(57)【要約】【課題】ドーパントの分布を最適化することで発光効率を飛躍的に向上させる。【解決手段】順方向バイアス電圧が印加されるとともに、半導体層における吸収端波長よりも短波長で、かつ直線偏光成分を持つ光が照射されることにより、ｐ層１４とｎ層１３の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか１以上の上記層のドーパント分布を変化させることを繰り返し、上記変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、バイアス電圧に基づいて生成される伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させるとともに、当該発光に伴って発熱を抑制することにより、変化後のドーパント分布を固定させ、変化後のドーパント分布を構成する互いに最隣接するドーパントの方向は、照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていることを特徴とする。【選択図】図７
2017050302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備える間接遷移型半導体発光素子において、
順方向バイアス電圧が印加されるとともに、上記半導体層における吸収端波長よりも短波長で、かつ直線偏光成分を持つ光が照射されることにより、上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか１以上の上記層のドーパント分布を変化させることを繰り返し、
上記変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記バイアス電圧に基づいて生成される上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させるとともに、当該発光に伴って上記発熱を抑制することにより、上記変化後のドーパント分布を固定させ、
上記変化後のドーパント分布を構成する互いに最隣接するドーパントの方向は、上記照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていること
を特徴とする間接遷移型半導体発光素子。
【請求項２】
上記接合部のバンドギャップと上記発光のエネルギーとのエネルギー差をΔＥ、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つエネルギーをΔＥｆとし、ΔＥ／ΔＥｆ＝Ｎとしたとき、上記方向に向けて最隣接するドーパントの間隔は、格子定数ａのＮ倍のものが最も多く分布すること
を特徴とする請求項１記載の間接遷移型半導体発光素子。
【請求項３】
上記最隣接するドーパントの方向は、上記接合部における価電子帯と伝導帯との波数差をΔｋ、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つ波数をΔｋｆとしたときΔｋｆ＝Δｋ／Ｎとされていること
を特徴とする請求項１又は２記載の間接遷移型半導体発光素子。
【請求項４】
上記最隣接するドーパント間において光学フォノンの存在確率がより高くなるように分布させてなること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の間接遷移型半導体発光素子。
【請求項５】
上記ｎ層は、Ｓｉであり、
上記ｐ層は、Ｓｉに対してドーパントとしてＢをドープさせてなり、
上記変化後のドーパントとしてのＢの分布を構成する互いに最隣接するＢの間隔は、格子定数ａのＮ（＝３）倍のものが最も多く分布すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載の間接遷移型半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、間接遷移型半導体発光素子に関し、特に発光効率をより向上させる上で好適な間接遷移型半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量・薄型の面発光型素子としてエレクトロルミネッセンス素子やＬＥＤ等を始めとした発光素子が注目されている。この発光素子は、電界印加時に、陽極より注入された正孔と陰極より注入された電子との再結合エネルギーにより蛍光性物質が発光する原理を利用した素子である。発光素子は、主としてモバイル機器等の各種機器のディスプレイの発光素子等に用いられる。特にこの発光素子を実際に用いる場合、光損失の少ない近赤外光を発光させることがより望ましいものといえる。
【０００３】
中でもシリコンは、近赤外においてバンドギャップを持つ無機半導体であるが、あくまで間接遷移型半導体であるため、近赤外発光素子としては望ましいものとはいえない。また、特に近年においてシリコンを微結晶化したポーラスシリコンによる発光素子が提案されているが、これらの発光効率もやはり１％に満たない。このため、あくまでシリコンを発光材料として用いる発光素子において近赤外における発光効率を向上させることが可能な技術が従来より望まれていた。
【０００４】
このため、従来において特許文献１の開示技術が提案されている。この特許文献１の開示技術によれば、ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備える発光素子に対して順方向バイアス電圧を印加するとともに、半導体層における吸収端波長よりも短波長の光を照射し続ける。これによりｐ層とｎ層の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか１以上の層のドーパント分布を変化させることを繰り返させる。その結果、変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生し、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させることが可能となる。かかる手法により、シリコンを発光材料として用いる発光素子において近赤外における発光効率を向上させることが可能となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の開示技術では、シリコンを近赤外発光素子として用いるためのメカニズムが記載されているのみであり、実際にその発光効率をより向上させるためのドーパントの空間分布については特段記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−０４４８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、シリコンを始めとする間接遷移型半導体を発光素子として用いる場合に、ドーパントの分布を最適化することで発光効率を従前よりも飛躍的に向上させることが可能な間接遷移型半導体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】
【０００８】
第１発明は、ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備える間接遷移型半導体発光素子において、順方向バイアス電圧が印加されるとともに、上記半導体層における吸収端波長よりも短波長で、かつ直線偏光成分を持つ光が照射されることにより、上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に対して光吸収に基づく発熱を生じさせ、当該発熱に基づいて何れか１以上の上記層のドーパント分布を変化させることを繰り返し、上記変化後のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記バイアス電圧に基づいて生成される上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより発光させるとともに、当該発光に伴って上記発熱を抑制することにより、上記変化後のドーパント分布を固定させ、上記変化後のドーパント分布を構成する互いに最隣接するドーパントの方向は、上記照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていることを特徴とする。
【０００９】
第２発明は、第１発明において、上記接合部のバンドギャップと上記発光のエネルギーとのエネルギー差をΔＥ、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つエネルギーをΔＥｆとし、ΔＥ／ΔＥｆ＝Ｎとしたとき、上記方向に向けて最隣接するドーパントの間隔は、格子定数ａのＮ倍のものが最も多く分布することを特徴とする。
【００１０】
第３発明は、第１又は第２発明において、上記最隣接するドーパントの方向は、上記接合部における価電子帯と伝導帯との波数差をΔｋ、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つ波数をΔｋｆとしたときΔｋｆ＝Δｋ／Ｎとされていることを特徴とする。
【００１１】
第４発明は、第１〜第３発明の何れかにおいて、上記最隣接するドーパント間において光学フォノンの存在確率がより高くなるように分布させてなることを特徴とする。
【００１２】
第５発明は、第１〜第４発明の何れかにおいて、上記ｎ層は、Ｓｉであり、上記ｐ層は、Ｓｉに対してドーパントとしてＢをドープさせてなり、上記変化後のドーパントとしてのＢの分布を構成する互いに最隣接するＢの間隔は、格子定数ａのＮ（＝３）倍のものが最も多く分布することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上述した構成からなる本発明によれば、ドーパントの分布を最適化することで発光効率を従前よりも飛躍的に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子の構成を示す図である。
【図２】ｎ層〜ｐ層からなる半導体層のエネルギーバンド図である。
【図３】接合層における価電子帯と伝導帯のそれぞれのエネルギーバンドの詳細を示す図である。
【図４】ジュール熱発生前後におけるｎ層とｐ層との接合部の微視的なドーパントの分布を示す図である。
【図５】半導体層を構成するシリコン単位胞の逆格子空間の実空間方位を示す図である。
【図６】非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルにより説明するための図である。
【図７】伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置するフォノン振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させる例について説明するための図である。
【図８】所望の直線偏光方向の光を出射させることが可能な間接遷移型発光素子の作製方法について説明するための図である。
【図９】３次元アトムプローブ法により実際に測定したドーパントとしてのホウ素（Ｂ）の分布を示す図である。
【図１０】（ａ）は、半導体層に対して光を照射する前の最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌに対する個数分布を示す図であり、（ｂ）は、半導体層に対して光を照射した後における最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌに対する個数分布を示す図である。
【図１１】図１０（ｂ）のデータから、実際に直線で示されるワイブル分布からのずれ（割合）を算出した結果を示す図である。
【図１２】光の照射方向を図中のＶ方向としたときにおける最隣接するドーパント（Ｂ）の方向依存性を調査した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子１の構成を示している。この間接遷移型半導体発光素子１は、Ｎ型半導体層（ｎ層）１３、ｎ層１３との間でｐｎ接合を構成するＰ型半導体層（ｐ層）１４、ｎ層１３とｐ層１４との間に形成される接合層３５とを備えている。このｎ層１３〜ｐ層１４までを半導体層３０という。ｐ層１４には、電源２が接続されており、使用時には、ｐ層１４側が正電圧、ｎ層１３側が負電圧となるように順方向にバイアス電圧が負荷されることになる。但し、このバイアス電圧は、微弱なものであってもよい。
【００１７】
ｎ層１３は、いわゆるシリコン等の基板等で構成されるがこれに限定されるものではなく、他の間接遷移型半導体であってもよい。ここで代表的な間接遷移型半導体無機化合物にはシリコン以外に,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TiO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなどがあり、本手法はそのすべてに応用可能である。但し、何れの半導体材料を適用する場合においてもｐ層１４側において不純物としてのドーパントが注入されていることが前提となる。
【００１８】
ｐ層１４は、シリコンに対して例えばホウ素等をｐ型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものとして構成される。ｐ層１４は、シリコン以外にｎ層１３に使用される間接遷移型半導体無機化合物と同様の材料が適用されるものであってもよい。このｐ層１４は、例えばイオン打ち込みにおいて打ち込みエネルギー７００ＫｅＶ、表面から１５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は２×１０19個／ｃｍ3されていてもよい。
【００１９】
このような間接遷移型半導体発光素子１を作製する際には、ｐ層１４及びｎ層１３に順方向バイアス電圧を印加するとともに、この半導体層３０に対して光を照射する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期の間接遷移型半導体発光素子１を作製することが可能となる。
【００２０】
図２は、ｎ層１３〜ｐ層１４からなる半導体層３０のエネルギーバンド図を示している。半導体層３０に対して光を照射した場合において、照射した光が、価電子帯と伝導帯とのエネルギー差に相当する吸収端波長よりも短い場合には、当該エネルギー差以上のエネルギーをもつため、半導体層３０において光吸収される。この光吸収に応じて、伝導帯には電子が、価電子帯には、正孔が多数に亘り生成されることになる。
【００２１】
図３は、接合層３５における価電子帯と伝導帯のそれぞれのエネルギーバンドの詳細を示しているが、伝導帯において励起されて生成された電子は、当該伝導帯上を移動して、最もエネルギー準位の低い方へ集中することとなる。同様に、価電子帯において生成された正孔は、当該価電子帯上を移動して、最もエネルギー準位の高い方へと集中することとなる。半導体層３０は、間接遷移型半導体であるため、最もエネルギー準位の低い伝導帯の波数と、最もエネルギー準位の高い価電子帯の波数が互いに相違するものとなる。
【００２２】
このような光吸収が生じた場合、エネルギーを吸収する分において発熱が生じることとなる。この発熱の特に大きな発生部位は、接合層３５やｎ層１３やｐ層１４の表面等である。また照射する光強度をより高くしていくことにより、発熱は促進されることになる。
【００２３】
このような光吸収に伴う発熱が発生する結果、接合層３５やｎ層１３やｐ層１４における流動性が増加し、そのドーパントの分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかるドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２４】
図４（ａ）は、かかるジュール熱発生前におけるｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の微視的なドーパント３１の分布の例である。この図４は、図５に示すような半導体層３０を構成するシリコン単位胞の逆格子空間の実空間方位において、ドーパント３１の形成位置５１に着目したものである。つまり形成位置５１のみについて隣接する単位胞毎に並べて配列させた図である。図４（ａ）に示すように、ｎ層１３とｐ層１４の接合界面には、ドーパント（ホウ素）３１がｎ層１３を構成するｎ型Ｓｉ基板に対して打ち込まれた結果、ドーパント３１がｎ層１３中の何れかの単位胞においてランダムに分布している状態が示されている。
【００２５】
図４（ｂ）は、光吸収に伴う発熱が生じた後におけるｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の微視的なドーパント３１の分布の例である。ちなみに、この図４（ｂ）の例では、光の照射方向を図中紙面奥行き方向とし、図中矢印方向の直線偏光方向からなる偏光成分を含む光を照射する場合である。光吸収に伴う発熱が生じることにより、このｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の流動性が増加する結果、ｎ層１３やｐ層１４等のドーパント３１の分布がランダムに変化することになる。かかるドーパント３１の分布の変化が繰り返し起こる結果、例えば、互いに最隣接するドーパント３１の間隔も同様に変化し続けることとなる。このうち、最隣接するドーパントの方向は、光の照射方向に対して垂直であり、かつ直線偏光の方向に対して垂直である方向において最も多く分布するように徐々に配列することになる。図４（ｂ）の例では、最隣接するドーパントの方向（図中のｂの矢印方向）は、光の照射方向に対して垂直であり、直線偏光の方向に対して垂直であることが明らかである。互いに最隣接するドーパント３１の間隔が間隔Ｌとされる場合が、ある確率の下で偶然に形成される。この間隔Ｌは、単位胞における格子定数ａ×Ｎ（ここでＮは正の整数）で表すことができる。図４（ｂ）の場合には、最隣接するドーパント間に２つの単位胞が隔てられていることから、間隔Ｌは、格子定数ａ×Ｎで、かつＮ＝３となる。
【００２６】
互いに最隣接するドーパント３１の間隔が間隔Ｌとされている場合は、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した間隔といえる。なお、この近接場光は、ｎ層１３とｐ層１４との界面に発生する場合に限定されるものではなく、間接遷移型半導体発光素子１を構成する何れか１以上の層のドーパント３１の分布を変化させるものであればよい。
【００２７】
このような互いに最隣接するドーパント３１の間隔がＬとされたときに、上述した光照射を更に続けると、最隣接するドーパント３１の間隔Ｌの間で近接場光が局在しやすくなる。これはドーパント３１としてのホウ素の質量がシリコンの質量よりも重いことからこれらドーパント３１間がフォノンの振動の反射面となり、フォノンが局在し、ひいては近接場光が発生しやすくなるためである。ここでいう、近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、照射する光が、いわゆる誘導光となって生じる場合もあれば、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出及びそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。
【００２８】
この非断熱過程とは、図６に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図６(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という（T. Kawazoe、K. Kobayashi、S. Takubo、and M. Ohtsu、J. Chem. Phys.、Vol.122、No.2、January 2005、pp.024715 1-5）。
【００２９】
一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図６(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程（非断熱過程）が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。
【００３０】
また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯には電子がｎ層１３側からｐ層１４側にかけて移動することになる。その結果、この伝導帯中を移動してくる電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、ある確率の下で図７に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置するフォノン振動準位４１に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることによる発光させることができる。また、かかる近接場光に基づいて伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させることができる。
【００３１】
この図７の例では、フォノン振動準位４１が３段に亘って形成されている例である。伝導体中の電子は、この３段に亘るフォノン振動準位４１を上から下へと順に落下していき、最下段のフォノン振動準位４１から基底準位（価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位）まで放出される際に発光することとなる。この発光のエネルギーをＥ1とし、接合部のバンドギャップ（価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位から、伝導帯のエネルギーの最も低いエネルギー準位）をＥ2としたとき、Ｅ1＜Ｅ2となる。またΔＥ＝Ｅ2−Ｅ1で表すとき、エネルギー保存則の観点からは、このΔＥに相当するエネルギー分をフォノンにより供給する。換言すれば、このΔＥに相当するものが３段に亘るフォノン振動準位４１となる。従って、このフォノン振動準位４１の１段あたりのエネルギーは、ΔＥ／３に相当するものとなり、これらがちょうど３段で構成されることでちょうどΔＥとなり、エネルギー保存則をフォノンにより埋めることで実現できることとなる。
【００３２】
また、この図７の横軸は波数であるが、この価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位における波数は、Γであり、伝導体において最も低いエネルギー準位における波数をＸとしたとき、この価電子帯と伝導帯との波数差Δｋは、Ｘ−Γで表される。波数保存則の観点からは、この価電子帯と伝導帯との波数差Δｋについても同様にフォノンにより持たせる必要が出てくる。この例では、３段に亘るフォノン振動準位４１が形成されている。従って、このフォノン振動準位４１の１段あたりの波数は、Δｋ／３に相当するものとなり、これらがちょうど３段で構成されることでちょうどΔｋとなり、波数保存則をフォノンにより埋めることで実現できることとなる。
【００３３】
即ち、このフォノン振動準位４１は、その１段あたりのエネルギーがΔＥ／３であり、また１段あたりの波数がΔｋ／３であることから、このフォノン振動準位を３段で構成することで、ちょうどエネルギーの面においても、また波数の面においてもそれぞれの保存則を満たすこととなる。これにより、半導体層３０が間接遷移型半導体で構成されている場合においても、電子の放出による発光を実現することが可能となる。
【００３４】
なお、この３段に亘るフォノン振動準位４１が形成されるということは、図４（ｂ）に示すように、最隣接するドーパント３１間の間隔Ｌは、格子定数ａ×Ｎで、かつＮ＝３であることを意味している。ここでΔEについて考えてみる。Siの光学フォノンエネルギー:70meV(シリコンの場合)に固定されているため、バンドギャップエネルギーＥ21.14eVとDPPアニール波長（光子エネルギーＥ1:0.94eV）の差200meV（すなわちΔE）を埋めるには３個のフォノン70meV×3？200meVが必要になる。このフォノン70meV分がΔＥｆに相当する（エネルギー保存則）。
【００３５】
また、価電子帯のエネルギーの最も高いエネルギー準位における波数Γは、図５に示すｘｙｚ軸における原点に対応し、伝導体において最も低いエネルギー準位における波数Ｘは、図５に示すＸの方向に対応する。ちなみに、このＸは、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の何れにもなりえるものである。この波数Ｘがドーパントの配列方向に対応するものである。即ち、ドーパントの配列方位は、（００１）、（０１０）、（１００）の何れかとなる。ちなみに、この波数から判別されるこのドーパントの配列方位は、上述した図４（ｂ）の例における最隣接するドーパントの方向（図中のＬの矢印方向）と一致する。即ち、図４（ｂ）の例では、最隣接するドーパントの方向（図中のＬの矢印方向）は（００１）、（０１０）、（１００）の配列方位に相当する。
【００３６】
当該間隔Ｌの下においては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、フォノン振動準位４１を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である波長の光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができる。
【００３７】
仮に順方向バイアス電圧を負荷することなく、光照射のみ行った場合には、上述したメカニズムに基づいて近接場光を発生させることができるものの、複数段階で誘導放出させるための電子を確保することができないため、発光させることができない。このため、順方向バイアス電圧の印加は、例えそれが微弱なものであっても、必要となる。この順方向バイアス電圧の印加により、伝導帯に電子を生成することができ、これを誘導放出に用いることで、上述の発光を実現することが可能となる。
【００３８】
なお、このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じ、発光が生じることにより、かかる近接場光が発生する上で好適な、最隣接するドーパント３１の間隔がＬとされた領域については、照射光による光吸収そのものを打ち消すことができる。これは、光吸収により生じる電子と正孔が、光放出により再び結合するように遷移しようとする結果、かかる近接場光が発生する最隣接するドーパント３１の間隔がＬとされた領域については、光放出（発光）により、光吸収に基づく発熱を抑制することが可能となる。その結果、近接場光が発生する最隣接するドーパント３１の間隔がＬとされた領域については、温度が低下することになる。そして、この最隣接するドーパント３１の間隔がＬとされた領域については、ジュール熱に基づくドーパント３１の分布のランダムな変化が抑制されることになる。その結果、最隣接するドーパント３１の間隔Ｌが保持されたまま変化することなく固定されることになる。
【００３９】
また、図７に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、ドーパント３１の分布による近接場光が発生しやすくなる。その発生した近接場光により、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、最隣接するドーパント３１の間隔Ｌの固定化並びに発光が促進されることとなる。
【００４０】
また、上述の如き光を照射し続けるとともに、順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。図４（ｂ）に示すように、最隣接するドーパント３１の間隔Ｌは、そのまま近接場光が発生し続けて、順方向バイアス電圧に基づいて流れる電子が、上述した非断熱過程により継続的に誘導放出される結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、最隣接するドーパント３１の間隔Ｌ以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのまま光吸収に伴う発熱が生じることにより、このｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の流動性が増加する結果、ｎ層１３やｐ層１４等のドーパント３１の分布がランダムに変化する。このランダムな変化の結果、互いに最隣接するドーパント３１の間隔がＬとされる場合が、ある確率の下で新たに形成される。かかる場合に光を入射させると、新たに形成された間隔Ｌのドーパント３１の間において近接場光が発生しやすくなる。そして、新たに形成された間隔Ｌのドーパント３１の間においても同様に非断熱過程による誘導放出が生じる結果、温度が低下する。その結果、かかる最隣接するドーパント３１の間隔がＬの状態でそのまま固定され続ける。即ち、間接遷移型半導体発光素子１において近接場光が好適に発生する領域が順次増加していくこととなる。光放出により光吸収に伴う発熱量を低下させることにより、ドーパント３１の分布を固定させることを繰り返し実行することになる。
【００４１】
かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には、ｎ層１３とｐ層１４との界面において最隣接間隔がＬとなるドーパント３１が数多く形成されることになる。これは、光照射が行われた場合に近接場光が好適に発生する最隣接間隔がＬとなるドーパント３１が数多く作り出された間接遷移型半導体発光素子１として構成することが可能となる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００４２】
次に、上述した作製方法に基づいて作製された間接遷移型半導体発光素子１による動作について説明をする。
【００４３】
上述したように間接遷移型半導体発光素子１は、その作製の段階において、光が照射された場合に近接場光が好適に発生する、図４（ｂ）に示すような最隣接間隔がＬとなるドーパント３１の配置が数多く形成されている。作製した間接遷移型半導体発光素子１により実際に発光動作させる場合には、このような間接遷移型半導体発光素子１に対して上述の如き光を照射することなく、順方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。その結果、既に好適に近接場光を発生し得る形状が作り込まれていることから、順方向バイアス電圧を印加すると、これに基づいて図４（ｂ）に示すように、近接場光が多くの領域において発生する。そして、図７に示すように、その発生した近接場光による非断熱過程により、伝導帯にある電子がフォノン振動準位４１を介して多段階で誘導放出されて発光することになる。このとき、順方向バイアス電圧の強度を更に増大させるとアバランシェ降伏が生じて更に発光量が大きくなる。
【００４４】
上述したように、本発明では、光を照射するとともに、順方向バイアス電圧を印加することによりｐ層１４とｎ層１３の接合部３５に光吸収を生じさせ、光吸収による発熱に基づいて間接遷移型半導体発光素子１を構成する何れか１以上の層のドーパント３１の分布を変化させることを繰り返し実行する。
【００４５】
そして、変化後のドーパント３１の分布において、最隣接間隔がＬとなるドーパント３１間では、近接場光が好適に発生し、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、光吸収による発熱量を減少させて温度を下げ、ドーパント３１の分布を固定させる。
【００４６】
また変化後のドーパント３１の分布において、最隣接間隔がＬ以外となるドーパント３１間は、フォノンが局在しないため、近接場光が好適に発生せずに直ぐに伝搬光に戻ってしまう。その結果、最隣接間隔がＬ以外となるドーパント３１間は、光吸収による熱を発生させ続けてドーパント３１分布を変化させることを、ドーパント３１間の最隣接間隔がＬとなるまで繰り返す。
【００４７】
これにより、本発明では、接合部３５のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、ｎ層１３がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。
【００４８】
また、本発明を適用した間接遷移型半導体発光素子１の作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。
【００４９】
この波長帯は上記のSi,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TiO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなど用いる間接遷移型無機材料の種類を変更することによっても紫外から赤外光まで広く対応可能である。
【００５０】
なお、上述した実施の形態においては半導体層３０としてシリコンを使用し、ドーパント３１としてホウ素（Ｂ）を適用する場合を例に取り、最隣接するドーパント３１間の間隔Ｌは、格子定数ａ×Ｎで、かつＮ＝３である場合を例に挙げて説明をした。但し、他の間接遷移型半導体を適用する場合であっても、同様の技術思想を適用することにより、発光効率を向上させるようにしてもよいことは勿論である。かかる場合において、格子定数ａの倍数Ｎについては、接合部３５のバンドギャップと発光のエネルギーとのエネルギー差ΔＥと、接合部３５における価電子帯と伝導帯との波数差Δｋとに応じたものであればいかなるものであってもよい。このとき、格子定数ａの倍数Ｎは、最隣接するドーパント３１の間隔Ｌに局在する光学フォノンの持つエネルギーΔＥｆと、Ｎ＝ΔＥ／ΔＥｆを満たすものを選定するようにしてもよい。このとき、接合部３５において倍数Ｎのものが最も多く分布するように調整がなされていればよく、倍数Ｎ以外ものが含まれていてもよいことは勿論である。
【００５１】
またこれに加えて、最隣接するドーパントの間隔に局在する光学フォノンの持つ波数をΔｋｆとしたときΔｋｆ＝Δｋ／Ｎとされていることとしてもよい。
【００５２】
また本発明は、Ｎとの関係において以下のように説明することもできる。上述したΔＥは、ｎ層１３、ｐ層１４について選択した材料系から容易に特定することができる。また、光学フォノンの持つエネルギーΔＥｆは、例えば
Compaan,A.,Lee,M.C.,Trott,G.J.Phys.Rev.B32(1985)6731や、
Kobliska,R.,Solin,S.A.,Selders,M.,Chang,R.K.,Alben,R.,Thorpe,M.F.,Weaire,D,:Phys.Rev.Lett.29(1972)725等において各材料毎に文献値が開示されている。このような文献値から、ΔＥｆを求めることで、ΔＥ／ΔＥｆ＝Ｎが求められる。上述した方向ｂに向けて最隣接するドーパントの間隔は、この求められたＮと格子定数ａとの間で、ａ×Ｎのものが最も多く分布することとなる。
【００５３】
また、本発明においては、図８に示すように、作製時に入射する光が直線偏光成分を持つ場合において、最隣接するドーパント３１の隣接方向ｂは、照射される光の直線偏光方向βに対して垂直とされている方向に自然に配列することは上述したとおりである。その結果、得られた間接遷移型発光素子１から出射される光も同様にこの直線偏光方向βの成分が強いものとなる。
【００５４】
従って、間接遷移型発光素子１から所望の直線偏光方向の光を出射させたい場合に、当該直線偏光方向の光を入射させることで、これを作製することが可能となる。
【実施例１】
【００５５】
以下、本発明を提供した間接遷移型半導体発光素子の実施例について説明をする。
【００５６】
ｎ層１３は、シリコン基板から構成され、ｐ層１４も同様にシリコン基板から構成されているが、ホウ素をｐ型ドーパントとして打ち込まれている。このｐ層１４は、例えばイオン打ち込み法においてイオン打ち込みエネルギー７００ＫｅＶ、表面から１５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は２×１０19個／ｃｍ3とされている。
【００５７】
このような構成からなる半導体層３０におけるバンドギャップＥ2は、１．１４ｅＶである。半導体層３０に対して、ｐ層１４及びｎ層１３に１．６７Ａ/ｃｍ2の順方向バイアス電圧を印加するとともに、この半導体層３０に対して図９に示すような偏光方向からなる直線偏光成分の光を照射した。本実施例については、この光の照射方向は、発光素子の表面に対して垂直方向から照射した。照射した光の波長は、１．３μｍである。発光のエネルギーＥ1は、０．９４ｅＶであった。このため、ΔＥは０．２ｅＶであった。
【００５８】
順方向バイアス電圧の印加並びに光の照射を約６０分間に亘り行った後、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）により、計測用の試験片の切り出しを行った。この切り出しは、実際に発光素子の表面からちょうど半導体層３０が形成されている深さにおいて３ｍｍ、高さｈが６２５μｍからなる、試験片５５を切り出した。この切り出した試験片のうち、３０ｎｍ×３０ｎｍ×２００ｎｍの空間について３次元アトムプローブ法によるドーパント分布計測を行った。図９は、この３次元アトムプローブ法により実際に測定したドーパントとしてのホウ素（Ｂ）の分布の例である。
【００５９】
図１０（ａ）は、半導体層３０に対して光を照射する前の最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌに対する個数分布であり、図１０（ｂ）は、半導体層３０に対して光を照射した後における最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌに対する個数分布である。縦軸は、３０ｎｍ×３０ｎｍ×２００ｎｍの空間において計測されたドーパントとしてのホウ素の個数を示している。また横軸は、最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌを示している。ここで図中の実線は、ドーパント（Ｂ）の原子密度のみで決定されるランダムな分布時に得られるワイブル分布である。
【００６０】
光を照射する前の最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌに対する個数分布は、図１０（ａ）に示すように、原子間距離が６ｎｍや９ｎｍのところにワイブル分布から外れた領域にプロットが存在する。これはドーパントイオンの打ち込みの不均一性に由来するものである。
【００６１】
これに対して、光を照射した後の最隣接のドーパント（Ｂ）の距離Ｌは、図１０（ｂ）に示すように、格子定数ａの整数倍に一致する距離に細かいピークを持つ分布に変化したことが示されている。ちなみに、この距離Ｌを格子定数ａで割った値がＮとなる。格子定数ａは、０．５４であるが、これを図１０（ｂ）の距離Ｌを格子定数ａで割った場合にＮが３、４、５、６、・・の各位置が特定できることとなる。
【００６２】
また図１１は、図１０（ｂ）のデータから、実際に直線で示されるワイブル分布からのずれ（割合）を算出した結果を示している。横軸はＮであり、各Ｎに対するワイブル分布からのずれの割合を縦軸に取っている。
【００６３】
その結果、この例ではＮ＝３、即ち格子定数３個分のところにおいてワイブル分布からのずれの割合が最も高くなることが示されている。ワイブル分布に沿っているということは、ドーパントが自然に配列していることを意味しているのに対して、ワイブル分布からのずれが大きいということは、外部からの作用に基づいて自然な配列から逸脱して規則的に配列していることを意味している。Ｎ＝３、即ち格子定数３個分のところにおいてワイブル分布からのずれの割合が最も高くなっているということは、最隣接のドーパント（Ｂ）の間隔が、ちょうど格子定数３個分のところに最も多く配列していることを意味している。
【００６４】
従って、ｎ層１３は、Ｓｉであり、ｐ層１４は、Ｓｉに対してドーパントとしてＢをドープさせているものであるが、変化後のドーパントとしてのＢの分布を構成する互いに最隣接するＢの間隔は、格子定数ａのＮ（＝３）倍のものが最も多く分布していることが分かる。
【００６５】
また図１２は、光の照射方向を図中のＶ方向としたときにおける最隣接するドーパント（Ｂ）の方向依存性を調査した結果を示している。図１２（ａ）に示すように、光の照射方向Ｖを０°として基準とし、この０°から９０°までの各角度θ°につき、上述した単位空間において計測されたドーパント（Ｂ）の個数を測定した。
【００６６】
その結果、図１２（ｂ）に示すようにθ＝９０°において最もドーパントの個数が多かった。これは入射方向Ｖに対して、ちょうど垂直方向にあたるθ＝９０°の方位に向けて、ドーパント（Ｂ）が数多く並んでいることが示唆されている。この９０°の方位において、図１１の結果に示すように最隣接するＢの間隔は、格子定数ａのＮ（＝３）倍のものが最も多く分布していると仮定すれば、最隣接するドーパントの方向は、照射される光の照射方向に対して垂直であるものが最も多いことが分かる。
【００６７】
つまり、θ＝９０°において最もドーパントの個数が多いことに加え、このθ＝９０°において、図１１の結果に示すように最隣接するＢの間隔は、格子定数ａのＮ（＝３）倍のものが最も多く分布している。これは、最隣接するドーパントの方向も、照射される光の照射方向に対して垂直であるものが最も多いということを意味するものである。  なお照射される光は、紙面奥行き方向に向けた直線偏光成分を有するものであるから、これに対しても垂直方向に向けてドーパントが分布していた。このため、最隣接するドーパント間の方向は、照射される光の照射方向並びに直線偏光の方向に対してともに垂直方向とされていることを実験的に検証することができた。
【符号の説明】
【００６８】
１  間接遷移型半導体発光素子
１３  ｎ層
１４  ｐ層
３０  半導体層
３１  ドーパント
３５  接合層
４１  フォノン振動準位
５１  形成位置
５５  試験片
【図１】
2017050302.tif 000003
【図２】
2017050302.tif 000004
【図３】
2017050302.tif 000005
【図４】
2017050302.tif 000006
【図５】
2017050302.tif 000007
【図６】
2017050302.tif 000008
【図７】
2017050302.tif 000009
【図８】
2017050302.tif 000010
【図９】
2017050302.tif 000011
【図１０】
2017050302.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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