発光素子およびその製造方法
【課題】高い発光強度を有すると共に電流注入型として好適なエルビウム添加酸化スズ発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子２０は、酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）を含む発光層１２に、ｐ型電流注入層２１が設けられた構造を有している。エルビウム原子が光学的に活性化することで、特に波長１．５μｍ付近の発光強度が増加する。ｐ型電流注入層２１は発光層１２と同等のバンドギャップを有する材料で構成されており、量子効率の向上、動作電圧の低減、長寿命化につながり、電流注入型酸化物発光素子の実現を可能とする。これにより、集禎回路内への発光素子の実装が容易となる。
【解決手段】発光素子２０は、酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）を含む発光層１２に、ｐ型電流注入層２１が設けられた構造を有している。エルビウム原子が光学的に活性化することで、特に波長１．５μｍ付近の発光強度が増加する。ｐ型電流注入層２１は発光層１２と同等のバンドギャップを有する材料で構成されており、量子効率の向上、動作電圧の低減、長寿命化につながり、電流注入型酸化物発光素子の実現を可能とする。これにより、集禎回路内への発光素子の実装が容易となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば通信波長帯の光を好適に発光可能な発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体集積回路（以降、単に集積回路という）の動作周波数は３ＧＨｚに達し、集積回路内における配線は、分布定数回路として複雑な取扱いが必要になっており、配線間の電磁波干渉も無視できなくなってきている。そこで、これらの問題を解決するために、集積回路内における信号伝送を光信号を用いて行うことが提案されている。更に、それを低コストで実現するために、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成可能な、言い換えればシリコンプロセスに適合した各光デバイス（発光、受光、変調、導波等）によるシステム構築を目指し、一部の素子が試作されている。これらの中で特に発光素子の開発が急務とされている。その理由は、シリコンは間接遷移型で発光し難いからである。発光材料であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族半導体は、シリコン基板上に形成困難という問題がある。そこで、近赤外発光のシリコン系発光材料として、例えば、Ｓｉ／ＳｉＧｅ材料や、鉄シリサイドあるいはエルビウム添加ケイ素等が開発されてはいるが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体よりも発光強度が数桁低いという問題があった。
【０００３】
一方で、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）にエルビウム（Ｅｒ）を添加した材料により構成される「ファイバー増幅器」が既に開発されており、レーザ励起により通信波長帯１．５μｍの光を増幅する素子として既に実用化されている。このようなファイバー増幅器等に用いられるシリコン系発光材料を利用することにより、シリコン基板上に集積回路と共に発光素子を形成することができ、素子構造の簡素化を図ることが可能となる。この他にも、シリコン基板上に形成したエルビウム添加Ｓｉナノ結晶を用いた光増幅器（非特許文献１）や、シリコン基板上に形成したエルビウム添加ＳｉＯ２による電流注入型発光素子（非特許文献２）も開発されている。
【非特許文献１】エッチ．−エス．ハン等（Ｈ．−Ｓ．Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．）、“アプライド フィジックス レタース（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）”、ｖｏｌ．７９、２００１年、ｐ．４５６８
【非特許文献２】マリア エロイサ カスターニャ（Ｍａｒｉａ Ｅｌｏｉｓａ Ｃａｓｔａｇｎａ）、サルバトーレ コファ（Ｓａｌｖａｔｏｒｅ Ｃｏｆｆａ）、マリアントニエッタ モナコ（Ｍａｒｉａｎｔｏｎｉｅｔｔａ Ｍｏｎａｃｏ）、リリアナ カリスティア（Ｌｉｌｉａｎａ Ｃａｒｉｓｔｉａ）、アルベルト メッシーナ（Ａｌｂｅｒｔｏ Ｍｅｓｓｉｎａ）、ロザリオ マンガーノ（Ｒｏｓａｒｉｏ Ｍａｎｇａｎｏ）、コーラド ボンジョルノ（Ｃｏｒｒａｄｏ Ｂｏｎｇｉｏｒｎｏ）、“フィジカ イー（Ｐｈｙｓｉｃａ Ｅ）”、ｖｏｌ．１６、２００３年、ｐ．５４７−５５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したシリコン系発光材料を用いて形成された発光素子の発光強度はなおもＩＩＩ−Ｖ族半導体に劣り、また電流注入に際しては数１０Ｖ程度の大きな駆動電圧を要するという問題があった。また、発光層の絶縁破壊という問題点も有った。従って、特に通信用の波長１．５μｍ帯付近において高い発光強度を有し、電流注入が容易な発光素子が望まれていた。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に１．５μｍ帯において高い発光強度を有すると共に、シリコン基板上に形成可能で電流注入が容易な酸化物の発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光素子は、酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含む発光層を備えたものである。
【０００７】
本発明の発光素子では、発光層が酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含んで構成されていることにより、エルビウム原子が周囲の酸素原子と結合してイオン化（Ｅｒ３＋）し、光学的に活性化されるため、特に波長１．５μｍ帯における発光強度が増加する。
【０００８】
本発明の発光素子では、発光層がｎ型の導電性（１×１０−１Ωｃｍ〜１×１０−５Ωｃｍ）を有する。
【０００９】
本発明の発光素子は、発光層とｐ型電流注入層から成る。
【００１０】
本発明の発光素子では、ｐ型電流注入層が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、デラフォサイト（ＣｕＡｌＯ２）およびストロンチウム銅酸化物（ＳｒＣｕ２Ｏ２）のうちの少なくとも一種を含む。
【００１１】
本発明の発光素子の製造方法は、二酸化スズ（ＳｎＯ２）または一酸化スズ（ＳｎＯ）とエルビウムとを同時に抵抗加熱蒸着またはスパッタリング法により、基板温度４００℃以上６５０℃以下にて、基板上に堆積させて薄膜を形成したのち、この薄膜に対して６００℃以上９００℃以下の温度下で熱処理を施すことにより発光層を形成するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発光素子およびその製造方法によれば、発光層が、酸化スズとエルビウムとを含んで構成されるようにしたので、特に１．５μｍ付近の通信波長帯の発光強度を向上させることができる。また、本発明の他の発光素子によれば、発光層がスズと酸素とエルビウムとを含み、光学的バンドギャップが３．５ｅＶ以上４．５ｅＶ以下となるようにしており、導電性（１×１０−１Ωｃｍ〜１×１０−５Ωｃｍ）を有するため、発光層への電流注入が容易となる。これにより、シリコン基板上に、集積回路と共に発光素子を形成できるようになるため、低コスト化、小型化が可能となる。さらに、従来のシリコン系材料（例えば、エルビウムを添加した二酸化ケイ素）に比べて、発光層において絶縁破壊が生じにくいため、素子寿命が格段に延びる。
【００１３】
また、発光層が導電性を有するため、動作電圧が大幅に低減する。これにより、シリコン基板上において、光励起を伴わない電流注入型の発光素子の実現が可能となる。通常、励起光は集積回路の光信号とは異なるため、励起光を全く用いずに電流注入のみで駆動することが可能になれば、小型化が実現し、集積回路内への発光素子の実装が容易となる。
【００１４】
さらに、今後、光ファイバーが各家庭に接続されることになると（ＦＴＴＨ：Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）、光ファイバーとコンピュータとの接続が必要となるが、その際、そのコンピュータに上述の発光素子を含む集積回路を備えることにより、集積回路内部の信号伝送のみに留まらず、外部通信網とコンピュータ間の信号の通信性能も向上させることができる。更に、光ファイバーの分岐点となるルータなどの信号処理装置に上記発光素子を組み込むことにより、同装置の高速化、低コスト化、および低消費電力化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子１０である。この発光素子１０は、基板１１上に発光層１２を備えており、励起光の照射あるいは電流注入によって蛍光（ＰＬ：Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を生じるものである。また、ＰＬスペクトルにおいては、波長３２５ｎｍの励起光に対して１．５３μｍ付近にピーク波長が観測される発光素子である。
【００１６】
基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）により構成されており、厚みは例えば３００μｍである。発光層１２は、酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含んで構成されており、厚みは例えば５００ｎｍである。このＳｎＯ２の光学的バンドギャップは４ｅＶであり、二酸化ケイ素のバンドギャップ（８〜９ｅＶ程度）よりも小さくなっている。
【００１７】
ここで、発光層１２に対するエルビウムの含有量は、０．１原子％（ａｔｏｍｉｃ％）以上１０原子％以下であることが好ましい。なお、このエルビウムの含有量（原子％）は、発光層１２全体（発光層１２の構成材料の合計）に対する原子密度の比率であり、例えばＸ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて測定することができる。
【００１８】
この発光層１２は、例えば次のようにして製造することができる。
【００１９】
まず、図２（Ａ）に示したように、基板１１上に、二酸化スズ（ＳｎＯ２）または一酸化スズ（ＳｎＯ）とエルビウムとを同時に堆積して、薄膜１２Ａを例えば５００ｎｍの膜厚で形成する。このとき、真空度を例えば１×１０−１Ｐａ〜１×１０−５Ｐａとし、エルビウムと二酸化スズまたは一酸化スズとを、例えば抵抗加熱法あるいはスパッタリング法を用いて、基板１１上に蒸着させることにより堆積する。
【００２０】
また、蒸着時の雰囲気ガスとして、例えば１０Ｐａ〜０．０１Ｐａの酸素含有ガスを用いてもよい。酸素含有ガスを用いることにより、ＳｎＯｘの組成をＳｎＯ２（ｘ＝２）に近づけることができる。さらに、蒸着時の基板温度は、例えば４００℃以上６５０℃以下とすることが可能である。
【００２１】
次に、図２（Ｂ）に示したように、基板１１上に形成された薄膜１２Ａに対して、例えば１〜０．１気圧程度の酸素含有雰囲気中で熱処理を行う。これにより、薄膜１２Ａが酸化して、ＳｎＯ２とエルビウムとを含む発光層１２が形成され、発光素子１０が完成する。また、熱処理の温度は、エルビウム原子のイオン化（Ｅｒ３＋）による光学的活性化の点から、例えば６００℃以上９００℃以下である。なお、熱処理を行う雰囲気ガスについては、上記酸素含有雰囲気に限定されず、純酸素、純窒素、乾燥空気等を用いることも可能である。
【００２２】
本実施の形態の発光素子１０では、発光層１２が酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウムとを含んで構成されていることにより、エルビウム原子が周囲の酸素原子と結合してイオン化（Ｅｒ３＋）され光学的に活性化される。
【００２３】
また、光励起あるいは電流注入により、母材であるＳｎＯ２の伝導体および価電子帯にキャリア（電子、正孔）が発生あるいは注入されると、電子・正孔対の再結合によりエネルギーを生じる。これによって、エルビウムイオン内の電子が励起され（オージェ効果）、この電子がエネルギー緩和する際に、特に通信波長帯である１．５μｍ付近の発光が生じる。このとき、ＳｎＯ２が導電性を有するために、絶縁破壊が生じにくく、素子寿命が格段に延びる。
【００２４】
さらに、エルビウムの含有量が０．１原子％以上１０原子％以下であることにより、波長１．５μｍ付近における発光強度を効果的に高めることができる。また、発光層１２の光学的バンドギャップが３．５〜４．５ｅＶと低く、導電性を有することにより、発光層１２における電流注入が容易となり、これによって駆動電圧が大幅に低減した電流注入型の発光素子が作製可能となる。
【００２５】
また、発光層１２の製造方法では、熱処理の温度を６００℃以上９００℃以下とすることにより、ＳｎＯ２における結晶化と、酸化によるエルビウム原子のイオン化が促進されるため、通信波長帯における発光強度が向上する。これにより、シリコン基板上に集積回路と共に発光素子を形成できるようになるため、低コスト化、製造工程の簡略化につながる。
【００２６】
〔第２の実施の形態〕
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子２０の断面構成を表す図である。この発光素子２０は、発光素子１０のｎ型層である発光層１２上にｐ型電流注入層２１を積層して構成されるものである。発光素子２０では、ｎ型発光層１２とｐ型電流注入層２１の間に電圧が印加されると、電子を有するｎ型発光層１２に正孔が注入され、この電子・正孔対のエネルギーにより発光層１２内のエルビウムが励起され、蛍光を生じる。
【００２７】
これらの材料は、多結晶構造を有し、ガラス基板上に直接形成することができるため、製造工程の簡略化やコスト削減にもつながる。また、ｐ型電流注入層２１の膜厚は、例えば５００ｎｍ程度であり、形成方法としては、例えばスパッタ法や蒸着法である。
【００２８】
次に、ｎ型発光層１２が導電性を有することの作用・効果について、図４、図５を参照して説明する。図４は、比較例として、エルビウムを添加したＳｉＯ２発光層３３をｎ型シリコン層３１とｐ型シリコン層３２とで挟み込んだ構造を有する発光素子３０（非特許文献２）の断面構成図を表している。図５は、図３、図４の発光素子の発光原理を表すエネルギーバンドの模式図である。発光素子２０の模式図（Ａ）と、その比較例として発光素子３０の模式図（Ｂ）を示した。なお、模式図（Ｃ）は、発光素子２０と３０に添加されているエルビウム原子における発光原理を表している。
【００２９】
発光素子３０では、絶縁体である発光層３３を挟み込むｎ型シリコン層３１およびｐ型シリコン層３２よりも発光層３３のバンドギャップが大きいため、ｎ型シリコン層３１およびｐ型シリコン層３２から発光層３３へのキャリア注入における障壁が高くなっている。このため、発光層３３において、バンドギャップの大きな絶縁膜へのトンネル効果による電流注入（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ電流）となるため、動作電圧が２０〜７０Ｖと高くなってしまう。さらには、シリコン酸化膜中でのキャリア捕獲による絶縁破壊が生じるため、素子寿命が著しく短くなるという問題が生じる。
【００３０】
これに対して、本実施の形態の発光素子２０では、ＳｎＯ２のバンドギャップが３．５〜４．５ｅＶ程度であり、上記ＳｉＯ２（８〜９ｅＶ）よりもバンドギャップが小さく、高い導電性を有している。さらに、そのＳｎＯ２から成る発光層１２と同等のバンドギャップを有するｐ型電流注入層２１で接合した構造では、ｐ型電流注入層２１から発光層１２へのキャリア注入における障壁が無い、または極めて小さい。これにより、発光層１２においてキャリアが効果的に発光に寄与する。従って、量子効率が大幅に向上し、素子寿命も格段に延びる。また、動作電圧についても、バンドギャップエネルギー程度（数Ｖ）にまで低減され、従来の約１／１０の消費電力で駆動でき、光励起を全く必要としない電流注入型の発光素子を実現することが可能となる。これによれば、集積回路内で信号光とは異なる励起光を照射しなければならない発光素子に比べ、集積回路内への実装が容易となり、また小型化を実現する。
【００３１】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る実施例について詳細に説明する。
【実施例】
まず、発光層１２の光学的バンドギャップを測定する実験を行った。この際、合成石英基板１１上に、エルビウム添加二酸化スズである発光層１２と、これらに対する組成比が３％となるエルビウムとを同時に抵抗加熱蒸着させたのち、熱処理（アニール処理）を施して厚さ５００ｎｍの発光層１２を形成することにより作製したものを用いた。ここで、成膜時の基板温度は、５００℃とした。また、熱処理の温度は、６００℃、７００℃、８００℃とした。各温度において、室温で発光層１２における透過率を測定し、これに対応する吸収係数（吸収係数α＝−ｌｎ（透過率）／膜厚）を求めた。吸収係数の結果を図６に示す。
【００３２】
図６に示したように、吸収係数の曲線に対し図のようなフィッティングを行うことにより、光学的バンドギャップを求めたところ、熱処理温度６００℃においては約３ｅＶ、７００℃及び８００℃においては約４ｅＶであることがわかった。
【００３３】
次に、発光層１２における発光波長（ＰＬ波長）に対する発光強度（ＰＬ強度）を、ＨｅＣｄレーザ（波長３２５ｎｍ）を照射して測定した。ＰＬスペクトルの測定結果を図７に示す。この際、熱処理の温度は、６００℃、７００℃、及び８００℃と設定した。この測定結果から、波長１．５μｍ帯において発光ピークが得られることが明らかとなった。また、エルビウムの励起波長とは異なる波長（３２５ｎｍ）を用いて、波長１．５μｍ帯での発光が確認できたことから、励起エネルギー範囲が大幅に拡大されたことがわかる。
【００３４】
また、図７においては、熱処理温度に対する波長１．５μｍ付近での発光強度（発光強度のピーク値）の変化も示されている。この結果より、波長１．５μｍ帯での発光強度は、熱処理温度を高くするにつれて増加し、７００℃で最大となる。これは、温度と共に酸化スズの結晶化が促進し、エルビウムが結晶に取り込まれ光学的に活性化する一方で、温度が高すぎると結晶欠陥が増加するためと考えられる。
【００３５】
また、発光層１２の抵抗率を測定した結果を図８に示す。図６において、熱処理温度を高くするにつれて導電性は向上し、この温度範囲では８００℃で最大となり、このときの抵抗率は約０．０１Ωｃｍである。これは、温度と共に酸化スズの結晶化が促進し、多結晶粒界が減少したためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の発光素子およびその製造方法は、例えば以下に示した用途等に利用可能である。
（１）超高密度集積回路内における信号の光伝送
（２）集積回路と光学デバイスを単一基板上に形成することによる光ファイバーとコンピュータとの低コスト接続
（３）光通信における信号処理装置（ルータ）の低コスト化および低消費電力化
（４）エルビウム添加光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）の超小型化
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施形態に係る発光素子の概略構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した発光素子の製造工程を説明するための断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る発光素子の概略構成を表す断面図である。
【図４】エルビウム添加のＳｉＯ２発光層から成る発光素子（非特許文献２）の断面図である。
【図５】第２の実施形態と図４における発光原理を表すエネルギーバンドの模式図をそれぞれ（Ａ），（Ｂ）に示す。また、発光素子に添加されているエルビウム原子の発光原理の模式図を（Ｃ）に示す。
【図６】実施例に係る発光層の吸収係数αにおけるエネルギー依存性を表す特性図である。なお、ｈνは光子エネルギーである。
【図７】実施例に係る発光素子のＰＬ波長に対するＰＬ強度の関係（ＰＬスペクトル）を表す特性図である。
【図８】実施例に係る発光層の抵抗率における熱処理温度依存性を表す特性図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０，２０，３０…発光素子、１１…基板、１２…発光層、２１…ｐ型電流注入層、３１…ｎ型シリコン層、３２…ｐ型シリコン層、３３…エルビウム添加シリコン酸化膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば通信波長帯の光を好適に発光可能な発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体集積回路（以降、単に集積回路という）の動作周波数は３ＧＨｚに達し、集積回路内における配線は、分布定数回路として複雑な取扱いが必要になっており、配線間の電磁波干渉も無視できなくなってきている。そこで、これらの問題を解決するために、集積回路内における信号伝送を光信号を用いて行うことが提案されている。更に、それを低コストで実現するために、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成可能な、言い換えればシリコンプロセスに適合した各光デバイス（発光、受光、変調、導波等）によるシステム構築を目指し、一部の素子が試作されている。これらの中で特に発光素子の開発が急務とされている。その理由は、シリコンは間接遷移型で発光し難いからである。発光材料であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族半導体は、シリコン基板上に形成困難という問題がある。そこで、近赤外発光のシリコン系発光材料として、例えば、Ｓｉ／ＳｉＧｅ材料や、鉄シリサイドあるいはエルビウム添加ケイ素等が開発されてはいるが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体よりも発光強度が数桁低いという問題があった。
【０００３】
一方で、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）にエルビウム（Ｅｒ）を添加した材料により構成される「ファイバー増幅器」が既に開発されており、レーザ励起により通信波長帯１．５μｍの光を増幅する素子として既に実用化されている。このようなファイバー増幅器等に用いられるシリコン系発光材料を利用することにより、シリコン基板上に集積回路と共に発光素子を形成することができ、素子構造の簡素化を図ることが可能となる。この他にも、シリコン基板上に形成したエルビウム添加Ｓｉナノ結晶を用いた光増幅器（非特許文献１）や、シリコン基板上に形成したエルビウム添加ＳｉＯ２による電流注入型発光素子（非特許文献２）も開発されている。
【非特許文献１】エッチ．−エス．ハン等（Ｈ．−Ｓ．Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．）、“アプライド フィジックス レタース（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）”、ｖｏｌ．７９、２００１年、ｐ．４５６８
【非特許文献２】マリア エロイサ カスターニャ（Ｍａｒｉａ Ｅｌｏｉｓａ Ｃａｓｔａｇｎａ）、サルバトーレ コファ（Ｓａｌｖａｔｏｒｅ Ｃｏｆｆａ）、マリアントニエッタ モナコ（Ｍａｒｉａｎｔｏｎｉｅｔｔａ Ｍｏｎａｃｏ）、リリアナ カリスティア（Ｌｉｌｉａｎａ Ｃａｒｉｓｔｉａ）、アルベルト メッシーナ（Ａｌｂｅｒｔｏ Ｍｅｓｓｉｎａ）、ロザリオ マンガーノ（Ｒｏｓａｒｉｏ Ｍａｎｇａｎｏ）、コーラド ボンジョルノ（Ｃｏｒｒａｄｏ Ｂｏｎｇｉｏｒｎｏ）、“フィジカ イー（Ｐｈｙｓｉｃａ Ｅ）”、ｖｏｌ．１６、２００３年、ｐ．５４７−５５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したシリコン系発光材料を用いて形成された発光素子の発光強度はなおもＩＩＩ−Ｖ族半導体に劣り、また電流注入に際しては数１０Ｖ程度の大きな駆動電圧を要するという問題があった。また、発光層の絶縁破壊という問題点も有った。従って、特に通信用の波長１．５μｍ帯付近において高い発光強度を有し、電流注入が容易な発光素子が望まれていた。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に１．５μｍ帯において高い発光強度を有すると共に、シリコン基板上に形成可能で電流注入が容易な酸化物の発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光素子は、酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含む発光層を備えたものである。
【０００７】
本発明の発光素子では、発光層が酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含んで構成されていることにより、エルビウム原子が周囲の酸素原子と結合してイオン化（Ｅｒ３＋）し、光学的に活性化されるため、特に波長１．５μｍ帯における発光強度が増加する。
【０００８】
本発明の発光素子では、発光層がｎ型の導電性（１×１０−１Ωｃｍ〜１×１０−５Ωｃｍ）を有する。
【０００９】
本発明の発光素子は、発光層とｐ型電流注入層から成る。
【００１０】
本発明の発光素子では、ｐ型電流注入層が、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、デラフォサイト（ＣｕＡｌＯ２）およびストロンチウム銅酸化物（ＳｒＣｕ２Ｏ２）のうちの少なくとも一種を含む。
【００１１】
本発明の発光素子の製造方法は、二酸化スズ（ＳｎＯ２）または一酸化スズ（ＳｎＯ）とエルビウムとを同時に抵抗加熱蒸着またはスパッタリング法により、基板温度４００℃以上６５０℃以下にて、基板上に堆積させて薄膜を形成したのち、この薄膜に対して６００℃以上９００℃以下の温度下で熱処理を施すことにより発光層を形成するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発光素子およびその製造方法によれば、発光層が、酸化スズとエルビウムとを含んで構成されるようにしたので、特に１．５μｍ付近の通信波長帯の発光強度を向上させることができる。また、本発明の他の発光素子によれば、発光層がスズと酸素とエルビウムとを含み、光学的バンドギャップが３．５ｅＶ以上４．５ｅＶ以下となるようにしており、導電性（１×１０−１Ωｃｍ〜１×１０−５Ωｃｍ）を有するため、発光層への電流注入が容易となる。これにより、シリコン基板上に、集積回路と共に発光素子を形成できるようになるため、低コスト化、小型化が可能となる。さらに、従来のシリコン系材料（例えば、エルビウムを添加した二酸化ケイ素）に比べて、発光層において絶縁破壊が生じにくいため、素子寿命が格段に延びる。
【００１３】
また、発光層が導電性を有するため、動作電圧が大幅に低減する。これにより、シリコン基板上において、光励起を伴わない電流注入型の発光素子の実現が可能となる。通常、励起光は集積回路の光信号とは異なるため、励起光を全く用いずに電流注入のみで駆動することが可能になれば、小型化が実現し、集積回路内への発光素子の実装が容易となる。
【００１４】
さらに、今後、光ファイバーが各家庭に接続されることになると（ＦＴＴＨ：Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）、光ファイバーとコンピュータとの接続が必要となるが、その際、そのコンピュータに上述の発光素子を含む集積回路を備えることにより、集積回路内部の信号伝送のみに留まらず、外部通信網とコンピュータ間の信号の通信性能も向上させることができる。更に、光ファイバーの分岐点となるルータなどの信号処理装置に上記発光素子を組み込むことにより、同装置の高速化、低コスト化、および低消費電力化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子１０である。この発光素子１０は、基板１１上に発光層１２を備えており、励起光の照射あるいは電流注入によって蛍光（ＰＬ：Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を生じるものである。また、ＰＬスペクトルにおいては、波長３２５ｎｍの励起光に対して１．５３μｍ付近にピーク波長が観測される発光素子である。
【００１６】
基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）により構成されており、厚みは例えば３００μｍである。発光層１２は、酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含んで構成されており、厚みは例えば５００ｎｍである。このＳｎＯ２の光学的バンドギャップは４ｅＶであり、二酸化ケイ素のバンドギャップ（８〜９ｅＶ程度）よりも小さくなっている。
【００１７】
ここで、発光層１２に対するエルビウムの含有量は、０．１原子％（ａｔｏｍｉｃ％）以上１０原子％以下であることが好ましい。なお、このエルビウムの含有量（原子％）は、発光層１２全体（発光層１２の構成材料の合計）に対する原子密度の比率であり、例えばＸ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて測定することができる。
【００１８】
この発光層１２は、例えば次のようにして製造することができる。
【００１９】
まず、図２（Ａ）に示したように、基板１１上に、二酸化スズ（ＳｎＯ２）または一酸化スズ（ＳｎＯ）とエルビウムとを同時に堆積して、薄膜１２Ａを例えば５００ｎｍの膜厚で形成する。このとき、真空度を例えば１×１０−１Ｐａ〜１×１０−５Ｐａとし、エルビウムと二酸化スズまたは一酸化スズとを、例えば抵抗加熱法あるいはスパッタリング法を用いて、基板１１上に蒸着させることにより堆積する。
【００２０】
また、蒸着時の雰囲気ガスとして、例えば１０Ｐａ〜０．０１Ｐａの酸素含有ガスを用いてもよい。酸素含有ガスを用いることにより、ＳｎＯｘの組成をＳｎＯ２（ｘ＝２）に近づけることができる。さらに、蒸着時の基板温度は、例えば４００℃以上６５０℃以下とすることが可能である。
【００２１】
次に、図２（Ｂ）に示したように、基板１１上に形成された薄膜１２Ａに対して、例えば１〜０．１気圧程度の酸素含有雰囲気中で熱処理を行う。これにより、薄膜１２Ａが酸化して、ＳｎＯ２とエルビウムとを含む発光層１２が形成され、発光素子１０が完成する。また、熱処理の温度は、エルビウム原子のイオン化（Ｅｒ３＋）による光学的活性化の点から、例えば６００℃以上９００℃以下である。なお、熱処理を行う雰囲気ガスについては、上記酸素含有雰囲気に限定されず、純酸素、純窒素、乾燥空気等を用いることも可能である。
【００２２】
本実施の形態の発光素子１０では、発光層１２が酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウムとを含んで構成されていることにより、エルビウム原子が周囲の酸素原子と結合してイオン化（Ｅｒ３＋）され光学的に活性化される。
【００２３】
また、光励起あるいは電流注入により、母材であるＳｎＯ２の伝導体および価電子帯にキャリア（電子、正孔）が発生あるいは注入されると、電子・正孔対の再結合によりエネルギーを生じる。これによって、エルビウムイオン内の電子が励起され（オージェ効果）、この電子がエネルギー緩和する際に、特に通信波長帯である１．５μｍ付近の発光が生じる。このとき、ＳｎＯ２が導電性を有するために、絶縁破壊が生じにくく、素子寿命が格段に延びる。
【００２４】
さらに、エルビウムの含有量が０．１原子％以上１０原子％以下であることにより、波長１．５μｍ付近における発光強度を効果的に高めることができる。また、発光層１２の光学的バンドギャップが３．５〜４．５ｅＶと低く、導電性を有することにより、発光層１２における電流注入が容易となり、これによって駆動電圧が大幅に低減した電流注入型の発光素子が作製可能となる。
【００２５】
また、発光層１２の製造方法では、熱処理の温度を６００℃以上９００℃以下とすることにより、ＳｎＯ２における結晶化と、酸化によるエルビウム原子のイオン化が促進されるため、通信波長帯における発光強度が向上する。これにより、シリコン基板上に集積回路と共に発光素子を形成できるようになるため、低コスト化、製造工程の簡略化につながる。
【００２６】
〔第２の実施の形態〕
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子２０の断面構成を表す図である。この発光素子２０は、発光素子１０のｎ型層である発光層１２上にｐ型電流注入層２１を積層して構成されるものである。発光素子２０では、ｎ型発光層１２とｐ型電流注入層２１の間に電圧が印加されると、電子を有するｎ型発光層１２に正孔が注入され、この電子・正孔対のエネルギーにより発光層１２内のエルビウムが励起され、蛍光を生じる。
【００２７】
これらの材料は、多結晶構造を有し、ガラス基板上に直接形成することができるため、製造工程の簡略化やコスト削減にもつながる。また、ｐ型電流注入層２１の膜厚は、例えば５００ｎｍ程度であり、形成方法としては、例えばスパッタ法や蒸着法である。
【００２８】
次に、ｎ型発光層１２が導電性を有することの作用・効果について、図４、図５を参照して説明する。図４は、比較例として、エルビウムを添加したＳｉＯ２発光層３３をｎ型シリコン層３１とｐ型シリコン層３２とで挟み込んだ構造を有する発光素子３０（非特許文献２）の断面構成図を表している。図５は、図３、図４の発光素子の発光原理を表すエネルギーバンドの模式図である。発光素子２０の模式図（Ａ）と、その比較例として発光素子３０の模式図（Ｂ）を示した。なお、模式図（Ｃ）は、発光素子２０と３０に添加されているエルビウム原子における発光原理を表している。
【００２９】
発光素子３０では、絶縁体である発光層３３を挟み込むｎ型シリコン層３１およびｐ型シリコン層３２よりも発光層３３のバンドギャップが大きいため、ｎ型シリコン層３１およびｐ型シリコン層３２から発光層３３へのキャリア注入における障壁が高くなっている。このため、発光層３３において、バンドギャップの大きな絶縁膜へのトンネル効果による電流注入（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ電流）となるため、動作電圧が２０〜７０Ｖと高くなってしまう。さらには、シリコン酸化膜中でのキャリア捕獲による絶縁破壊が生じるため、素子寿命が著しく短くなるという問題が生じる。
【００３０】
これに対して、本実施の形態の発光素子２０では、ＳｎＯ２のバンドギャップが３．５〜４．５ｅＶ程度であり、上記ＳｉＯ２（８〜９ｅＶ）よりもバンドギャップが小さく、高い導電性を有している。さらに、そのＳｎＯ２から成る発光層１２と同等のバンドギャップを有するｐ型電流注入層２１で接合した構造では、ｐ型電流注入層２１から発光層１２へのキャリア注入における障壁が無い、または極めて小さい。これにより、発光層１２においてキャリアが効果的に発光に寄与する。従って、量子効率が大幅に向上し、素子寿命も格段に延びる。また、動作電圧についても、バンドギャップエネルギー程度（数Ｖ）にまで低減され、従来の約１／１０の消費電力で駆動でき、光励起を全く必要としない電流注入型の発光素子を実現することが可能となる。これによれば、集積回路内で信号光とは異なる励起光を照射しなければならない発光素子に比べ、集積回路内への実装が容易となり、また小型化を実現する。
【００３１】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る実施例について詳細に説明する。
【実施例】
まず、発光層１２の光学的バンドギャップを測定する実験を行った。この際、合成石英基板１１上に、エルビウム添加二酸化スズである発光層１２と、これらに対する組成比が３％となるエルビウムとを同時に抵抗加熱蒸着させたのち、熱処理（アニール処理）を施して厚さ５００ｎｍの発光層１２を形成することにより作製したものを用いた。ここで、成膜時の基板温度は、５００℃とした。また、熱処理の温度は、６００℃、７００℃、８００℃とした。各温度において、室温で発光層１２における透過率を測定し、これに対応する吸収係数（吸収係数α＝−ｌｎ（透過率）／膜厚）を求めた。吸収係数の結果を図６に示す。
【００３２】
図６に示したように、吸収係数の曲線に対し図のようなフィッティングを行うことにより、光学的バンドギャップを求めたところ、熱処理温度６００℃においては約３ｅＶ、７００℃及び８００℃においては約４ｅＶであることがわかった。
【００３３】
次に、発光層１２における発光波長（ＰＬ波長）に対する発光強度（ＰＬ強度）を、ＨｅＣｄレーザ（波長３２５ｎｍ）を照射して測定した。ＰＬスペクトルの測定結果を図７に示す。この際、熱処理の温度は、６００℃、７００℃、及び８００℃と設定した。この測定結果から、波長１．５μｍ帯において発光ピークが得られることが明らかとなった。また、エルビウムの励起波長とは異なる波長（３２５ｎｍ）を用いて、波長１．５μｍ帯での発光が確認できたことから、励起エネルギー範囲が大幅に拡大されたことがわかる。
【００３４】
また、図７においては、熱処理温度に対する波長１．５μｍ付近での発光強度（発光強度のピーク値）の変化も示されている。この結果より、波長１．５μｍ帯での発光強度は、熱処理温度を高くするにつれて増加し、７００℃で最大となる。これは、温度と共に酸化スズの結晶化が促進し、エルビウムが結晶に取り込まれ光学的に活性化する一方で、温度が高すぎると結晶欠陥が増加するためと考えられる。
【００３５】
また、発光層１２の抵抗率を測定した結果を図８に示す。図６において、熱処理温度を高くするにつれて導電性は向上し、この温度範囲では８００℃で最大となり、このときの抵抗率は約０．０１Ωｃｍである。これは、温度と共に酸化スズの結晶化が促進し、多結晶粒界が減少したためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の発光素子およびその製造方法は、例えば以下に示した用途等に利用可能である。
（１）超高密度集積回路内における信号の光伝送
（２）集積回路と光学デバイスを単一基板上に形成することによる光ファイバーとコンピュータとの低コスト接続
（３）光通信における信号処理装置（ルータ）の低コスト化および低消費電力化
（４）エルビウム添加光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）の超小型化
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施形態に係る発光素子の概略構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した発光素子の製造工程を説明するための断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る発光素子の概略構成を表す断面図である。
【図４】エルビウム添加のＳｉＯ２発光層から成る発光素子（非特許文献２）の断面図である。
【図５】第２の実施形態と図４における発光原理を表すエネルギーバンドの模式図をそれぞれ（Ａ），（Ｂ）に示す。また、発光素子に添加されているエルビウム原子の発光原理の模式図を（Ｃ）に示す。
【図６】実施例に係る発光層の吸収係数αにおけるエネルギー依存性を表す特性図である。なお、ｈνは光子エネルギーである。
【図７】実施例に係る発光素子のＰＬ波長に対するＰＬ強度の関係（ＰＬスペクトル）を表す特性図である。
【図８】実施例に係る発光層の抵抗率における熱処理温度依存性を表す特性図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０，２０，３０…発光素子、１１…基板、１２…発光層、２１…ｐ型電流注入層、３１…ｎ型シリコン層、３２…ｐ型シリコン層、３３…エルビウム添加シリコン酸化膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含む発光層を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層においてｎ型の導電性（１×１０−１Ωｃｍ〜１×１０−５Ωｃｍ）を有することを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記発光層とｐ型電流注入層から成ることを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型電流注入層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、デラフォサイト（ＣｕＡｌＯ２）およびストロンチウム銅酸化物（ＳｒＣｕ２Ｏ２）のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項４記載の発光素子。
【請求項５】
一酸化スズ（ＳｎＯ）または二酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを、同時に、抵抗加熱蒸着法またはスパッタリング法により、基板温度４００℃以上６５０℃以下にて、基板上に堆積させることにより薄膜を形成する工程と、前記薄膜に対して６００℃以上９００℃以下の温度で熱処理を施すことにより発光層を形成する工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１】
酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを含む発光層を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層においてｎ型の導電性（１×１０−１Ωｃｍ〜１×１０−５Ωｃｍ）を有することを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記発光層とｐ型電流注入層から成ることを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型電流注入層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、デラフォサイト（ＣｕＡｌＯ２）およびストロンチウム銅酸化物（ＳｒＣｕ２Ｏ２）のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項４記載の発光素子。
【請求項５】
一酸化スズ（ＳｎＯ）または二酸化スズ（ＳｎＯ２）とエルビウム（Ｅｒ）とを、同時に、抵抗加熱蒸着法またはスパッタリング法により、基板温度４００℃以上６５０℃以下にて、基板上に堆積させることにより薄膜を形成する工程と、前記薄膜に対して６００℃以上９００℃以下の温度で熱処理を施すことにより発光層を形成する工程とを含むことを特徴とす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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−６７９３６（Ｐ２０１０−６７９３６Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６４６１４（Ｐ２００８−２６４６１４）
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【出願人】（５０８３０５２７０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【出願人】（５０８３０５２７０）
【Ｆターム（参考）】
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