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JPH0983075A - Method for producing silicon-based light emitting material - Google Patents

Method for producing silicon-based light emitting material

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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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JP
Japan
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silicon
light emitting
nanocrystals
particle size
silicon nanocrystals
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JP23578595A
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Japanese (ja)
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Kenji Todori
顕司 都鳥
Shuji Hayase
修二 早瀬
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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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。
(57) 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. SOLUTION: A silicon oxide film containing silicon nanocrystals is irradiated with laser light having a predetermined wavelength of 500 nm or less in an oxygen-containing atmosphere to oxidize the surface of the silicon nanocrystals that absorbs the laser light. The particle size is 5n
Reduce to m or less.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
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 in a light emitting device such as a light emitting diode and a semiconductor laser.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art At present, most of materials for semiconductor very large scale integrated circuits are occupied by silicon. The reason for this is that silicon is a very excellent material which has the advantages that silicon is easily available and inexpensive, large single crystals can be produced, and integrated circuits can be produced with a high yield. However, since the silicon single crystal has an indirect transition type electronic band structure, it is difficult to observe light emission, and it is difficult to use it as a light emitting element.

【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。
Therefore, conventionally, a semiconductor laser (hereinafter,
LD) and light emitting diode (hereinafter referred to as LED)
III-V such as GaAs or ZnSe as the material of
Group-based or II-VI group-based compound semiconductor materials are used. However, there are many difficulties in manufacturing a device using a compound semiconductor. Further, in order to expand the use of the device, it is possible to emit light of short wavelength such as blue, violet and ultraviolet light.
D and LED are desired.

【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。
Under these circumstances, research and development of light emitting silicon such as porous silicon have recently become active. Silicon-based materials for which luminescence has been observed so far include porous silicon, polysilane, silicon nanocrystals, siloxene and Si.
1-x Ge x / Si superlattices are known. That is, light emission is observed when the size of the silicon crystal is reduced to reduce the dimension of the atomic arrangement. For example, silicon microcrystals having a grain size on the order of nm (silicon nanocrystals)
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 the light emission observed in porous silicon is actually caused by silicon nanocrystals.

【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。
There are some reports on the above-mentioned silicon nanocrystals (for example, Hiroshi Takagi, Masanori Sandome, Yoji Yano, Takashi Nakagiri, Solid State Physics, Vol. 27, No. 11,
1992, p. 874-879; Y. Kanemit
su, T .; Ogawa, K .; Shirai, K .;
Takeda, J .; Lumin. 60-61, 337-
339 (1994)). The former discloses a method of producing silicon nanocrystals by the plasma CVD method. That is, the substrate is placed in the CVD chamber and
After evacuating to -6 Pa, monosilane gas is supplied together with a carrier gas (H 2 or Ar or a mixed gas thereof) and decomposed by microwave (2.45 GHz) plasma to generate silicon nanocrystals. In this case, the silicon nanocrystals in the gas are carried 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.

【0006】一方ここで、モノシランとSi(OC2
54 (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。
On the other hand, here, monosilane and Si (OC 2 H
By supplying 5 ) 4 (hereinafter referred to as TEOS) alternately or simultaneously, silicon nanocrystals can be dispersed 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 the conditions suitable for the light emitting material are provided.

【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。
However, it is known that the particle size of the silicon nanocrystals in the silicon oxide film thus obtained varies, and a distribution containing a large number of particles having a large particle size is shown (Y. Kanemitsu, T. Ogawa, K .;
Shirai, and K. Takeda, Phy
s. Rev. B48, 4883 (1993)). Since the conduction band level of such a silicon nanocrystal having a large grain size is low, when carriers are injected, the carriers are accumulated in the levels and it is difficult to contribute to light emission. Further, in forming the LD, the luminous efficiency is increased by concentrating the density of states of excited electrons. Therefore, as can be easily understood from the above, it is desirable to realize a particle size distribution containing less silicon nanocrystals having a large particle size in application to a light emitting device. However, conventionally, no method has been known for controlling the particle size distribution of silicon nanocrystals.

【0008】[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。
As described above, a silicon-based light emitting material containing silicon nanocrystals is promising as a constituent material of a light emitting device, but conventionally, the particle size distribution cannot be controlled and the particle size is controlled. Good emission cannot be obtained when a silicon nanocrystal having a large size is included. Further, considering the manufacturing process of the light emitting device, it is desirable to realize such control of the particle size distribution in the gas phase.

【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。
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】[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。
The method for producing a silicon-based light-emitting material of the present invention comprises irradiating a silicon oxide film containing silicon nanocrystals with a laser beam having a predetermined wavelength of 500 nm or less in an oxygen-containing atmosphere, It is characterized in that the surface of silicon nanocrystals of a size that absorbs laser light is oxidized to control the particle size thereof.

【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。
In the present invention, the oxygen-containing atmosphere has only to contain oxygen in an amount of 3% or more, and may be an inert gas atmosphere such as nitrogen containing oxygen, helium, or argon, an air atmosphere, or a 100% oxygen atmosphere.

【0012】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The principle of the present invention will be described below.
First, when a fused state of a silicon oxide film and silicon is formed on a substrate such as a silicon wafer by CVD or sputtering and annealed in vacuum or in an inert gas, silicon atoms are aggregated and silicon nanocrystals are deposited. When laser annealing is performed in this state, electrons in the outermost shell of silicon are excited in the silicon nanocrystals that absorb the laser light of the wavelength (ν) used, and when they are relaxed, they are heated by the interaction with phonons. As a result, melting or activation of silicon occurs. FIG. 1A shows this phenomenon based on the band structure.
On the other hand, in the silicon nanocrystal that does not absorb the laser light, the state of silicon does not change.

【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。
In the present invention, laser annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere. In this case, the silicon nanocrystals that absorb the laser light are melted or activated and the surface is oxidized, so that the substantial particle size becomes smaller. Further, as the laser beam, a laser beam having a wavelength ν having an energy hν corresponding to the band-to-band excitation energy of the silicon nanocrystal having the particle size to be controlled is used (however, the momentum does not change with the band-to-band excitation energy). Means the minimum transition energy of, and is a little different from the band gap because silicon is an indirect transition type). Therefore, in the present invention, among silicon nanocrystals, those having an interband excitation energy smaller than the energy hν of the laser beam, that is, those having a relatively large particle size are oxidized and the substantial particle size is reduced. Further, as the particle size becomes smaller, the band-to-band excitation energy of silicon nanocrystals gradually increases, and when it becomes larger than hν, the laser light is not absorbed and the oxidation does not proceed. FIG. 1B shows this phenomenon based on the band structure. In this way, the grain size of the silicon nanocrystals can be controlled to be equal to or smaller than the target grain size. In the present invention, by using a laser beam having a wavelength of 500 nm or less, it is possible to make the particle diameter of the silicon nanocrystals 5 nm or less, and it is possible to satisfy a preferable condition as a light emitting material.

【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。
In the present invention, in order to form a silicon nanocrystal by annealing a mixed substance of a silicon oxide film produced by plasma CVD or the like and a silicon atom, laser light having a wavelength used in a vacuum chamber is 30% or more. A transparent window made of transparent glass or the like may be provided, a laser may be installed outside the window, and annealing may be performed with the laser light. In particular, when 80% or more of the light having a wavelength of 200 nm or more is used, it is desirable to use quartz glass as the material of the transparent window. Further, laser annealing in an oxygen-containing atmosphere to control the particle size of silicon nanocrystals does not need to be hermetically sealed as long as an environment in which unnecessary gas is not mixed in from the outside, for example, glass The sample chamber and laser can be combined.

【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。
In the present invention, conditions such as plasma CVD are adjusted so that the distance between the silicon nanocrystals dispersed in the silicon oxide film is a distance at which current can be injected by tunneling of electrons and holes. Preferably. Further, if polysilane is arranged between the silicon nanocrystals, the current easily flows and the emission wavelength can be changed. In order to disperse silicon nanocrystals and polysilane in the silicon oxide film, TEOS is supplied in plasma CVD so that SiO x (0 <X <
In the process of forming 2), silane, simultaneously or alternately,
Disilane, trisilane, tetrasilane, or a mixed gas thereof may be supplied.

【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。
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. In addition, such a silicon-based light emitting device 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 for a liquid crystal panel currently used for a display panel. That is, since the current liquid crystal panel has two polarizing plates in front of the lamp, at least 1/2 of the light is not used. However, the multicolor silicon light emitting integrated circuit display does not have such a problem and consumes light. It is possible to reduce power consumption and improve screen brightness.

【0017】[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。
Embodiments of the present invention will be described below. Example 1 A silicon wafer was placed in an LPCVD reaction furnace and evacuated. The temperature of the silicon wafer is set to 700 ° C., TEOS (tetraethoxysilane), silane and tetrachlorosilane are supplied together with a carrier gas,
A mixed substance of SiO 2 and silicon atoms was deposited to a film thickness of 500 nm on a silicon substrate. Next, this silicon wafer is transferred into a vacuum chamber, and at room temperature,
The film on the silicon wafer was annealed by irradiating THG (wavelength 355 nm) of a pulse Q-switch YAG laser of 10 Hz. At this time, 10 pulses were irradiated with the energy per pulse being 3 J / cm 2 . When observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that silicon nanocrystals having a particle size of 2 to 7 nm were present. The particle size distribution of the silicon nanocrystals at this time is shown in FIG. 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.

【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。
Next, in order to reduce the particle size by oxidizing the surface of the silicon nanocrystal having a large particle size, O 2 : H
In the oxygen-containing atmosphere of e = 1: 1, the second harmonic of Q-switched Ti: sapphire laser (wavelength 380 nm) was repeatedly applied to the film on the silicon wafer at 1 kHz, peak power density 300 kW / cm 2 , pulse width 300 nsec.
It was irradiated under the conditions of. Observe this with a transmission electron microscope,
Fig. 2 (b) shows the results of examining the particle size distribution of silicon nanocrystals.
Shown in

【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。
As is clear from the comparison between FIGS. 2 (a) and 2 (b), the proportion of silicon nanocrystals having a grain size 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.

【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。
The obtained silicon-based light-emitting material was added to the third harmonic (wavelength: 300) of a Q-switched Ti: sapphire laser.
nm) repeatedly at 1 kHz, peak power density 30 W
When irradiation was performed under the conditions of / cm 2 and a pulse width of 300 nsec, emission at a wavelength of 390 nm was confirmed.

【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。
Example 2 An example of manufacturing an integrated circuit of a light emitting element and a MOS transistor having the structure shown in FIG. 3 will be described. This device has a structure in which a diffusion layer of a MOS transistor, which serves as an electrode, is connected to both ends of a silicon oxide film in which silicon nanocrystals which are a light emitting material are dispersed.

【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。
First, a region which becomes 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 on the bottom of this trench by sputtering. An oxide film 3 is deposited on this Al layer 2.

【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。
Next, in the same manner as in Example 1, after the inside of the LPCVD reaction furnace was evacuated, the temperature of the silicon substrate 1 was adjusted to 70.
The temperature is set to 0 ° C., TEOS, silane and tetrachlorosilane are supplied together with a carrier gas to deposit a mixed substance of SiO 2 and silicon atoms on the oxide film 3 to a film thickness of 500 nm. This silicon substrate 1 is transferred into a vacuum chamber, and a 10 Hz film is formed on the oxide film 3 at room temperature.
Pulse Q-switch YAG laser THG (wavelength 35
5 nm) and anneal. Furthermore, O 2 : Ar
The second harmonic of the Q-switched Ti: sapphire laser (wavelength 3
80 nm) to oxidize the surface of silicon nanocrystals having a large grain size. In this way, the light emitting layer 4 containing silicon nanocrystals with uniform grain size is formed.

【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。
Next, a region where one of the electrodes is formed is selectively etched to form a trench, and an oxide film 3 is deposited on the bottom of the trench. After depositing polysilicon in the trench, it is annealed to form a single crystal. Arsenic is ion-implanted into this polysilicon and annealed to further promote single crystallization to form an n + type diffusion layer 5. Similarly, a region in which the other electrode is formed is selectively etched to form a trench, and the oxide film 3 is deposited on the bottom of the trench. After depositing polysilicon in the trench, it is annealed to form a single crystal.
Boron is ion-implanted into this polysilicon and annealed to further promote single crystallization to form the p + -type diffusion layer 6.
These two electrodes are formed non-parallel so as not to form a resonator.

【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
+ 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。
Further, the n-type well region 7, the n + type diffusion layer 8, the p + type diffusion layer 9, the gate insulating film 10 and the gate electrode 1 are formed.
1 and 12 are sequentially formed to fabricate a device. In this element, 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 are emitted.
Emission of nm is produced.

【0026】[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。
As described above, by using the method of the present invention, the particle size distribution of silicon nanocrystals can be controlled in the gas phase, and a silicon-based light emitting material suitable as a material for a light emitting device can be manufactured. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
1A is a diagram showing a band structure of a silicon nanocrystal, and FIG. 1B is a diagram showing a change in a band structure of a silicon nanocrystal due to oxidation.

【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。
FIG. 2A is a particle size distribution diagram of silicon nanocrystals before oxidation, and FIG. 2B is a particle size distribution diagram of silicon nanocrystals after oxidation.

【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。
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.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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。
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.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A silicon oxide film containing silicon nanocrystals is irradiated with laser light of a predetermined wavelength of 500 nm or less in an oxygen-containing atmosphere to oxidize the surface of the silicon nanocrystals of a size that absorbs the laser light. A method for producing a silicon-based light-emitting material, which comprises controlling the particle size of the material.
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