(57)【要約】【課題】半導体基板上に容易に作製することができ、特に青色〜緑色（４５０〜５５０ｎｍ程度）の短波長領域でより大きい輝度で発光する発光素子を提供する。【解決手段】本発明の発光素子は、不純物を含む半導体からなる第１電極と、透光性の第２電極と、第１および第２電極に挟まれた誘電体層とを備え、第１電極は、イオン注入された原子を有し、前記原子は、前記誘電体層と第１電極との界面から５００ｎｍ以内の第１電極中に濃度ピークを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含む半導体からなる第１電極と、透光性の第２電極と、第１および第２電極に挟まれた誘電体層とを備え、
第１電極は、イオン注入された原子を有し、
前記原子は、前記誘電体層と第１電極との界面から５００ｎｍ以内の第１電極中に濃度ピークを有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
第１電極および前記誘電体層は、イオン注入された原子を有する請求項１に記載の素子。
【請求項３】
第１電極中のイオン注入された原子の総量は、前記誘電体層中のイオン注入された原子の総量よりも多い請求項２に記載の素子。
【請求項４】
第１電極中のイオン注入された原子は、Ｇｅ原子またはＳｉ原子である請求項１〜３のいずれか１つに記載の素子。
【請求項５】
第１電極中のイオン注入された原子は、１ｎｍ以下のクラスター、不対電子またはイオンからなる発光中心を形成する請求項１〜４のいずれか１つに記載の素子。
【請求項６】
第１電極は、シリコン基板またはその一部であり、
前記誘電体層は、ＳｉＯ2、ＳｉＮまたはＳｉＯＮからなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の素子。
【請求項７】
第１電極は、ｎ型半導体からなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の素子。
【請求項８】
前記誘電体層は、５ｎｍ以上７５ｎｍ以下の厚さを有する請求項１〜７のいずれか１つに記載の素子。
【請求項９】
第１電極中のイオン注入された原子は、１×１０15ｉｏｎ／ｃｍ2以上１×１０17ｉｏｎ／ｃｍ2以下のイオン注入量で注入された請求項１〜８のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１０】
第１電極は、１×１０14／ｃｍ3以上１×１０17／ｃｍ3より小さい不純物濃度を有する請求項１〜９のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１１】
第１電極は、０．０５Ω・ｃｍ以上８Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１２】
半導体基板をさらに備え、
第１電極は、前記半導体基板の一部であり、
前記誘電体層および第２電極は、０．１μｍ2以上０．１ｍｍ2以下の前記半導体基板の区域上に設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１３】
第２電極の前記誘電体層側の反対側に設けられた光触媒部をさらに備える請求項１〜１２のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発光素子と半導体回路とが半導体基板に設けられ、
前記半導体回路は、前記発光素子と電気的に接続し、かつ、信号の演算処理を行う回路であり、
前記発光素子は、前記半導体回路が演算処理を行った信号を光出力する光電気混載基板。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の発光素子と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、
前記電源回路は、向きが一定の電流が前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続する発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、光電気混載基板および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、自己発光する光源として、別途の光源が不要な新たな表示素子等としての利用が期待されている。
従来のＥＬ素子には、「分散型」と「薄膜型」の２つのタイプが存在し、その多くが交流駆動によって、発光する。
【０００３】
従来の分散型と薄膜型のＥＬ素子については、無機ＥＬ素子が無機化合物を用いて実現されている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。
従来の分散型ＥＬ素子は、電極間に電流経路が遮断された蛍光体粒子（例えば、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌなど）を有する素子に交流電圧を印加することにより、蛍光体粒子が電界発光をする。この蛍光体粒子の粒子径は１０μｍ程度が最適であると考えられ、２〜３μｍよりも小さくなると発光輝度が著しく低下することが知られている。なお、この分散型ＥＬ素子は、ドナー・アクセプタ間の再結合により発光すると考えられている。
【０００４】
また、従来の薄膜型ＥＬ素子は、電極間に絶縁層で挟まれた蛍光体の発光層（例えば、発光中心となるＭｎを母材ＺｎＳ中にドープしたＺｎＳ：Ｍｎなど）を有する素子に交流電圧を印加することにより、発光層が電界発光する。なお、この薄膜型ＥＬ素子は、母材中を走るホットエレクトロンによる発光中心の衝突励起により発光すると考えられている。
【０００５】
その一方で、半導体基板、特にシリコン基板上に発光素子を作製する技術の開発が盛んに行われている。情報処理装置や記憶装置であるＣＭＯＳ回路などはシリコンを中心として半導体を基幹として実現されているため、シリコン等の基板上にトランジスタ等の他の機能素子と同時に発光素子を作成することができれば、情報処理装置や記憶装置と発光素子を同一基板上に作製することができる。このことにより、光によるチップ間通信や光コンピューティング技術が可能となり、更なるデジタル電子機器の発展につながることが期待されている。
【０００６】
例えば、シリコン基板上のシリコン窒化膜（絶縁体）中にシリコンのナノメートルオーダーのクラスター（発光中心）を形成し、このシリコン窒化膜に電圧を印加することによって約６５０ｎｍのピークを有するエレクトロルミネセンスが確認されたことが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
なお、従来の絶縁体膜中に発光中心を形成した発光素子は、絶縁体膜の両側の電極に１００Ｖ程度の高い電圧を印加し、絶縁体膜に７ＭＶ／ｃｍ程度の強い電界を印加することが必要である。このことにより、電極の電子が絶縁体膜の伝導帯にＦＮ（ファウラー・ノルドハイム）トンネリングによって供給され、この電子が電界により加速され十分な運動エネルギーを得た後、発光中心を励起し発光すると考えられている。
これら従来無機ＥＬのなかには、４６０〜４８０ｎｍ程度の青色を発光する材料も存在するが１００Ｖ程度かそれ以上の高電圧が必要な上に、充分な輝度が得られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２６５９８６号公報
【特許文献２】特開平１１−３１０７７６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】最新無機ＥＬ開発動向〜材料特性と製造技術・応用展開〜、第１版、情報機構、２００７年３月２７日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の絶縁体膜中に発光中心を形成した発光素子の発光は可視光領域であり、そのほとんどは赤色など波長の比較的長い領域の発光であり、また実用に耐える輝度、面積、発光の均一性等は実際には実現されていない。ディスプレイや、蛍光灯にかわる個体照明の実現等の観点から、より短波長領域で、大きい輝度、むらなく発光する発光素子が望まれている。また、近年光回路を構成する上で最大の課題となっている、半導体基板上に直接作り込みが可能であって極めて微小領域に選択的に作製可能な発光素子が臨まれている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体基板上に容易に作製することができ、特に青色〜緑色（４５０〜５５０ｎｍ程度）の短波長領域でより大きい輝度で発光する発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、不純物を含む半導体からなる第１電極と、透光性の第２電極と、第１および第２電極に挟まれた誘電体層とを備え、第１電極は、イオン注入された原子を有し、前記原子は、前記誘電体層と第１電極との界面から５００ｎｍ以内の第１電極中に濃度ピークを有することを特徴とする発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、不純物を含む半導体からなる第１電極と、透光性の第２電極と、第１および第２電極に挟まれた誘電体層とを備え、第１電極は、イオン注入された原子を有するため、イオン注入された原子により発光中心を形成することができる。このため、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、この発光中心を発光させることができ、透光性の第２電極を介して光を取り出すことができる。
本発明によれば、第１電極と第２電極と誘電体層とにより構成されるため、シリコン基板などの半導体基板上に直接作り込むことが可能であり、極めて微少領域に選択的に作製することができる。また、従来のＥＬ素子やＬＥＤとは異なり、多元系の材料や非常に多層な構造を用いることなく容易にシリコン半導体回路に作り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の発光素子の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の発光素子に含まれるイオン注入した原子の濃度分布を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態の発光素子の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の発光素子の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の光電気混載基板の構造を示す概略平面図である。
【図６】本発明の一実施形態の光電気混載基板の構造を示す概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の発光装置の概略断面図等である。
【図８】本発明の一実施形態の発光装置の概略回路図である。
【図９】発光素子作製実験で作製した発光素子の誘電体層中および第１電極中のゲルマニウム原子濃度分布を示したグラフである。
【図１０】発光素子作製実験で作製した発光素子の発光スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の発光素子は、不純物を含む半導体からなる第１電極と、透光性の第２電極と、第１および第２電極に挟まれた誘電体層とを備え、第１電極は、イオン注入された原子を有し、前記原子は、前記誘電体層と第１電極との界面から５００ｎｍ以内の第１電極中に濃度ピークを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の発光素子において、第１電極および前記誘電体層は、イオン注入された原子を有することが好ましい。
このような構成によれば、第１電極の上に誘電体層を形成した後イオン注入工程を行うことができる。また、第１電極中および誘電体層中の両方に発光中心を形成することができる。
本発明の発光素子において、第１電極中のイオン注入された原子の総量は、前記誘電体層中のイオン注入された原子の総量よりも多いことが好ましい。
このような構成によれば、発光素子の発光強度を大きくすることができる。
【００１６】
本発明の発光素子において、第１電極中のイオン注入された原子は、Ｇｅ原子またはＳｉ原子であることが好ましい。
このような構成によれば、発光素子を発光させることができる。
本発明の発光素子において、第１電極中のイオン注入された原子は、１ｎｍ以下のクラスター、不対電子またはイオンからなる発光中心を形成することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子に電圧を印加し発光中心を発光させることができる。
【００１７】
本発明の発光素子において、第１電極は、シリコン基板またはその一部であり、前記誘電体層は、ＳｉＯ2、ＳｉＮまたはＳｉＯＮからなることが好ましい。
このような構成によれば、誘電体層を通常の半導体製造プロセスにより形成することができる。
本発明の発光素子において、第１電極は、ｎ型半導体からなることが好ましい。
このような構成によれば、発光素子をより良く発光させることができる。
【００１８】
本発明の発光素子において、前記誘電体層は、５ｎｍ以上７５ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子に印加する電圧を小さくすることができ、発光に伴う消費電力を小さくすることができる。
本発明の発光素子において、第１電極中のイオン注入された原子は、１×１０15ｉｏｎ／ｃｍ2以上１×１０17ｉｏｎ／ｃｍ2以下のイオン注入量で注入されたことが好ましい。
このような構成によれば、発光素子に発光中心を形成することができる。
【００１９】
本発明の発光素子において、第１電極は、１×１０14／ｃｍ3以上１×１０17／ｃｍ3より小さい不純物濃度を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子の発光強度を大きくすることができる。
本発明の発光素子において、第１電極は、０．０５Ω・ｃｍ以上８Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子の発光強度を大きくすることができる。
【００２０】
本発明の発光素子において、半導体基板をさらに備え、第１電極は、前記半導体基板の一部であり、前記誘電体層および第２電極は、０．１μｍ2以上０．１ｍｍ2以下の前記半導体基板の区域上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、電子回路を形成する半導体基板に発光素子を搭載することができ、複数の電子回路間での光通信が可能となる。
本発明の発光素子において、第２電極の前記誘電体層側の反対側に設けられた光触媒部をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することよる発光を光触媒部に照射することができ、光触媒部が光触媒活性を有することができる。
【００２１】
また、本発明は、本発明の発光素子と半導体回路とが半導体基板に設けられ、前記半導体回路は、前記発光素子と電気的に接続し、かつ、信号の演算処理を行う回路であり、前記発光素子は、前記半導体回路が演算処理を行った信号を光出力する光電気混載基板も提供する。
本発明の光電気混載基板によれば、半導体回路が演算処理を行った信号を光出力することができ、複数の半導体回路間での光通信が可能となる。
さらに、本発明は、本発明の発光素子と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記電源回路は、向きが一定の電流が前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続する発光装置も提供する。
本発明の発光装置によれば、発熱することを抑えて本発明の発光素子を発光させることができる。
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００２３】
発光素子の構成
図１、３、４は本実施形態の発光素子の構造を示す断面図である。また、図２は、本実施形態の発光素子に含まれるイオン注入した原子の濃度分布を示すグラフである。
本実施形態の発光素子７は、不純物を含む半導体からなる第１電極１と、透光性の第２電極６と、第１電極１と第２電極６とに挟まれた誘電体層３とを備え、第１電極１は、イオン注入された原子を有し、第１電極１にイオン注入された原子は、誘電体層３と第１電極１との界面から５００ｎｍ以内の第１電極１中に濃度ピークを有することを特徴とする。
また、本実施形態の発光素子７は、光触媒部８をさらに有してもよい。
以下、本実施形態の発光素子７について説明する。
【００２４】
１．第１電極
第１電極１は、ｎ型半導体またはｐ型半導体からなる。第１電極１がｎ型半導体からなる場合、第１電極１はドナーとなる不純物を含み、第１電極１がｐ型半導体からなる場合、アクセプタとなる不純物を含む。例えば、第１電極１が結晶シリコンまたはアモルファスシリコンからなり、ｎ型半導体である場合、第１電極１は、ドナーとしてＰ、Ａｓ、Ｓｂなどの不純物を含む。また、第１電極１が、結晶シリコンまたはアモルファスシリコンからなり、ｐ型半導体である場合、第１電極１は、アクセプタとしてＢ、Ａｌなどの不純物を含む。
【００２５】
第１電極１に含まれる不純物濃度は、特に限定されないが、例えば、１×１０14／ｃｍ3以上であり１×１０17／ｃｍ3より小さい濃度とすることができる。このことにより、発光素子７の発光強度をより大きくすることができる。また、第１電極１中の不純物濃度により変化する第１電極１の電気抵抗率は、例えば、０．０５Ω・ｃｍ以上８Ω・ｃｍ以下とすることができる。このことにより、発光素子７の発光強度をより大きくすることができる。
【００２６】
第１電極１の形態は、特に限定されないが、例えば、半導体基板であってもよく、半導体基板の一部であってもよく、基板上に形成された半導体層であってもよい。第１電極１を半導体基板または半導体基板の一部とすることにより、誘電体層３に半導体基板の熱酸化膜を用いることができる。例えば、第１電極１がシリコン基板またはその一部である場合、誘電体層３はその熱酸化膜であるＳｉＯ2膜とすることができる。
また、第１電極１を半導体基板の一部とすることにより、半導体基板の０．１μｍ2以上０．１ｍｍ2以下の区域上に発光素子７を形成することができる。このことにより、後述する光電気混載基板に発光素子７を搭載することができ、電子回路間で光通信を容易にすることができる。
【００２７】
また、第１電極１は、イオン注入された原子を有する。このことは、後述する。また、第１電極１はイオン注入された原子により形成された発光中心を有してもよい。
第１電極１は、半導体基板にｎ型不純物またはｐ型不純物を拡散させることにより形成してもよく、基板上にＣＶＤ法などにより半導体膜を成膜することにより形成してもよい。
【００２８】
２．誘電体層
誘電体層３は、第１電極１上に形成される。誘電体層３は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンなどの絶縁体からなる。誘電体層３を設けることにより、第１電極１と第２電極６との間に７ＭＶ／ｃｍ程度の強い電界を印加することができ、誘電体層３に発光素子７の発光に寄与する大きい運動エネルギーを有する電子を流すことができる。また、誘電体層３は、大きい電気抵抗率を有するため、発光に寄与しない小さい運動エネルギーを有する電子が流れることを低減することができ、実効的な発光効率を向上することができ、発光素子７を低消費電力で発光させることができる。
【００２９】
また、誘電体層３は、透光性を有することが好ましい。このことにより第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加することによる発光を誘電体層３を介して効率よく取り出すことができる。誘電体層３の２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の光の光透過率は、５０％以上であることが好ましい。このことにより、光取り出し効率をより高くすることができる。
また、誘電体層３に酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを用いると、これらの材料は、比較的酸素を透過させにくいため、第１電極１または誘電体層３にイオン注入した原子により形成される発光中心が酸化されることを抑制することができる。このことにより、発光素子７を安定して発光させることができる。
この中でも酸化シリコン、特に熱酸化シリコンは特に良い特性を示した。これは熱酸化シリコン膜がもっとも欠陥が少ないために、第２電極６からの電子が途中でトラップされたり、リークパスができて電圧がかからなくなったりすることが少ないためと考えられる。
【００３０】
誘電体層３の厚さは、特に限定されないが、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。この場合、発光素子７を発光させるときに第１電極１と第２電極６との間に印加する電圧をより小さくすることができる。また、誘電体層３の厚さは、５、１０、２０、２５、３０、３５、４０、５０、６０、７０、７５、８０、９０および１００ｎｍの何れか２つの間の範囲であってもよい。また、誘電体層３の厚さは、５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であることが特に好ましい。このことにより、第１電極１と第２電極６との間に印加する電圧をより小さくすることができ、かつ、誘電体層３に発光素子７の発光に寄与する大きい運動エネルギーを有する電子を流すことができる。
なお、誘電体層３の厚さが５ｎｍ未満だと、実験的に電流が多く流れるのみで目視でもほとんど発光を確認することができなかった。誘電体層３の厚さが７５ｎｍを超えると発光が強くなる電圧が１００Ｖに近づき、１００ｎｍより厚いと、発光をはじめる電圧が１００Ｖを超えてしまい、実用的でなかった。
【００３１】
誘電体層３は、例えば、第１電極１が半導体基板からなる場合、半導体基板を熱酸化し熱酸化膜を形成することにより形成することができ、また、半導体基板の上にＣＶＤ法などにより、誘電体層３を形成することもできる。例えば、第１電極１がシリコン基板からなる場合、誘電体層３はシリコン基板を熱酸化することにより形成されるＳｉＯ2からなる熱酸化膜とすることができ、また、シリコン基板上にＣＶＤ法などにより形成した酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸窒化シリコン膜とすることができる。これらの誘電体層３は、通常のシリコン半導体プロセスで製膜可能であるため、発光素子７は、量産性に優れる上、他の電子回路と組み合わせることが可能である。
また、誘電体層３は、イオン注入された原子を有してもよい。このことは、後述する。また、誘電体層３は、イオン注入された原子により形成された発光中心を有してもよい。
【００３２】
３． イオン注入された原子
第１電極１は、イオン注入された原子を有する。また、誘電体層３は、イオン注入された原子を有することができる。このイオン注入された原子は、発光中心を形成することができれば特に限定されないが、例えば、Ｇｅ原子、Ｓｉ原子、Ｃ原子またはＯ原子である。特にＧｅ原子が好ましい。第１電極１または誘電体層３がイオン注入された原子を有することにより、第１電極１中または誘電体層３中に発光中心を形成することができ、第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加することにより発光中心を発光させることができる。
発光中心の詳細は不明であるが、１ｎｍ以下のクラスター、不対電子またはイオンであると考えられる。この発光中心が、第１電極１と第２電極６との間の電界により加速された電子により励起されることにより発光素子７は発光すると考えられる。
【００３３】
この発光素子７に含まれるイオン注入された原子は、誘電体層３と第１電極１との界面から５００ｎｍ以内の第１電極１中に濃度ピークを有する。このことにより、発光素子の発光強度を大きくすることができる。この理由は、明らかではないが次のように考えられる。
第２電極６と第１電極１の間に誘電体層３が存在することで十分な電界が発生し、第２電極６と第１電極１に向かって電子が十分に加速されて十分なエネルギーを獲得すると考えられる。このエネルギーを獲得した電子が第１電極１内部に突入することができ、更に第１電極１中の発光中心を励起することができる。また第１電極１は半導体から成るため発光中心を励起し終わってエネルギーを失った電子や発光中心の励起に寄与しなかった電子は滞留することなく速やかに第１電極１から排出されると考えられる。もし電子が滞留すると、チャージアップが発生し、第２電極６からの電子が十分に加速されずに、発光中心に届かなかったり、十分なエネルギー得ることができずに発光中心を励起することができなかったりして十分に発光しないと考えられる。例えば、もし発光に寄与する原子の濃度ピークが誘電体３中、典型的には発光中心が誘電体３中にある場合、発光中心を励起してエネルギーを失った電子は、誘電体３中を速やかに移動することができずに滞留してチャージアップが発生し急速に発光強度が弱まると考えられる。最悪の場合には、このチャージアップによって誘電体３の絶縁破壊が起こり、不可逆的な劣化が発生すると考えられる。
なお、特に断らない限り、イオン注入された原子の濃度ピークとは、イオン注入された原子の濃度が最も高い第１電極１の部分である。
このイオン注入された原子の濃度ピークは、例えば、誘電体層３と第１電極１との界面、またはこの界面からの深さが１、５、１０、１５、２０、３０、５０、１００、２００、４００、５００ｎｍの第１電極１中にあり、または、これらの数値のうちいずれか２つ数値の間の範囲にあってもよい。なお、このイオン注入された原子の濃度分布は、誘電体層３または第１電極１にイオン注入する条件などに基づくシミュレーションにより表すことができる。
【００３４】
このイオン注入された原子は、第１電極１に直接イオン注入してもよく、第１電極１の上に誘電体層３を形成した後、誘電体層３の上からイオン注入してもよい。分かり易く模式的に図示すると、誘電体層３の上からイオン注入した場合、イオン注入された原子は、例えば、図２の実線のような濃度分布を有する。第１電極１に直接イオン注入した場合、イオン注入された原子は、図２の一点鎖線のような濃度分布を有する。
第１電極１または誘電体層３にイオン注入する原子のイオン注入量は、例えば、１×１０15、２×１０15、５×１０15、１０×１０15、２０×１０15、５０×１０15、１００×１０15ion／cm2であり、または、これらの数値のうちいずれか２つの数値の間の範囲であってもよい。
第１電極１または誘電体層３にイオン注入するときのイオン加速エネルギーは、例えば、５、１０、１５、２０、３０、５０、１００、２００、４００keVであり、または、これらの数値のうちいずれか２つの数値の間の範囲であってもよい。
【００３５】
第１電極１中または誘電体層３中にイオン注入された原子は、微粒子を形成してもよい。例えば、第１電極１または誘電体層３にイオン注入した後、不活性ガス雰囲気中または酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより、イオン注入した原子を凝集させることができ、微粒子とすることができる。また、この微粒子は、一部酸化されていてもよい。例えば、イオン注入した原子を酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより一部が酸化された微粒子を形成することができる。酸素を含む雰囲気中で熱処理することによりイオン注入した原子を凝集させることにより、より小さい微粒子とすることができる。例えば５％以上２５％以下の酸素を含む雰囲気ガス中で熱処理を行うことができる。また、不活性ガス雰囲気中でイオン注入した原子を凝集させた後、酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより一部が酸化された微粒子としてもよい。例えば、Ｇｅ原子（Ｇｅイオン）を第１電極１および誘電体層３にイオン注入し、第１電極１および誘電体層３を熱処理することにより第１電極１中および誘電体層３中にＧｅ原子を含む微粒子を形成することができる。この熱処理を酸素を含む雰囲気下で行うことにより、０価のＧｅ原子、２価のＧｅ原子（ＧｅＯ）および４価のＧｅ原子（ＧｅＯ2）を含む微粒子を形成することができる。
なお、第１電極１は、ｐ型半導体からなる場合でも発光するが、ｎ型半導体からなる場合の方がより安定的に発光することが実験的に分かった。この理由はよく分からないが、第１電極１がｐ型半導体からなる場合、電圧印加時に多数キャリアの正電荷が誘電体層３近傍のシリコン基板に引き付けられ、第２電極６から第１電極１に向かって来た電子が発光中心を励起するのを阻害することが考えられる。第１電極がｎ型半導体からなる場合、多数キャリアの電子が誘電体層３近傍のシリコン基板から出払うことにより、第２電極６から第１電極１に向かって来た電子がシリコン基板にあったキャリアに阻害されることなく発光中心を励起することができると考えられる。
第１電極１が真性半導体であっても構わないが、その場合は第１電極１の抵抗が大きくなり、余分な電子が効率よく排出されなくなるために発光効率が低下すると考えられる。逆に第１電極１が半導体からなる場合であってｎ型あるいはｐ型を形成するための不純物濃度が高い場合、第１電極１の抵抗が低くなり余分な電子の排出効率は向上するが、多くの不純物あるいはそれによる多くの多数キャリアの存在によって第２電極６から第１電極１に向かって来た電子が発光中心を励起することを阻害する場合があると考えられる。
これらの観点から、第１電極１に半導体を用いる場合には、第１電極１を発光中心が多く存在する部分だけを残して薄くし、第１電極１の誘電体３側と反対側にアルミニウム等の低抵抗の導電性物質を更に備えることによって発光中心を励起する効率と、余分な電子を排出する効率を両立させ、発光効率を上げることができると考えられる。例えば第１電極１の厚さを、第１電極１にイオン注入した原子の濃度ピークの深さの１倍以上３倍以下とすることができる。また、好ましくは第１電極１の厚さを第１電極１にイオン注入した原子の濃度ピークの深さの２倍程度とすることができる。これは注入した原子のほとんどを含むことができる厚さであるからである。余分な電子の出払い効率を重視するならば、第１電極１の厚さを、イオン注入した原子の濃度ピークの深さ程度とすることができる。したがって、この手法を取り入れる場合には、第１電極１の厚さは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が良いことになる。
【００３６】
４．第２電極
第２電極６は、透光性を有し、かつ、誘電体層３の上に設けられる。第２電極６は、誘電体層３に電圧を印加するための一方の電極である。また、第２電極６は、発光素子７が発する光を透過させることができる。例えば、第２電極６は、電極自体が透光性を有するものであってもよく、光通路となる隙間を有するものであってもよい。電極自体が透光性を有する第２電極６としては、例えば、ＩＴＯなどの金属酸化物薄膜またはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属薄膜またはＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体薄膜である。これらは、例えばスパッタリングやＣＶＤ法などで形成することができる。この場合、第２電極６は、波長２５０〜５００ｎｍの範囲内の光の透過率が５０％以上９９．９９％以下であってもよい。
【００３７】
光通路となる隙間を有する第２電極６としては、例えば、スリット構造あるいはポーラス構造などの穴開き構造を有する導電体などである。例えば、格子戸状にＩＴＯやＡｌなどの導電体を成膜することで、導電体部分で誘電体層３に電圧を印加し、導電体間の隙間を通過した光を取り出すことができる。
穴あき構造の第２電極６は、例えば、導電性のナノワイヤを用いて作製することができる。また、例えばナノワイヤを分散させた溶液を誘電体層３の上に塗布し、乾燥することでナノワイヤが適度に重なり合うとともに隙間を有する構造ができる。ナノワイヤとしては、例えばシリコン、好ましくはドーピングして導電性を高めたシリコンナノワイヤや、カーボンナノチューブ、あるいは金属ナノロッドを用いることができる。
【００３８】
５．光触媒部
光触媒部８は、第２電極６の誘電体層３側の反対側に設けられ、第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加することによる発光を受光することができる。例えば、図３、４のように光触媒部８を設けることができる。また、光触媒部８は光触媒の薄膜とすることができる。このことにより、光触媒活性を有する光触媒部８の表面の近い部分が受光することができ、光触媒部８が高い光触媒活性を有することができる。このことにより光触媒部８に付着した汚れを除去することができ、また、光触媒部８に接触させた気体や液体を浄化することができる。
【００３９】
光触媒部８は光触媒である酸化チタンＴｉＯ2からなることができる。これは、酸化チタンは一般に入手容易であるとともに、波長が388nmの励起光で光触媒活性を有するからである。酸化チタンにバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射すると、価電子帯から伝導帯へ電子が励起され、伝導帯に電子が価電子帯に正孔が生じ、光励起される。そして、酸化チタンは、バンドギャップが3.2eVであり、電子と正孔の再結合が起こりにくく、再結合による失活率が小さいという特性を有する。酸化チタンはルチル型よりアナターゼ型を用いる。これは、バンドギャップが、アナターゼ型のほうが、3.23eV でルチル型の3.02 eV より大きく、光吸収により生成した電子と正孔のエネルギーが大きく、電子と正孔との再結合が起こりにくいためである。
【００４０】
また、光触媒部８は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）のうち少なくとも１つ以上の金属が担持された酸化チタンであってもよい。上記の金属を少量含有することによって、励起波長帯が拡大したり、電子と正孔の発生効率が向上するという効果が期待できるからである。
【００４１】
また、光触媒部８と第２電極６との間に絶縁層１０を設けてもよい。絶縁層１０を設けることにより、第２電極６と光触媒部８との間を電気的に絶縁することができる。このことにより、第２電極６の電位が光触媒部８の光触媒活性に影響を与えることを防止することができる。また、絶縁層１０は透光性を有することができる。このことにより光触媒部８が受光することができる。
絶縁層１０は、絶縁体の層であれば特に限定されないが、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンである。絶縁層１０は、例えば、第２電極６の上に酸化シリコンや窒化シリコンなどをＣＶＤやスパッタリングで堆積し形成することができる。
【００４２】
光電気混載基板の構成
図５は、本実施形態の光電気混載基板の構造を示す概略平面図であり、図６は、本実施形態の光電気混載基板の構造を示す概略断面図である。
本実施形態の光電気混載基板３０は、発光素子７と半導体回路１４とが半導体基板１３に設けられ、半導体回路１４は、発光素子７と電気的に接続し、かつ、信号の演算処理を行う回路であり、発光素子７は、半導体回路１４が演算処理を行った信号を光出力することを特徴とする。
また、光電気混載基板３０は、受光素子１５を備えてもよい。
【００４３】
１．半導体基板
半導体基板１３は、発光素子７と半導体回路１４を設けることができる半導体の基板であれば特に限定されないが、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンの化合物の基板またはゲルマニウムの化合物の基板である。また、半導体基板１３はｎ型不純物またはｐ型不純物が添加された不純物半導体基板であってもよい。さらに半導体基板１３は、ＳｉＯ2基板などの上にシリコン層やゲルマニウム層を形成したものでもよく、Ｓｉ基板などの上にＳｉＯ2などの絶縁体層を形成し、その上にシリコン層やゲルマニウム層を形成したものでもよい。例えば、半導体基板１３がＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の場合、結晶シリコン基板上に発光素子７を形成してもよいし、または、ＣＶＤ法等を用いてＳｉＯ2などの絶縁体層の上にアモルファスシリコンを形成し、その上に発光素子７を形成してもよい。
従来ＣＭＯＳ回路をはじめとした半導体回路はIV族元素材料からなる基板に作製されているからである。
【００４４】
２．半導体回路
半導体回路１４は、半導体基板１３に設けられ、発光素子７と電気的に接続し、信号の演算処理を行う回路であれば特に限定されない。例えば、半導体回路１４は、複数のトランジスタなどから構成された半導体回路である。また、例えば、半導体集積回路である。また、発光素子７が半導体集積回路に組み込まれている場合、半導体回路１４は、半導体集積回路の発光素子７以外の部分であってもよい。
【００４５】
３．発光素子
発光素子７は、半導体基板１３に設けられ、第１電極１、第２電極６および第１電極１と第２電極６とに挟まれた誘電体層３を備える素子である。また、発光素子７は、半導体回路１４が演算処理を行った信号を光出力する。このことにより、半導体回路１４が演算処理した電気信号を発光素子７により光信号に変換し出力することができる。さらに発光素子７は、第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加することにより発光させることができる。
また、発光素子７は、半導体基板１３に複数設けられてもよく、そのうち１つ以上は、第２電極６の上に蛍光体を含む層を形成することにより、発光の波長を変換した発光素子７であってもよい。
また、符号化回路を発光素子７と半導体回路１４との間に設けることもできる。このことにより、半導体回路１４が演算処理を行った信号を発光素子７が光出力することができる。なお、符号化回路は半導体回路１４に含まれてもよい。
【００４６】
４．受光素子
受光素子１５は、半導体基板１３に設けられてもよい。受光素子１５は、半導体回路１４と電気的に接続し、かつ、他の発光素子が出力した光を光入力することができる。このことにより、受光素子１５が外部から入力した光信号を電気信号に変換することができ、受光素子１５が入力した信号を半導体回路１４が演算処理することができる。
従って、光電気混載基板３０が発光素子７と受光素子１５を備えることにより、複数の光電気混載基板間で高速光通信をすることができる。また、同一基板上に複数の半導体回路１３を備え、各半導体回路１３にそれぞれ発光素子７、受光素子１５が電気的に接続している場合、同一基板上に形成された各半導体回路１３間で高速光通信をすることができる。
また、受光素子１５と半導体回路１４との間にデコーダ回路が設けられてもよい。このことにより、受光素子１５が受信した符号化された信号を復号化して半導体回路１４に伝送することができる。
【００４７】
例えば、図６に示すように受光素子１５は、ｎ型領域２８とｐ型領域２９がｐｎ接合した領域を有している。なお、半導体基板１３がｐ型半導体またはｎ型半導体である場合、ｐ型領域２９およびｎ型領域２８のうちどちらか一方を省略することが可能である。
【００４８】
発光装置の構成
図７は、本実施形態の発光装置の概略断面図などであり、図８は、本実施形態の発光装置の概略回路図である。
本実施形態の発光装置４０は、発光素子７と、第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加するための電源回路３３とを備え、電源回路３３は、向きが一定の電流が誘電体層３を流れるように発光素子７と電気的に接続することを特徴とする。
【００４９】
向きが一定の電流が誘電体層３に流れることにより、第１電極１と第２電極６との間に印加する電圧の電気エネルギーを効率的に光エネルギーに変換することができる。つまり、第１電極１を正極とし第２電極６を負極として誘電体層３に電流を流した場合および第１電極１を負極とし第２電極６を正極として誘電体層３に電流を流した場合のうち、一方の場合で、より発光が大きい場合、この向きの電流を誘電体層３に流すことができる。このことにより、第１電極１と第２電極６との間に印加する電圧の電気エネルギーが熱エネルギーなどに変換され、発光効率が低下することを抑制することができ、また、発光素子７が発熱することを抑制することができる。
【００５０】
電源回路３３とは、駆動電源３５から供給される電力を発光素子７に印加するための電気回路である。電源回路３３は、向きが一定の電流が誘電体層３を流れるように第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加する。駆動電源３５が出力する電力は電源回路３３により発光素子７に供給される。駆動電源３５は、誘電体層３に流れる電流の向きが一定であれば直流電源であっても交流電源であってもよい。また、駆動電源３５が交流電源の場合、駆動電源３５が誘電体層３に電圧を印加するための電源回路３３中に整流ダイオード３６を含んでもよい。このことにより、反極性を持つ電源を変換して所望の極性電圧を出力することができる。また、駆動電源３５が誘電体層３に電圧を印加するための電源回路３３中に昇圧回路または降圧回路を含んでもよい。このことにより駆動電源３５の出力を所望の電圧値に変換して発光素子７に出力することができる。
なお、本発明において、「向きが一定の電流」とは、印加電圧が増加すると電流値が大きくなるような電流の向きが一定である電流をいう。
【００５１】
駆動電源３５が交流電源である場合、駆動電源３５は所望の波形の電圧を出力する電源であってもよい。駆動電源３５は、例えば、矩形波の電圧を出力するものであってもよく、正弦波の電圧を出力するものであってもよい。図８（ａ）〜（ｃ）は、駆動電源３５により発光素子７に電圧を出力する様々な電源回路３３を示した回路図である。駆動電源３５は、例えば、図８（ａ）のように低電圧正弦波交流電源とし、発光素子７との間に昇圧回路および整流ダイオード３６を設けて発光素子７と電気的に接続してもよい。昇圧回路によって、駆動電源３５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し、整流ダイオード３６によって、半波のみを発光素子７に出力することができる。このことにより、電流が流れる向きが一定の電流を発光素子７に流すことができる。この電流の向きを発光素子が効率よく発光する電流が流れる向きと同じにすることにより、発光素子を効率的に発光させることができる。
【００５２】
また、駆動電源３５は、例えば、図８（ｂ）のように交流電源とし、発光素子７との間に降圧回路および整流ダイオード３６を設けて発光素子７と電気的に接続してもよい。昇圧回路によって、駆動電源３５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し、整流ダイオード３６によって、半波のみを発光素子７に出力することができる。
また、駆動電源３５は、例えば、図８（ｃ）のように直流電源とし、発光素子７との間にＤＣ−ＤＣ変換回路を設けて発光素子７と電気的に接続してもよい。ＤＣ−ＤＣ変換回路によって、駆動電源３５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し発光素子７に出力することができる。
【００５３】
発光素子作製実験１
以下の方法で発光素子作製実験を行った。
抵抗率が３−８Ω・ｃｍ（不純物濃度約１×１０15／ｃｍ3）であり、約１．５ｃｍ角のｎ型シリコン基板をまず酸素雰囲気中、１０００℃、４０分で熱処理することにより、シリコン基板表面に誘電体層であるＳｉＯ2膜を形成した。このＳｉＯ2膜は約５０ｎｍの厚さを有する。なお、第１電極は、ｎ型シリコン基板となる。
次に、ＳｉＯ2膜にＧｅイオンを２２０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。イオン注入量は、１．６×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2とした。
図９に誘電体層中および第１電極中のイオン注入したＧｅ原子の濃度分布のシミュレーション結果を示す。図９を見ると、イオン注入したＧｅ原子は、第２電極と誘電体層との界面からの深さが約１７０ｎｍの第１電極中に濃度ピークを有することがわかる。
【００５４】
次に、ＳｉＯ2膜上にスパッタ装置を用いて第２電極であるＩＴＯ電極を形成し、シリコン基板側にアルミニウム電極を形成し、発光素子を作製した。
【００５５】
次にアルミニウム電極が正極となり、ＩＴＯ電極が負極となるように直流電源を発光素子に接続し、電圧を発光素子に印加することにより、発光素子を発光させた。この発光スペクトルを図１０に示す。図１０を見ると、約３４０ｎｍ〜約６５０ｎｍの波長範囲の光で波長約４５０ｎｍにピークを有する発光が確認された。また、この発光のピークにおける発光強度の半値以上の発光強度を有する波長範囲は、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍであった。
また、この発光素子に電圧を印加するとＩＴＯ電極の全面にわたり均一に発光することが確認された。
なお、イオン注入工程と第２電極形成工程の間に、更に熱処理工程を加えることができる。例えば、上記イオン注入を行ったシリコン基板を電気炉に入れ、ロータリーポンプで引きながら、窒素を５０ｍｌ流入させ、７００℃で１時間の熱処理を行った。次に、窒素８０％酸素２０％のガスを１０ｍｌ流入させ、１時間熱処理を行った。この工程を加える事により発光特性が安定した。この理由は明らかではないが、イオン注入の際に誘電体層であるＳｉＯ2膜あるいは第１電極であるシリコン基板に生じた注入欠陥が熱処理よって回復することや、第１電極中に形成された発光中心が熱処理工程を経て、熱平衡状態に近づくことにより安定化することが考えられる。あるいは酸素を含むガス中で熱処理を行うことでＳｉＯ2膜に生じたSi系のダングリングボンドやＳｉＯ2膜に入り込んだGe原子を酸化し、チャージのトラップサイトになることを防ぐことが考えられる。
【００５６】
発光素子作製実験２
抵抗率が０．０１−０．０５Ω・ｃｍ（不純物濃度約１×１０17／ｃｍ3）であり、約１．５ｃｍ角のｎ型シリコン基板を用いて、「発光素子作製実験１」と同様の方法で、発光素子を作製した。
アルミニウム電極が正極となり、ＩＴＯ電極が負極となるように直流電源を発光素子に接続し、電圧を発光素子に印加することにより、発光素子を発光させた。しかし、この発光素子は、「発光素子作製実験１」で作製した発光素子に比べ、小さい発光強度で発光することが確認された。
【００５７】
発光素子作製実験３
以下の方法で発光素子作製実験を行った。
抵抗率が３−８Ω・ｃｍであり、約１．５ｃｍ角のｎ型シリコン基板にＧｅイオンを２００ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。イオン注入量は、１．０×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2とした。
次に、このシリコン基板のイオン注入した面の上にプラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ2膜を５０ｎｍ堆積した。
次に、このシリコン基板を電気炉に入れ、ロータリーポンプで引きながら、窒素を５０ｍｌ流入させ、７００℃で１時間の熱処理を行った。次に、窒素８０％酸素２０％のガスを１０ｍｌ流入させ、１時間熱処理を行った。
次に、ＳｉＯ2膜上にスパッタ装置を用いて第２電極であるＩＴＯ電極を形成し、シリコン基板側にアルミニウム電極を形成し、発光素子を作製した。
【００５８】
次にアルミニウム電極が正極となり、ＩＴＯ電極が負極となるように直流電源を発光素子に接続し、電圧を発光素子に印加したところ、波長約４５０ｎｍ付近にピークを有する発光が確認された。また、この発光のピークにおける発光強度の半値以上の発光強度を有する波長範囲は、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍであった。
また、この発光素子に電圧を印加するとＩＴＯ電極の全面にわたり均一に発光することが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
１：第１電極    ３：誘電体層    ６：第２電極    ７：発光素子    ８：光触媒部    １０：絶縁層    １２：光源部    １３：半導体基板    １４：半導体回路    １５：受光素子    １６：ソース領域    １７：ドレイン領域    ２０：ソース電極    ２１：ゲート電極    ２２：ドレイン電極    ２４：ｐ型ウェル    ２５：ゲート絶縁膜    ２７：トレンチアイソレーション    ２８：ｎ型領域    ２９：ｐ型領域    ３０：光電気混載基板    ３１：アルミニウム電極    ３３：電源回路    ３５：駆動電源    ３６：整流ダイオード    ４０：発光装置
【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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【手続補正書】
【提出日】平成24年4月3日(2012.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含む半導体からなる第１電極と、透光性の第２電極と、第１および第２電極に挟まれた誘電体層とを備え、
第１電極は、シリコン基板またはその一部であり、
前記誘電体層は、ＳｉＯ2からなり、
第１電極は、イオン注入されたＧｅ原子を有し、
前記Ｇｅ原子は、前記誘電体層と第１電極との界面から５００ｎｍ以内の第１電極中に濃度ピークを有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
第１電極および前記誘電体層は、イオン注入されたＧｅ原子を有する請求項１に記載の素子。
【請求項３】
第１電極中のイオン注入されたＧｅ原子の総量は、前記誘電体層中のイオン注入されたＧｅ原子の総量よりも多い請求項２に記載の素子。
【請求項４】
第１電極は、ｎ型半導体からなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の素子。
【請求項５】
前記誘電体層は、５ｎｍ以上７５ｎｍ以下の厚さを有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の素子。
【請求項６】
第１電極中のイオン注入されたＧｅ原子は、１×１０15ｉｏｎ／ｃｍ2以上１×１０17ｉｏｎ／ｃｍ2以下のイオン注入量で注入された請求項１〜５のいずれか１つに記載の素子。
【請求項７】
第１電極は、１×１０14／ｃｍ3以上１×１０17／ｃｍ3より小さい不純物濃度を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の素子。
【請求項８】
第１電極は、０．０５Ω・ｃｍ以上８Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有する請求項１〜７のいずれか１つに記載の素子。
【請求項９】
シリコン基板を備え、
第１電極は、前記シリコン基板の一部であり、
前記誘電体層および第２電極は、０．１μｍ2以上０．１ｍｍ2以下の前記シリコン基板の区域上に設けられた請求項１〜８のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１０】
第２電極の前記誘電体層側の反対側に設けられた光触媒部をさらに備える請求項１〜９のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の発光素子と半導体回路とがシリコン基板に設けられ、
前記半導体回路は、前記発光素子と電気的に接続し、かつ、信号の演算処理を行う回路であり、
前記発光素子は、前記半導体回路が演算処理を行った信号を光出力する光電気混載基板。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の発光素子と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、
前記電源回路は、向きが一定の電流が前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続する発光装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月8日(2012.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2012160372.tif 000013