JPH0983075A - シリコン系発光材料の製造方法 - Google Patents
シリコン系発光材料の製造方法Info
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- JPH0983075A JPH0983075A JP23578595A JP23578595A JPH0983075A JP H0983075 A JPH0983075 A JP H0983075A JP 23578595 A JP23578595 A JP 23578595A JP 23578595 A JP23578595 A JP 23578595A JP H0983075 A JPH0983075 A JP H0983075A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 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５ｎ
ｍ以下に小さくする。
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。 【解決手段】 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５ｎ
ｍ以下に小さくする。
Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【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、（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、（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。
ランジスタとの集積回路を示す断面図。
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。
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。
Claims (1)
- 【請求項１】 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シリコン系発光材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23578595A JP3447859B2 (ja) | 1995-09-13 | 1995-09-13 | シリコン系発光材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23578595A JP3447859B2 (ja) | 1995-09-13 | 1995-09-13 | シリコン系発光材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0983075A true JPH0983075A (ja) | 1997-03-28 |
| JP3447859B2 JP3447859B2 (ja) | 2003-09-16 |
Family
ID=16991221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23578595A Expired - Fee Related JP3447859B2 (ja) | 1995-09-13 | 1995-09-13 | シリコン系発光材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3447859B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005074557A (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-24 | Japan Science & Technology Agency | ナノスケール物質の構造制御方法 |
| JPWO2003106583A1 (ja) * | 2002-06-18 | 2005-10-13 | 財団法人新産業創造研究機構 | 一重項酸素発生光増感剤及びそれを用いた一重項酸素発生方法 |
| JP2006514445A (ja) * | 2003-03-21 | 2006-04-27 | インテル・コーポレーション | 改良された発光装置のシステム及び方法 |
| US7105425B1 (en) * | 2002-05-16 | 2006-09-12 | Advanced Micro Devices, Inc. | Single electron devices formed by laser thermal annealing |
| JP2008182247A (ja) * | 2007-01-25 | 2008-08-07 | Au Optronics Corp | シリコンナノドットを含むシリコンリッチ誘電体層を備える多層構造体及びその製造方法、並びにそのシリコンナノドットを含むシリコンリッチ誘電体層を備える多層構造体含む太陽電池、不揮発メモリ素子、感光素子とその製造方法 |
| JP2008305914A (ja) * | 2007-06-06 | 2008-12-18 | Sharp Corp | 発光素子、半導体チップ、チップモジュール、発光素子の製造方法 |
| JP2009283444A (ja) * | 2008-05-23 | 2009-12-03 | Sharp Corp | 半導体ナノ粒子を埋め込んだ絶縁膜を有するエレクトロルミネセンス素子およびその製造方法 |
| US8007332B2 (en) | 2004-03-15 | 2011-08-30 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Fabrication of a semiconductor nanoparticle embedded insulating film electroluminescence device |
| JP2011178585A (ja) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | National Institute For Materials Science | 一次元構造内にゼロ次元構造が点在するＳｉナノワイヤとその製造法 |
-
1995
- 1995-09-13 JP JP23578595A patent/JP3447859B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7402505B1 (en) | 2002-05-16 | 2008-07-22 | Advanced Micro Devices, Inc. | Single electron devices formed by laser thermal annealing |
| JPWO2003106583A1 (ja) * | 2002-06-18 | 2005-10-13 | 財団法人新産業創造研究機構 | 一重項酸素発生光増感剤及びそれを用いた一重項酸素発生方法 |
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| US7964066B2 (en) | 2003-08-29 | 2011-06-21 | Japan Science And Technology Agency | Method for controlling structure of nano-scale substance, and method for preparing low dimensional quantum structure having nano-scale using the method for controlling structure |
| US8007332B2 (en) | 2004-03-15 | 2011-08-30 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Fabrication of a semiconductor nanoparticle embedded insulating film electroluminescence device |
| JP2008182247A (ja) * | 2007-01-25 | 2008-08-07 | Au Optronics Corp | シリコンナノドットを含むシリコンリッチ誘電体層を備える多層構造体及びその製造方法、並びにそのシリコンナノドットを含むシリコンリッチ誘電体層を備える多層構造体含む太陽電池、不揮発メモリ素子、感光素子とその製造方法 |
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| JP2009283444A (ja) * | 2008-05-23 | 2009-12-03 | Sharp Corp | 半導体ナノ粒子を埋め込んだ絶縁膜を有するエレクトロルミネセンス素子およびその製造方法 |
| JP2011178585A (ja) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | National Institute For Materials Science | 一次元構造内にゼロ次元構造が点在するＳｉナノワイヤとその製造法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3447859B2 (ja) | 2003-09-16 |
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