(57)【要約】【課題】本来は非発光性である間接半導体を用いて効率よく発光する半導体発光材料を提供する。【解決手段】構成原子が四面体結合構造をなして結合している母体半導体と、前記母体半導体の格子点サイトの構成原子と置換される不純物原子Ｓと、前記母体半導体の格子間サイトに挿入される不純物原子Ｉとを含み、前記不純物原子Ｓと前記不純物原子Ｉとの間の電荷移動により、前記不純物原子Ｓが前記母体半導体の構成原子と一致した電荷を持ち前記不純物原子Ｉが閉殻構造の電子配置をとった状態で結合している半導体物質からなり、前記半導体物質が前記四面体結合の結合方向に伸長されていることを特徴とする半導体発光材料。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成原子が四面体結合構造をなして結合しており、その結合方向に伸長されている半導体物質を有することを特徴とする半導体発光材料。
【請求項２】
前記半導体物質の構成原子がシリコンであり、１つの結晶方位に１％以上１２％以下伸長されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光材料。
【請求項３】
構成原子が四面体結合構造をなして結合している前記半導体物質で形成された基板が、＜１１１＞方向およびそれと同等の方向に伸長されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光材料。
【請求項４】
前記半導体物質と同一面に前記半導体物質と熱膨張率または格子定数の異なる第２の物質が設けられ、前記半導体物質は前記第２の物質から応力を受けて＜１１１＞方向およびそれと同等の方向に伸長されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光材料。
【請求項５】
前記半導体物質上に前記半導体物質と熱膨張率または格子定数の異なる第２の物質が積層され、前記半導体物質は前記第２の物質から応力を受けて＜１１１＞方向およびそれと同等の方向に伸長されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光材料。
【請求項６】
構成原子が四面体結合構造をなして結合している母体半導体と、前記母体半導体の格子点サイトの構成原子と置換される不純物原子Ｓと、前記母体半導体の格子間サイトに挿入される不純物原子Ｉとを含み、前記不純物原子Ｓと前記不純物原子Ｉとの間の電荷移動により、前記不純物原子Ｓが前記母体半導体の構成原子と一致した電荷を持ち前記不純物原子Ｉが閉殻構造の電子配置をとった状態で結合している半導体物質からなり、前記半導体物質が前記四面体結合の結合方向に伸長されていることを特徴とする半導体発光材料。
【請求項７】
前記不純物原子Ｓと前記不純物原子Ｉとの組がペアをなして、ＩＳＳＩ結合を形成していることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光材料。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項の記載の半導体発光材料からなる活性層と、
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９】
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８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８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８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、前記活性層の上方の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８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８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をなす光共振器を有することを特徴とする請求項８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をなす光共振器を有することを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
【請求項１６】
請求項１ないし７のいずれか１項の記載の半導体発光材料からなりｐｎ接合を形成するｎ層およびｐ層と、
前記ｎ層に接続されたｎ電極および前記ｐ層に接続されたｐ電極と
を具備したことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光材料およびそれを用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンはエレクトロニクスを支える代表的な電子材料であるが、これまでは光応用には不向きと考えられてきた。その理由は、シリコンが間接遷移型であり、かつシリコンの伝導帯および価電子帯がともにｐ軌道的（奇関数）であることに起因している。これらの理由の本質は、それぞれ、波数の保存が成り立たないこと、および双極子モーメントのマトリクス成分が非常に小さくなることであるとされている。
【０００３】
シリコン発光素子の従来技術として、ナノ微粒子技術および超格子技術が知られている。ナノ微粒子技術における発光機構は「閉じ込め効果」に由来すると考えられる。超格子技術における発光機構は「ゾーン折り返し効果」に由来すると考えられる。２つの効果はほぼ同じ働きを持ち、シリコンのバンド構造を直接遷移化することが目的である。しかし、伝導帯と価電子帯の両者が主にｐ軌道成分からなることに変わりはなく、これらの従来技術に基づくシリコン発光素子が高効率かつ高速に発光することは原理的にあり得ない。すなわち、「閉じ込め効果」および「ゾーン折り返し効果」は擬似的電気双極子遷移をもたらすものであり、いずれも単独では強い発光を期待できない。それゆえ従来のシリコン発光素子は十分な特性が出ず、実用化が困難であった。
【０００４】
また、従来から最も有望とされている「閉じ込め効果」を利用する場合、大きな電子障壁を導入せざるを得ないことが大きな問題になる。大きな電子障壁を越えて電流を注入するのは困難であり、電流注入法によるＥＬ発光（Electro-Luminescence）を妨げている。
【０００５】
以上の説明からわかるように、従来技術では、シリコンを直接遷移型の物質にすることに集中して研究がなされている。しかし実際には、伝導帯と価電子帯のうち、一方をｓ軌道的（偶関数）に、他方をｐ軌道的（奇関数）のままにするバンド変調技術が必要になる。さらに、電子障壁を導入することなく、電流注入発光を可能にする方法が必要になる。
【０００６】
上述した「閉じ込め効果」または「ゾーン折り返し効果」以外で、シリコン発光素子に関連した先行技術としては、以下のものがある。
【０００７】
Rompaらは、ＧａＡｓのバンド計算によって、ＧａＡｓの格子間サイトにＨｅを導入したＧａＡｓでは、Ｘ点エネルギーが上昇することを見出している（非特許文献１）。これはＦＴ（Filled Tetrahedral）半導体と呼ばれている。ＧａＡｓは高速発光の直接遷移型半導体であるので、Ｘ点が上昇しても顕著な効果はないが、Ｘ点を変調できる可能性は指摘されている。しかし、間接半導体の発光効率向上に関連するΓ点の変調に関しては何も示されていない。
【０００８】
Burgerらは、シリコンウエハに希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）をイオン注入することにより形成されたＦＴ半導体は、１ｅＶ付近のエネルギー領域でＰＬ発光を生じると報告している（非特許文献２）。しかし、このウエハを数百度でアニールすると、ＰＬ発光が生じなくなる。したがって、希ガスを含むＦＴ半導体は熱的安定性が低く実用的ではないことが予想される。
【０００９】
Pickettらは、カーボンに対して一軸性の応力を加えた場合のバンド構造変化を示している（非特許文献３）。しかし、たとえ直接遷移型になっても、伝導帯のｓ軌道成分量が小さいままであれば、高効率・高速な発光素子は望めない。また、非常に硬いカーボンに４％もの一軸性歪みを導入した場合の議論であり、実現不可能である。よって、対応する実験も示されていない。
【非特許文献１】Rompa et. al., Phys. Rev. Lett. 52, 675 (1984)
【非特許文献２】Burger et. al., Phys. Rev. Lett. 52, 1645 (1984)
【非特許文献３】Pickett et. al., SPIE vol.877 Micro-Optoelectronic Materials 64 (1988)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように従来技術では、間接半導体たとえばシリコンのバンド構造を十分に変調させることができず、軌道成分を変えることができないため、電気双極子モーメントのマトリクス成分を有効に使うことができないという大きな問題があった。また、閉じ込め効果を用いた場合には、高い電子障壁により電子を閉じ込めることになるため、必然的に電流注入が困難になるという問題もあった。
【００１１】
本発明の目的は、本来は非発光性である間接半導体を用いて効率よく発光する半導体発光材料およびそれを用いた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】
【００１２】
本発明の一態様に係る半導体発光材料は、構成原子が四面体結合構造をなして結合しており、その結合方向に伸長されている半導体物質を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様に係る半導体発光材料は、構成原子が四面体結合構造をなして結合している母体半導体と、前記母体半導体の格子点サイトの構成原子と置換される不純物原子Ｓと、前記母体半導体の格子間サイトに挿入される不純物原子Ｉとを含み、前記不純物原子Ｓと前記不純物原子Ｉとの間の電荷移動により、前記不純物原子Ｓが前記母体半導体の構成原子と一致した電荷を持ち前記不純物原子Ｉが閉殻構造の電子配置をとった状態で結合している半導体物質からなり、前記半導体物質が前記四面体結合の結合方向に伸長されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明のさらに他の態様に係る発光素子は、上記の半導体発光材料からなる活性層と、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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、本来は非発光性である間接半導体を用いて効率よく発光する半導体発光材料およびそれを用いた発光素子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】
【００１６】
以下、本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。  
本発明者らは、四面体結合構造を有する半導体のバンド構造を変調させる方法について研究し、本発明を完成させた。本発明の本質は、四面体結合構造を有する半導体のバンド構造を操作する「バンドエンジニアリング」にある。本発明における主要なバンドエンジニアリングのメカニズムは「ボンド長伸長効果」である。さらに、第２のメカニズムとして「ＦＴ半導体による格子間状態排除効果」を併用してもよい。以下、これらの効果について詳細に説明する。
【００１７】
（１）四面体結合構造を有する半導体における「ボンド長伸長効果」
四面体結合構造を持った物質のうち、例えばＧａＡｓは直接遷移型の半導体であるのに対し、シリコンは間接遷移型の半導体である。直接遷移型になるか間接遷移型になるかは、構成元素の組み合わせ、電気陰性度や結合半径などの構成元素の性質、および格子定数などによって決定される。
【００１８】
本発明者らは、四面体結合構造を持った物質において、２原子間のボンド長を変化させたときにバンド構造がどのように変化するかについて検討した。その結果、２原子間のボンド長が伸びると、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低下し、Γ点の底がｓ軌道的な状態になることがわかった。大まかに言えば、２原子間の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、伝導帯を形成している反結合軌道が低下し、価電子帯を形成している結合軌道に近づく。このことを図１（ａ）および（ｂ）を参照して模式的に示す。図１（ａ）は、シリコンのダイヤモンド構造におけるΓ点伝導帯（Γｃ）について実空間上での電子状態を示す図である。図１（ｂ）は、Ｓｉ−Ｓｉ間の結合の伸長による、反結合軌道（伝導帯）および結合軌道（価電子帯）の変化の方向を模式的に示す図である。図１（ａ）のようにＳｉ−Ｓｉ間の結合を伸長させると、図１（ｂ）のように反結合軌道（伝導帯）が低下し、結合軌道（価電子帯）に近づく。
【００１９】
図２（ａ）に、バルクＳｉを一つのＳｉ−Ｓｉ方向（ここでは＜１１１＞方向）へ伸長させた場合のバンド構造の変化を示す。計算の結果を解析すると、ボンド長を１％以上伸長させることで、Γ点における伝導帯底のｓ軌道成分が急激に増加する。図２（ａ）に示されるように、ボンド長の伸長量を４％、７％、１０％と増加させるにつれて、Γ点における伝導帯底が先鋭化する様子がわかる。
【００２０】
図２（ｂ）に、Ｓｉ−Ｓｉボンド長の伸長量と、Γ点伝導帯底のｓ軌道成分の割合との関係を示す。ボンド長伸長を導入しないと、ｓ軌道成分は１０％以下である。これに対して、ボンド長を１％以上伸長させると急激にｓ軌道成分が増加する。ただし、ボンド長伸長が１２％を超えると伝導帯底が価電子帯に接するようになり、金属化する。
【００２１】
本発明の実施形態に係る半導体発光材料に含まれる四面体結合構造を持った半導体物質は、１つの結合で結ばれた局所的な原子対を考えたとき、各原子の４つの結合方向の少なくとも１つの方向に伸長している。
【００２２】
図２（ａ）および（ｂ）は、（１１１）基板を面内圧縮して＜１１１＞方向に伸長した結果を示しているが、＜１１１＞方向と同等の方向として、＜−１１１＞、＜１−１１＞、および＜１１−１＞が挙げられる。Ｓｉ−Ｓｉ結合の伸長構造は、ランダムに分布していてもよい。具体的には、ある領域では＜１１１＞方向に伸長し、別の領域では＜１１−１＞方向に伸長していてもよい。
【００２３】
また、各原子の他の３つの結合（バックボンド）のボンド長は不変であるか、または伸長しており、これらのボンド長が短くなっていないことが重要である。ここで、（１００）基板の面内圧縮によって全体として＜００１＞方向に伸長した場合、実際にはボンド長の伸長は起こらず、結合の角度が変化するだけである。その結果、ボンド長の伸長効果によるｓ軌道成分の増大は見られない。これに対し、（１１１）基板の面内圧縮によって全体として＜１１１＞方向に伸長した場合には、実際に＜１１１＞方向にボンド長が大きく伸長し、他の３本のバックボンドも伸長する。このとき、ボンド長の伸長効果によるｓ軌道成分の増大が可能になる。
【００２４】
別の観点では、本発明の実施形態に係る半導体発光材料に含まれる四面体結合構造を持った半導体物質では、各原子の他の３つバックボンド間の角度が１１０度よりも小さくなる。３つのバックボンド間の角度が９０度になったとき、ｓ軌道成分が１００％となり最大である。この角度が１１０度だとＳＰ３構造をとる。この角度が１２０度だとＳＰ２構造をとり、ｐ軌道成分が１００％となる。このように、３つのバックボンド間の角度が１１０度以下になるとｓ軌道成分が増大し、より効率がよくなる。なお、（１００）基板の面内圧縮によって全体として＜００１＞方向に伸長した場合にもバックボンド間の角度が変化するが、１１０度以上の角度になる部分を含み、その部分でｐ軌道成分が増大する。それに対し、（１１１）基板の面内圧縮によって＜１１１＞方向に全体として伸長した場合には、３つのバックボンド間の角度が１１０度よりも小さくなり、ｓ軌道成分の増大が期待できる。
【００２５】
なお、バックボンド間の角度はＸＡＮＥＳによって分析できる。この方法では、状態密度の変化から、局所的な構造の変化を検出できる。
【００２６】
上記のように（１１１）基板を面内圧縮した場合、ボンド伸長とバックボンド間の角度低下が同時に起こり、ｓ軌道成分の増大に有利である。
【００２７】
以上のようにＳｉ−Ｓｉボンドの伸長は、Γ点における伝導帯底の状態をｓ軌道的にすることを可能にする。また、ボンド伸長の程度が大きいほど、ｓ軌道成分が増加する。価電子帯はΓ点において頂点を持つが、その状態はｐ軌道的である。ここで、伝導帯の底がｓ軌道的であれば、Γ点での双極子モーメントのマトリックス成分を有限の値にすることが可能である。つまり、伝導帯の底がΓ点になく、したがって間接遷移型であっても、Γ点における伝導帯の底に電子を導入するとともに価電子帯の頂上にホールを導入することができれば、遷移マトリックスを有限の値にすることが可能になり、短い発光再結合寿命τｒの発光が実現可能になる。このような強励起状態は、高エネルギー光によっても高電界によっても達成することができる。
【００２８】
例えば、［ｐ層／ボンド長伸長半導体からなる活性層／ｎ層］という構造に順方向の高電界を印加することで発光させることができる。ｐ型およびｎ型のボンド長伸長半導体を用いｐｎ接合を形成してダイオードを作製した場合にも、高い逆電界を印加してツェナーダイオード（またはアバランシェダイオード）として発光させることができる。
【００２９】
従来の間接半導体では、Γ点における伝導帯の底の状態がｐ軌道的であったため、非常に非効率的であり、十分に短い発光再結合寿命を実現できなかった。本発明によって、Γ点における伝導帯の底の状態をｓ軌道化することが可能であるため、高効率かつ十分に短い発光再結合寿命を実現できる。
【００３０】
本発明においては、ボンド長伸長を用いることにより、たとえシリコンが間接半導体のままであっても、ｓ軌道成分を増加させる方法を提供できる。この事実から、３．２ｅＶ以下のエネルギーの発光が全て可能となる。つまり、ボンド長伸長量に応じて、様々な波長のシリコン発光素子が得られることになる。特に可視光領域の素子（または蛍光体）を自由に作れるため、非常に実用性に富んでいる。
【００３１】
なお、従来の希ガス（例えばＨｅ）を含むＦＴ半導体は、ＨｅとＳｉ欠陥との複合体において発光が生じる。上述したように、このＦＴ半導体を数百度でアニールすると、発光が生じなくなる。これに対して、本発明の実施形態に係る半導体発光材料は、半導体プロセスに適用される通常のアニール（最大で約１０５０℃）を加え、欠陥がほぼなくなった状態でも、発光を生じる。
【００３２】
また、Ｓｉ−Ｇｅ混晶（超格子も含む）は、振動子強度が上昇しないことが示されている（M. Ohfuti et.al., Phys. Rev. B60 13547 (1999)参照）。Ｓｉ中にＧｅを導入しても、Ｓｉ−Ｓｉボンドが伸長するわけではなく、本質的にはＳｉ−Ｇｅボンドができているだけである。また、超格子構造についても同じことがいえ、たとえ発光するとしてもＳｉ−Ｓｉボンドの変化によって発光するわけではない。このことは、ＳｉＧｅ超格子の発光効率の悪さとも関連している。
【００３３】
以上をまとめて説明すると以下の通りである。「ボンド長伸長効果」とは、伝導帯を形成している反結合軌道成分のΓ点でのエネルギー準位を制御して、伝導帯の底を形成する軌道成分をｓ軌道に変える効果を意味する。この効果は、局所的にボンド長が伸長すれば起こり、必ずしも物質全体に亘り伸長が起こっている必要はない。
【００３４】
（２）「ＦＴ半導体による格子間状態排除効果」
図３（ａ）、（ｂ）、および（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）、および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。
【００３５】
図３（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。
【００３６】
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。
【００３７】
ここで、ＦＴ（Filled Tetrahedral）半導体は、Rompaらによって、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。バンド計算によれば、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が見出されている。
【００３８】
シリコンの格子間サイトに閉殻構造の希ガス原子（または分子）を導入すると、図４（ａ）に示したように、格子間サイトの電子が排除されてＸｃエネルギーが上昇する。この現象は、図４（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る。すなわち、希ガス原子によって電子の存在しうる空間を排除することによって、Ｘｃにおける電子の運動エネルギーを上昇させる。このように、「ＦＴ半導体による格子間状態排除効果」により、Ｘ点近傍のエネルギー準位を上昇させることができる。
【００３９】
なお、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。
【００４０】
（３）新規なペンダント型ＦＴ半導体
上記（２）のように「ＦＴ半導体による格子間状態排除」を実現できれば、Ｘ点のエネルギーを制御することが可能である。しかし、例えば、Ｈｅ原子を多量に格子間サイトに導入し、その位置に保持することは事実上不可能である。これは、半導体熱プロセス中に外方拡散により希ガス元素が容易に放出されるからである。
【００４１】
図５に、本発明に係る新規な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。本発明に係るペンダント型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Ｓと、異種原子Ｓに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｉとを含む。異種原子Ｓ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と置換して四面体結合構造をとってイオン化する。異種原子Ｉは、異種原子Ｓとの間の電荷移動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Ｓと異種原子Ｉとの間にイオン結合が生じ、異種原子Ｓは異種原子Ｉ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Ｓと異種原子Ｉ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。
【００４２】
上記のように、異種原子Ｓの候補は化学結合後に四面体結合構造をとる原子であり、異種原子Ｉの候補は化学結合後に電子配置が閉殻構造となる原子である。
【００４３】
図５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Ｓがリン（Ｐ）、異種原子Ｓに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｉ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原子間に電荷移動が生じ、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。ＰＦペア以外のＳＩペアについては、後に詳細に説明する。
【００４４】
図２（ｂ）に示すように、（１）のボンド長伸長と（３）のペンダント型ＦＴ半導体を併用することによって、Γ点における伝導帯底のｓ軌道成分をさらに増加させることができる。この結果、より確実に高効率・短寿命の発光が可能になる。
【００４５】
その理由は以下の通りである。ペンダント型ＦＴ半導体においてもΓ点への影響が生じる。これは、格子間空隙領域に存在しているｓ軌道的成分のエネルギーレベルＡが上昇するためである。エネルギーレベルＡが上昇する理由は、電子の運動エネルギーの上昇であり、Ｘ点の上昇に相当する。このエネルギーレベルＡは、シリコンのΓ点付近のｓ軌道成分のエネルギーレベルＢと相互作用を持っている。エネルギーレベルＡが上昇すると、ＡＢ間の相互作用が弱くなり、結果的にエネルギーレベルＢが低下する。最終的には、Γ点での伝導帯底付近のｓ軌道成分が増加する。
【００４６】
上記と逆の原理も成り立つ。つまり、ボンド長伸長効果によりシリコンのΓ点付近のｓ軌道成分のエネルギーレベルＢが低下すると、ＡＢ間の相互作用が弱くなり、結果的にエネルギーレベルＡが上昇する。最終的には伝導帯のＸ点の上昇要因となり得る。
【００４７】
このように、「Γ点における伝導帯底のｓ軌道成分増加」と「Ｘ点における伝導帯のエネルギー上昇」は正の相関を持っており、その相乗効果は非常に大きい。
【００４８】
図２（ｂ）の変化を、「ペンダント型ＦＴ半導体」に対して「ボンド長伸長」を導入したことによる効果として説明すると以下のようになる。「ペンダント型ＦＴ半導体」によって、Ｘ点が大きく上昇し、Γ点にも多少の影響があり、結果としてＰＬ発光およびＥＬ発光現象が見られる。「ペンダント型ＦＴ半導体」に対して「ボンド長伸長」を導入すると、より高効率・短寿命の発光現象を実現できる。これは、Γ点における伝導帯底状態のｓ軌道成分をできる限り多くすることが、高効率化・短寿命化に最も有効な方策であるからである。「ペンダント型ＦＴ半導体」だけではΓ点における伝導帯底状態のｓ軌道成分が８０％未満の場合もあり得るが、「ペンダント型ＦＴ半導体」に「ボンド長伸長」を導入すると、非常に簡単にΓ点における伝導帯底状態のｓ軌道成分を１００％に近づけることができる。
【００４９】
さらに、２組の異種原子Ｓと異種原子Ｉとの組がペアを形成し、Ｉ−Ｓ−Ｓ−Ｉ構造を形成する可能性もある。この場合、Ｓ−Ｓ間ボンドが長くなる可能性があり、「ボンド間伸長効果」によって、Γ点での伝導帯底の状態をｓ軌道的にする効果が期待できる。
【００５０】
ペンダント型ＦＴ半導体に用いられる材料に関する重要な点は、格子点サイトに置換される異種原子Ｓとして、ＬＳＩプロセスで豊富な実績のあるｎ型またはｐ型ドーパントをそのまま利用できることである。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。
【００５１】
ここで、ペンダント型ＦＴ半導体の構成に関してまとめて説明する。  
（四面体結合構造）
四面体結合構造を有する固体としては、ダイヤモンド構造を有する、ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウム；閃亜鉛鉱構造を有する、ＳｉＣ、ＧｅＣ、ＢＮ、ＢＰ，ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ；これらに類する構造を有する、ＳｉxＧｅ1-x、ＳｉxＧｅyＣ1-x-y、Ｇａ（ＰxＡｓ1-x）、（ＧａxＩｎ1-x）Ｐ、（ＡｌxＧａ1-x）Ａｓ、（ＡｌxＧａ1-x）Ｓｂ、（ＡｌxＩｎ1-x）Ｓｂ、（ＧａxＩｎ1-x）（ＰyＡｓ1-y）、（ＡｌxＧａyＩｎ1-x-y）Ｐ［ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１である］；ウルツ鉱構造を有する固体など、ｓｐ３混成軌道を介した四面体結合構造を有する様々な間接半導体を用いることができる。
【００５２】
（ＳＩペンダント構造）
ＳＩペンダント構造を構成する格子点不純物原子Ｓと格子間不純物原子Ｉの候補は、１個の格子点不純物原子Ｓと１個の格子間不純物原子Ｉの間で電荷移動が生じ、格子点不純物原子Ｓは構成物質の電荷に一致し、格子間不純物原子Ｉの電子配置が閉殻構造となるＳ+−Ｉ-またはＳ-−Ｉ+の組み合わせである。
【００５３】
母体半導体がＩＶｂ元素半導体またはＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体（ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣなど）である場合、ＳＩペアとしては、Ｖｂ−ＶＩＩｂもしくはＶａ−ＶＩＩｂ、またはＩＩＩｂ−Ｉａ、ＩＩＩｂ−Ｉｂ、ＩＩＩａ−ＩａもしくはＩＩＩａ−Ｉｂの組み合わせを用いることができる。
【００５４】
母体半導体がＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体（ＢＮ、ＢＰ、ＢＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰなど）であり、格子点不純物原子ＳがＩＩＩｂサイトに置換される場合、ＳＩペアとしては、ＩＶｂ−ＶＩＩｂもしくはＩＶａ−ＶＩＩｂ、またはＩＩｂ−Ｉａ、ＩＩｂ−Ｉｂ、ＩＩａ−ＩａもしくはＩＩａ−Ｉｂの組み合わせを用いることができる。
【００５５】
母体半導体がＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体（ＢＮ、ＢＰ、ＢＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰなど）であり、格子点不純物原子ＳがＶｂサイトに置換される場合、ＳＩペアとしては、ＶＩｂ−ＶＩＩｂもしくはＶＩａ−ＶＩＩｂまたはＩＶｂ−Ｉａ、ＩＶｂ−Ｉｂ、ＩＶａ−ＩａもしくはＩＶａ−Ｉｂの組み合わせを用いることができる。
【００５６】
（ＩＳＳＩダブルペンダント構造）
ＩＳＳＩペンダント構造を構成する格子点不純物原子Ｓと格子間不純物原子Ｉの候補は、２個の格子点不純物原子Ｓと２個の格子間不純物Ｉとの間でそれぞれ電荷移動が生じ、２つの格子点不純物原子Ｓがペアを作り、かつ格子間不純物原子Ｉの電子配置が閉殻構造となる２Ｓ+−２Ｉ-または２Ｓ-−２Ｉ+の組み合わせである。
【００５７】
母体半導体がＩＶｂ元素半導体またはＩＶｂ−ＩＶｂ化合物半導体（ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣなど）である場合、ＳとＩの組み合わせは、Ｖｂ−ＶＩＩｂもしくはＶａ−ＶＩＩｂまたはＩＩＩｂ−Ｉａ、ＩＩＩｂ−Ｉｂ、ＩＩＩａ−ＩａもしくはＩＩＩａ−Ｉｂなどの組み合わせを用いることができる。
【００５８】
母体半導体がＩＩＩｂ−Ｖｂ化合物半導体（ＢＮ、ＢＰ、ＢＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰなど）であり、２種類の格子点不純物原子Ｓ、Ｓ’がそれぞれＩＩＩｂサイトとＶｂサイトを置換する場合のＩＳＳＩペンダント構造について説明する。この場合、２種の格子点不純物原子Ｓ、Ｓ’と２個の格子間不純物原子Ｉ、Ｉ’との間でそれぞれ電荷移動が生じ、ＳとＳ’がペアを形成し、かつＩおよびＩ’の電子配置が閉殻構造となる組み合わせが用いられる。具体的には、（Ｉ+−Ｓ-）−（Ｓ’+−Ｉ’-）［（格子間サイト‐ＩＩＩｂサイト）−（Ｖｂサイト−格子間サイト）］、（Ｉ-−Ｓ+）−（Ｓ’-−Ｉ’+）［（格子間サイト‐ＩＩＩｂサイト）−（Ｖｂサイト−格子間サイト）］、（Ｉ+−Ｓ-）−（Ｓ’-−Ｉ’+）［（格子間サイト‐ＩＩＩｂサイト）−（Ｖｂサイト−格子間サイト）］、および（Ｉ-−Ｓ+）−（Ｓ’+−Ｉ’-）［（格子間サイト−ＩＩＩｂサイト）−（Ｖｂサイト−格子間サイト）］の組み合わせが挙げられる。ここで、（ＩＩＩｂサイト−格子間サイト）のペア、すなわちＳ+−Ｉ-またはＳ-−Ｉ+としては、ＩＶｂ−ＶＩＩｂもしくはＩＶａ−ＶＩＩｂまたはＩＩｂ−Ｉａ、ＩＩｂ−Ｉｂ、ＩＩａ−ＩａもしくはＩＩａ−Ｉｂが挙げられる。また、（Ｖｂサイト−格子間サイト）のペア、すなわちＳ’+−Ｉ’-またはＳ’-−Ｉ’+としては、ＶＩｂ−ＶＩＩｂもしくはＶＩａ−ＶＩＩｂまたはＩＶｂ−Ｉａ、ＩＶｂ−Ｉｂ、ＩＶａ−ＩａもしくはＩＶａ−Ｉｂを用いることができる。
【００５９】
（物質の簡易表記に関して）
上記のＩａ、ＩＩａ、ＩＩＩａ、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶＩＩａ、Ｉｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩｂ、ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ、ＶＩＩｂは周期律表中の族元素を表す。ＩａはＬｉ，Ｎａ，Ｋ，ＲｂおよびＣｓからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩＩａはＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，ＳｒおよびＢａからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩＩＩａはＳｃ，Ｙ，ＬａおよびＬｕからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩＶａはＴｉ，ＺｒおよびＨｆからなる群より選択される少なくとも１種である。ＶａはＶ，ＮｂおよびＴａからなる群より選択される少なくとも１種である。ＶＩａはＣｒ，ＭｏおよびＷからなる群より選択される少なくとも１種である。ＶＩＩａはＭｎおよびＲｅからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩｂはＣｕ，ＡｇおよびＡｕからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩＩｂはＺｎ，ＣｄおよびＨｇからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩＩＩｂはＢ，Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＴｌからなる群より選択される少なくとも１種である。ＩＶｂはＣ，Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｎおよびＰｂからなる群より選択される少なくとも１種である。ＶｂはＮ，Ｐ，Ａｓ，ＳｂおよびＢｉからなる群より選択される少なくとも１種である。ＶＩｂはＯ，Ｓ，ＳｅおよびＴｅからなる群より選択される少なくとも１種である。ＶＩＩｂはＦ，Ｃｌ，ＢｒおよびＩからなる群より選択される少なくとも１種である。
【００６０】
以上で説明した、「ボンド長伸長」および「ペンダント型ＦＴ半導体」に基づく効果をまとめると、以下のようになる。
【００６１】
（１）四面体結合構造を有する半導体物質において、原子間ボンドを伸長させることにより、Γ点における伝導帯底の状態をｓ軌道状態へと変換させることが可能である。この方法により、ＧａＡｓなどの光半導体と同等レベルの短い発光寿命を有し、実用可能な電流励起型のシリコン発光素子を提供できる。なお、ボンド長変調だけで、直接遷移型にまで変調する必要はない。Γ点における伝導帯底の状態をｓ軌道状態へと変換させることさえできれば、強励起することで、ＧａＡｓなみの短い発光寿命を有し、実用化可能な電流励起型のシリコン発光素子を提供できるからである。
【００６２】
（２）四面体結合構造を有する半導体物質をペンダント型ＦＴ構造とし、格子間の空隙に電子の運動領域を制限する物質を導入することにより、Ｘ点での電子エネルギーを上昇させ、バンド構造のＸ点を上昇させることができる。この効果を（１）のボンド長伸長効果と組み合わせることで、ボンド長伸長効果だけの場合に比較して、より効率的・高速に発光させることができるシリコン発光素子を提供できる。Ｘ点のエネルギーが上昇したことにより、非発光センターへと逃れてしまうキャリアーが劇的に減少するためである。
【００６３】
（３）シリコンだけでなく他の間接半導体を用いた場合にも、上記（１）、（２）記載の効果を有する発光素子を提供できる。
【００６４】
以下、本発明の実施形態に係る発光素子についてより詳細に説明する。
【００６５】
発光素子を作製する場合、「ボンド長伸長効果」をどのように導入するかが重要になる。これによって、Γ点における伝導帯の底の状態をｓ軌道的にすることができるからである。考えられるボンド長伸長方法として、以下の方法が挙げられる。
【００６６】
（１）（１１１）基板を用い、基板上に格子定数の小さな物質または熱膨張率が基板よりも大きい物質を成膜することで、基板法線方向すなわち＜１１１＞方向に伸長させる。基板を＜１１１＞法線方向へ伸長させるのが最も単純であるが、他の方位の基板を用いて他のボンド長方向へ伸長させることもできる。
【００６７】
（２）（１１１）基板を用い、面内に熱膨張率の異なる物質を埋め込むことによって、横方向から圧縮応力を加えて、基板法線方向すなわち＜１１１＞方向に伸長させる。基板を＜１１１＞法線方向へ伸長させるのが最も単純であるが、他の方位の基板を用いて他のボンド長方向へ伸長させることもできる。
【００６８】
（３）局所的にボンド長が伸長するようにＳＩペアを選択する。たとえば局所的に大きな格子定数をもたらすＳＩペアとして、ＡｓＦペアなどが考えられる。ＳＩペアの振動モードはＳｉそのものの振動とは違って見えるはずである。
【００６９】
（４）局所的なボンド長が伸長するようにＩＳＳＩペアを選択する。ＩＳＳＩペアは、局所的な格子定数が大きくなるように、またはＳＳペアによりボンド長が伸長するように選択する。ＩＳＳＩペアの振動モードはＳｉそのものの振動とは違って見えるはずである。また、ＳＩペア部分の振動とＳＳペア部分の振動が発現するはずである。
【００７０】
ボンド長伸長によりラマン活性な振動モードに変化を生じる。例えばＳｉバルクの場合は５２０ｃｍ-1にラマン活性な振動モードがあるが、ボンド長が伸びることによって低振動数側に振動モードが出現する。局所的な伸長の場合、伸長ボンド密度が５×１０19ｃｍ-3に満たないと振動モードのピークがブロードになってしまい、ピーク強度が非常に小さいこともあり得る。このような場合には伸長量が１％未満に見かけ上見えることがあるが、その場合にも局所的発光は十分に有効である。
【００７１】
実際のボンド長伸長を以下のようにして計算することができる。以下の式において、ｄeは導入された局所伸長ボンド密度、ｄ0はバルク材料のボンド密度、Ｌはラマンでのひずみ検出限界（μスポットを用いた場合、０．１％＝０．００１）、Ｅは実際のボンド伸長量（％）、Ｅmは測定ピークから推定されるボンド伸長量（％）である。
【００７２】
（１）ｄe／ｄ0≦Ｌであり、局所伸長ボンドが低密度の場合、実際のボンド伸長量Ｅは以下の式で表される。
【００７３】
Ｅ＝Ｅm×Ｌ×ｄ0／ｄe
たとえばシリコンの場合、Ｅm＝０．５％、ｄe＝１×１０19ｃｍ-3、ｄ0＝５×１０22ｃｍ-3であるなら、実際のボンド伸長量Ｅは２．５％となる。
【００７４】
（２）ｄe／ｄ0≧Ｌであり、局所伸長ボンドが十分高密度の場合、実際のボンド伸長量Ｅ（％）は、測定ピークから推定されるボンド伸長量Ｅm（％）に等しい。
【００７５】
ボンド長伸長とペンダント型ＦＴ半導体を併用した発光素子を作製する場合、母材半導体に格子点不純物原子Ｓおよび格子間不純物原子Ｉを導入し、さらに上述したように母材半導体と熱膨張率の異なる物質を形成して、ペンダント型ＦＴ半導体の＜１１１＞方向に伸長させる。ペンダント型ＦＴ半導体の形成方法については後に説明する。
【００７６】
図６（ａ）および（ｂ）に、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６（ａ）は縦型通電の発光素子、図６（ｂ）は横型通電の発光素子である。
【００７７】
図６（ａ）の縦型通電の発光素子は、ｎ+層１の上に、活性層２およびＳｉＮ層３が形成され、さらにこれらの上にｐ+層４が形成されている。ｎ+層１には図示しないｎ電極が接続され、ｐ+層４には図示しないｐ電極が接続される。熱膨張率の違いにより、活性層２はＳｉＮ層３から圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長されている。活性層２をペンダント型ＦＴ半導体で形成し、ボンドを伸長させてもよい。この発光素子では縦方向に通電して、ｎ+層１から活性層２へ電子を注入し、ｐ+層４から活性層２へ正孔を注入することで、活性層２において電子と正孔を再結合発光させる。
【００７８】
図６（ｂ）の横型通電の発光素子は、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活性層１３を挟んでｎ+層１４およびｐ+層１５が形成され、さらにこれらを挟んでＳｉＮ層１６が形成されている。熱膨張率の違いにより、活性層１３はＳｉＮ層１６からｎ+層１４およびｐ+層１５を介して圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長されている。活性層１３をペンダント型ＦＴ半導体で形成し、ボンドを伸長させてもよい。ｎ+層１４には図示しないｎ電極が接続され、ｐ+層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+層１４から活性層１３へ電子を注入し、ｐ+層１５から活性層１３へ正孔を注入することで、活性層１３において電子と正孔を再結合発光させる。
【００７９】
なお、図６（ａ）および（ｂ）は例として取り上げたものであり、無論、これら以外の素子構成も可能である。例えば、電極として金属を用いることもできる。応力は一次元の場合（一軸性）もあれば二次元の場合もありうる。図６（ａ）に示したＳｉＮ層の代わりに、活性層上の積層膜によって応力を加えることも考えられる。また、図６（ａ）のＳｉＮ層や、図６（ｂ）の埋め込み酸化膜は、電流リークを防ぐ作用を有するが、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、ＳｉＮ層や埋め込み酸化膜を設けなくてもよい。
【００８０】
また、上記では、励起手段としてそれぞれ励起電子と励起正孔を供給する電流源である１対のｎ電極およびｐ電極を用いる場合を説明しているが、励起手段として励起光源、励起電子源、励起Ｘ線源などを用いてもよい。
【００８１】
次に、図７（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。
【００８２】
図７（ａ）に示すように（１１１）Ｓｉウエハ２１を用意し、図７（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Ｓ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。
【００８３】
図７（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Ｉ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。そのため、Ｆ+イオンがＳｉウエハをエッチングしない最適プロセスが存在する。
【００８４】
図７（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。
【００８５】
さらに、その他の工程を実施することにより、図６（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。具体的には、ドープ領域２２のパターニングとＳｉＮ層の成膜を含む工程を実施することによって、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層２３にＳｉＮ層からの圧縮応力を与えて＜１１１＞方向（膜面垂直方向）へ伸長させる。
【００８６】
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。
【００８７】
ＰＦペアのように、格子点異種原子Ｓと格子間異種原子Ｉ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による構造解析が可能である。ＰＦペアを例に挙げると、波数１５０〜２００ｃｍ-1付近に赤外活性な振動モードがあり、容易に検出することができる。赤外分光やラマン分光を用いて振動モードを調べることにより、母体半導体中にＳＩペアが形成できているか否かを確認することが可能になる。
【００８８】
ＳＩペアの存在を知る間接的かつ簡便な方法として、電気抵抗やホール係数などの電気測定を用いることもできる。格子点異種原子Ｓとしてｎ型またはｐ型ドーパントを用いた場合、格子間異種原子Ｉ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Ｓと異種原子Ｉをペアリングさせると、異種原子Ｓと異種原子Ｉ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Ｉのドーピング前後における電気抵抗やホール係数（キャリア濃度）の変化を調べることでＳＩペアが形成できたか否かを知ることができる。
【００８９】
ドープ量が１０20ｃｍ-3を超える領域であれば、ドーパントの電子状態をＸＰＳにて測定することによって、異種原子ＳのみのスペクトルとＳＩペア生成後のスペクトルの間には電荷移動に伴う微量シフトが観測され得る。ＳＩＭＳ測定において、ＳＩペア生成後には、ＳとＩの分布が一致する様子が見られる。
【００９０】
（第１の実施形態）
本実施形態では、活性層にボンド長伸長を導入した、図６（ａ）の構造を有する縦型通電構造のシリコン発光素子について説明する。（１１１）シリコン基板（図示せず）上にｎ+層１を形成する。ｎ+層１上に活性層２のパターンを形成し、活性層２の周辺にＳｉＮ層３を埋め込む。熱プロセスによりＳｉＮ層３から活性層２へ圧縮応力を加え、活性層２を＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長させる。ラマンスペクトルにより、＜１１１＞方向へ数％程度のボンド長伸長が導入されることが確認できる。活性層２上にｐ+層４を形成する。活性層２に強制的に電流を導入するためには、ｎ電極として仕事関数の小さな金属を用いることが望ましい。ここでは、一例としてＳｒＳｉ電極を用いている。
【００９１】
活性層２に電流を強制的に導入することでＥＬ発光が観測される。Ｓｉ−Ｓｉボンド長伸長だけではバンドギャップは直接遷移型にはならないが、ＥＬ発光はΓ点でのバンドギャップに相当する波長で高効率に起こる。以上から、間接半導体を発光させる方法として、Γ点での伝導帯底状態をｓ軌道化する「ボンド伸長」が有効な方法であることがわかる。
【００９２】
また、光照射によるＰＬ発光も観測される。Γ点における伝導帯底の状態がｓ軌道的になった効果により、電子・正孔対が励起されれば、短寿命の発光が観測されることがわかる。
【００９３】
（変形例１−１）
上記のように活性層に歪みを導入するだけで、高効率のＰＬ発光およびＥＬ発光が可能であるので、「ボンド長伸長を導入したｐｎ接合」に逆バイアスを加えるようにしたＥＬ発光素子も考えられる。
【００９４】
図８（ａ）にこの変形例の発光素子を示す。（１１１）シリコン基板上にｎ+層１を形成する。ｎ+層１上に、ｐｎ接合をなすｎ層５およびｐ層６のパターンを形成し、その周辺にＳｉＮ層３を埋め込む。熱プロセスによりＳｉＮ層３からｎ層５およびｐ層６へ圧縮応力を加え、ｎ層５およびｐ層６を＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長させる。ｐ層６上にｐ+層４を形成する。これはツェナー素子（またはアバランシェ素子）として知られているものである。ｎ層５およびｐ層６に無歪みのＳｉを用いた場合にはΓ点の伝導帯底のｓ軌道成分量が非常に小さいために効率が非常に悪い。これに対して、ｎ層５およびｐ層６にボンド長伸長を導入することにより、高効率・短寿命の発光が観測される。
【００９５】
（変形例１−２）
活性層に歪みを導入するには、積層膜構造を用いて活性層に面内圧縮応力を加えることによって法線方法に伸長させてもよい。図９にこの変形例の発光素子を示す。（１１１）シリコン基板上にｐ+層３１、活性層３２、および金属電極層３３を積層する。ｎ層側の金属電極層３３には仕事関数の小さな金属を用いることが望ましいので、ＳｒＳｉを用いる。ＳｒＳｉは熱膨張率が大きいので、活性層３２に面内圧縮応力を加えて活性層３２を法線方法に伸長させることができる。この発光素子に電流を強制的に導入するとＥＬ発光が観測される。
【００９６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層にボンド長伸長を導入した、図６（ａ）の構造を有する縦型通電構造のシリコン発光素子について説明する。本実施形態の発光素子は、活性層の形成方法を除いて、第１の実施形態と同様な方法で作製できる。以下において活性層の形成方法を説明する。シリコンの格子点サイトを置換する異種原子ＳとしてＰ（リン）原子、格子間サイトに挿入される異種原子ＩとしてＦ（フッ素）原子を用い、ＰおよびＦを同時にイオン注入する。Ｐ濃度およびＦ濃度はおよそ２．５×１０20／ｃｍ3である。その後、５００℃程度にて短時間アニールを行うとＰは格子点に置換され、Ｆは格子点Ｐに隣接する格子間サイトに挿入され、ＰＦペアを形成して安定化する。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顕微赤外分光で確認可能である。ＰＦペア固有の振動モードは低周波数領域（１５０〜２００ｃｍ-1付近）に現れる。
【００９７】
また、活性層２の周辺にＳｉＮ層３を埋め込み、熱プロセスによりＳｉＮ層３から活性層２へ圧縮応力を加え、活性層２を＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長させる。ラマンスペクトルにより、＜１１１＞方向へ数％程度のボンド長伸長が導入されることが確認できる。電極には、それぞれｎ型およびｐ型にドープしたシリコン電極を用いている。
【００９８】
このシリコン発光素子では、電流注入により活性層のバンドギャップに相当する波長領域で非常に高効率なＥＬ発光が観測される。本実施形態のように、ペンダント型ＦＴ半導体にボンド伸長を導入した活性層では、バンドギャップが直接遷移型になり、しかも、Γ点での伝導帯底状態のｓ軌道成分がかなりの割合を占めているため、非常に高効率・短寿命の発光が実現できる。
【００９９】
（変形例２−１）
図９に示すように、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層に対して金属電極層を積層することによって、活性層３２に面内圧縮応力を加えて活性層３２を法線方法に伸長させてもよい。ｎ層側の金属電極層３３には仕事関数４ｅＶ付近の金属を用いることが望ましい。そこで、金属電極層３３に熱膨張率の大きいＴｉを用いることで活性層３２に歪みを導入することができる。この発光素子に電流を注入するとＥＬ発光が観測される。
【０１００】
（第３の実施形態）
本実施形態では、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層にボンド長伸長を導入した、図６（ａ）の構造を有する縦型通電構造のシリコン発光素子について説明する。本実施形態の発光素子は、活性層の材料に他のＦＴ−Ｓｉを用いた以外は、第２の実施形態と同様にして作製される。以下において活性層の形成方法を説明する。シリコンの格子点サイトを置換する異種原子ＳとしてＩｎ原子、格子間サイトに挿入される異種原子ＩとしてＮａ原子を用いる。Ｉｎ濃度およびＮａ濃度はおよそ５×１０20／ｃｍ3であり、ＩｎＮａペア濃度はおよそ５×１０20／ｃｍ3である。活性層中にペンダント型ＦＴ構造のＩｎＮａペアが形成できているかどうかは顕微赤外分光で確認可能である。ＩｎＮａペア固有の振動モードは１４０〜１８０ｃｍ-1付近に現れる。
【０１０１】
また、活性層２の周辺にＳｉＮ層３を埋め込み、熱プロセスによりＳｉＮ層３から活性層２へ圧縮応力を加え、活性層２を＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長させる。ラマンスペクトルにより、＜１１１＞方向へ数％程度のボンド長伸長が導入されることが確認できる。
【０１０２】
このシリコン発光素子を電流駆動すると、活性層で電子と正孔が再結合し、ＥＬ発光が生じる。
【０１０３】
本実施形態からも、間接半導体を発光させる方法として、Γ点における伝導帯底状態のｓ軌道成分を増大させる「ボンド長伸長」および「ペンダント型ＦＴ半導体」が有効であることがわかる。
【０１０４】
（第４の実施形態）
本実施形態では、活性層にボンド長伸長を導入した、図６（ｂ）の構造を有する横型通電構造のシリコン発光素子について説明する。（１１１）シリコン基板１１に埋め込み酸化膜１２を形成し、その上に、活性層１３と、活性層１３を挟むｎ+層１４およびｐ+層１５と、これらの層を挟むＳｉＮ層１６を形成する。熱プロセスを受けると、熱膨張率の違いにより、活性層１３はＳｉＮ層１６からｎ+層１４およびｐ+層１５を介して圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長される。ラマンスペクトルにより、＜１１１＞方向へ数％程度のボンド長伸長が導入されることが確認できる。ｎ+層１４にｎ電極を接続し、ｐ+層１５にｐ電極を接続する。活性層１３に強制的に電流を導入するためには、ｎ電極として仕事関数の小さな金属を用いることが望ましい。ここでは、一例としてＳｒＳｉ電極を用いている。
【０１０５】
活性層１３に電流を強制的に導入することでＥＬ発光が観測される。Ｓｉ−Ｓｉボンド長伸長だけではバンドギャップは直接遷移型にはならないが、ＥＬ発光はΓ点でのバンドギャップに相当する波長で高効率に起こる。以上から、間接半導体を発光させる方法として、Γ点での伝導帯底状態をｓ軌道化する「ボンド伸長」が有効な方法であることがわかる。
【０１０６】
また、光照射によるＰＬ発光も観測される。Γ点における伝導帯底の状態がｓ軌道的になった効果により、電子・正孔対が励起されれば、短寿命の発光が観測されることがわかる。
【０１０７】
（変形例４−１）
上記のように活性層に歪みを導入するだけで、高効率のＰＬ発光およびＥＬ発光が可能であるので、「ボンド長伸長を導入したｐｎ接合」に逆バイアスを加えるようにしたＥＬ発光素子も考えられる。
【０１０８】
図８（ｂ）にこの変形例の発光素子を示す。（１１１）シリコン基板１１に埋め込み酸化膜１２を形成し、その上に、ｐｎ接合をなすｎ+層１４およびｐ+層１５と、これらの層を挟むＳｉＮ層１６を形成する。熱プロセスを受けると、熱膨張率の違いにより、ｎ+層１４およびｐ+層１５はＳｉＮ層１６から圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長される。これはツェナー素子（またはアバランシェ素子）として知られているものである。ｎ+層１４およびｐ+層１５に無歪みのＳｉを用いた場合にはΓ点の伝導帯底のｓ軌道成分量が非常に小さいために効率が非常に悪い。これに対して、ｎ+層１４およびｐ+層１５にボンド長伸長を導入することにより、高効率・短寿命の発光が観測される。
【０１０９】
（変形例４−２）
活性層に歪みを導入するには、積層膜構造を用いて活性層に面内圧縮応力を加えることによって法線方法に伸長させてもよい。図１０にこの変形例の発光素子を示す。（１１１）シリコン基板１１に埋め込み酸化膜１２を形成し、その上に、活性層１３と、活性層１３を挟むｎ+層１４およびｐ+層１５を形成する。活性層１３、ｎ+層１４、およびｐ+層１５の上に、ＳｉＮ層１７を積層する。熱プロセスを受けると、熱膨張率の違いにより、活性層１３はＳｉＮ層１７から圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長される。この発光素子に電流を強制的に導入するとＥＬ発光が観測される。
【０１１０】
（第５の実施形態）
本実施形態では、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層にボンド長伸長を導入した、図６（ｂ）の構造を有する横型通電構造のシリコン発光素子について説明する。本実施形態の発光素子は、活性層の形成方法を除いて、第４の実施形態と同様な方法で作製できる。以下において活性層の形成方法を説明する。シリコンの格子点サイトを置換する異種原子ＳとしてＰ（リン）原子、格子間サイトに挿入される異種原子ＩとしてＦ（フッ素）原子を用いる。Ｐ濃度およびＦ濃度はおよそ２×１０20／ｃｍ3である。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顕微赤外分光で確認可能である。ＰＦペア固有の振動モードは低周波数領域（１５０〜２００ｃｍ-1付近）に現れる。
【０１１１】
また、活性層１３を挟むｎ+層１４およびｐ+層１５と、これらの層を挟むＳｉＮ層１６を形成する。熱プロセスを受けると、熱膨張率の違いにより、活性層１３はＳｉＮ層１６からｎ+層１４およびｐ+層１５を介して圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長されている。ラマンスペクトルにより、＜１１１＞方向へ数％程度のボンド長伸長が導入されることが確認できる。電極には、それぞれｎ型およびｐ型にドープしたシリコン電極を用いている。
【０１１２】
このシリコン発光素子では、電流注入により活性層のバンドギャップに相当する波長領域で非常に高効率なＥＬ発光が観測される。本実施形態のように、ペンダント型ＦＴ半導体にボンド伸長を導入した活性層では、バンドギャップが直接遷移型になり、しかも、Γ点での伝導帯底状態のｓ軌道成分がかなりの割合を占めているため、非常に高効率・短寿命の発光が実現できる。
【０１１３】
（変形例５−１）
活性層に歪みを導入するには、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層に対してＳｉＮ層を積層することによって、活性層に面内圧縮応力を加えて活性層を法線方法に伸長させてもよい。図１０にこの変形例の発光素子を示す。（１１１）シリコン基板１１に埋め込み酸化膜１２を形成し、その上に、ＦＴ−Ｓｉからなる活性層１３と、活性層１３を挟むｎ+層１４およびｐ+層１５を形成する。活性層１３、ｎ+層１４、およびｐ+層１５の上に、ＳｉＮ層１７を積層する。熱プロセスを受けると、熱膨張率の違いにより、活性層１３はＳｉＮ層１７から圧縮応力を受けて膜面垂直方向にボンドが伸長される。この発光素子に電流を強制的に導入するとＥＬ発光が観測される。
【０１１４】
（第６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（１１１）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+層４３が形成されている。ｎ+層４３の上にＦＴ−Ｓｉからなる活性層４４が形成され、その周辺にＳｉＮ層４５が埋め込まれている。活性層４４は、格子点の異種原子ＳとしてＰ原子、格子間の異種原子Ｉ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。熱プロセスによりＳｉＮ層４５から活性層４４へ圧縮応力が加えられ、活性層４４は＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長される。活性層４４およびＳｉＮ層４５の上にＢドープのｐ+層４６が形成されている。ｐ+層４６、ＳｉＮ層４５およびｎ+層４３の一部がエッチングされ、ｎ+層４３に接続されるｎ電極４７と、ｐ+層４６に接続されるｐ電極４８が形成されている。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。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ＮＲをコートした端面から発光を放射させる。
【０１１５】
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、ＥＬ発光が生じる。しかも、非常に高効率・短寿命の発光であり、「ボンド長伸長」および「ペンダント型ＦＴ半導体」の効果が有効であることがわかる。
【０１１６】
（第７の実施形態）
図１２（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（１１１）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+層４３が形成されている。ｎ+層４３の上にＦＴ−Ｓｉからなる活性層４４が形成され、その周辺にＳｉＮ層４５が埋め込まれている。活性層４４は、格子点の異種原子ＳとしてＰ原子、格子間の異種原子Ｉ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。熱プロセスによりＳｉＮ層４５から活性層４４へ圧縮応力が加えられ、活性層４４は＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長される。活性層４４およびＳｉＮ層４５の上に絶縁層５１およびＢドープのｐ+層４６が形成されている。ｐ+層４６、絶縁層５１、ＳｉＮ層４５およびｎ+層４３の一部がエッチングされ、ｎ+層４３に接続されるｎ電極４７と、ｐ+層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５１の上方に配置されるようにパターニングされている。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+層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+層４６上には無反射膜５２が形成され、基板４１の裏面には反射膜５３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５２から発光を放射させる。
【０１１７】
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、ＥＬ発光が生じる。しかも、非常に高効率・短寿命の発光であり、「ボンド長伸長」および「ペンダント型ＦＴ半導体」の効果が有効であることがわかる。
【０１１８】
（第８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。この発光素子は、第７の実施形態の発光素子における無反射膜５２の代わりに、補助電極５４および透明電極５５を形成したものである。
【０１１９】
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、ＥＬ発光が生じる。
【０１２０】
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、ＥＬ発光が生じる。しかも、非常に高効率・短寿命の発光であり、「ボンド長伸長」および「ペンダント型ＦＴ半導体」の効果が有効であることがわかる。
【０１２１】
（第９の実施形態）
図１４（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（１１１）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+層６３が形成されている。ｎ+層６３の上にＦＴ−Ｓｉからなる活性層６４が形成され、その周辺にＳｉＮ層６５が埋め込まれている。活性層６４は、格子点の異種原子ＳとしてＰ原子、格子間の異種原子Ｉ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５×１０20／ｃｍ3である。熱プロセスによりＳｉＮ層６５から活性層６４へ圧縮応力が加えられ、活性層６４は＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長される。ｐ+層６６、ＳｉＮ層６５およびｎ+層６３の一部がエッチングされ、ｎ+層６３に接続されるｎ電極６７と、ｐ+層６６に接続されるｐ電極６８が形成されている。さらに、ｐ電極６８とｐ+層６６の一部がエッチングされている。ｎ電極６７およびｐ電極６８はいずれもＮｉシリサイド／Ａｕからなる。図１４（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。
【０１２２】
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。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。これは、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。
【０１２３】
活性層となるＦＴ半導体には、上記実施形態に挙げたもの以外にも種々の材料を用いることが可能である。たとえば、Ｓｉ母体にＳとしてＢ原子、ＩとしてＬｉ原子を用いることはその一例である。その他、本発明の技術的範囲において、種々変形して実施することができる。
【０１２４】
（第１０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（１１１）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+層７３が形成されている。ｎ+層７３の上にＦＴ−Ｓｉからなる活性層７４が形成され、その周辺にＳｉＮ層７５が埋め込まれている。活性層７４は、格子点の異種原子ＳとしてＰ原子、格子間の異種原子Ｉ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。熱プロセスによりＳｉＮ層７５から活性層７４へ圧縮応力が加えられ、活性層７４は＜１１１＞方向（膜面垂直方向）に伸長される。活性層７４およびＳｉＮ層７５の上に絶縁層７６およびＢドープのｐ+層７７が形成されている。ｐ+層７７、絶縁層７６、ＳｉＮ層７５およびｎ+層７３の一部がエッチングされ、ｎ+層７３に接続されるｎ電極７８と、ｐ+層７７に接続されるｐ電極７９が形成されている。ｎ電極７８およびｐ電極７９はいずれもＮｉシリサイド／Ａｕからなる。ｐ電極７９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８０が形成されている。低反射率の誘電体多層膜ミラー８０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８１が形成されている。
【０１２５】
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。閾値電流を超えるとスペクトルは先鋭化し、単色化する。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。
【０１２６】
（第１１の実施形態）
図１６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１０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８２、ｎ+型ソース、ドレイン領域８３、８４が形成され、これらの間にゲート絶縁膜８５を介してゲート電極８６が形成されている。ソース、ドレイン領域８３、８４上には、それぞれソース、ドレイン電極８７、８８が形成されている。そして、ＬＤ素子のｎ電極７８とＭＯＳトランジスタのドレイン電極８８は配線８９により接続されている。
【０１２７】
図１７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１７に示されるように、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。このように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である。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。
【０１２８】
（第１２の実施形態）
図１８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１０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。
【０１２９】
図１９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１９に示されるように、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。
【０１３０】
（第１３の実施形態）
図２０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１０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。
【０１３１】
図２１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２１に示されるように、入力を忠実に再現した出力画像が得られる。
【０１３２】
（第１４の実施形態）
図２２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。
【０１３３】
図２２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９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。
【０１３４】
図２３にＬＤ素子からの光信号と、受光素子の出力応答を示す。図２３に示されるように、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、本実施形態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。
【０１３５】
（第１５の実施形態）
本実施形態では、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。この蛍光体は粉体状の結晶であり、個々の結晶は原子間ボンド長が伸長したＩＳＳＩペア構造ＦＴ半導体からなる。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ＳとしてＡｓ原子、異種原子ＩとしてＦ原子を用いた、ＦＡｓ−ＡｓＦドープＦＴ−ＳｉＣである。ＡｓＦ濃度は９×１０17／ｃｍ3、１．２×１０19／ｃｍ3、１．６×１０20／ｃｍ3の３種である。ＡｓＡｓペア構造を初めに形成し、その後にＦを導入する。ＡｓＡｓペア導入時には、ペア間距離がＳｉ−Ｃ間距離よりも伸長していることが、ラマン散乱の振動数スペクトルから確認できる。
【０１３６】
ＡｓＦドープＦＴ−ＳｉＣのバンド計算から、バンドギャップは２．５ｅＶ付近であり、青緑色発光の蛍光体が得られると予測される。この物質にはボンド長伸長が導入されているため、伝導帯底の状態がほぼ完全にｓ軌道成分からなる。この物質のバンド間遷移は電気双極子遷移であり、発光再結合寿命は短く、強く発光する。
【０１３７】
このような蛍光体を紫外線などで光励起すると、電子・正孔対が形成され、青緑色の再結合発光が生じる。
【０１３８】
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ＳとしてＢ原子、異種原子ＩとしてＬｉ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ＳとしてＯ原子、異種原子Ｉ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。
【０１３９】
（第１６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ＳとしてＧａ原子、異種原子ＩとしてＫ原子を用いた、ＫＧａ−ＧａＫドープＦＴ−ＳｉＣを含む。ＫＧａ−ＧａＫペア濃度は約８×１０19／ｃｍ3である。ＫＧａ−ＧａＫペア間距離がＳｉ−Ｃ間距離よりも伸長していることが、ラマン散乱の振動数スペクトルから確認できる。
【０１４０】
ＫＧａ−ＧａＫドープＦＴ−ＳｉＣのバンド計算から、バンドギャップは２．９ｅＶ付近であり、青色発光の蛍光体が得られると予測される。この物質にはボンド長伸長が導入されているため、伝導帯底の状態がほぼ完全にｓ軌道成分からなる。この物質のバンド間遷移は電気双極子遷移であり、発光再結合寿命は短く、強く発光する。
【０１４１】
このような蛍光体を紫外線などで光励起すると、電子・正孔対が形成され、青色の再結合発光が生じる。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】シリコンのΓ点伝導帯について実空間上での電子状態を示す図、およびＳｉ−Ｓｉ間の結合の伸長による伝導帯および価電子帯の変化の方向を模式的に示す図。
【図２】（ａ）はバルクＳｉを＜１１１＞方向へ伸長させた場合のバンド構造の変化を示す図、（ｂ）はＳｉ−Ｓｉボンド長の伸長量とΓ点伝導帯底のｓ軌道成分の割合との関係、およびＦＴ半導体効果を付け加えたＳｉ−Ｓｉボンド長の伸長量とΓ点伝導帯底のｓ軌道成分の割合との関係を示す図。
【図３】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４】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５】ペンダント型ＦＴ半導体の構造を示す図。
【図６】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７】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８】本発明の他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９】本発明の他の実施形態に係る縦型通電のシリコン発光素子の断面図。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る横型通電のシリコン発光素子の断面図。
【図１１】本発明の第６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１３】本発明の第８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９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１５】本発明の第１０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１６】本発明の第１１の実施形態に係る光電気素子アレイの断面図。
【図１７】本発明の第１１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１８】本発明の第１２の実施形態に係る受発光素子アレイの断面図。
【図１９】本発明の第１２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２０】本発明の第１３の実施形態に係る発光素子アレイの断面図。
【図２１】本発明の第１３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２２】本発明の第１４の実施形態に係る光素子アレイの斜視図。
【図２３】本発明の第１４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】
【０１４３】
１…ｎ+層、２…活性層、３…ＳｉＮ膜、４…ｐ+層、１１…シリコン基板、１２…埋め込み酸化膜、１３…活性層、１４…ｎ+層、１５…ｐ+層、１６…ＳｉＮ層、１７…ＳｉＮ層、２１…Ｓｉウエハ、２２…ドープ領域、２３…活性層、３１…ｐ+層、３２…活性層、３３…金属電極層、４１…シリコン基板、４２…埋め込み酸化膜、４３…ｎ+層、４４…活性層、４５…ＳｉＮ層、４６…ｐ+層、４７…ｎ電極、４８…ｐ電極、５１…絶縁層、５２…無反射膜、５３…反射膜、５４…補助電極、５５…透明電極、６１…シリコン基板、６２…埋め込み酸化膜、６３…ｎ+層、６４…活性層、６５…ＳｉＮ層、６６…ｐ+層、６７…ｎ電極、６８…ｐ電極、７１…シリコン基板、７２…埋め込み酸化膜、７３…ｎ+層、７４…活性層、７５…ＳｉＮ層、７６…絶縁層、７７…ｐ+層、７８…ｎ電極、７９…ｐ電極、８０…低反射率の誘電体多層膜ミラー、８１…高反射率の誘電体多層膜ミラー、８２…ｐウェル領域、８３、８４…ｎ+型ソース、ドレイン領域、８５…ゲート絶縁膜、８６…ゲート電極、８７、８８…ソース、ドレイン電極、８９…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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