專利名稱：發(fā)光元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，β-FeSi2引起注目。β-FeSi2資源上是豐富的，是無(wú)害而化學(xué)上安定的半導(dǎo)體。β-FeSi2是禁止帶寬大約0.85eV的直接遷移型半導(dǎo)體。β-FeSi2向Si基板上的外延生長(zhǎng)是可能的。因此，β-FeSi2可望作為環(huán)境負(fù)載小的，下一代的發(fā)光受光元件用材料。
但是，關(guān)于β-FeSi2的特性有很多不明之處。迄今還沒(méi)有觀測(cè)到從連續(xù)的β-FeSi2膜發(fā)光這樣的報(bào)告。有觀測(cè)到從通過(guò)離子注入法或分子外延(MBE)法在Si(100)基板上埋入的FeSi2微晶粒發(fā)出光致發(fā)光(PL)的報(bào)告。但是，該發(fā)光如果使基板升溫則立即熄滅。因此，應(yīng)用到發(fā)光元件很難。此外，該發(fā)光強(qiáng)烈地依存于基板的種類(FZ或CZ)和微晶粒的大小。因此，發(fā)光的控制很難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的課題在于提供一種在Si基板上有β-FeSi2膜的發(fā)光元件。
在一個(gè)側(cè)面，本發(fā)明涉及發(fā)光元件。此發(fā)光元件具有Si基板，與Si基板接觸的β-FeSi2膜，以及設(shè)在Si基板的兩側(cè)的第一和第二電極。β-FeSi2膜具有與Si基板的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型。第一和第二電極夾著Si基板和β-FeSi2膜。
在本發(fā)明的發(fā)光元件中，在Si基板與β-FeSi2膜之間形成pn結(jié)。如果經(jīng)由第一和第二電極向此發(fā)光元件注入電流，則β-FeSi2膜發(fā)光。由于在Si基板上連續(xù)地配置的β-FeSi2膜作為發(fā)光層發(fā)揮功能，所以此發(fā)光元件的發(fā)光特性不容易受基板的種類或純度的影響。
在另一側(cè)面，本發(fā)明涉及發(fā)光元件的制造方法。此方法，制造具有Si基板，與Si基板接觸的β-FeSi2膜，以及設(shè)在Si基板的兩側(cè)的第一和第二電極的發(fā)光元件。β-FeSi2膜具有與Si基板的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型。第一和第二電極夾著Si基板和β-FeSi2膜。此方法，包括加熱清洗Si基板；在第一溫度下在Si基板上形成由β-FeSi2組成的初期層；在比第一溫度高的第二溫度下使初期層生長(zhǎng)而形成β-FeSi2膜；以及在比第二溫度高的第三溫度下退火β-FeSi2膜。
此方法可以制造上述發(fā)光元件。形成初期層，然后通過(guò)使之生長(zhǎng)，可以在Si基板上形成具有高結(jié)晶性的β-FeSi2膜。
本發(fā)明，根據(jù)以下的詳細(xì)地說(shuō)明和附圖，可以更充分地理解。附圖只不過(guò)是舉例表示。因而，不能認(rèn)為附圖是限定本發(fā)明者。
本發(fā)明的更多的運(yùn)用范圍，從以下的詳細(xì)說(shuō)明變得顯而易見(jiàn)。但是，此詳細(xì)說(shuō)明和特定的例子，雖然表示本發(fā)明的最佳形態(tài)，但是只不過(guò)是舉例表示。在本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)的種種的變形和變更，根據(jù)此詳細(xì)說(shuō)明對(duì)本專業(yè)的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。


圖1是表示根據(jù)實(shí)施方式的發(fā)光元件的剖視圖。
圖2是圖1中所示的發(fā)光元件的俯視圖。
圖3是表示電流注入圖1中所示的發(fā)光元件時(shí)的EL強(qiáng)度的曲線圖。
圖4是表示關(guān)于Si基板上的未退火的β-FeSi2膜的X射線衍射分析結(jié)果的曲線圖。
圖5是針對(duì)Si基板上的未退火的β-FeSi2膜表示光子能量與吸收系數(shù)的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面，一邊參照附圖一邊詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。再者，在附圖的說(shuō)明中對(duì)同一要素賦予同一標(biāo)號(hào)，省略重復(fù)的說(shuō)明。
第一實(shí)施方式圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的發(fā)光元件10的剖視圖。圖2是發(fā)光元件10的俯視圖。發(fā)光元件10由Si基板1、β-FeSi2膜2、下部電極3和上部電極4來(lái)構(gòu)成。β-FeSi2膜2和上部電極4設(shè)在基板1的表側(cè)。下部電極3設(shè)在基板1的背側(cè)。下部電極3和上部電極4夾著基板1和β-FeSi2膜2。
Si基板1是通過(guò)切赫拉耳斯基(CZCzochraski)法所制造的n型的Si(111)基板，也就是具有面方位(111)的主面的基板?；宓某叽鐬?英寸?；?具有位于相反側(cè)的表面1A和背面1B。
β-FeSi2膜2覆蓋Si基板1的表面1A地設(shè)在Si基板1上。β-FeSi2膜2具有位于相互相反側(cè)的表面2A和背面2B。背面2B與Si基板1的表面1A接觸。β-FeSi2膜的厚度優(yōu)選是100～250nm，更優(yōu)選是100～200nm。在本實(shí)施方式中，β-FeSi2膜2的厚度為200nm。β-FeSi2膜2的導(dǎo)電類型與Si基板1不同，為p型。
第一電極3，如圖1中所示，覆蓋Si基板1的背面1B的全體地設(shè)在Si基板1上。電極3由Al金屬組成。
第二電極4，如圖1和圖2中所示，等間隔地設(shè)在β-FeSi2膜2的表面2A上。電極4的平面形狀為圓形。電極4與電極3同樣由Al金屬組成。
接下來(lái)就發(fā)光元件10的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。首先，使Si基板1的溫度上升，進(jìn)行基板1的加熱清洗。在此清洗工序中，在2×10-7Torr的本底壓力(background pressure)的基礎(chǔ)上使基板1的溫度上升到850℃，維持該溫度30分鐘。
接著，在施行了加熱清洗的基板1的表面1A上形成β-FeSi2的薄的初期層。為在初期層的形成，用高真空濺射裝置，具體地說(shuō)具有負(fù)載鎖定裝置的RF磁控管濺射裝置?？梢杂霉腞F磁控管濺射裝置。RF磁控管濺射裝置可以低溫且高速地形成β-FeSi2膜。
生長(zhǎng)溫度優(yōu)選是440～550℃，更優(yōu)選是480～520℃。在本實(shí)施方式中，生長(zhǎng)溫度為500℃。在此溫度下濺射純度99.99％的Fe靶子形成β-FeSi2初期層。此初期層的導(dǎo)電類型為p型。初期層的厚度，優(yōu)選是5～80nm。在本實(shí)施方式中，初期層的厚度為20nm。在初期層的形成中，把氬氣壓力控制成3×10-3Torr。
接著，使形成了初期層的基板1的溫度在RF磁控管濺射裝置內(nèi)上升到730～760℃，以35nm/小時(shí)的速度使β-FeSi2初期層生長(zhǎng)到200nm的厚度。β-FeSi2的膜厚通過(guò)用掃描電鏡(SEM)觀察膜的斷面來(lái)測(cè)定。所得到的β-FeSi2膜具有幾乎平坦的表面。其導(dǎo)電類型為p型。β-FeSi2膜的空穴濃度在室溫下大致為1018cm-3，其空穴移動(dòng)度在室溫下為大約20cm2/V·s。
接著，退火β-FeSi2膜。借此可以得到本實(shí)施方式的發(fā)光元件10的β-FeSi2膜。熱退火的溫度優(yōu)選是790～850℃。在本實(shí)施方式中，退火溫度為800℃。在此熱退火中，使形成了β-FeSi2膜的Si基板1暴露于800℃的氮?dú)鈿夥?0小時(shí)。此熱退火在石英管中進(jìn)行。β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型仍然為p型。結(jié)果，在n型的Si基板1與p型的β-FeSi2膜2之間形成pn結(jié)。在800℃下退火β-FeSi2膜2后，其空穴密度減少到在室溫下大致為1016cm-3，其空穴移動(dòng)度增加到在室溫下100cm2/V·s。
接著，在Si基板1的表側(cè)和背側(cè)形成電極。具體地說(shuō)，在Si基板1的背面1B上真空沉積Al金屬形成下部電極3。此外，在β-FeSi2膜2的表面2A上用掩模真空沉積Al金屬形成上部電極4。下部電極3與上部電極4先形成哪一個(gè)都可以。如果形成了這些電極3和4，則本實(shí)施方式的發(fā)光元件10完成。
如果通過(guò)Al電極3和4向這樣得到的p型β-FeSi2膜2/n型CZ-Si基板1異質(zhì)結(jié)構(gòu)注入直流電流，則在室溫下1.5μm帶的發(fā)光被確認(rèn)。圖3中示出電致發(fā)光(EL)光譜的順向電流依存性。從圖3可以看出，越注入高的電流EL強(qiáng)度越強(qiáng)。
發(fā)光元件10作為發(fā)光層有連續(xù)地設(shè)在Si基板1上的β-FeSi2膜。因此，其發(fā)光特性不容易受基板的種類或純度的影響。因而，發(fā)光元件10的制造工序的控制是容易的。
可用濺射制造具有均一的多個(gè)發(fā)光元件10的大面積的晶片。由于濺射簡(jiǎn)易而低成本，所以發(fā)光元件10也可以低成本地批量生產(chǎn)。
第二實(shí)施方式下面說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施方式。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，如果在更高的溫度下進(jìn)行β-FeSi2膜的退火，則β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型從p型變成n型。在本實(shí)施方式中，利用此導(dǎo)電類型的變化，制造了在p型的Si基板上有n型的β-FeSi2膜的發(fā)光元件。
本實(shí)施方式的發(fā)光元件20，與第一實(shí)施方式同樣，具有圖1中所示的構(gòu)成。但是，基板1的種類和導(dǎo)電類型與β-FeSi2膜2的導(dǎo)電類型與第一實(shí)施方式不同。
Si基板1是通過(guò)浮游帶域(FZ)法所制造的p型的Si(111)基板?；宓某叽鐬?英寸。
β-FeSi2膜2的導(dǎo)電類型與Si基板1不同，為n型。β-FeSi2膜2覆蓋Si基板1的表面1A的全體地設(shè)在Si基板1上。
接下來(lái)，就發(fā)光元件20的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。此方法與上述第一實(shí)施方式同樣，包括清洗工序、初期層形成工序、生長(zhǎng)工序和退火工序。
在清洗工序中，與第一實(shí)施方式同樣，在2×10-7Torr的本底壓力的基礎(chǔ)上使基板1的溫度上升到850℃，維持該溫度30分鐘。
在初期層形成工序中，濺射純度99.99％的Fe靶子，形成厚度5～80nm的β-FeSi2初期層。生長(zhǎng)溫度為450℃。初期層的導(dǎo)電類型為p型。濺射用RF磁控管濺射裝置。在初期層的形成中，氬氣壓力控制成3×10-3Torr。
在生長(zhǎng)工序中，使形成了初期層的基板1的溫度在RF磁控管濺射裝置內(nèi)上升到700～760℃，使β-FeSi2初期層生長(zhǎng)到250nm的厚度。β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型仍然為p型。β-FeSi2膜的空穴濃度在室溫下大致為2×1018cm-3，其空穴移動(dòng)度在室溫下為20cm2/V·s。
接著，退火β-FeSi2膜。熱退火的溫度優(yōu)選是880～900℃。在本實(shí)施方式中，退火溫度為890℃。在此熱退火中，使形成了β-FeSi2膜的Si基板1暴露于890℃的氮?dú)鈿夥?0小時(shí)。此熱退火在石英管中進(jìn)行。通過(guò)熱退火，β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型從p型變成n型。結(jié)果，在p型的Si基板1與n型的β-FeSi2膜2之間形成pn結(jié)。通過(guò)890℃退火，載流子濃度降低，移動(dòng)度上升。具體地說(shuō)，可以得到3～10×1016cm-3的電子濃度，和最大230cm2/V·s的移動(dòng)度。
退火工序后，與第一實(shí)施方式同樣形成上部電極3和下部電極4。借此，完成本實(shí)施方式的發(fā)光元件20。
如果通過(guò)Al電極3和4向這樣得到的n型β-FeSi2膜2/p型FZ-Si基板1異質(zhì)結(jié)構(gòu)注入直流電流，則在室溫下發(fā)光元件20可以發(fā)光。這樣一來(lái)，在本實(shí)施方式中也是，可以得到作為發(fā)光層具有連續(xù)地設(shè)在Si基板1上的β-FeSi2膜2的發(fā)光元件20。
本發(fā)明者們就在Si基板1上所生長(zhǎng)的退火前的β-FeSi2膜進(jìn)行了X射線衍射分析。圖4是表示其結(jié)果的曲線圖。此X射線衍射分析用四結(jié)晶衍射計(jì)來(lái)進(jìn)行。
如圖4中所示，就β-FeSi2膜2而言，跨越寬范圍的衍射角僅出現(xiàn)一個(gè)尖峰。也就是說(shuō)，在基板信號(hào)的臨近處檢測(cè)到β-FeSi2(220)或(202)的尖峰。因而，β-FeSi2膜具有高的(110)或(101)取向性。
β-FeSi2尖峰的鎖定曲線(ω掃描)具有15arcmin(弧分)的半值寬度(FWHM)。這表示β-FeSi2尖峰極其狹窄。因而，β-FeSi2膜具有高的結(jié)晶性。
本發(fā)明者們針對(duì)圖4的試樣調(diào)查了面內(nèi)外延排列(in-planaepitaxial arrangements)。結(jié)果，β-FeSi2的(001)方向(不是(010)方向)與Si基板的(110)方向是平行的。這是強(qiáng)力支持β-FeSi2膜的生長(zhǎng)方向的(110)取向性者。
此外，本發(fā)明者們，調(diào)查了β-FeSi2膜的室溫下的光子能量與吸收系數(shù)的關(guān)系。圖5是表示其結(jié)果的曲線圖。在圖5中，由虛線所示的直線表示能夠直接遷移。此直線在與能量軸(橫軸)的交叉點(diǎn)處給出0.82eV的能帶隙。
連續(xù)的高取向性的β-FeSi2膜，在剛加熱退火之后不立即形成初期層，也可以在Si基板上直接生長(zhǎng)。但是，如果用X射線衍射分析的結(jié)果，則不形成初期層的場(chǎng)合的β-FeSi2尖峰的ω掃描半值寬度與形成初期層的場(chǎng)合相比要寬30％以上。因而，查明形成初期層的一方，可以得到結(jié)晶性更高的β-FeSi2膜。
在上述實(shí)施方式中，在p型FZ-Si基板上形成β-FeSi2膜。但是，可以認(rèn)為即使用p型CZ-Si基板，通過(guò)初期層的形成和生長(zhǎng)可以得到具有高的結(jié)晶性的β-FeSi2膜。
以上，基于其實(shí)施方式詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明。但是，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式。本發(fā)明，在不脫離其精神的范圍內(nèi)可進(jìn)行種種的變形。
例如，在上述實(shí)施方式中，接觸于β-FeSi2膜的表面2A地設(shè)置電極4。但是，也可以在β-FeSi2膜上形成Si蓋層，把電極設(shè)在該蓋層上。通過(guò)設(shè)置蓋層，可以指望發(fā)光效率的提高。
此外，在上述實(shí)施方式中，作為在基板上制造β-FeSi2膜用的高真空濺射裝置使用RF磁控管濺射裝置。但是，也可以使用其他方式的磁控管濺射裝置。其特征在于，RF磁控管濺射堆積法，由于可在Si(111)基板上設(shè)置連續(xù)的高取向性的β-FeSi2膜因而適合使用。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的發(fā)光元件，具有設(shè)在Si基板上的β-FeSi2膜作為發(fā)光層。由于發(fā)光層不是基板內(nèi)的微晶粒而是基板上的連續(xù)的膜，所以本發(fā)明的發(fā)光元件的發(fā)光特性，不容易受基板的種類或純度的影響。因此，本發(fā)明的發(fā)光元件，可以通過(guò)容易控制的制造工序來(lái)制造。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件，其特征在于，具有Si基板；與所述Si基板接觸，具有與所述Si基板的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型的β-FeSi2膜；和設(shè)在所述Si基板的兩側(cè)，夾著所述Si基板和所述β-FeSi2膜的第一和第二電極。
2.如權(quán)利要求1中所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述Si基板的導(dǎo)電類型為n型，所述β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型為p型。
3.如權(quán)利要求1中所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述Si基板的導(dǎo)電類型為p型，所述β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型為n型。
4.如權(quán)利要求1～3中的任何一項(xiàng)中所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述Si基板的面方位為(111)，所述β-FeSi2膜具有(110)或(101)取向性。
5.一種發(fā)光元件的制造方法，該發(fā)光元件具有Si基板；與所述Si基板接觸，具有與所述Si基板的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型的β-FeSi2膜；以及設(shè)在所述Si基板的兩側(cè)，夾著所述Si基板和所述β-FeSi2膜的第一和第二電極，該制造方法，包括加熱清洗所述Si基板，在第一溫度下在所述Si基板上形成由β-FeSi2組成的初期層，在比所述第一溫度高的第二溫度下使所述初期層生長(zhǎng)而形成β-FeSi2膜，以及在比所述第二溫度高的第三溫度下退火所述β-FeSi2膜。
6.如權(quán)利要求5中所述的方法，其特征在于，所述第一溫度為440～550℃。
7.如權(quán)利要求5或6中所述的方法，其特征在于，所述第二溫度為700～760℃。
8.如權(quán)利要求5～7中的任何一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于，所述第三溫度為790～850℃。
9.如權(quán)利要求5～7中的任何一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于，所述第三溫度為880～900℃。
10.如權(quán)利要求5中所述的方法，其特征在于，加熱清洗所述Si基板包括加熱清洗n型的所述Si基板，在所述Si基板上形成所述初期層包括在所述Si基板上形成p型的所述初期層，使所述初期層生長(zhǎng)包括使所述初期層生長(zhǎng)而形成p型的β-FeSi2膜。
11.如權(quán)利要求5中所述的方法，其特征在于，加熱清洗所述Si基板包括加熱清洗p型的所述Si基板，在所述Si基板上形成所述初期層包括形成p型的所述初期層，使所述初期層生長(zhǎng)包括使所述初期層生長(zhǎng)而形成p型的β-FeSi2膜，退火所述β-FeSi2膜包括使所述β-FeSi2膜的導(dǎo)電類型從p型變成n型。
12.如權(quán)利要求5～11中的任何一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于，所述Si基板的面方位為(111)。
13.如權(quán)利要求5～12中的任何一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于，在所述Si基板上形成所述初期層包括通過(guò)RF磁控管濺射法形成所述β-FeSi2膜。
14.如權(quán)利要求5～13中的任何一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于，使所述初期層生長(zhǎng)包括通過(guò)RF磁控管濺射法使所述β-FeSi2膜生長(zhǎng)。
全文摘要
發(fā)光元件(10)具有設(shè)在Si基板(1)的表面上的β－FeSi
文檔編號(hào)H01L21/02GK1679175SQ0382018
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者楚樹(shù)成, 菅博文 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社