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JP5689832B2 - Method for manufacturing silicon light emitting device - Google Patents

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JP5689832B2 JP2012026964A JP2012026964A JP5689832B2 JP 5689832 B2 JP5689832 B2 JP 5689832B2 JP 2012026964 A JP2012026964 A JP 2012026964A JP 2012026964 A JP2012026964 A JP 2012026964A JP 5689832 B2 JP5689832 B2 JP 5689832B2
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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。 The present invention relates to a manufacturing method of a silicon light emitting element using silicon that rare-earth doped, such as erbium.

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。   The field of silicon photonics, which aims to monolithically fabricate optical waveguides, light-emitting elements (active devices), and light-receiving elements (passive devices) on a silicon substrate, has greatly advanced. Among these, it is considered difficult to realize an active device, and at present, development (research) of a high-efficiency light-emitting diode (LED) element using silicon as an active layer is being actively pursued.

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。   If a silicon light emitting diode (Si-LED) structure is to be produced, there are significant technical advantages to using silicon for the active layer for light emission, but there are significant problems. First, the advantages will be described. By using silicon, fusion of silicon electronic device technology represented by LSI and optical device technology can be realized. If this fusion is realized by silicon photonics technology, the power consumption of silicon devices can be reduced and the cost of device manufacturing can be significantly reduced.

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。   However, as is generally well known, silicon is an indirect transition type semiconductor and generally has a low luminous efficiency. For this reason, there is an essential problem that it is difficult to realize a high-intensity light-emitting element with silicon. In addition, when aiming to use silicon photonics technology in combination with optical fiber communication technology, the emission wavelength of the active layer of the silicon light emitting diode needs to be in the near infrared region, for example, about 1.5 μm. This is because it is desirable that the pump light and signal light necessary for the optical device are near infrared light in the communication wavelength band. Therefore, meeting these technical requirements is very important for the development and realization of light emitting elements (active devices) using silicon.

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。   Several techniques for utilizing silicon as an active layer of a light emitting device have been proposed from the viewpoint of material development. Use of silicon nanocrystals, formation of ultrathin silicon films and epitaxial films thereof, use of defects formed in silicon substrates, addition of rare earth to silicon substrates (for example, ion implantation), or a combination of these techniques Is mentioned.

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。   First, a technique of ion-implanting a light emitting element into silicon is the most basic method (see Non-Patent Document 1). For example, erbium can be optically activated by ion-implanting a rare earth such as erbium into a silicon substrate, followed by heat treatment. Since light emission from the transition from the first excited level of the erbium ion to the ground level is about 1550 nm, silicon can be emitted in the near infrared region by emitting doped erbium.

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)。   Furthermore, an advantage of the ion implantation method is that, in addition to the rare earth, a light element such as oxygen and nitrogen or a metal such as silver can be added (co-added) together with the rare earth (see Non-Patent Document 3). For example, it is known that when erbium and oxygen are co-added, a light emitter called an erbium-oxygen atom complex is formed, thereby enhancing the light emission of erbium (see Non-Patent Document 2 and Patent Document 1). .

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。   However, the upper limit of the amount of erbium and oxygen that can be implanted into the silicon substrate is determined by the solid solubility of erbium and oxygen in silicon, and when the implantation amount increases, a large number of defects are formed in the silicon substrate. It is mentioned as a drawback. Furthermore, since the density of the ion-implanted element (atom) shows a wide Gaussian distribution in the depth direction under normal implantation conditions, it is difficult to effectively bring erbium and oxygen close to each other, and the number of erbium-oxygen emitters is reduced. There is also a problem that it is difficult to increase.

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)。   Next, the use of silicon nanocrystals has the advantage that silicon itself can emit light as a direct transition type when the size (particle size) of the silicon nanoparticles is 3 nm or less where quantum confinement of light occurs. However, since the emission wavelength of nanocrystals is not a communication wavelength band, it does not directly lead to fusion with communication technology of silicon photonics. Attempts have also been made to ion-implant rare earth, particularly erbium, into a silicon oxide film containing silicon nanoparticles to emit light in the communication wavelength band (see Non-Patent Document 3 and Patent Document 2).

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。   This technique has an advantage that the emission wavelength of silicon can be adjusted to the communication wavelength band by transferring the energy absorbed by the silicon nanocrystal to erbium ions and emitting erbium ions. However, not all implanted erbium ions contribute to light emission. The upper limit of the number that contributes to light emission is almost determined by the number of silicon nanoparticles, and since there are not enough erbium ions that can contribute to light emission, there is a problem that light cannot be emitted with high intensity or lasing (oscillation). is there. In addition, the amorphous oxide film containing silicon nanocrystals added with erbium can enhance the emission of erbium. However, since the film itself is an insulator, current cannot flow through the film, and a light emitting diode ( There is a problem that the structure of the LED) is inappropriate.

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。   In addition, in order to use the light emission of defects in silicon as an LED, artificial defects can be introduced as a method of ion-implanting light elements such as hydrogen and nitrogen into silicon, or at the bonding interface of silicon substrates. There is a method using a dislocation network that is used (see Non-Patent Documents 4 and 5). With this technique, a silicon light-emitting diode is actually realized (see Non-Patent Document 4). However, when the defect light emission artificially introduced into silicon is used as an LED, there is a problem that the light emission efficiency is not good as in the above-described technique.

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。   Considering the advantages and disadvantages of the above techniques, when a current injection type light emitting element is considered, a technique for effectively forming a light emitter made of erbium and oxygen on silicon shows a high possibility. Therefore, realization of a silicon light emitting diode doped with rare earth such as erbium and oxygen that emits light with high intensity in the communication wavelength band is strongly demanded.

特開2004−319668号公報JP 2004-319668 A 特開2004−281972号公報JP 2004-281972 A

A. J. Kenyon, "Erbium in silicon", Semicond. Sci. Technol. , vol.20, pp.R65-R84, 2005.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.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.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.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.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。   However, as described above, when erbium and oxygen are ion-implanted into the silicon substrate, the implanted atoms are widely distributed in the depth direction from the surface in the silicon substrate. And oxygen cannot be effectively combined. Further, when the amount of ion implantation of erbium and oxygen is increased, defects in the silicon substrate also increase, so that there is a problem that the light emission efficiency of erbium in the silicon substrate cannot be increased.

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。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is intended to further improve the light emission efficiency of a light-emitting element using silicon to which rare earth such as erbium that emits light in a communication wavelength band and oxygen is added. Objective.

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。   The method for manufacturing a silicon light emitting device according to the present invention includes: a first step of bonding a second silicon layer to a first silicon layer on a substrate; and a rare earth and an interface between the first silicon layer and the second silicon layer. And a second step of doping the oxygen to form an active layer at the interface.

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。   In the method for manufacturing a silicon light emitting device, the surface silicon layer of the SOI substrate in which the surface silicon layer is formed on the base via the buried insulating layer is bonded to the first silicon layer, and the buried insulating layer and the base are removed. Thus, the second silicon layer made of the surface silicon layer may be bonded to the first silicon layer.

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。   The method for manufacturing a silicon light emitting device according to the present invention includes a first step of doping a silicon oxide layer of a substrate having a second silicon layer on the first silicon layer on the substrate with a silicon oxide layer interposed between the rare earth and oxygen. And a second step of forming an active layer doped with rare earth and oxygen at the interface between the first silicon layer and the second silicon layer by eliminating the silicon oxide layer by heating in an inert atmosphere. .

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。   The method for manufacturing a silicon light emitting device according to the present invention includes a first step of doping a first silicon layer on a substrate with rare earth and oxygen to form a doped layer, and a first silicon on the side on which the doped layer is formed. A second step of bonding the second silicon layer to the surface of the layer, and heating the first silicon layer and the second silicon layer to diffuse the rare earth and oxygen of the doped layer, whereby the first silicon layer and the second silicon layer And a third step of forming an active layer at the interface by doping rare earth and oxygen at the interface.

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。   In the method for manufacturing a silicon light emitting device, the first silicon layer may be a first conductivity type, and the second silicon layer may be a second conductivity type. The first silicon layer and the second silicon layer may have the same conductivity type.

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。   In the method for manufacturing the silicon light emitting device, the rare earth may be erbium.

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。   As described above, according to the present invention, it is possible to further improve the light emission efficiency of the light emitting element using silicon to which rare earth such as erbium that emits light in the communication wavelength band and oxygen is added.

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。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a silicon light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention. 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。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the method for manufacturing the silicon light emitting element in the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon light emitting device in the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4C is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4E is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process, for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in Embodiment 3 of the present invention. 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。FIG. 5C is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 5D is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process, for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 5E is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process, for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 6A is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the fourth embodiment of the present invention. 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。FIG. 6B is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the fourth embodiment of the present invention. 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。FIG. 6C is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the fourth embodiment of the present invention. 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。FIG. 7A is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the fifth embodiment of the present invention. 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。FIG. 7B is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in Embodiment 5 of the present invention. 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。FIG. 7C is a schematic cross-sectional view showing the state of each step in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the fifth embodiment of the present invention.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
First, a method for manufacturing a silicon light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a silicon light emitting device in an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the state of each process in the manufacturing process.

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。   First, as shown in FIG. 1A, a first silicon layer 101 is prepared. The first silicon layer 101 is formed on a predetermined substrate. The substrate is, for example, a silicon substrate. In this case, the first silicon layer 101 is a portion on the surface side of the silicon substrate. In other words, the first silicon layer 101 is a silicon substrate. Next, as shown in FIG. 1B, the second silicon layer 102 is bonded to the first silicon layer 101. The second silicon layer 102 may be a silicon substrate. In the case of using a silicon substrate, after bonding, the second silicon layer 102 may be formed by thinning to a predetermined thickness. Here, it is important that the first silicon layer 101 and the second silicon layer 102 are single crystal silicon.

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。   The first silicon layer 101 and the second silicon layer 102 may be n-type and p-type by introducing predetermined impurities, respectively. For example, the first silicon layer 101 may be n-type, the second silicon layer 102 may be p-type, the first silicon layer 101 may be p-type, and the second silicon layer 102 may be n-type. May be. Both may be p-type or n-type.

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。   When the first silicon layer 101 which is a silicon substrate and the second silicon layer 102 which is a silicon substrate are bonded together, first, the bonded surfaces of the silicon substrates are respectively cleaned and chemically etched in hydrogen fluoride water. . By this treatment, the natural oxide film on the bonding surface of each silicon substrate is removed, and a hydrophobic hydrogen termination surface is formed on the surface of the bonding surface of each silicon substrate. Next, as shown in FIG. 2, the orientation of the silicon substrate 201 and the orientation of the silicon substrate 202 are set to arbitrary angles (φ, θ). In this state, both are crimped at room temperature (about 23 ° C.). θ is the rotation angle, and φ is the tilt angle.

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。   Next, the two silicon substrates bonded together at room temperature as described above are subjected to a treatment of heating at 200 ° C. to 400 ° C., and both are bonded together completely. After the second silicon layer 102 is bonded to the first silicon layer 101 in this way, the silicon substrate of the second silicon layer 102 is ground and polished to be thinned. With this thin layer, the depth from the surface side of the second silicon layer 102 to the interface 103 is adjusted.

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。   Next, as shown in FIG. 1C, the active layer 104 is formed on the interface 103 by doping the interface 103 between the first silicon layer 101 and the second silicon layer 102 with rare earth and oxygen. For example, heating is performed at 400 ° C. to 700 ° C., and the rare earth and oxygen are doped using, for example, an ion implantation method. The rare earth may be erbium.

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。 Here, it is important to appropriately set the ion implantation conditions so that the maximum distribution of the implantation amount in the depth direction matches the interface 103. When rare earth and oxygen are added by the ion implantation method, the implantation amount may be, for example, about 1 × 10 14 to 1 × 10 15 cm −2 . The optimum amount of ion implantation is appropriately set according to the layer thickness of the second silicon layer 102. After the ion implantation, the first silicon layer 101 and the second silicon layer 102 are heated to 700 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere to activate the implanted ions and recover the damage of the silicon layer by the ion implantation. I do.

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。   After forming the active layer 104 doped with rare earth and oxygen at the interface 103 between the two silicon layers as described above, the first electrode 301 connected to the first silicon layer 101 is formed as shown in FIG. Then, the second electrode 302 connected to the second silicon layer 102 is formed. For example, each electrode may be formed by depositing a metal such as titanium by a sputtering method. 3 includes a first silicon layer 101 formed on a substrate, a second silicon layer 102 bonded to the surface of the first silicon layer 101, a first silicon layer 101, and a second silicon layer. An active layer 104 formed by doping rare earth and oxygen is provided at the interface 103 with the layer 102.

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。   According to the silicon light emitting device manufactured as described above, since the active layer is formed by doping rare earth and oxygen at the interface between the two silicon layers, the doped rare earth and oxygen are aggregated at the interface. It becomes like this. This is because there is an effect of aggregating the contained elements (atoms) at the interface between the two silicon layers. For this reason, in the silicon light emitting device in the first embodiment, an erbium-oxygen atom complex (Er-O complex) is formed with high efficiency in the active layer. As a result, according to the silicon light emitting device of the first embodiment, the light emission efficiency can be further increased.

[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。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4E. 4A to 4E are schematic cross-sectional views showing the states of the respective steps in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light emitting element in the second embodiment of the present invention.

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。   First, as shown in FIG. 4A, an SOI substrate is prepared in which a surface silicon layer 403 is formed on a silicon base 401 via a buried insulating layer 402. The surface silicon layer 403 is single crystal silicon. Next, as shown in FIG. 4B, the silicon base 401 is thinned by cutting and polishing.

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。   Next, as shown in FIG. 4C, the surface silicon layer 403 of the SOI substrate described above is bonded to the surface of the silicon substrate 404. The silicon substrate 404 is made of single crystal silicon. In this bonding, the bonding surfaces of the silicon substrate 404 and the surface silicon layer 403 are each cleaned and chemically etched in hydrogen fluoride water. By this treatment, the natural oxide film on each bonding surface is removed, and a hydrophobic hydrogen termination surface is formed on the surface of each bonding surface. Next, the orientation of the silicon substrate 404 and the orientation of the surface silicon layer 403 are set to an arbitrary angle. In this state, both are pressure-bonded at room temperature.

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。   Next, the silicon base 401 is cut and polished by mechanical polishing to be thinned, and additionally removed by chemical etching with an alkali such as potassium hydroxide. Further, the buried insulating layer 402 is removed by etching using, for example, hydrogen fluoride. As a result, the silicon base 401 and the buried insulating layer 402 are removed, and the surface silicon layer (second silicon layer) 403 is bonded onto the silicon substrate (first silicon layer) 404 as shown in FIG. 4D. State.

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。   Next, as shown in FIG. 4E, the interface 405 between the silicon substrate 404 and the surface silicon layer 403 is doped with rare earth and oxygen to form an active layer 406 at the interface 405. For example, heating is performed at 400 ° C. to 700 ° C., and the rare earth and oxygen are doped using, for example, an ion implantation method. The rare earth may be erbium.

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。 Here, it is important to appropriately set the ion implantation conditions so that the maximum distribution of the implantation amount in the depth direction matches the interface 405. When rare earth and oxygen are added by the ion implantation method, the implantation amount may be, for example, about 1 × 10 14 to 1 × 10 15 cm −2 . The optimum amount of ion implantation is appropriately set according to the layer thickness of the surface silicon layer 403. After the ion implantation, the silicon substrate 404 and the surface silicon layer 403 are heated to 700 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere to activate the implanted ions and recover silicon damage by the ion implantation.

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。   As described above, after forming the active layer 406 doped with rare earth and oxygen at the interface between the two silicon layers, the first electrode (not shown) connected to the silicon substrate 404 is formed, and the surface silicon layer 403 is formed on the surface silicon layer 403. A second electrode (not shown) to be connected is formed. For example, each electrode may be formed by depositing a metal such as titanium by a sputtering method.

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。   According to the silicon light emitting device manufactured as described above, since the active layer is formed by doping rare earth and oxygen at the interface between the silicon substrate and the surface silicon layer, the doped rare earth and oxygen are present at the interface. Aggregates. This is because there is an effect of aggregating the contained elements (atoms) at the interface between the two silicon layers. For this reason, also in the silicon light emitting device in the second embodiment, the erbium-oxygen atom complex is formed with high efficiency in the active layer. As a result, also in the silicon light emitting device of the second embodiment, the light emission efficiency can be further increased.

[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。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5E. 5A to 5E are schematic cross-sectional views showing the states of the respective steps in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light-emitting element in the third embodiment of the present invention.

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。   First, as shown in FIG. 5A, an SOI substrate is prepared in which a surface silicon layer 503 is formed on a silicon base 501 with a buried insulating layer 502 interposed therebetween. The surface silicon layer 503 is single crystal silicon. Next, as shown in FIG. 5B, the silicon base portion 501 is thinned by cutting and polishing.

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。   Next, as shown in FIG. 5C, on the surface of the surface silicon layer 506 of the other SOI substrate in which the surface silicon layer 506 is formed on the silicon base 504 via the buried insulating layer 505, the above-described SOI substrate is formed. A surface silicon layer 503 is bonded. The surface silicon layer 506 is single crystal silicon. In this bonding, the bonded surfaces of the surface silicon layer 506 and the surface silicon layer 503 are each cleaned and chemically etched in hydrogen fluoride water. By this treatment, the natural oxide film on each bonding surface is removed, and a hydrophobic hydrogen termination surface is formed on the surface of each bonding surface. Next, the orientation of the surface silicon layer 506 and the orientation of the surface silicon layer 503 are set to an arbitrary angle. In this state, both are pressure-bonded at room temperature.

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。   Next, the silicon base portion 501 is thinned by cutting by mechanical polishing, and additionally removed by chemical etching with an alkali such as potassium hydroxide. Further, the buried insulating layer 502 is removed by etching using, for example, hydrogen fluoride. As a result, the silicon base 501 and the buried insulating layer 502 are removed, and a surface silicon layer (second silicon layer) is formed on the surface silicon layer (first silicon layer) 506 of another SOI substrate as shown in FIG. 5D. Layer) 503 is bonded.

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。   Next, as shown in FIG. 5E, the interface 507 between the surface silicon layer 506 and the surface silicon layer 503 is doped with rare earth and oxygen to form an active layer 508 at the interface 507. For example, heating is performed at 400 ° C. to 700 ° C., and the rare earth and oxygen are doped using, for example, an ion implantation method. The rare earth may be erbium.

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。 Here, it is important to appropriately set the ion implantation conditions so that the maximum distribution of the implantation amount in the depth direction matches the interface 507. When rare earth and oxygen are added by the ion implantation method, the implantation amount may be, for example, about 1 × 10 14 to 1 × 10 15 cm −2 . The optimum amount of ion implantation is appropriately set according to the thickness of the surface silicon layer 503. After the ion implantation, the surface silicon layer 506 and the surface silicon layer 503 are heated to 700 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere to activate the implanted ions and recover silicon damage by the ion implantation.

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。   As described above, after forming the active layer 508 doped with rare earth and oxygen at the interface between the two silicon layers, the first electrode (not shown) connected to the surface silicon layer 506 is formed, and the surface silicon layer 503 is formed. A second electrode (not shown) connected to is formed. For example, each electrode may be formed by depositing a metal such as titanium by a sputtering method. Further, the first electrode connected to the surface silicon layer 506 may be formed at a portion where the surface silicon layer 506 is exposed by removing a part of the surface silicon layer 503.

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。   According to the silicon light emitting device manufactured as described above, since the active layer is formed by doping rare earth and oxygen at the interface between the silicon substrate and the surface silicon layer, the doped rare earth and oxygen are present at the interface. Aggregates. This is because there is an effect of aggregating the contained elements (atoms) at the interface between the two silicon layers. For this reason, also in the silicon light emitting device in the third embodiment, the erbium-oxygen atom complex is formed with high efficiency in the active layer. As a result, also in the silicon light emitting device of the third embodiment, the light emission efficiency can be further increased.

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。   In the third embodiment, since the active layer is formed at the silicon layer interface above the buried insulating layer, it can be applied to a light excitation device in addition to application to a light emitting device by electronic excitation. For example, by patterning using a known lithography technique and etching technique, it is possible to form an optical waveguide structure with a buried insulating layer as a cladding and a silicon layer with an active layer as a core. A device can be realized. In addition, in the same manner, an optical amplification amplifier, a photonic crystal, and the like can be realized.

[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。
[Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6C. 6A to 6C are schematic cross-sectional views showing the states of the respective steps in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light emitting element in the fourth embodiment of the present invention.

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。   First, as shown in FIG. 6A, an SOI substrate is prepared in which a surface silicon layer 603 is formed on a silicon base 601 with a buried silicon oxide layer 602 interposed therebetween.

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。   Next, the buried silicon oxide layer 602 is doped with rare earth, and as shown in FIG. 6B, the rare earth-added layer 612 is formed so as to be sandwiched between the silicon base 601 and the surface silicon layer 603. . For example, rare earth is doped using an ion implantation method. The rare earth may be erbium. Here, it is important to appropriately set the ion implantation conditions so that the maximum distribution in the depth direction of the implantation amount matches the buried silicon oxide layer 602.

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。   When the rare earth-added layer 612 is formed between the silicon base 601 and the surface silicon layer 603 as described above, these are heated to 1000 to 1350 ° C. in an inert atmosphere to eliminate silicon oxide. The inert atmosphere may be a vacuum or a nitrogen or argon atmosphere. The inert atmosphere may be a nitrogen or argon gas atmosphere with a low oxygen concentration.

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。 When heated in such an inert atmosphere, the rare earth-added layer 612 that was a buried silicon oxide layer made of silicon oxide disappears due to the reaction of “Si (solid phase) + SiO 2 → 2SiO”. Due to this disappearance, as shown in FIG. 6C, the silicon base 601 and the surface silicon layer 603 are bonded together. Further, oxygen atoms dissolved in the silicon base portion 601 and the surface silicon layer 603 are precipitated at the interface 604. As a result, the interface 604 is doped with erbium and oxygen, and an active layer 605 is formed.

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。   After forming the active layer 605 doped with rare earth and oxygen at the interface between the two silicon layers as described above, the first electrode (not shown) connected to the silicon base 601 is formed and connected to the surface silicon layer 603. A second electrode (not shown) is formed. For example, each electrode may be formed by depositing a metal such as titanium by a sputtering method.

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。   According to the silicon light emitting device manufactured as described above, since the active layer is formed by doping rare earth and oxygen at the interface between the silicon base and the surface silicon layer, the doped rare earth and oxygen are present at the interface. Aggregates. This is because there is an effect of aggregating the contained elements (atoms) at the interface between the two silicon layers. For this reason, also in the silicon light emitting device in the fourth embodiment, the erbium-oxygen atom complex is formed with high efficiency in the active layer. As a result, also in the silicon light emitting device of the fourth embodiment, the light emission efficiency can be further increased.

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。   Further, according to the fourth embodiment, erbium is doped into an amorphous buried silicon oxide layer made of silicon oxide. For this reason, generation | occurrence | production of the damage (defect) in a silicon crystal by ion implantation can be suppressed now.

[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。
[Embodiment 5]
Next, a method for manufacturing the silicon light emitting element in the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A to 7C. FIG. 7A to FIG. 7C are schematic cross-sectional views showing the states of the respective steps in the manufacturing process for explaining the method for manufacturing the silicon light emitting element in the embodiment of the present invention.

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。   First, as shown in FIG. 7A, a doped layer 702 is formed in the vicinity of the surface of the first silicon layer 701 by doping rare earth and oxygen. For example, heating is performed at 400 ° C. to 700 ° C., and the rare earth and oxygen are doped using, for example, an ion implantation method. The rare earth may be erbium. Here, the ion implantation conditions may be appropriately set so that the maximum distribution in the depth direction of the implantation amount is about 50 nm deep from the surface of the first silicon layer 701. The implantation depth may be set so that the rare earth and oxygen can reach the interface by the diffusion of rare earth and oxygen described later.

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。   Next, as shown in FIG. 7B, a second silicon layer 703 is bonded to the surface of the first silicon layer 701 on the side where the doped layer 702 is formed. For example, the bonding surface of each silicon layer is cleaned and chemically etched in hydrogen fluoride water. By this treatment, the natural oxide film on the bonding surface of each silicon layer is removed, and a hydrophobic hydrogen termination surface is formed on the surface of the bonding surface of each silicon layer. Next, the orientation of each silicon layer is set to an arbitrary angle (φ, θ), and both are pressure-bonded at room temperature (about 23 ° C.).

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。   Next, as described above, the two silicon layers bonded at room temperature are heated to 700 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the two are completely bonded together, and activation of the implanted ions and ion implantation are performed. And repairing damage to the silicon layer. Further, by this heat treatment, the implanted erbium and oxygen are diffused to form a state in which erbium and oxygen are doped at the interface 704, and as shown in FIG. 7C, a rare earth is formed at the interface 704 of the two silicon layers. Then, an active layer 712 doped with oxygen is formed.

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。   As described above, after forming the active layer 712 doped with rare earth and oxygen at the interface between the two silicon layers, the first electrode (not shown) connected to the first silicon layer 701 is formed, and the second silicon is formed. A second electrode (not shown) connected to the layer 703 is formed. For example, each electrode may be formed by depositing a metal such as titanium by a sputtering method.

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。   According to the silicon light emitting device manufactured as described above, since the active layer is formed by doping rare earth and oxygen at the interface between the two silicon layers, the doped rare earth and oxygen are aggregated at the interface. It becomes like this. This is because there is an effect of aggregating the contained elements (atoms) at the interface between the two silicon layers. For this reason, in the silicon light emitting device in the fifth embodiment, the erbium-oxygen atom complex is formed with high efficiency in the active layer. As a result, also in the silicon light emitting device of the fifth embodiment, the light emission efficiency can be further increased.

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。   As described above, according to the present invention, an interface between two silicon layers is formed, and an active layer is formed by doping rare earth and oxygen at the interface, so that light is emitted in the communication wavelength band. The light emission efficiency of the light emitting element using silicon to which rare earth such as erbium and oxygen are added can be further increased.

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。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, as an SOI substrate, a SIMOX (Separation by implanted oxygen) substrate, a UNIBOND substrate manufactured by Soitec, or an ERTRAN (Epitaxial layer transfer) substrate manufactured by Canon can be used. The rare earth is not limited to erbium, and may be thulium, for example. With thulium, light emission in the communication wavelength band can be obtained.

101…第1シリコン層、102…第2シリコン層、103…界面、104…活性層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... 1st silicon layer, 102 ... 2nd silicon layer, 103 ... Interface, 104 ... Active layer.

Claims (7)

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。
A first step of bonding a second silicon layer to a first silicon layer on a substrate;
And a second step of doping the rare earth and oxygen into the interface between the first silicon layer and the second silicon layer to form an active layer at the interface.
請求項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。
In the manufacturing method of the silicon light emitting element according to claim 1 ,
The surface silicon layer of the SOI substrate in which a surface silicon layer is formed on a base via a buried insulating layer is bonded to the first silicon layer, and the buried insulating layer and the base are removed, thereby removing the first A method for producing a silicon light-emitting element, wherein the second silicon layer made of the surface silicon layer is bonded to one silicon layer.
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。
A first step of doping rare earth and oxygen into the silicon oxide layer of the substrate in which the second silicon layer is formed on the first silicon layer on the substrate via the silicon oxide layer;
At least a second step of eliminating the silicon oxide layer by heating in an inert atmosphere and forming an active layer doped with rare earth and oxygen at the interface between the first silicon layer and the second silicon layer; A method for producing a silicon light emitting device, comprising:
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。
A first step of doping the first silicon layer on the substrate with rare earth and oxygen to form a doped layer;
A second step of bonding a second silicon layer to the surface of the first silicon layer on the side where the doped layer is formed;
The rare earth and oxygen of the dope layer are diffused by heating the first silicon layer and the second silicon layer, thereby doping rare earth and oxygen at the interface between the first silicon layer and the second silicon layer. And a third step of forming an active layer on the interface.
請求項のいずれか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。
In the manufacturing method of the silicon light emitting element according to any one of claims 1 to 4 ,
The method of manufacturing a silicon light emitting device, wherein the first silicon layer is of a first conductivity type and the second silicon layer is of a second conductivity type.
請求項のいずれか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。
In the manufacturing method of the silicon light emitting element according to any one of claims 1 to 4 ,
The method of manufacturing a silicon light emitting device, wherein the first silicon layer and the second silicon layer have the same conductivity type.
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。
In the manufacturing method of the silicon light emitting element according to any one of claims 1 to 6,
The method of manufacturing a silicon light emitting element, wherein the rare earth is erbium.
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