JP4398310B2

JP4398310B2 - LIGHT EMITTING ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

Info

Publication number: JP4398310B2
Application number: JP2004194652A
Authority: JP
Inventors: 樹成楚; 博文菅; 徹廣畑; 輝夫晝馬
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006019426A

Description

この発明は、環境半導体を利用した発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a light emitting device using an environmental semiconductor and a method for manufacturing the same.

近年、資源が豊富かつ廃棄時に深刻な環境問題を惹起しない半導体、いわゆる環境半導体が注目を集めている。環境半導体のなかでβ−ＦｅＳｉ_２は、禁止帯幅が約０．８ｅＶの直接遷移型半導体であり、Ｓｉ基板上へのエピタキシャル成長が可能である。このため、β−ＦｅＳｉ_２は、環境負荷の小さい、次世代の発光・受光素子用の材料として期待されている。 In recent years, semiconductors that are abundant in resources and do not cause serious environmental problems upon disposal, so-called environmental semiconductors, have attracted attention. Among environmental semiconductors, β-FeSi ₂ is a direct transition semiconductor having a forbidden band width of about 0.8 eV and can be epitaxially grown on a Si substrate. For this reason, β-FeSi ₂ is expected as a material for a next-generation light-emitting / light-receiving element with a small environmental load.

Ｓｉ基板上に設けられたβ−ＦｅＳｉ_２膜を有する発光素子は、下記の特許文献１に開示されている。この発光素子では、β−ＦｅＳｉ_２膜がＳｉ基板と異なる導電型を有する。
特開２００４−９５８５８号公報 A light-emitting element having a β-FeSi ₂ film provided on a Si substrate is disclosed in Patent Document 1 below. In this light emitting element, the β-FeSi ₂ film has a conductivity type different from that of the Si substrate.
JP 2004-95858 A

β−ＦｅＳｉ_２の発光に関しては不明点が多く、現在でも、発光強度のいっそうの向上が要望されている。そこで、本発明は、β−ＦｅＳｉ_２を利用した発光強度の高い発光素子の提供を課題とする。 There are many unclear points regarding the light emission of β-FeSi ₂ , and even now, there is a demand for further improvement of the light emission intensity. Therefore, an object of the present invention is to provide a light-emitting element having high emission intensity using β-FeSi ₂ .

本発明の一つの側面は、発光素子に関する。この発光素子は、所定の導電型を有するＳｉ基板と、Ｓｉ基板の表面上に設けられ、Ｓｉ基板と同じ導電型を有するβ−ＦｅＳｉ_２膜と、β−ＦｅＳｉ_２膜上に設けられ、β−ＦｅＳｉ_２膜と異なる導電型を有するＳｉ層と、Ｓｉ層上に設けられた第１の電極と、Ｓｉ基板の裏面上に設けられた第２の電極とを備えている。Ｓｉ基板およびβ−ＦｅＳｉ_２膜の導電型がｎ型であり、Ｓｉ層の導電型がｐ型であってもよい。また、Ｓｉ基板およびβ−ＦｅＳｉ_２膜の導電型がｐ型であり、Ｓｉ層の導電型がｎ型であってもよい。 One aspect of the present invention relates to a light-emitting element. The light emitting device includes a Si substrate having a predetermined conductivity type, provided on the surface of the Si substrate, and the beta-FeSi ₂ layer having the same conductivity type as the Si substrate, provided on the beta-FeSi ₂ film, beta A Si layer having a conductivity type different from that of the FeSi ₂ film, a first electrode provided on the Si layer, and a second electrode provided on the back surface of the Si substrate. The conductivity type of the Si substrate and the β-FeSi ₂ film may be n-type, and the conductivity type of the Si layer may be p-type. Further, the conductivity type of the Si substrate and the β-FeSi ₂ film may be p-type, and the conductivity type of the Si layer may be n-type.

本発明者らは、β−ＦｅＳｉ_２の時間分解ＰＬ（フォトルミネッセンス）解析と、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）の温度依存性の測定を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、Ｓｉ基板と同じ導電型のβ−ＦｅＳｉ_２膜をＳｉ基板上に形成し、そのβ−ＦｅＳｉ_２膜上に導電型の異なるＳｉ層を形成して発光素子を製造すれば、高い発光強度が得られる。 As a result of time-resolved PL (photoluminescence) analysis of β-FeSi ₂ and measurement of temperature dependence of EL (electroluminescence), the present inventors have obtained the following knowledge. That is, if a β-FeSi ₂ film having the same conductivity type as that of the Si substrate is formed on the Si substrate, and a Si layer having a different conductivity type is formed on the β-FeSi ₂ film, a light emitting device is manufactured. Is obtained.

本発明の別の側面は、発光素子の製造方法に関する。この方法は、所定の導電型を有するＳｉ基板の表面上に、Ｓｉ基板と同じ導電型を有するβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成する工程と、β−ＦｅＳｉ_２膜上に、β−ＦｅＳｉ_２膜と異なる導電型を有するＳｉ層を形成する工程と、Ｓｉ層上およびＳｉ基板の裏面上に電極を形成する工程とを備えている。この方法によれば、高い発光強度を有する発光素子を製造することができる。 Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a light emitting device. This method includes a step of forming a β-FeSi ₂ film having the same conductivity type as the Si substrate on the surface of the Si substrate having a predetermined conductivity type, and a β-FeSi ₂ film on the β-FeSi ₂ film. The method includes a step of forming Si layers having different conductivity types, and a step of forming electrodes on the Si layer and the back surface of the Si substrate. According to this method, a light emitting device having high light emission intensity can be manufactured.

β−ＦｅＳｉ_２膜を形成する工程は、ｎ型のＳｉ基板の表面上に、ｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２からなる初期層を第１の温度で形成し、初期層を第１の温度より高い第２の温度で成長させてｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成し、そのβ−ＦｅＳｉ_２膜をアニールして、その導電型をｐ型からｎ型に転換してもよい。Ｓｉ層を形成する工程は、このｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜上にｐ型のＳｉ層を形成する。 In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of p-type β-FeSi ₂ is formed at the first temperature on the surface of the n-type Si substrate, and the initial layer is higher than the first temperature. A p-type β-FeSi ₂ film may be formed by growing at the second temperature, and the β-FeSi ₂ film may be annealed to change the conductivity type from p-type to n-type. In the step of forming the Si layer, a p-type Si layer is formed on the n-type β-FeSi ₂ film.

β−ＦｅＳｉ_２膜を形成する工程は、ｎ型のＳｉ基板の表面上に、ｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２からなる初期層を第１の温度で形成し、初期層を第１の温度より高い第２の温度で成長させてｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成し、そのβ−ＦｅＳｉ_２膜にｎ型ドーパントを添加して、その導電型をｐ型からｎ型に転換してもよい。Ｓｉ層を形成する工程は、このｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜上にｐ型のＳｉ層を形成する。 In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of p-type β-FeSi ₂ is formed at the first temperature on the surface of the n-type Si substrate, and the initial layer is higher than the first temperature. A p-type β-FeSi ₂ film may be formed by growing at the second temperature, and an n-type dopant may be added to the β-FeSi ₂ film to change the conductivity type from p-type to n-type. . In the step of forming the Si layer, a p-type Si layer is formed on the n-type β-FeSi ₂ film.

β−ＦｅＳｉ_２膜を形成する工程は、ｎ型のＳｉ基板の表面上に、ｎ型ドーパントを含むｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２からなる初期層を第１の温度で形成し、初期層を第１の温度より高い第２の温度で成長させてｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成してもよい。Ｓｉ層を形成する工程は、このｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜上にｐ型のＳｉ層を形成する。 In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of n-type β-FeSi ₂ containing an n-type dopant is formed on the surface of the n-type Si substrate at a first temperature, and the initial layer is formed as a first layer. The n-type β-FeSi ₂ film may be formed by growing at a second temperature higher than the first temperature. In the step of forming the Si layer, a p-type Si layer is formed on the n-type β-FeSi ₂ film.

β−ＦｅＳｉ_２膜を形成する工程は、ｐ型のＳｉ基板の表面上に、ｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２からなる初期層を第１の温度で形成し、初期層を第１の温度より高い第２の温度で成長させてｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜を形成してもよい。Ｓｉ層を形成する工程は、このｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜上にｎ型のＳｉ層を形成する。 In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of p-type β-FeSi ₂ is formed at the first temperature on the surface of the p-type Si substrate, and the initial layer is higher than the first temperature. The p-type β-FeSi ₂ film may be formed by growing at the second temperature. In the step of forming the Si layer, an n-type Si layer is formed on the p-type β-FeSi ₂ film.

本発明によれば、β−ＦｅＳｉ_２膜を利用した発光強度の高い発光素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a light emitting device having high emission intensity using a β-FeSi ₂ film.

最初に、本発明の概要を説明する。本発明者らは、β−ＦｅＳｉ_２の時間分解ＰＬ（フォトルミネッセンス）解析と、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）の温度依存性の測定を行い、得られた発光特性と電流注入モードを検討した。その結果、本発明者らは、Ｓｉ基板と同じ導電型のβ−ＦｅＳｉ_２を使用することにより、発光強度の向上が可能なことを見出した。本発明者らは、実際に下記の発光素子を製造して、高い発光強度を確認した。 First, the outline of the present invention will be described. The present inventors performed time-resolved PL (photoluminescence) analysis of β-FeSi ₂ and measured temperature dependence of EL (electroluminescence), and studied the obtained light emission characteristics and current injection mode. As a result, the present inventors have found that the emission intensity can be improved by using β-FeSi ₂ having the same conductivity type as that of the Si substrate. The inventors actually manufactured the following light-emitting elements and confirmed high light emission intensity.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図１は、本発明の実施形態に係る発光素子１０を示す断面図であり、図２は、発光素子１０の平面図である。発光素子１０は、Ｓｉ基板１１、β−ＦｅＳｉ_２膜１２、Ｓｉキャップ層１３、下部電極１４および複数の上部電極１５を有する。β−ＦｅＳｉ_２膜１２、Ｓｉキャップ層１３および上部電極１５は、基板１の表側に設けられている。下部電極１４は、基板１の裏側に設けられている。下部電極１４および上部電極１５は、基板１１、β−ＦｅＳｉ_２膜１２およびＳｉキャップ層１３を挟んでいる。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting device 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the light emitting device 10. The light emitting element 10 includes a Si substrate 11, a β-FeSi ₂ film 12, a Si cap layer 13, a lower electrode 14, and a plurality of upper electrodes 15. The β-FeSi ₂ film 12, the Si cap layer 13, and the upper electrode 15 are provided on the front side of the substrate 1. The lower electrode 14 is provided on the back side of the substrate 1. The lower electrode 14 and the upper electrode 15 sandwich the substrate 11, the β-FeSi ₂ film 12, and the Si cap layer 13.

Ｓｉ基板１１は、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｓｋｉ：ＣＺ）法により製造されたＳｉ（１１１）基板、すなわち面方位（１１１）の主面を有する基板である。Ｓｉ基板１１の導電型はｎ型であり、基板１１のサイズは２インチである。基板１１は、０．１〜１Ω・ｃｍの抵抗率を有している。基板１１は、互いに反対側に位置する一対の主面、すなわち表面１１ａおよび裏面１１ｂを有する。 The Si substrate 11 is a Si (111) substrate manufactured by the Czochralski (CZ) method, that is, a substrate having a main surface with a plane orientation (111). The conductivity type of the Si substrate 11 is n-type, and the size of the substrate 11 is 2 inches. The substrate 11 has a resistivity of 0.1 to 1 Ω · cm. The substrate 11 has a pair of main surfaces located on opposite sides, that is, a front surface 11a and a back surface 11b.

β−ＦｅＳｉ_２膜１２は、Ｓｉ基板１１の表面１１ａの全体を覆うようにＳｉ基板１１上に設けられている。β−ＦｅＳｉ_２膜１２は、互いに反対側に位置する表面１２ａおよび裏面１２ｂを有する。裏面１２ｂはＳｉ基板１１の表面１１ａに接触している。β−ＦｅＳｉ_２膜１２の厚さは、好ましくは１００〜２５０ｎｍ、より好ましくは１００〜２００ｎｍである。本実施形態では、β−ＦｅＳｉ_２膜１２の厚さは２００ｎｍである。β−ＦｅＳｉ_２膜１２の導電型は、Ｓｉ基板１１と同じくｎ型である。 The β-FeSi ₂ film 12 is provided on the Si substrate 11 so as to cover the entire surface 11 a of the Si substrate 11. The β-FeSi ₂ film 12 has a front surface 12a and a back surface 12b located on opposite sides. The back surface 12 b is in contact with the front surface 11 a of the Si substrate 11. The thickness of the β-FeSi ₂ film 12 is preferably 100 to 250 nm, more preferably 100 to 200 nm. In the present embodiment, the thickness of the β-FeSi ₂ film 12 is 200 nm. The conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12 is n-type, similar to the Si substrate 11.

Ｓｉキャップ層１３は、β−ＦｅＳｉ_２膜１２の表面１２ａの全体を覆うように設けられている。Ｓｉキャップ層１３は、互いに反対側に位置する表面１３ａおよび裏面１３ｂを有する。Ｓｉキャップ層１３の導電型は、Ｓｉ基板１１およびβ−ＦｅＳｉ２膜１２と異なり、ｐ型である。Ｓｉキャップ層１３は、ｐ型ドーパントとしてＢ（硼素）を含んでいる。Ｓｉキャップ層１３の厚さは、好ましくは２００〜５００ｎｍである。本実施形態では、Ｓｉキャップ層１３の厚さは５００ｎｍである。 The Si cap layer 13 is provided so as to cover the entire surface 12 a of the β-FeSi ₂ film 12. The Si cap layer 13 has a front surface 13a and a back surface 13b located on opposite sides. Unlike the Si substrate 11 and the β-FeSi 2 film 12, the conductivity type of the Si cap layer 13 is p-type. The Si cap layer 13 contains B (boron) as a p-type dopant. The thickness of the Si cap layer 13 is preferably 200 to 500 nm. In the present embodiment, the thickness of the Si cap layer 13 is 500 nm.

下部電極１４は、図１に示されるように、Ｓｉ基板１１の裏面１１ｂの全体を覆うようにＳｉ基板１１上に設けられている。下部電極１４はＡｌから構成されている。 As shown in FIG. 1, the lower electrode 14 is provided on the Si substrate 11 so as to cover the entire back surface 11 b of the Si substrate 11. The lower electrode 14 is made of Al.

上部電極１５は、図１および図２に示されるように、Ｓｉキャップ層１３の表面１３ａ上に等間隔に設けられている。上部電極１５は円形の平面形状を有している。上部電極１５は、下部電極１４と同様にＡｌから構成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the upper electrode 15 is provided on the surface 13 a of the Si cap layer 13 at equal intervals. The upper electrode 15 has a circular planar shape. The upper electrode 15 is made of Al like the lower electrode 14.

次に、図３および図４を参照しながら、発光素子１０の製造方法を説明する。図３は、この製造方法を示すフローチャートであり、図４は、この製造方法の概略工程図である。この製造方法は、ロードロック装置を備える高真空スパッタ装置を用いて発光素子１０を製造する。本実施形態では、ＲＦマグネトロンスパッタ装置が使用される。ＲＦマグネトロンスパッタ装置は、比較的低い温度の下でβ−ＦｅＳｉ_２層を成長させることができる。 Next, a method for manufacturing the light emitting element 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a flowchart showing this manufacturing method, and FIG. 4 is a schematic process diagram of this manufacturing method. In this manufacturing method, the light emitting element 10 is manufactured using a high vacuum sputtering apparatus including a load lock device. In this embodiment, an RF magnetron sputtering apparatus is used. The RF magnetron sputtering apparatus can grow the β-FeSi ₂ layer under a relatively low temperature.

まず、ロードロック装置からスパッタ装置のチャンバ内にＳｉ基板１１を搬入し、Ｓｉ基板１１のサーマルクリーニングを行う（ステップＳ３０２）。このサーマルクリーニングでは、２×１０^−７Ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力のもとで基板１１の温度を８５０℃まで上昇させ、その温度を３０分間維持する。 First, the Si substrate 11 is carried into the chamber of the sputtering apparatus from the load lock device, and the Si substrate 11 is thermally cleaned (step S302). In this thermal cleaning, the temperature of the substrate 11 is raised to 850 ° C. under a background pressure of 2 × 10 ⁻⁷ Torr, and the temperature is maintained for 30 minutes.

次に、図４（ａ）に示されるように、サーマルクリーニングを施した基板１１の表面１１ａ上に、β−ＦｅＳｉ_２からなる薄い初期層１６を形成する（ステップＳ３０４）。形成時の基板温度は、４４０〜５５０℃が好ましく、４８０〜５２０℃がより好ましい。本実施形態では、基板温度は５００℃である。この温度条件のもとで純度９９．９９％のＦｅターゲットをＲＦスパッタリングし、Ｓｉ基板１１上にβ−ＦｅＳｉ_２初期層１６を形成する。スパッタガスにはアルゴンを使用する。初期層の形成中は、チャンバ内のアルゴン圧が３×１０^−３Ｔｏｒｒに制御される。初期層の厚さは、好ましくは５〜８０ｎｍである。本実施形態では、初期層の厚さは２０ｎｍである。通常、ｎ型ドーパントを添加することなく作製されたβ相結晶の導電型はｐ型となる。本実施形態においても、初期層１６の導電型はｐ型である。 Next, as shown in FIG. 4A, a thin initial layer 16 made of β-FeSi ₂ is formed on the surface 11a of the substrate 11 subjected to thermal cleaning (step S304). The substrate temperature during formation is preferably 440 to 550 ° C, and more preferably 480 to 520 ° C. In this embodiment, the substrate temperature is 500 ° C. Under this temperature condition, an Fe target having a purity of 99.99% is RF-sputtered to form a β-FeSi ₂ initial layer 16 on the Si substrate 11. Argon is used as the sputtering gas. During the formation of the initial layer, the argon pressure in the chamber is controlled to 3 × 10 ⁻³ Torr. The thickness of the initial layer is preferably 5 to 80 nm. In the present embodiment, the thickness of the initial layer is 20 nm. Usually, the conductivity type of a β-phase crystal produced without adding an n-type dopant is p-type. Also in this embodiment, the conductivity type of the initial layer 16 is p-type.

続いて、図４（ｂ）に示されるように、基板１１の温度をチャンバ内で７３０〜７６０℃まで上昇させて、β−ＦｅＳｉ_２初期層１６を約２００ｎｍの厚さまで成長させ、β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃを作製する（ステップＳ３０６）。初期層１６の成長速度は３５ｎｍ／ｈｏｕｒである。β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの厚さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてβ−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの断面を観察することにより測定される。得られたβ−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃは、ほぼ平坦な表面を有している。初期層１６と同様に、β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの導電型はｐ型である。β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃのキャリア濃度は１０^１８ｃｍ^−３台であり、移動度は約２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓであった。 Subsequently, as shown in FIG. 4B, the temperature of the substrate 11 is increased to 730 to 760 ° C. in the chamber, and the β-FeSi ₂ initial layer 16 is grown to a thickness of about 200 nm. _{The two} films 12c are produced (Step S306). The growth rate of the initial layer 16 is 35 nm / hour. The thickness of the beta-FeSi ₂ film 12c is measured by observing the cross section of the beta-FeSi ₂ film 12c using a scanning electron microscope (SEM). The obtained β-FeSi ₂ film 12c has a substantially flat surface. Similar to the initial layer 16, the conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12c is p-type. The carrier concentration of the β-FeSi ₂ film 12c was 10 ¹⁸ cm ⁻³ and the mobility was about 20 cm ² / V · s.

次に、β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃをポストアニールする（ステップＳ３０８）。β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの形成後、Ｓｉ基板１１はスパッタ装置から搬出され、石英炉心管に搬入される。炉心管内にはＮ_２ガスが導入される。このＮ_２ガスは、炉心管の周囲に配置されたヒータによって加熱される。こうして、高温のＮ_２雰囲気が炉心管内に生成される。Ｎ_２雰囲気の温度は８８０〜９００℃が好ましい。本実施形態では、Ｎ_２雰囲気の温度は８９０℃である。Ｓｉ基板１１は、このＮ_２雰囲気に１８時間さらされる。このような高温のポストアニールによって、β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの導電型がｐ型からｎ型に転換した。また、キャリア濃度が１０^１６ｃｍ^−３台に減少し、移動度が２２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓに増加した。こうして、図４（ｃ）に示されるように、本実施形態に係る発光素子１０のｎ型β−ＦｅＳｉ_２膜１２が得られる。このβ−ＦｅＳｉ_２膜１２は、高い（１１０）配向性を有していた。 Next, the β-FeSi ₂ film 12c is post-annealed (step S308). After the formation of the β-FeSi ₂ film 12c, the Si substrate 11 is unloaded from the sputtering apparatus and loaded into a quartz furnace core tube. N ₂ gas is introduced into the core tube. This N ₂ gas is heated by a heater disposed around the core tube. Thus, a high-temperature N ₂ atmosphere is generated in the core tube. The temperature of the N ₂ atmosphere is preferably 880 to 900 ° C. In the present embodiment, the temperature of the N ₂ atmosphere is 890 ° C. The Si substrate 11 is exposed to this N ₂ atmosphere for 18 hours. By such high-temperature post-annealing, the conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12c was changed from p-type to n-type. Further, the carrier concentration decreased to 10 ¹⁶ cm ⁻³ and the mobility increased to 220 cm ² / V · s. Thus, as shown in FIG. 4C, the n-type β-FeSi ₂ film 12 of the light emitting device 10 according to this embodiment is obtained. This β-FeSi ₂ film 12 had high (110) orientation.

続いて、β−ＦｅＳｉ_２膜１２上にｐ型のＳｉキャップ層１３を形成する（ステップＳ３１０）。Ｓｉ基板１１は低圧ＣＶＤ装置に搬入され、厚さ５００ｎｍのＳｉキャップ層１３が低圧ＣＶＤ法によってβ−ＦｅＳｉ_２膜１２の表面１２ａ上に形成される。この工程では、原料としてＳｉ_２Ｈ_６、ｐ型ドーパントとしてＢ_２Ｈ_６が使用される。このため、形成されたＳｉキャップ層１３にはＢ（硼素）が含まれている。こうして、図４（ｄ）に示されるように、本実施形態に係る発光素子１０のｐ型Ｓｉキャップ層１３が得られる。 Subsequently, a p-type Si cap layer 13 is formed on the β-FeSi ₂ film 12 (step S310). The Si substrate 11 is carried into a low pressure CVD apparatus, and a Si cap layer 13 having a thickness of 500 nm is formed on the surface 12a of the β-FeSi ₂ film 12 by a low pressure CVD method. In this process, _B 2 _{H 6} is used as the _Si 2 _H 6, p-type dopant as a raw material. For this reason, the formed Si cap layer 13 contains B (boron). In this way, as shown in FIG. 4D, the p-type Si cap layer 13 of the light emitting device 10 according to this embodiment is obtained.

この後、図１および図２に示されるように、Ｓｉ基板１１の表側および裏側に電極を形成する（ステップＳ３１２）。具体的には、Ｓｉ基板１１の裏面１１ｂ上にＡｌを真空蒸着して下部電極１４を形成する。また、Ｓｉキャップ層１３の表面１３ａ上にマスクを用いてＡｌを真空蒸着し、上部電極１５を形成する。下部電極１４と上部電極１５は、どちらを先に形成しても良い。このようにして、本実施形態の発光素子１０が完成する。 Thereafter, as shown in FIGS. 1 and 2, electrodes are formed on the front side and the back side of the Si substrate 11 (step S312). Specifically, Al is vacuum-deposited on the back surface 11 b of the Si substrate 11 to form the lower electrode 14. Further, Al is vacuum-deposited on the surface 13 a of the Si cap layer 13 using a mask to form the upper electrode 15. Either the lower electrode 14 or the upper electrode 15 may be formed first. In this way, the light emitting device 10 of this embodiment is completed.

図１に示されるように、下部電極１４および上部電極１５の間に電源２０を接続し、発光素子１０に順方向電流を注入すると、ｎ型β−ＦｅＳｉ_２膜１２およびｐ型Ｓｉキャップ層１３間のｐｎ接合から光１８が発する。すなわち、発光素子１０は発光ダイオード（ＬＥＤ）として動作する。 As shown in FIG. 1, when a power source 20 is connected between the lower electrode 14 and the upper electrode 15 and a forward current is injected into the light emitting element 10, an n-type β-FeSi ₂ film 12 and a p-type Si cap layer 13 are used. Light 18 is emitted from the pn junction. That is, the light emitting element 10 operates as a light emitting diode (LED).

本発明者らは、比較例を用意して、発光素子１０の発光強度を検査した。比較例の製法は、ポストアニール（図３のステップＳ３０８）によってβ−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの導電型をｎ型に転換しない点が上述した発光素子１０の製法と異なっている。したがって、比較例では、β−ＦｅＳｉ_２膜１２の導電型がｐ型である。このポストアニールは、上述の製法での温度よりも低い８００℃の温度で行った。他の点は上述の製法と同じである。このため、発光素子１０の構造がｐ−Ｓｉ／ｎ−β−ＦｅＳｉ_２／ｎ−Ｓｉであるのに対し、比較例の構造はｐ−Ｓｉ／ｐ−β−ＦｅＳｉ_２／ｎ−Ｓｉである。比較例では、ｎ型Ｓｉ基板およびｐ型β−ＦｅＳｉ_２膜間のｐｎ接合から光が発する。 The inventors prepared a comparative example and inspected the light emission intensity of the light emitting element 10. The manufacturing method of the comparative example is different from the manufacturing method of the light-emitting element 10 described above in that the conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12c is not changed to n-type by post-annealing (step S308 in FIG. 3). Therefore, in the comparative example, the conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12 is p-type. This post-annealing was performed at a temperature of 800 ° C., which is lower than the temperature in the above manufacturing method. Other points are the same as the above-mentioned manufacturing method. Therefore, the structure of the light-emitting element 10 is p-Si / n-β-FeSi ₂ / n-Si, whereas the structure of the comparative example is p-Si / p-β-FeSi ₂ / n-Si. . In the comparative example, light is emitted from a pn junction between the n-type Si substrate and the p-type β-FeSi ₂ film.

本発明者らは、発光素子１０および比較例の双方に順方向電流を注入し、発光を観測した。発光素子１０、比較例とも、室温にて１．６μｍ帯の発光が検出された。本発明者らは、このような電流注入による発光のスペクトル、すなわちＥＬ（エレクトロルミネッセンス）スペクトルを測定した。図５は、発光素子１０および比較例について測定されたＥＬスペクトルを示している。図５において横軸は波長をｎｍ単位で示し、縦軸はＥＬ強度を任意単位で示している。図５中の実線は、注入電流密度１．４０Ａ／ｃｍ_２における発光素子１０のＥＬスペクトルであり、破線は、注入電流密度２．７４Ａ／ｃｍ_２における比較例のＥＬスペクトルである。 The inventors injected a forward current into both the light emitting element 10 and the comparative example, and observed light emission. In both the light-emitting element 10 and the comparative example, light emission in the 1.6 μm band was detected at room temperature. The present inventors measured the spectrum of light emission by such current injection, that is, the EL (electroluminescence) spectrum. FIG. 5 shows EL spectra measured for the light-emitting element 10 and the comparative example. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the wavelength in nm units, and the vertical axis indicates the EL intensity in arbitrary units. The solid line in FIG. 5, an EL spectrum of the light-emitting element 10 in the injected current density 1.40A / cm _2, the dashed line is an EL spectrum of the comparative example in injection current density 2.74A / cm _2.

図５に示されるように、１．６μｍ帯では、注入電流密度が比較例の約半分であるにもかかわらず、発光素子１０の発光強度が比較例のそれよりも一桁以上高くなっている。この結果から明らかなように、Ｓｉ基板と同じ導電型のβ−ＦｅＳｉ_２膜をＳｉ基板上に形成し、さらにβ−ＦｅＳｉ_２膜上に導電型の異なるＳｉキャップ層を設けるという簡易な方法により、環境半導体を利用した発光強度の高い発光素子を実現することができる。 As shown in FIG. 5, in the 1.6 μm band, the emission intensity of the light-emitting element 10 is one digit or more higher than that of the comparative example, although the injection current density is about half that of the comparative example. . As is clear from this result, a β-FeSi ₂ film having the same conductivity type as that of the Si substrate is formed on the Si substrate, and a Si cap layer having a different conductivity type is further provided on the β-FeSi ₂ film. In addition, a light emitting element having high emission intensity using an environmental semiconductor can be realized.

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

上記の実施形態では、ｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜１２を得るために、高温のアニールによってβ−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの導電型をｐ型からｎ型に転換する。しかし、この手法の代わりに、ｎ型ドーパントのドーピングによってｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜を作製してもよい。ｎ型ドーパントの例には、Ｐ（リン）がある。図６および図７は、ｎ型ドーパントのドーピングを採用する製造工程を示す概略図である。 In the above embodiment, in order to obtain the n-type β-FeSi ₂ film 12, the conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12c is changed from p-type to n-type by high-temperature annealing. However, instead of this method, an n-type β-FeSi ₂ film may be formed by doping with an n-type dopant. An example of an n-type dopant is P (phosphorus). 6 and 7 are schematic views showing a manufacturing process employing n-type dopant doping.

図６に示されるように、初期層２６の形成および成長（図３のＳ３０４およびＳ３０６）の際にｎ型ドーパントをβ−ＦｅＳｉ_２にドープしてもよい。この場合、スパッタ装置のチャンバ内には、Ｆｅターゲットに加えてｎ型ドーパントターゲットが配置される。初期層２６の成長によって得られたｎ型β−ＦｅＳｉ_２膜２２ｃのポストアニールは、上述したｐ型β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃのポストアニールよりも低い温度で行うことができる。 As shown in FIG. 6, β-FeSi ₂ may be doped with an n-type dopant during the formation and growth of the initial layer 26 (S 304 and S 306 in FIG. 3). In this case, an n-type dopant target is arranged in addition to the Fe target in the chamber of the sputtering apparatus. The post-annealing of the n-type β-FeSi ₂ film 22c obtained by the growth of the initial layer 26 can be performed at a lower temperature than the post-annealing of the p-type β-FeSi ₂ film 12c described above.

このほかに、図７に示されるように、初期層１６の形成および成長後、ｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃにイオン注入によってｎ型ドーパントをドープしてもよい。ドーピングによってβ−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃの導電型がｐ型からｎ型に転換する。その後、β−ＦｅＳｉ_２膜１２ｃをポストアニールして、ｎ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜１２を得る。 In addition, as shown in FIG. 7, after the formation and growth of the initial layer 16, the p-type β-FeSi ₂ film 12c may be doped with an n-type dopant by ion implantation. The conductivity type of the β-FeSi ₂ film 12c is changed from p-type to n-type by doping. Thereafter, the β-FeSi ₂ film 12 c is post-annealed to obtain the n-type β-FeSi ₂ film 12.

上記の実施形態では、Ｓｉ基板およびβ−ＦｅＳｉ_２膜の導電型はｎ型であり、Ｓｉキャップ層の導電型はｐ型である。しかし、Ｓｉ基板およびβ−ＦｅＳｉ_２膜の導電型がｐ型であり、Ｓｉキャップ層の導電型がｎ型であっても、発光強度の高い発光素子を得ることができる。図８は、このような導電型のＳｉ基板３１、β−ＦｅＳｉ_２膜３２およびＳｉキャップ層３３を有する発光素子の製造工程を示す概略図である。以下では、図８を参照しながら、この発光素子の製造方法を説明する。 In the above embodiment, the conductivity type of the Si substrate and the β-FeSi ₂ film is n-type, and the conductivity type of the Si cap layer is p-type. However, even if the conductivity type of the Si substrate and the β-FeSi ₂ film is p-type and the conductivity type of the Si cap layer is n-type, a light-emitting element with high emission intensity can be obtained. FIG. 8 is a schematic view showing a manufacturing process of a light emitting device having such a conductive type Si substrate 31, β-FeSi ₂ film 32 and Si cap layer 33. Below, the manufacturing method of this light emitting element is demonstrated, referring FIG.

まず、ｐ型Ｓｉ基板３１をサーマルクリーニングし、続いて、図８（ａ）に示されるように、基板３１の表面３１ａ上にｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２からなる薄い初期層１６を形成する。次に、図８（ｂ）に示されるように、初期層１６を成長させ、さらにポストアニールして、ｐ型のβ−ＦｅＳｉ_２膜３２を形成する。サーマルクリーニング、ならびに初期層３６の形成および成長の詳細な手順は、上記の実施形態ですでに説明した通りである。ただし、初期層３６の成長によって得られたｐ型β−ＦｅＳｉ_２膜のポストアニールは、上記実施形態のポストアニールよりも低い温度、好ましくは７９０〜８５０℃で行われる。 First, the p-type Si substrate 31 is thermally cleaned, and subsequently, a thin initial layer 16 made of p-type β-FeSi ₂ is formed on the surface 31a of the substrate 31 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 8B, the initial layer 16 is grown and post-annealed to form a p-type β-FeSi ₂ film 32. The detailed procedure of the thermal cleaning and the formation and growth of the initial layer 36 is as already described in the above embodiment. However, the post-annealing of the p-type β-FeSi ₂ film obtained by the growth of the initial layer 36 is performed at a temperature lower than the post-annealing of the above embodiment, preferably 790 to 850 ° C.

この後、図８（ｃ）に示されるように、低圧ＣＶＤ法によってβ−ＦｅＳｉ_２膜３２上にｎ型のＳｉキャップ層３３を形成する。この低圧ＣＶＤでは、原料としてＳｉ_２Ｈ_６、ｎ型ドーパントとしてＰＨ_３が使用される。このため、形成されたＳｉキャップ層３３にはＰ（リン）が含まれる。次に、図８（ｄ）に示されるように、Ｓｉ基板３１の裏面３１ｂおよびＳｉキャップ層３３の表面上にＡｌを蒸着して、下部電極１４および上部電極１５を形成する。このようにして、ｎ−Ｓｉ／ｐ−β−ＦｅＳｉ_２／ｐ−Ｓｉ構造の発光素子が完成する。 Thereafter, as shown in FIG. 8C, an n-type Si cap layer 33 is formed on the β-FeSi ₂ film 32 by a low pressure CVD method. In this low pressure CVD, Si ₂ H ₆ is used as a raw material, and PH ₃ is used as an n-type dopant. For this reason, the formed Si cap layer 33 contains P (phosphorus). Next, as shown in FIG. 8D, Al is vapor-deposited on the back surface 31 b of the Si substrate 31 and the surface of the Si cap layer 33 to form the lower electrode 14 and the upper electrode 15. In this way, a light emitting element having an n-Si / p-β-FeSi ₂ / p-Si structure is completed.

図１は、発光素子の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting element. 図２は、発光素子の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the light emitting element. 図３は、図１の発光素子の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing the light emitting device of FIG. 図４は、発光素子の製造工程を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic view showing a manufacturing process of the light emitting element. 図５は、図１の発光素子および比較例のＥＬスペクトルを示している。FIG. 5 shows EL spectra of the light-emitting element of FIG. 1 and a comparative example. 図６は、発光素子の他の製造工程を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing another manufacturing process of the light emitting device. 図７は、発光素子の他の製造工程を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic view showing another manufacturing process of the light emitting device. 図８は、発光素子の他の製造工程を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic view showing another manufacturing process of the light emitting device.

Explanation of symbols

１０…発光素子、１１…Ｓｉ基板、１２、１２ｃ…β−ＦｅＳｉ_２膜、１３…Ｓｉキャップ層、１４…下部電極、１５…上部電極、１６…初期層、１８…光 10 ... light emitting element, 11 ... Si substrate, 12,12c ... β-FeSi ₂ film, 13 ... Si cap layer, 14 ... lower electrode, 15 ... upper electrode, 16 ... initial layer, 18 ... Light

Claims

an n-type Si substrate;
An n-type β-FeSi ₂ film provided on the surface of the Si substrate ;
A p-type Si layer provided on the β-FeSi ₂ film;
A first electrode provided on the Si layer;
A light emitting device comprising: a second electrode provided on the back surface of the Si substrate .

forming an n-type β-FeSi ₂ film on the surface of the n-type Si substrate ;
Forming a p-type Si layer on the β-FeSi ₂ film;
Forming an electrode on the Si layer and the back surface of the Si substrate;
With
In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of p-type β-FeSi ₂ is formed on the surface of the Si substrate at a first temperature, and the initial layer is formed from the first temperature. A method for manufacturing a light emitting device, wherein a p-type β-FeSi ₂ film is formed by growing at a high second temperature, the β-FeSi ₂ film is annealed, and the conductivity type is changed from p-type to n-type.

forming an n-type β-FeSi ₂ film on the surface of the n-type Si substrate ;
Forming a p-type Si layer on the β-FeSi ₂ film;
Forming an electrode on the Si layer and the back surface of the Si substrate;
With
In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of p-type β-FeSi ₂ is formed on the surface of the Si substrate at a first temperature, and the initial layer is formed from the first temperature. It is grown in high second temperature to form a p-type beta-FeSi ₂ layer, by the addition of n-type dopant in the beta-FeSi ₂ layer to convert the conductivity type thereof from p-type to n-type light-emitting element Manufacturing method.

forming an n-type β-FeSi ₂ film on the surface of the n-type Si substrate ;
Forming a p-type Si layer on the β-FeSi ₂ film;
Forming an electrode on the Si layer and the back surface of the Si substrate;
With
In the step of forming the β-FeSi ₂ film, an initial layer made of n-type β-FeSi ₂ containing an n-type dopant is formed on the surface of the Si substrate at a first temperature. A method for manufacturing a light-emitting element, which is grown at a second temperature higher than the first temperature to form an n-type β-FeSi ₂ film.