JP2006351918A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の波長の光が容易に得られる光源を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体層１０３の表面に一部が埋め込まれた埋め込み電極層１０４を備え、埋め込み電極層１０４の一部に重なるように、ｐ型半導体層１０３の上に誘電体層１０５，金属層１０６，オーミックコンタクト層１０８，及び電極１０９からなる積層構造体が形成されている。埋め込み電極層１０４の一部と金属層１０６の一部とで異種金属によるトンネル接合が形成されている。また、金属層１０６においては、誘電体層１０５の側にグレーティング１０７が形成されている。また、上記積層構造体の部分の両側に溝１３１が形成され、層間絶縁層１０２及び誘電体層１０５をクラッドとし、これらに挾まれた部分のｐ型半導体層１０３をコアとする光導波路が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属の表面に生成される表面プラズモンポラリトンを利用した発光素子に関する。

光インターコネクションなどの光情報処理システムで装置では、微小な領域からの発光を信号源として用いることが期待されている。微小領域における発光は、電子遷移によるエネルギー差を電磁場のエネルギーに変換することによりなるものである。例えば、電子状態ｂから遷移により状態がａに移り、光子が１個生成されるときの遷移確率ｒは、以下の（１）式で示されるものとなる。

Γ〜｜〈ａ｜ｐ｜ｂ〉｜²｜〈γ｜Ｅ｜０〉｜²δρδ（ω−Ω）・・・（１）

（１）式において、ｐは電子双極子に係る演算子、ρは光のモード密度、ωは光角周波数、Ｅは電場である。また、Ωは、電子状態のエネルギー差であり、以下の（２）式で定義される。

Ω≡（Ｅ_b−Ｅ_a）／ｈ・・・（２）

電子遷移は種々の物質系で生じるが、遷移の前後で電子の運動量は保存されなければならない。伝導帯の底と価電子帯の頂点が同一の波数ベクトルで与えられる直接遷移型のバンド構造の半導体では、電子遷移は発光（光子の放出）を伴う。多くのＩＩＩ−Ｖ素族化合物半導体やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、このような直接遷移型の半導体であり、レーザ素子等発光素子が実現されている。

一方、ＳｉやＧｅなどのＩＶ族半導体は、伝導帯の底と価電子帯の頂点が同一の波数ベクトルとはならない間接遷移型半導体であるため、電子遷移が生じるためには運動量を保存するためにフォノンの吸収又は放出が必要となり、遷移確率が極度に低下する。このため、バルクの間接遷移型半導体では、このバンド構造に基づいて発光素子をつくることはできない。

一方、発光を伴うより簡易な電子遷移過程は、仕事関数が異なる異種金属のトンネル接合において存在する。図８に示すように、各々異なる金属層８０１と金属層８０２とが絶縁層８０３を介して配置された異種金属のトンネル接合では、フェルミ面の高い方（Ｅ_F ⁽¹⁾）から低い方（Ｅ_F ⁽²⁾）へ電子がトンネルすると（太い線の矢印）、２つのフェルミ面のエネルギー差の光が放出される。この放出される光の角周波数ωは、以下の（３）式で示されるものとなる（非特許文献１参照）。

ω＝（Ｅ_F ⁽¹⁾−Ｅ_F ⁽²⁾）／ｈ・・・（３）

仕事関数は、金属元素に固有であり、異種金属のトンネル接合より放射される光のエネルギー（波長）は、組み合わされた金属により一義的に決定される。例えば、以下の表に示すように、異種金属のトンネル接合によれば、近赤外から赤外領域まで、種々の波長の光の放射が得られる。

C.Lin, et al.,"Electroluminescence at Si bandgap energy from metal-oxide-semiconductor tunneling dies", Proc. SPIE, Vol.4293, pp.147-154, 2001.

しかしながら、金属の仕事関数は、容易に制御することができず、異種金属のトンネル接合では、任意の波長の光を発生させることが困難である。例えば、通信波長帯の光を発生する金属の組み合わせは、表１に示した金属の範囲では、Ｃｕ−Ｐｄ（１．３７μｍ）、Ｃｕ−Ｐｔ（１．２４μｍ）、Ｆｅ−Ｐｄ（１．１８μｍ）、Ｆｅ−Ｎｉ（１．９１μｍ）となるが、よく用いられる波長１．５５μｍ近傍の光を得ることができない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、任意の波長の光が容易に得られる光源を提供することを目的とする。

本発明に係る発光素子は、一方の面に周期的な凹凸が形成された金属層と、金属層の一方の面に接触して形成された誘電体層と、この誘電体層の他方の面側に設けられた光導波路と、誘電体層の他方の面側の一部に接して設けられた電極部とを少なくとも備え、電極部と誘電体層との接触部分において、金属層，誘電体層，及び電極部からなるトンネル接合が形成されているようにしたものである。この発光素子では、金属層と電極部との間に電圧を印加して電極部から金属層の側へ電子をトンネリングさせて遷移させると、金属層の誘電体層側の表面に表面プラズモンポラリトン波が励起され、励起された表面プラズモンポラリトンより、周期的な凹凸の周期構造により決定される周波数の光が光導波路側へ分離される。

上記発光素子において、光導波路は、誘電体層からなる第１クラッドと、誘電体層に接して形成された半導体の層から構成されたコアと、このコアの誘電体層の側とは反対側に形成された絶縁材料からなる第２クラッド層とから構成されていればよい。また、電極部は、金属層とは異なる金属材料から構成されていればよい。また、電極部は、ｎ型の半導体から構成されていてもよい。ここで、電極部が、間接遷移型の半導体から構成されている場合、電極部のトンネル接合の部分に形成された微細構造を備え、この微細構造が、電極部のトンネル接合の部分における電子の運動量の揺らぎが間接遷移型の半導体の伝導帯端と価電子帯端との運動量差を超えるように電子の存在範囲を制限するものであればよい。この場合、微細構造は、電極部の誘電体層側の表面に形成された突起であればよい。また、微細構造は、電極部の誘電体層側の表面に形成された細線構造であってもよい。

以上説明したように、本発明では、一方の面に周期的な凹凸が形成された面で接する金属層及び誘電体層の一部に電極部を設け、電極部における金属層，誘電体層，及び電極部からなるトンネル接合が形成されているようにしたのでトンネル接合部における電子の遷移により金属層の表面に表面プラズモンポラリトン波が励起され、励起された表面プラズモンポラリトンより、周期的な凹凸の周期構造により決定される周波数の光が光導波路側へ分離されるようになる。この結果、本発明によれば、任意の波長の光が容易に得られる光源が容易に実現できるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。図１（ａ）は、導波（伝播）方向に平行な断面を示し、図１（ｂ）は、導波方向に垂直な断面を示している。図１に示す発光素子は、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板１０１の上に、層間絶縁層１０２を介してｐ型半導体層１０３を備えている。ｐ型半導体層１０３は、例えばｐ型の不純物としてＢが添加されたシリコンからなる層である。

また、図１に示す発光素子は、ｐ型半導体層１０３の表面に一部が埋め込まれた埋め込み電極層（電極部）１０４を備え、埋め込み電極層１０４の一部に重なるように、ｐ型半導体層１０３の上に誘電体層１０５，金属層１０６，オーミックコンタクト層１０８，及び電極１０９からなる積層構造体が形成されている。埋め込み電極層１０４は例えば、Ｆｅから構成され、金属層１０６は例えばＰｔから構成されたものであり、埋め込み電極層１０４の一部と金属層１０６の一部とで異種金属によるトンネル接合が形成されている。また、金属層１０６においては、誘電体層１０５の側にグレーティング（周期構造）１０７が形成されている。また、図１に示す発光素子では、図１（ｂ）に示すように、上記積層構造体の部分の両側に溝１３１が形成され、層間絶縁層１０２及び誘電体層１０５をクラッドとし、これらに挾まれた部分のｐ型半導体層１０３をコアとする光導波路が形成されている。

図１に示す発光素子では、まず、埋め込み電極層１０４と電極１０９（金属層１０６）との間に電圧を印加することで、異種金属のトンネル接合にトンネル電子が流れる。トンネル電子のエネルギーは、トンネル接合を形成している２つの金属の仕事関数の差にほぼ等しく、図１に例示す発光素子では、Ｐｔ−Ｆｅの組み合わせの異種金属トンネル接合であり、１．１５ｅＶ（０．８３μｍ）と比較的大きな仕事関数の差がある。このように、比較的大きなエネルギーのトンネル電子が流れること（電子遷移）により、より広い帯域に渡るＳＰＰ波が励起される（非特許文献２：D.K.Gifford, et al.,"Extraordinary transmission of luminescence through a metal electroad", Optics & Photonics NEWS (Optical Society of America), p.34, 2002）。

励起されたＳＰＰ波は、金属層１０６と誘電体層１０５との界面に沿って伝播し、グレーティング１０７の部分を伝播する。この結果、伝播するＳＰＰ波より、グレーティング１０７の周期構造により決定される周波数の光が、誘電体層１０５及びｐ型半導体層１０３（光導波路）の側へ分離され、図１（ｂ）の点線の楕円で示す領域を伝播する。このように、図１に示す発光素子によれば、グレーティング１０７の周期構造により決定される所望とする周波数の光が得られる。また、誘電体層１０５は、トンネル電流が流れるように高々１０ｎｍ程度と薄く、トンネル接合部分の金属層１０６と誘電体層１０５との間隙は、１０ｎｍ程度と狭くされている。このため、この間隙においては、電子遷移により空間伝搬光が直接励起されない状態となっている。

なお、オーミックコンタクト層１０８及び電極１０９を設けず、金属層１０６に直接電位が印加されるようにしてもよい。また、ｐ型半導体層１０３は、不純物の添加されていないシリコンから構成されててもよい。また、図１では、誘電体層１０５と層間絶縁層１０２とをクラッドとしてｐ型半導体層１０３をコアとする光導波路を設けるようにしたが、これに限らず、他の形態の光導波路であってもよい。

次に、図１に示した発光素子の発光についてより詳細に説明する。金属層１０６と誘電体層１０５との界面に沿って伝播する表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）波の波数ｑと角周波数ωは、誘電体層１０５の比誘電率ε_d及び金属層１０６の比誘電率ε_mとを用いて以下の（４）式に示す分散関係を満たしている。

ｑ＝（ω／ｃ）｛（ε_dε_m）／（ε_d＋ε_m）｝^1/2・・・（４）

なお、金属層１０６の比誘電率ε_mは、プラズマ共鳴周波数ω_pを用いて以下の（５）式のように示される。

ε_m＝１−（ω_p／ω）²・・・（５）

図２にこの分散関係を示している、ＳＰＰ波の上記伝播の速度（群速度）は、空間を伝播する電磁波と同様に、Ｖ_g＝∂ω／∂ｑにより与えられる。角周波数ωが小さいとき（長波長の極限）では、バルクの誘電体を伝播する光速「ｑ＝ω／｛ｃ／（ε_d）^1/2｝・・・（６）」に漸近する。また、ＳＰＰ波が存在する範囲は、０＜ω＜ω_sp（ω_sp＝ω_p／（ε_d＋１）^1/2）であり、角周波数の上限でｑは無限大に発散する。このときＳＰＰ波は共鳴状態にあり、伝播速度は０に漸近している。

ＳＰＰ波が伝播する界面近傍の誘電体層１０５では、誘電体層１０５を伝播する光は金属層１０６のグレーティング１０７により空間変調される。グレーティング１０７の逆格子ベクトルの大きさをＧ（＝２π／Λ；Λはグレーティング１０７の周期）とすると、空間伝播光の分散は、以下の（７）式で示されるものとなる。

ｑ’＝ｍＧ＋ω／ｃ・・・（７）
なお、ｍは整数である。

ＳＰＰ波の群速度は、バルクの誘電体を伝播する光速よりも常に小さいので、ＳＰＰ波は非放射であるが、誘電体層１０５を伝播する光の速度とＳＰＰ波の速度が一致するときには、ＳＰＰ波と誘電体層１０５中の伝播光が結合する。従って、ＳＰＰ波から空間伝播光ヘのエネルギーの移行が可能となる。

ＳＰＰ波と空間伝播光の速度が一致する条件は、以下の（８）式により与えられる。

｛（ε_dε_m）／（ε_d＋ε_m）｝^1/2＝±１−ｍ×（ｃＧ）／ω・・・（８）

この解は、図２に示すように、ＳＰＰ波の分散と誘電体層１０５を伝播する空間変調光の分散の交点（黒丸）で与えられる。従って、例えば、金属層１０６がプラズマ共鳴波長１６０ｎｍを持つ金属から構成され、誘電体層１０５が屈折率３．２の絶縁材料から構成されている場合、−１次の回折波を波長１．５５μｍで結合させるためには、グレーティング１０７の凹凸の周期が約３５０ｎｍであればよい。

また、上述したＳＰＰ波は、電子遷移により励起可能である。電子状態ｂから遷移により状態がａに移るときに得るエネルギー差に相当する光の周波数ω＝（Ｅ_F ⁽¹⁾−Ｅ_F ⁽²⁾）／ｈよりも低い周波数のＳＰＰ波が、励起可能である。但し、電子遷移により角周波数ω＝（Ｅ_F ⁽¹⁾−Ｅ_F ⁽²⁾）／ｈの空間伝播光が励起されないようにしなければならない。このため、例えば、図３に示すように、点線で示す空間伝播光の空間波長の２分の１以下の領域で電子が遷移する状態とすれば、空間伝播光の励起が抑圧される一方、空間波長に制限のないＳＰＰ波（実線）が励起される。このような空間としては、金属に挟まれた微小間隙や共振器などの構造であればよく、また、金属片界面の開放系においても、金属の表面のごく近傍では、金属の影響を強く受けて空間伝播光の励起が抑圧される。

次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図４は、本発明の実施の形態における発光素子の構成例を模式的に示す断面図であり、導波（伝播）方向に平行な断面を示している。図４に示す発光素子は、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板４０１の上に、層間絶縁層４０２を介してｐ型半導体層４０３を備えている。ｐ型半導体層４０３は、例えばｐ型の不純物としてＢが添加されたシリコンからなる層である。

また、図４に示す発光素子は、ｐ型半導体層４０３の表面にｎ型領域（電極部）４０４を備え、ｎ型領域４０４の表面側の一部に微小な凹凸部４０４ａを備え、この凹凸部４０４ａの一部に重なるように、ｐ型半導体層４０３の上に誘電体層４０５及び金属層４０６が形成されている。凹凸部４０４ａにおいては、突起が設けられていればよい。ｎ型領域４０４は、例えば、イオン注入法によりリンが導入された領域であり、ｎ型領域４０（凹凸部４０４ａ）の一部と金属層４０６の一部とでトンネル接合が形成されている。また、金属層４０６においては、誘電体層４０５の側にグレーティング（周期構造）４０７が形成されている。なお、図４に示す発光素子においても、誘電体層４０５及び金属層４０６の部分の両側に溝が形成され、層間絶縁層４０２及び誘電体層４０５をクラッドとし、これらに挾まれた部分のｐ型半導体層４０３をコアとする光導波路が形成されている。また、ｎ型領域４０４の他の一部には、オーミック接続する電極４０８が形成されている。

図４に示す発光素子では、まず、電極４０８と金属層４０６との間に電圧を印加することで、ｎ型領域４０４の凹凸部４０４ａに対して電子を注入可能としている。図５に示すように、上記電圧の印加により、金属層４０６より絶縁層４０５をトンネリングしてｎ型領域４０４の伝導帯に電子が注入される。なお、図５では、グレーの部部に電子が存在していることを示している。注入された電子は、ｎ型領域４０４の価電子帯に遷移し、この遷移のときのエネルギーが、金属層４０４の絶縁層４０５側の表面におけるＳＰＰ波の励起に用いられる。

ここで、ＳＰＰ波の励起のためには、上記電子の遷移が直接遷移であることが必要となる。ところが、シリコンは間接遷移型の半導体であるため、電子遷移のエネルギー緩和過程に光学的過程を組み込むことが困難である。これに対し、図４に示す発光素子では、凹凸部４０４ａを設けるようにしたので、注入された電子の存在範囲が制限されるようになり、運動量の不確定性が増大し、運動量保存則が成立しないバンド間遷移が行われるようになる。この結果、凹凸部４０４ａを設けた領域における金属層４０４と絶縁層４０５との接合部分では、図５に示す電子の遷移によりＳＰＰ波が励起されるようになる。また、シリコンでは、電子の遷移により得られるエネルギーは、１．１２ｅＶ（１．１μｍ）となり、通信波長帯に対応したＳＰＰ波を発生させることができる。なお、図６に示すように、金属層４０６のフェルミレベルＥ_Fは、ｐ型半導体層４０３の禁止帯に相当するので、ｐ型半導体層４０３への電子注入は阻止され、ｎ型領域４０４（凹凸部４０４ａ）へのみに選択的に電子を注入することが可能となる。

以上のようにして励起されたＳＰＰ波は、金属層４０６と誘電体層４０５との界面に沿って伝播し、グレーティング４０７の部分を伝播する。この結果、伝播するＳＰＰ波より、グレーティング４０７の周期構造により決定される周波数の光が、誘電体層４０５及びｐ型半導体層４０３（光導波路）の側へ分離される。このように、図４に示す発光素子によれば、グレーティング４０７の周期構造により決定される周波数の光が得られる。

次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図７は、本発明の実施の形態における発光素子の構成例を模式的に示す断面図であり、導波（伝播）方向に平行な断面を示している。図７に示す発光素子は、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板７０１の上に、層間絶縁層７０２を介してｐ型半導体層７０３を備えている。ｐ型半導体層７０３は、例えばｐ型の不純物としてＢが添加されたシリコンからなる層である。

また、図７に示す発光素子は、ｐ型半導体層７０３の表面にｎ型領域（電極部）７０４を備え、ｎ型領域７０４の表面側の一部に細線部７０４ａを備え、この細線部７０４ａの一部に重なるように、ｐ型半導体層７０３の上に誘電体層７０５，金属層７０６が形成されている。ｎ型領域７０４（細線部７０４ａ）の一部と金属層７０６の一部とでトンネル接合が形成されている。また、金属層７０６においては、誘電体層７０５の側にグレーティング（周期構造）７０７が形成されている。ｎ型領域７０４は、例えば、公知のリソグラフィー技術により形成されたマスクパターンを利用して選択的にリンをイオン注入することで形成可能である。細線部７０４ａの寸法（太さ）は、より細い方が望ましいが、微細加工技術により物理的な制約を受ける。現状では、太さ５０ｎｍ程度の細線部７０４ａの形成が可能である。

なお、図７に示す発光素子においても、誘電体層７０５及び金属層７０６の部分の両側に溝が形成され、層間絶縁層７０２及び誘電体層７０５をクラッドとし、これらに挾まれた部分のｐ型半導体層７０３をコアとする光導波路が形成されている。また、ｎ型領域７０４の他の一部には、オーミック接続する電極７０８が形成されている。

図７に示す発光素子では、まず、電極７０８と金属層７０６との間に電圧を印加することで、ｎ型領域７０４の細線部７０４ａに対して電子を注入可能としている。図５に示すように、上記電圧の印加により、金属層７０６より絶縁層７０５をトンネリングしてｎ型領域７０４の伝導帯に電子が注入される。なお、図５では、グレーの部部に電子が存在していることを示している。注入された電子は、ｎ型領域７０４の価電子帯に遷移し、この遷移のときのエネルギーが、金属層７０４の絶縁層７０５側の表面におけるＳＰＰ波の励起に用いられる。

前述したように、シリコンは間接遷移型の半導体であるため、電子遷移のエネルギー緩和過程に光学的過程を組み込むことが困難である。これに対し、図７に示す発光素子では、細線部７０４ａを設けるようにしたので、注入された電子の存在範囲が制限されるようになり、運動量の不確定性が増大し、運動量保存則が成立しないバンド間遷移が行われるようになる。この結果、細線部７０４ａを設けた領域における金属層７０４と絶縁層７０５との接合部分では、電子の遷移によりＳＰＰ波が励起されるようになる。また、シリコンでは、電子の遷移により得られるエネルギーは、１．１２ｅＶ（１．１μｍ）となり、通信波長帯に対応したＳＰＰ波を発生させることができる。なお、図７に示す発光素子においても、金属層７０６のフェルミレベルは、ｐ型半導体層７０３の禁止帯に相当するので、ｐ型半導体層７０３への電子注入は阻止され、ｎ型領域７０４（細線部７０４ａ）へのみに選択的に電子を注入することが可能となる。

以上のようにして励起されたＳＰＰ波は、金属層７０６と誘電体層７０５との界面に沿って伝播し、グレーティング７０７の部分を伝播する。この結果、伝播するＳＰＰ波より、グレーティング７０７の周期構造により決定される周波数の光が、誘電体層７０５及びｐ型半導体層７０３（光導波路）の側へ分離される。このように、図７に示す発光素子によれば、グレーティング７０７の周期構造により決定される周波数の光が得られる。

本発明の実施の形態における発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。 表面プラズモンポラリトン及び周期構造により空間変調を受けた空間電波光の分散及びこれらの結合を示す説明図である。 微細構造により空間電波光のエネルギー希有号が阻止され、表面プラズモンポラリトンへの選択的結合の状態を示す説明図である。 本発明の実施の形態における他の発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。 ｎ型半導体層４０４とトンネル絶縁部となる誘電体層４０５と金属層４０６とからなる構造で電子がトンネルする機構を説明するためのバンド図である。 ｐ型半導体層４０３と誘電体層４０５と金属層４０６とからなる構造で電子のトンネルが阻止される機構を説明するためのバンド図である。 本発明の実施の形態における他の発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。 異種金属間の電子のトンネリング機構を示すエネルギーバンド図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…層間絶縁層、１０３…ｐ型半導体層、１０４…埋め込み電極層、１０５…誘電体層、１０６…金属層、１０７…グレーティング（周期構造）、１０８…オーミックコンタクト層、１０９…電極。

Claims (7)

1. 一方の面に周期的な凹凸が形成された金属層と、
   前記金属層の前記一方の面に接触して形成された誘電体層と、
   この誘電体層の他方の面側に設けられた光導波路と、
   前記誘電体層の前記他方の面側の一部に接して設けられた電極部と
   を少なくとも備え、
   前記電極部と前記誘電体層との接触部分において、前記金属層，前記誘電体層，及び前記電極部からなるトンネル接合が形成されている
   ことを特徴とする発光素子。
2. 請求項１記載の発光素子において、
   前記光導波路は、
   前記誘電体層からなる第１クラッドと、
   前記誘電体層に接して形成された半導体の層から構成されたコアと、
   このコアの前記誘電体層の側とは反対側に形成された絶縁材料からなる第２クラッド層と
   から構成されていることを特徴とする発光素子。
3. 請求項１又は２記載の発光素子において、
   前記電極部は、前記金属層とは異なる金属材料から構成されている
   ことを特徴とする発光素子。
4. 請求項１又は２記載の発光素子において、
   前記電極部は、ｎ型の半導体から構成されている
   ことを特徴とする発光素子。
5. 請求項４記載の発光素子において、
   前記電極部は、間接遷移型の半導体から構成され、
   前記電極部の前記トンネル接合の部分に形成された微細構造を備え、
   前記微細構造は、前記電極部の前記トンネル接合の部分における電子の運動量の揺らぎが前記間接遷移型の半導体の伝導帯端と価電子帯端との運動量差を超えるように電子の存在範囲を制限するものである
   ことを特徴とする発光素子。
6. 請求項５記載の発光素子において、
   前記微細構造は、前記電極部の前記誘電体層側の表面に形成された突起である
   ことを特徴とする発光素子。
7. 請求項５記載の発光素子において、
   前記微細構造は、前記電極部の前記誘電体層側の表面に形成された細線構造である
   ことを特徴とする発光素子。
   

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