(57)【要約】【課題】発光効率を向上可能な発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１０は、半導体基板１と、シリコン量子ドット２〜４と、絶縁膜５と、電極６を備える。半導体基板１は、ｎ＋型単結晶シリコンからなる。絶縁膜５は、二酸化シリコン膜からなり、半導体基板１上に形成される。シリコン量子ドット２は、半導体基板１との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜５中に形成される。シリコン量子ドット３は、シリコン量子ドット２上に形成される。シリコン量子ドット４は、シリコン量子ドット３上に形成される。電極６は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、絶縁膜５上に形成される。【選択図】図１
2012049399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を介して半導体基板上に設けられ、シリコンを含む第１の量子ドットと、
キャリアがトンネル可能な膜厚を有する第２の二酸化シリコン膜を介して前記第１の量子ドット上に設けられ、シリコンを含む第２の量子ドットと、
キャリアがトンネル可能な膜厚を有する第３の二酸化シリコン膜を介して前記第２の量子ドット上に設けられた電極とを備える発光素子。
【請求項２】
前記第１の量子ドットは、
ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムからなるコアと、
前記コアの周囲を覆い、シリコンからなるシェルとを含み、
前記第２の量子ドットは、ｐ型の導電型を有するシリコン量子ドットからなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１の量子ドットは、ｐ型の導電型を有するシリコン量子ドットからなり、
前記第２の量子ドットは、
ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムからなるコアと、
前記コアの周囲を覆い、シリコンからなるシェルとを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記コアは、ｎ型の導電型を有する、請求項２または請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１の量子ドットは、ｐ型の導電型を有するシリコン量子ドットからなり、
前記第２の量子ドットは、シリコン量子ドットからなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第２の量子ドットは、ｎ型の導電型を有する、請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１の量子ドットは、シリコン量子ドットからなり、
前記第２の量子ドットは、ｐ型の導電型を有するシリコン量子ドットからなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第１の量子ドットは、ｎ型の導電型を有する、請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
半導体基板の一主面側に設けられ、発光波長の２分の１の整数倍の幅を有する線部材と、
前記線部材の長さ方向における一方の側壁上に設けられ、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光素子からなる第１の発光素子と、
前記線部材の長さ方向における他方の側壁上に設けられ、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光素子からなる第２の発光素子と、
前記線部材の前記半導体基板の面内方向と平行な面上に設けられたゲート電極とを備える発光装置。
【請求項１０】
半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、
前記第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、
前記第１のシリコン量子ドットを熱酸化する第３の工程と、
前記第３の工程における前記熱酸化によって前記第１のシリコン量子ドットから形成された第２のシリコン量子ドット上の第２の二酸化シリコン膜を除去する第４の工程と、
前記第２のシリコン量子ドットに接してゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第５の工程と、
前記ゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜を熱酸化して前記第２のシリコン量子ドットから第３のシリコン量子ドットを形成するとともに、前記第３のシリコン量子ドットの一部が露出するように前記第３のシリコン量子ドット間に第３の二酸化シリコン膜を形成する第６の工程と、
前記第３のシリコン量子ドットの露出面に接して第４のシリコン量子ドットを形成する第７の工程と、
前記第４のシリコン量子ドットをＵＶオゾンまたはリモート酸素プラズマによって酸化する第８の工程と、
前記第８の工程における前記酸化によって前記第４のシリコン量子ドットから形成された第５のシリコン量子ドット上の第４の二酸化シリコン膜にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第５の二酸化シリコン膜を形成する第９の工程と、
前記第５の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第１０の工程とを備える発光素子の製造方法。
【請求項１１】
半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、
前記第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、
前記第１のシリコン量子ドットおよび前記半導体基板を熱酸化して前記第１のシリコン量子ドットから第２のシリコン量子ドットとキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第２の二酸化シリコン膜を介して前記第２のシリコン量子ドット上に第３のシリコン量子ドットとを形成するとともに、前記第３のシリコン量子ドット上に第３の二酸化シリコン膜を形成する第３の工程と、
前記第３の二酸化シリコン膜との合計膜厚がキャリアがトンネル可能な膜厚である第４の二酸化シリコン膜を前記第３の二酸化シリコン膜上に形成する第４の工程と、
前記第４の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第５の工程とを備える発光素子の製造方法。
【請求項１２】
半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、
前記第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、
前記第１のシリコン量子ドットを熱酸化する第３の工程と、
前記第３の工程における前記熱酸化によって前記第１のシリコン量子ドットから形成された第２のシリコン量子ドット上の第２の二酸化シリコン膜を除去する第４の工程と、
前記第２のシリコン量子ドットに接して第１のゲルマニウム薄膜または第１のシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第５の工程と、
前記第１のゲルマニウム薄膜または前記第１のシリコンゲルマニウム薄膜上にシリコン薄膜を堆積してゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムからなるコアと前記コアの周囲を覆い、かつ、シリコンからなるシェルとからなる第１の量子ドットを形成する第６の工程と、
前記第１の量子ドットに接して第２のゲルマニウム薄膜または第２のシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第７の工程と、
前記第２のゲルマニウム薄膜または前記第２のシリコンゲルマニウム薄膜を熱酸化して前記第１の量子ドットから前記コアと前記シェルとからなる第２の量子ドットを形成するとともに、前記第２の量子ドットの一部が露出するように前記第２の量子ドット間に第３の二酸化シリコン膜を形成する第８の工程と、
前記第２の量子ドットの露出面に接して第３のシリコン量子ドットを形成する第９の工程と、
前記第３のシリコン量子ドットをＵＶオゾンまたはリモート酸素プラズマによって酸化する第１０の工程と、
前記第１０の工程における前記酸化によって前記第３のシリコン量子ドットから形成された第４のシリコン量子ドット上の第４の二酸化シリコン膜上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第５の二酸化シリコン膜を形成する第１１の工程と、
前記第５の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第１２の工程とを備える発光素子の製造方法。
【請求項１３】
半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、
前記第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、
前記第１のシリコン量子ドットおよび前記半導体基板を熱酸化して前記第１のシリコン量子ドットから第２のシリコン量子ドットとキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第２の二酸化シリコン膜を介して前記第２のシリコン量子ドット上に第３のシリコン量子ドットとを形成するとともに、前記第３のシリコン量子ドット上に第３の二酸化シリコン膜を形成する第３の工程と、
前記第３の二酸化シリコン膜を除去する第４の工程と、
前記第３のシリコン量子ドット上にゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第５の工程と、
前記ゲルマニウム薄膜または前記シリコンゲルマニウム薄膜上にシリコン薄膜を堆積してゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムからなる第１の量子ドットを形成する第６の工程と、
前記第１の量子ドット上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第４の二酸化シリコン膜を形成する第７の工程と、
前記第４の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第８の工程とを備える発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子、それを用いた発光装置および発光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、量子ドットを用いた発光素子が知られている（特許文献１）。この発光素子は、２つのドット部材を備える。一方のドット部材は、他方のドット部材に接して形成される。そして、一方のドット部材は、ｎ型シリコンドットを含み、他方のドット部材は、ｐ型シリコンドットを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２４７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の発光素子は、発光効率が低いという問題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発光効率を向上可能な発光素子を提供することである。
【０００６】
また、この発明の別の目的は、発光効率を向上可能な発光素子を備えた発光装置を提供することである。
【０００７】
更に、この発明の別の目的は、発光効率を向上可能な発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の実施の形態によれば、発光素子は、第１および第２の量子ドットと、電極とを備える。第１の量子ドットは、キャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を介して半導体基板上に設けられ、シリコンを含む。第２の量子ドットは、キャリアがトンネル可能な膜厚を有する第２の二酸化シリコン膜を介して第１の量子ドット上に設けられ、シリコンを含む。電極は、キャリアがトンネル可能な膜厚を有する第３の二酸化シリコン膜を介して第２の量子ドット上に設けられる。
また、この発明の実施の形態によれば、発光装置は、線部材と、第１および第２の発光素子と、ゲート電極とを備える。線部材は、半導体基板の一主面側に設けられ、発光波長の２分の１の整数倍の幅を有する。第１の発光素子は、線部材の長さ方向における一方の側壁上に設けられ、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光素子からなる。第２の発光素子は、線部材の長さ方向における他方の側壁上に設けられ、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光素子からなる。ゲート電極は、線部材の半導体基板の面内方向と平行な面上に設けられる。
【０００９】
更に、この発明の実施の形態によれば、発光素子の製造方法は、半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、第１のシリコン量子ドットを熱酸化する第３の工程と、第３の工程における熱酸化によって第１のシリコン量子ドットから形成された第２のシリコン量子ドット上の第２の二酸化シリコン膜を除去する第４の工程と、第２のシリコン量子ドットに接してゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第５の工程と、ゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜を熱酸化して第２のシリコン量子ドットから第３のシリコン量子ドットを形成するとともに、第３のシリコン量子ドットの一部が露出するように第３のシリコン量子ドット間に第３の二酸化シリコン膜を形成する第６の工程と、第３のシリコン量子ドットの露出面に接して第４のシリコン量子ドットを形成する第７の工程と、第４のシリコン量子ドットをＵＶオゾンまたはリモート酸素プラズマによって酸化する第８の工程と、第８の工程における酸化によって第４のシリコン量子ドットから形成された第５のシリコン量子ドット上の第４の二酸化シリコン膜にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第５の二酸化シリコン膜を形成する第９の工程と、第５の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第１０の工程とを備える。
【００１０】
更に、この発明の実施の形態によれば、発光素子の製造方法は、半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、第１のシリコン量子ドットおよび半導体基板を熱酸化して第１のシリコン量子ドットから第２のシリコン量子ドットとキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第２の二酸化シリコン膜を介して第２のシリコン量子ドット上に第３のシリコン量子ドットとを形成するとともに、第３のシリコン量子ドット上に第３の二酸化シリコン膜を形成する第３の工程と、第３の二酸化シリコン膜との合計膜厚がキャリアがトンネル可能な膜厚である第４の二酸化シリコン膜を第３の二酸化シリコン膜上に形成する第４の工程と、第４の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第５の工程とを備える。
【００１１】
更に、この発明の実施の形態によれば、発光素子の製造方法は、半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、第１のシリコン量子ドットを熱酸化する第３の工程と、第３の工程における熱酸化によって第１のシリコン量子ドットから形成された第２のシリコン量子ドット上の第２の二酸化シリコン膜を除去する第４の工程と、第２のシリコン量子ドットに接して第１のゲルマニウム薄膜または第１のシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第５の工程と、第１のゲルマニウム薄膜または第１のシリコンゲルマニウム薄膜上にシリコン薄膜を堆積してゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムからなるコアとコアの周囲を覆い、かつ、シリコンからなるシェルとからなる第１の量子ドットを形成する第６の工程と、第１の量子ドットに接して第２のゲルマニウム薄膜または第２のシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第７の工程と、第２のゲルマニウム薄膜または第２のシリコンゲルマニウム薄膜を熱酸化して第１の量子ドットからコアとシェルとからなる第２の量子ドットを形成するとともに、第２の量子ドットの一部が露出するように第２の量子ドット間に第３の二酸化シリコン膜を形成する第８の工程と、第２の量子ドットの露出面に接して第３のシリコン量子ドットを形成する第９の工程と、第３のシリコン量子ドットをＵＶオゾンまたはリモート酸素プラズマによって酸化する第１０の工程と、第１０の工程における酸化によって第３のシリコン量子ドットから形成された第４のシリコン量子ドット上の第４の二酸化シリコン膜上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第５の二酸化シリコン膜を形成する第１１の工程と、第５の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第１２の工程とを備える。
【００１２】
更に、この発明の実施の形態によれば、発光素子の製造方法は、半導体基板の一主面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第１の二酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、第１の二酸化シリコン膜に接して第１のシリコン量子ドットを形成する第２の工程と、第１のシリコン量子ドットおよび半導体基板を熱酸化して第１のシリコン量子ドットから第２のシリコン量子ドットとキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第２の二酸化シリコン膜を介して第２のシリコン量子ドット上に第３のシリコン量子ドットとを形成するとともに、第３のシリコン量子ドット上に第３の二酸化シリコン膜を形成する第３の工程と、第３の二酸化シリコン膜を除去する第４の工程と、第３のシリコン量子ドット上にゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜を形成する第５の工程と、ゲルマニウム薄膜またはシリコンゲルマニウム薄膜上にシリコン薄膜を堆積してゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムからなる第１の量子ドットを形成する第６の工程と、第１の量子ドット上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する第４の二酸化シリコン膜を形成する第７の工程と、第４の二酸化シリコン膜上に電極を形成する第８の工程とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の実施の形態による発光素子においては、電極からのキャリア（電子および正孔の一方）が第２の量子ドットを介して第１の量子ドット中へ注入され、半導体基板からのキャリア（電子および正孔の他方）が第１の量子ドット中へ注入される。この場合、第
２の量子ドットは、第１の量子ドット上に形成されているため、電子および正孔は、同じ第１の量子ドット中へ注入され易い。そして、第１の量子ドット中へ注入された電子および正孔は、再結合し、発光する。
【００１４】
従って、発光効率を向上できる。
【００１５】
また、この発明の実施の形態による発光装置は、この発明の実施の形態による発光素子を備える。従って、発光効率を向上できる。
【００１６】
更に、この発明の実施の形態による発光素子の製造方法によれば、半導体基板の面内方向における同じ位置において、半導体基板に垂直な方向に配列された２つの量子ドットを含むように発光素子が製造される。その結果、電極からのキャリア（電子および正孔の一方）と半導体基板からのキャリア（電子および正孔の他方）とが同じ量子ドットに注入され易くなる。そして、同じ量子ドットに注入された電子および正孔は、再結合し、発光する。
【００１７】
従って、発光効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１による発光素子の断面図である。
【図２】プラズマ処理装置の概略図である。
【図３】図１に示す発光素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図４】図１に示す発光素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図５】図３および図４に示す工程（ｅ），（ｆ）におけるＧｅ３ｄおよびＯ２ｓのスペクトルを示す図である。
【図６】ドット数とドット高さまたはドット幅との関係を示す図である。
【図７】図１に示す発光素子のエネルギーバンド図の模式図である。
【図８】図１に示す発光素子におけるキャリアの注入の概念図である。
【図９】シリコン量子ドットの表面電位の変化を示す図である。
【図１０】発光強度の実験結果を示す図である。
【図１１】実施の形態２による発光素子の断面図である。
【図１２】図１１に示す発光素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図１３】図１１に示す発光素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図１４】実施の形態３による発光素子の断面図である。
【図１５】図１４に示す発光素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図１６】図１４に示す発光素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図１７】図１４に示す発光素子の製造方法を示す第３の工程図である。
【図１８】図１４に示す発光素子のエネルギーバンド図の模式図である。
【図１９】実施の形態４による発光素子の断面図である。
【図２０】図１９に示す発光素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図２１】図１９に示す発光素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図２２】図１９に示す発光素子の製造方法を示す第３の工程図である。
【図２３】この発明の実施の形態による発光装置の断面図である。
【図２４】図２３に示す発光装置の製造方法を示す第１の工程図である。
【図２５】図２３に示す発光装置の製造方法を示す第２の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による発光素子の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による発光素子１０は、半導体基板１と、シリコン量子ドット２〜４と、絶縁膜５と、電極６を備える。
【００２１】
半導体基板１は、例えば、ｎ＋型単結晶シリコンからなる。シリコン量子ドット２は、半導体基板１との間にキャリア（電子または正孔）がトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜５中に形成される。そして、シリコン量子ドット２は、例えば、６ｎｍのサイズを有する。
【００２２】
シリコン量子ドット３は、例えば、ボロン（Ｂ）をデルタドーピングしたシリコン量子ドットからなる。そして、シリコン量子ドット３は、例えば、５ｎｍのサイズを有する。また、シリコン量子ドット３は、シリコン量子ドット２との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するようにシリコン量子ドット２上に形成される。
【００２３】
複数のシリコン量子ドット４は、シリコン量子ドット３との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように複数のシリコン量子ドット３上に形成される。そして、複数のシリコン量子ドット４の各々は、例えば、２ｎｍのサイズを有する。また、複数のシリコン量子ドット４の各々は、Ｂをデルタドーピングしたシリコン量子ドットからなる。
【００２４】
絶縁膜５は、例えば、二酸化シリコン膜からなり、半導体基板１に接して半導体基板１上に形成される。そして、絶縁膜５は、例えば、５〜６ｎｍの膜厚を有する。この場合、半導体基板１とシリコン量子ドット２との間に存在する絶縁膜の膜厚は、１ｎｍであり、シリコン量子ドット２とシリコン量子ドット３との間に存在する絶縁膜の膜厚は、１ｎｍであり、シリコン量子ドット３とシリコン量子ドット４との間に存在する絶縁膜の膜厚は、１ｎｍであり、シリコン量子ドット４と電極６との間に存在する絶縁膜の膜厚は、２〜３ｎｍである。そして、これらの膜厚は、キャリア（電子または正孔）がトンネル可能な膜厚である。
【００２５】
電極６は、絶縁膜５に接して絶縁膜５上に形成される。そして、電極６は、例えば、ｐ＋型多結晶シリコン（ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなり、例えば、２００ｎｍの膜厚を有する。
【００２６】
図２は、プラズマ処理装置の概略図である。図２を参照して、プラズマ処理装置６００は、石英管６１０と、反応室６２０と、基板ホルダー６３０と、ヒーター６４０と、配管６５０と、バルブ６６０と、アンテナ６７０と、マッチング回路６８０と、高周波電源６９０とを備える。
【００２７】
石英管６１０は、１０ｃｍφの直径を有し、その一方端が反応室６２０内に挿入されるように固定される。反応室６２０は、中空の円筒形状からなり、上面６２０Ａに石英管６１０の一方端を挿入するための開口部６２１を有し、側面６２０Ｂに排気口６２２を有する。そして、反応室６２０は、開口部６２１から石英管６１０の一方端が挿入されることによって、内部空間が石英管６１０の内部空間と連通する。従って、ポンプ（図示せず）によって反応室６２０および石英管６１０の内部の気体を排気口６２２を介して排気できる。
【００２８】
基板ホルダー６３０は、反応室６２０の下面６２０Ｃ上に配置される。ヒーター６４０は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなり、基板ホルダー６３０内に配置される。
【００２９】
配管６５０は、バルブ６６０を介して石英管６１０の他方端に連結される。バルブ６６０は、配管６５０に装着される。アンテナ６７０は、基板ホルダー６３０上に設置された基板７００から３２ｃｍの位置で石英管６１０の周囲を取り巻くように配置される。そして、アンテナ６７０は、その一方端がマッチング回路６８０に接続され、他方端が接地される。
【００３０】
マッチング回路６８０は、アンテナ６７０の一方端と高周波電源６９０との間に接続される。高周波電源６９０は、マッチング回路６８０と、接地ノードとの間に接続される。
【００３１】
ヒーター６４０は、基板ホルダー６３０を介して基板７００を所定の温度に加熱する。配管６５０は、水素（Ｈ２）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、酸素（Ｏ２）ガス、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ゲルマン（ＧｅＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスおよびフォスフィン（ＰＨ３）ガスをボンベ（図示せず）から石英管６１０内に導く。バルブ６６０は、Ｈ２ガス、Ｈｅガス、Ｏ２ガス、ＳｉＨ４ガス、ＧｅＨ４ガス、Ｓｉ２Ｈ６ガス、Ｂ２Ｈ６ガスおよびＰＨ３ガスを石英管６１０内へ供給し、またはＨ２ガス、Ｈｅガス、Ｏ２ガス、ＳｉＨ４ガス、ＧｅＨ４ガス、Ｓｉ２Ｈ６ガス、Ｂ２Ｈ６ガスおよびＰＨ３ガスの石英管６１０内への供給を遮断する。
【００３２】
マッチング回路６８０は、高周波電源６９０から供給された高周波電力の高周波電源６９０側への反射を低くして高周波電力をアンテナ６７０へ供給する。高周波電源６９０は、６０ＭＨｚの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０へ供給する。
【００３３】
プラズマ処理装置６００における処理動作について説明する。基板７００が基板ホルダー６３０上に配置され、排気口６２２から反応室６２０および石英管６１０の真空引きが行なわれる。
【００３４】
その後、バルブ６６０が開けられ、ボンベ（図示せず）から所定量のＯ２ガスが配管６５０を介して石英管６１０内へ導入される。そして、石英管６１０内の圧力が所定の圧力に達すると、高周波電源６９０は、６０ＭＨｚの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に供給する。この場合、マッチング回路６８０は、高周波電源６９０から供給された高周波電力の高周波電源６９０側への反射が最も低くなるように調整される。
【００３５】
そうすると、石英管６１０内でプラズマ７１０が発生し、主に原子状酸素がプラズマ７１０の発生領域から基板７００の方向へ石英管６１０内を拡散し、基板７００表面に到達する。そして、原子状水素は、基板７００表面を処理する。
【００３６】
所定の処理時間が経過すると、高周波電源６９０がオフされ、バルブ６６０が閉じられて処理動作が終了する。
【００３７】
また、プラズマＣＶＤ装置６００において、熱ＣＶＤによってシリコン薄膜、ゲルマニウム薄膜、およびシリコンゲルマニウム薄膜のいずれかを基板７００上に堆積できる。シリコン薄膜を堆積する場合、基板７００は、ＳｉＨ４ガス（またはＳｉ２Ｈ６ガス）が分解可能な温度まで昇温され、ＳｉＨ４ガス（またはＳｉ２Ｈ６ガス）が配管６５０を介して石英管６１０内へ供給される。そして、所定の時間が経過すると、ＳｉＨ４ガス（またはＳｉ２Ｈ６ガス）の供給が停止される。
【００３８】
また、ゲルマニウム薄膜を堆積する場合、基板７００は、ＧｅＨ４ガスが分解可能な温度まで昇温され、ＧｅＨ４ガスが配管６５０を介して石英管６１０内へ供給される。そして、所定の時間が経過すると、ＧｅＨ４ガスの供給が停止される。
【００３９】
更に、シリコンゲルマニウム薄膜を堆積する場合、基板７００は、ＧｅＨ４ガスおよびＳｉＨ４ガス（またはＳｉ２Ｈ６ガス）が分解可能な温度まで昇温され、ＧｅＨ４ガスおよびＳｉＨ４ガス（またはＳｉ２Ｈ６ガス）が配管６５０を介して石英管６１０内に供給される。そして、所定の時間が経過すると、ＧｅＨ４ガスおよびＳｉＨ４ガス（またはＳｉ２Ｈ６ガス）の供給が停止される。
【００４０】
図３および図４は、それぞれ、図１に示す発光素子の製造方法を示す第１および第２の工程図である。
【００４１】
図３を参照して、発光素子１０の製造が開始されると、ｎ＋型単結晶シリコンからなる半導体基板５０の表面をＲＣＡ洗浄し、その後、半導体基板５０を０．１％フッ酸（ＨＦ）に浸漬する。これによって、半導体基板５０の表面は、ＯＨ基で終端される。そして、半導体基板５０をプラズマ処理装置６００の基板ホルダー６３０上にセットする。その後、ヒーター６４０によって基板５０を１０００℃に昇温し、１０００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して半導体基板５０を熱酸化し、二酸化シリコン膜５１を形成する（工程（ａ）参照）。この場合、二酸化シリコン膜５１の膜厚は、４．１ｎｍであり、キャリアがトンネル可能な膜厚である。
【００４２】
工程（ａ）の後、二酸化シリコン膜５１／半導体基板５０を０．１％ＨＦに浸漬する。これによって、二酸化シリコン膜５１の表面がＯＨ基によって終端される。そして、二酸化シリコン膜５１／半導体基板５０を基板ホルダー６３０上にセットし、二酸化シリコン膜５１／半導体基板５０を５８０℃に昇温する。その後、１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給し、反応室６２０内の圧力を１３．３Ｐａに設定する。そして、１分が経過すると、ＳｉＨ４ガスを停止する。これによって、シリコン量子ドット５２が二酸化シリコン膜５１上に自己組織的に形成される（工程（ｂ）参照）。
【００４３】
その後、シリコン量子ドット５２／二酸化シリコン膜５１／半導体基板５０を１０００℃に昇温し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流してシリコン量子ドット５２を熱酸化する。これによって、半導体基板５０側および表面側へ酸化が進行し、半導体基板１、二酸化シリコン膜５３およびシリコン量子ドット５４が形成される（工程（ｃ）参照）。
【００４４】
引き続いて、シリコン量子ドット５４の表面に形成された二酸化シリコン膜を０．１％のＨＦで除去する（工程（ｄ）参照）。これによって、二酸化シリコン膜５５が形成され、シリコン量子ドット５４の一部が露出する。
【００４５】
その後、シリコン量子ドット５４／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を４１０℃に設定し、１００ｓｃｃｍのヘリウム（Ｈｅ）希釈の５％ＧｅＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給し、反応室６２０内の圧力を１３．３Ｐａに設定する。そして、２．５分が経過すると、ＧｅＨ４ガスを停止する。これによって、ゲルマニウム薄膜５６がシリコン量子ドット５４上に形成される（工程（ｅ）参照）。この場合、ゲルマニウム薄膜５６は、二酸化シリコン膜５１上には、形成されない。その理由は、反応室６２０の圧力を１３．３Ｐａに設定し、シリコン量子ドット５５／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を４１０℃に設定すると、ゲルマニウム原子が二酸化シリコン膜５１に付着し難くなるからである。なお、反応室６２０の圧力は、１３．３Ｐａに限らず、１３．３Ｐａ以下であってもよい。このような圧力に設定することによって、ゲルマニウム薄膜５６をシリコン量子ドット５４上にのみ堆積できる。
【００４６】
図４を参照して、工程（ｅ）の後、ゲルマニウム薄膜５６／シリコン量子ドット５４／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を６００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ供給して反応室６２０の圧力を大気圧に設定し、ゲルマニウム薄膜５６／シリコン量子ドット５４／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１を、３０分間、熱酸化する。そして、熱酸化後、ＧｅＯｘ／シリコン量子ドット５４／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を１０００℃に設定し、反応室６２０の圧力を１．３×１０−３Ｐａに設定した状態で、１０分間、熱処理する。
【００４７】
そうすると、ゲルマニウム薄膜５６によって覆われていないシリコン量子ドット５４の一部が酸化されて体積膨張するとともに、ゲルマニウム薄膜５６の酸化物（ＧｅＯｘ，０＜ｘ≦２）の揮発特性によってゲルマニウム薄膜５６がシリコン量子ドット５４上から除去される。その結果、一部が露出したシリコン量子ドット２が形成されるとともに、シリコン量子ドット２間にも成長した二酸化シリコン膜５７が形成される（工程（ｆ）参照）。
【００４８】
その後、シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５７／半導体基板１の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給し、反応室６２０内の圧力を４Ｐａに設定する。そして、数十秒が経過すると、３〜４ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスを１秒だけ、ＳｉＨ４ガスとともに石英管６１０内に供給し、ＳｉＨ４ガスの供給開始から１分が経過すると、ＳｉＨ４ガスを停止する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット５８がシリコン量子ドット２上に形成される（工程（ｇ）参照）。なお、シリコン量子ドット５８は、ＳｉＨ４ガスに代えてＳｉ２Ｈ６を用いて形成されてもよい。
【００４９】
そして、シリコン量子ドット５８／シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５７／半導体基板１の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。その後、高周波電源６９０は、１００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、シリコン量子ドット５８の表面および下側が酸化され、シリコン量子ドット３がシリコン量子ドット２上に形成されるとともに、二酸化シリコン膜５９が半導体基板１上に形成される（工程（ｈ）参照）。
【００５０】
その後、シリコン量子ドット３／シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５９／半導体基板１の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｈ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、５００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜５９の表面がＯＨ基によって終端される。
【００５１】
引き続いて、シリコン量子ドット３／シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５９／半導体基板１の温度を室温に設定し、１００ｓｃｃｍのＧｅＨ４ガスを流す。これによって、ＧｅＨ４ガスが二酸化シリコン膜５９の表面に吸着する。
【００５２】
その後、シリコン量子ドット３／シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５９／半導体基板１の温度を４００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｓｉ２Ｈ６ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、数十秒が経過すると、３〜４ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスを１秒だけ、Ｓｉ２Ｈ６ガスとともに石英管６１０内に供給し、Ｓｉ２Ｈ６ガスの供給開始から１分が経過すると、Ｓｉ２Ｈ６ガスを停止する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット４が形成される。この場合、シリコン量子ドット４の密度は、約１×１０１３ｃｍ−２である。
【００５３】
このように、Ｓｉ２Ｈ６ガスを用いてシリコン量子ドット４を形成する前にＧｅＨ４ガスを二酸化シリコン膜５９の表面に吸着させることによって、高密度のシリコン量子ドット４が形成される。
【００５４】
その後、シリコン量子ドット４／シリコン量子ドット３／シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５９／半導体基板１の温度を３５０℃に設定し、１０ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスと４０ｓｃｃｍのＨｅガスと３ｓｃｃｍの１０％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜がシリコン量子ドット４上に堆積され、二酸化シリコン膜からなる絶縁膜５が形成される。
【００５５】
その後、シリコン量子ドット４／シリコン量子ドット３／シリコン量子ドット２／二酸化シリコン膜５／半導体基板１の温度を６００℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスと１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、２０Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜からなる電極６が二酸化シリコン膜５上に形成され、発光素子１０が完成する（工程（ｉ）参照）。
【００５６】
なお、工程（ｅ）においては、ゲルマニウム薄膜５６に代えてシリコンゲルマニウム薄膜をシリコン量子ドット５４上に形成してもよい。
【００５７】
図５は、図３および図４に示す工程（ｅ），（ｆ）におけるＧｅ３ｄおよびＯ２ｓのスペクトルを示す図である。
【００５８】
図５において、縦軸は、光電子強度を表し、横軸は、結合エネルギーを表す。また、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の一部の拡大図である。
【００５９】
図５を参照して、ゲルマニウム薄膜５６を堆積した状態（図３の工程（ｅ）参照）では、ＳｉとＧｅとの結合（Ｓｉ−Ｇｅ）が観測された（実線参照）。従って、ゲルマニウム薄膜５６は、二酸化シリコン膜５５上には、形成されず、シリコン量子ドット５４上に選択的に形成されることが実証された。
【００６０】
そして、ゲルマニウム薄膜５６を６００℃で熱酸化した状態では、ＧｅとＯとの結合（Ｇｅ−Ｏ）が観測された（点線参照）。
【００６１】
更に、熱酸化後のサンプルを１０００℃で熱処理した状態では、Ｇｅ−Ｏの結合が約４分の１に減少している（黒丸参照）。
【００６２】
このように、ゲルマニウム薄膜５６を６００℃で熱酸化し、その後、１０００℃で熱処理することによって、ゲルマニウムの酸化物は、その揮発性によって除去されることが実証された。
【００６３】
図６は、ドット数とドット高さまたはドット幅との関係を示す図である。図６の（ａ）において、縦軸は、ドット数を表し、横軸は、ドット高さを表す。また、図６の（ｂ）において、縦軸は、ドット数を表し、横軸は、ドット幅を表す。
【００６４】
図６の（ａ）を参照して、ゲルマニウム薄膜５６をシリコン量子ドット５４上に堆積すると（図３の工程（ｅ）参照）、ドット高さは、若干、高くなり、ゲルマニウム薄膜５６を６００℃で熱酸化すると、６．９ｎｍから１６．１ｎｍへと大幅に高くなる。これは、熱酸化によってシリコン量子ドット５４中のシリコンが膨張したためである。
【００６５】
その後、熱酸化されたゲルマニウム薄膜５６を１０００℃で熱処理すると、ドット高さは、１６．１ｎｍから１０．１ｎｍへ低くなる。これは、Ｇｅの酸化物が除去されたためである。
【００６６】
更に、シリコン量子ドット５８が形成されると（図４の工程（ｇ）参照）、ドット高さは、１０．１ｎｍから１２．６ｎｍへと高くなる。
【００６７】
一方、ドット幅は、ゲルマニウム薄膜５６の堆積（図３の工程（ｅ）参照）、ゲルマニウム薄膜５６の熱酸化、熱酸化されたゲルマニウム薄膜５６の熱処理、およびシリコン量子ドット５８の形成（図４の工程（ｇ）参照）の間、熱酸化によって、若干、大きくなる以外、殆ど変化しない（図６の（ｂ）参照）。
【００６８】
従って、図６に示す結果から、シリコン量子ドット５８は、シリコン量子ドット２上に形成されていることが実証された。
【００６９】
このように、ゲルマニウム薄膜５６の堆積後、そのゲルマニウム薄膜５６を酸化して除去し、その後、ＳｉＨ４ガスを用いたＬＰＣＶＤ（減圧気相化学堆積法）を行うことによって、シリコン量子ドット５８は、ゲルマニウム薄膜５６が除去されたシリコン量子ドット２に連結して形成される。
【００７０】
図７は、図１に示す発光素子１０のエネルギーバンド図の模式図である。なお、図７の（ａ）は、半導体基板１と電極６との間に電圧Ｖｇが印加されていないときのエネルギーバンド図を示し、図７の（ｂ）は、半導体基板１と電極６との間に正の電圧Ｖｇが印加されているときのエネルギーバンド図を示す。
【００７１】
図７の（ａ）を参照して、半導体基板１は、ｎ＋型単結晶シリコンからなるので、フェルミエネルギーＥｆ１は、伝導帯Ｅｃ１の近傍に存在する。そして、伝導帯Ｅｃ１と価電子帯Ｅｖ１とのエネルギー差である半導体基板１のバンドギャップＥｇ１は、約１．１ｅＶである。
【００７２】
また、電極６は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなるので、フェルミエネルギーＥｆ２は、価電子帯Ｅｖ２の近傍に存在する。そして、伝導帯Ｅｃ２と価電子帯Ｅｖ２とのエネルギー差である電極６のバンドギャップＥｇ２は、約１．１ｅＶである。
【００７３】
更に、シリコン量子ドット３は、上述したように、５ｎｍのサイズを有し、絶縁膜５によって囲まれているので、伝導帯中にサブ準位が形成され、価電子帯中にもサブ準位が形成される。
【００７４】
更に、シリコン量子ドット４は、上述したように、２ｎｍのサイズを有し、絶縁膜５によって囲まれているので、伝導帯中にサブ準位が形成され、価電子帯中にもサブ準位が形成される。
【００７５】
そして、シリコン量子ドット４のサイズは、シリコン量子ドット３のサイズよりも小さいので、シリコン量子ドット４中のサブ準位は、シリコン量子ドット３中のサブ準位よりもエネルギー的に高い。
【００７６】
図７の（ｂ）を参照して、電極６がプラスになり、半導体基板１がマイナスになるように、発光素子１０の厚み方向に電圧Ｖｇが印加されると、電極６中の正孔は、絶縁膜５（＝二酸化シリコン膜）をトンネルしながらシリコン量子ドット４のサブ準位およびシリコン量子ドット３のサブ準位を介してシリコン量子ドット２の価電子帯へ注入され、シリコン量子ドット２内に閉じ込められる。
【００７７】
また、半導体基板１中の電子は、絶縁膜５（＝二酸化シリコン膜）を介してシリコン量子ドット２の伝導帯へ注入され、シリコン量子ドット２内に閉じ込められる。そして、シリコン量子ドット２内に閉じ込められた電子は、価電子帯に存在する正孔と再結合し、発光する。この発光された光は、シリコン量子ドット２のバンドギャップのエネルギー差に相当する波長を有する。
【００７８】
図８は、図１に示す発光素子１０におけるキャリアの注入の概念図である。図８を参照して、電極６がプラスになり、半導体基板１がマイナスになるように、発光素子１０の厚み方向に電圧Ｖｇが印加されると、電極６中の正孔は、例えば、３個のシリコン量子ドット４Ａ，４Ｂ，４Ｃを介してシリコン量子ドット３Ａ中へ注入され、シリコン量子ドット３Ａからシリコン量子ドット２Ａ中へ注入される。また、半導体基板１中の電子は、シリコン量子ドット２Ａ中へ注入される。
【００７９】
このように、シリコン量子ドット３Ａをシリコン量子ドット２Ａの上に形成し、複数のシリコン量子ドット４Ａ，４Ｂ，４Ｃをシリコン量子ドット３Ａ上に形成することによって、半導体基板１からの電子と、電極６からの正孔とが同じシリコン量子ドット２Ａに注入され易くなり、再結合し易くなる。
【００８０】
従って、発光素子１０の発光効率を向上できる。
【００８１】
なお、発光素子１０においては、シリコン量子ドット４がなくてもよい。電極６中の正孔は、シリコン量子ドット４がなくても、シリコン量子ドット３を介して半導体基板１からの電子と同じシリコン量子ドット２中へ注入され易くなるからである。
【００８２】
また、発光素子１０においては、シリコン量子ドット２にｎ型のドーパントであるリン（Ｐ）をデルタドーピングしてもよい。これによって、シリコン量子ドット２中の電子が増加し、電極６からシリコン量子ドット２中へ注入された正孔と再結合し易くなり、発光素子１０の発光効率を更に向上できる。この場合、シリコン量子ドット２を形成するためのＳｉＨ４ガスの供給開始から数十秒が経過すると、１％のＰＨ３ガスを１秒だけＳｉＨ４ガスとともに供給し、ＳｉＨ４ガスの供給開始から１分が経過すると、ＳｉＨ４ガスを停止する。
【００８３】
図９は、シリコン量子ドットの表面電位の変化を示す図である。図９において、縦軸は、表面電位の変化を表し、横軸は、時間を表す。また、直線ｋ１は、単一のシリコン量子ドットにおける表面電位の変化を示し、曲線ｋ２は、縦方向に配列された２個のシリコン量子ドットにおける表面電位の変化を示す。
【００８４】
図９を参照して、単一のシリコン量子ドットの表面電位は、キャリアを注入しても、殆ど、変化しない（直線ｋ１参照）。
【００８５】
一方、縦方向に配列された２個のシリコン量子ドットにおける表面電位は、最初、キャリア注入によって、約−１５０（ｍＶ）へ変化し、その後、約−５０（ｍＶ）へ変化する（曲線ｋ２参照）。
【００８６】
従って、キャリアは、縦方向に配列された２個のシリコン量子ドット間をトンネルによって移動することが実証された。
【００８７】
図１０は、発光強度の実験結果を示す図である。図１０において、縦軸は、発光強度を表し、横軸は、波長を表す。
【００８８】
なお、図１０の（ａ）は、図１に示す発光素子１０の発光強度の電圧Ｖｇ依存性を示す。また、図１０の（ｂ）は、図１に示す発光素子１０の発光強度と、２個のシリコン量子ドットを縦方向（＝半導体基板に垂直な方向）に任意に配列した発光素子の発光強度との比較を示す。そして、この発光強度の比較は、注入される電流密度を０．０４（Ａ／ｃｍ２）と同じにして行われた。
【００８９】
図１０の（ａ）を参照して、発光強度は、電圧Ｖｇの増加に伴って強くなる。これは、電圧Ｖｇの増加に伴って、シリコン量子ドット２中へ注入されるキャリア（電子および正孔）が増えるためである。
【００９０】
図１０の（ｂ）を参照して、発光素子１０の発光強度（実線）は、２個のシリコン量子ドットを任意に配列した発光素子の発光強度（黒丸）よりも、約２倍、強い。この発光強度の比較においては、電流密度が一定に保持されているので、この発光強度の相違は、発光効率の相違に基づくものである。そして、実施の形態１による発光素子１０は、発光効率が高いことが実証された。
【００９１】
［実施の形態２］
図１１は、実施の形態２による発光素子の断面図である。図１１を参照して、実施の形態２による発光素子１０Ａは、半導体基板１１と、シリコン量子ドット１２〜１４と、絶縁膜１５と、電極１６とを備える。
【００９２】
半導体基板１１は、ｐ＋型単結晶シリコンからなる。シリコン量子ドット１２は、半導体基板１１との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１５中に形成される。また、シリコン量子ドット１２は、例えば、Ｂをデルタドーピングしたシリコン量子ドットからなる。そして、シリコン量子ドット１２は、例えば、６ｎｍのサイズを有する。
【００９３】
シリコン量子ドット１３は、例えば、Ｂをデルタドーピングしたシリコン量子ドットからなる。そして、シリコン量子ドット１３は、例えば、５ｎｍのサイズを有する。また、シリコン量子ドット１３は、複数のシリコン量子ドット１２との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように複数のシリコン量子ドット１２上に形成される。
【００９４】
シリコン量子ドット１４は、シリコン量子ドット１３との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するようにシリコン量子ドット１３上に形成される。そして、シリコン量子ドット１４は、例えば、３ｎｍのサイズを有する。
【００９５】
絶縁膜１５は、例えば、二酸化シリコン膜からなり、半導体基板１１に接して半導体基板１１上に形成される。そして、絶縁膜１５は、例えば、５〜６ｎｍの膜厚を有する。この場合、半導体基板１１とシリコン量子ドット１２との間に存在する絶縁膜の膜厚は、１ｎｍであり、シリコン量子ドット１２とシリコン量子ドット１３との間に存在する絶縁膜の膜厚は、１ｎｍであり、シリコン量子ドット１３とシリコン量子ドット１４との間に存在する絶縁膜の膜厚は、１ｎｍであり、シリコン量子ドット１４と電極１６との間に存在する絶縁膜の膜厚は、２〜３ｎｍである。そして、これらの膜厚は、キャリア（電子または正孔）がトンネル可能な膜厚である。
【００９６】
電極１６は、絶縁膜１５に接して絶縁膜１５上に形成される。そして、電極１６は、例えば、ｎ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、例えば、２００ｎｍの膜厚を有する。
【００９７】
このように、発光素子１０Ａは、発光素子１０において、シリコン量子ドット２〜４の配置位置を半導体基板１に垂直な方向に逆転させた構造からなる。
【００９８】
図１２および図１３は、それぞれ、図１１に示す発光素子１０Ａの製造方法を示す第１および第２の工程図である。
【００９９】
図１２を参照して、発光素子１０Ａの製造が開始されると、ｐ＋型単結晶シリコンからなる半導体基板６０の表面をＲＣＡ洗浄し、その後、半導体基板６０を０．１％ＨＦに浸漬する。これによって、半導体基板６０の表面は、ＯＨ基で終端される。そして、半導体基板６０をプラズマ処理装置６００の基板ホルダー６３０上にセットする。その後、ヒーター６４０によって半導体基板６０を１０００℃に昇温し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して半導体基板６０を熱酸化し、二酸化シリコン膜６１を形成する（工程（ａ）参照）。この場合、二酸化シリコン膜６１の膜厚は、４．１ｎｍであり、キャリアがトンネル可能な膜厚である。
【０１００】
工程（ａ）の後、二酸化シリコン膜６１／半導体基板６０を０．１％ＨＦに浸漬する。これによって、二酸化シリコン膜６１の表面がＯＨ基によって終端される。
【０１０１】
そして、二酸化シリコン膜６１／半導体基板６０を基板ホルダー６３０上にセットし、二酸化シリコン膜６１／半導体基板６０の温度を室温に設定し、１００ｓｃｃｍのＧｅＨ４ガスを流す。これによって、ＧｅＨ４ガスが二酸化シリコン膜６１の表面に吸着する。
【０１０２】
その後、二酸化シリコン膜６１／半導体基板６０の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｓｉ２Ｈ６ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、数十秒が経過すると、３〜４ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスを１秒だけ、Ｓｉ２Ｈ６ガスとともに石英管６１０内に供給し、Ｓｉ２Ｈ６ガスの供給開始から１分が経過すると、Ｓｉ２Ｈ６ガスを停止する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット６２が二酸化シリコン膜６１上に形成される。この場合、シリコン量子ドット６２の密度は、約１×１０１３ｃｍ−２である。
【０１０３】
その後、シリコン量子ドット６２／二酸化シリコン膜６１／半導体基板６０の温度を１０００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給してシリコン量子ドット６２を熱酸化する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット１２が二酸化シリコン膜６４中に形成される（工程（ｃ）参照）。
【０１０４】
その後、シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜６４／半導体基板６０の温度を４００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｓｉ２Ｈ６ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、数十秒が経過すると、３〜４ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスを１秒だけ、Ｓｉ２Ｈ６ガスとともに石英管６１０内に供給し、Ｓｉ２Ｈ６ガスの供給開始から１分が経過すると、Ｓｉ２Ｈ６ガスを停止する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン薄膜が二酸化シリコン膜６４上に形成される。
【０１０５】
その後、シリコン薄膜／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜６４／半導体基板６０の温度を１０００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給してシリコン薄膜を熱酸化する。これによって、シリコン薄膜６５／二酸化シリコン膜６６が二酸化シリコン膜６４上に形成される（工程（ｄ）参照）。この場合、シリコン薄膜６５は、Ｂがデルタドーピングされている。
【０１０６】
引き続いて、二酸化シリコン膜６６／シリコン薄膜６５／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜６４／半導体基板６０の温度を４００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｓｉ２Ｈ６ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、１分が経過すると、Ｓｉ２Ｈ６ガスを停止する。これによって、シリコン量子ドット６７が二酸化シリコン膜６５上に形成される（工程（ｅ）参照）。
【０１０７】
図１３を参照して、工程（ｅ）の後、シリコン量子ドット６７／二酸化シリコン膜６６／シリコン薄膜６５／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜６４／半導体基板６０の温度を１０００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給してシリコン量子ドット６７をマスクに使用しながら熱酸化を半導体基板６０の表面まで進行させる。その結果、複数のシリコン量子ドット１２上にシリコン量子ドット１３およびシリコン量子ドット１４が形成されるとともに、二酸化シリコン膜７０が形成される（工程（ｆ）参照）。この場合、シリコン量子ドット１３は、シリコン薄膜６５から形成され、Ｂがデルタドーピングされている。
【０１０８】
そして、シリコン量子ドット１４／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜７０／半導体基板１１の温度を３５０℃に設定し、１０ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスと４０ｓｃｃｍのＨｅガスと３ｓｃｃｍの１０％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜が二酸化シリコン膜７０上に堆積され、二酸化シリコン膜からなる絶縁膜１５が形成される。
【０１０９】
その後、シリコン量子ドット１４／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜１５／半導体基板１１の温度を６００℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１％ＰＨ３ガスと１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、ｎ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜からなる電極１６が二酸化シリコン膜１５上に形成され、発光素子１０Ａが完成する（工程（ｇ）参照）。
【０１１０】
発光素子１０Ａのエネルギーバンド図は、図７において、ｎ＋型単結晶シリコンからなる半導体基板１と、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる電極６とを入れ替えたエネルギーバンド図に等しい。
【０１１１】
その結果、発光素子１０Ａは、上述した発光素子１０と同じ機構によって発光する。従って、発光素子１０と同様に、発光素子１０Ａにおいても、発光効率を向上できる。
【０１１２】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１１３】
［実施の形態３］
図１４は、実施の形態３による発光素子の断面図である。図１４を参照して、実施の形態３による発光素子１０Ｂは、図１に示す発光素子１０のシリコン量子ドット２を量子ドット２０に代えたものであり、その他は、発光素子１０と同じである。
【０１１４】
量子ドット２０は、８ｎｍのサイズを有する。また、量子ドット２０は、半導体基板１との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜５中に形成される。更に、量子ドット２０は、シリコン量子ドット３との間にも、キャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜５中に形成される。
【０１１５】
そして、量子ドット２０は、コア２１と、シェル２２とからなる。コア２１は、例えば、Ｇｅからなり、４ｎｍのサイズを有する。シェル２２は、コア２１の周囲を覆う。そして、シェル２２は、例えば、Ｓｉからなる。
【０１１６】
図１５から図１７は、それぞれ、図１４に示す発光素子１０Ｂの製造方法を示す第１から第３の工程図である。
【０１１７】
図１５を参照して、発光素子１０Ｂの製造が開始されると、図３に示す工程（ａ）〜工程（ｅ）と同じ工程が順次実行される（工程（ａ）〜工程（ｅ）参照）。
【０１１８】
図１６を参照して、工程（ｅ）の後、ゲルマニウム薄膜５６／シリコン量子ドット５４／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を５６０℃に設定し、８ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２．６６Ｐａに設定する。そして、３分が経過すると、ＳｉＨ４ガスを停止する。これによって、シリコン薄膜がゲルマニウム薄膜５６上に選択的に堆積し、量子ドット７１が二酸化シリコン膜５５上に形成される（工程（ｆ）参照）。この場合、量子ドット７１は、Ｇｅからなるコア７１１と、Ｓｉからなるシェル７１２とを含む。
【０１１９】
そして、量子ドット７１／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を４５０℃に設定し、１００ｓｃｃｍのヘリウム（Ｈｅ）希釈の５％ＧｅＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給し、反応室６２０内の圧力を１３．３Ｐａに設定する。そして、２．５分が経過すると、ＧｅＨ４ガスを停止する。これによって、ゲルマニウム薄膜７２が量子ドット７１上に形成される（工程（ｇ）参照）。この場合、ゲルマニウム薄膜７２は、上述した理由によって、二酸化シリコン膜５５上には、形成されず、量子ドット７１上にのみ形成される。なお、反応室６２０の圧力は、１３．３Ｐａに限らず、１３．３Ｐａ以下であってもよい。
【０１２０】
工程（ｇ）の後、ゲルマニウム薄膜７２／量子ドット７１／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を６００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ供給して反応室６２０の圧力を大気圧に設定し、ゲルマニウム薄膜７２／量子ドット７１／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１を、３０分間、熱酸化する。そして、熱酸化後、ＧｅＯｘ／量子ドット７１／二酸化シリコン膜５５／半導体基板１の温度を１０００℃に設定し、反応室６２０の圧力を１．３×１０−３Ｐａに設定した状態で、１０分間、熱処理する。
【０１２１】
そうすると、ゲルマニウム薄膜７２によって覆われていない量子ドット７１の一部（シェル７１２）が酸化されて体積膨張するとともに、ゲルマニウム薄膜７２の酸化物（ＧｅＯｘ）の揮発特性によってゲルマニウム薄膜７２が量子ドット７１上から除去される。その結果、一部が露出した量子ドット２０が形成されるとともに、量子ドット２０間にも成長した二酸化シリコン膜７３が形成される（工程（ｈ）参照）。
【０１２２】
その後、量子ドット２０／二酸化シリコン膜７３／半導体基板１の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給し、反応室６２０内の圧力を４Ｐａに設定する。そして、数十秒が経過すると、３〜４ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスを１秒だけ、ＳｉＨ４ガスとともに石英管６１０内に供給し、ＳｉＨ４ガスの供給開始から１分が経過すると、ＳｉＨ４ガスを停止する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット７４が量子ドット２０上に形成される（工程（ｉ）参照）。
【０１２３】
図１７を参照して、工程（ｉ）の後、シリコン量子ドット７４／量子ドット２０／二酸化シリコン膜７３／半導体基板１の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、５００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、シリコン量子ドット７４の表面および下側が酸化され、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット３が量子ドット２０上に形成されるとともに、二酸化シリコン膜７５が半導体基板１上に形成される（工程（ｊ）参照）。
【０１２４】
その後、シリコン量子ドット３／量子ドット２０／二酸化シリコン膜７５／半導体基板１の温度を５８０℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｈ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、５００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜７５の表面がＯＨ基によって終端される。
【０１２５】
引き続いて、シリコン量子ドット３／量子ドット２０／二酸化シリコン膜７５／半導体基板１の温度を室温に設定し、１００ｓｃｃｍのＧｅＨ４ガスを流す。これによって、ＧｅＨ４ガスが二酸化シリコン膜７５の表面に吸着する。
【０１２６】
その後、シリコン量子ドット３／量子ドット２０／二酸化シリコン膜７５／半導体基板１の温度を４００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの１００％Ｓｉ２Ｈ６ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、数十秒が経過すると、３〜４ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスを１秒だけ、Ｓｉ２Ｈ６ガスとともに石英管６１０内に供給し、Ｓｉ２Ｈ６ガスの供給開始から１分が経過すると、Ｓｉ２Ｈ６ガスを停止する。これによって、Ｂがデルタドーピングされたシリコン量子ドット４が形成される。この場合、シリコン量子ドット４の密度は、約１×１０１３ｃｍ−２である。
【０１２７】
その後、シリコン量子ドット４／シリコン量子ドット３／量子ドット２０／二酸化シリコン膜７５／半導体基板１の温度を３５０℃に設定し、１０ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスと４０ｓｃｃｍのＨｅガスと３ｓｃｃｍの１０％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜がシリコン量子ドット４上に堆積され、二酸化シリコン膜からなる絶縁膜５が形成される。
【０１２８】
その後、シリコン量子ドット４／シリコン量子ドット３／量子ドット２０／二酸化シリコン膜５／半導体基板１の温度を６００℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスと１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜からなる電極６が二酸化シリコン膜５上に形成され、発光素子１０Ｂが完成する（工程（ｋ）参照）。
【０１２９】
なお、工程（ｇ）においては、ゲルマニウム薄膜７２に代えてシリコンゲルマニウム薄膜が形成されてもよい。
【０１３０】
また、工程（ｆ）において、シリコン薄膜をゲルマニウム薄膜５６上に堆積するときの圧力は、２．６６Ｐａに限らず、２．６６Ｐａ以下であればよい。このような圧力に設定することによって、シリコン薄膜をゲルマニウム薄膜５６上にのみ堆積でき、コア７１１とシェル７１２とからなる量子ドット７１を作製できる。
【０１３１】
図１８は、図１４に示す発光素子１０Ｂのエネルギーバンド図の模式図である。なお、図１８の（ａ）は、半導体基板１と電極６との間に電圧Ｖｇが印加されていないときのエネルギーバンド図を示し、図１８の（ｂ）は、半導体基板１と電極６との間に正の電圧Ｖｇが印加されているときのエネルギーバンド図を示す。
【０１３２】
また、図１８の（ａ），（ｂ）に示すエネルギーバンド図は、それぞれ、図７の（ａ），（ｂ）に示すエネルギーバンド図のシリコン量子ドット２を量子ドット２０に代えたものであり、その他は、図７の（ａ），（ｂ）に示すエネルギーバンド図と同じである。
【０１３３】
図１８の（ａ）を参照して、量子ドット２０は、Ｇｅからなるコア２１と、Ｓｉからなるシェル２２からなるので、量子ドット２０においては、コア２１（＝Ｇｅ）の価電子帯Ｅｖ４は、シェル２２（＝Ｓｉ）の価電子帯Ｅｖ３よりもエネルギー的に低く、コア２１（＝Ｇｅ）の伝導帯Ｅｃ４は、シェル２２（＝Ｓｉ）の伝導帯Ｅｃ３よりもエネルギー的に若干高い。
【０１３４】
図１８の（ｂ）を参照して、電極６がプラスになり、半導体基板１がマイナスになるように、発光素子１０Ｂの厚み方向に電圧Ｖｇが印加されると、電極６中の正孔は、絶縁膜５（＝二酸化シリコン膜）をトンネルしながらシリコン量子ドット４中のサブ準位およびシリコン量子ドット３のサブ準位を介して量子ドット２０のコア２１（＝Ｇｅ）の価電子帯Ｅｖ４へ注入され、量子ドット２０内に閉じ込められる。
【０１３５】
また、半導体基板１中の電子は、絶縁膜５（＝二酸化シリコン膜）を介して量子ドット２０のコア２１（＝Ｇｅ）の伝導帯Ｅｃ４へ注入され、量子ドット２０内に閉じ込められる。そして、量子ドット２０内に閉じ込められた電子は、価電子帯Ｅｖ４に存在する正孔と再結合し、発光する。この発光された光は、量子ドット２０のコア２１（＝Ｇｅ）のバンドギャップに相当する波長を有する。
【０１３６】
発光素子１０Ｂにおいては、発光層である量子ドット２０がコア２１（＝Ｇｅ）とシェル２２（＝Ｓｉ）とからなるため、正孔は、量子ドット２０のコア２１（＝Ｇｅ）内に閉じ込められ、発光素子１０よりも更に量子ドット２０中に閉じ込められる。
【０１３７】
その結果、発光素子１０Ｂにおいては、発光素子１０よりも更に電子と正孔との再結合が生じ易くなる。
【０１３８】
従って、発光効率を向上できる。
【０１３９】
なお、上記においては、発光素子１０Ｂの量子ドット２０は、Ｇｅからなるコア２１を含むと説明したが、実施の形態３においては、これに限らず、量子ドット２０は、Ｓｉ−Ｇｅからなるコア２１を含んでいてもよい。コア２１がＳｉ−Ｇｅからなっていれば、コア２１のバンドギャップは、シェル２２のバンドギャップよりも小さいので、電極６から注入された正孔は、コア２１中に閉じ込められ、上述したように、発光効率を高くできるからである。
【０１４０】
また、発光素子１０Ｂにおいては、ｎ型のドーパントであるＰ原子をコア２１にデルタドーピングしてもよい。この場合、コア２１用のゲルマニウム薄膜を形成するためのＧｅＨ４ガスの供給開始から数十秒が経過すると、１％のＰＨ３ガスを１秒だけＧｅＨ４ガスとともに供給し、ＧｅＨ４ガスの供給開始から１分が経過すると、ＧｅＨ４ガスを停止する。
【０１４１】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１４２】
［実施の形態４］
図１９は、実施の形態４による発光素子の断面図である。図１９を参照して、実施の形態４による発光素子１０Ｃは、図１１に示す発光素子１０Ａのシリコン量子ドット１４を量子ドット１４０に代えたものであり、その他は、発光素子１０Ａと同じである。
【０１４３】
量子ドット１４０は、図１４に示す量子ドット２０と同じ構成からなる。そして、量子ドット１４０は、２０ｎｍのサイズを有する。また、量子ドット１４０は、電極１６との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１５中に形成される。更に、量子ドット１４０は、シリコン量子ドット１３との間にも、キャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１５中に形成される。
【０１４４】
図２０から図２２は、それぞれ、図１９に示す発光素子１０Ｃの製造方法を示す第１から第３の工程図である。
【０１４５】
図２０を参照して、発光素子１０Ｃの製造が開始されると、図１２に示す工程（ａ）〜工程（ｅ）と同じ工程が順次実行される（工程（ａ）〜工程（ｅ）参照）。
【０１４６】
図２１を参照して、工程（ｅ）の後、シリコン量子ドット６７／二酸化シリコン膜６６／シリコン薄膜６５／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜６４／半導体基板６０の温度を１０００℃に設定し、１００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内に供給してシリコン量子ドット６７をマスクに使用しながら熱酸化を半導体基板６０の表面まで進行させる。その結果、複数のシリコン量子ドット１２上にシリコン量子ドット１３およびシリコン量子ドット１４が形成されるとともに、二酸化シリコン膜７０が形成される（工程（ｆ）参照）。
【０１４７】
そして、シリコン量子ドット１４／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜７０／半導体基板１１を０．１％の希釈ＨＦに浸漬して二酸化シリコン膜を除去し、シリコン量子ドット１４を露出させる（工程（ｇ）参照）。
【０１４８】
その後、シリコン量子ドット１４／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜７０／半導体基板１１の温度を４５０℃に設定し、１００ｓｃｃｍのＨｅ希釈５％のＧｅＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、３分が経過すると、ＧｅＨ４ガスを停止する。これによって、ゲルマニウム薄膜７７がシリコン量子ドット１４上に形成される（工程（ｈ）参照）。この場合、ゲルマニウム薄膜７７がシリコン量子ドット１４上にのみ堆積する理由は、上述したとおりである。
【０１４９】
引き続いて、ゲルマニウム薄膜７７／シリコン量子ドット１４／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜７０／半導体基板１１の温度を５８０℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、３分が経過すると、ＳｉＨ４ガスを停止する。これによって、量子ドット１４０がシリコン量子ドット１３上に形成される（工程（ｉ）参照）。
【０１５０】
図２２を参照して、工程（ｉ）の後、シリコン量子ドット１４０／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜７０／半導体基板１１の温度を３５０℃に設定し、１０ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスと４０ｓｃｃｍのＨｅガスと３ｓｃｃｍの１０％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜が二酸化シリコン膜７０上に堆積され、二酸化シリコン膜からなる絶縁膜１５が形成される。
【０１５１】
その後、シリコン量子ドット１４０／シリコン量子ドット１３／シリコン量子ドット１２／二酸化シリコン膜１５／半導体基板１１の温度を６００℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１％ＰＨ３ガスと１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、ｎ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜からなる電極１６が二酸化シリコン膜１５上に形成され、発光素子１０Ａが完成する（工程（ｊ）参照）。
【０１５２】
発光素子１０Ｃのエネルギーバンド図は、図１８において、ｎ＋型単結晶シリコンからなる半導体基板１と、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる電極６とを入れ替えたエネルギーバンド図に等しい。
【０１５３】
その結果、発光素子１０Ｃは、上述した発光素子１０Ｂと同じ機構によって発光する。従って、発光素子１０Ｂと同様に、発光素子１０Ｃにおいても、発光効率を向上できる。
【０１５４】
なお、上記においては、発光素子１０Ｃの量子ドット１４０は、Ｇｅからなるコア２１を含むと説明したが、実施の形態３においては、これに限らず、量子ドット１４０は、Ｓｉ−Ｇｅからなるコア２１を含んでいてもよい。コア２１がＳｉ−Ｇｅからなっていれば、コア２１のバンドギャップは、シェル２２のバンドギャップよりも小さいので、電極６から注入された正孔は、コア２１中に閉じ込められ、上述したように、発光効率を高くできるからである。
【０１５５】
また、発光素子１０Ｃにおいては、ｎ型のドーパントであるＰ原子をコア２１にデルタドーピングしてもよい。この場合、コア２１用のゲルマニウム薄膜を形成するためのＧｅＨ４ガスの供給開始から数十秒が経過すると、１％のＰＨ３ガスを１秒だけＧｅＨ４ガスとともに供給し、ＧｅＨ４ガスの供給開始から１分が経過すると、ＧｅＨ４ガスを停止する。
【０１５６】
その他は、実施の形態２と同じである。
【０１５７】
図２３は、この発明の実施の形態による発光装置の断面図である。図２３を参照して、この発明の実施の形態による発光装置１００は、半導体基板１０１と、ピラー１０２と、発光層１０３，１０４と、電極１０５，１０６，１０８と、絶縁膜１０７とを備える。
【０１５８】
半導体基板１０１は、ｎ＋型単結晶シリコンまたはｐ＋型単結晶シリコンからなる。ピラー１０２は、半導体基板１０１と同じ材料からなり、半導体基板１０１の一主面上に形成される。そして、ピラー１０２は、発光層１０３，１０４が発光する光の波長をλとした場合、ｎ×λ／２（ｎは整数）の幅を有する。
【０１５９】
発光層１０３は、略Ｌ字形状からなり、ピラー１０２の側壁および半導体基板１０１との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１０７中に形成される。また、発光層１０３は、電極１０５との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１０７中に形成される。
【０１６０】
発光層１０４は、略Ｌ字形状からなり、ピラー１０２の幅方向において、発光層１０３と対向する位置に配置される。そして、発光層１０４は、ピラー１０２の側壁および半導体基板１０１との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１０７中に形成される。また、発光層１０４は、電極１０６との間にキャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜が存在するように絶縁膜１０７中に形成される。
【０１６１】
そして、発光層１０３，１０４の各々は、上述した発光素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかに含まれる縦方向に連結された複数の量子ドットからなる。例えば、発光素子１０中の量子ドットが用いられる場合、発光層１０３，１０４の各々は、シリコン量子ドット２〜４がピラー１０２の側壁または半導体基板１０１に垂直な方向に配列された構造からなる。発光素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ中の量子ドットが用いられる場合も同じである。
【０１６２】
電極１０５，１０６は、それぞれ、発光層１０３，１０４に対応して配置される。そして、電極１０５，１０６の各々は、ピラー１０２がｎ＋型単結晶シリコンからなるとき、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、ピラー１０２がｐ＋型単結晶シリコンからなるとき、ｎ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる。
【０１６３】
絶縁膜１０７は、例えば、二酸化シリコン膜からなり、半導体基板１０１上に形成されるとともに、ピラー１０２、発光層１０３，１０４、および電極１０５，１０６を覆う。
【０１６４】
電極１０８は、一部がスルーホール（図示せず）を介してピラー１０２に接続され、絶縁膜１０７上に形成される。
【０１６５】
ピラー１０２がｎ＋型単結晶シリコンからなるとき、電極１０５，１０６がプラスになり、電極１０８がマイナスになるように電極１０５，１０６と電極１０８との間に電圧Ｖｇを印加する。そうすると、ピラー１０２から電子が発光層１０３，１０４へ注入され、正孔が電極１０５，１０６からそれぞれ発光層１０３，１０４へ注入され、発光層１０３，１０４は、上述した機構によって発光する。
【０１６６】
発光層１０３，１０４から出射された光は、ピラー１０２中へ入射し、発光層１０３からの光が発光層１０４からの光と干渉する。そして、発光装置１００は、発光層１０３，１０４から出射された光が相互に干渉した干渉光を出射する。
【０１６７】
従って、発光装置１００においては、ピラー１０２の幅を変えることによって、発光層１０３，１０４から出射された光の干渉度合いを変えることができ、その結果、発光装置１００から出射される光のスペクトル幅を変えることができる。
【０１６８】
なお、ピラー１０２がｐ＋型単結晶シリコンからなるときも、発光装置１００は、同様にして発光する。
【０１６９】
図２４および図２５は、それぞれ、図２３に示す発光装置１００の製造方法を示す第１および第２の工程図である。
【０１７０】
図２４を参照して、発光装置１００の製造が開始されると、（１００）の面方位を有するｎ型単結晶シリコンからなる半導体基板１０１に電子線リソグラフィおよび異方性エッチングによってライン＆スペースパターンを形成し、半導体基板１０１上にピラー１０２を形成する（工程（ａ）参照）。
【０１７１】
そして、ピラー１０２／半導体基板１０１の温度を１０００℃に設定し、１０００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流してピラー１０２／半導体基板１０１を熱酸化する。これによって、二酸化シリコン膜１１１がピラー１０２／半導体基板１０１の表面に形成される（工程（ｂ）参照）。
【０１７２】
その後、上述した方法によって、半導体基板１０１またはピラー１０２の表面および側面に垂直な方向に連結された２個の量子ドット１１２を形成する（工程（ｃ）参照）。
【０１７３】
引き続いて、量子ドット１１２／二酸化シリコン膜１１１／ピラー１０２／半導体基板１０１の温度を１０００℃に設定し、１０００ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスを配管６５０から石英管６１０内へ流して量子ドット１１２を熱酸化する。これによって、二酸化シリコン膜１１３が形成される（工程（ｄ）参照）。
【０１７４】
図２５を参照して、工程（ｄ）の後、量子ドット１１２／二酸化シリコン膜１１３／ピラー１０２／半導体基板１０１の温度を３５０℃に設定し、１０ｓｃｃｍの２％Ｏ２ガスと４０ｓｃｃｍのＨｅガスと３ｓｃｃｍの１０％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、二酸化シリコン膜が二酸化シリコン膜１１３上に堆積される。
【０１７５】
その後、二酸化シリコン膜／量子ドット１１２／二酸化シリコン膜１１３／ピラー１０２／半導体基板１０１の温度を６００℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスと１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を２６．６Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１１４が二酸化シリコン膜１１３上に形成される（工程（ｅ）参照）。
【０１７６】
そして、高選択異方性エッチングによって、ピラー１０２上および二酸化シリコン膜１１３上のｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１１４を除去する（工程（ｆ）参照）。
【０１７７】
引き続いて、半導体基板１０１およびピラー１０２上の二酸化シリコン膜１１３および量子ドット１１２を０．１％の希釈ＨＦでエッチングする（工程（ｇ）参照）。これによって、発光層１０３，１０４および電極１０５，１０６が形成される。
【０１７８】
その後、試料の表面をＵＶオゾンまたはリモート酸素プラズマで酸化し、ＳＯＧ膜を塗布する。これによって、絶縁膜１０７が形成される。
【０１７９】
そして、ピラー１０２上の絶縁膜１０７を０．１％の希釈ＨＦでエッチングして絶縁膜１０７に孔を開ける。
【０１８０】
その後、電極１０５，１０６／絶縁膜１０７／発光層１０３，１０４／ピラー１０２／半導体基板１０１の温度を６００℃に設定し、１０ｓｃｃｍの１％Ｂ２Ｈ６ガスと１００ｓｃｃｍの１００％ＳｉＨ４ガスとを配管６５０から石英管６１０内へ流して反応室６２０内の圧力を４０Ｐａに設定する。そして、高周波電源６９０は、４００Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる電極１０８が形成され、発光装置１００が完成する（工程（ｈ）参照）。
【０１８１】
上述した実施の形態１〜実施の形態４においては、各種の発光素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃについて説明したが、発光素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、半導体基板１（または半導体基板１１）に垂直な方向に配列された２つの量子ドットを含む。
【０１８２】
従って、この発明の実施の形態による発光素子は、一般的には、半導体基板１（または半導体基板１１）に垂直な方向に絶縁膜（＝キャリアがトンネル可能な膜厚を有する絶縁膜）を介して連結された２つの量子ドットを含んでいればよい。
【０１８３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
この発明は、量子ドットを用いた発光素子、発光装置および発光素子の製造方法に適用される。
【符号の説明】
【０１８５】
１，１１，１０１  半導体基板、２〜４，１２〜１４  シリコン量子ドット、５，１５，１０７  絶縁膜、６，１６，１０５，１０６，１０８  電極、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  発光素子、２０，１４０  量子ドット、２１  コア、２２  シェル、１００  発光装置、１０３，１０４  発光層、６００  プラズマ処理装置、６１０  石英管、６２０  反応室、６３０  基板ホルダー、６４０  ヒーター、６５０  配管、６６０  バルブ、６７０  アンテナ、６８０  マッチング回路、６９０  高周波電源。
【図１】
2012049399.tif 000003
【図２】
2012049399.tif 000004
【図３】
2012049399.tif 000005
【図４】
2012049399.tif 000006
【図５】
2012049399.tif 000007
【図６】
2012049399.tif 000008
【図７】
2012049399.tif 000009
【図８】
2012049399.tif 000010
【図９】
2012049399.tif 000011
【図１０】
2012049399.tif 000012
【図１１】
2012049399.tif 000013
【図１２】
2012049399.tif 000014
【図１３】
2012049399.tif 000015
【図１４】
2012049399.tif 000016
【図１５】
2012049399.tif 000017
【図１６】
2012049399.tif 000018
【図１７】
2012049399.tif 000019
【図１８】
2012049399.tif 000020
【図１９】
2012049399.tif 000021
【図２０】
2012049399.tif 000022
【図２１】
2012049399.tif 000023
【図２２】
2012049399.tif 000024
【図２３】
2012049399.tif 000025
【図２４】
2012049399.tif 000026
【図２５】
2012049399.tif 000027