エレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法
【課題】特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能なエレクトロルミネッセンス素子を提供する。
【解決手段】順方向バイアス電圧を印加することによりｐ層とｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れかの層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し、近接場光が発生した箇所では反転分布に基づき非断熱過程により複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【解決手段】順方向バイアス電圧を印加することによりｐ層とｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れかの層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し、近接場光が発生した箇所では反転分布に基づき非断熱過程により複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法に関し、特に赤外領域の光源として実用化する上で好適なエレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法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（以下、ＥＬ素子という）が注目されている。このＥＬ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。ＥＬ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。
【０００３】
これらＥＬ素子には、蛍光体粒子を有機高分子材料からなるバインダー中に分散させ発光層とする分散型ＥＬ素子や、薄膜発光層の両側あるいは片側に絶縁層を設けた薄膜型ＥＬ素子とがあるが、その大半は、ＧａＡｓ、ＧａＮを初めとする無機半導体で作製される。これら無機半導体は、効率よく発光させるために、また発光波長の調整のために、Ｉｎが添加される。このような無機半導体を得るためには、高価な結晶成長装置が必要になり、またシリコン素子よりもはるかに高価なＩｎ等のレアマテリアルを添加物として使用する。このため、従来においてはＥＬ素子を大量に作製することになれば、その分レアマテリアルの資源を浪費することになり、資源枯渇問題を引き起こす原因にもなる。
【０００４】
従って、近年においては、発光材料として有機化合物を用いた有機ＥＬ素子も普及してきている（例えば特許文献１参照。）。しかしながら、この有機ＥＬ素子は、発光材料として用いる有機化合物の寿命が短い等、解決すべき問題点も多く、やはり大出力、高信頼性が求められる分野においては、有機ＥＬ素子よりもむしろ無機半導体を発光材料として用いることが望ましいものといえる。そして、実際に、この無機半導体を発光材料として用いたＥＬ素子を光通信に使用する場合、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−０３６８２９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、あくまで間接型半導体であるため、近赤外ＥＬ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ＥＬ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ＥＬ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。これと同様に波長５５０ｎｍ領域では無機半導体化合物であるＧａＰが用いられているが、ＧａＰもシリコンと同様に間接型半導体であるためそのＥＬ素子としての発光効率は０．１％程度である。
【０００８】
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、シリコンなど間接型半導体を発光材料として用いるＥＬ素子において発光効率を向上させることが可能なエレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るエレクトロルミネッセンス素子は、上述した課題を解決するために、ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るエレクトロルミネッセンス素子の作製方法は、ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の作製方法において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成からなる本発明によれば、シリコンを発光材料として用いるＥＬ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エレクトロルミネッセンス素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したＥＬ素子の構成例を示す図である。
【図２】ｎ層とｐ層からなる半導体層の接合部のエネルギーバンド図である。
【図３】（ａ）は、ジュール熱発生前におけるｎ層とｐ層の接合部の微視的な形状の例を示す図であり、（ｂ）は、ジュール熱を発生させた後におけるｎ層とｐ層の接合部の微視的な形状の例を示す図である。
【図４】非断熱過程を説明するための、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルを示す図である。
【図５】ｎ層とｐ層からなる半導体層の接合部に形成された反転分布について説明するための図である。
【図６】非断熱過程に基づく多段階誘導放出について説明するための図である。
【図７】非断熱過程を継続して生じさせた場合におけるメカニズムについて説明するための図である。
【図８】ｎ層としてのシリコン基板に対して、ｐ層としてのホウ素の深さ方向に対する濃度分布を示す図である。
【図９】本発明を適用したＥＬ素子における電圧−電流特性を示す図である。
【図１０】ｎ層をエピタキシャル成長させ、ｐ層をイオン注入する例について説明するための図である。
【図１１】イオン注入装置の構成例を示す図である。
【図１２】インプラントされたｐ層と、エピタキシャル膜としてのｎ層との間で形成されるｐｎ接合構造の模式図である。
【図１３】深さ方向Ｔに向けて、ドーパント分布の濃淡を順次形成させる例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用したエレクトロルミネッセンス素子（以下、ＥＬ素子という。）及びその作製方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用したＥＬ素子１の構成を示している。このＥＬ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。
【００１５】
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、他の間接型半導体であってもよい。ここで代表的な間接型無機化合物にはSi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。
【００１６】
ｐ層１４は、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。このｐ層１４は、例えば７００ＫｅＶ、表面から５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は１０19とされていてもよい。
【００１７】
このようなＥＬ素子１を作製する際には、ｐ層及びｎ層に順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期のＥＬ素子１を作製することが可能となる。
【００１８】
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。順方向バイアス電圧が負荷されると、ｐ層１４中の正孔がｎ層１３側へと移動し、ｎ層１３中の電子がｐ層１４側へと移動していく。その結果、接合層３５は空乏化することなく互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。その結果、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じる接合層３５やｎ層１３やｐ層１４の表面等である。また、この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、かかる接合層３５においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。
【００１９】
このジュール熱が発生する結果、接合層３５やｎ層１３やｐ層１４における流動性が増加し、その表面形状及び／又は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、かかる表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２０】
図３（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の微視的な形状の例である。ｎ層１３とｐ層１４の接合界面には、ナノオーダーの微細な凹凸が形成されている。
【００２１】
図３（ｂ）は、ジュール熱を発生させた後におけるｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の微視的な形状の例である。ジュール熱が発生することにより、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等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、ある特有の微細形状Ａがこのｎ層１３とｐ層１４との界面において形成される。この微細形状Ａ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形状である。この微細形状Ａを形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｎ層１３やｐ層１４等の表面形状やドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。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、ＥＬ素子１を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させるものであればよい。
【００２２】
このような微細形状Ａが形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該微細形状Ａの主として角部において近接場光が発生する。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、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およ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。ちなみに、この近接場光の発生位置は、当該微細形状Ａに対応したｎ層１３とｐ層１４の界面のみならず、他の箇所で発生することも当然起こりえる。
【００２３】
この非断熱過程とは、図４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４(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。感光性樹脂膜１２の原子核は重いため、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（非特許文献１参照。）。
【００２４】
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４(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（非特許文献１参照。）。
【００２５】
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、伝導帯における電子密度ｎ1が、下位準位にある正孔密度ｎ2と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図５に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が接合部３５に形成される。次に図６(a)に示すように、この形成された反転分布により、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振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じた微細形状Ａ（又はそのドーパントの変化）によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。
【００２６】
このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２７】
またジュール熱による表面形状及び／又はドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図６(b)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ことによる発光させる。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。
【００２８】
その結果、このＥＬ素子１から係る電子の放出による発光を実現することが可能となる。当該微細形状Ａ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、振動準位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、その結果伝導体中の電子を減少させることが可能となる。
【００２９】
このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度ｎ1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する微細形状Ａについては、ｎ層１３へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下し、当該微細形状Ａについてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、接合部３５やｎ層１３やｐ層１４の流動性が低下する。その結果、この微細形状Ａについては、表面形状及び／又はドーパントの分布の変化が抑制されることになる。微細形状Ａはそのまま変化することなく固定されることになる。
【００３０】
また、図６（ｂ）に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、表面形状及び／又はドーパント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、微細構造Ａの固定化並びに発光が促進されることとなる。
【００３１】
また、上述の如き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７（ａ）に示すように、微細形状Ａは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、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、微細形状Ａ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、そのままジュール熱が発生することにより、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等の表面形状やドーパント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、図７（ａ）に示すように微細形状Ａとほぼ同一形状の微細形状Ｂが形成される場合もある。かかる場合に光を入射させると、当該微細形状Ｂにおいて近接場光が発生することになる。そして、この微細形状Ｂについても同様に非断熱過程による誘導放出が生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。即ち、ＥＬ素子１において近接場光が好適に発生する領域が微細形状Ａのみならず微細形状Ｂの分も増加したことになる。
【００３２】
かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には図７（ｂ）に示すように、ｎ層１３とｐ層１４との界面において微細形状Ａと同一の形状が数多く形成されることになる。これは、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細形状Ａと同一の形状が数多く作り出されたＥＬ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。
【００３３】
なお、この微細形状Ａは、あくまで表面形状に依拠したものであるが、これに限定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｎ層１３やｐ層１４等のドーパントの変化の結果、表面形状が変化していなくても、近接場光が好適に発生する条件になる場合がある。かかるｎ層１３やｐ層１４等のドーパントが近接場光が好適に発生可能なように変化した場合においても、上述した微細形状Ａの形成と同様な効果が得られる。即ち、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、ドーパント分布を固定させることを繰り返し実行することになる。
【００３４】
図８は、本発明を適用したＥＬ素子の作製方法において、ｎ層１３としてのシリコン基板に対して、ｐ層１４としてのホウ素の深さ方向に対する濃度分布を示している。図８（ａ）は、ｎ層１３としてのシリコン基板に対してｐ層１４としてのホウ素をインプラントした直後におけるホウ素の深さ方向の濃度分布を示しており、また図８（ｂ）は、順方向バイアス電圧を負荷して、ドーパントとしてのホウ素を流動させて更に固定した後のホウ素の濃度分布を示している。この図８から、拡散電流によるジュール熱により、流動を起こした結果、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布に変化したことが示されている。この図中の11Boron, 12BoronはそれぞれＢの同位体を意味するものである。
【００３５】
次に、上述した本発明を適用した作製方法に基づいて作製されたＥＬ素子１による動作について説明をする。
【００３６】
上述したようにＥＬ素子１は、その作製の段階において、順方向バイアス電圧が負荷された場合に近接場光が好適に発生する、例えば微細構造Ａ、Ｂ等を始めとした領域が広く形成されている。このようなＥＬ素子１に対して、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、図７（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６（ｂ）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。
【００３７】
図９は、本発明を適用したＥＬ素子１における電圧−電流特性を示している。この電流特性においてバイアス電圧を徐々に増加させて１００Ｖ超に至るまでは殆ど電流が流れないが、１００Ｖを超えると極めて良好な微分負性抵抗の特性が表れていることが示されている。また順方向バイアス電圧によるジュール熱発生は通常の抵抗特性を示すPN接合においても発生するので、負性抵抗の出現は本手法にとって必須では無いが、この実施例ではドーパントの不均一が電気素子としても機能するような分布となったので優れた整流素子としても機能する可能性を示唆するものであり、図９は、その電気特性の傾向を示したものである。
【００３８】
上述したように、本発明では、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の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいてＥＬ素子１を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し実行する。
【００３９】
そして、変化後の表面形状及び／又は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、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、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させて、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【００４０】
また変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、或いは近接場光が発生しても単に仮想場ができているだけに発光させる上で好適な条件を満たさない箇所においては、拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び／又は当該ドーパント分布を変化させることを、近接場光による非断熱過程で発光するまで繰り返す。
【００４１】
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。
【００４２】
また、本発明を適用したＥＬ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素子を安価で作成することが可能となる。
【００４３】
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。
【００４４】
なお、半導体層３０は、例えば以下の方法により作製されていてもよい。
【００４５】
先ず図１０（ａ）に示すように、ｎ層１３をいわゆるエピタキシャル成長させることにより、基板１８上に結晶を成長させて成膜させる。このエピタキシャル成長では、基板１８となる結晶の上に結晶成長を行い、下地の基板１８の結晶面にそろえてｎ層１３の結晶を配列させるものであるが、その具体的な手法としては、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法、（ＭＢＥ）、原子層エピタキシ（ＡＬＥ）等を用いてもよい。ｎ層１３を所望の膜厚まで成長させた後、エピタキシャル成長を停止させる。
【００４６】
次に、このエピタキシャル成長させたｎ層１３を有する基板１８を装置から取り出し、イオン注入を行うためのイオン注入装置内に固定する。図１１は、このイオン注入装置５０の構成を示している。イオン注入装置５０は、イオン源５１からある電圧で引き出されたイオンビームＩＯを分析磁石５２によって所望の種類のイオンだけを選択し、分析磁石５２を通過した後のイオンビームＩＯを静電加速管５３に通過させることによって、所望のエネルギーにするとともに偏向させて所定の入射角度でターゲット５４に入射させるものである。イオン源５１には、ｐ層１４を構成するイオンを使う。
【００４７】
このときイオンの加速エネルギーは10〜1000keVの範囲で使用される。この加速エネルギーが大きいほど、イオンを深さ方向Ｗに深く打ち込むことが可能となる。このため、深さ方向にドーパント分布の濃淡を形成させたい場合には、この打ち込むべきイオンの加速エネルギーを調節することにより、自在に実現することが可能となる。
【００４８】
本発明では、ターゲット５４に相当する位置に、ｎ層１３を積層させた基板１８を配設する。そして、イオン注入装置５０を用いることによりイオンインプラントを行う。その結果、ｎ層１３内において図１０（ｂ）に示すような、ｐ層１４を構成する多くのイオン５８が打ち込まれた状態となる。このｐ層１４を構成するイオン５８がインプラントされた領域が、ｐ層１４として機能することとなる。これに対して、エピタキシャル成長させたｎ層１３中において、このｐ層１４を構成するイオン５８がインプラントされていない領域に関しては、そのままｎ層１３としての機能を担うこととなる。その結果、ｐｎ接合の界面は、このインプラントされたｐ層１４と、イオンの打ち込みが到達しなかったエピタキシャル膜としてのｎ層１３との界面において形成されることとなる。
【００４９】
図１２は、このようにインプラントされたｐ層１４と、エピタキシャル膜としてのｎ層１３との間で形成されるｐｎ接合構造を模式的に示したものである。エピタキシャル膜としてのｎ層１３の表面は非常に平滑な面で構成されるが、このようなｎ層１３にｐ層を構成するイオンを打ち込むことにより、例えば図１２（ａ）に示すようにそのｎ層１３とｐ層１４との界面において多数の凹凸が形成されやすくなる。このためｎ層１３に加えｐ層１４もエピタキシャル成長させる場合と比較して、ｐｎ接合体の作成時において、上述した微細形状Ａと同一の形状が既に出来ている可能性が飛躍的に向上することとなる。かかる状態の下で順方向バイアス電圧が印加された場合に、元々微細形状Ａと同一の形状が数多く作り出されていることから、これらが近接場光の発生の起点となる。そして近接場光が当初から多くの箇所に発生することとなり、当初から発光効率の向上を期待することができる。また、当初から多くの近接場光が発生させることでその後順方向バイアスの電圧を印加し続けることにより、元々微細形状Ａとなっていない箇所においてもジュール熱による流動が進展し、その結果微細形状Ａが形成された場合には、近接場光による非断熱過程に基づく複数段階での誘導放出を起こさせ、発光効率が順次上昇していくことになる。そして最終的に得られるエレクトロルミネッセンス素子の発光効率は、ｐ層１４をイオンインプラントしないでこれもエピタキシャル膜で構成した場合と比較しても飛躍的に向上させることが可能となる。
【００５０】
またｎ層１３にｐ層を構成するイオンを打ち込むことにより、例えば図１２（ｂ）に示すようにそのｎ層１３とｐ層１４との界面においてドーパント分布の濃淡が形成されやすくなる。このためｎ層１３に加えｐ層１４もエピタキシャル成長させる場合と比較して、ｐｎ接合体の作成時において、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が既に出来ている可能性が飛躍的に向上することとなる。かかる状態の下で順方向バイアス電圧が印加された場合に、元々近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が数多く作り出されていることから、これらが近接場光の発生の起点となる。そして近接場光が当初から多くの箇所に発生することとなり、当初から発光効率の向上を期待することができる。また、当初から多くの近接場光が発生させることでその後順方向バイアスの電圧を印加し続けることにより、元々近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布となっていない箇所においてもジュール熱による流動が進展し、その結果、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が形成された場合には、近接場光による非断熱過程に基づく複数段階での誘導放出を起こさせ、発光効率が順次上昇していくことになる。そして最終的に得られるエレクトロルミネッセンス素子の発光効率は、ｐ層１４をイオンインプラントしないでこれもエピタキシャル膜で構成した場合と比較しても飛躍的に向上させることが可能となる。
【００５１】
なお、本発明では、Ｓｉからなるｎ層１３をエピタキシャル成長させた場合には、ホウ素イオン又はインジウムイオンをイオン注入してｐ層１４を構成するようにしてもよい。また、ＳｉＣからなるｎ層１３に対してＡｌイオンをイオン注入するようにしてもよい。
【００５２】
なお、本発明は、例えば図１３に示すように深さ方向Ｔに向けて、ドーパント分布の濃淡を順次形成させるようにしてもよい。このとき、ドーパントの濃度の分布は、深さ方向Ｔに向けてランダム又はある特有の周期を持って変化させている。
【００５３】
このような深さ方向Ｔへのドーパント濃度の分布を持たせるためには、イオン注入の加速度を打ち込む深さ方向に断続的に異ならせる。例えば、30ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことでｐ層の表面から深さ100nmにドーパント濃度を大きくすることができる。70ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことで深さ150nmにドーパント濃度を大きくすることができる。330ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことで深さ300nmにドーパント濃度を大きくすることができる。700ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことで深さ500nmにドーパント濃度を大きくすることができる。
【００５４】
このように深さ方向Ｔに向けて連続ではなく、あくまで断続的に加速エネルギーを互いに異ならせることにより、深さ方向Ｔにドーパント分布の濃淡を順次形成させることが可能となる。
【００５５】
このような深さ方向Ｔに向けてドーパント分布の濃淡を順次形成させることにより、当該深さ方向Ｔにおいても近接場光の発生点を多層的に形成させることが可能となる。その結果、図１３に示すように、深さ方向Ｔにおいてドーパントの濃度の高いところは、ｐ層１４として機能し、深さ方向Ｔにおいてドーパントの濃度の低いところは、ｎ層１３として機能することとなるため、ｐｎ接合界面が深さ方向Ｔに向けて多段階に亘って形成されることになる。その結果、かかるｐｎ接合界面が深さ方向Ｔに向けて多段階に形成される分、近接場光の発生の起点となる特有のドーパントの分布の発生確率が増加することとなる。
【００５６】
そして近接場光が当初から深さ方向Ｔに向けて多段階に亘り発生することとなり、当初から発光効率の向上を期待することができる。また、当初から深さ方向Ｔに向けて多段階に亘り近接場光が発生させることでその後順方向バイアスの電圧を印加し続けることにより、ジュール熱による流動が進展する。そして、同様に近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が形成された場合には、近接場光による非断熱過程に基づく複数段階での誘導放出を起こさせ、発光効率が順次上昇していくことになる。
【００５７】
なお、上述した実施の形態では、あくまでｎ層１３をエピタキシャル成長させ、その後ｐ層１４を構成するイオンをイオンインプラントする場合について説明をしたが、これに限定されるものではない。即ち、ｐ層１４をエピタキシャル成長させ、その後ｎ層１３を構成するイオンをイオンインプラントするようにしてもよく、かかる場合においても同様のメカニズムを以って発光効率を向上させることができることは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ＥＬ素子
２ 電源
１３ ｎ層
１４ ｐ層
３０ 半導体層
３５ 接合部
１８ 基板
５０ イオン注入装置
５１ イオン源
５２ 分析磁石
５３ 静電加速管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法に関し、特に赤外領域の光源として実用化する上で好適なエレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法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（以下、ＥＬ素子という）が注目されている。このＥＬ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。ＥＬ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。
【０００３】
これらＥＬ素子には、蛍光体粒子を有機高分子材料からなるバインダー中に分散させ発光層とする分散型ＥＬ素子や、薄膜発光層の両側あるいは片側に絶縁層を設けた薄膜型ＥＬ素子とがあるが、その大半は、ＧａＡｓ、ＧａＮを初めとする無機半導体で作製される。これら無機半導体は、効率よく発光させるために、また発光波長の調整のために、Ｉｎが添加される。このような無機半導体を得るためには、高価な結晶成長装置が必要になり、またシリコン素子よりもはるかに高価なＩｎ等のレアマテリアルを添加物として使用する。このため、従来においてはＥＬ素子を大量に作製することになれば、その分レアマテリアルの資源を浪費することになり、資源枯渇問題を引き起こす原因にもなる。
【０００４】
従って、近年においては、発光材料として有機化合物を用いた有機ＥＬ素子も普及してきている（例えば特許文献１参照。）。しかしながら、この有機ＥＬ素子は、発光材料として用いる有機化合物の寿命が短い等、解決すべき問題点も多く、やはり大出力、高信頼性が求められる分野においては、有機ＥＬ素子よりもむしろ無機半導体を発光材料として用いることが望ましいものといえる。そして、実際に、この無機半導体を発光材料として用いたＥＬ素子を光通信に使用する場合、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−０３６８２９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、あくまで間接型半導体であるため、近赤外ＥＬ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ＥＬ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ＥＬ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。これと同様に波長５５０ｎｍ領域では無機半導体化合物であるＧａＰが用いられているが、ＧａＰもシリコンと同様に間接型半導体であるためそのＥＬ素子としての発光効率は０．１％程度である。
【０００８】
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、シリコンなど間接型半導体を発光材料として用いるＥＬ素子において発光効率を向上させることが可能なエレクトロルミネッセンス素子及びその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るエレクトロルミネッセンス素子は、上述した課題を解決するために、ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るエレクトロルミネッセンス素子の作製方法は、ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の作製方法において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成からなる本発明によれば、シリコンを発光材料として用いるＥＬ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エレクトロルミネッセンス素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したＥＬ素子の構成例を示す図である。
【図２】ｎ層とｐ層からなる半導体層の接合部のエネルギーバンド図である。
【図３】（ａ）は、ジュール熱発生前におけるｎ層とｐ層の接合部の微視的な形状の例を示す図であり、（ｂ）は、ジュール熱を発生させた後におけるｎ層とｐ層の接合部の微視的な形状の例を示す図である。
【図４】非断熱過程を説明するための、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルを示す図である。
【図５】ｎ層とｐ層からなる半導体層の接合部に形成された反転分布について説明するための図である。
【図６】非断熱過程に基づく多段階誘導放出について説明するための図である。
【図７】非断熱過程を継続して生じさせた場合におけるメカニズムについて説明するための図である。
【図８】ｎ層としてのシリコン基板に対して、ｐ層としてのホウ素の深さ方向に対する濃度分布を示す図である。
【図９】本発明を適用したＥＬ素子における電圧−電流特性を示す図である。
【図１０】ｎ層をエピタキシャル成長させ、ｐ層をイオン注入する例について説明するための図である。
【図１１】イオン注入装置の構成例を示す図である。
【図１２】インプラントされたｐ層と、エピタキシャル膜としてのｎ層との間で形成されるｐｎ接合構造の模式図である。
【図１３】深さ方向Ｔに向けて、ドーパント分布の濃淡を順次形成させる例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用したエレクトロルミネッセンス素子（以下、ＥＬ素子という。）及びその作製方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用したＥＬ素子１の構成を示している。このＥＬ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。
【００１５】
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、他の間接型半導体であってもよい。ここで代表的な間接型無機化合物にはSi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。
【００１６】
ｐ層１４は、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。このｐ層１４は、例えば７００ＫｅＶ、表面から５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は１０19とされていてもよい。
【００１７】
このようなＥＬ素子１を作製する際には、ｐ層及びｎ層に順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期のＥＬ素子１を作製することが可能となる。
【００１８】
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。順方向バイアス電圧が負荷されると、ｐ層１４中の正孔がｎ層１３側へと移動し、ｎ層１３中の電子がｐ層１４側へと移動していく。その結果、接合層３５は空乏化することなく互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。その結果、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じる接合層３５やｎ層１３やｐ層１４の表面等である。また、この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、かかる接合層３５においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。
【００１９】
このジュール熱が発生する結果、接合層３５やｎ層１３やｐ層１４における流動性が増加し、その表面形状及び／又は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、かかる表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２０】
図３（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の微視的な形状の例である。ｎ層１３とｐ層１４の接合界面には、ナノオーダーの微細な凹凸が形成されている。
【００２１】
図３（ｂ）は、ジュール熱を発生させた後におけるｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の微視的な形状の例である。ジュール熱が発生することにより、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等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、ある特有の微細形状Ａがこのｎ層１３とｐ層１４との界面において形成される。この微細形状Ａ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形状である。この微細形状Ａを形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｎ層１３やｐ層１４等の表面形状やドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。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、ＥＬ素子１を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させるものであればよい。
【００２２】
このような微細形状Ａが形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該微細形状Ａの主として角部において近接場光が発生する。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、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およ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。ちなみに、この近接場光の発生位置は、当該微細形状Ａに対応したｎ層１３とｐ層１４の界面のみならず、他の箇所で発生することも当然起こりえる。
【００２３】
この非断熱過程とは、図４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４(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。感光性樹脂膜１２の原子核は重いため、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（非特許文献１参照。）。
【００２４】
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４(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（非特許文献１参照。）。
【００２５】
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、伝導帯における電子密度ｎ1が、下位準位にある正孔密度ｎ2と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図５に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が接合部３５に形成される。次に図６(a)に示すように、この形成された反転分布により、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振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じた微細形状Ａ（又はそのドーパントの変化）によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。
【００２６】
このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２７】
またジュール熱による表面形状及び／又はドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図６(b)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ことによる発光させる。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。
【００２８】
その結果、このＥＬ素子１から係る電子の放出による発光を実現することが可能となる。当該微細形状Ａ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、振動準位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、その結果伝導体中の電子を減少させることが可能となる。
【００２９】
このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度ｎ1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する微細形状Ａについては、ｎ層１３へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下し、当該微細形状Ａについてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、接合部３５やｎ層１３やｐ層１４の流動性が低下する。その結果、この微細形状Ａについては、表面形状及び／又はドーパントの分布の変化が抑制されることになる。微細形状Ａはそのまま変化することなく固定されることになる。
【００３０】
また、図６（ｂ）に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、表面形状及び／又はドーパント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、微細構造Ａの固定化並びに発光が促進されることとなる。
【００３１】
また、上述の如き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７（ａ）に示すように、微細形状Ａは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、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、微細形状Ａ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、そのままジュール熱が発生することにより、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等の表面形状やドーパント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、図７（ａ）に示すように微細形状Ａとほぼ同一形状の微細形状Ｂが形成される場合もある。かかる場合に光を入射させると、当該微細形状Ｂにおいて近接場光が発生することになる。そして、この微細形状Ｂについても同様に非断熱過程による誘導放出が生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。即ち、ＥＬ素子１において近接場光が好適に発生する領域が微細形状Ａのみならず微細形状Ｂの分も増加したことになる。
【００３２】
かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には図７（ｂ）に示すように、ｎ層１３とｐ層１４との界面において微細形状Ａと同一の形状が数多く形成されることになる。これは、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細形状Ａと同一の形状が数多く作り出されたＥＬ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。
【００３３】
なお、この微細形状Ａは、あくまで表面形状に依拠したものであるが、これに限定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｎ層１３やｐ層１４等のドーパントの変化の結果、表面形状が変化していなくても、近接場光が好適に発生する条件になる場合がある。かかるｎ層１３やｐ層１４等のドーパントが近接場光が好適に発生可能なように変化した場合においても、上述した微細形状Ａの形成と同様な効果が得られる。即ち、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、ドーパント分布を固定させることを繰り返し実行することになる。
【００３４】
図８は、本発明を適用したＥＬ素子の作製方法において、ｎ層１３としてのシリコン基板に対して、ｐ層１４としてのホウ素の深さ方向に対する濃度分布を示している。図８（ａ）は、ｎ層１３としてのシリコン基板に対してｐ層１４としてのホウ素をインプラントした直後におけるホウ素の深さ方向の濃度分布を示しており、また図８（ｂ）は、順方向バイアス電圧を負荷して、ドーパントとしてのホウ素を流動させて更に固定した後のホウ素の濃度分布を示している。この図８から、拡散電流によるジュール熱により、流動を起こした結果、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布に変化したことが示されている。この図中の11Boron, 12BoronはそれぞれＢの同位体を意味するものである。
【００３５】
次に、上述した本発明を適用した作製方法に基づいて作製されたＥＬ素子１による動作について説明をする。
【００３６】
上述したようにＥＬ素子１は、その作製の段階において、順方向バイアス電圧が負荷された場合に近接場光が好適に発生する、例えば微細構造Ａ、Ｂ等を始めとした領域が広く形成されている。このようなＥＬ素子１に対して、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、図７（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６（ｂ）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。
【００３７】
図９は、本発明を適用したＥＬ素子１における電圧−電流特性を示している。この電流特性においてバイアス電圧を徐々に増加させて１００Ｖ超に至るまでは殆ど電流が流れないが、１００Ｖを超えると極めて良好な微分負性抵抗の特性が表れていることが示されている。また順方向バイアス電圧によるジュール熱発生は通常の抵抗特性を示すPN接合においても発生するので、負性抵抗の出現は本手法にとって必須では無いが、この実施例ではドーパントの不均一が電気素子としても機能するような分布となったので優れた整流素子としても機能する可能性を示唆するものであり、図９は、その電気特性の傾向を示したものである。
【００３８】
上述したように、本発明では、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の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいてＥＬ素子１を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し実行する。
【００３９】
そして、変化後の表面形状及び／又は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、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、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させて、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【００４０】
また変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、或いは近接場光が発生しても単に仮想場ができているだけに発光させる上で好適な条件を満たさない箇所においては、拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び／又は当該ドーパント分布を変化させることを、近接場光による非断熱過程で発光するまで繰り返す。
【００４１】
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。
【００４２】
また、本発明を適用したＥＬ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素子を安価で作成することが可能となる。
【００４３】
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。
【００４４】
なお、半導体層３０は、例えば以下の方法により作製されていてもよい。
【００４５】
先ず図１０（ａ）に示すように、ｎ層１３をいわゆるエピタキシャル成長させることにより、基板１８上に結晶を成長させて成膜させる。このエピタキシャル成長では、基板１８となる結晶の上に結晶成長を行い、下地の基板１８の結晶面にそろえてｎ層１３の結晶を配列させるものであるが、その具体的な手法としては、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法、（ＭＢＥ）、原子層エピタキシ（ＡＬＥ）等を用いてもよい。ｎ層１３を所望の膜厚まで成長させた後、エピタキシャル成長を停止させる。
【００４６】
次に、このエピタキシャル成長させたｎ層１３を有する基板１８を装置から取り出し、イオン注入を行うためのイオン注入装置内に固定する。図１１は、このイオン注入装置５０の構成を示している。イオン注入装置５０は、イオン源５１からある電圧で引き出されたイオンビームＩＯを分析磁石５２によって所望の種類のイオンだけを選択し、分析磁石５２を通過した後のイオンビームＩＯを静電加速管５３に通過させることによって、所望のエネルギーにするとともに偏向させて所定の入射角度でターゲット５４に入射させるものである。イオン源５１には、ｐ層１４を構成するイオンを使う。
【００４７】
このときイオンの加速エネルギーは10〜1000keVの範囲で使用される。この加速エネルギーが大きいほど、イオンを深さ方向Ｗに深く打ち込むことが可能となる。このため、深さ方向にドーパント分布の濃淡を形成させたい場合には、この打ち込むべきイオンの加速エネルギーを調節することにより、自在に実現することが可能となる。
【００４８】
本発明では、ターゲット５４に相当する位置に、ｎ層１３を積層させた基板１８を配設する。そして、イオン注入装置５０を用いることによりイオンインプラントを行う。その結果、ｎ層１３内において図１０（ｂ）に示すような、ｐ層１４を構成する多くのイオン５８が打ち込まれた状態となる。このｐ層１４を構成するイオン５８がインプラントされた領域が、ｐ層１４として機能することとなる。これに対して、エピタキシャル成長させたｎ層１３中において、このｐ層１４を構成するイオン５８がインプラントされていない領域に関しては、そのままｎ層１３としての機能を担うこととなる。その結果、ｐｎ接合の界面は、このインプラントされたｐ層１４と、イオンの打ち込みが到達しなかったエピタキシャル膜としてのｎ層１３との界面において形成されることとなる。
【００４９】
図１２は、このようにインプラントされたｐ層１４と、エピタキシャル膜としてのｎ層１３との間で形成されるｐｎ接合構造を模式的に示したものである。エピタキシャル膜としてのｎ層１３の表面は非常に平滑な面で構成されるが、このようなｎ層１３にｐ層を構成するイオンを打ち込むことにより、例えば図１２（ａ）に示すようにそのｎ層１３とｐ層１４との界面において多数の凹凸が形成されやすくなる。このためｎ層１３に加えｐ層１４もエピタキシャル成長させる場合と比較して、ｐｎ接合体の作成時において、上述した微細形状Ａと同一の形状が既に出来ている可能性が飛躍的に向上することとなる。かかる状態の下で順方向バイアス電圧が印加された場合に、元々微細形状Ａと同一の形状が数多く作り出されていることから、これらが近接場光の発生の起点となる。そして近接場光が当初から多くの箇所に発生することとなり、当初から発光効率の向上を期待することができる。また、当初から多くの近接場光が発生させることでその後順方向バイアスの電圧を印加し続けることにより、元々微細形状Ａとなっていない箇所においてもジュール熱による流動が進展し、その結果微細形状Ａが形成された場合には、近接場光による非断熱過程に基づく複数段階での誘導放出を起こさせ、発光効率が順次上昇していくことになる。そして最終的に得られるエレクトロルミネッセンス素子の発光効率は、ｐ層１４をイオンインプラントしないでこれもエピタキシャル膜で構成した場合と比較しても飛躍的に向上させることが可能となる。
【００５０】
またｎ層１３にｐ層を構成するイオンを打ち込むことにより、例えば図１２（ｂ）に示すようにそのｎ層１３とｐ層１４との界面においてドーパント分布の濃淡が形成されやすくなる。このためｎ層１３に加えｐ層１４もエピタキシャル成長させる場合と比較して、ｐｎ接合体の作成時において、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が既に出来ている可能性が飛躍的に向上することとなる。かかる状態の下で順方向バイアス電圧が印加された場合に、元々近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が数多く作り出されていることから、これらが近接場光の発生の起点となる。そして近接場光が当初から多くの箇所に発生することとなり、当初から発光効率の向上を期待することができる。また、当初から多くの近接場光が発生させることでその後順方向バイアスの電圧を印加し続けることにより、元々近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布となっていない箇所においてもジュール熱による流動が進展し、その結果、近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が形成された場合には、近接場光による非断熱過程に基づく複数段階での誘導放出を起こさせ、発光効率が順次上昇していくことになる。そして最終的に得られるエレクトロルミネッセンス素子の発光効率は、ｐ層１４をイオンインプラントしないでこれもエピタキシャル膜で構成した場合と比較しても飛躍的に向上させることが可能となる。
【００５１】
なお、本発明では、Ｓｉからなるｎ層１３をエピタキシャル成長させた場合には、ホウ素イオン又はインジウムイオンをイオン注入してｐ層１４を構成するようにしてもよい。また、ＳｉＣからなるｎ層１３に対してＡｌイオンをイオン注入するようにしてもよい。
【００５２】
なお、本発明は、例えば図１３に示すように深さ方向Ｔに向けて、ドーパント分布の濃淡を順次形成させるようにしてもよい。このとき、ドーパントの濃度の分布は、深さ方向Ｔに向けてランダム又はある特有の周期を持って変化させている。
【００５３】
このような深さ方向Ｔへのドーパント濃度の分布を持たせるためには、イオン注入の加速度を打ち込む深さ方向に断続的に異ならせる。例えば、30ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことでｐ層の表面から深さ100nmにドーパント濃度を大きくすることができる。70ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことで深さ150nmにドーパント濃度を大きくすることができる。330ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことで深さ300nmにドーパント濃度を大きくすることができる。700ｋｅＶの加速エネルギーで打ち込みを行うことで深さ500nmにドーパント濃度を大きくすることができる。
【００５４】
このように深さ方向Ｔに向けて連続ではなく、あくまで断続的に加速エネルギーを互いに異ならせることにより、深さ方向Ｔにドーパント分布の濃淡を順次形成させることが可能となる。
【００５５】
このような深さ方向Ｔに向けてドーパント分布の濃淡を順次形成させることにより、当該深さ方向Ｔにおいても近接場光の発生点を多層的に形成させることが可能となる。その結果、図１３に示すように、深さ方向Ｔにおいてドーパントの濃度の高いところは、ｐ層１４として機能し、深さ方向Ｔにおいてドーパントの濃度の低いところは、ｎ層１３として機能することとなるため、ｐｎ接合界面が深さ方向Ｔに向けて多段階に亘って形成されることになる。その結果、かかるｐｎ接合界面が深さ方向Ｔに向けて多段階に形成される分、近接場光の発生の起点となる特有のドーパントの分布の発生確率が増加することとなる。
【００５６】
そして近接場光が当初から深さ方向Ｔに向けて多段階に亘り発生することとなり、当初から発光効率の向上を期待することができる。また、当初から深さ方向Ｔに向けて多段階に亘り近接場光が発生させることでその後順方向バイアスの電圧を印加し続けることにより、ジュール熱による流動が進展する。そして、同様に近接場光を発生させる上で好適なドーパント分布が形成された場合には、近接場光による非断熱過程に基づく複数段階での誘導放出を起こさせ、発光効率が順次上昇していくことになる。
【００５７】
なお、上述した実施の形態では、あくまでｎ層１３をエピタキシャル成長させ、その後ｐ層１４を構成するイオンをイオンインプラントする場合について説明をしたが、これに限定されるものではない。即ち、ｐ層１４をエピタキシャル成長させ、その後ｎ層１３を構成するイオンをイオンインプラントするようにしてもよく、かかる場合においても同様のメカニズムを以って発光効率を向上させることができることは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ＥＬ素子
２ 電源
１３ ｎ層
１４ ｐ層
３０ 半導体層
３５ 接合部
１８ 基板
５０ イオン注入装置
５１ イオン源
５２ 分析磁石
５３ 静電加速管
【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エレクトロルミネッセンス素子において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させること
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
上記発生した近接場光による非断熱過程に基づいて、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることにより上記拡散電流によるジュール熱に寄与する仮想遷移パターンと、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移されてなる電子を発光させ、或いは上記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発光パターンとを有すること
を特徴とする請求項１記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
上記ｐ層は、シリコン基板であり、上記ｎ層は、そのシリコン基板にインプラントされたホウ素であること
を特徴とする請求項１又は２記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の作製方法において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させること
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項５】
基板上にエピタキシャル成長させたｎ層に対して、ｐ層を構成するイオンをイオン注入することにより、上記半導体層を作製し、
作製した上記半導体層に上記順方向バイアスの電圧を印加すること
を特徴とする請求項４記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項６】
基板上にエピタキシャル成長させたｐ層に対して、ｎ層を構成するイオンをイオン注入することにより、上記半導体層を作製し、
作製した上記半導体層に上記順方向バイアスの電圧を印加すること
を特徴とする請求項４記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項７】
上記イオン注入を通じて、上記ｎ層と上記ｐ層との間に凹凸の表面形状又はドーパント分布の濃淡を形成させ、当該凹凸の表面形状又はドーパント分布の濃淡に基づいて上記近接場光の発生の起点とすること
を特徴とする請求項５又は６記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項８】
上記イオン注入の加速度を打ち込む深さ方向に断続的に異ならせることにより、当該深さ方向にドーパント分布の濃淡を順次形成させること
を特徴とする請求項５〜７のうち何れか１項記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項９】
Ｓｉからなるｎ層に対してホウ素イオン又はインジウムイオンをイオン注入し、又はＳｉＣからなるｎ層に対してＡｌイオンをイオン注入すること
を特徴とする請求項４記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項１０】
請求項４〜８のうち何れか１項記載の作製方法により作製されたことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１】
ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により発光させること
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
上記発生した近接場光による非断熱過程に基づいて、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることにより上記拡散電流によるジュール熱に寄与する仮想遷移パターンと、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移されてなる電子を発光させ、或いは上記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発光パターンとを有すること
を特徴とする請求項１記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
上記ｐ層は、シリコン基板であり、上記ｎ層は、そのシリコン基板にインプラントされたホウ素であること
を特徴とする請求項１又は２記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
ｐ層及びｎ層を含む半導体層を備えるエレクトロルミネッセンス素子の作製方法において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又は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、上記反転分布を形成してい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、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させること
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項５】
基板上にエピタキシャル成長させたｎ層に対して、ｐ層を構成するイオンをイオン注入することにより、上記半導体層を作製し、
作製した上記半導体層に上記順方向バイアスの電圧を印加すること
を特徴とする請求項４記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項６】
基板上にエピタキシャル成長させたｐ層に対して、ｎ層を構成するイオンをイオン注入することにより、上記半導体層を作製し、
作製した上記半導体層に上記順方向バイアスの電圧を印加すること
を特徴とする請求項４記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項７】
上記イオン注入を通じて、上記ｎ層と上記ｐ層との間に凹凸の表面形状又はドーパント分布の濃淡を形成させ、当該凹凸の表面形状又はドーパント分布の濃淡に基づいて上記近接場光の発生の起点とすること
を特徴とする請求項５又は６記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項８】
上記イオン注入の加速度を打ち込む深さ方向に断続的に異ならせることにより、当該深さ方向にドーパント分布の濃淡を順次形成させること
を特徴とする請求項５〜７のうち何れか１項記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項９】
Ｓｉからなるｎ層に対してホウ素イオン又はインジウムイオンをイオン注入し、又はＳｉＣからなるｎ層に対してＡｌイオンをイオン注入すること
を特徴とする請求項４記載のエレクトロルミネッセンス素子の作製方法。
【請求項１０】
請求項４〜８のうち何れか１項記載の作製方法により作製されたことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１８６１６２（Ｐ２０１２−１８６１６２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３３３６９（Ｐ２０１２−３３３６９）
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「低損失オプティカル新機能部材技術開発事業」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願、 平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／フォノン援用励起過程を用いた赤外光−可視光変換膜作製のための基盤技術の研究開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「低損失オプティカル新機能部材技術開発事業」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願、 平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／フォノン援用励起過程を用いた赤外光−可視光変換膜作製のための基盤技術の研究開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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