【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード、半導体
レーザーなどの発光素子に用いられるシリコン系発光材
料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、半導体超大規模集積回路の材料の
ほとんどはシリコンで占められている。この理由は、シ
リコンが入手しやすく安価であり、大きな単結晶を製造
でき、高い歩留りで集積回路を製造できるなどの利点を
有する非常に優れた材料だからである。しかし、シリコ
ン単結晶はその電子バンド構造が間接遷移型であること
から発光が観測されにくく、発光素子として用いること
は困難である。
【０００３】このため従来は、半導体レーザー（以下、
ＬＤと記す）や発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）
の材料としてＧａＡｓまたはＺｎＳｅなどのＩＩＩ−Ｖ
族系またはＩＩ−ＶＩ族系の化合物半導体材料が使われ
ている。しかし、化合物半導体を用いる素子の製造には
多くの困難が伴う。また、素子の用途を拡大するために
は、青色、紫色、紫外光など短波長の光を放出できるＬ
ＤやＬＥＤが望まれている。
【０００４】このような状況下において、最近はポーラ
スシリコンをはじめとする発光シリコンの研究および開
発が盛んになってきている。現在までに発光が観測され
ているシリコン系材料としては、ポーラスシリコン、ポ
リシラン、シリコンナノ結晶、シロキセンおよびＳｉ
1-x Ｇｅx ／Ｓｉ超格子が知られている。すなわち、シ
リコン結晶のサイズを小さくして原子配列の次元を下げ
ると発光が観測されるようになる。例えばｎｍオーダー
の粒径を有するシリコン微結晶（シリコンナノ結晶）
は、シリコン単結晶とは異なるバンド構造と表面準位効
果とに基づいて、３７０ｎｍから９００ｎｍまでの波長
で発光が観測される。また、ポーラスシリコンで観測さ
れる発光についても、実際にはシリコンナノ結晶に起因
しているという説もある。
【０００５】上記のシリコンナノ結晶に関してはいくつ
かの報告がある（例えば、高木博嗣、三留正則、矢野亨
治、中桐孝志、固体物理、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１１、
１９９２年、ｐ．８７４〜８７９；Ｙ．Ｋａｎｅｍｉｔ
ｓｕ、Ｔ．Ｏｇａｗａ、Ｋ．Ｓｈｉｒａｉｓｈｉ、Ｋ．
Ｔａｋｅｄａ、Ｊ．Ｌｕｍｉｎ．６０−６１、３３７−
３３９（１９９４））。前者では、プラズマＣＶＤ法に
よりシリコンナノ結晶を製造する方法が開示されてい
る。すなわち、ＣＶＤチャンバーに基板を設置して１０
-6Ｐａまで真空引きした後、モノシランガスをキャリヤ
ーガス（Ｈ2 もしくはＡｒまたはこれらの混合ガス）と
ともに供給し、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）プラズマ
で分解することにより、シリコンナノ結晶を生成させ
る。この場合、ガス中のシリコンナノ結晶はキャリヤー
ガスにより基板上に運ばれて堆積し、非晶質シリコン層
中にシリコンナノ結晶が分散した形態でシリコンナノ結
晶が得られる。
【０００６】一方ここで、モノシランとＳｉ（ＯＣ2 Ｈ
5 ）4 （以下、ＴＥＯＳと記す）とを交互あるいは同時
に供給すれば、ＳｉＯ2 中にシリコンナノ結晶を分散さ
せることもできる。このような方法により得られるシリ
コンナノ結晶はシリコン酸化膜中に２〜５ｎｍ程度の間
隔で分散しており、発光材料に適した条件を備えてい
る。
【０００７】しかし、こうして得られるシリコン酸化膜
中のシリコンナノ結晶の粒径にはばらつきがあり、粒径
の大きいものが多く含まれた分布を示すことが知られて
いる（Ｙ．Ｋａｎｅｍｉｔｓｕ，Ｔ．Ｏｇａｗａ，Ｋ．
Ｓｈｉｒａｉｓｈｉ，ａｎｄＫ．Ｔａｋｅｄａ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４８，４８８３（１９９３））。このよ
うな粒径の大きいシリコンナノ結晶の伝導帯準位は低い
ので、キャリヤーが注入されるとその準位にキャリヤー
が蓄積され、発光に寄与しにくくなる。また、ＬＤを形
成するうえでは励起状態の電子の状態密度を集中させる
方が発光効率は上昇する。したがって、これらのことか
ら容易にわかるように、発光素子への応用にあたっては
粒径の大きいシリコンナノ結晶が少ない粒径分布を実現
することが望ましい。ところが、従来はシリコンナノ結
晶の粒径分布を制御する方法は知られていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】以上のようにシリコン
ナノ結晶を含むシリコン系発光材料は発光素子の構成材
料として有望であるが、従来はその粒径分布を制御する
ことができず、粒径の大きいシリコンナノ結晶が含まれ
ている場合に良好な発光が得られない。さらに、発光素
子の製造プロセスを考慮すれば、このような粒径分布の
制御を気相中で実現することが望ましい。
【０００９】本発明の目的は、気相中においてシリコン
ナノ結晶の粒径分布を制御することができ、発光素子の
材料として好適なシリコン系発光材料を製造し得る方法
を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のシリコン系発光
材料の製造方法は、シリコンナノ結晶を含有するシリコ
ン酸化膜に、酸素含有雰囲気中で波長５００ｎｍ以下の
所定波長のレーザー光を照射し、レーザー光を吸収する
大きさのシリコンナノ結晶の表面を酸化してその粒径を
制御することを特徴とするものである。
【００１１】本発明において、酸素含有雰囲気は酸素を
３％以上含んでいればよく、酸素を含む窒素、ヘリウ
ム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気、空気雰囲気、ま
たは１００％酸素雰囲気でもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の原理を説明する。
まずシリコンウエハーなどの基板上においてシリコン酸
化膜とシリコンとの融合状態をＣＶＤあるいはスパッタ
などで形成し、真空中または不活性ガス中でアニールす
ると、シリコン原子が凝集してシリコンナノ結晶が析出
する。この状態でレーザーアニールを行うと、使用する
波長（ν）のレーザー光を吸収するシリコンナノ結晶で
は、シリコンの最外殻の電子が励起され、これが緩和さ
れる時にフォノンとの相互作用によって熱せられてシリ
コンの溶融あるいは活性化が生じる。この現象をバンド
構造に基づいて図示すると、図１（ａ）のようになる。
一方、そのレーザー光を吸収しないシリコンナノ結晶で
はシリコンの状態は変化しない。
【００１３】本発明においては、酸素含有雰囲気中でレ
ーザーアニールを行う。この場合、そのレーザー光を吸
収するシリコンナノ結晶は溶融あるいは活性化するとと
もに表面が酸化され、実質的な粒径が小さくなる。ま
た、レーザー光として、制御の目標とする粒径を有する
シリコンナノ結晶のバンド間励起エネルギーに相当する
エネルギーｈνを有する波長νのものを用いる（ただし
バンド間励起エネルギーとは運動量が変化しない状態で
の最小の遷移エネルギーを意味し、シリコンは間接遷移
型であるのでバンドギャップとは多少異なる）。したが
って本発明では、シリコンナノ結晶のうちバンド間励起
エネルギーがレーザー光のエネルギーｈνより小さいも
の、すなわち比較的粒径の大きいものは酸化されて実質
的な粒径が小さくなる。さらに、粒径が小さくなるにつ
れてシリコンナノ結晶のバンド間励起エネルギーは徐々
に大きくなり、これがｈνより大きくなった時点でレー
ザー光を吸収しなくなり、酸化も進行しなくなる。この
現象をバンド構造に基づいて図示すると、図１（ｂ）の
ようになる。このようにして、シリコンナノ結晶の粒径
を目標の粒径以下に制御することができる。本発明で
は、レーザー光として波長５００ｎｍ以下のものを使用
することで、シリコンナノ結晶の粒径を５ｎｍ以下に揃
えることができ、発光材料として好適な条件を満たすこ
とができる。
【００１４】本発明において、プラズマＣＶＤなどによ
り製造されたシリコン酸化膜とシリコン原子との混合物
質をアニールしてシリコンナノ結晶を形成するには、真
空チャンバーに使用する波長のレーザー光を３０％以上
透過するガラスなどからなる透明な窓を設け、その外側
にレーザーを設置してこのレーザー光でアニールなどす
ればよい。特に、２００ｎｍ以上の波長の光が８０％以
上である場合には透明な窓の材料として石英ガラスを用
いることが望ましい。また、シリコンナノ結晶の粒径を
制御するために酸素含有雰囲気中でレーザーアニールす
るには、外部より不必要なガスが混入しない環境であり
さえすれば密閉されている必要はなく、例えばガラス製
の試料室とレーザーとを組み合わせればよい。
【００１５】本発明においては、シリコン酸化膜中に分
散しているシリコンナノ結晶どうしの間隔が、電子およ
びホールのトンネリングによる電流の注入が可能な距離
になるように、プラズマＣＶＤなどの条件を調整するこ
とが好ましい。また、シリコンナノ結晶間にポリシラン
を配置すれば、電流が流れやすくなり、発光波長を変化
させることもできる。シリコン酸化膜中にシリコンナノ
結晶およびポリシランを分散させるためには、プラズマ
ＣＶＤにおいてＴＥＯＳを供給してＳｉＯx （０＜Ｘ＜
２）を形成する過程で、同時にあるいは交互にシラン、
ジシラン、トリシランもしくはテトラシランまたはこれ
らの混合ガスを供給すればよい。
【００１６】本発明の方法により製造されたシリコン系
発光材料を用いれば、半導体製造プロセスを適用してシ
リコン系発光素子を製造することができる。また、この
ようなシリコン系発光素子を、トランジスタ等のＬＳＩ
回路と組み合わせれば、低コストの光−電子集積回路を
実現できる。さらに、このようなシリコン系発光材料を
用いた多色シリコン発光集積回路ディスプレイは、現在
ディスプレイパネルに使用されている液晶パネルの代替
製品として有望である。すなわち、現在の液晶パネルは
ランプの前に２枚の偏光板を配置しているため、少なく
とも１／２の光が使用されないが、多色シリコン発光集
積回路ディスプレイではこのような問題がなく、消費電
力を低減でき画面の輝度を向上することも可能になる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
実施例１
ＬＰＣＶＤの反応炉内にシリコンウエハーを設置し真空
引きした。シリコンウエハーの温度を７００℃に設定
し、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、シランおよび
テトラクロロシランをキャリヤーガスとともに供給し、
シリコン基板上にＳｉＯ2 およびシリコン原子の混合物
質を５００ｎｍの膜厚に堆積した。次に、このシリコン
ウエハーを真空チャンバー内に搬送し、室温において、
シリコンウエハー上の膜に１０ＨｚのパルスＱスイッチ
ＹＡＧレーザーのＴＨＧ（波長３５５ｎｍ）を照射して
アニールした。このとき、１パルスあたりのエネルギー
を３Ｊ／ｃｍ2 として１０パルス照射した。これを透過
型電子顕微鏡で観察したところ、粒径２〜７ｎｍのシリ
コンナノ結晶が存在することが確認された。このときの
シリコンナノ結晶の粒径分布を図２（ａ）に示す。ま
た、シリコンナノ結晶間の距離すなわちシリコンナノ結
晶間のシリコン酸化膜の厚みは平均約１ｎｍであった。
【００１８】次いで、粒径の大きいシリコンナノ結晶の
表面を酸化してその粒径を小さくするために、Ｏ2 ：Ｈ
ｅ＝１：１の酸素含有雰囲気下で、シリコンウエハー上
の膜にＱスイッチＴｉ：サファイアレーザーの第二高調
波（波長３８０ｎｍ）を、繰り返し１ｋＨｚ、ピークパ
ワー密度３００ｋＷ／ｃｍ2 、パルス幅３００ｎｓｅｃ
の条件で照射した。これを透過型電子顕微鏡で観察し、
シリコンナノ結晶の粒径分布を調べた結果を図２（ｂ）
に示す。
【００１９】図２（ａ）および（ｂ）の比較から明らか
なように、シリコンナノ結晶全体のうち粒径４ｎｍ以上
のものが占める割合は、酸化処理前には約５０％であっ
たのに対し、酸化処理後には１０％以下に減少した。
【００２０】得られたシリコン系発光材料に、Ｑスイッ
チＴｉ：サファイアレーザーの第三高調波（波長３００
ｎｍ）を、繰り返し１ｋＨｚ、ピークパワー密度３０Ｗ
／ｃｍ2 、パルス幅３００ｎｓｅｃの条件で照射したと
ころ、波長３９０ｎｍの発光が確認された。
【００２１】実施例２
図３に示す構造を有する発光素子とＭＯＳトランジスタ
との集積回路を作製する例について説明する。この素子
は、発光材料であるシリコンナノ結晶を分散させたシリ
コン酸化膜の両端にそれぞれ電極となるＭＯＳトランジ
スタの拡散層を接続した構造を有する。
【００２２】まず、ｐ型シリコン基板１の発光部となる
領域を選択的にエッチングしてトレンチを形成する。こ
のトレンチの底部にミラーとして機能するＡｌ層２をス
パッタリングにより形成する。このＡｌ層２上に酸化膜
３を堆積する。
【００２３】次に、実施例１と同様に、ＬＰＣＶＤの反
応炉内を真空引きした後、シリコン基板１の温度を７０
０℃に設定し、ＴＥＯＳ、シランおよびテトラクロロシ
ランをキャリヤーガスとともに供給して、酸化膜３上に
ＳｉＯ2 およびシリコン原子の混合物質を５００ｎｍの
膜厚に堆積する。このシリコン基板１を真空チャンバー
内に搬送し、室温において、酸化膜３上の膜に１０Ｈｚ
のパルスＱスイッチＹＡＧレーザーのＴＨＧ（波長３５
５ｎｍ）を照射してアニールする。さらに、Ｏ2 ：Ａｒ
＝１：１の酸素含有雰囲気下で、酸化膜３上の膜にＱス
イッチＴｉ：サファイアレーザーの第二高調波（波長３
８０ｎｍ）を照射して粒径の大きいシリコンナノ結晶の
表面を酸化する。このようにして粒径の揃ったシリコン
ナノ結晶を含有する発光層４を形成する。
【００２４】次いで、一方の電極が形成される領域を選
択的にエッチングしてトレンチを形成し、その底部に酸
化膜３を堆積する。トレンチ内にポリシリコンを堆積し
た後、アニールして単結晶化する。このポリシリコンに
砒素をイオン注入し、アニールしてさらに単結晶化を進
めてｎ+ 型拡散層５を形成する。同様に、他方の電極が
形成される領域を選択的にエッチングしてトレンチを形
成し、その底部に酸化膜３を堆積する。トレンチ内にポ
リシリコンを堆積した後、アニールして単結晶化する。
このポリシリコンにホウ素をイオン注入し、アニールし
てさらに単結晶化を進めてｐ+ 型拡散層６を形成する。
これらの２つの電極は共振器を形成しないように非平行
に形成する。
【００２５】さらに、ｎ型ウェル領域７、ｎ+ 型拡散層
８、ｐ+ 型拡散層９、ゲート絶縁膜１０、ゲート電極１
１、１２を順次形成して、素子を作製する。この素子で
は、２つのＭＯＳトランジスタをオンにして、それぞれ
ｎ+ 型拡散層５に例えば＋１２Ｖ、ｐ+ 型拡散層６に例
えば−１２Ｖの電圧を印加すると、発光層４から３９０
ｎｍの発光が生じる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように本発明の方法を用い
れば、気相中においてシリコンナノ結晶の粒径分布を制
御することができ、発光素子の材料として好適なシリコ
ン系発光材料を製造することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a silicon-based light emitting material used for a light emitting device such as a light emitting diode and a semiconductor laser. 2. Description of the Related Art At present, most of the material of semiconductor ultra large scale integrated circuits is occupied by silicon. The reason for this is that silicon is a very excellent material that has advantages such as being easily available and inexpensive, capable of manufacturing large single crystals, and capable of manufacturing integrated circuits with high yield. However, since a silicon single crystal has an indirect transition electron band structure, light emission is hardly observed, and it is difficult to use it as a light emitting element. For this reason, conventionally, a semiconductor laser (hereinafter, referred to as a semiconductor laser)
LD) and light-emitting diode (hereinafter, referred to as LED)
III-V such as GaAs or ZnSe
A group-based or II-VI-based compound semiconductor material is used. However, there are many difficulties in manufacturing an element using a compound semiconductor. Further, in order to expand the application of the element, L which can emit light of short wavelength such as blue light, purple light, and ultraviolet light can be used.
D and LED are desired. [0004] Under such circumstances, research and development of light-emitting silicon such as porous silicon have recently become active. Silicon-based materials for which light emission has been observed to date include porous silicon, polysilane, silicon nanocrystals, siloxene and Si.
1-x Ge x / Si superlattices are known. That is, when the size of the silicon crystal is reduced to lower the dimension of the atomic arrangement, light emission is observed. For example, silicon microcrystals (silicon nanocrystals) having a particle size on the order of nm
Emits light at a wavelength of 370 nm to 900 nm based on a band structure different from that of a silicon single crystal and a surface level effect. There is also a theory that light emission observed in porous silicon is actually caused by silicon nanocrystals. There are several reports on the above-mentioned silicon nanocrystals (for example, Hiroki Takagi, Masanori Mitome, Koji Yano, Takashi Nakagiri, Solid State Physics, Vol. 27, No. 11,
1992, p. 874-879; Kanemit
su, T .; Ogawa, K .; Shiraiishi, K .;
Takeda, J.A. Lumin. 60-61, 337-
339 (1994)). The former discloses a method for producing silicon nanocrystals by a plasma CVD method. That is, the substrate is placed in the CVD chamber and
After evacuation to −6 Pa, monosilane gas is supplied together with a carrier gas (H 2 or Ar or a mixed gas thereof), and is decomposed by microwave (2.45 GHz) plasma to generate silicon nanocrystals. In this case, the silicon nanocrystals in the gas are transported and deposited on the substrate by the carrier gas, and the silicon nanocrystals are obtained in a form in which the silicon nanocrystals are dispersed in the amorphous silicon layer. On the other hand, here, monosilane and Si (OC 2 H
5 ) 4 (hereinafter referred to as TEOS) may be alternately or simultaneously supplied to disperse silicon nanocrystals in SiO 2 . The silicon nanocrystals obtained by such a method are dispersed in the silicon oxide film at intervals of about 2 to 5 nm, and have conditions suitable for a light emitting material. However, it is known that the particle size of silicon nanocrystals in the silicon oxide film obtained in this way varies, and the silicon nanocrystals show a distribution containing a large number of particles having a large particle size (Y. Kanemitsu, T.). Ogawa, K .;
Shiraishi, and K .; Takeda, Phy
s. Rev .. B48, 4883 (1993)). Since the conduction band level of such a silicon nanocrystal having a large particle diameter is low, carriers are accumulated in the carrier level when carriers are injected, and it is difficult to contribute to light emission. Further, in forming an LD, the luminous efficiency is increased by concentrating the state density of excited electrons. Therefore, as is easily understood from these facts, it is desirable to realize a particle size distribution in which silicon nanocrystals having a large particle size are small in application to a light emitting element. However, a method for controlling the particle size distribution of silicon nanocrystals has not been conventionally known. As described above, a silicon-based light-emitting material containing silicon nanocrystals is promising as a constituent material of a light-emitting element, but the particle size distribution cannot be controlled conventionally. In addition, when silicon nanocrystals having a large particle diameter are included, good light emission cannot be obtained. Further, in consideration of the manufacturing process of the light emitting element, it is desirable to realize such control of the particle size distribution in the gas phase. An object of the present invention is to provide a method capable of controlling the particle size distribution of silicon nanocrystals in a gas phase and producing a silicon-based light emitting material suitable as a material for a light emitting device. [0010] According to a method of manufacturing a silicon-based light emitting material of the present invention, a silicon oxide film containing silicon nanocrystals is irradiated with a laser beam having a predetermined wavelength of 500 nm or less in an oxygen-containing atmosphere. Irradiation is performed, and the surface of the silicon nanocrystal sized to absorb laser light is oxidized to control the particle size. In the present invention, the oxygen-containing atmosphere only needs to contain 3% or more of oxygen, and may be an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon containing oxygen, an air atmosphere, or a 100% oxygen atmosphere. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The principle of the present invention will be described below.
First, a fusion state of a silicon oxide film and silicon is formed on a substrate such as a silicon wafer by CVD or sputtering, and when annealing is performed in a vacuum or an inert gas, silicon atoms aggregate to precipitate silicon nanocrystals. When laser annealing is performed in this state, in the silicon nanocrystal that absorbs laser light of the wavelength (ν) to be used, electrons in the outermost shell of silicon are excited, and when the electrons are relaxed, they are heated by interaction with phonons. Melting or activation of silicon occurs. FIG. 1A illustrates this phenomenon based on the band structure.
On the other hand, the silicon nanocrystal that does not absorb the laser light does not change the state of silicon. In the present invention, laser annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere. In this case, the silicon nanocrystal that absorbs the laser light is melted or activated, and the surface is oxidized, so that the substantial particle size is reduced. In addition, a laser beam having a wavelength ν having an energy hν corresponding to an interband excitation energy of a silicon nanocrystal having a target particle diameter to be controlled is used (however, the momentum does not change with the interband excitation energy). ), Which is slightly different from the band gap because silicon is an indirect transition type. Therefore, in the present invention, among the silicon nanocrystals, those whose band-to-band excitation energy is smaller than the energy hν of the laser beam, that is, those whose particle diameter is relatively large, are oxidized to have a substantial particle diameter. Further, as the particle size becomes smaller, the inter-band excitation energy of the silicon nanocrystal gradually increases. When the excitation energy becomes larger than hν, laser energy is not absorbed, and oxidation does not proceed. FIG. 1B illustrates this phenomenon based on the band structure. In this way, the particle size of the silicon nanocrystal can be controlled to a target particle size or less. In the present invention, by using a laser beam having a wavelength of 500 nm or less, the particle size of the silicon nanocrystal can be adjusted to 5 nm or less, which satisfies conditions suitable as a light emitting material. In the present invention, in order to form a silicon nanocrystal by annealing a mixed material of a silicon oxide film and silicon atoms manufactured by plasma CVD or the like, a laser beam having a wavelength used in a vacuum chamber must be at least 30%. A transparent window made of a transparent glass or the like may be provided, a laser may be provided outside the window, and annealing may be performed with the laser light. In particular, when the light having a wavelength of 200 nm or more is 80% or more, it is desirable to use quartz glass as the material of the transparent window. Further, in order to perform laser annealing in an oxygen-containing atmosphere in order to control the particle size of silicon nanocrystals, it is not necessary to be hermetically sealed as long as an environment in which unnecessary gas is not mixed from the outside is used. What is necessary is just to combine the sample chamber with the laser. In the present invention, conditions such as plasma CVD are adjusted so that the distance between silicon nanocrystals dispersed in the silicon oxide film is a distance at which current can be injected by tunneling of electrons and holes. Is preferred. In addition, if polysilane is arranged between silicon nanocrystals, a current can easily flow and the emission wavelength can be changed. In order to disperse silicon nanocrystals and polysilane in a silicon oxide film, TEOS is supplied by plasma CVD and SiO x (0 <X <
2) in the process of forming silane, simultaneously or alternately,
Disilane, trisilane, tetrasilane, or a mixed gas thereof may be supplied. By using the silicon-based light emitting material manufactured by the method of the present invention, a silicon-based light emitting device can be manufactured by applying a semiconductor manufacturing process. Further, such a silicon-based light emitting element is used as an LSI such as a transistor.
When combined with a circuit, a low-cost opto-electronic integrated circuit can be realized. Further, a multicolor silicon light-emitting integrated circuit display using such a silicon-based light-emitting material is promising as a substitute product of a liquid crystal panel currently used for a display panel. That is, in the present liquid crystal panel, at least one half of the light is not used because two polarizing plates are arranged in front of the lamp. The power can be reduced, and the brightness of the screen can be improved. Embodiments of the present invention will be described below. Example 1 A silicon wafer was set in a reactor for LPCVD and evacuated. Setting the temperature of the silicon wafer to 700 ° C., supplying TEOS (tetraethoxysilane), silane and tetrachlorosilane together with a carrier gas,
A mixed material of SiO 2 and silicon atoms was deposited on a silicon substrate to a thickness of 500 nm. Next, the silicon wafer is transferred into a vacuum chamber, and at room temperature,
The film on the silicon wafer was annealed by irradiating it with 10 Hz pulse Q-switched YAG laser THG (355 nm wavelength). At this time, irradiation was performed for 10 pulses at an energy per pulse of 3 J / cm 2 . When this was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that silicon nanocrystals having a particle size of 2 to 7 nm were present. FIG. 2A shows the particle size distribution of the silicon nanocrystals at this time. The distance between the silicon nanocrystals, that is, the thickness of the silicon oxide film between the silicon nanocrystals was about 1 nm on average. Next, in order to oxidize the surface of the silicon nanocrystal having a large particle diameter to reduce the particle diameter, O 2 : H
In an oxygen-containing atmosphere of e = 1: 1, the second harmonic (wavelength: 380 nm) of a Q-switched Ti: sapphire laser is repeatedly applied to the film on the silicon wafer at 1 kHz, a peak power density of 300 kW / cm 2 , and a pulse width of 300 nsec.
Irradiation was performed under the following conditions. Observing this with a transmission electron microscope,
Fig. 2 (b) shows the result of examining the particle size distribution of silicon nanocrystals.
Shown in As is clear from the comparison of FIGS. 2A and 2B, the ratio of silicon nanocrystals having a particle diameter of 4 nm or more was about 50% before the oxidation treatment. On the other hand, it decreased to 10% or less after the oxidation treatment. The obtained silicon-based light emitting material is provided with a third harmonic (wavelength: 300) of a Q switch Ti: sapphire laser.
nm) is repeated at 1 kHz and a peak power density of 30 W
Irradiation was performed under the conditions of / cm 2 and a pulse width of 300 nsec, and light emission with a wavelength of 390 nm was confirmed. Example 2 An example of manufacturing an integrated circuit of a light emitting element having the structure shown in FIG. 3 and a MOS transistor will be described. This element has a structure in which a diffusion layer of a MOS transistor serving as an electrode is connected to both ends of a silicon oxide film in which silicon nanocrystals as a light emitting material are dispersed. First, a region to be a light emitting portion of the p-type silicon substrate 1 is selectively etched to form a trench. An Al layer 2 functioning as a mirror is formed at the bottom of the trench by sputtering. An oxide film 3 is deposited on this Al layer 2. Next, as in the first embodiment, after the inside of the LPCVD reactor is evacuated, the temperature of the silicon substrate 1 is reduced to 70%.
The temperature is set to 0 ° C., TEOS, silane, and tetrachlorosilane are supplied together with a carrier gas to deposit a mixed material of SiO 2 and silicon atoms on the oxide film 3 to a thickness of 500 nm. The silicon substrate 1 is transferred into a vacuum chamber, and the film on the oxide film 3 is set to 10 Hz at room temperature.
Pulse Q-switched YAG laser THG (wavelength 35
5 nm) for annealing. Further, O 2 : Ar
In a 1: 1 oxygen-containing atmosphere, the second harmonic of a Q-switched Ti: sapphire laser (wavelength 3
(80 nm) to oxidize the surface of the silicon nanocrystal having a large particle size. Thus, the light emitting layer 4 containing the silicon nanocrystals having the uniform particle size is formed. Next, a region where one electrode is to be formed is selectively etched to form a trench, and an oxide film 3 is deposited on the bottom. After depositing polysilicon in the trench, annealing is performed to monocrystallize. Arsenic is ion-implanted into the polysilicon, annealed, and further single-crystallized to form an n + -type diffusion layer 5. Similarly, a region where the other electrode is to be formed is selectively etched to form a trench, and an oxide film 3 is deposited on the bottom. After depositing polysilicon in the trench, annealing is performed to monocrystallize.
Boron is ion-implanted into the polysilicon and annealed to further promote single crystallization to form ap + -type diffusion layer 6.
These two electrodes are formed non-parallel so as not to form a resonator. Further, n-type well region 7, n + -type diffusion layer 8, p + -type diffusion layer 9, gate insulating film 10, gate electrode 1
Elements 1 and 12 are sequentially formed to manufacture an element. In this device, when two MOS transistors are turned on and a voltage of, for example, +12 V is applied to the n + -type diffusion layer 5 and a voltage of, for example, -12 V is applied to the p + -type diffusion layer 6, the light emitting layers 4 to 390
nm emission. As described above, by using the method of the present invention, it is possible to control the particle size distribution of silicon nanocrystals in the gas phase, and it is preferable to use a silicon-based light-emitting material as a light-emitting element material. Can be manufactured.
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はシリコンナノ結晶のバンド構造を示す
図、（ｂ）は酸化によるシリコンナノ結晶のバンド構造
の変化を示す図。
【図２】（ａ）は酸化前のシリコンナノ結晶の粒径分布
図、（ｂ）は酸化後のシリコンナノ結晶の粒径分布図。
【図３】本発明の実施例２における発光素子とＭＯＳト
ランジスタとの集積回路を示す断面図。
【符号の説明】
１…ｐ型シリコン基板、２…Ａｌ層、３…酸化膜、４…
発光層、５…ｎ+ 型拡散層、６…ｐ+ 型拡散層、７…ｎ
型ウェル領域、８…ｎ+ 型拡散層、９…ｐ+ 型拡散層、
１０…ゲート絶縁膜、１１、１２…ゲート電極。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a diagram showing a band structure of a silicon nanocrystal, and FIG. 1B is a diagram showing a change in the band structure of the silicon nanocrystal due to oxidation. FIG. 2 (a) is a particle size distribution diagram of silicon nanocrystals before oxidation, and FIG. 2 (b) is a particle size distribution diagram of silicon nanocrystals after oxidation. FIG. 3 is a sectional view showing an integrated circuit of a light emitting element and a MOS transistor according to a second embodiment of the present invention. [Description of Signs] 1 ... p-type silicon substrate, 2 ... Al layer, 3 ... oxide film, 4 ...
Light emitting layer, 5 ... n + type diffusion layer, 6 ... p + type diffusion layer, 7 ... n
Type well region, 8 ... n + -type diffusion layer, 9 ... p + -type diffusion layer,
10: gate insulating film, 11, 12: gate electrode.
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(56)参考文献 特開 平６−163982（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−237995（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−200266（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−17577（ＪＰ，Ａ)
Ｙｏｓｈｉｈｉｋｏ Ｋａｎｅｍｉｔ
ｓｕ，Ｖｉｓｉｂｌｅ ｐｈｏｔｏｌｕ
ｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ｏｘ
ｉｄｉｚｅｄ Ｓｉ ｎａｎｏｍｅｔｅ
ｒ−ｓｉｚｅｄ ｓｐｈｅｒｅｓ：Ｅｘ
ｃｉｔｏｎ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ
ｏｎ ａ ｓｐｈｅｒｉｃ，Ｐｈｙｓ.
Ｒｅｖ．Ｂ，米国，1993年，Ｖｏｌ．Ｂ
48，ｐ．4883−4886
28ｐ−Ｈ−14，第42回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集，日本，1995年
３月28日，Ｎｏ．２，ｐ．670
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
H01L 21/20 - 21/31
H01S 5/00 - 5/50 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-6-163982 (JP, A) JP-A-7-237995 (JP, A) JP-A-5-200266 (JP, A) JP-A 8- 17577 (JP, A) Yoshihiko Kanemitsu su, Visible photoluminescence from oxidized Si nanometer-sized spheres: Exciton continent. B, USA, 1993, Vol. B 48, p. 4883-4886 28p-H-14, Proceedings of the 42nd Joint Lecture on Applied Physics, Japan, March 28, 1995, no. 2, p. 670 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01L 21/20-21/31 H01S 5/00-5/50