード（以下、ＬＤ素子という）の断面図および斜視図をそれぞれ示す。このＬＤ素子は、リッジ導波路構造を持つ端面発光素子である。半絶縁性のシリコン基板６１内に埋め込み酸化膜６２が形成され、その上にＰドープのｎ+領域６３、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層６４、Ｂドープのｐ+領域６５が形成されている。活性層６４は、格子点の異種原子ＤとしてＰ原子、格子間の異種原子ＺとしてＦ原子をドーピングしたＰＦドープＦＴ−Ｓｉである。ＰＦペア濃度は約１×１０21／ｃｍ3である。ｐ+領域６５、活性層６４およびｎ+領域６３の一部がエッチングされ、ｎ+領域６３に接続されるｎ電極６６と、ｐ+領域６５に接続されるｐ電極６７が形成されている。さらに、ｐ電極６７とｐ+領域６５の一部がエッチングされている。ｎ電極６６およびｐ電極６７はいずれもＮｉシリサイド／Ａｕからなる。図１７（ｂ）に示すように、このＬＤ素子の一方の端面には低反射率の誘電体多層膜ミラーＬＲが設けられ、もう一方の端面には高反射率の誘電体多層膜ミラーＨＲが設けられている。
【００９９】
このＬＤ素子を電流駆動すると、端面からレーザー光を発振させることができる。図１８に、電流−発光強度特性を示す。図示していないが、電流注入で生じる発光スペクトルを調べると、閾値電流以下ではスペクトルがブロードであるが、閾値電流以上ではスペクトルが先鋭化して単色化する。閾値電流以上では、連続的なレーザー発振を生じさせることが可能なことを示している。
【０１００】
活性層となるＦＴ半導体材料としては、上で説明したものの他に、種々の材料を用いることができる。一例として、母体半導体であるＳｉに対し、異種原子ＤとしてＢ原子、異種原子ＺとしてＫ原子を用いることができる。その他、既述した材料の組み合わせを用いることができる。
【０１０１】
（第９の実施形態）
図１９（ａ）および（ｂ）に本実施形態に係る表面発光型のＬＤ素子の断面図および斜視図をそれぞれ示す。半絶縁性のシリコン基板７１内に埋め込み酸化膜７２が形成され、その上にＰドープのｎ+領域７３、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層７４が形成されている。活性層７４は、格子点の異種原子ＤとしてＰ原子、格子間の異種原子ＺとしてＦ原子をドーピングしたＰＦドープＦＴ−Ｓｉである。ＰＦペア濃度は約７×１０20／ｃｍ3である。活性層７４上に絶縁層７５およびＢドープのｐ+領域７６が形成されている。ｐ+領域７６、絶縁層７５、活性層７４およびｎ+領域７３の一部がエッチングされ、ｎ+領域７３に接続されるｎ電極７７と、ｐ+領域７６に接続されるｐ電極７８が形成されている。ｎ電極７７およびｐ電極７８はいずれもＮｉシリサイド／Ａｕからなる。ｐ電極７８の一部がエッチングされ、低反射率の誘電体多層膜ミラー７９が形成されている。低反射率の誘電体多層膜ミラー７９に対向する基板７１の裏面には高反射率の誘電体多層膜ミラー８０が形成されている。
【０１０２】
このＬＤ素子を電流駆動すると、表面からレーザー光を発振させることができる。図２０に、電流−発光強度特性を示す。図２０の閾値電流以上で連続的なレーザー発振を生じさせることができる。
【０１０３】
（第１０の実施形態）
図２１に本実施形態の光電気素子アレイを示す。この光電気素子アレイは、同一基板上に、発光素子と、発光素子の光出力を変調するスイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）とが集積化されたものである。発光素子は第９の実施形態に示したものと同様の構造を有する表面発光ＬＤである。一方、基板７１内に形成された埋め込み酸化膜７２上にはｐウェル領域８１、ｎ+型ソース、ドレイン領域８２、８３が形成され、これらの間にゲート絶縁膜８４を介してゲート電極８５が形成されている。ソース、ドレイン領域８２、８３上には、それぞれソース、ドレイン電極８６、８７が形成されている。そして、ＬＤ素子のｎ電極７７とＭＯＳトランジスタのドレイン電極８７は配線８８により接続されている。
【０１０４】
図２２にトランジスタに入力した変調信号（電気信号）とＬＤ素子からの出力光の応答を示す。図２２からわかるように、１０ＧＨｚの高速変調信号に対して、出力光も同じく１０ＧＨｚで変調されている。このことから、本実施形態の光電気素子アレイでは高速直接変調が可能なことがわかる。従来はＬＤ素子の出力を符号化するには高価な光変調素子が必要であったが、本実施形態では光変調素子は不要である。
【０１０５】
（第１１の実施形態）
図２３に本実施形態の受発光素子アレイを示す。この受発光素子アレイは、同一基板上に、受光素子と発光素子とが集積化されたものである。この受発光素子アレイは、受光した光信号を処理し、その結果を新たな光信号として出力する機能を発現する。発光素子は第９の実施形態に示したものと同様の構造を有する表面発光ＬＤである。一方、受光素子はゲルマニウム受光素子である。基板７１内に形成された埋め込み酸化膜７２上にはｎ+層９１、ｉ層９２、ｐ+層９３が形成されている。ｐ+層９３、ｉ層９２、ｎ+層９１の一部がエッチングされ、ｎ+層９１に接続されるｎ電極９４が形成されている。ｐ+層９３上にはｐ電極９５が形成されている。ｐ電極９５の一部はエッチングされて無反射層９６が形成されている。受光素子と発光素子は配線９７によって直列に接続されている。この受発光素子アレイは、入力光信号をそのままの波形で出力するリレー機能を持つ。
【０１０６】
図２４は受光素子に入力した波長８５０ｎｍの光信号と、ＬＤ素子の出力光の応答を示す。図２４からわかるように、５ＧＨｚで変調された入力信号に対し、同一波形の出力光が得られている。このように、本実施形態の受発光素子アレイでは、高速の信号リレーが可能になる。
【０１０７】
（第１２の実施形態）
図２５に本実施形態の発光素子アレイを示す。この発光素子アレイは、画像信号を光出力する目的で、同一基板上に複数個の発光素子が集積化されている。複数の発光素子は第９の実施形態に示したものと同様の構造を有する表面発光ＬＤである。複数の発光素子は、配線９９によって接続されている。
【０１０８】
図２６にＬＤ素子アレイに入力した画像信号（電気信号）と、出力画像（光信号）とを示す。図２６からわかるように、入力を忠実に再現した出力画像が得られる。
【０１０９】
（第１３の実施形態）
図２７に本実施形態の光素子アレイを示す。この光素子アレイは、同一基板上に発光素子と、受光素子と、これらを結ぶ導波路とが集積化されている。この光素子アレイは、光信号を発信し、伝送し、受信することができる。
【０１１０】
図２７に示すように、シリコン基板１０１上に、発信用の端面発光ＬＤ素子１１０および受信用のゲルマニウム受光素子１２０が形成されている。これらの中間の領域に酸化膜１０２が形成され、その上に伝送用のＳｉ導波路１３０が形成されている。端面発光ＬＤ素子１１０は第８の実施形態に示したものと同様な構造のものを用いている。この図では、ｎ電極６６およびｐ電極６７を示している。このＬＤ素子１１０の近傍の基板１０１面内にトレンチを掘り、端面を出している。ゲルマニウム受光素子１２０についてもｎ電極１２１およびｐ電極１２２を示している。
【０１１１】
図２８にＬＤ素子からの光信号と、受光素子の出力応答を示す。図２８からわかるように、５０ＧＨｚの高速変調信号に対して、出力光も同じく５０ＧＨｚで変調されている。このように、本実施例の光素子アレイでは、高速光信号伝送が可能なことがわかる。従来はウエハ上に光信号を伝送する光配線ユニットを形成することは技術的に不可能であったが、本実施形態ではそれが可能である。
【０１１２】
（第１４の実施形態）
光源、電子源またはＸ線源により励起可能な蛍光体について説明する。この蛍光体は、ＦＴ半導体を主成分とする粉体状の結晶である。ＦＴ半導体は、母体半導体としてシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、異種原子ＤとしてＮ原子、異種原子ＺとしてＦ原子を用いた、ＮＦドープＦＴ−ＳｉＣである。ＮＦ濃度については、９×１０17／ｃｍ3、１．２×１０19／ｃｍ3、１．６×１０20／ｃｍ3の３つの濃度に調整した。
【０１１３】
ＮＦドープＦＴ−ＳｉＣのバンド計算から、バンドギャップは３ｅＶ程度と見積もられ、青色発光が生じると予測される。また、バンド間遷移は電気双極子遷移であることから、発光再結合寿命は短く、効率よく強く発光すると予測される。
【０１１４】
このような蛍光体を紫外線などで光励起すると、青色のＰＬ発光が得られる。図示していないが、ＮＦペア濃度に対するＰＬ発光スペクトルの相対的な発光強度を調べると、ＮＦペア数と発光強度は比例する傾向にある。このことから、ＮＦペアは局在した発光中心として働くものと思われる。
【０１１５】
蛍光体の材料としては、上で説明したものの他に、種々の材料を用いることができる。例として、母体半導体であるＳｉＣに対し、異種原子ＤとしてＢ原子、異種原子ＺとしてＫ原子を用いたものや、母体半導体であるＢＰに対し、異種原子ＤとしてＯ原子、異種原子ＺとしてＦ原子を用いたものが挙げられる。その他、既述した材料の組み合わせを用いることができる。
【０１１６】
（第１５の実施形態）
本実施形態の蛍光体は、母体半導体としてシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、異種原子ＤとしてＡｌ原子、異種原子ＺとしてＮａ原子を用いた、ＡｌＮａドープＦＴ−ＳｉＣを含む。ＡｌＮａ濃度は約５×１０20／ｃｍ3である。
【０１１７】
ＡｌＮａドープＦＴ−ＳｉＣのバンド計算から、バンドギャップは３ｅＶ程度と見積もられ、青色発光が生じると予測される。ＰＬ発光を調べると、計算予測とほぼ一致する青緑色発光を得ることができる。
【０１１８】
（第１６の実施形態）
母体半導体、格子点の異種原子Ｄ、格子間の異種原子Ｚとして、種々の材料を用いて、第１４、第１５の実施形態と同様にして蛍光体を得た。
【０１１９】
表２は、発光が得られる蛍光体について、（１）蛍光体の母体半導体、（２）異種原子Ｄによって置換される格子点サイト、（３）格子点の異種原子Ｄ、（４）格子間の異種原子Ｚ、（５）Ｚ濃度から見積もったＤＺペア濃度、（６）ＰＬ発光波長を示す。
【０１２０】
表２に示されるように、間接半導体にペンダント型ＦＴ構造を導入することにより、効率よくＰＬ発光が生じる。
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】ＦＴ半導体の構造を示す図。
【図２】結晶シリコンおよびＨｅドープＦＴ−シリコンのバンド図。
【図３】等方引張りを導入したシリコンのバンド構造の変化を示すバンド図。
【図４】量子ドット、歪み効果、およびＦＴ半導体のバンド図。
【図５】シリコンのエネルギーバンドのうち、Ｘ点伝導帯、Γ点伝導帯、およびΓ点価電子帯の、実空間上での電子状態を説明する図。
【図６】ＦＴ構造によるＸ点伝導帯のエネルギーの変化を説明する模式図。
【図７】ペンダント型ＦＴ半導体の構造を示す図。
【図８】ＰＦペア濃度ゼロのシリコン、ＰＦペア濃度７．８×１０20／ｃｍ3のペンダント型ＦＴ−Ｓｉ、ＰＦペア濃度６．３×１０21／ｃｍ3のペンダント型ＦＴ−Ｓｉのバンド図。
【図９】本発明の実施形態に係る縦型通電および横型通電のシリコン発光素子の断面図。
【図１０】本発明の実施形態に係るＰＦドープＦＴ−Ｓｉからなる活性層の形成方法を示す断面図。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る端面発光型のシリコン発光素子の断面図および斜視図。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係るシリコン発光素子の電流−電圧−発光強度特性を示す図。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る表面発光型のシリコン発光素子の断面図および斜視図。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係るシリコン発光素子の電流−電圧−発光強度特性を示す図。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る表面発光型のシリコン発光素子の断面図および斜視図。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係るシリコン発光素子の電流−電圧−発光強度特性を示す図。
【図１７】本発明の第８の実施形態に係る端面発光型のＬＤ素子の断面図および斜視図。
【図１８】本発明の第８の実施形態に係るＬＤ素子の電流−発光強度特性を示す図。
【図１９】本発明の第９の実施形態に係る表面発光型のＬＤ素子の断面図および斜視図。
【図２０】本発明の第９の実施形態に係るＬＤ素子の電流−発光強度特性を示す図。
【図２１】本発明の第１０の実施形態に係る光電気素子アレイの断面図。
【図２２】本発明の第１０の実施形態に係る光電気素子アレイにおける、ＬＤ素子の応答特性を示す図。
【図２３】本発明の第１１の実施形態に係る受発光素子アレイの断面図。
【図２４】本発明の第１１の実施形態に係る受発光素子アレイにおける、ＬＤ素子の応答特性を示す図。
【図２５】本発明の第１２の実施形態に係る発光素子アレイの断面図。
【図２６】本発明の第１２の実施形態に係る発光素子アレイにおける、入力画像とＬＤ素子の出力画像を示す図。
【図２７】本発明の第１３の実施形態に係る光素子アレイの斜視図。
【図２８】本発明の第１３の実施形態に係る光素子アレイにおける、ＬＤ素子からの入力信号に対する受光素子の応答特性を示す図。
【符号の説明】
【０１２２】
１…ｎ+領域、２…活性層、３…絶縁膜、４…ｐ+領域、１１…シリコン基板、１２…埋め込み酸化膜、１３…活性層、１４…ｎ+領域、１５…ｐ+領域、２１…Ｓｉウエハ、２２…ドープ領域、２３…活性層、３１…シリコン基板、３２…埋め込み酸化膜、３３…ｎ+領域、３４…活性層、３５…ｐ+領域、３６…ｎ電極、３７…ｐ電極、４１…シリコン基板、４２…埋め込み酸化膜、４３…ｎ+領域、４４…活性層、４５…絶縁層、４６…ｐ+領域、４７…ｎ電極、４８…ｐ電極、４９…無反射膜、５０…反射膜、５１…補助電極、５２…透明電極、６１…シリコン基板、６２…埋め込み酸化膜、６３…ｎ+領域、６４…活性層、６５…ｐ+領域、６６…ｎ電極、６７…ｐ電極、７１…シリコン基板、７２…埋め込み酸化膜、７３…ｎ+領域、７４…活性層、７５…絶縁層、７６…ｐ+領域、７７…ｎ電極、７８…ｐ電極、７９…低反射率の誘電体多層膜ミラー、８０…高反射率の誘電体多層膜ミラー、８１…ｐウェル領域、８２、８３…ｎ+型ソース、ドレイン領域、８４…ゲート絶縁膜、８５…ゲート電極、８６、８７…ソース、ドレイン電極、８８…配線、９１…ｎ+層、９２…ｉ層、９３…ｐ+層、９４…ｎ電極、９５…ｐ電極、９６…無反射層、９７…配線、９９…配線、１０１…シリコン基板、１０２…酸化膜、１１０…端面発光ＬＤ素子、１２０…ゲルマニウム受光素子、１２１…ｎ電極、１２２…ｐ電極、１３０…Ｓｉ導波路。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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