シリコン発光素子
【課題】シリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を提供する。
【解決手段】第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、シリコン層上に設けられた第１の電極と、シリコン基板の第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、シリコン基板のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン基板のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである。
【解決手段】第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、シリコン層上に設けられた第１の電極と、シリコン基板の第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、シリコン基板のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン基板のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンフォトニクスが注目を集めている。シリコンフォトニクスは、シリコンを用いた発光素子やシリコン導波路等を、ＬＳＩ内のチップ間又はチップ内に集積することによって、消費電力の低減や、信号処理速度の向上を図るための技術である。このシリコンフォトニクスの光源に、安価で環境負荷の小さいシリコンを用いた発光素子が望まれている。また、シリコンのバンドギャップ（室温で約１．１２５ｅＶ）より低いエネルギーの光（約１１００ｎｍ以上の波長の光）がシリコン導波路を透過し易いので、このような光を発する発光素子が要求されている。シリコンを用いた発光素子の一例が特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１及び特許文献２に記載のシリコン発光ダイオードは、何れもＳＯＩ基板上に厚さ１０ｎｍ以下のｐｎ接合部を有している。これらの特許文献１及び特許文献２に記載のシリコン発光ダイオードは、シリコンのバンドギャップより高いエネルギーの光（波長約７７０ｎｍ〜１０００ｎｍ）を発する。これは、ｐｎ接合部を薄くすることによって発現する量子閉じ込め効果の影響だと考えられている。
【特許文献１】特開２００７−２９４６２８号公報
【特許文献２】特開平８−４６２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、波長７７０ｎｍ〜１０００ｎｍの光はシリコン導波路を透過し難い。したがって、特許文献１及び特許文献２に記載のシリコン発光ダイオードを、シリコンフォトニクスの光源に適用することは困難である。また、シリコンを用いた他の発光素子として、ポーラスＳｉやＳｉ／ＳｉＯ２ナノ構造を有するシリコン発光素子が知られている。しかし、ポーラスＳｉやＳｉ／ＳｉＯ２ナノ構造を有するシリコン発光素子の発する光は可視光であり、やはりシリコン導波路を透過し難い。したがって、ポーラスＳｉやＳｉ／ＳｉＯ２ナノ構造を有するシリコン発光素子は、シリコンフォトニクスの光源に適用することは困難である。そこで、本発明は、シリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のシリコン発光素子は、第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、シリコン層上に設けられた第１の電極と、シリコン基板の第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、シリコン基板のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン基板のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００５】
また、本発明のシリコン発光素子は、第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、シリコン層上に設けられた第１の電極と、シリコン基板の第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、シリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン基板のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のシリコン発光素子は、第１の面を有するシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層の第１領域及び第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、第１のシリコン層の第２領域上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、を備え、第１のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第２のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第１のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のシリコン発光素子は、第１の面を有するシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層の第１領域及び第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、第１のシリコン層の第２領域上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、を備え、第２のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第１のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第２のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明のシリコン発光素子においては、絶縁膜の材料はシリコンを含むことが好ましい。また、絶縁膜はシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることが好ましい。
【０００９】
本発明者は、シリコン導波路を透過しやすい波長の光を比較的高い強度で発することが要求されるシリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を開発すべく研究を重ねた。この研究の結果、本発明者は、膜厚０．３ｎｍ〜５ｎｍの絶縁膜を有する本発明のシリコン発光素子が、シリコン導波路を透過しやすい波長の光を高い強度で発することを見出した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、シリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１実施形態）以下、図面を参照して、本発明に係るシリコン発光素子の第１実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１を参照して、第１実施形態に係るシリコン発光素子１の構成を説明する。図１は第１実施形態に係るシリコン発光素子１の構成を模式的に表す図である。シリコン発光素子１は、シリコン基板１０と、絶縁膜１１と、シリコン層１２と、第１の電極１３と、第２の電極１４と、を備える。シリコン基板１０は、第１の面１０ａと第２の面１０ｂとを有している。また、シリコン基板１０は、ｎ型の導電型（第１導電型）を有している。絶縁膜１１は、シリコン基板１０の第１の面１０ａ上に設けられている。絶縁膜１１は、シリコン基板１０に接合されている。絶縁膜１１は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜とすることができるがシリコンを含む他の材料であってもよい。シリコン層１２は、絶縁膜１１上に設けられている。シリコン層１２は、絶縁膜１１に接合されている。シリコン層１２は、ｐ型の導電型（第２導電型）を有している。第１の電極１３は、シリコン層１２上に設けられている。第１の電極１３は、シリコン層１２に接合されている。第２の電極１４は、シリコン基板１０の第２の面１０ｂ上に設けられている。第２の電極１４は、シリコン基板１０に接合されている。絶縁膜１１は、シリコン基盤１０とシリコン層１２との間に挟まれている。
【００１２】
シリコン基板１０のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、抵抗率は、約１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍである。また、シリコン層１２のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、抵抗率は、約０．２Ω・ｃｍ〜０．００２Ω・ｃｍである。ただし、シリコン層１２のキャリア濃度はシリコン基板１０のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい。シリコン層１２の厚さは０．１μｍ〜２μｍである。絶縁膜１１の膜厚は０．３ｎｍ〜１１ｎｍである。
【００１３】
次にシリコン発光素子１の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板１０の表面を熱酸化させ、シリコン基板１０の表面に絶縁膜１１（シリコン酸化膜）を設ける。絶縁膜１１を設ける方法は、化学酸化であってもよい。このとき、絶縁膜１１の膜厚が約０．３ｎｍ〜１１ｎｍになるように、熱酸化の酸化温度や酸化時間等を調整する。次に、絶縁膜１１上に厚さ０．１μｍ〜２μｍのシリコン層１２を成長させる。そして、第１の電極１３及び第２の電極１４を、それぞれシリコン層１２及びシリコン基板１０上に蒸着して設ける。ここで、シリコン基板１０には、キャリア濃度が５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３となるようにｎ型キャリアをドープし、シリコン層１２には、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３となるようにｐ型キャリアをドープする。ただし、シリコン層１２のキャリア濃度がシリコン基板１０のキャリア濃度より一桁以上大きくなるように各ドープ量を調整する。
【００１４】
次に、図２を参照して、シリコン発光素子１のＶ−Ｉ特性（電圧−電流特性）について説明する。図２は、膜厚２ｎｍの絶縁膜１１を有するシリコン発光素子１のＶ−Ｉ特性を表している。図２の横軸は、シリコン発光素子１に印可するバイアス電圧（Ｖ）を表しており、縦軸はシリコン発光素子１に流れる電流（ｍＡ）を表している。図２に示すように、シリコン発光素子１は、良好なｐ−ｎ接合特性を発揮するので、ダイオードとして動作することがわかる。
【００１５】
続いて、図３及び図４を用いて、シリコン発光素子１のＥＬ（Electro Luminescence）特性について説明する。図３は、膜厚２ｎｍの絶縁膜１１を有するシリコン発光素子１に４０ｍＡの測定電流を室温で注入した場合のシリコン発光素子１の発光スペクトルを表している。図３の横軸は、シリコン発光素子１から発せられる光の波長（ｎｍ）を表している。図３の縦軸は、シリコン発光素子１の発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を表している。シリコン発光素子１に注入する電流を制御することにより発光強度を制御することができるが、スペクトルは変わらない。図３に示すように、シリコン発光素子１は、約１１４０ｎｍの発光ピークを有する。図４は、シリコン発光素子１の絶縁膜１１の膜厚と、シリコン発光素子１の発光強度との関係を表す図である。図４の横軸は、絶縁膜１１の膜厚（ｎｍ）を表している。図４の縦軸は、シリコン発光素子１の発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を表しており、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度を１とするスケールによって表されている。図４に示すデータは、シリコン発光素子１に４０ｍＡの測定電流を室温で注入した際に得られたデータである。図４に示すように、絶縁膜１１を有する発光素子１の発光強度は、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度に比べて向上していることがわかる。特に、絶縁膜１１の膜厚が約３ｎｍの場合、シリコン発光素子１の発光強度は、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度に比べて３桁以上も向上している。これは、第１の電極１３及び第２の電極１４から注入される電流により発生するキャリアが、薄い絶縁膜１１をトンネル効果により移動し、再結合するためであると考えられる。なお、シリコン層１２がシリコン基板１０より高濃度でキャリアがドープされているため（キャリア濃度が一桁以上大きい）、シリコン層１２からシリコン基板１０へトンネル効果により移動するキャリアが、全体のキャリアの中で支配的であると考えられる。このため、キャリアの再結合は、シリコン基板１０の第１の面１０ａ近傍に限定されると考えられる。これは、一種のキャリア閉じ込めであると考えられる。
【００１６】
以上説明したように、本実施形態に係るシリコン発光素子１は、図３に示すように、シリコン導波路を透過し易い波長の光（波長約１１００ｎｍ以上の光）を発することができる。また、図４に示すように、絶縁膜１１の膜厚が０．３ｎｍ〜５ｎｍの場合、シリコン発光素子１の発光強度は、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度に比べて最大で３桁以上も向上している。また、図２に示すように、シリコン発光素子１は、動作電圧が約１Ｖと低いので安定な電流注入が可能である。また、図２〜図４に示す結果は、シリコン発光素子１の室温動作を表している。また、シリコン基板１０、絶縁膜１１及びシリコン層１２はＳｉを含んでいる。このように、シリコン発光素子１は、シリコン系材料又はシリコンプロセス適合材料で構成されており、シリコン導波路を透過しやすい波長の光を高い強度で発し、安定した電流注入が可能であり、室温で用いることができるのでシリコンフォトニクスの光源に適している。
【００１７】
なお、シリコン基板１０及びシリコン層１２のキャリア濃度は、上記の場合に限らない。例えば、シリコン層１２のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン基板１０のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン基板１０のキャリア濃度は、シリコン層１２のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい、とすることができる。このように、シリコン基板１０がシリコン層１２より高濃度でキャリアがドープされている場合においては、キャリアの再結合は、シリコン層１２の絶縁膜１１との接合面近傍に限定されると考えられる。
【００１８】
なお、シリコン発光素子１以外にもシリコンを用いた複数の発光素子が知られている。このような発光素子としては、例えば、ＳｉＧｅ超格子を有するＳｉ系半導体を用いた発光素子が知られている。この発光素子は、直接遷移により赤外光を発する。しかし、ＳｉＧｅ超格子は精密な成長技術が要求されるので、この発光素子は製造が容易でない。これに対し、本実施形態に係るシリコン発光素子１は、図１に示すように、素子構造が複雑でないので比較的容易に製造できる。また、ＳｉにＥｒをドープした発光素子も知られている。この発光素子は約１．５μｍの波長の光を発する。しかし、この発光素子は室温における発光強度が極めて弱い。
【００１９】
（第２実施形態）続いて、本発明に係るシリコン発光素子の第２実施形態について詳細に説明する。図５を参照して、第２実施形態に係るシリコン発光素子２の構成を説明する。図５は、第２実施形態に係るシリコン発光素子２の構成を模式的に表す図である。シリコン発光素子２は、シリコン基板２０と、第１のシリコン層２１と、第１の電極２２と、絶縁膜２３と、第２のシリコン層２４と、第２の電極２５と、を有している。シリコン基板２０は、第１の面２０ａを有している。第１のシリコン層２１は、ｎ型の導電型（第１導電型）を有している。第１のシリコン層２１は、シリコン基板２０の第１の面２０ａ上に設けられている。また、第１のシリコン層２１は、シリコン基板２０に接合されている。さらに、第１のシリコン層２１は、シリコン基板２０の第１の面２０ａに沿って順に配置された第１領域２１ａ、第２領域２１ｂ及び第３領域２１ｃを有する。第１領域２１ａの厚さと第３領域２１ｃの厚さとは略同一であるが、第２領域２１ｂは、第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃよりも厚い。したがって、第２領域２１ｂは、第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃの表面より突出している。このように、第１のシリコン層２１の表面には段差が設けられている。第１の電極２２は、第１のシリコン層２１の第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃ上にそれぞれ設けられている。第１の電極２２は、第１のシリコン層２１に接合されている。絶縁膜２３は、第１のシリコン層２１の第２領域２１ｂ上に設けられている。絶縁膜２３は、第１のシリコン層２１に接合されている。絶縁膜２３は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜とすることができるがシリコンを含む他の材料であってもよい。第２のシリコン層２４はｐ型の導電型（第２導電型）を有している。第２のシリコン層２４は、絶縁膜２３上に設けられている。また、第２のシリコン層２４は、絶縁膜２３に接合されている。第２の電極２５は、第２のシリコン層２４上に設けられている。第２の電極２５は、第２のシリコン層２４に接合されている。絶縁膜２３は、第１のシリコン層２１と第２のシリコン層２４との間に挟まれている。
【００２０】
第１のシリコン層２１のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、抵抗率は、約１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍである。また、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、抵抗率は、約０．２Ω・ｃｍ〜０．００２Ω・ｃｍである。ただし、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は第１のシリコン層２１のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい。第２のシリコン層２４の厚さは０．１μｍ〜２μｍである。絶縁膜２３の膜厚は０．３ｎｍ〜１１ｎｍである。
【００２１】
次にシリコン発光素子２の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板２０を用意し、このシリコン基板２０上に第１のシリコン層をエピタキシャル成長によって形成する。次に第１のシリコン層の表面を熱酸化させ、第１のシリコン層の表面に絶縁膜（シリコン酸化膜）を設ける。絶縁膜を設ける方法は、化学酸化であってもよい。このとき、絶縁膜の膜厚が約０．３ｎｍ〜１１ｎｍになるように、熱酸化の酸化温度や酸化時間等を調整する。次に、絶縁膜上に厚さ０．１μｍ〜２μｍの第２のシリコン層をエピタキシャル成長によって形成する。ここで、第１のシリコン層には、キャリア濃度が５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３となるようにｎ型キャリアをドープし、第２のシリコン層には、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３となるようにｐ型キャリアをドープする。ただし、第２のシリコン層のキャリア濃度が第１のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きくなるように各ドープ量を調整する。そして、このように設けられた絶縁膜及び第２のシリコン層を、中央部分を残してエッチングして除去し（絶縁膜及び第２のシリコン層の縁部をエッチングして除去し）、第１のシリコン層の一部（縁部）を露出させる。この露出した第１のシリコン層の一部をさらにエッチングし、第１のシリコン層の表面に段差を設ける。このエッチングによって、シリコン基板２０上に、第１のシリコン層２１、絶縁膜２３及び第２のシリコン層２４が形成される。この後、上記のエッチングによって露出した第１のシリコン層２１の第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃ上に第１の電極２２を蒸着して設ける。さらに、第２のシリコン層２４上に、第２の電極２５を蒸着して設ける。以上説明した、第２実施形態に係るシリコン発光素子２は、第１のシリコン層２１内におけるキャリア濃度を精度良く制御可能であり、高い応用性がある。
【００２２】
なお、第１のシリコン層２１及び第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、上記の場合に限らない。例えば、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第１のシリコン層２１のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第１のシリコン層２１のキャリア濃度は、第２のシリコン層２４のキャリア濃度より一桁以上大きい、とすることができる。
【００２３】
（第３実施形態）次に、図６を参照して、本発明のシリコン発光素子の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係るシリコン発光素子３の構成を模式的に表す図ある。シリコン発光素子３は、シリコン発光素子２の第１のシリコン層２１に替えて第１のシリコン層２６を有する。シリコン発光素子３の他の構成は、シリコン発光素子２と同様である。第１のシリコン層２６は、シリコン基板２０の第１の面２０ａ上に設けられている。第１のシリコン層２６は、シリコン基板２０の第１の面２０ａに沿って順に配置された第１領域２６ａ、第２領域２６ｂ及び第３領域２６ｃを有する。第１領域２６ａ、第２領域２６ｂ及び第３領域２６ｃの厚さは、略同一である。したがって、第１のシリコン層２６の表面には、段差が設けられていない。第２領域２６ｂ上に絶縁膜２３、第２のシリコン層２４及び第２の電極２５が順に設けられている。第１のシリコン層２６のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、抵抗率は、約１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍである。また、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、抵抗率は、約０．２Ω・ｃｍ〜０．００２Ω・ｃｍである。ただし、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は第１のシリコン層２６のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい。以上説明した、第３実施形態に係るシリコン発光素子３は、第１のシリコン層２６内におけるキャリア濃度を精度良く制御可能であり、高い応用性がある。
【００２４】
なお、第１のシリコン層２６及び第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、上記の場合に限定されない。例えば、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第１のシリコン層２６のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第１のシリコン層２６のキャリア濃度は、第２のシリコン層２４のキャリア濃度より一桁以上大きい、とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係るシリコン発光素子の構成を模式的に表す図である。
【図２】第１実施形態に係るシリコン発光素子のＶ−Ｉ特性を表す図である。
【図３】第１実施形態に係るシリコン発光素子の発光スペクトルを表す図である。
【図４】第１実施形態に係るシリコン発光素子の絶縁膜の膜厚と発光強度との関係を表す図である。
【図５】第２実施形態に係るシリコン発光素子の構成を模式的に表す図である。
【図６】第３実施形態に係るシリコン発光素子の構成を模式的に表す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，２，３…シリコン発光素子、１０，２０…シリコン基板、１０ａ，２０ａ…第１の面、１０ｂ…第２の面、１１，２３…絶縁膜、１２…シリコン層、１３，２２…第１の電極、１４，２５…第２の電極、２１，２６…第１のシリコン層、２４…第２のシリコン層、２１ａ，２６ａ…第１領域、２１ｂ，２６ｂ…第２領域、２１ｃ，２６ｃ…第３領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンフォトニクスが注目を集めている。シリコンフォトニクスは、シリコンを用いた発光素子やシリコン導波路等を、ＬＳＩ内のチップ間又はチップ内に集積することによって、消費電力の低減や、信号処理速度の向上を図るための技術である。このシリコンフォトニクスの光源に、安価で環境負荷の小さいシリコンを用いた発光素子が望まれている。また、シリコンのバンドギャップ（室温で約１．１２５ｅＶ）より低いエネルギーの光（約１１００ｎｍ以上の波長の光）がシリコン導波路を透過し易いので、このような光を発する発光素子が要求されている。シリコンを用いた発光素子の一例が特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１及び特許文献２に記載のシリコン発光ダイオードは、何れもＳＯＩ基板上に厚さ１０ｎｍ以下のｐｎ接合部を有している。これらの特許文献１及び特許文献２に記載のシリコン発光ダイオードは、シリコンのバンドギャップより高いエネルギーの光（波長約７７０ｎｍ〜１０００ｎｍ）を発する。これは、ｐｎ接合部を薄くすることによって発現する量子閉じ込め効果の影響だと考えられている。
【特許文献１】特開２００７−２９４６２８号公報
【特許文献２】特開平８−４６２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、波長７７０ｎｍ〜１０００ｎｍの光はシリコン導波路を透過し難い。したがって、特許文献１及び特許文献２に記載のシリコン発光ダイオードを、シリコンフォトニクスの光源に適用することは困難である。また、シリコンを用いた他の発光素子として、ポーラスＳｉやＳｉ／ＳｉＯ２ナノ構造を有するシリコン発光素子が知られている。しかし、ポーラスＳｉやＳｉ／ＳｉＯ２ナノ構造を有するシリコン発光素子の発する光は可視光であり、やはりシリコン導波路を透過し難い。したがって、ポーラスＳｉやＳｉ／ＳｉＯ２ナノ構造を有するシリコン発光素子は、シリコンフォトニクスの光源に適用することは困難である。そこで、本発明は、シリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のシリコン発光素子は、第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、シリコン層上に設けられた第１の電極と、シリコン基板の第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、シリコン基板のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン基板のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００５】
また、本発明のシリコン発光素子は、第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、シリコン層上に設けられた第１の電極と、シリコン基板の第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、シリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン基板のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のシリコン発光素子は、第１の面を有するシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層の第１領域及び第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、第１のシリコン層の第２領域上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、を備え、第１のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第２のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第１のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のシリコン発光素子は、第１の面を有するシリコン基板と、シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層の第１領域及び第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、第１のシリコン層の第２領域上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられ第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、を備え、第２のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第１のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第２のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、ことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明のシリコン発光素子においては、絶縁膜の材料はシリコンを含むことが好ましい。また、絶縁膜はシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることが好ましい。
【０００９】
本発明者は、シリコン導波路を透過しやすい波長の光を比較的高い強度で発することが要求されるシリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を開発すべく研究を重ねた。この研究の結果、本発明者は、膜厚０．３ｎｍ〜５ｎｍの絶縁膜を有する本発明のシリコン発光素子が、シリコン導波路を透過しやすい波長の光を高い強度で発することを見出した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、シリコンフォトニクスの光源に適用可能なシリコン発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１実施形態）以下、図面を参照して、本発明に係るシリコン発光素子の第１実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１を参照して、第１実施形態に係るシリコン発光素子１の構成を説明する。図１は第１実施形態に係るシリコン発光素子１の構成を模式的に表す図である。シリコン発光素子１は、シリコン基板１０と、絶縁膜１１と、シリコン層１２と、第１の電極１３と、第２の電極１４と、を備える。シリコン基板１０は、第１の面１０ａと第２の面１０ｂとを有している。また、シリコン基板１０は、ｎ型の導電型（第１導電型）を有している。絶縁膜１１は、シリコン基板１０の第１の面１０ａ上に設けられている。絶縁膜１１は、シリコン基板１０に接合されている。絶縁膜１１は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜とすることができるがシリコンを含む他の材料であってもよい。シリコン層１２は、絶縁膜１１上に設けられている。シリコン層１２は、絶縁膜１１に接合されている。シリコン層１２は、ｐ型の導電型（第２導電型）を有している。第１の電極１３は、シリコン層１２上に設けられている。第１の電極１３は、シリコン層１２に接合されている。第２の電極１４は、シリコン基板１０の第２の面１０ｂ上に設けられている。第２の電極１４は、シリコン基板１０に接合されている。絶縁膜１１は、シリコン基盤１０とシリコン層１２との間に挟まれている。
【００１２】
シリコン基板１０のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、抵抗率は、約１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍである。また、シリコン層１２のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、抵抗率は、約０．２Ω・ｃｍ〜０．００２Ω・ｃｍである。ただし、シリコン層１２のキャリア濃度はシリコン基板１０のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい。シリコン層１２の厚さは０．１μｍ〜２μｍである。絶縁膜１１の膜厚は０．３ｎｍ〜１１ｎｍである。
【００１３】
次にシリコン発光素子１の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板１０の表面を熱酸化させ、シリコン基板１０の表面に絶縁膜１１（シリコン酸化膜）を設ける。絶縁膜１１を設ける方法は、化学酸化であってもよい。このとき、絶縁膜１１の膜厚が約０．３ｎｍ〜１１ｎｍになるように、熱酸化の酸化温度や酸化時間等を調整する。次に、絶縁膜１１上に厚さ０．１μｍ〜２μｍのシリコン層１２を成長させる。そして、第１の電極１３及び第２の電極１４を、それぞれシリコン層１２及びシリコン基板１０上に蒸着して設ける。ここで、シリコン基板１０には、キャリア濃度が５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３となるようにｎ型キャリアをドープし、シリコン層１２には、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３となるようにｐ型キャリアをドープする。ただし、シリコン層１２のキャリア濃度がシリコン基板１０のキャリア濃度より一桁以上大きくなるように各ドープ量を調整する。
【００１４】
次に、図２を参照して、シリコン発光素子１のＶ−Ｉ特性（電圧−電流特性）について説明する。図２は、膜厚２ｎｍの絶縁膜１１を有するシリコン発光素子１のＶ−Ｉ特性を表している。図２の横軸は、シリコン発光素子１に印可するバイアス電圧（Ｖ）を表しており、縦軸はシリコン発光素子１に流れる電流（ｍＡ）を表している。図２に示すように、シリコン発光素子１は、良好なｐ−ｎ接合特性を発揮するので、ダイオードとして動作することがわかる。
【００１５】
続いて、図３及び図４を用いて、シリコン発光素子１のＥＬ（Electro Luminescence）特性について説明する。図３は、膜厚２ｎｍの絶縁膜１１を有するシリコン発光素子１に４０ｍＡの測定電流を室温で注入した場合のシリコン発光素子１の発光スペクトルを表している。図３の横軸は、シリコン発光素子１から発せられる光の波長（ｎｍ）を表している。図３の縦軸は、シリコン発光素子１の発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を表している。シリコン発光素子１に注入する電流を制御することにより発光強度を制御することができるが、スペクトルは変わらない。図３に示すように、シリコン発光素子１は、約１１４０ｎｍの発光ピークを有する。図４は、シリコン発光素子１の絶縁膜１１の膜厚と、シリコン発光素子１の発光強度との関係を表す図である。図４の横軸は、絶縁膜１１の膜厚（ｎｍ）を表している。図４の縦軸は、シリコン発光素子１の発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を表しており、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度を１とするスケールによって表されている。図４に示すデータは、シリコン発光素子１に４０ｍＡの測定電流を室温で注入した際に得られたデータである。図４に示すように、絶縁膜１１を有する発光素子１の発光強度は、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度に比べて向上していることがわかる。特に、絶縁膜１１の膜厚が約３ｎｍの場合、シリコン発光素子１の発光強度は、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度に比べて３桁以上も向上している。これは、第１の電極１３及び第２の電極１４から注入される電流により発生するキャリアが、薄い絶縁膜１１をトンネル効果により移動し、再結合するためであると考えられる。なお、シリコン層１２がシリコン基板１０より高濃度でキャリアがドープされているため（キャリア濃度が一桁以上大きい）、シリコン層１２からシリコン基板１０へトンネル効果により移動するキャリアが、全体のキャリアの中で支配的であると考えられる。このため、キャリアの再結合は、シリコン基板１０の第１の面１０ａ近傍に限定されると考えられる。これは、一種のキャリア閉じ込めであると考えられる。
【００１６】
以上説明したように、本実施形態に係るシリコン発光素子１は、図３に示すように、シリコン導波路を透過し易い波長の光（波長約１１００ｎｍ以上の光）を発することができる。また、図４に示すように、絶縁膜１１の膜厚が０．３ｎｍ〜５ｎｍの場合、シリコン発光素子１の発光強度は、絶縁膜１１を有さないシリコン発光素子の発光強度に比べて最大で３桁以上も向上している。また、図２に示すように、シリコン発光素子１は、動作電圧が約１Ｖと低いので安定な電流注入が可能である。また、図２〜図４に示す結果は、シリコン発光素子１の室温動作を表している。また、シリコン基板１０、絶縁膜１１及びシリコン層１２はＳｉを含んでいる。このように、シリコン発光素子１は、シリコン系材料又はシリコンプロセス適合材料で構成されており、シリコン導波路を透過しやすい波長の光を高い強度で発し、安定した電流注入が可能であり、室温で用いることができるのでシリコンフォトニクスの光源に適している。
【００１７】
なお、シリコン基板１０及びシリコン層１２のキャリア濃度は、上記の場合に限らない。例えば、シリコン層１２のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、シリコン基板１０のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、シリコン基板１０のキャリア濃度は、シリコン層１２のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい、とすることができる。このように、シリコン基板１０がシリコン層１２より高濃度でキャリアがドープされている場合においては、キャリアの再結合は、シリコン層１２の絶縁膜１１との接合面近傍に限定されると考えられる。
【００１８】
なお、シリコン発光素子１以外にもシリコンを用いた複数の発光素子が知られている。このような発光素子としては、例えば、ＳｉＧｅ超格子を有するＳｉ系半導体を用いた発光素子が知られている。この発光素子は、直接遷移により赤外光を発する。しかし、ＳｉＧｅ超格子は精密な成長技術が要求されるので、この発光素子は製造が容易でない。これに対し、本実施形態に係るシリコン発光素子１は、図１に示すように、素子構造が複雑でないので比較的容易に製造できる。また、ＳｉにＥｒをドープした発光素子も知られている。この発光素子は約１．５μｍの波長の光を発する。しかし、この発光素子は室温における発光強度が極めて弱い。
【００１９】
（第２実施形態）続いて、本発明に係るシリコン発光素子の第２実施形態について詳細に説明する。図５を参照して、第２実施形態に係るシリコン発光素子２の構成を説明する。図５は、第２実施形態に係るシリコン発光素子２の構成を模式的に表す図である。シリコン発光素子２は、シリコン基板２０と、第１のシリコン層２１と、第１の電極２２と、絶縁膜２３と、第２のシリコン層２４と、第２の電極２５と、を有している。シリコン基板２０は、第１の面２０ａを有している。第１のシリコン層２１は、ｎ型の導電型（第１導電型）を有している。第１のシリコン層２１は、シリコン基板２０の第１の面２０ａ上に設けられている。また、第１のシリコン層２１は、シリコン基板２０に接合されている。さらに、第１のシリコン層２１は、シリコン基板２０の第１の面２０ａに沿って順に配置された第１領域２１ａ、第２領域２１ｂ及び第３領域２１ｃを有する。第１領域２１ａの厚さと第３領域２１ｃの厚さとは略同一であるが、第２領域２１ｂは、第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃよりも厚い。したがって、第２領域２１ｂは、第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃの表面より突出している。このように、第１のシリコン層２１の表面には段差が設けられている。第１の電極２２は、第１のシリコン層２１の第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃ上にそれぞれ設けられている。第１の電極２２は、第１のシリコン層２１に接合されている。絶縁膜２３は、第１のシリコン層２１の第２領域２１ｂ上に設けられている。絶縁膜２３は、第１のシリコン層２１に接合されている。絶縁膜２３は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜とすることができるがシリコンを含む他の材料であってもよい。第２のシリコン層２４はｐ型の導電型（第２導電型）を有している。第２のシリコン層２４は、絶縁膜２３上に設けられている。また、第２のシリコン層２４は、絶縁膜２３に接合されている。第２の電極２５は、第２のシリコン層２４上に設けられている。第２の電極２５は、第２のシリコン層２４に接合されている。絶縁膜２３は、第１のシリコン層２１と第２のシリコン層２４との間に挟まれている。
【００２０】
第１のシリコン層２１のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、抵抗率は、約１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍである。また、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、抵抗率は、約０．２Ω・ｃｍ〜０．００２Ω・ｃｍである。ただし、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は第１のシリコン層２１のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい。第２のシリコン層２４の厚さは０．１μｍ〜２μｍである。絶縁膜２３の膜厚は０．３ｎｍ〜１１ｎｍである。
【００２１】
次にシリコン発光素子２の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板２０を用意し、このシリコン基板２０上に第１のシリコン層をエピタキシャル成長によって形成する。次に第１のシリコン層の表面を熱酸化させ、第１のシリコン層の表面に絶縁膜（シリコン酸化膜）を設ける。絶縁膜を設ける方法は、化学酸化であってもよい。このとき、絶縁膜の膜厚が約０．３ｎｍ〜１１ｎｍになるように、熱酸化の酸化温度や酸化時間等を調整する。次に、絶縁膜上に厚さ０．１μｍ〜２μｍの第２のシリコン層をエピタキシャル成長によって形成する。ここで、第１のシリコン層には、キャリア濃度が５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３となるようにｎ型キャリアをドープし、第２のシリコン層には、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３となるようにｐ型キャリアをドープする。ただし、第２のシリコン層のキャリア濃度が第１のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きくなるように各ドープ量を調整する。そして、このように設けられた絶縁膜及び第２のシリコン層を、中央部分を残してエッチングして除去し（絶縁膜及び第２のシリコン層の縁部をエッチングして除去し）、第１のシリコン層の一部（縁部）を露出させる。この露出した第１のシリコン層の一部をさらにエッチングし、第１のシリコン層の表面に段差を設ける。このエッチングによって、シリコン基板２０上に、第１のシリコン層２１、絶縁膜２３及び第２のシリコン層２４が形成される。この後、上記のエッチングによって露出した第１のシリコン層２１の第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃ上に第１の電極２２を蒸着して設ける。さらに、第２のシリコン層２４上に、第２の電極２５を蒸着して設ける。以上説明した、第２実施形態に係るシリコン発光素子２は、第１のシリコン層２１内におけるキャリア濃度を精度良く制御可能であり、高い応用性がある。
【００２２】
なお、第１のシリコン層２１及び第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、上記の場合に限らない。例えば、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第１のシリコン層２１のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第１のシリコン層２１のキャリア濃度は、第２のシリコン層２４のキャリア濃度より一桁以上大きい、とすることができる。
【００２３】
（第３実施形態）次に、図６を参照して、本発明のシリコン発光素子の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係るシリコン発光素子３の構成を模式的に表す図ある。シリコン発光素子３は、シリコン発光素子２の第１のシリコン層２１に替えて第１のシリコン層２６を有する。シリコン発光素子３の他の構成は、シリコン発光素子２と同様である。第１のシリコン層２６は、シリコン基板２０の第１の面２０ａ上に設けられている。第１のシリコン層２６は、シリコン基板２０の第１の面２０ａに沿って順に配置された第１領域２６ａ、第２領域２６ｂ及び第３領域２６ｃを有する。第１領域２６ａ、第２領域２６ｂ及び第３領域２６ｃの厚さは、略同一である。したがって、第１のシリコン層２６の表面には、段差が設けられていない。第２領域２６ｂ上に絶縁膜２３、第２のシリコン層２４及び第２の電極２５が順に設けられている。第１のシリコン層２６のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、抵抗率は、約１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍである。また、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、抵抗率は、約０．２Ω・ｃｍ〜０．００２Ω・ｃｍである。ただし、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は第１のシリコン層２６のキャリア濃度に比べて一桁以上大きい。以上説明した、第３実施形態に係るシリコン発光素子３は、第１のシリコン層２６内におけるキャリア濃度を精度良く制御可能であり、高い応用性がある。
【００２４】
なお、第１のシリコン層２６及び第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、上記の場合に限定されない。例えば、第２のシリコン層２４のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、第１のシリコン層２６のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、第１のシリコン層２６のキャリア濃度は、第２のシリコン層２４のキャリア濃度より一桁以上大きい、とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係るシリコン発光素子の構成を模式的に表す図である。
【図２】第１実施形態に係るシリコン発光素子のＶ−Ｉ特性を表す図である。
【図３】第１実施形態に係るシリコン発光素子の発光スペクトルを表す図である。
【図４】第１実施形態に係るシリコン発光素子の絶縁膜の膜厚と発光強度との関係を表す図である。
【図５】第２実施形態に係るシリコン発光素子の構成を模式的に表す図である。
【図６】第３実施形態に係るシリコン発光素子の構成を模式的に表す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，２，３…シリコン発光素子、１０，２０…シリコン基板、１０ａ，２０ａ…第１の面、１０ｂ…第２の面、１１，２３…絶縁膜、１２…シリコン層、１３，２２…第１の電極、１４，２５…第２の電極、２１，２６…第１のシリコン層、２４…第２のシリコン層、２１ａ，２６ａ…第１領域、２１ｂ，２６ｂ…第２領域、２１ｃ，２６ｃ…第３領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記第１の面上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、
前記シリコン層上に設けられた第１の電極と、
前記シリコン基板の前記第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、
前記シリコン基板のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記シリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記シリコン基板のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項２】
第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記第１の面上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、
前記シリコン層上に設けられた第１の電極と、
前記シリコン基板の前記第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、
前記シリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記シリコン基板のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記シリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項３】
第１の面を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、
前記第１のシリコン層の前記第１領域及び前記第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、
前記第１のシリコン層の前記第２領域上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、
前記第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第１のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記第２のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記第１のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項４】
第１の面を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、
前記第１のシリコン層の前記第１領域及び前記第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、
前記第１のシリコン層の前記第２領域上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、
前記第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第２のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記第１のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記第２のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項５】
前記絶縁膜の材料は、シリコンを含むことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のシリコン発光素子。
【請求項６】
前記絶縁膜は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のシリコン発光素子。
【請求項１】
第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記第１の面上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、
前記シリコン層上に設けられた第１の電極と、
前記シリコン基板の前記第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、
前記シリコン基板のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記シリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記シリコン基板のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項２】
第１の面と該第１の面の反対側にある第２の面とを有する第１導電型のシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記第１の面上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型のシリコン層と、
前記シリコン層上に設けられた第１の電極と、
前記シリコン基板の前記第２の面上に設けられた第２の電極と、を備え、
前記シリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記シリコン基板のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記シリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項３】
第１の面を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、
前記第１のシリコン層の前記第１領域及び前記第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、
前記第１のシリコン層の前記第２領域上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、
前記第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第１のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記第２のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記第１のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項４】
第１の面を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の第１の面上に設けられ、該第１の面に沿って順に配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有する第１導電型の第１のシリコン層と、
前記第１のシリコン層の前記第１領域及び前記第３領域上にそれぞれ設けられた第１の電極と、
前記第１のシリコン層の前記第２領域上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２のシリコン層と、
前記第２のシリコン層上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第２のシリコン層のキャリア濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であり、
前記第１のシリコン層のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３であり、且つ、前記第２のシリコン層のキャリア濃度より一桁以上大きく、
前記絶縁膜の膜厚は、０．３ｎｍ〜５ｎｍである、
ことを特徴とするシリコン発光素子。
【請求項５】
前記絶縁膜の材料は、シリコンを含むことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のシリコン発光素子。
【請求項６】
前記絶縁膜は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のシリコン発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１１４２６２（Ｐ２０１０−１１４２６２Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８５５４５（Ｐ２００８−２８５５４５）
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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