発光素子およびその製造方法
【課題】発光効率が向上可能な発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、ｎ型シリコン酸化膜２と、ｐ型シリコン窒化膜３とを備える。ｐ型シリコン窒化膜３は、ｎ型シリコン酸化膜２に接して形成され、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３は、ｐ−ｎ接合を形成する。ｎ型シリコン酸化膜２は、ｎ型Ｓｉからなる複数の量子ドット２１を含む。ｐ型シリコン窒化膜３は、ｐ型Ｓｉからなる複数の量子ドット３１を含む。ｎ型シリコン酸化膜２側から電子を注入し、ｐ型シリコン窒化膜３側から正孔を注入することによって、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面で発光する。
【解決手段】発光素子は、ｎ型シリコン酸化膜２と、ｐ型シリコン窒化膜３とを備える。ｐ型シリコン窒化膜３は、ｎ型シリコン酸化膜２に接して形成され、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３は、ｐ−ｎ接合を形成する。ｎ型シリコン酸化膜２は、ｎ型Ｓｉからなる複数の量子ドット２１を含む。ｐ型シリコン窒化膜３は、ｐ型Ｓｉからなる複数の量子ドット３１を含む。ｎ型シリコン酸化膜２側から電子を注入し、ｐ型シリコン窒化膜３側から正孔を注入することによって、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面で発光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子およびその製造方法に関し、特に、量子ドットを用いた発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体島構造（量子ドット）を用いた半導体発光素子が知られている（特許文献１）。この半導体発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ島構造／窒素を含む化合物半導体／ｐ型ＧａＡｓ／ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる。
【０００３】
そして、ＩｎＧａＡｓ島構造は、圧縮応力からなる内部応力を有する。また、窒素を含む化合物半導体は、引っ張り応力を有する。従って、窒素を含む化合物半導体をＩｎＧａＡｓ島構造に接するように配置し、ＩｎＧａＡｓ島構造が有する内部応力を窒素を含む化合物半導体によって減少させる。
【０００４】
その結果、発光層であるＩｎＧａＡｓ島構造における内部応力が減少し、１．５５μｍの発光スペクトルが室温で得られている。
【特許文献１】特開２００３−３３２６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の半導体発光素子は、発光層である量子ドット自体がｐ型またはｎ型に制御されていないため、発光層へのキャリア（電子および正孔）の注入量が少なく、発光効率が低いという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発光効率が向上可能な発光素子を提供することである。
【０００７】
また、この発明の別の目的は、発光効率が向上可能な発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、発光素子は、第１および第２の絶縁部材を備える。第１の絶縁部材は、第１の導電型を有する第１の量子ドットを含む。第２の絶縁部材は、第１の絶縁部材に接して配置され、第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の量子ドットを含む。
【０００９】
好ましくは、第１の絶縁部材は、複数個の第１の量子ドットを含む。第２の絶縁部材は、複数個の第２の量子ドットを含む。
【００１０】
好ましくは、複数個の第１の量子ドットは、第１の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置され、複数個の第２の量子ドットは、第２の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される。
【００１１】
好ましくは、第１の導電型は、ｎ型であり、第２の導電型は、ｐ型である。
【００１２】
好ましくは、第１の絶縁部材において、正孔に対する障壁エネルギーは、電子に対する障壁エネルギーよりも大きく、第２の絶縁部材において、電子に対する障壁エネルギーは、正孔に対する障壁エネルギーよりも大きい。
【００１３】
好ましくは、第１および第２の量子ドットは、シリコンドットからなり、第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる。
【００１４】
好ましくは、発光素子は、第３の絶縁部材をさらに備える。第３の絶縁部材は、第２の絶縁部材に接して形成されるとともに、第２の導電型を有する第３の量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが第２の絶縁部材よりも大きい。
【００１５】
好ましくは、第３の絶縁部材は、複数個の第３の量子ドットを含む。
【００１６】
好ましくは、複数個の第３の量子ドットは、第３の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される。
【００１７】
好ましくは、第１から第３の量子ドットは、シリコンドットからなり、第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなり、第３の絶縁部材は、シリコン酸窒化膜からなる。
【００１８】
また、この発明によれば、発光素子は、発光層と、第１および第２の絶縁部材とを備える。第１の絶縁部材は、ｎ型の量子ドットを介して電子を発光層へ供給する。第２の絶縁部材は、ｐ型の量子ドットを介して正孔を発光層へ供給する。
【００１９】
好ましくは、第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる。
【００２０】
さらに、この発明によれば、発光素子の製造方法は、量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、量子ドットを含む第２の絶縁部材を第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第３の工程と、第２の絶縁部材中へ第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第４の工程と、第１の導電型の不純物を含む第１の絶縁部材と、第２の導電型の不純物を含む第２の絶縁部材とを熱処理する第５の工程とを備える。
【００２１】
好ましくは、第１の工程において、酸素を含む第１の材料ガスの流量に対するシリコンを含む第２の材料ガスの流量の比を第１の基準値以上に設定してシリコン酸化膜からなる第１の絶縁部材が前記一主面に堆積される。第２の工程において、窒素を含む第３の材料ガスの流量に対する第２の材料ガスの流量の比を第２の基準値以上に設定してシリコン窒化膜からなる第２の絶縁部材が第１の絶縁部材上に堆積される。
【００２２】
好ましくは、第３の工程において、ｎ型の不純物が第１の絶縁部材中へ導入され、第４の工程において、ｐ型の不純物が第２の絶縁部材中へ導入される。
【００２３】
好ましくは、第５の工程において、ｎ型の不純物を含む第１の絶縁部材およびｐ型の不純物を含む第２の絶縁部材は、窒素雰囲気中で熱処理される。
【００２４】
さらに、この発明によれば、発光素子の製造方法は、量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、量子ドットを含む第２の絶縁部材を第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが第２の絶縁部材よりも大きい第３の絶縁部材を第２の絶縁部材上に堆積する第３の工程と、第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第４の工程と、第２および第３の絶縁部材中へ第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第５の工程と、第１の導電型の不純物を含む第１の絶縁部材と、第２の導電型の不純物を含む第２および第３の絶縁部材とを熱処理する第６の工程とを備える。
【発明の効果】
【００２５】
この発明による発光素子においては、第１および第２の絶縁部材のいずれか一方に含まれる量子ドットを介して電子および正孔の一方が第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給され、第１および第２の絶縁部材のいずれか他方に含まれる量子ドットを介して電子および正孔の他方が第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給される。そして、第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給された電子および正孔が再結合して発光する。つまり、この発明による発光素子においては、電子および正孔の両方が第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給されて発光する。
【００２６】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２８】
図１は、この発明の実施の形態による発光素子の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による発光素子１０は、基板１と、ｎ型シリコン酸化膜２と、ｐ型シリコン窒化膜３と、ｐ＋型ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜４と、電極５，６とを備える。
【００２９】
基板１は、約０．１Ω・ｃｍの比抵抗を有するｎ＋型シリコン（ｎ＋−Ｓｉ）からなる。ｎ型シリコン酸化膜２は、後述するように、ｎ型Ｓｉからなる複数の量子ドットを含み、基板１の一主面に形成される。そして、ｎ型シリコン酸化膜２は、約１５０ｎｍの膜厚を有する。
【００３０】
ｐ型シリコン窒化膜３は、後述するように、ｐ型Ｓｉからなる複数の量子ドットを含み、ｎ型シリコン酸化膜２に接してｎ型シリコン酸化膜２上に形成される。そして、ｐ型シリコン窒化膜３は、約１００ｎｍの膜厚を有する。
【００３１】
ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４からなり、ｐ型シリコン窒化膜３に接してｐ型シリコン窒化膜３上に形成される。そして、ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、約１０２０ｃｍ−３のボロン濃度を含み、約５０ｎｍの膜厚を有する。
【００３２】
電極５は、電極５１〜５４からなる。そして、電極５１〜５４は、それぞれ、ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４に接してｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４上に形成される。電極５１〜５４の各々は、アルミニウム（Ａｌ）からなる。
【００３３】
電極６は、Ａｌからなり、基板１の裏面（ｎ型シリコン酸化膜２等が形成された面と反対面）に形成される。
【００３４】
図２は、図１に示すｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３の拡大断面図である。図２を参照して、ｎ型シリコン酸化膜２は、複数の量子ドット２１を含む。複数の量子ドット２１の各々は、ｎ型Ｓｉドットからなり、約１０１９ｃｍ−３のリン（Ｐ）濃度を含む。そして、複数の量子ドット２１は、ｎ型シリコン酸化膜２中に不規則に配置される。
【００３５】
ｐ型シリコン窒化膜３は、複数の量子ドット３１を含む。複数の量子ドット３１の各々は、ｐ型Ｓｉドットからなり、約１０１９ｃｍ−３のＢ濃度を含む。そして、複数の量子ドット３１は、ｐ型シリコン窒化膜３中に不規則に配置される。
【００３６】
このように、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３は、それぞれ、ｎ型Ｓｉドットからなる量子ドット２１およびｐ型Ｓｉドットからなる量子ドット３１を含み、ｐ−ｎ接合を形成する。
【００３７】
図３は、図１に示す発光素子１０のゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。図３を参照して、基板１を構成するｎ＋Ｓｉ中には、伝導帯Ｅｃ１および価電子帯Ｅｖ１が存在し、ｎ＋Ｓｉは、１．１２ｅＶのエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する。
【００３８】
また、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中には、伝導帯Ｅｃ２および価電子帯Ｅｖ２が存在し、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、１．１２ｅＶのエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する。
【００３９】
基板１を構成するｎ＋Ｓｉは、Ｐが高濃度にドーピングされ、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、Ｂが高濃度にドーピングされているため、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１の端は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ２の端にエネルギー的に近い。
【００４０】
ｎ型シリコン酸化膜２は、上述したように、複数の量子ドット２１を含むため、量子ドット２１と、量子ドット２１を含まないシリコンダイオキサイド（ＳｉＯ２）層２２との積層構造からなる。その結果、量子ドット２１は、ＳｉＯ２層２２によって挟み込まれる。
【００４１】
ＳｉＯ２層２２は、約９ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。また、量子ドット２１は、２つのＳｉＯ２層２２によって挟み込まれているので、量子サイズ効果によって、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１側にサブ準位Ｌｓｕｂ１を有し、ｎ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ１側にサブ準位Ｌｓｕｂ２を有する。
【００４２】
サブ準位Ｌｓｕｂ１は、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に高く、サブ準位Ｌｓｕｂ２は、ｎ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ１の端よりもエネルギー的に高い。その結果、サブ準位Ｌｓｕｂ１とサブ準位Ｌｓｕｂ２とのエネルギー差は、ｎ＋ＳｉのエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。
【００４３】
また、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１の端とＳｉＯ２層２２の伝導帯の端とのエネルギー差ΔＥ１は、約３．２３ｅＶであり、ｎ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ１の端とＳｉＯ２層２２の価電子帯の端とのエネルギー差ΔＥ２は、約４．６５ｅＶである。したがって、ｎ型シリコン酸化膜２は、ｎ＋Ｓｉ中の正孔に対する障壁エネルギー（＝ΔＥ２）よりも小さい障壁エネルギー（＝ΔＥ１）をｎ＋Ｓｉ中の電子に対して有する。
【００４４】
ｐ型シリコン窒化膜３は、上述したように、複数の量子ドット３１を含むため、量子ドット３１と、量子ドット３１を含まないシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）層３２との積層構造からなる。その結果、量子ドット３１は、Ｓｉ３Ｎ４層３２によって挟み込まれる。
【００４５】
Ｓｉ３Ｎ４層３２は、約５．２ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。また、量子ドット３１は、２つのＳｉ３Ｎ４層３２によって挟み込まれているので、量子サイズ効果によって、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の伝導帯Ｅｃ２側にサブ準位Ｌｓｕｂ３を有し、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ４側にサブ準位Ｌｓｕｂ４を有する。
【００４６】
サブ準位Ｌｓｕｂ３は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の伝導帯Ｅｃ２の端よりもエネルギー的に高く、サブ準位Ｌｓｕｂ４は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ２の端よりもエネルギー的に高い。その結果、サブ準位Ｌｓｕｂ３とサブ準位Ｌｓｕｂ４とのエネルギー差は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４のエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。
【００４７】
また、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の伝導帯Ｅｃ２の端とＳｉ３Ｎ４層３２の伝導帯の端とのエネルギー差ΔＥ３は、約２．３ｅＶであり、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ２の端とＳｉ３Ｎ４層３２の価電子帯の端とのエネルギー差ΔＥ４は、約１．７８ｅＶである。したがって、ｐ型シリコン窒化膜３は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の電子に対する障壁エネルギー（＝ΔＥ３）よりも小さい障壁エネルギー（＝ΔＥ４）をｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の正孔に対して有する。
【００４８】
図４は、図１に示す発光素子１０の電流通電時のエネルギーバンド図である。電極５側をプラス、電極６側をマイナスとして電極５，６間に電圧を印加すると、図４に示すように、基板１を構成するｎ＋Ｓｉのエネルギーバンドが持ち上がり、ｎ＋Ｓｉ中の電子１１は、ｎ型シリコン酸化膜２中の複数の量子ドット２１を介してｎ型シリコン酸化膜２中を伝導し、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面に最も近い量子ドット３１Ｎに注入される。
【００４９】
一方、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の正孔１２は、ｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１を介してｐ型シリコン窒化膜３中を伝導し、正孔に対するシリコン酸化膜の高い障壁によって、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面に最も近い量子ドット３１Ｎに蓄積される。
【００５０】
そうすると、量子ドット３１Ｎに蓄積された電子１３は、量子ドット３１Ｎに蓄積された正孔１４と再結合して発光する。
【００５１】
このように、発光素子１０は、シリコン酸化膜の高い障壁によって正孔をｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面に蓄積させることを特徴とする。その結果、発光素子１０は、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面で発光する。
【００５２】
発光素子１０においては、ｎ型シリコン酸化膜２中の複数の量子ドット２１は、ｎ型にドーピングされ、ｐ型シリコン窒化膜３中の複数の量子ドット３１は、ｐ型にドーピングされているため、複数の量子ドット２１は、ｎ型にドーピングされていない場合よりもサブ準位Ｌｓｕｂ１が低くなり、複数の量子ドット３１は、ｐ型にドーピングされていない場合よりもサブ準位Ｌｓｕｂ４が低くなる。その結果、ｎ＋Ｓｉ中の電子は、複数の量子ドット２１がｎ型にドーピングされていない場合よりもｎ型シリコン酸化膜２中を伝導し易くなり、より多くの電子が量子ドット３１Ｎに蓄積される。また、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ４中の正孔は、複数の量子ドット３１がｐ型にドーピングされていない場合よりもｐ型シリコン窒化膜３中を伝導し易くなり、より多くの正孔が量子ドット３１Ｎに蓄積される。
【００５３】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【００５４】
また、ｎ型シリコン酸化膜２は、複数の量子ドット２１を不規則に含み、ｐ型シリコン窒化膜３は、複数の量子ドット３１を不規則に含むので、不規則に配置された量子ドット２１，３１の電界増強効果によって電子および正孔の注入効率が向上する。
【００５５】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【００５６】
図５は、図１に示す発光素子１０の製造に用いるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の概略図である。図５を参照して、プラズマＣＶＤ装置１００は、反応室１０１と、電極板１０２と、サンプルホルダー１０３と、ヒーター１０４と、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１０５と、配管１０６〜１０８と、ガスボンベ１０９〜１１１とを備える。
【００５７】
反応室１０１は、中空の容器からなり、排気口１０１Ａを有する。電極板１０２およびサンプルホルダー１０３は、平板形状からなり、反応室１０１内に５０ｍｍの間隔で略平行に配置される。そして、電極板１０２およびサンプルホルダー１０３の各々は、２００ｍｍφの直径を有する。ヒーター１０４は、サンプルホルダー１０３内に配置される。
【００５８】
ＲＦ電源１０５は、電極板１０２とサンプルホルダー１０３とに接続される。配管１０６は、一方端が反応室１０１に接続され、他方端がガスボンベ１０９に接続される。また、配管１０７は、一方端が反応室１０１に接続され、他方端がガスボンベ１１０に接続される。さらに、配管１０８は、一方端が反応室１０１に接続され、他方端がガスボンベ１１１に接続される。
【００５９】
サンプルホルダー１０３は、基板１を保持する。ヒーター１０４は、基板１を所定の温度に加熱する。ＲＦ電源１０５は、電極板１０２とサンプルホルダー１０３との間に、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加する。
【００６０】
ガスボンベ１０９は、Ｎ２Ｏ（１００％）ガスを保持し、ガスボンベ１１０は、水素（Ｈ２）ガスによって希釈された１０％のＳｉＨ４ガスを保持し、ガスボンベ１１１は、ＮＨ３（１００％）ガスを保持する。
【００６１】
配管１０６は、Ｎ２Ｏガスを反応室１０１内に供給する。配管１０７は、ＳｉＨ４ガスを反応室１０１内に供給する。配管１０８は、ＮＨ３ガスを反応室１０１内に供給する。反応室１０１内に供給されたＮ２Ｏガス、ＳｉＨ４ガスおよびＮＨ３ガスは、ロータリーポンプ等の排気装置（図示せず）によって排気口１０１Ａから排気される。その結果、反応室１０１内は、所定の圧力に設定される。
【００６２】
プラズマＣＶＤ装置１００は、Ｎ２ＯガスおよびＳｉＨ４ガスが反応室１０１内に供給された状態でＲＦ電源１０５によってＲＦ電力を電極板１０２とサンプルホルダー１０３との間に印加してシリコン酸化膜を基板１上に堆積する。また、プラズマＣＶＤ装置１００は、ＮＨ３ガスおよびＳｉＨ４ガスが反応室１０１内に供給された状態でＲＦ電源１０５によってＲＦ電力を電極板１０２とサンプルホルダー１０３との間に印加してシリコン窒化膜を基板１上に堆積する。
【００６３】
図６および図７は、それぞれ、図１に示す発光素子１０の製造方法を説明するための第１および第２の工程図である。図６を参照して、発光素子１０の製造が開始されると、ｎ＋Ｓｉからなる基板１が準備され（工程（ａ）参照）、基板１を洗浄した後、プラズマＣＶＤ装置１００のサンプルホルダー１０３上に基板１をセットする。
【００６４】
そして、表１に示す反応条件によってシリコン酸化膜１１を基板１の一主面に堆積する。
【００６５】
【表１】
その後、表２に示す反応条件によってシリコン窒化膜１２をシリコン酸化膜１１上に堆積する。
【００６６】
【表２】
引き続いて、表２に示す反応条件においてＮＨ３ガスを停止させた反応条件によって、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜１３をシリコン窒化膜１２上に堆積する（図６の工程（ｂ）参照）。
【００６７】
その後、リンイオン（Ｐ＋）をイオン注入によってシリコン酸化膜１１中へ注入する（図６の工程（ｃ）参照）。この場合、Ｐ＋イオンがシリコン酸化膜１１中にのみ注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｎ型シリコン酸化膜２が形成される（図６の工程（ｄ）参照）。
【００６８】
そして、ボロンイオン（Ｂ＋）をイオン注入によってシリコン窒化膜１２およびａ−Ｓｉ膜１３中へ注入する（図６の工程（ｄ）参照）。この場合、Ｂ＋イオンがシリコン窒化膜１２およびａ−Ｓｉ膜１３中に注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｐ型シリコン窒化膜３およびｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａが形成される（図７の工程（ｅ）参照）。
【００６９】
そして、基板１／ｎ型シリコン酸化膜２／ｐ型シリコン窒化膜３／ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａを表３に示す条件によってアニールする。
【００７０】
【表３】
これによって、ｎ型シリコン酸化膜２中へイオン注入されたＰ原子が電気的に活性化され、ｐ型シリコン窒化膜３中へイオン注入されたＢ原子が電気的に活性化され、さらに、ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａがｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４になる（図７の工程（ｆ）参照）。
【００７１】
その後、フォトリソグラフィー技術を用いてｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４をｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４にパターンニングする（図７の工程（ｇ）参照）。
【００７２】
そして、Ａｌのスパッタリングによって、電極５（５１〜５４）をそれぞれｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４上に形成するとともに、電極６を基板１の裏面に形成する（図７の工程（ｈ）参照）。これによって、発光素子１０が完成する。
【００７３】
上述したように、表１に示す反応条件を用いることによって量子ドットを含むシリコン酸化膜１１が形成され、表２に示す反応条件を用いることによって量子ドットを含むシリコン窒化膜１２が形成されるので、１回の膜形成によって量子ドットを含むシリコン酸化膜１１またはシリコン窒化膜１２を形成できる。
【００７４】
上述したシリコン酸化膜１１を形成する条件（表１）におけるＮ２Ｏガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比は、絶縁膜としてのＳｉＯ２膜を形成するときのＮ２Ｏガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比（＝基準流量比）よりも大きい。すなわち、この発明においては、シリコン酸化膜１１は、ＳｉＨ４ガスの流量を基準よりも多くして形成され、所謂、シリコンリッチ酸化膜と呼ばれる。
【００７５】
また、上述したシリコン窒化膜１２を形成する条件（表２）におけるＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比は、絶縁膜としてのＳｉ３Ｎ４膜を形成するときのＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比（＝基準流量比）よりも大きい。すなわち、この発明においては、シリコン窒化膜１２は、ＳｉＨ４ガスの流量を基準よりも多くして形成され、所謂、シリコンリッチ窒化膜と呼ばれる。
【００７６】
したがって、この発明においては、Ｓｉドットからなる量子ドットを含むシリコン酸化膜１１は、シリコンリッチ酸化膜を形成するときの形成条件を用いて形成され、Ｓｉドットからなる量子ドットを含むシリコン窒化膜１２は、シリコンリッチ窒化膜を形成するときの形成条件を用いて形成されることを特徴とする。
【００７７】
なお、ｎ型シリコン酸化膜２中の量子ドット２１およびｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１の密度を高くするには、Ｎ２ＯガスおよびＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比を相対的に高くし、図７の工程（ｅ）における熱処理時間を数秒程度に短くする。
【００７８】
一方、ｎ型シリコン酸化膜２中の量子ドット２１およびｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１の密度を低くするには、Ｎ２ＯガスおよびＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比を相対的に低くし、図７の工程（ｅ）における熱処理時間を数十分以上に長くする。
【００７９】
このように、ｎ型シリコン酸化膜２中の量子ドット２１およびｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１の密度は、Ｎ２ＯガスおよびＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比および図７の工程（ｅ）における熱処理時間によって制御され得る。
【００８０】
また、図６および図７に示す発光素子１０の製造方法においては、量子ドットを含むシリコン酸化膜１１および量子ドットを含むシリコン窒化膜１２をプラズマＣＶＤ法によって形成した後に、イオン注入によって、Ｐ＋イオンおよびＢ＋イオンを注入してｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３を形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、プラズマＣＶＤ法を用いてｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３を形成するようにしてもよい。
【００８１】
この場合、ＰのソースガスとしてＰＨ３ガスを用いてｎ型シリコン酸化膜２がプラズマＣＶＤ法によって形成され、ＢのソースガスとしてＢ２Ｈ６ガスを用いてｐ型シリコン窒化膜３が形成される。
【００８２】
そして、ｎ型シリコン酸化膜２を形成する反応条件は、ＰＨ３ガスの流量を表１に示す反応条件に追加した反応条件であり、ｐ型シリコン窒化膜３を形成する反応条件は、Ｂ２Ｈ６ガスの流量を表２に示す反応条件に追加した反応条件である。
【００８３】
さらに、上記においては、Ｐを用いてｎ型シリコン酸化膜２を形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、ヒ素（Ａｓ）を用いてｎ型シリコン酸化膜２を形成してもよい。この場合、図６の工程（ｃ）において、Ａｓイオンがｎ型シリコン酸化膜１１のみへイオン注入される。また、Ａｓを用いてプラズマＣＶＤ法によってｎ型シリコン酸化膜２を形成する場合、ＡｓのソースガスとしてＡｓＨ３ガスが用いられる。
【００８４】
図８は、図１に示す発光素子１０の発光特性を示す図である。また、図９は、図１に示す発光素子１０の比較例としての発光素子の断面図である。図９の（ａ）を参照して、発光素子２００は、図１に示す発光素子１０のｎ型シリコン酸化膜２を削除したものであり、その他は、発光素子１０と同じである。また、図９の（ｂ）を参照して、発光素子２１０は、図１に示す発光素子１０のｐ型シリコン窒化膜を削除したものであり、その他は、発光素子１０と同じである。すなわち、発光素子２００は、ｐ型シリコン窒化膜３のみを発光層に用いた発光素子であり、発光素子２１０は、ｎ型シリコン酸化膜２のみを発光層に用いた発光素子である。
【００８５】
図８において、縦軸は、単位電流当たり、かつ、単位膜厚当たりの光強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ１は、図１に示す発光素子１０の発光強度を示し、曲線ｋ２は、図９の（ａ）に示す発光素子２００の発光強度を示し、曲線ｋ３は、図９の（ｂ）に示す発光素子２１０の発光強度を示す。そして、発光素子１０の発光強度の膜厚による規格化においては、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３のうち、ｐ型シリコン窒化膜の膜厚が用いられた。これは、発光素子１０における発光の９５％がｐ型シリコン窒化膜３において生じるからである。
【００８６】
なお、図８の縦軸におけるＳＲＯは、表１に示すシリコンリッチな反応条件で形成したシリコンリッチ酸化膜を表し、ＳＲＮは、表２に示すシリコンリッチな反応条件で形成したシリコンリッチ窒化膜を表す。また、曲線ｋ１〜ｋ３は、電極５，６間に２０Ｖの電圧を印加した場合の各発光素子１０，２００，２１０の発光強度を示す。
【００８７】
図８に示す結果から、発光素子１０の発光強度は、発光素子２００の発光強度に対して３３％強くなっており、発光素子２１０の発光強度に対して１０倍以上強くなっている。これは、発光素子１０は、上述したように、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３とを接合した構造からなっており、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３を用いて電子および正孔の両方を発光層へ供給するためである。
【００８８】
一方、発光素子２００，２１０では、電子および正孔のいずれか一方のみを発光層へ供給する構造であるので、発光強度が発光素子１０よりも弱くなる。
【００８９】
したがって、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３とを接合した構造を採用することによって、発光強度が強くなることが実験的に実証された。
【００９０】
図１０は、この発明の実施の形態による他の発光素子の断面図である。この発明による発光素子は、図１０に示す発光素子１０Ａであってもよい。図１０を参照して、発光素子１０Ａは、図１に示す発光素子１０のｎ型シリコン酸化膜２をシリコン酸化膜６０に代え、ｐ型シリコン窒化膜３をシリコン窒化膜７０に代えたものであり、その他は、発光素子１０と同じである。
【００９１】
シリコン酸化膜６０は、基板１上に形成される。シリコン窒化膜７０は、シリコン酸化膜６０に接してシリコン酸化膜６０上に形成される。
【００９２】
シリコン酸化膜６０は、複数のＳｉＯ２膜６１と、複数のｎ型シリコン酸化膜６２とからなる。複数のＳｉＯ２膜６１および複数のｎ型シリコン酸化膜６２は、厚さ方向に交互に積層される。そして、複数のｎ型シリコン酸化膜６２の各々は、膜厚方向に不規則に配置された複数のｎ型Ｓｉドット６３を含む。複数のＳｉＯ２膜６１の各々は、１〜５ｎｍの膜厚を有し、複数のｎ型シリコン酸化膜６２の各々は、３〜１０ｎｍの膜厚を有する。
【００９３】
シリコン窒化膜７０は、複数のＳｉ３Ｎ４膜７１と、複数のｐ型シリコン窒化膜７２とからなる。複数のＳｉ３Ｎ４膜７１および複数のｐ型シリコン窒化膜７２は、厚さ方向に交互に積層される。そして、複数のｐ型シリコン窒化膜７２の各々は、膜厚方向に不規則に配置された複数のｐ型Ｓｉドット７３を含む。そして、複数のＳｉ３Ｎ４膜７１の各々は、１〜５ｎｍの膜厚を有し、複数のｐ型シリコン窒化膜７２の各々は、３〜１０ｎｍの膜厚を有する。
【００９４】
複数のｎ型Ｓｉドット６３の各々は、量子ドット２１中のＰ濃度と略同じＰ濃度を含む。複数のｐ型Ｓｉドット７３の各々は、量子ドット３１中のＢ濃度と略同じＢ濃度を含む。
【００９５】
このように、発光素子１０Ａは、ドーパントを含まないＳｉＯ２膜６１によってｎ型シリコン酸化膜６２を挟み込み、ドーパントを含まないＳｉ３Ｎ４膜７１によってｐ型シリコン窒化膜７２を挟み込んだ構造からなる。したがって、この発明による発光素子は、量子ドット（ｎ型Ｓｉドット６３またはｐ型Ｓｉドット７３）をドーパントを含まない絶縁部材（ＳｉＯ２膜６１またはＳｉ３Ｎ４膜７１）によって挟み込んだ構造によって構成されていてもよい。
【００９６】
次に、発光素子１０Ａの製造方法について説明する。図１１から図１４は、それぞれ、図１０に示す半導体素子１０Ａの製造方法を示す第１から第４の工程図である。図１１を参照して、発光素子１０Ａの製造が開始されると、基板１が準備され（工程（ａ）参照）、基板１を洗浄した後、ＳｉＨ４ガスおよびＮ２Ｏガスを原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって基板１の全面にＳｉＯ２膜６１を形成する（工程（ｂ）参照）。この場合、表１に示す反応条件において、ＳｉＨ４ガスの流量を８６ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏガスの流量を２００ｓｃｃｍに設定してＳｉＯ２膜６１が形成される。
【００９７】
その後、ＳｉＨ４ガスおよびＮ２Ｏガスを原料として、表１に示す反応条件を用いてプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜６１上にシリコン酸化膜８０を堆積する（図１１の工程（ｃ）参照）。
【００９８】
そして、工程（ｂ）および工程（ｃ）を繰り返し実行し、複数のＳｉＯ２膜６１と複数のシリコン酸化膜８０とを交互に基板１上に形成する（図１１の工程（ｄ）参照）。
【００９９】
引き続いて、ＳｉＨ４ガスおよびＮＨ３ガスを原料として、表２に示す反応条件を用いてプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜６１上にシリコン窒化膜９０を堆積する（図１１の工程（ｅ）参照）。
【０１００】
その後、ＳｉＨ４ガスおよびＮＨ３ガスを原料として、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜９０上にＳｉ３Ｎ４膜７１を堆積する（図１２の工程（ｆ）参照）。この場合、表２に示す反応条件において、ＳｉＨ４ガスの流量を９２ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスの流量を１５０ｓｃｃｍに設定してＳｉ３Ｎ４膜７１が形成される。そして、工程（ｅ）および工程（ｆ）を繰り返し実行し、複数のＳｉ３Ｎ４膜７１と複数のシリコン窒化膜９０とを交互にＳｉＯ２膜６１上に形成する。引き続いて、表２に示す反応条件においてＮＨ３ガスを停止させた反応条件によって、ａ−Ｓｉ膜１３をＳｉ３Ｎ４層７１上に堆積する（図１２の工程（ｇ）参照）。
【０１０１】
その後、Ｐ＋イオンをイオン注入によってシリコン酸化膜８０中へ注入する（図１２の工程（ｈ）参照）。この場合、Ｐ＋イオンが複数のシリコン酸化膜８０中にのみ注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、複数のｎ型シリコン酸化膜６２が形成される（図１３の工程（ｉ）参照）。
【０１０２】
そして、Ｂ＋イオンをイオン注入によってシリコン窒化膜９０およびａ−Ｓｉ膜１３中へ注入する（図１３の工程（ｉ）参照）。この場合、Ｂ＋イオンが複数のシリコン窒化膜９０およびａ−Ｓｉ膜１３中に注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、複数のｐ型シリコン窒化膜７２およびｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａが形成される（工図１３の程（ｊ）参照）。
【０１０３】
そして、基板１／ＳｉＯ２膜６１／シリコン酸化膜６２／・・・／ＳｉＯ２膜６１／ｐ型シリコン窒化膜７２／Ｓｉ３Ｎ４膜７１／・・・／Ｓｉ３Ｎ４膜７１／ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａを表３に示す条件によってアニールする。
【０１０４】
これによって、ｎ型シリコン酸化膜６２中へイオン注入されたＰ原子が電気的に活性化され、ｐ型シリコン窒化膜７２中へイオン注入されたＢ原子が電気的に活性化され、さらに、ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａがｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４になる（図１３の工程（ｋ）参照）。
【０１０５】
その後、フォトリソグラフィー技術を用いてｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４をｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４にパターンニングする（図１４の工程（ｌ）参照）。
【０１０６】
そして、Ａｌのスパッタリングによって、電極５（５１〜５４）をそれぞれｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４上に形成するとともに、電極６を基板１の裏面に形成する（図１４の工程（ｍ）参照）。これによって、発光素子１０Ａが完成する。
【０１０７】
図１０に示す発光素子１０Ａのゼロバイアス時のエネルギーバンド図は、図３に示すエネルギーバンド図になり、図１０に示す発光素子１０Ａの電流通電時のエネルギーバンド図は、図４に示すエネルギーバンド図になる。その結果、発光素子１０Ａは、上述した発光素子１０と同じ機構によって発光する。
【０１０８】
したがって、発光素子１０Ａにおいても、発光効率を高くできる。
【０１０９】
図１５は、この発明の実施の形態によるさらに他の発光素子の断面図である。この発明の実施の形態による発光素子は、図１５に示す発光素子１０Ｂであってもよい。図１５を参照して、発光素子１０Ｂは、図１に示す発光素子１０のｐ型シリコン窒化膜３をｐ型シリコン窒化膜３０に代え、ｐ型シリコン酸窒化膜８を追加したものであり、その他は、発光素子１０と同じである。
【０１１０】
ｐ型シリコン窒化膜３０は、ｐ型シリコン窒化膜３と同じ組成からなり、約１０ｎｍの膜厚を有する。
【０１１１】
ｐ型シリコン酸窒化膜８は、ｐ型シリコン窒化膜３およびｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４に接して、ｐ型シリコン窒化膜３とｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４との間に形成される。そして、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、後述するように、ｐ型Ｓｉからなる複数の量子ドットを含み、ＳｉＯ１Ｎ０．３３の組成を有する。また、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、約１００ｎｍの膜厚を有する。
【０１１２】
図１６は、図１５に示すｐ型シリコン酸窒化膜８の拡大断面図である。図１６を参照して、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、複数の量子ドット８１を含む。複数の量子ドット８１の各々は、ｐ型Ｓｉドットからなり、約１０１９ｃｍ−３のＢ濃度を含む。そして、複数の量子ドット８１は、ｐ型シリコン酸窒化膜８中に不規則に配置される。
【０１１３】
図１７は、図１５に示す発光素子１０Ｂのゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。図１７を参照して、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３０のエネルギーバンド図は、図３において説明したとおりである。
【０１１４】
ｐ型シリコン酸窒化膜８は、上述したように、複数の量子ドット８１を含むため、量子ドット８１と、量子ドット８１を含まないシリコン酸窒化膜層８２との積層構造からなる。その結果、量子ドット８１は、シリコン酸窒化膜層８２によって挟み込まれる。
【０１１５】
シリコン酸窒化膜層８２は、７．１ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。また、量子ドット８１は、２つのシリコン酸窒化膜層８２によって挟み込まれているので、量子サイズ効果によって、ｐ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ２側にサブ準位Ｌｓｕｂ５を有し、ｐ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ２側にサブ準位Ｌｓｕｂ６を有する。
【０１１６】
サブ準位Ｌｓｕｂ５は、ｐ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ２よりもエネルギー的に高く、サブ準位Ｌｓｕｂ６は、ｐ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ２の端よりもエネルギー的に高い。その結果、サブ準位Ｌｓｕｂ５とサブ準位Ｌｓｕｂ６とのエネルギー差は、ｐ＋ＳｉのエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。
【０１１７】
また、ｐ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ２の端とシリコン酸窒化膜層８２の伝導帯の端とのエネルギー差ΔＥ５は、４．２ｅＶであり、ｐ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ２の端とシリコン酸窒化膜層８２の価電子帯の端とのエネルギー差ΔＥ６は、エネルギー差ΔＥ４と同じである。したがって、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、ｐ＋Ｓｉ中の電子に対する障壁エネルギー（＝ΔＥ５）よりも小さい障壁エネルギー（＝ΔＥ６）をｐ＋Ｓｉ中の正孔に対して有する。
【０１１８】
図１８は、図１５に示す発光素子１０Ｂの電流通電時のエネルギーバンド図である。電極５側をプラス、電極６側をマイナスとして電極５，６間に電圧を印加すると、図１８に示すように、基板１を構成するｎ＋Ｓｉのエネルギーバンドが持ち上がり、ｎ＋Ｓｉ中の電子１１は、ｎ型シリコン酸化膜２中の複数の量子ドット２１を介してｎ型シリコン酸化膜２中を伝導し、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入される。
【０１１９】
そして、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、電子に対してｐ型シリコン窒化膜３０よりも大きい障壁を有するので、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入された電子は、ｐ型シリコン酸窒化膜８によってブロックされ、ｐ型シリコン窒化膜３０の量子ドット３１中に蓄積される。
【０１２０】
一方、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の正孔１２は、ｐ型シリコン酸窒化膜８中の量子ドット８１を介してｐ型シリコン酸窒化膜８中を伝導し、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入される。そして、ｎ型シリコン酸化膜２は、正孔に対してｐ型シリコン窒化膜３０よりも大きい障壁を有するので、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入された正孔は、ｎ型シリコン酸化膜２によってブロックされ、ｐ型シリコン窒化膜３０の量子ドット３１中に蓄積される。
【０１２１】
そうすると、量子ドット３１に蓄積された電子１３は、量子ドット３１に蓄積された正孔１４と再結合して発光する。
【０１２２】
このように、発光素子１０Ｂは、ｎ＋Ｓｉ１からｐ型シリコン窒化膜３０へ注入された電子をｐ型シリコン酸窒化膜８によってｐ型シリコン窒化膜３０中に閉じ込め、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４からｐ型シリコン窒化膜３０へ注入された正孔をｎ型シリコン酸化膜２によってｐ型シリコン窒化膜３０中に閉じ込めることを特徴とする。つまり、発光素子１０Ｂは、ｐ型シリコン酸窒化膜８を発光素子１０に追加することによって、正孔および電子の両方をｐ型シリコン窒化膜３０中に閉じ込めることを特徴とする。その結果、発光素子１０Ｂの発光効率を発光素子１０の発光効率よりも高くできる。
【０１２３】
また、ｎ型シリコン酸化膜２は、複数の量子ドット２１を不規則に含み、ｐ型シリコン窒化膜３は、複数の量子ドット３１を不規則に含み、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、複数の量子ドット８１を不規則に含むので、不規則に配置された量子ドット２１，３１，８１の電界増強効果によって電子および正孔の注入効率が向上する。
【０１２４】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【０１２５】
図１９および図２０は、それぞれ、図１５に示す発光素子１０Ｂの製造方法を説明するための第１および第２の工程図である。図１９を参照して、発光素子１０Ｂの製造が開始されると、ｎ＋Ｓｉからなる基板１が準備され（工程（ａ）参照）、基板１を洗浄した後、プラズマＣＶＤ装置１００のサンプルホルダー１０３上に基板１をセットする。
【０１２６】
そして、表１に示す反応条件によってシリコン酸化膜１１を基板１の一主面に堆積する。その後、表２に示す反応条件によってシリコン窒化膜１２をシリコン酸化膜１１上に堆積する。
【０１２７】
引き続いて、表４に示す反応条件によってシリコン酸窒化膜１５をシリコン窒化膜１２上に堆積する。
【０１２８】
【表４】
その後、表２に示す反応条件においてＮＨ３ガスを停止させた反応条件によって、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜１３をシリコン酸窒化膜１５上に堆積する（図１９の工程（ｂ）参照）。
【０１２９】
その後、Ｐ＋イオンをイオン注入によってシリコン酸化膜１１中へ注入する（図１９の工程（ｃ）参照）。この場合、Ｐ＋イオンがシリコン酸化膜１１中にのみ注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｎ型シリコン酸化膜２が形成される（図１９の工程（ｄ）参照）。
【０１３０】
そして、Ｂ＋イオンをイオン注入によってシリコン窒化膜１２、シリコン酸窒化膜１５およびａ−Ｓｉ膜１３中へ注入する（図１９の工程（ｄ）参照）。この場合、Ｂ＋イオンがシリコン窒化膜１２、シリコン酸窒化膜１５およびａ−Ｓｉ膜１３中に注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｐ型シリコン窒化膜３０、ｐ型シリコン酸窒化膜８およびｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａが形成される（図２０の工程（ｅ）参照）。
【０１３１】
そして、基板１／ｎ型シリコン酸化膜２／ｐ型シリコン窒化膜３０／ｐ型シリコン酸窒化膜８／ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａを表３に示す条件によってアニールする。
【０１３２】
これによって、ｎ型シリコン酸化膜２中へイオン注入されたＰ原子が電気的に活性化され、ｐ型シリコン窒化膜３０およびｐ型シリコン酸窒化膜８中へイオン注入されたＢ原子が電気的に活性化され、さらに、ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａがｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４になる（図２０の工程（ｆ）参照）。
【０１３３】
その後、図７に示す工程（ｇ），（ｈ）が順次実行され、発光素子１０Ｂが完成する（図２０の工程（ｇ），（ｈ）参照）。
【０１３４】
なお、この発明による発光素子は、電子と正孔との再結合により発光する発光層と、ｎ型の量子ドットを介して発光層に電子を供給する第１の絶縁部材と、ｐ型の量子ドットを介して発光層に正孔を供給する第２の絶縁部材とを備えていればよい。電子および正孔の両方を発光層に供給する第１および第２の絶縁部材を備えていれば、発光層における発光効率を高くできるからである。
【０１３５】
この発明においては、ｎ型シリコン酸化膜２，６０の各々は、「第１の絶縁部材」を構成し、ｐ型シリコン窒化膜３，７０の各々は、「第２の絶縁部材」を構成する。
【０１３６】
また、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、「第３の絶縁部材」を構成する。
【０１３７】
さらに、量子ドット２１，６３の各々は、「第１の量子ドット」を構成し、量子ドット３１，７３の各々は、「第２の量子ドット」を構成し、量子ドット８１は、「第３の量子ドット」を構成する。
【０１３８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
この発明は、発光効率が向上可能な発光素子に適用される。また、この発明的は、発光効率が向上可能な発光素子の製造方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】この発明の実施の形態による発光素子の断面図である。
【図２】図１に示すｎ型シリコン酸化膜およびｐ型シリコン窒化膜の拡大断面図である。
【図３】図１に示す発光素子のゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。
【図４】図１に示す発光素子の電流通電時のエネルギーバンド図である。
【図５】図１に示す発光素子の製造に用いるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の概略図である。
【図６】図１に示す発光素子の製造方法を説明するための第１の工程図である。
【図７】図１に示す発光素子の製造方法を説明するための第２の工程図である。
【図８】図１に示す発光素子の発光特性を示す図である。
【図９】図１に示す発光素子の比較例としての発光素子の断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態による他の発光素子の断面図である。
【図１１】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図１２】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図１３】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第３の工程図である。
【図１４】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第４の工程図である。
【図１５】この発明の実施の形態によるさらに他の発光素子の断面図である。
【図１６】図１５に示すｐ型シリコン酸窒化膜の拡大断面図である。
【図１７】図１５に示す発光素子のゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。
【図１８】図１５に示す発光素子の電流通電時のエネルギーバンド図である。
【図１９】図１５に示す発光素子の製造方法を説明するための第１の工程図である。
【図２０】図１５に示す発光素子の製造方法を説明するための第２の工程図である。
【符号の説明】
【０１４１】
２ ｎ型シリコン酸化膜、３ ｐ型シリコン窒化膜、２１，３１ 量子ドット。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子およびその製造方法に関し、特に、量子ドットを用いた発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体島構造（量子ドット）を用いた半導体発光素子が知られている（特許文献１）。この半導体発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ島構造／窒素を含む化合物半導体／ｐ型ＧａＡｓ／ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる。
【０００３】
そして、ＩｎＧａＡｓ島構造は、圧縮応力からなる内部応力を有する。また、窒素を含む化合物半導体は、引っ張り応力を有する。従って、窒素を含む化合物半導体をＩｎＧａＡｓ島構造に接するように配置し、ＩｎＧａＡｓ島構造が有する内部応力を窒素を含む化合物半導体によって減少させる。
【０００４】
その結果、発光層であるＩｎＧａＡｓ島構造における内部応力が減少し、１．５５μｍの発光スペクトルが室温で得られている。
【特許文献１】特開２００３−３３２６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の半導体発光素子は、発光層である量子ドット自体がｐ型またはｎ型に制御されていないため、発光層へのキャリア（電子および正孔）の注入量が少なく、発光効率が低いという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発光効率が向上可能な発光素子を提供することである。
【０００７】
また、この発明の別の目的は、発光効率が向上可能な発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、発光素子は、第１および第２の絶縁部材を備える。第１の絶縁部材は、第１の導電型を有する第１の量子ドットを含む。第２の絶縁部材は、第１の絶縁部材に接して配置され、第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の量子ドットを含む。
【０００９】
好ましくは、第１の絶縁部材は、複数個の第１の量子ドットを含む。第２の絶縁部材は、複数個の第２の量子ドットを含む。
【００１０】
好ましくは、複数個の第１の量子ドットは、第１の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置され、複数個の第２の量子ドットは、第２の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される。
【００１１】
好ましくは、第１の導電型は、ｎ型であり、第２の導電型は、ｐ型である。
【００１２】
好ましくは、第１の絶縁部材において、正孔に対する障壁エネルギーは、電子に対する障壁エネルギーよりも大きく、第２の絶縁部材において、電子に対する障壁エネルギーは、正孔に対する障壁エネルギーよりも大きい。
【００１３】
好ましくは、第１および第２の量子ドットは、シリコンドットからなり、第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる。
【００１４】
好ましくは、発光素子は、第３の絶縁部材をさらに備える。第３の絶縁部材は、第２の絶縁部材に接して形成されるとともに、第２の導電型を有する第３の量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが第２の絶縁部材よりも大きい。
【００１５】
好ましくは、第３の絶縁部材は、複数個の第３の量子ドットを含む。
【００１６】
好ましくは、複数個の第３の量子ドットは、第３の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される。
【００１７】
好ましくは、第１から第３の量子ドットは、シリコンドットからなり、第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなり、第３の絶縁部材は、シリコン酸窒化膜からなる。
【００１８】
また、この発明によれば、発光素子は、発光層と、第１および第２の絶縁部材とを備える。第１の絶縁部材は、ｎ型の量子ドットを介して電子を発光層へ供給する。第２の絶縁部材は、ｐ型の量子ドットを介して正孔を発光層へ供給する。
【００１９】
好ましくは、第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる。
【００２０】
さらに、この発明によれば、発光素子の製造方法は、量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、量子ドットを含む第２の絶縁部材を第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第３の工程と、第２の絶縁部材中へ第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第４の工程と、第１の導電型の不純物を含む第１の絶縁部材と、第２の導電型の不純物を含む第２の絶縁部材とを熱処理する第５の工程とを備える。
【００２１】
好ましくは、第１の工程において、酸素を含む第１の材料ガスの流量に対するシリコンを含む第２の材料ガスの流量の比を第１の基準値以上に設定してシリコン酸化膜からなる第１の絶縁部材が前記一主面に堆積される。第２の工程において、窒素を含む第３の材料ガスの流量に対する第２の材料ガスの流量の比を第２の基準値以上に設定してシリコン窒化膜からなる第２の絶縁部材が第１の絶縁部材上に堆積される。
【００２２】
好ましくは、第３の工程において、ｎ型の不純物が第１の絶縁部材中へ導入され、第４の工程において、ｐ型の不純物が第２の絶縁部材中へ導入される。
【００２３】
好ましくは、第５の工程において、ｎ型の不純物を含む第１の絶縁部材およびｐ型の不純物を含む第２の絶縁部材は、窒素雰囲気中で熱処理される。
【００２４】
さらに、この発明によれば、発光素子の製造方法は、量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、量子ドットを含む第２の絶縁部材を第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが第２の絶縁部材よりも大きい第３の絶縁部材を第２の絶縁部材上に堆積する第３の工程と、第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第４の工程と、第２および第３の絶縁部材中へ第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第５の工程と、第１の導電型の不純物を含む第１の絶縁部材と、第２の導電型の不純物を含む第２および第３の絶縁部材とを熱処理する第６の工程とを備える。
【発明の効果】
【００２５】
この発明による発光素子においては、第１および第２の絶縁部材のいずれか一方に含まれる量子ドットを介して電子および正孔の一方が第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給され、第１および第２の絶縁部材のいずれか他方に含まれる量子ドットを介して電子および正孔の他方が第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給される。そして、第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給された電子および正孔が再結合して発光する。つまり、この発明による発光素子においては、電子および正孔の両方が第１の絶縁部材と第２の絶縁部材との界面に供給されて発光する。
【００２６】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２８】
図１は、この発明の実施の形態による発光素子の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による発光素子１０は、基板１と、ｎ型シリコン酸化膜２と、ｐ型シリコン窒化膜３と、ｐ＋型ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜４と、電極５，６とを備える。
【００２９】
基板１は、約０．１Ω・ｃｍの比抵抗を有するｎ＋型シリコン（ｎ＋−Ｓｉ）からなる。ｎ型シリコン酸化膜２は、後述するように、ｎ型Ｓｉからなる複数の量子ドットを含み、基板１の一主面に形成される。そして、ｎ型シリコン酸化膜２は、約１５０ｎｍの膜厚を有する。
【００３０】
ｐ型シリコン窒化膜３は、後述するように、ｐ型Ｓｉからなる複数の量子ドットを含み、ｎ型シリコン酸化膜２に接してｎ型シリコン酸化膜２上に形成される。そして、ｐ型シリコン窒化膜３は、約１００ｎｍの膜厚を有する。
【００３１】
ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４からなり、ｐ型シリコン窒化膜３に接してｐ型シリコン窒化膜３上に形成される。そして、ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、約１０２０ｃｍ−３のボロン濃度を含み、約５０ｎｍの膜厚を有する。
【００３２】
電極５は、電極５１〜５４からなる。そして、電極５１〜５４は、それぞれ、ｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４に接してｐ＋型ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４上に形成される。電極５１〜５４の各々は、アルミニウム（Ａｌ）からなる。
【００３３】
電極６は、Ａｌからなり、基板１の裏面（ｎ型シリコン酸化膜２等が形成された面と反対面）に形成される。
【００３４】
図２は、図１に示すｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３の拡大断面図である。図２を参照して、ｎ型シリコン酸化膜２は、複数の量子ドット２１を含む。複数の量子ドット２１の各々は、ｎ型Ｓｉドットからなり、約１０１９ｃｍ−３のリン（Ｐ）濃度を含む。そして、複数の量子ドット２１は、ｎ型シリコン酸化膜２中に不規則に配置される。
【００３５】
ｐ型シリコン窒化膜３は、複数の量子ドット３１を含む。複数の量子ドット３１の各々は、ｐ型Ｓｉドットからなり、約１０１９ｃｍ−３のＢ濃度を含む。そして、複数の量子ドット３１は、ｐ型シリコン窒化膜３中に不規則に配置される。
【００３６】
このように、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３は、それぞれ、ｎ型Ｓｉドットからなる量子ドット２１およびｐ型Ｓｉドットからなる量子ドット３１を含み、ｐ−ｎ接合を形成する。
【００３７】
図３は、図１に示す発光素子１０のゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。図３を参照して、基板１を構成するｎ＋Ｓｉ中には、伝導帯Ｅｃ１および価電子帯Ｅｖ１が存在し、ｎ＋Ｓｉは、１．１２ｅＶのエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する。
【００３８】
また、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中には、伝導帯Ｅｃ２および価電子帯Ｅｖ２が存在し、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、１．１２ｅＶのエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する。
【００３９】
基板１を構成するｎ＋Ｓｉは、Ｐが高濃度にドーピングされ、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４は、Ｂが高濃度にドーピングされているため、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１の端は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ２の端にエネルギー的に近い。
【００４０】
ｎ型シリコン酸化膜２は、上述したように、複数の量子ドット２１を含むため、量子ドット２１と、量子ドット２１を含まないシリコンダイオキサイド（ＳｉＯ２）層２２との積層構造からなる。その結果、量子ドット２１は、ＳｉＯ２層２２によって挟み込まれる。
【００４１】
ＳｉＯ２層２２は、約９ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。また、量子ドット２１は、２つのＳｉＯ２層２２によって挟み込まれているので、量子サイズ効果によって、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１側にサブ準位Ｌｓｕｂ１を有し、ｎ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ１側にサブ準位Ｌｓｕｂ２を有する。
【００４２】
サブ準位Ｌｓｕｂ１は、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に高く、サブ準位Ｌｓｕｂ２は、ｎ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ１の端よりもエネルギー的に高い。その結果、サブ準位Ｌｓｕｂ１とサブ準位Ｌｓｕｂ２とのエネルギー差は、ｎ＋ＳｉのエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。
【００４３】
また、ｎ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ１の端とＳｉＯ２層２２の伝導帯の端とのエネルギー差ΔＥ１は、約３．２３ｅＶであり、ｎ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ１の端とＳｉＯ２層２２の価電子帯の端とのエネルギー差ΔＥ２は、約４．６５ｅＶである。したがって、ｎ型シリコン酸化膜２は、ｎ＋Ｓｉ中の正孔に対する障壁エネルギー（＝ΔＥ２）よりも小さい障壁エネルギー（＝ΔＥ１）をｎ＋Ｓｉ中の電子に対して有する。
【００４４】
ｐ型シリコン窒化膜３は、上述したように、複数の量子ドット３１を含むため、量子ドット３１と、量子ドット３１を含まないシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）層３２との積層構造からなる。その結果、量子ドット３１は、Ｓｉ３Ｎ４層３２によって挟み込まれる。
【００４５】
Ｓｉ３Ｎ４層３２は、約５．２ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。また、量子ドット３１は、２つのＳｉ３Ｎ４層３２によって挟み込まれているので、量子サイズ効果によって、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の伝導帯Ｅｃ２側にサブ準位Ｌｓｕｂ３を有し、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ４側にサブ準位Ｌｓｕｂ４を有する。
【００４６】
サブ準位Ｌｓｕｂ３は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の伝導帯Ｅｃ２の端よりもエネルギー的に高く、サブ準位Ｌｓｕｂ４は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ２の端よりもエネルギー的に高い。その結果、サブ準位Ｌｓｕｂ３とサブ準位Ｌｓｕｂ４とのエネルギー差は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４のエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。
【００４７】
また、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の伝導帯Ｅｃ２の端とＳｉ３Ｎ４層３２の伝導帯の端とのエネルギー差ΔＥ３は、約２．３ｅＶであり、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４の価電子帯Ｅｖ２の端とＳｉ３Ｎ４層３２の価電子帯の端とのエネルギー差ΔＥ４は、約１．７８ｅＶである。したがって、ｐ型シリコン窒化膜３は、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の電子に対する障壁エネルギー（＝ΔＥ３）よりも小さい障壁エネルギー（＝ΔＥ４）をｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の正孔に対して有する。
【００４８】
図４は、図１に示す発光素子１０の電流通電時のエネルギーバンド図である。電極５側をプラス、電極６側をマイナスとして電極５，６間に電圧を印加すると、図４に示すように、基板１を構成するｎ＋Ｓｉのエネルギーバンドが持ち上がり、ｎ＋Ｓｉ中の電子１１は、ｎ型シリコン酸化膜２中の複数の量子ドット２１を介してｎ型シリコン酸化膜２中を伝導し、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面に最も近い量子ドット３１Ｎに注入される。
【００４９】
一方、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の正孔１２は、ｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１を介してｐ型シリコン窒化膜３中を伝導し、正孔に対するシリコン酸化膜の高い障壁によって、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面に最も近い量子ドット３１Ｎに蓄積される。
【００５０】
そうすると、量子ドット３１Ｎに蓄積された電子１３は、量子ドット３１Ｎに蓄積された正孔１４と再結合して発光する。
【００５１】
このように、発光素子１０は、シリコン酸化膜の高い障壁によって正孔をｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面に蓄積させることを特徴とする。その結果、発光素子１０は、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３との界面で発光する。
【００５２】
発光素子１０においては、ｎ型シリコン酸化膜２中の複数の量子ドット２１は、ｎ型にドーピングされ、ｐ型シリコン窒化膜３中の複数の量子ドット３１は、ｐ型にドーピングされているため、複数の量子ドット２１は、ｎ型にドーピングされていない場合よりもサブ準位Ｌｓｕｂ１が低くなり、複数の量子ドット３１は、ｐ型にドーピングされていない場合よりもサブ準位Ｌｓｕｂ４が低くなる。その結果、ｎ＋Ｓｉ中の電子は、複数の量子ドット２１がｎ型にドーピングされていない場合よりもｎ型シリコン酸化膜２中を伝導し易くなり、より多くの電子が量子ドット３１Ｎに蓄積される。また、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ４中の正孔は、複数の量子ドット３１がｐ型にドーピングされていない場合よりもｐ型シリコン窒化膜３中を伝導し易くなり、より多くの正孔が量子ドット３１Ｎに蓄積される。
【００５３】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【００５４】
また、ｎ型シリコン酸化膜２は、複数の量子ドット２１を不規則に含み、ｐ型シリコン窒化膜３は、複数の量子ドット３１を不規則に含むので、不規則に配置された量子ドット２１，３１の電界増強効果によって電子および正孔の注入効率が向上する。
【００５５】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【００５６】
図５は、図１に示す発光素子１０の製造に用いるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の概略図である。図５を参照して、プラズマＣＶＤ装置１００は、反応室１０１と、電極板１０２と、サンプルホルダー１０３と、ヒーター１０４と、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１０５と、配管１０６〜１０８と、ガスボンベ１０９〜１１１とを備える。
【００５７】
反応室１０１は、中空の容器からなり、排気口１０１Ａを有する。電極板１０２およびサンプルホルダー１０３は、平板形状からなり、反応室１０１内に５０ｍｍの間隔で略平行に配置される。そして、電極板１０２およびサンプルホルダー１０３の各々は、２００ｍｍφの直径を有する。ヒーター１０４は、サンプルホルダー１０３内に配置される。
【００５８】
ＲＦ電源１０５は、電極板１０２とサンプルホルダー１０３とに接続される。配管１０６は、一方端が反応室１０１に接続され、他方端がガスボンベ１０９に接続される。また、配管１０７は、一方端が反応室１０１に接続され、他方端がガスボンベ１１０に接続される。さらに、配管１０８は、一方端が反応室１０１に接続され、他方端がガスボンベ１１１に接続される。
【００５９】
サンプルホルダー１０３は、基板１を保持する。ヒーター１０４は、基板１を所定の温度に加熱する。ＲＦ電源１０５は、電極板１０２とサンプルホルダー１０３との間に、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加する。
【００６０】
ガスボンベ１０９は、Ｎ２Ｏ（１００％）ガスを保持し、ガスボンベ１１０は、水素（Ｈ２）ガスによって希釈された１０％のＳｉＨ４ガスを保持し、ガスボンベ１１１は、ＮＨ３（１００％）ガスを保持する。
【００６１】
配管１０６は、Ｎ２Ｏガスを反応室１０１内に供給する。配管１０７は、ＳｉＨ４ガスを反応室１０１内に供給する。配管１０８は、ＮＨ３ガスを反応室１０１内に供給する。反応室１０１内に供給されたＮ２Ｏガス、ＳｉＨ４ガスおよびＮＨ３ガスは、ロータリーポンプ等の排気装置（図示せず）によって排気口１０１Ａから排気される。その結果、反応室１０１内は、所定の圧力に設定される。
【００６２】
プラズマＣＶＤ装置１００は、Ｎ２ＯガスおよびＳｉＨ４ガスが反応室１０１内に供給された状態でＲＦ電源１０５によってＲＦ電力を電極板１０２とサンプルホルダー１０３との間に印加してシリコン酸化膜を基板１上に堆積する。また、プラズマＣＶＤ装置１００は、ＮＨ３ガスおよびＳｉＨ４ガスが反応室１０１内に供給された状態でＲＦ電源１０５によってＲＦ電力を電極板１０２とサンプルホルダー１０３との間に印加してシリコン窒化膜を基板１上に堆積する。
【００６３】
図６および図７は、それぞれ、図１に示す発光素子１０の製造方法を説明するための第１および第２の工程図である。図６を参照して、発光素子１０の製造が開始されると、ｎ＋Ｓｉからなる基板１が準備され（工程（ａ）参照）、基板１を洗浄した後、プラズマＣＶＤ装置１００のサンプルホルダー１０３上に基板１をセットする。
【００６４】
そして、表１に示す反応条件によってシリコン酸化膜１１を基板１の一主面に堆積する。
【００６５】
【表１】
その後、表２に示す反応条件によってシリコン窒化膜１２をシリコン酸化膜１１上に堆積する。
【００６６】
【表２】
引き続いて、表２に示す反応条件においてＮＨ３ガスを停止させた反応条件によって、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜１３をシリコン窒化膜１２上に堆積する（図６の工程（ｂ）参照）。
【００６７】
その後、リンイオン（Ｐ＋）をイオン注入によってシリコン酸化膜１１中へ注入する（図６の工程（ｃ）参照）。この場合、Ｐ＋イオンがシリコン酸化膜１１中にのみ注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｎ型シリコン酸化膜２が形成される（図６の工程（ｄ）参照）。
【００６８】
そして、ボロンイオン（Ｂ＋）をイオン注入によってシリコン窒化膜１２およびａ−Ｓｉ膜１３中へ注入する（図６の工程（ｄ）参照）。この場合、Ｂ＋イオンがシリコン窒化膜１２およびａ−Ｓｉ膜１３中に注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｐ型シリコン窒化膜３およびｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａが形成される（図７の工程（ｅ）参照）。
【００６９】
そして、基板１／ｎ型シリコン酸化膜２／ｐ型シリコン窒化膜３／ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａを表３に示す条件によってアニールする。
【００７０】
【表３】
これによって、ｎ型シリコン酸化膜２中へイオン注入されたＰ原子が電気的に活性化され、ｐ型シリコン窒化膜３中へイオン注入されたＢ原子が電気的に活性化され、さらに、ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａがｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４になる（図７の工程（ｆ）参照）。
【００７１】
その後、フォトリソグラフィー技術を用いてｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４をｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４にパターンニングする（図７の工程（ｇ）参照）。
【００７２】
そして、Ａｌのスパッタリングによって、電極５（５１〜５４）をそれぞれｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４上に形成するとともに、電極６を基板１の裏面に形成する（図７の工程（ｈ）参照）。これによって、発光素子１０が完成する。
【００７３】
上述したように、表１に示す反応条件を用いることによって量子ドットを含むシリコン酸化膜１１が形成され、表２に示す反応条件を用いることによって量子ドットを含むシリコン窒化膜１２が形成されるので、１回の膜形成によって量子ドットを含むシリコン酸化膜１１またはシリコン窒化膜１２を形成できる。
【００７４】
上述したシリコン酸化膜１１を形成する条件（表１）におけるＮ２Ｏガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比は、絶縁膜としてのＳｉＯ２膜を形成するときのＮ２Ｏガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比（＝基準流量比）よりも大きい。すなわち、この発明においては、シリコン酸化膜１１は、ＳｉＨ４ガスの流量を基準よりも多くして形成され、所謂、シリコンリッチ酸化膜と呼ばれる。
【００７５】
また、上述したシリコン窒化膜１２を形成する条件（表２）におけるＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比は、絶縁膜としてのＳｉ３Ｎ４膜を形成するときのＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比（＝基準流量比）よりも大きい。すなわち、この発明においては、シリコン窒化膜１２は、ＳｉＨ４ガスの流量を基準よりも多くして形成され、所謂、シリコンリッチ窒化膜と呼ばれる。
【００７６】
したがって、この発明においては、Ｓｉドットからなる量子ドットを含むシリコン酸化膜１１は、シリコンリッチ酸化膜を形成するときの形成条件を用いて形成され、Ｓｉドットからなる量子ドットを含むシリコン窒化膜１２は、シリコンリッチ窒化膜を形成するときの形成条件を用いて形成されることを特徴とする。
【００７７】
なお、ｎ型シリコン酸化膜２中の量子ドット２１およびｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１の密度を高くするには、Ｎ２ＯガスおよびＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比を相対的に高くし、図７の工程（ｅ）における熱処理時間を数秒程度に短くする。
【００７８】
一方、ｎ型シリコン酸化膜２中の量子ドット２１およびｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１の密度を低くするには、Ｎ２ＯガスおよびＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比を相対的に低くし、図７の工程（ｅ）における熱処理時間を数十分以上に長くする。
【００７９】
このように、ｎ型シリコン酸化膜２中の量子ドット２１およびｐ型シリコン窒化膜３中の量子ドット３１の密度は、Ｎ２ＯガスおよびＮＨ３ガスに対するＳｉＨ４ガスの流量比および図７の工程（ｅ）における熱処理時間によって制御され得る。
【００８０】
また、図６および図７に示す発光素子１０の製造方法においては、量子ドットを含むシリコン酸化膜１１および量子ドットを含むシリコン窒化膜１２をプラズマＣＶＤ法によって形成した後に、イオン注入によって、Ｐ＋イオンおよびＢ＋イオンを注入してｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３を形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、プラズマＣＶＤ法を用いてｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３を形成するようにしてもよい。
【００８１】
この場合、ＰのソースガスとしてＰＨ３ガスを用いてｎ型シリコン酸化膜２がプラズマＣＶＤ法によって形成され、ＢのソースガスとしてＢ２Ｈ６ガスを用いてｐ型シリコン窒化膜３が形成される。
【００８２】
そして、ｎ型シリコン酸化膜２を形成する反応条件は、ＰＨ３ガスの流量を表１に示す反応条件に追加した反応条件であり、ｐ型シリコン窒化膜３を形成する反応条件は、Ｂ２Ｈ６ガスの流量を表２に示す反応条件に追加した反応条件である。
【００８３】
さらに、上記においては、Ｐを用いてｎ型シリコン酸化膜２を形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、ヒ素（Ａｓ）を用いてｎ型シリコン酸化膜２を形成してもよい。この場合、図６の工程（ｃ）において、Ａｓイオンがｎ型シリコン酸化膜１１のみへイオン注入される。また、Ａｓを用いてプラズマＣＶＤ法によってｎ型シリコン酸化膜２を形成する場合、ＡｓのソースガスとしてＡｓＨ３ガスが用いられる。
【００８４】
図８は、図１に示す発光素子１０の発光特性を示す図である。また、図９は、図１に示す発光素子１０の比較例としての発光素子の断面図である。図９の（ａ）を参照して、発光素子２００は、図１に示す発光素子１０のｎ型シリコン酸化膜２を削除したものであり、その他は、発光素子１０と同じである。また、図９の（ｂ）を参照して、発光素子２１０は、図１に示す発光素子１０のｐ型シリコン窒化膜を削除したものであり、その他は、発光素子１０と同じである。すなわち、発光素子２００は、ｐ型シリコン窒化膜３のみを発光層に用いた発光素子であり、発光素子２１０は、ｎ型シリコン酸化膜２のみを発光層に用いた発光素子である。
【００８５】
図８において、縦軸は、単位電流当たり、かつ、単位膜厚当たりの光強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ１は、図１に示す発光素子１０の発光強度を示し、曲線ｋ２は、図９の（ａ）に示す発光素子２００の発光強度を示し、曲線ｋ３は、図９の（ｂ）に示す発光素子２１０の発光強度を示す。そして、発光素子１０の発光強度の膜厚による規格化においては、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３のうち、ｐ型シリコン窒化膜の膜厚が用いられた。これは、発光素子１０における発光の９５％がｐ型シリコン窒化膜３において生じるからである。
【００８６】
なお、図８の縦軸におけるＳＲＯは、表１に示すシリコンリッチな反応条件で形成したシリコンリッチ酸化膜を表し、ＳＲＮは、表２に示すシリコンリッチな反応条件で形成したシリコンリッチ窒化膜を表す。また、曲線ｋ１〜ｋ３は、電極５，６間に２０Ｖの電圧を印加した場合の各発光素子１０，２００，２１０の発光強度を示す。
【００８７】
図８に示す結果から、発光素子１０の発光強度は、発光素子２００の発光強度に対して３３％強くなっており、発光素子２１０の発光強度に対して１０倍以上強くなっている。これは、発光素子１０は、上述したように、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３とを接合した構造からなっており、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３を用いて電子および正孔の両方を発光層へ供給するためである。
【００８８】
一方、発光素子２００，２１０では、電子および正孔のいずれか一方のみを発光層へ供給する構造であるので、発光強度が発光素子１０よりも弱くなる。
【００８９】
したがって、ｎ型シリコン酸化膜２とｐ型シリコン窒化膜３とを接合した構造を採用することによって、発光強度が強くなることが実験的に実証された。
【００９０】
図１０は、この発明の実施の形態による他の発光素子の断面図である。この発明による発光素子は、図１０に示す発光素子１０Ａであってもよい。図１０を参照して、発光素子１０Ａは、図１に示す発光素子１０のｎ型シリコン酸化膜２をシリコン酸化膜６０に代え、ｐ型シリコン窒化膜３をシリコン窒化膜７０に代えたものであり、その他は、発光素子１０と同じである。
【００９１】
シリコン酸化膜６０は、基板１上に形成される。シリコン窒化膜７０は、シリコン酸化膜６０に接してシリコン酸化膜６０上に形成される。
【００９２】
シリコン酸化膜６０は、複数のＳｉＯ２膜６１と、複数のｎ型シリコン酸化膜６２とからなる。複数のＳｉＯ２膜６１および複数のｎ型シリコン酸化膜６２は、厚さ方向に交互に積層される。そして、複数のｎ型シリコン酸化膜６２の各々は、膜厚方向に不規則に配置された複数のｎ型Ｓｉドット６３を含む。複数のＳｉＯ２膜６１の各々は、１〜５ｎｍの膜厚を有し、複数のｎ型シリコン酸化膜６２の各々は、３〜１０ｎｍの膜厚を有する。
【００９３】
シリコン窒化膜７０は、複数のＳｉ３Ｎ４膜７１と、複数のｐ型シリコン窒化膜７２とからなる。複数のＳｉ３Ｎ４膜７１および複数のｐ型シリコン窒化膜７２は、厚さ方向に交互に積層される。そして、複数のｐ型シリコン窒化膜７２の各々は、膜厚方向に不規則に配置された複数のｐ型Ｓｉドット７３を含む。そして、複数のＳｉ３Ｎ４膜７１の各々は、１〜５ｎｍの膜厚を有し、複数のｐ型シリコン窒化膜７２の各々は、３〜１０ｎｍの膜厚を有する。
【００９４】
複数のｎ型Ｓｉドット６３の各々は、量子ドット２１中のＰ濃度と略同じＰ濃度を含む。複数のｐ型Ｓｉドット７３の各々は、量子ドット３１中のＢ濃度と略同じＢ濃度を含む。
【００９５】
このように、発光素子１０Ａは、ドーパントを含まないＳｉＯ２膜６１によってｎ型シリコン酸化膜６２を挟み込み、ドーパントを含まないＳｉ３Ｎ４膜７１によってｐ型シリコン窒化膜７２を挟み込んだ構造からなる。したがって、この発明による発光素子は、量子ドット（ｎ型Ｓｉドット６３またはｐ型Ｓｉドット７３）をドーパントを含まない絶縁部材（ＳｉＯ２膜６１またはＳｉ３Ｎ４膜７１）によって挟み込んだ構造によって構成されていてもよい。
【００９６】
次に、発光素子１０Ａの製造方法について説明する。図１１から図１４は、それぞれ、図１０に示す半導体素子１０Ａの製造方法を示す第１から第４の工程図である。図１１を参照して、発光素子１０Ａの製造が開始されると、基板１が準備され（工程（ａ）参照）、基板１を洗浄した後、ＳｉＨ４ガスおよびＮ２Ｏガスを原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって基板１の全面にＳｉＯ２膜６１を形成する（工程（ｂ）参照）。この場合、表１に示す反応条件において、ＳｉＨ４ガスの流量を８６ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏガスの流量を２００ｓｃｃｍに設定してＳｉＯ２膜６１が形成される。
【００９７】
その後、ＳｉＨ４ガスおよびＮ２Ｏガスを原料として、表１に示す反応条件を用いてプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜６１上にシリコン酸化膜８０を堆積する（図１１の工程（ｃ）参照）。
【００９８】
そして、工程（ｂ）および工程（ｃ）を繰り返し実行し、複数のＳｉＯ２膜６１と複数のシリコン酸化膜８０とを交互に基板１上に形成する（図１１の工程（ｄ）参照）。
【００９９】
引き続いて、ＳｉＨ４ガスおよびＮＨ３ガスを原料として、表２に示す反応条件を用いてプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜６１上にシリコン窒化膜９０を堆積する（図１１の工程（ｅ）参照）。
【０１００】
その後、ＳｉＨ４ガスおよびＮＨ３ガスを原料として、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜９０上にＳｉ３Ｎ４膜７１を堆積する（図１２の工程（ｆ）参照）。この場合、表２に示す反応条件において、ＳｉＨ４ガスの流量を９２ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスの流量を１５０ｓｃｃｍに設定してＳｉ３Ｎ４膜７１が形成される。そして、工程（ｅ）および工程（ｆ）を繰り返し実行し、複数のＳｉ３Ｎ４膜７１と複数のシリコン窒化膜９０とを交互にＳｉＯ２膜６１上に形成する。引き続いて、表２に示す反応条件においてＮＨ３ガスを停止させた反応条件によって、ａ−Ｓｉ膜１３をＳｉ３Ｎ４層７１上に堆積する（図１２の工程（ｇ）参照）。
【０１０１】
その後、Ｐ＋イオンをイオン注入によってシリコン酸化膜８０中へ注入する（図１２の工程（ｈ）参照）。この場合、Ｐ＋イオンが複数のシリコン酸化膜８０中にのみ注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、複数のｎ型シリコン酸化膜６２が形成される（図１３の工程（ｉ）参照）。
【０１０２】
そして、Ｂ＋イオンをイオン注入によってシリコン窒化膜９０およびａ−Ｓｉ膜１３中へ注入する（図１３の工程（ｉ）参照）。この場合、Ｂ＋イオンが複数のシリコン窒化膜９０およびａ−Ｓｉ膜１３中に注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、複数のｐ型シリコン窒化膜７２およびｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａが形成される（工図１３の程（ｊ）参照）。
【０１０３】
そして、基板１／ＳｉＯ２膜６１／シリコン酸化膜６２／・・・／ＳｉＯ２膜６１／ｐ型シリコン窒化膜７２／Ｓｉ３Ｎ４膜７１／・・・／Ｓｉ３Ｎ４膜７１／ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａを表３に示す条件によってアニールする。
【０１０４】
これによって、ｎ型シリコン酸化膜６２中へイオン注入されたＰ原子が電気的に活性化され、ｐ型シリコン窒化膜７２中へイオン注入されたＢ原子が電気的に活性化され、さらに、ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａがｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４になる（図１３の工程（ｋ）参照）。
【０１０５】
その後、フォトリソグラフィー技術を用いてｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４をｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４にパターンニングする（図１４の工程（ｌ）参照）。
【０１０６】
そして、Ａｌのスパッタリングによって、電極５（５１〜５４）をそれぞれｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４１〜４４上に形成するとともに、電極６を基板１の裏面に形成する（図１４の工程（ｍ）参照）。これによって、発光素子１０Ａが完成する。
【０１０７】
図１０に示す発光素子１０Ａのゼロバイアス時のエネルギーバンド図は、図３に示すエネルギーバンド図になり、図１０に示す発光素子１０Ａの電流通電時のエネルギーバンド図は、図４に示すエネルギーバンド図になる。その結果、発光素子１０Ａは、上述した発光素子１０と同じ機構によって発光する。
【０１０８】
したがって、発光素子１０Ａにおいても、発光効率を高くできる。
【０１０９】
図１５は、この発明の実施の形態によるさらに他の発光素子の断面図である。この発明の実施の形態による発光素子は、図１５に示す発光素子１０Ｂであってもよい。図１５を参照して、発光素子１０Ｂは、図１に示す発光素子１０のｐ型シリコン窒化膜３をｐ型シリコン窒化膜３０に代え、ｐ型シリコン酸窒化膜８を追加したものであり、その他は、発光素子１０と同じである。
【０１１０】
ｐ型シリコン窒化膜３０は、ｐ型シリコン窒化膜３と同じ組成からなり、約１０ｎｍの膜厚を有する。
【０１１１】
ｐ型シリコン酸窒化膜８は、ｐ型シリコン窒化膜３およびｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４に接して、ｐ型シリコン窒化膜３とｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４との間に形成される。そして、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、後述するように、ｐ型Ｓｉからなる複数の量子ドットを含み、ＳｉＯ１Ｎ０．３３の組成を有する。また、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、約１００ｎｍの膜厚を有する。
【０１１２】
図１６は、図１５に示すｐ型シリコン酸窒化膜８の拡大断面図である。図１６を参照して、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、複数の量子ドット８１を含む。複数の量子ドット８１の各々は、ｐ型Ｓｉドットからなり、約１０１９ｃｍ−３のＢ濃度を含む。そして、複数の量子ドット８１は、ｐ型シリコン酸窒化膜８中に不規則に配置される。
【０１１３】
図１７は、図１５に示す発光素子１０Ｂのゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。図１７を参照して、ｎ型シリコン酸化膜２およびｐ型シリコン窒化膜３０のエネルギーバンド図は、図３において説明したとおりである。
【０１１４】
ｐ型シリコン酸窒化膜８は、上述したように、複数の量子ドット８１を含むため、量子ドット８１と、量子ドット８１を含まないシリコン酸窒化膜層８２との積層構造からなる。その結果、量子ドット８１は、シリコン酸窒化膜層８２によって挟み込まれる。
【０１１５】
シリコン酸窒化膜層８２は、７．１ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。また、量子ドット８１は、２つのシリコン酸窒化膜層８２によって挟み込まれているので、量子サイズ効果によって、ｐ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ２側にサブ準位Ｌｓｕｂ５を有し、ｐ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ２側にサブ準位Ｌｓｕｂ６を有する。
【０１１６】
サブ準位Ｌｓｕｂ５は、ｐ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ２よりもエネルギー的に高く、サブ準位Ｌｓｕｂ６は、ｐ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ２の端よりもエネルギー的に高い。その結果、サブ準位Ｌｓｕｂ５とサブ準位Ｌｓｕｂ６とのエネルギー差は、ｐ＋ＳｉのエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。
【０１１７】
また、ｐ＋Ｓｉの伝導帯Ｅｃ２の端とシリコン酸窒化膜層８２の伝導帯の端とのエネルギー差ΔＥ５は、４．２ｅＶであり、ｐ＋Ｓｉの価電子帯Ｅｖ２の端とシリコン酸窒化膜層８２の価電子帯の端とのエネルギー差ΔＥ６は、エネルギー差ΔＥ４と同じである。したがって、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、ｐ＋Ｓｉ中の電子に対する障壁エネルギー（＝ΔＥ５）よりも小さい障壁エネルギー（＝ΔＥ６）をｐ＋Ｓｉ中の正孔に対して有する。
【０１１８】
図１８は、図１５に示す発光素子１０Ｂの電流通電時のエネルギーバンド図である。電極５側をプラス、電極６側をマイナスとして電極５，６間に電圧を印加すると、図１８に示すように、基板１を構成するｎ＋Ｓｉのエネルギーバンドが持ち上がり、ｎ＋Ｓｉ中の電子１１は、ｎ型シリコン酸化膜２中の複数の量子ドット２１を介してｎ型シリコン酸化膜２中を伝導し、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入される。
【０１１９】
そして、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、電子に対してｐ型シリコン窒化膜３０よりも大きい障壁を有するので、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入された電子は、ｐ型シリコン酸窒化膜８によってブロックされ、ｐ型シリコン窒化膜３０の量子ドット３１中に蓄積される。
【０１２０】
一方、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４中の正孔１２は、ｐ型シリコン酸窒化膜８中の量子ドット８１を介してｐ型シリコン酸窒化膜８中を伝導し、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入される。そして、ｎ型シリコン酸化膜２は、正孔に対してｐ型シリコン窒化膜３０よりも大きい障壁を有するので、ｐ型シリコン窒化膜３０中に注入された正孔は、ｎ型シリコン酸化膜２によってブロックされ、ｐ型シリコン窒化膜３０の量子ドット３１中に蓄積される。
【０１２１】
そうすると、量子ドット３１に蓄積された電子１３は、量子ドット３１に蓄積された正孔１４と再結合して発光する。
【０１２２】
このように、発光素子１０Ｂは、ｎ＋Ｓｉ１からｐ型シリコン窒化膜３０へ注入された電子をｐ型シリコン酸窒化膜８によってｐ型シリコン窒化膜３０中に閉じ込め、ｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４からｐ型シリコン窒化膜３０へ注入された正孔をｎ型シリコン酸化膜２によってｐ型シリコン窒化膜３０中に閉じ込めることを特徴とする。つまり、発光素子１０Ｂは、ｐ型シリコン酸窒化膜８を発光素子１０に追加することによって、正孔および電子の両方をｐ型シリコン窒化膜３０中に閉じ込めることを特徴とする。その結果、発光素子１０Ｂの発光効率を発光素子１０の発光効率よりも高くできる。
【０１２３】
また、ｎ型シリコン酸化膜２は、複数の量子ドット２１を不規則に含み、ｐ型シリコン窒化膜３は、複数の量子ドット３１を不規則に含み、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、複数の量子ドット８１を不規則に含むので、不規則に配置された量子ドット２１，３１，８１の電界増強効果によって電子および正孔の注入効率が向上する。
【０１２４】
したがって、この発明によれば、発光効率を高くできる。
【０１２５】
図１９および図２０は、それぞれ、図１５に示す発光素子１０Ｂの製造方法を説明するための第１および第２の工程図である。図１９を参照して、発光素子１０Ｂの製造が開始されると、ｎ＋Ｓｉからなる基板１が準備され（工程（ａ）参照）、基板１を洗浄した後、プラズマＣＶＤ装置１００のサンプルホルダー１０３上に基板１をセットする。
【０１２６】
そして、表１に示す反応条件によってシリコン酸化膜１１を基板１の一主面に堆積する。その後、表２に示す反応条件によってシリコン窒化膜１２をシリコン酸化膜１１上に堆積する。
【０１２７】
引き続いて、表４に示す反応条件によってシリコン酸窒化膜１５をシリコン窒化膜１２上に堆積する。
【０１２８】
【表４】
その後、表２に示す反応条件においてＮＨ３ガスを停止させた反応条件によって、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜１３をシリコン酸窒化膜１５上に堆積する（図１９の工程（ｂ）参照）。
【０１２９】
その後、Ｐ＋イオンをイオン注入によってシリコン酸化膜１１中へ注入する（図１９の工程（ｃ）参照）。この場合、Ｐ＋イオンがシリコン酸化膜１１中にのみ注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｎ型シリコン酸化膜２が形成される（図１９の工程（ｄ）参照）。
【０１３０】
そして、Ｂ＋イオンをイオン注入によってシリコン窒化膜１２、シリコン酸窒化膜１５およびａ−Ｓｉ膜１３中へ注入する（図１９の工程（ｄ）参照）。この場合、Ｂ＋イオンがシリコン窒化膜１２、シリコン酸窒化膜１５およびａ−Ｓｉ膜１３中に注入されるように、イオン注入の加速電圧が設定される。これによって、ｐ型シリコン窒化膜３０、ｐ型シリコン酸窒化膜８およびｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａが形成される（図２０の工程（ｅ）参照）。
【０１３１】
そして、基板１／ｎ型シリコン酸化膜２／ｐ型シリコン窒化膜３０／ｐ型シリコン酸窒化膜８／ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａを表３に示す条件によってアニールする。
【０１３２】
これによって、ｎ型シリコン酸化膜２中へイオン注入されたＰ原子が電気的に活性化され、ｐ型シリコン窒化膜３０およびｐ型シリコン酸窒化膜８中へイオン注入されたＢ原子が電気的に活性化され、さらに、ｐ型ａ−Ｓｉ膜１３Ａがｐ＋ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜４になる（図２０の工程（ｆ）参照）。
【０１３３】
その後、図７に示す工程（ｇ），（ｈ）が順次実行され、発光素子１０Ｂが完成する（図２０の工程（ｇ），（ｈ）参照）。
【０１３４】
なお、この発明による発光素子は、電子と正孔との再結合により発光する発光層と、ｎ型の量子ドットを介して発光層に電子を供給する第１の絶縁部材と、ｐ型の量子ドットを介して発光層に正孔を供給する第２の絶縁部材とを備えていればよい。電子および正孔の両方を発光層に供給する第１および第２の絶縁部材を備えていれば、発光層における発光効率を高くできるからである。
【０１３５】
この発明においては、ｎ型シリコン酸化膜２，６０の各々は、「第１の絶縁部材」を構成し、ｐ型シリコン窒化膜３，７０の各々は、「第２の絶縁部材」を構成する。
【０１３６】
また、ｐ型シリコン酸窒化膜８は、「第３の絶縁部材」を構成する。
【０１３７】
さらに、量子ドット２１，６３の各々は、「第１の量子ドット」を構成し、量子ドット３１，７３の各々は、「第２の量子ドット」を構成し、量子ドット８１は、「第３の量子ドット」を構成する。
【０１３８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
この発明は、発光効率が向上可能な発光素子に適用される。また、この発明的は、発光効率が向上可能な発光素子の製造方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】この発明の実施の形態による発光素子の断面図である。
【図２】図１に示すｎ型シリコン酸化膜およびｐ型シリコン窒化膜の拡大断面図である。
【図３】図１に示す発光素子のゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。
【図４】図１に示す発光素子の電流通電時のエネルギーバンド図である。
【図５】図１に示す発光素子の製造に用いるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の概略図である。
【図６】図１に示す発光素子の製造方法を説明するための第１の工程図である。
【図７】図１に示す発光素子の製造方法を説明するための第２の工程図である。
【図８】図１に示す発光素子の発光特性を示す図である。
【図９】図１に示す発光素子の比較例としての発光素子の断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態による他の発光素子の断面図である。
【図１１】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図１２】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図１３】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第３の工程図である。
【図１４】図１０に示す半導体素子の製造方法を示す第４の工程図である。
【図１５】この発明の実施の形態によるさらに他の発光素子の断面図である。
【図１６】図１５に示すｐ型シリコン酸窒化膜の拡大断面図である。
【図１７】図１５に示す発光素子のゼロバイアス時のエネルギーバンド図である。
【図１８】図１５に示す発光素子の電流通電時のエネルギーバンド図である。
【図１９】図１５に示す発光素子の製造方法を説明するための第１の工程図である。
【図２０】図１５に示す発光素子の製造方法を説明するための第２の工程図である。
【符号の説明】
【０１４１】
２ ｎ型シリコン酸化膜、３ ｐ型シリコン窒化膜、２１，３１ 量子ドット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有する第１の量子ドットを含む第１の絶縁部材と、
前記第１の絶縁部材に接して配置され、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の量子ドットを含む第２の絶縁部材とを備える発光素子。
【請求項２】
前記第１の絶縁部材は、複数個の前記第１の量子ドットを含み、
前記第２の絶縁部材は、複数個の前記第２の量子ドットを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数個の第１の量子ドットは、前記第１の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置され、
前記複数個の第２の量子ドットは、前記第２の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の導電型は、ｎ型であり、
前記第２の導電型は、ｐ型である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１の絶縁部材において、正孔に対する障壁エネルギーは、電子に対する障壁エネルギーよりも大きく、
前記第２の絶縁部材において、電子に対する障壁エネルギーは、正孔に対する障壁エネルギーよりも大きい、請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１および第２の量子ドットは、シリコンドットからなり、
前記第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる、請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第２の絶縁部材に接して形成されるとともに、前記第２の導電型を有する第３の量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが前記第２の絶縁部材よりも大きい第３の絶縁部材をさらに備える、請求項４に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第３の絶縁部材は、複数個の前記第３の量子ドットを含む、請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記複数個の第３の量子ドットは、前記第３の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記第１から第３の量子ドットは、シリコンドットからなり、
前記第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなり、
前記第３の絶縁部材は、シリコン酸窒化膜からなる、請求項９に記載の発光素子。
【請求項１１】
発光層と、
ｎ型の量子ドットを介して電子を前記発光層へ供給する第１の絶縁部材と、
ｐ型の量子ドットを介して正孔を前記発光層へ供給する第２の絶縁部材とを備える発光素子。
【請求項１２】
前記第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる、請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１３】
量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、
量子ドットを含む第２の絶縁部材を前記第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、
前記第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第３の工程と、
前記第２の絶縁部材中へ前記第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第４の工程と、
前記第１の導電型の不純物を含む前記第１の絶縁部材と、前記第２の導電型の不純物を含む前記第２の絶縁部材とを熱処理する第５の工程とを備える発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の工程において、酸素を含む第１の材料ガスの流量に対するシリコンを含む第２の材料ガスの流量の比を第１の基準値以上に設定してシリコン酸化膜からなる前記第１の絶縁部材が前記一主面に堆積され、
前記第２の工程において、窒素を含む第３の材料ガスの流量に対する前記第２の材料ガスの流量の比を第２の基準値以上に設定してシリコン窒化膜からなる前記第２の絶縁部材が前記第１の絶縁部材上に堆積される、請求項１３に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第３の工程において、ｎ型の不純物が前記第１の絶縁部材中へ導入され、
前記第４の工程において、ｐ型の不純物が前記第２の絶縁部材中へ導入される、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第５の工程において、前記ｎ型の不純物を含む前記第１の絶縁部材および前記ｐ型の不純物を含む前記第２の絶縁部材は、窒素雰囲気中で熱処理される、請求項１５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１７】
量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、
量子ドットを含む第２の絶縁部材を前記第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、
量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが前記第２の絶縁部材よりも大きい第３の絶縁部材を前記第２の絶縁部材上に堆積する第３の工程と、
前記第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第４の工程と、
前記第２および第３の絶縁部材中へ前記第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第５の工程と、
前記第１の導電型の不純物を含む前記第１の絶縁部材と、前記第２の導電型の不純物を含む前記第２および第３の絶縁部材とを熱処理する第６の工程とを備える発光素子の製造方法。
【請求項１】
第１の導電型を有する第１の量子ドットを含む第１の絶縁部材と、
前記第１の絶縁部材に接して配置され、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の量子ドットを含む第２の絶縁部材とを備える発光素子。
【請求項２】
前記第１の絶縁部材は、複数個の前記第１の量子ドットを含み、
前記第２の絶縁部材は、複数個の前記第２の量子ドットを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数個の第１の量子ドットは、前記第１の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置され、
前記複数個の第２の量子ドットは、前記第２の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の導電型は、ｎ型であり、
前記第２の導電型は、ｐ型である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１の絶縁部材において、正孔に対する障壁エネルギーは、電子に対する障壁エネルギーよりも大きく、
前記第２の絶縁部材において、電子に対する障壁エネルギーは、正孔に対する障壁エネルギーよりも大きい、請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１および第２の量子ドットは、シリコンドットからなり、
前記第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる、請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第２の絶縁部材に接して形成されるとともに、前記第２の導電型を有する第３の量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが前記第２の絶縁部材よりも大きい第３の絶縁部材をさらに備える、請求項４に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第３の絶縁部材は、複数個の前記第３の量子ドットを含む、請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記複数個の第３の量子ドットは、前記第３の絶縁部材の膜厚方向にランダムに配置される、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記第１から第３の量子ドットは、シリコンドットからなり、
前記第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなり、
前記第３の絶縁部材は、シリコン酸窒化膜からなる、請求項９に記載の発光素子。
【請求項１１】
発光層と、
ｎ型の量子ドットを介して電子を前記発光層へ供給する第１の絶縁部材と、
ｐ型の量子ドットを介して正孔を前記発光層へ供給する第２の絶縁部材とを備える発光素子。
【請求項１２】
前記第１の絶縁部材は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２の絶縁部材は、シリコン窒化膜からなる、請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１３】
量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、
量子ドットを含む第２の絶縁部材を前記第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、
前記第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第３の工程と、
前記第２の絶縁部材中へ前記第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第４の工程と、
前記第１の導電型の不純物を含む前記第１の絶縁部材と、前記第２の導電型の不純物を含む前記第２の絶縁部材とを熱処理する第５の工程とを備える発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の工程において、酸素を含む第１の材料ガスの流量に対するシリコンを含む第２の材料ガスの流量の比を第１の基準値以上に設定してシリコン酸化膜からなる前記第１の絶縁部材が前記一主面に堆積され、
前記第２の工程において、窒素を含む第３の材料ガスの流量に対する前記第２の材料ガスの流量の比を第２の基準値以上に設定してシリコン窒化膜からなる前記第２の絶縁部材が前記第１の絶縁部材上に堆積される、請求項１３に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第３の工程において、ｎ型の不純物が前記第１の絶縁部材中へ導入され、
前記第４の工程において、ｐ型の不純物が前記第２の絶縁部材中へ導入される、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第５の工程において、前記ｎ型の不純物を含む前記第１の絶縁部材および前記ｐ型の不純物を含む前記第２の絶縁部材は、窒素雰囲気中で熱処理される、請求項１５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１７】
量子ドットを含む第１の絶縁部材を半導体基板の一主面に堆積する第１の工程と、
量子ドットを含む第２の絶縁部材を前記第１の絶縁部材上に堆積する第２の工程と、
量子ドットを含み、電子に対する障壁エネルギーが前記第２の絶縁部材よりも大きい第３の絶縁部材を前記第２の絶縁部材上に堆積する第３の工程と、
前記第１の絶縁部材中へ第１の導電型の不純物を導入する第４の工程と、
前記第２および第３の絶縁部材中へ前記第１の導電型と異なる第２の導電型の不純物を導入する第５の工程と、
前記第１の導電型の不純物を含む前記第１の絶縁部材と、前記第２の導電型の不純物を含む前記第２および第３の絶縁部材とを熱処理する第６の工程とを備える発光素子の製造方法。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−１９４２８３（Ｐ２００９−１９４２８３Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３５６６１（Ｐ２００８−３５６６１）
【出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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