JP5689832B2

JP5689832B2 - シリコン発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP5689832B2
Application number: JP2012026964A
Authority: JP
Inventors: 博雄尾身; 小野　行徳; 行徳小野; 毅彦俵
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP2013165146A

Description

本発明は、エルビウムなどの希土類をドープしたシリコンを用いたシリコン発光素子の製造方法に関するものである。

光導波路、発光素子（アクティブデバイス）、受光素子（パッシブデバイス）をシリコン基板上にモノリシックに作製することを目指すシリコンフォトニクスの分野は、大きく進展している。この中で、アクティブデバイスの実現が困難とされており、現在、シリコンを活性層とする高効率な発光ダイオード（ＬＥＤ）素子の開発（研究）が精力的に進められている。

シリコン発光ダイオード（Ｓｉ−ＬＥＤ）構造を作製するとした場合、シリコンを発光の活性層に利用することには技術的に大きな利点があるが、一方で大きな問題がある。まず、利点について説明すると、シリコンを用いることで、ＬＳＩに代表されるシリコン電子デバイス技術と光デバイス技術の融合が実現できる点にある。この融合がシリコンフォトニクス技術により実現されれば、シリコンデバイスの消費電力を下げ、デバイス製造のコストを格段に下げることができる。

しかし、一般に良く知られているように、シリコンは間接遷移型の半導体であり、一般に発光効率が良くない。このため、シリコンでは高強度の発光素子を実現することは難しいという本質的な課題がある。加えて、シリコンフォトニクス技術を光ファイバー通信技術と結びつけて利用することを目指す場合、シリコン発光ダイオードの活性層の発光波長が、近赤外領域、例えば１．５μｍ程度である必要がある。これは、光デバイスとして必要なポンプ光および信号光が、通信波長帯域の近赤外光であることが望ましいからである。したがって、これらの技術的要請にこたえることが、シリコンを用いた発光素子（アクティブデバイス）の開発および実現には非常に重要となる。

シリコンを発光デバイスの活性層として利用する技術は、材料開発の観点から、いくつか提案されてきている。シリコンナノクリスタルの利用、シリコン極薄膜の形成およびそのエピタキシャル膜の形成、シリコン基板内に形成される欠陥の利用、シリコン基板への希土類の添加（例えばイオン注入）、あるいはそれぞれの技術の組み合わせた手法が挙げられる。

まず、シリコンに発光元素をイオン注入する技術は、最も基本となる方法である（非特許文献１参照）。例えば、シリコン基板に、エルビウムなどの希土類をイオン注入し、この後で加熱処理を行うことによりエルビウムを光学的に活性にすることができる。エルビウムイオンの第１励起準位から基底準位への遷移による発光は約１５５０ｎｍなので、ドーピングしたエルビウムを発光させることで、シリコンを近赤外領域で発光させることができる。

さらに、イオン注入法の利点は、希土類以外に、酸素および窒素などの軽元素あるいは銀などの金属を、希土類と共に添加（共添加）できることである（非特許文献３参照）。例えば、エルビウムと酸素とを共添加すると、エルビウム−酸素原子コンプレックスと呼ばれる発光体が形成され、これによりエルビウムの発光が増強されることが知られている（非特許文献２，特許文献１参照）。

しかし、シリコン基板中に注入できるエルビウムおよび酸素の量はシリコンへのエルビウムおよび酸素の固溶度により上限が決められてしまうこと、注入量が増加すると、シリコン基板内に多数の欠陥が形成されてしまうことが欠点として挙げられる。さらに、イオン打ち込みする元素（原子）の密度が通常の打ち込み条件では深さ方向に幅広いガウス分布を示すため、エルビウムと酸素を効果的に近接させることが難しく、エルビウム−酸素の発光体の数を増加させることが難しいという課題もある。

次に、シリコンナノクリスタルの利用は、シリコンナノ粒子の寸法（粒径）を、光の量子閉じ込めが起こる３ｎｍ以下とした場合に、シリコン自体を直接遷移型として発光させられるという利点がある。しかし、ナノクリスタルの発光波長は、通信波長帯ではないため、シリコンフォトニクスの通信技術との融合には直接的につながらない。また、シリコンナノ粒子を内包するシリコン酸化膜に希土類、特にエルビウムをイオン注入し、通信波長帯で発光させる試みがなされてきている（非特許文献３，特許文献２参照）。

この技術では、シリコンナノクリスタルで吸収されたエネルギーをエルビウムイオンに移動させ、エルビウムイオンを発光させることによりシリコンの発光波長を通信波長帯に合わせることができるという利点がある。しかし、注入されたエルビウムイオンがすべて発光に寄与するのではない。発光に寄与する数は、シリコンナノ粒子の数により上限がほぼ決められてしまい、発光に寄与できるエルビウムイオン数が足りないため高強度で発光させる、あるいはレージング（発振）させることができないという問題がある。また、このエルビウムを添加したシリコンナノ結晶内包のアモルファス酸化膜では、エルビウムの発光を増強することができるが、膜自体が絶縁体であるため膜中に電流を流すことができず、発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造として不適当であるという問題がある。

また、シリコン内の欠陥の発光をＬＥＤとして利用するために、人為的に欠陥を導入する方法としては、水素や窒素などの軽元素をシリコンにイオン注入する方法、シリコン基板の貼り合わせ界面に形成される転位ネットワークを利用する方法などがある（非特許文献４，５参照）。この技術により、実際にシリコン発光ダイオードが実現されている（非特許文献４参照）。しかし、シリコン内に人工的に導入した欠陥の発光をＬＥＤとして利用する場合には、前述した技術と同様に発光効率が良くないという課題がある。

以上の技術の利点と欠点を考慮すると、電流注入型の発光素子を考えた場合には、シリコンにエルビウムおよび酸素よりなる発光体を効果的に形成する技術が、高い可能性を示している。したがって、通信波長帯で高強度に発光するエルビウムなどの希土類と酸素とを添加したシリコン発光ダイオードの実現が強く求められている。

特開２００４−３１９６６８号公報特開２００４−２８１９７２号公報

A. J. Kenyon, "Erbium in silicon", Semicond. Sci. Technol. , vol.20, pp.R65-R84, 2005. G. Franz et al. , "Erbium.oxygen interactions in crystalline silicon", Semicond. Sci. Technol. , vol.26, 055002, 2005. M. Fujii et al. , "1.54 mm photoluminescence of Er3+ doped into SiO2 films containing Si nanocrystals: Evidence for energy transfer from Si nanocrystals to Er3+", Appl. Phys. Lett. , vol.71, no.9, pp.1198-1200, 1997. X. Yu et al. , "A pure 1.5 m electroluminescence from metal-oxide-silicon tunneling diode using dislocation network", Applied Physics Letters, vol.93, 041108, 2008. E. Toyoda et al. , "Mechanical Properties and Chemical Reactions at the Directly Bonded Si.Si Interface", Japanese Journal of Applied Physics, vol.48, 011202, 2009.

しかしながら、先に述べたとおり、シリコン基板にエルビウムおよび酸素をイオン注入した場合、注入された原子はシリコン基板内の表面から深さ方向に対して幅広くガウス分布するため、アニール処理を施すだけではエルビウムと酸素とを効果的に結合させることができない。また、エルビウムおよび酸素のイオン注入量を増やすと、シリコン基板中の欠陥も増加するため、シリコン基板中のエルビウムの発光効率を高めることができないという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、通信波長帯で発光するエルビウムなどの希土類と酸素とを添加したシリコンによる発光素子の発光効率を、より高めることを目的とする。

また、本発明に係るシリコン発光素子の製造方法は、基板の上の第１シリコン層に第２シリコン層を貼り合わせる第１工程と、第１シリコン層と第２シリコン層との界面に希土類および酸素をドープして界面に活性層を形成する第２工程とを少なくとも備える。

上記シリコン発光素子の製造方法において、基部の上に埋め込み絶縁層を介して表面シリコン層が形成されているＳＯＩ基板の表面シリコン層を第１シリコン層に貼り合わせ、埋め込み絶縁層および基部を除去することで、第１シリコン層に表面シリコン層からなる第２シリコン層を貼り合わせればよい。

また、本発明に係るシリコン発光素子の製造方法は、基板の上の第１シリコン層に酸化シリコン層を介して第２シリコン層を備える基板の酸化シリコン層に希土類および酸素をドープする第１工程と、不活性な雰囲気で加熱することで酸化シリコン層を消失させ、第１シリコン層と第２シリコン層との界面に希土類および酸素がドープされた活性層を形成する第２工程とを少なくとも備える。

また、本発明に係るシリコン発光素子の製造方法は、基板の上の第１シリコン層に希土類および酸素をドープしてドープ層を形成する第１工程と、ドープ層を形成した側の第１シリコン層の表面に第２シリコン層を貼り合わせる第２工程と、第１シリコン層および第２シリコン層を加熱してドープ層の希土類および酸素を拡散させることで、第１シリコン層と第２シリコン層との界面に希土類および酸素をドープして界面に活性層を形成する第３工程とを少なくとも備える。

上記シリコン発光素子の製造方法において、第１シリコン層は第１導電型とし、第２シリコン層は第２導電型としてもよい。また、第１シリコン層および第２シリコン層は同じ導電型としてもよい。

上記シリコン発光素子の製造方法において、希土類は、エルビウムであればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、通信波長帯で発光するエルビウムなどの希土類と酸素とを添加したシリコンによる発光素子の発光効率を、より高めることができるようになる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための説明図である。図２は、本発明の実施の形態１におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための説明図である。図３は、本発明の実施の形態１におけるシリコン発光素子の構成を示す断面図である。図４Ａは、本発明の実施の形態２におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態２におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図４Ｃは、本発明の実施の形態２におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図４Ｄは、本発明の実施の形態２におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図４Ｅは、本発明の実施の形態２におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図５Ａは、本発明の実施の形態３におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態３におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図５Ｃは、本発明の実施の形態３におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図５Ｄは、本発明の実施の形態３におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図５Ｅは、本発明の実施の形態３におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図６Ａは、本発明の実施の形態４におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図６Ｂは、本発明の実施の形態４におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図６Ｃは、本発明の実施の形態４におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図７Ａは、本発明の実施の形態５におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図７Ｂは、本発明の実施の形態５におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。図７Ｃは、本発明の実施の形態５におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１におけるシリコン発光素子の製造方法について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための説明図である。図１では、製造過程における各工程の状態を、模式的な断面図で示している。

まず、図１の（ａ）に示すように、第１シリコン層１０１を用意する。第１シリコン層１０１は、所定の基板の上に形成されたものである。基板は、例えばシリコン基板であり、この場合、第１シリコン層１０１は、シリコン基板の表面側の部分であり、言い換えると、第１シリコン層１０１はシリコン基板である。次に、図１の（ｂ）に示すように、第１シリコン層１０１に第２シリコン層１０２を貼り合わせる。第２シリコン層１０２は、やはりシリコン基板であればよい。シリコン基板を用いる場合、貼り合わせた後、所定の厚さにまで薄層化して第２シリコン層１０２とすればよい。ここで、第１シリコン層１０１および第２シリコン層１０２は、単結晶シリコンであることが重要である。

なお、第１シリコン層１０１および第２シリコン層１０２は、各々所定の不純物を導入することでｎ型およびｐ型としてもよい。例えば、第１シリコン層１０１がｎ型であり、第２シリコン層１０２がｐ型であってもよく、また、第１シリコン層１０１がｐ型であり、第２シリコン層１０２がｎ型であってもよい。また、両者ともにｐ型もしくはｎ型であってもよい。

シリコン基板である第１シリコン層１０１とシリコン基板である第２シリコン層１０２とを貼り合わせる場合、まず、各シリコン基板の貼り合わせ面を，各々洗浄し、また、フッ化水素水中で化学エッチングする。この処理により、各シリコン基板の貼り合わせ面の自然酸化膜を除去し、各シリコン基板の貼り合わせ面の表面に疎水性の水素終端面を形成する。次いで、図２に示すように、シリコン基板２０１の方位とシリコン基板２０２の方位とを、任意の角度（φ、θ）に設定する。この状態で、両者を室温（２３℃程度）で圧着する。θは回転角であり、φはあおり角である。

次に、上述したように室温で貼り合わせた２つのシリコン基板を、２００℃〜４００℃で加熱する処理を施し、両者を完全に貼り合わせる。このようにして第１シリコン層１０１に第２シリコン層１０２を貼り合わせた後、第２シリコン層１０２のシリコン基板を研削研磨して薄層化する。この薄層により、第２シリコン層１０２の表面側から界面１０３までの深さを調整する。

次に、図１の（ｃ）に示すように、第１シリコン層１０１と第２シリコン層１０２との界面１０３に希土類および酸素をドープして界面１０３に活性層１０４を形成する。例えば、４００℃〜７００℃に加熱し、例えばイオン注入法を用いて希土類と酸素をドープする。希土類は、エルビウムであればよい。

ここで、打ち込み量の深さ方向の分布の最大が、界面１０３に一致するように、イオン注入の条件を適宜設定することが重要である。イオン注入法で希土類および酸素を添加する場合、注入量は例えば１×１０¹⁴〜１×１０¹⁵ｃｍ^-2程度とすればよい。イオン注入の最適量は、第２シリコン層１０２の層厚に応じて適宜設定する。イオン注入後は、第１シリコン層１０１，第２シリコン層１０２に対して窒素雰囲気で７００℃〜１０００℃に加熱する処理を行い、注入したイオンの活性化とイオン注入によるシリコン層の損傷回復とを行う。

以上のようにして、２つのシリコン層の界面１０３に希土類および酸素がドープされた活性層１０４を形成した後、図３に示すように、第１シリコン層１０１に接続する第１電極３０１を形成し、第２シリコン層１０２に接続する第２電極３０２を形成する。例えば、スパッタリング法により、チタンなどの金属を蒸着することで、各電極を形成すればよい。図３に示すシリコン発光素子は、基板の上に形成された第１シリコン層１０１と、第１シリコン層１０１の表面に貼り合わされた第２シリコン層１０２と、第１シリコン層１０１と第２シリコン層１０２との界面１０３に、希土類および酸素をドープすることで形成された活性層１０４とを備えている。

上述したことにより製造したシリコン発光素子によれば、２つのシリコン層の界面に希土類および酸素をドープすることで活性層を形成しているので、ドープされた希土類および酸素は、界面に凝集されるようになる。これは、２つのシリコン層の界面においては、内包されている元素（原子）を凝集する効果があるためである。このため、実施の形態１におけるシリコン発光素子においては、活性層においてエルビウム−酸素原子コンプレックス（Ｅｒ−Ｏcomplex）が高い効率で形成されるようになる。この結果、実施の形態１のシリコン発光素子によれば、発光の効率をより高めることができるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図４Ａ〜図４Ｅを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の実施の形態２におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。

まず、図４Ａに示すように、シリコン基部４０１の上に埋め込み絶縁層４０２を介して表面シリコン層４０３が形成されているＳＯＩ基板を用意する。表面シリコン層４０３は、単結晶シリコンである。次に、図４Ｂに示すように、シリコン基部４０１を、切削研磨して薄層化する。

次に、図４Ｃに示すように、シリコン基板４０４の表面に、上述したＳＯＩ基板の表面シリコン層４０３を貼り合わせる。シリコン基板４０４は、単結晶シリコンから構成されている。この貼り合わせでは、シリコン基板４０４および表面シリコン層４０３の貼り合わせ面を，各々洗浄し、また、フッ化水素水中で化学エッチングする。この処理により、各々の貼り合わせ面の自然酸化膜を除去し、各々の貼り合わせ面の表面に疎水性の水素終端面を形成する。次いで、シリコン基板４０４の方位と表面シリコン層４０３の方位とを、任意の角度に設定する。この状態で、両者を室温で圧着する。

次に、シリコン基部４０１を機械研磨により切削研磨して薄層化し、加えて水酸化カリウムなどのアルカリによる化学エッチングで除去する。また、埋め込み絶縁層４０２を、例えばフッ化水素を用いてエッチング除去する。これらのことにより、シリコン基部４０１および埋め込み絶縁層４０２を除去し、図４Ｄに示すように、シリコン基板（第１シリコン層）４０４の上に、表面シリコン層（第２シリコン層）４０３が貼り合わされた状態とする。

次に、図４Ｅに示すように、シリコン基板４０４と表面シリコン層４０３との界面４０５に希土類および酸素をドープして界面４０５に活性層４０６を形成する。例えば、４００℃〜７００℃に加熱し、例えばイオン注入法を用いて希土類と酸素をドープする。希土類は、エルビウムであればよい。

ここで、打ち込み量の深さ方向の分布の最大が、界面４０５に一致するように、イオン注入の条件を適宜設定することが重要である。イオン注入法で希土類および酸素を添加する場合、注入量は例えば１×１０¹⁴〜１×１０¹⁵ｃｍ^-2程度とすればよい。イオン注入の最適量は、表面シリコン層４０３の層厚に応じて適宜設定する。イオン注入後は、シリコン基板４０４，表面シリコン層４０３に対して窒素雰囲気で７００℃〜１０００℃に加熱する処理を行い、注入したイオンの活性化とイオン注入によるシリコンの損傷回復とを行う。

以上のようにして、２つのシリコン層の界面に希土類および酸素がドープされた活性層４０６を形成した後、シリコン基板４０４に接続する第１電極（不図示）を形成し、表面シリコン層４０３に接続する第２電極（不図示）を形成する。例えば、スパッタリング法によりチタンなどの金属を蒸着することで、各電極を形成すればよい。

上述したことにより製造したシリコン発光素子によれば、シリコン基板と表面シリコン層との界面に希土類および酸素をドープすることで活性層を形成しているので、ドープされた希土類および酸素は、界面に凝集されるようになる。これは、２つのシリコン層の界面においては、内包されている元素（原子）を凝集する効果があるためである。このため、実施の形態２におけるシリコン発光素子においても、活性層においてエルビウム−酸素原子コンプレックスが高い効率で形成されるようになる。この結果、実施の形態２のシリコン発光素子においても、発光の効率をより高めることができるようになる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図５Ａ〜図５Ｅを用いて説明する。図５Ａ〜図５Ｅは、本発明の実施の形態３におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。

まず、図５Ａに示すように、シリコン基部５０１の上に埋め込み絶縁層５０２を介して表面シリコン層５０３が形成されているＳＯＩ基板を用意する。表面シリコン層５０３は、単結晶シリコンである。次に、図５Ｂに示すように、シリコン基部５０１を、切削研磨して薄層化する。

次に、図５Ｃに示すように、シリコン基部５０４の上に埋め込み絶縁層５０５を介して表面シリコン層５０６が形成されている他のＳＯＩ基板の表面シリコン層５０６の表面に、上述したＳＯＩ基板の表面シリコン層５０３を貼り合わせる。表面シリコン層５０６は、単結晶シリコンである。この貼り合わせでは、表面シリコン層５０６および表面シリコン層５０３の貼り合わせ面を，各々洗浄し、また、フッ化水素水中で化学エッチングする。この処理により、各々の貼り合わせ面の自然酸化膜を除去し、各々の貼り合わせ面の表面に疎水性の水素終端面を形成する。次いで、表面シリコン層５０６の方位と表面シリコン層５０３の方位とを、任意の角度に設定する。この状態で、両者を室温で圧着する。

次に、シリコン基部５０１を機械研磨により切削研磨して薄層化し、加えて水酸化カリウムなどのアルカリによる化学エッチングで除去する。また、埋め込み絶縁層５０２を、例えばフッ化水素を用いてエッチング除去する。これらのことにより、シリコン基部５０１および埋め込み絶縁層５０２を除去し、図５Ｄに示すように、他のＳＯＩ基板の表面シリコン層（第１シリコン層）５０６の上に、表面シリコン層（第２シリコン層）５０３が貼り合わされた状態とする。

次に、図５Ｅに示すように、表面シリコン層５０６と表面シリコン層５０３との界面５０７に希土類および酸素をドープして界面５０７に活性層５０８を形成する。例えば、４００℃〜７００℃に加熱し、例えばイオン注入法を用いて希土類と酸素をドープする。希土類は、エルビウムであればよい。

ここで、打ち込み量の深さ方向の分布の最大が、界面５０７に一致するように、イオン注入の条件を適宜設定することが重要である。イオン注入法で希土類および酸素を添加する場合、注入量は例えば１×１０¹⁴〜１×１０¹⁵ｃｍ^-2程度とすればよい。イオン注入の最適量は、表面シリコン層５０３の層厚に応じて適宜設定する。イオン注入後は、表面シリコン層５０６，表面シリコン層５０３に対して窒素雰囲気で７００℃〜１０００℃に加熱する処理を行い、注入したイオンの活性化とイオン注入によるシリコンの損傷回復とを行う。

以上のようにして、２つのシリコン層の界面に希土類および酸素がドープされた活性層５０８を形成した後、表面シリコン層５０６に接続する第１電極（不図示）を形成し、表面シリコン層５０３に接続する第２電極（不図示）を形成する。例えば、スパッタリング法によりチタンなどの金属を蒸着することで、各電極を形成すればよい。また、表面シリコン層５０６に接続する第１電極は、一部の表面シリコン層５０３を除去して表面シリコン層５０６を露出させた箇所に形成すればよい。

上述したことにより製造したシリコン発光素子によれば、シリコン基板と表面シリコン層との界面に希土類および酸素をドープすることで活性層を形成しているので、ドープされた希土類および酸素は、界面に凝集されるようになる。これは、２つのシリコン層の界面においては、内包されている元素（原子）を凝集する効果があるためである。このため、実施の形態３におけるシリコン発光素子においても、活性層においてエルビウム−酸素原子コンプレックスが高い効率で形成されるようになる。この結果、実施の形態３のシリコン発光素子においても、発光の効率をより高めることができるようになる。

また、実施の形態３においては、活性層が、埋め込み絶縁層の上のシリコン層界面に形成されるため、電子励起による発光デバイスヘの応用に加え、光励起用デバイスへの応用も可能となる。例えば、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることで、埋め込み絶縁層をクラッドとし、活性層を備えるシリコン層をコアとする光導波路構造が形成可能であり、光導波路構造とした光励起用デバイスが実現できる。また、同様にすることで、光増幅アンプ、フォトニック結晶などが実現可能である。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図６Ａ〜図６Ｃを用いて説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施の形態４におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。

まず、図６Ａに示すように、シリコン基部６０１の上に埋め込み酸化シリコン層６０２を介して表面シリコン層６０３が形成されているＳＯＩ基板を用意する。

次に、埋め込み酸化シリコン層６０２に対して希土類をドープし、図６Ｂに示すように、希土類添加層６１２が、シリコン基部６０１と表面シリコン層６０３との間に挟まれて形成された状態とする。例えば、イオン注入法を用いて希土類をドープする。希土類は、エルビウムであればよい。ここで、打ち込み量の深さ方向の分布の最大が、埋め込み酸化シリコン層６０２に一致するように、イオン注入の条件を適宜設定することが重要である。

以上のようにして、シリコン基部６０１と表面シリコン層６０３との間に希土類添加層６１２を形成したら、これらを不活性な雰囲気で、１０００〜１３５０℃に加熱し、酸化シリコンを消失させる。不活性な雰囲気は、真空中あるいは窒素あるいはアルゴン雰囲気であればよい。また、不活性な雰囲気は、低酸素濃度の、窒素あるいはアルゴンガス雰囲気であってもよい。

このように不活性な雰囲気で加熱すると、「Ｓｉ（固相）＋ＳｉＯ₂→２ＳｉＯ」の反応により、酸化シリコンからなる埋め込み酸化シリコン層であった希土類添加層６１２が消失する。この消失により、図６Ｃに示すように、シリコン基部６０１と表面シリコン層６０３とが貼り合わされた状態となる。また、シリコン基部６０１と表面シリコン層６０３との界面６０４には、これらに固溶している酸素原子が析出する。これらの結果、界面６０４には、エルビウムおよび酸素がドープされた状態となり、活性層６０５が形成されるようになる。

以上のようにして２つのシリコン層の界面に希土類および酸素がドープされた活性層６０５を形成した後、シリコン基部６０１に接続する第１電極（不図示）を形成し、表面シリコン層６０３に接続する第２電極（不図示）を形成する。例えば、スパッタリング法によりチタンなどの金属を蒸着することで、各電極を形成すればよい。

上述したことにより製造したシリコン発光素子によれば、シリコン基部と表面シリコン層との界面に希土類および酸素をドープすることで活性層を形成しているので、ドープされた希土類および酸素は、界面に凝集されるようになる。これは、２つのシリコン層の界面においては、内包されている元素（原子）を凝集する効果があるためである。このため、実施の形態４におけるシリコン発光素子においても、活性層においてエルビウム−酸素原子コンプレックスが高い効率で形成されるようになる。この結果、実施の形態４のシリコン発光素子においても、発光の効率をより高めることができるようになる。

また、実施の形態４によれば、エルビウムのドープは酸化シリコンからなる非晶質の埋め込み酸化シリコン層に対して行っている。このため、イオン注入によるシリコン結晶における損傷（欠陥）の発生が抑制できるようになる。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５におけるシリコン発光素子の製造方法について図７Ａ〜図７Ｃを用いて説明する。図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の実施の形態におけるシリコン発光素子の製造方法を説明するための、製造過程における各工程の状態を示す模式的な断面図である。

まず、図７Ａに示すように、第１シリコン層７０１の表面近傍に、希土類および酸素をドープしてドープ層７０２を形成する。例えば、４００℃〜７００℃に加熱し、例えばイオン注入法を用いて希土類と酸素をドープする。希土類は、エルビウムであればよい。ここで、打ち込み量の深さ方向の分布の最大が、第１シリコン層７０１の表面より５０ｎｍ程度の深さとなるようにイオン注入の条件を適宜に設定するとよい。この注入深さは、後述する希土類および酸素の拡散により、希土類および酸素が界面にまで到達可能な条件とすればよい。

次に、図７Ｂに示すように、第１シリコン層７０１のドープ層７０２形成側の表面に第２シリコン層７０３を貼り合わせる。例えば、各シリコン層の貼り合わせ面を，各々洗浄し、また、フッ化水素水中で化学エッチングする。この処理により、各シリコン層の貼り合わせ面の自然酸化膜を除去し、各シリコン層の貼り合わせ面の表面に疎水性の水素終端面を形成する。次いで、各シリコン層の方位を、任意の角度（φ、θ）に設定し、両者を室温（２３℃程度）で圧着する。

次に、上述したように室温で貼り合わせた２つのシリコン層を、窒素雰囲気で７００℃〜１０００℃に加熱する処理を行い、両者を完全に貼り合わせると共に、注入したイオンの活性化とイオン注入によるシリコン層の損傷回復とを行う。また、この加熱処理により、注入したエルビウムおよび酸素を拡散させることで、界面７０４に、エルビウムおよび酸素がドープされる状態を形成し、図７Ｃに示すように、２つのシリコン層の界面７０４に希土類および酸素がドープされた活性層７１２を形成する。

以上のようにして、２つのシリコン層の界面に希土類および酸素がドープされた活性層７１２を形成した後、第１シリコン層７０１に接続する第１電極（不図示）を形成し、第２シリコン層７０３に接続する第２電極（不図示）を形成する。例えば、スパッタリング法によりチタンなどの金属を蒸着することで、各電極を形成すればよい。

上述したことにより製造したシリコン発光素子によれば、２つのシリコン層の界面に希土類および酸素をドープすることで活性層を形成しているので、ドープされた希土類および酸素は、界面に凝集されるようになる。これは、２つのシリコン層の界面においては、内包されている元素（原子）を凝集する効果があるためである。このため、実施の形態５におけるシリコン発光素子においては、活性層においてエルビウム−酸素原子コンプレックスが高い効率で形成されるようになる。この結果、実施の形態５のシリコン発光素子においても、発光の効率をより高めることができるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、２つのシリコン層の界面を形成し、この界面に希土類および酸素をドープすることで活性層を形成するようにしたので、通信波長帯で発光するエルビウムなどの希土類と酸素とを添加したシリコンによる発光素子の発光効率を、より高めることができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、ＳＯＩ基板としては、ＳＩＭＯＸ（Separation by implanted oxygen）基板、Ｓｏｉｔｅｃ社製のＵＮＩＢＯＮＤ基板、キャノン社製のＥＲＴＲＡＮ（Epitaxial layer transfer）基板を用いることができる。また、希土類は、エルビウムに限るものではなく、例えば、ツリウムであってもよい。ツリウムであれば、通信波長帯の発光が得られる。

１０１…第１シリコン層、１０２…第２シリコン層、１０３…界面、１０４…活性層。

Claims

基板の上の第１シリコン層に第２シリコン層を貼り合わせる第１工程と、
前記第１シリコン層と前記第２シリコン層との界面に希土類および酸素をドープして前記界面に活性層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
請求項１記載のシリコン発光素子の製造方法において、
基部の上に埋め込み絶縁層を介して表面シリコン層が形成されているＳＯＩ基板の前記表面シリコン層を前記第１シリコン層に貼り合わせ、前記埋め込み絶縁層および前記基部を除去することで、前記第１シリコン層に前記表面シリコン層からなる前記第２シリコン層を貼り合わせることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
基板の上の第１シリコン層に酸化シリコン層を介して第２シリコン層が形成された基板の前記酸化シリコン層に希土類および酸素をドープする第１工程と、
不活性な雰囲気で加熱することで前記酸化シリコン層を消失させ、前記第１シリコン層と前記第２シリコン層との界面に希土類および酸素がドープされた活性層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
基板の上の第１シリコン層に希土類および酸素をドープしてドープ層を形成する第１工程と、
前記ドープ層を形成した側の前記第１シリコン層の表面に第２シリコン層を貼り合わせる第２工程と、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層を加熱して前記ドープ層の希土類および酸素を拡散させることで、前記第１シリコン層と前記第２シリコン層との界面に希土類および酸素をドープして前記界面に活性層を形成する第３工程と
を少なくとも備えることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコン発光素子の製造方法において、
前記第１シリコン層は第１導電型とし、前記第２シリコン層は第２導電型とすることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコン発光素子の製造方法において、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層は同じ導電型とすることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のシリコン発光素子の製造方法において、
前記希土類は、エルビウムであることを特徴とするシリコン発光素子の製造方法。