JP2007329468A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【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シリコン系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３０は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５）とエルビウム（Ｅｒ）を含む発光層１２の両側に、ｐ型透明導電膜５１およびｎ型透明導電膜５２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型透明導電膜５１およびｎ型透明導電膜５２は発光層１２よりもバンドギャップが大きい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、電流注入型シリコン系発光素子の実現を可能とする。これにより、集積回路内への発光素子の実装が容易となる。
【選択図】図６

Description

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。

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）系材料をベースとした各光デバイス（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く、発光材料としてはガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の直接遷移型であるＩＩＩ−Ｖ族半導体によるものが殆どであったからである。このような状況の中で、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、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。また、シリコン基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いて発光素子を形成することが困難である等の問題もあった。

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。
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 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

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。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。

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、電流注入が容易なシリコン系の発光素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明の発光素子は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５）とエルビウム（Ｅｒ）とを含む発光層を備えたものである。

本発明の発光素子では、発光層が酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５）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。

また、本発明の発光素子では、発光層の両側に発光層の屈折率よりも低い屈折率を有する一対のクラッド層を設けるようにしてもよい。これにより、効率的な光閉じ込めが可能となる。

一対のクラッド層としては、例えば第１透明導電膜（ｎ型）およびフォトニック結晶層（ｐ型）があり、あるいは、第１透明導電膜（ｎ型）および第２透明導電膜（ｐ型）がある。

第１透明導電膜としては、二酸化スズ（ＳｎＯ₂）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、および酸化亜鉛（ＺｎＯ）が挙げられる。また、第２透明導電膜としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）、酸化鉄（ＦｅＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化プラセオジム（Ｐｒ₂Ｏ₃）、酸化タリウム（Ｔｌ₂Ｏ₃）、デラフォサイト（ＣｕＡｌＯ₂）およびストロンチウム銅酸化物（ＳｒＣｕ₂Ｏ₂）が挙げられる。これらの材料は、発光層よりも低い屈折率を有すると共に、発光層よりも大きなバンドギャップを有するため、光閉じ込めに加えて、キャリア（電子、正孔）の閉じ込めも可能となり、動作電圧が大幅に低減する。

本発明の他の発光素子は、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とエルビウム（Ｅｒ）とを含み、光学的バンドギャップが１．１以上４．０以下である発光層を備えたものである。これにより、電流注入の際の発光層へのキャリアの障壁が低くなり、効率的なキャリア閉じ込めが可能となる。

本発明の発光素子の製造方法は、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）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上に堆積させて薄膜を形成したのち、この薄膜に対して３５０℃以上６５０℃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。

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、酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５）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、発光層がシリコンと酸素とエルビウムとを含み、光学的バンドギャップが１．１以上４．０以下となるようにしたので、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。

また、発光層の両側に、発光層よりもバンドギャップの大きな一対の透明導電膜を設けるようにすれば、効率的なキャリア閉じ込めが可能となるため、量子効率が向上し、動作電圧が大幅に低減する。これにより、光励起を伴わない電流注入型のシリコン系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。

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の伝送のみに留まらず、外部の通信網とコンピュータとの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、同装置の低コスト化および低消費電力化を図ることができる。

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６３３ｎｍ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。

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、酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５、以下ＳｉＯ_xという。）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１．５μｍである。ＳｉＯ_xは、ケイ素（Ｓｉ）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の中間組成を有し、かつ均一組成となっている。また、このＳｉＯ_xの組成は、０．５＜ｘ＜１．５である。また、好ましくは０．８＜ｘ＜１．４である。さらに、このＳｉＯ_xの光学的バンドギャップは１〜４ｅＶ、好ましくは１．５〜３ｅＶ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。

ここで、発光層１２に対するエルビウムの含有量は、０．５原子％（atomic％）以上１０原子％以下であることが好ましく、１原子％以上７原子％以下であることがより好ましい。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。

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。

まず、図２（Ａ）に示したように、基板１１上に、一酸化ケイ素とエルビウムとを同時に堆積して、薄膜１２Ａを例えば１．５μｍの膜厚で形成する。このとき、真空度を例えば１×１０^-1Ｐａ〜１×１０^-6Ｐａとし、エルビウムと一酸化ケイ素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。

また、蒸着時の雰囲気ガスとして、例えば１×１０Ｐａ〜１×１０^-4Ｐａの酸素含有ガス、ケイ素含有ガス等を用いてもよい。酸素含有ガスを用いることにより、ＳｉＯ_xの組成をＳｉＯ₂（ｘ＝２）に近づけることができ、ケイ素含有ガスを用いることにより、ＳｉＯ_xの組成をＳｉ（ｘ＝０）に近づけることができる。従って、酸素含有ガスとケイ素含有ガスの両方を用いて、それぞれの流量を調節しつつ堆積を行うことにより、形成される薄膜１２Ａ内のケイ素と酸素の組成比を調整することが可能となる。ケイ素含有ガスとしては、例えば、シラン（ＳｉＨ₄）、テオス（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）等が挙げられる。さらに、蒸着時の基板温度は、例えば２０℃以上８００℃以下とすることが可能である。

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、ＳｉＯ_x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３５０℃〜８５０℃であり、好ましくは３５０℃以上６５０℃以下、より好ましくは５５０℃である。熱処理温度が３５０℃よりも低いと上記イオン化があまり促進されず、逆に８５０℃よりも高くなるとＳｉＯ_xがケイ素と二酸化ケイ素に分離し、これによりエルビウムイオンがケイ素に取り込まれて非イオン化して光学的に不活性化するためである。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。

本実施の形態の発光素子１０では、発光層１２が酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５）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。このとき、ｘが０．５よりも小さいと酸素の含有量が不十分となり、エルビウム原子のほとんどが酸素と結合できず光学的に活性化されないため好ましくない。一方、ｘが１．５よりも大きいとＳｉＯ_xの組成がＳｉＯ₂に近くなりバンドギャップが増加してしまうため好ましくない。

また、光励起あるいは電流注入により、母材であるＳｉＯ_x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、ＳｉＯ_xのエネルギー状態が局在化していないため、絶縁破壊が生じにくく、素子寿命が格段に延びる。

さらに、エルビウムの含有量が０．５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１〜４ｅＶと低いことにより、発光層１２における効率的なキャリア閉じ込めが可能となり、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。

また、発光層１２の製造方法では、熱処理の温度を３５０℃以上８５０℃以下、特に３５０℃以上６５０℃以下とすることにより、ＳｉＯ_xにおける吸収係数が増加し、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。

〔第２の実施の形態〕
図３（Ａ）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の発光層１２上にｐ型電流注入層２１、ＺｎＯ発光層２２、ｎ型電流注入層２３が順に積層して構成されるものである。発光素子２０では、図３（Ｂ）に示したように、ｎ型電流注入層２３とｐ型電流注入層２１の間に電圧が印加されると、ＺｎＯ発光層２２において電子と正孔が再結合して発光層１２側に紫外光（波長２００ｎｍ〜４００ｎｍ）または可視光（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍ）を発光する。この紫外光または可視光が発光層１２に対して照射されることにより、これが励起光となって発光層１２内のエルビウムが励起され、蛍光を生じる。なお、ＺｎＯ発光層１４の代わりに、有機材料などの可視光を生ずる発光層により構成することも可能である。

また、図４に示したように、ｐ型電流注入層２１およびｎ型電流注入層２３については、必ずしも設けられていなくてもよく、例えば発光層１２上に、ｐ型ＺｎＯ層２２ｐとｎ型ＺｎＯ層２２ｎとを積層した構成としてもよい。

〔第３の実施の形態〕
図５（Ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子３０の断面構成を表す図である。この発光素子３０は、発光素子１０の発光素子１２の上下に、ｎ型シリコン層３１およびｐ型シリコン層３２を設けたものである。また、発光層１２左右の端面は、それぞれ反射率が適切に設定された共振構造となっており、これによりレーザ発振がなされるようになっている。

発光素子３０では、発光層１２がＳｉＯ_xとエルビウムとにより構成されているので、ｎ型シリコン層３１とｐ型シリコン層３２の間に電圧が印加されると、発光層１２において電子と正孔の再結合が起こり、これによって励起されるエルビウムイオン内の電子により赤外光を発光する。この光は、発光層１２の左右の端面で反射され、一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、外部にビームとして出射される。このとき、発光層１２の光学的バンドギャップが１〜４ｅＶと狭いため、図５（Ｂ）に示したように、ｎ型シリコン層３１及びP型シリコン層３２から発光層１２へのキャリア注入における障壁が低くなる。これにより、従来型のシリコン等、バンドギャップの狭い層で発光層１２を挟み込んだ構造であっても、動作電圧を低減させることが可能となる。

〔第４の実施の形態〕
図６は、第１の実施の形態に係る発光素子１０に光閉じ込め構造（レーザ構造）を設けて作製した発光素子４０の断面構造を表すものである。

この発光素子４０は、発光素子１０における発光層１２の上下に、一対のクラッド層としてのｎ型透明導電膜４１およびｐ型フォトニック結晶層４２を設けたものである。また、発光層１２の左右の端面は、それぞれ反射率が適切に設定された共振構造となっており、これにより、レーザ発振がなされるようになっている。

ｎ型透明導電膜４１およびｐ型フォトニック結晶層４２は、発光層１２の屈折率よりも低い屈折率を有する材料により構成されている。例えば、ｎ型透明導電膜４１は二酸化スズ（ＳｎＯ₂）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の透明導電膜により構成され、厚みは例えば３μｍである。ｐ型フォトニック結晶層４２は、例えばケイ素（Ｓｉ）より成るフォトニック結晶により構成され、厚みは例えば１μｍである。

発光素子４０は、例えば次のようにして作成する。まず、ｎ型透明導電膜４１を、例えばスパッタ法や蒸着法により基板１１上に形成した後、ｎ型透明導電膜４１上に発光層１２を上述の方法により形成する。次いで、この発光層１２上に、ｐ型フォトニック結晶層４２を、例えば電子線描画とドライエッチングの組み合わせにより形成する。

本実施の形態の発光素子４０では、発光層１２がＳｉＯ_xとエルビウムとにより構成されているので、ｎ型透明導電膜４１とｐ型フォトニック結晶層４２との間に電圧が印加されると、発光層１２において電子と正孔の再結合が起こり、これによって励起されるエルビウムイオン内の電子により赤外光を発光する。この光は、発光層１２の左右の端面で反射され、上記発光素子３０と同様、外部にビームとして出射される。また、ｎ型透明導電膜４１およびｐ型フォトニック結晶層４２が、発光層１２の屈折率よりも低い屈折率を有しているので、効率的な光閉じ込めが可能となる。

また、ｐ型フォトニック結晶層４２を、例えばケイ素等のフォトニック結晶により構成されるようにしたので、結晶中の空気孔の密度を大きくすることにより平均的な屈折率を下げることが可能となり、発光層１２における光閉じ込め効率が向上する。

〔第５の実施の形態〕
図７は、第１の実施の形態に係る発光素子１０に光閉じ込め構造（レーザ構造）を設けて作製した発光素子５０の断面構造を表すものである。

この発光素子５０は、発光素子１０における発光層１２の上下に、一対のクラッド層としてのｐ型透明導電膜５１およびｎ型透明導電膜５２を設けたものである。また、発光層１２の左右の端面は、それぞれ反射率が適切に設定された共振構造となっており、これにより、レーザ発振がなされるようになっている。

ｐ型透明導電膜５１およびｎ型透明導電膜５２は、発光層１２の屈折率よりも低い屈折率を有すると共に、発光層１２よりも大きなバンドギャップを有する材料により構成されている。例えば、ｎ型透明導電膜５２は、二酸化スズ、インジウム錫酸化物、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）のうち少なくとも一種の透明導電膜により構成され、ｐ型透明導電膜５１は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）、酸化鉄（ＦｅＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化プラセオジム（Ｐｒ₂Ｏ₃）、酸化タリウム（Ｔｌ₂Ｏ₃）、デラフォサイト（ＣｕＡｌＯ₂）およびストロンチウム銅酸化物（ＳｒＣｕ₂Ｏ₂）のうち少なくとも一種の透明導電膜により構成されている。これらの材料は、多結晶またはアモルファス構造を有し、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型透明導電膜５１およびｎ型透明導電膜５２の膜厚は、それぞれ例えば１μｍ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。

本実施の形態の発光素子５０においても、発光層１２がＳｉＯ_xとエルビウムとにより構成されているので、ｐ型透明導電膜５１およびｎ型透明導電膜５２に電圧が印加されると、発光層１２において電子と正孔の再結合が起こり、これによって励起されるエルビウムイオン内の電子により赤外光を発光する。この光は、発光層１２の左右の端面によって反射され、上記発光素子３０と同様、外部にビームとして出射される。このとき、ｎ型透明導電膜５１およびｐ型透明導電膜５２が、発光層１２の屈折率よりも低い屈折率を有しているので、効率的な光閉じ込めが可能となる。

次に、ｎ型透明導電膜５１およびｐ型透明導電膜５２が発光層１２よりも大きなバンドギャップを有することの作用・効果について、図８を参照して説明する。図８には、発光素子５０の模式図（Ａ）と、その比較例としてエルビウムを添加したＳｉＯ₂発光層１０２をｎ型シリコン層１０１とｐ型シリコン層１０３とで挟み込んだ構造を有する発光素子１００（非特許文献２）の模式図（Ｂ）とを示した。なお、図（Ｃ）は、発光素子５０における発光原理を表す模式図である。

発光素子１００では、発光層１０２を挟み込むｎ型シリコン層１０１およびｐ型シリコン層１０３よりも発光層１０２のバンドギャップが大きいため、ｎ型シリコン層１０１およびｐ型シリコン層１０３から発光層１０２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１０２においてキャリア閉じ込めができず、量子効率が低下する。また、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。

これに対して、本実施の形態の発光素子５０では、ＳｉＯ_xのバンドギャップが１〜４ｅＶ程度であり、上記ＳｉＯ_２よりもバンドギャップが小さい。さらに、そのＳｉＯ_xを含む発光層１２をバンドギャップ４ｅＶ程度の透明導電膜で挟み込んだ構造であるため、透明導電膜から発光層１２へのキャリア注入における障壁が無い。これにより、発光層１２においてキャリアが効果的に閉じ込められ、キャリア密度が高くなる。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（数Ｖ）程度にまで低減され、従来の約１／１０の消費電力で駆動できるので、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。

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、シリコン基板１０上に、一酸化ケイ素と一酸化ケイ素に対する組成比が１％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１．５μｍ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。また、熱処理の温度は、３５０℃、５５０℃、７５０℃とした。各温度において、室温でＨｅＮｅレーザ（波長６３３ｎｍ）を照射して、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＝−ｌｎ（透過率）／膜厚）を求めた。結果を図９および図１０に示す。

図１０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３５０℃においては２．８ｅＶ、５５０℃において２．６ｅＶ、７５０℃において２．３５ｅＶとなり、バンドギャップが大幅に低減されていることがわかった。この結果を、熱処理温度に対するバンドギャップの関係として図１１に示す。

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）を測定した。ＰＬスペクトルの測定結果を図１２に示す。この際、熱処理の温度は、３５０℃（図中Ａ）、４５０℃（図中Ｂ）、５５０℃（図中Ｃ）、６５０℃（図中Ｄ）、７５０℃（図中Ｅ）、８５０℃（図中Ｆ）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（６３３ｎｍ）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。

また、図１３には、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）の関係を示した。この結果、波長１．５μｍ帯での発光強度は、熱処理温度を高くするに連れて徐々に増加していき（図中Ａ，Ｂ）、５５０℃で最大（図中Ｃ）となり、５５０℃を越えると減少傾向を示した（図中Ｄ，Ｅ，Ｆ）。これは、３５０℃〜５５０℃においては、温度の増加と共に、エルビウム原子と酸素原子の結合が促進されてイオン化し、光学的に活性化されるためと考えられる。一方で、５５０℃を越えると、ＳｉＯ_xがケイ素と二酸化ケイ素に分離する傾向が強まることにより、エルビウムがケイ素に取り込まれて非イオン化し、光学的に不活性化するためと考えられる。

また、波長１．５μｍ帯での発光強度が最大となる５５０℃で熱処理した際のＳｉＯ_xの組成を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）により測定したところ、ｘ＝１．２７という結果を得た。このとき、図１４に示したように、深さ方向（ＳｉＯ_x層表面からＳｉ基板との界面まで）に組成を測定し、エッチング時間３４分の深さにおける組成（Ｓｉ：４２．８原子％、Ｏ：５４．３原子％、Ｅｒ：２．９原子％）より、上記結果を得た。

また、図１５には、エルビウムの含有量ごとに、ＰＬスペクトルを測定した結果を示す。図１６には、波長１．５μｍ付近における発光強度（発光ピーク値）を、エルビウムの含有量に対してまとめたものを示す。なお、エルビウムの含有量は、１原子％、５原子％および１０原子％とした。これらの図に示したように、エルビウムの含有量１０原子％以下において、波長１．５μｍ帯域で発光ピークの向上がみられた。また、０〜５原子％程度までは、含有量が高くなるにつれて発光ピークが徐々に高くなり、５原子％を超えると発光ピークが徐々に低下する傾向を示した。

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

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。 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（Ａ）と、その発光原理を表すエネルギーバンドの模式図（Ｂ）である。 第２の実施形態に係る他の発光素子の概略構成を表す断面図である。 第３の実施形態に係る発光素子の概略構成を表す断面図（Ａ）と、その発光原理を表すエネルギーバンドの模式図（Ｂ）である。 第４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。 第５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。 第５の実施形態に係る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。 実施例に係る発光層における透過率の波長依存性を表す特性図である。 実施例に係る発光層における吸収係数の波長依存性を表す特性図である。 実施例に係る発光層におけるバンドギャップの熱処理温度依存性を表す特性図である。 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。 実施例に係る発光素子の熱処理の温度に対するＰＬ強度のピーク値（最高値）の関係を表す特性図である。 実施例に係る発光素子のＳｉＯ_x組成の測定方法を説明するための図である。 実施例に係る発光素子のエルビウム含有量ごとのＰＬスペクトルを示す図である。 実施例に係る発光素子のエルビウム含有量に対するＰＬ強度のピーク値を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０…発光素子、１１…基板、１２…発光層、２１…ｐ型電流注入層、２２…ＺｎＯ発光層、２３…ｎ型電流注入層、３１…ｎ型シリコン層、３２…ｐ型シリコン層、４１，５２…ｎ型透明導電膜、４２…ｐ型フォトニック結晶層、５１…ｐ型透明導電膜。

Claims (8)

1. 酸化ケイ素（ＳｉＯ_x，０．５＜ｘ＜１．５）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。
2. 前記発光層を間にして一対のクラッド層を有し、前記クラッド層はそれぞれ前記発光層の屈折率よりも低い屈折率を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記クラッド層の一方が第１透明導電膜、前記クラッド層の他方が第２透明導電膜により構成され、
   前記第１透明導電膜および前記第２透明導電膜は、前記発光層よりもバンドギャップが大きい
   ことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
4. 前記第１透明導電膜は、二酸化スズ（ＳｎＯ₂）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）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３に記載の発光素子。
5. 前記第２透明導電膜は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）、酸化鉄（ＦｅＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化プラセオジム（Ｐｒ₂Ｏ₃）、酸化タリウム（Ｔｌ₂Ｏ₃）、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。
6. 前記発光層の前記エルビウムの含有量が、０．５原子％以上１０原子％以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
7. シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とエルビウム（Ｅｒ）とを含み、光学的バンドギャップが１．１以上４．０以下である発光層
   を備えたことを特徴とする発光素子。
8. 一酸化ケイ素（ＳｉＯ）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３５０℃以上６５０℃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工程
   とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。

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