DE10108700A1

DE10108700A1 - Optisches Material und optisches Element

Info

Publication number: DE10108700A1
Application number: DE10108700A
Authority: DE
Inventors: Kenii Yamaguchi; Kazuki Mizushima
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2001-11-15
Also published as: US20010032982A1; JP2002057368A; US6569534B2

Abstract

Es wurde ein optisches Material erhalten, das kristallines Silizium und Fe¶x¶Si¶2¶ in Form von Punkten, Inseln oder einem Film enthält. Das Fe¶x¶Si¶2¶ hat eine symmetrische, monokline Kristallstruktur, gehört der P2¶1¶/c (Raum) Gitter Gruppe an und wird an der Oberfläche oder im Inneren des kristallinen Siliziums synthetisiert. Die monokline Struktur korrespondiert mit einer deformierten Form von beta-FeSi¶2¶, die durch heteroepitaxiale Spannung zwischen der {110} Ebene von Fe¶x¶Si¶2¶ und der {111} Ebene des kristallinen Siliziums erzeugt wurde. Der Wert für x ist so definiert, dass 0,85 x 1,1. Ein optisches Element, welches das optische Material verwendet, wurde ebenfalls erhalten.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet, mit dem die Erfindung sich befasst

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Material aus Eisen-Silizium, das für optische Verbindungen für optische Übertragungen, optische Sensoren und Solarzellen verwendet wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein optisches Element, bei dem dieses optische Material verwendet wird.

2. Beschreibung verwandter Fachgebiete

Es besteht ein wachsender Bedarf an Licht emittierenden Elementen und Licht aufnehmenden Elementen, bei denen Material verwendet wird, das auf Silizium basiert, so dass diese Elemente in Silizium-Substrat integriert werden können, um dann in einem optischen Sensor oder für optische Verbindungen verwendet werden zu können. Ein zusammengesetzter Halbleiter, wie zum Beispiel Gallium-Arsenid, könnte als Material für das optische Element auf dem Silizium-Substrat verwendet werden. Es ist jedoch sehr schwierig, solch einen zusammengesetzten Halbleiter in das Silizium- Material einzubringen, ohne die Struktur des zusammengesetzten Halbleiters zu zerstören, und zusätzlich weisen die entstandenen zusammengesetzten Halbleiter nur eine geringe thermische Stabilität auf. Zudem verlangt die Herstellung zusammengesetzter Halbleiter weitere, spezifische Arbeitsgänge zusätzlich zu den herkömmlichen Arbeitsgängen, bei der Herstellung Silizium enthaltender Stromkreise, die sich in höheren Herstellungskosten niederschlagen. Folglich wird eine Technik zur Herstellung von Licht emittierenden und Licht aufnehmenden Elementen auf Siliziumbasis benötigt, die nur den konventionellen Silizium-IC Produktionsprozess erfordert.

Bei den optischen Elementen, die nach der herkömmlichen Technik hergestellt werden, bezeichnet man ein Licht emittierendes Element, das Eisen-Silicid enthält und bei einer geeigneten Wellenlänge für Glasfasern aus Silika-Glas arbeitet, die bei annähernd 1,5 µm liegt, üblicherweise als Strom-Freisetzungs-Gerät (D. Leong, M. Harry, K. J. Reesen und K. P. Homewood, "Nature" Band 387, 12. Juni 1997, Seiten 686-688). Dieses Licht emittierende Element wird hergestellt, indem eine n-dotierte Siliziumschicht und eine p-dotierte Siliziumschicht auf ein (100) orientiertes n-dotiertes Silizium-Substrat aufgebracht werden. Dies geschieht mittels einer epitaxialen Wachstumsmethode, durch die Eisen-Ionen in die p-dotierte Siliziumschicht, nahe der pn-Übergangsschicht, eingesetzt werden und sich zu einer monokristallinen Schicht aus Beta-Eisen-Silicid (β-FeSi₂) mit orthorhombischer Struktur zusammen lagern.

Das im vorhergehenden Absatz beschriebene, Eisen-Silicid enthaltende, optische Element hat eine externe Quantenausbeute von etwa 0,1%, was gering ist und ein Problem darstellt. Außerdem emittiert das optische Element zwar bei Tieftemperatur eine hinreichende Menge Licht, nicht aber bei Raumtemperatur. Verschiedene andere Studien, die in Bezug auf die Licht emittierenden Eigenschaften von β-FeSi₂ gemacht wurden, zeigen, dass das optische Element eine lange Lumineszenzabfall-Zeit aufweist, womit eine Dauer von mehreren zehn Mikrosekunden gemeint ist. Optische Verbindungen und optische Übertragungen benötigen jedoch weitaus kürzere Lumineszenzabfall-Zeiten.

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Fakten schlagen die Erfinder hier eine lumineszierende Substanz vor, in der Halbleiter-Partikel aus β-FeSi₂ mit einem Partikeldurchmesser im Größenordnungsbereich von Nanometern, in p-dotiertem oder n-dotiertem amorphen Silizium oder in p-dotiertem oder n-dotiertem amorphen Silizium-Carbid verteilt sind (Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 11-340499). Weil diese β-FeSi₂ Halbleiter Partikel mit einem Durchmesser im Nanometerbereich kristallisiert sind und in dem amorphen Silizium bzw. in dem amorphen Silizium-Carbid verteilt sind, welches eine große Bandlücke besitzt, werden die injizierten Träger in die Halbleiter Partikel eingeschlossen und erhöhen dadurch die Effizienz der Licht-Emission im Vergleich zu konventionellem, monokristallinem β-FeSi₂.

Unter den konventionellen Photo-Detektoren sind auf dem Markt verschiedene Solarzell-Elemente erhältlich, wie z. B. ein Einkristall-Silizium-Typ, ein polykristalliner Silizium Typ, ein amorpher Silizium Typ (a-Si) und ein Gallium-Arsenid Typ (GaAs). Dennoch gibt es mit allen diesen Solarzell-Elementen Schwierigkeiten in Hinblick auf die Kosten und ihre Umwandlungsleistung. Daher wird ein Licht aufnehmendes Material benötigt, das niedrigere Kosten verursacht und dabei effizienter ist. β-FeSi₂ hat einen auffallend hohen optischen Absorptionskoeffizienten innerhalb eines breiten Wellenlängenbereichs für Sonnenlicht, und kann zusätzlich zu ultra dünnen Filmen verarbeitet werden. Wenn also β-FeSi₂ als Photo-Detektor einer Solarzelle verwendet wird, können sowohl die Kosten gesenkt werden, als auch die Menge an Rohmaterial reduziert werden.

Die eingeschlossene lumineszente Substanz, die in der oben beschriebenen Japanischen ungeprüften Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 11-340499. bekannt gegeben wurde, kann zusätzlich in Bezug auf die Effizienz der Licht-Emission und die Effizienz der Herstellungsmethode verbessert werden.

Weil die Träger-Beweglichkeit von β-FeSi₂ zu gering für ein Material ist, das als Licht aufnehmendes Material von Solarzellen eingesetzt werden soll, muss es noch an den Einsatz bei Solarzellen angepasst werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf Silizium basierendes optisches Material zu erhalten, das in der Lage ist, eine hohe Effizienz bei der Licht- Emission und bei der Licht-Aufnahme zu erreichen.

Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Material zu erhalten, das in der Lage ist, eine Lumineszenzabfall-Zeit von mehreren zehn Nanosekunden oder weniger zu erreichen, und in der schnellen, optischen Übertragung eingesetzt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Material zu erhalten, das bei Raumtemperatur Licht sowohl emittieren als auch aufnehmen kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Element unter Verwendung des oben beschriebenen optischen Materials zu erhalten.

Zu diesem Zweck liefert die vorliegende Erfindung ein optisches Material, gemäß einem Aspekt der Erfindung, das ein kristallines Silizium und Fe_xSi₂ in Form von Punkten, Inseln oder einem Film umfasst. Das Fe_xSi₂ hat eine symmetrische, monokline, kristalline Struktur, die zur P2₁/c-Raumgruppe gehört und ist an der Oberfläche oder im Inneren des kristallinen Siliziums synthetisiert. Die monokline Struktur korrespondiert mit einer deformierten Struktur von β-FeSi₂, welche durch heteroepitaxiale Spannung zwischen der {110} Ebene des Fe_xSi₂ und der {111} Ebene des kristallinen Siliziums erzeugt wird, wobei der Wert für x so definiert ist, dass 0,85 ≦ x ≦ 1,1.

Da das β-FeSi₂ künstlich verformt wurde und die Kristallstruktur deswegen nicht mehr orthorhombisch sondern monoklin geworden ist, wird das β-FeSi₂ weniger symmetrisch. Folglich sind Dipolübergänge zwischen vielen elektronischen Zuständen erlaubt, und die Oszillatorenstärke, welche die Charakteristika des Licht emittierenden/ Licht aufnehmenden Materials bestimmt, ist höher als bei β-FeSi₂.

Vorzugsweise hat die Gitterkonstante der c-Achse von Fe_xSi₂ mit monokliner kristalliner Struktur einen Wert von 7,68 ± 0,20 Å, was einem interatomaren Abstand der {111}-Ebene des kristallinen Siliziums entspricht, die Gitterkonstante der a-Achse von Fe_xSi₂ einen Wert von 10,17 ± 0,35 Å, die Gitterkonstante der b-Achse von Fe_xSi₂ einen Wert von 7,75 ± 0,35 Å und der Winkel, der definiert ist durch die a-Achse und die b- Achse von Fe_xSi₂, einen Wert von 95 ± 3°. Diese kristalline Struktur wird im Folgenden als "β'-I" bezeichnet.

Vorzugsweise beträgt die Dicke des Fe_xSi₂ mit monokliner kristalliner Struktur 5 bis 2000 Å So kann das Fe_xSi₂ seine monokline kristalline Struktur beibehalten. Diese kristalline Struktur wird im Folgenden als "β'-I" bezeichnet.

Das optische Material kann ferner β-FeSi₂ mit einer orthorhombischen kristallinen Struktur enthalten. Die gesamte Dicke von Fe_xSi₂ und β-FeSi₂ beträgt vorzugsweise 200 bis 10 000 Å.

Auf diese Weise kann die Dicke der Schicht gegenüber dem optischen Material, das nur Fe_xSi₂ enthält, erhöht werden, und das optische Material kann einfach bearbeitet werden. Da die Kristalle monoklin sind, kann außerdem die Effizienz der Licht- Emission sowie die Effizienz der Licht-Aufnahme gegenüber optischem Material, das nur β-FeSi₂ enthält, verbessert werden. Wenn die Dicke 10 000 Å überschreitet, wandeln sich alle Kristalle in β-FeSi₂ um.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Element zu erhalten, das eine Licht emittierende Schicht und eine Licht aufnehmende Schicht umfasst, worin das oben beschriebene Fe_xSi₂ enthalten ist. Das kristalline Silizium ist vom p- oder n-Typ.

Auf diese Weise kann ein optisches Element erhalten werden, das eine hohe Licht- Emissions- und Licht-Aufnahme-Effizienz sowie eine kürzere Lumineszenzabfall-Zeit hat.

Als ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Material erhalten, das kristallines Silizium und Fe_xSi₂ in Form von Punkten, Inseln oder einem Film enthält, in dem Fe_xSi₂ eine symmetrische, monokline, kristalline Struktur der C/c2 Raum-Gruppe hat und an der Oberfläche oder im Inneren des kristallinen Siliziums synthetisiert wird. Die monokline Struktur korrespondiert mit einer deformierten Struktur des β-FeSi₂, welches durch heteroepitaxiale Spannung zwischen der {110} Ebene des Fe_xSi₂ und der {111}-Ebene von kristallinem Silizium erzeugt wurde, wobei der Wert für x so definiert ist, das 0,85 ≦ x ≦ 1,1.

Da das β-FeSi₂ künstlich verformt wurde, und die Kristallstruktur deswegen nicht mehr orthorhombisch sondern monoklin geworden ist, wird das β-FeSi₂ weniger symmetrisch. Folglich sind Dipol-Übergänge zwischen elektronischen Übergängen erlaubt, und die Oszillatorenstärke, welche die Charakteristika des Licht emittierenden/ Licht aufnehmenden Materials bestimmt, ist höher als bei β-FeSi₂. Die Gitterkonstante der b-Achse von Fe_xSi₂ mit monokliner kristalliner Struktur hat vorzugsweise einen Wert von 7,68 ± 0,20 Å was einem interatomaren Abstand der {111}-Ebene des kristallinen Siliziums gleicht, die Gitterkonstante der a-Achse von Fe_xSi₂ einen Wert von 10,14 ± 0,35 Å, die Gitterkonstante der c-Achse von Fe_xSi₂ einen Wert von 7,76 ± 0,35 Å, und der Winkel, der definiert ist durch die a-Achse und die c-Achse von Fe~Si2, einen Wert von 95 ± 3°. Diese kristalline Struktur wird im Folgenden als "β'-II" bezeichnet.

Vorzugsweise beträgt die Dicke des Fe_xSi₂ mit monokliner kristalliner Struktur 5 bis 2000 Å.

So kann das Fe_xSi₂ seine monokline kristalline Struktur beibehalten.

Das optische Material kann ferner β-FeSi₂ in einer orthorhombischen kristallinen Struktur enthalten. Die gesamte Dicke von Fe_xSi₂ und β-FeSi₂ beträgt vorzugsweise 200 bis 10 000 Å.

Auf diese Weise kann die Dicke der Schicht gegenüber dem optischen Material, das nur Fe_xSi₂ enthält, erhöht werden, und das optische Material kann einfach bearbeitet werden. Da die Kristalle monoklin sind, kann außerdem die Effizienz der Licht- Emission sowie die Effizienz der Licht-Aufnahme gegenüber dem optischen Material, das nur β-FeSi₂ enthält, verbessert werden. Wenn die Dicke 10 000 Å überschreitet, wandeln sich alle Kristalle in β-FeSi₂ um.

Wird das optische Material aus der vorliegenden Erfindung verwendet, so hat das optische Element eine hohe Effizienz bei der Licht-Emission/Licht-Aufnahme und eine kürzere Lumineszenzabfall-Zeit.

Das optische Material der vorliegenden Erfindung mit dieser kristallinen Struktur hat die folgenden Vorteile:
Erstens: Da das Material, welches die Licht emittierende/Licht aufnehmende, aktive Schicht bildet, monoklines Fe_xSi₂ ist, das weniger symmetrisch als orthorhombisches β- FeSi₂ ist, sind Dipolübergänge zwischen vielen elektronischen Zuständen erlaubt, und die Oszillatorenstärke, welche die Charakteristika des Licht emittierenden/Licht aufnehmenden Materials bestimmt, ist höher als bei β-FeSi₂.
Zweitens: Das optische Material arbeitet bei einer Wellenlänge von 1,5 µm, was einer Wellenlänge mit einem niedrigen Verlustfaktor bei optischen Fasern entspricht.
Drittens: Weil die Lumineszenzabfall-Zeit mehrere zehn Nanosekunden oder sogar weniger beträgt, und somit kürzer ist, als die von konventionellem Eisen-Silizium- Material, kann das optische Material in der schnellen optischen Kommunikation eingesetzt werden.
Viertens: Weil eine Schicht des optischen Materials auf die {111}-Oberfläche von kristallinem Silizium aufgebracht werden kann, ist die Herstellung einer Licht emittierenden/Licht aufnehmenden Schicht mit reduzierten Kosten verbunden.
Fünftens: Da monoklines Fe_xSi₂ durch eine epitaxiale Wachstumsmethode hergestellt werden kann, ist die Defektdichte an der Grenzfläche zwischen Silizium und Fe_xSi₂ verringert, und das optische Material ist somit für ein Strom-Einspeisungs-Element geeignet.
Sechstens: Das optische Material ist fähig, Licht im Infrarotbereich von annäherungsweise 1,5 µm bei Raumtemperatur zu emittieren oder aufzunehmen.

Und schließlich ist eine rasche und effiziente Antwort möglich wenn Licht empfangen wurde, weil die Träger-Beweglichkeit gegenüber konventionellem Eisen-Silizium- Material erhöht worden ist.

Es soll hier noch erwähnt werden, dass in dieser Spezifikation die Begriffe Ebene {111}, {110} und {101} Gattungsbegriffe sind, die folgendes genauer beinhalten:
{111} ist der Gattungsbegriff für (111), (111), (111), (111), (111), (111), (111) und (111).
{110} ist der Gattungsbegriff für (110), (110), (110) und (110).
{101} ist der Gattungsbegriff für (101), (101),(101), und (101).

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 ist die Illustration des Zustandes heteroepitaxialer Beziehung zwischen Fe_xSi₂ in seiner β'-I Struktur und monokristallinem Silizium, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 veranschaulicht die Atomanordnung von kristallinem Silizium und der heteroepitaxialen Grenzfläche zwischen Fe_xSi₂ in seiner β'-I Struktur und monokristallinem Silizium, gesehen aus der Kristallgitter Richtung [111] aus Fig. 1;

Fig. 3 ist die Illustration des Zustandes heteroepitaxialer Beziehung zwischen Fe_xSi₂ in seiner β'-II Struktur und monokristallinem Silizium, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 veranschaulicht die Atomanordnung von kristallinem Silizium und der heteroepitaxialen Grenzfläche zwischen Fe_xSi₂ in seiner β'-II Struktur und monokristallinem Silizium, gesehen aus der Kristallgitter Richtung [111] aus Fig. 3;

Fig. 5 veranschaulicht den Zustand heteroepitaxialer Beziehung zwischen β-FeSi₂, Fe_xSi₂, in der β'-I oder β'-II Struktur, und monokristallinem Silizium, das durch eine epitaxiale Methode in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezüchtet wurde;

Fig. 6 veranschaulicht den Zustand heteroepitaxialer Beziehung zwischen β-FeSi₂, Fe_xSi₂, in der β'-I oder β'-II Struktur, und monokristallinem Silizium, wenn Fe-Ionen in ein {001} orientiertes Silizium Substrat implantiert wurden;

Fig. 7 ist eine Kurve, die die Emissionsintensität eines Licht emittierenden Materials in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge zeigt;

Fig. 8 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen Emissions-Intensität und Lumineszenzabfall-Zeit eines Licht emittierenden Materials zeigt;

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts, die die Struktur des optischen Materials veranschaulicht;

Fig. 10 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts, die die Struktur eines Solarzell-Elements veranschaulicht, in welchem das optische Material verwendet wurde;

Fig. 11 ist eine Aufsicht des Solarzell-Elements aus Fig. 10; und

Fig. 12 zeigt eine Elementarzelle der Kristallstruktur von β-FeSi₂.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein optisches Material aus der vorliegenden Erfindung ist Fe_xSi₂ mit einer monoklinen Kristallstruktur, die mit einer degenerierten Struktur von β-FeSi₂ korrespondiert, und durch heteroepitaxiale Spannung zwischen β-FeSi₂ und der {111} Ebene von kristallinem Silizium an der Grenzfläche oder im Inneren des kristallinen Silizium erzeugt wurde. Das Fe_xSi₂ wird in Form von Punkten, Inseln oder als Schicht synthetisiert. Die Dicke von Fe_xSi₂ liegt vorzugsweise bei 5 bis 2000 Å. Wenn die Dicke einen Wert von 5 Å unterschreitet, wird das Fe_xSi₂ zu einem kubischen Kristall mit der kristallinen Struktur von γ-FeSi, und wenn die Dicke einen Wert von 2000 Å überschreitet, ist β-FeSi₂ nicht länger durch den interatomaren Abstand zu Silizium in der {111} Kristallebene gebunden und verwandelt sich in eine orthorhombische Struktur, was der ursprünglichen Kristallstruktur von β-FeSi₂ entspricht. Wenn die Dicke 200 Å übersteigt, entsteht teilweise Fe_xSi₂, das von monokliner Struktur ist. Das optische Material aus der vorliegenden Erfindung enthält derartiges Fe_xSi₂, mit monokliner Kristallstruktur, und β-FeSi₂, mit orthorhombischer Kristallstruktur. Das kristalline Silizium aus der vorliegenden Erfindung kann als Einkristall oder polykristallin vorliegen. Der Bereich für x in Fe_xSi₂ ist so gewählt, dass 0,85 ≦ x ≦ 1,1.

Hier wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Wie in Fig. 12 gezeigt, hat β-FeSi₂ eine orthorhombische Kristallstruktur und gehört zur Cmca (Raum) Gitter Gruppe. In dieser Spezifikation sind die Gitterkonstanten von β-FeSi₂ wie folgt: a Achse = 9,86 Å, b Achse = 7,79 Å und c Achse = 7,83 Å. Wenn β- FeSi₂ auf der {111} Ebene von kristallinem Silizium, an der Oberfläche oder im Inneren des kristallinen Siliziums synthetisiert wird, dann wird die Gitterkonstante der c Achse, also 7,83 Å, durch den interatomaren Abstand von 7,86 Å der {111} Kristallebene des Siliziums beeinflusst. Folglich wird der β-FeSi₂ Kristall deformiert, und das ursprünglich orthorhombische β-FeSi₂ verwandelt sich in einen monoklinen Kristall.

In den Fig. 1 und 2 indizieren die Bereiche, die durch schräge Linien markiert sind, eine heteroepitaxiale Grenzfläche des Fe_xSi₂ aus der vorliegenden Erfindung. Mit anderen Worten, Fe_xSi₂ ist an dem Teil mit der Silizium-Schicht verbunden, der in Fig. 2 durch schräge Linien markiert ist; die Betrachtungsrichtung hinsichtlich der atomaren Anordnung geht von der [111] Richtung des Kristalls aus. In Fig. 2 stellen Atome, die durch unterschiedliche Symbole gekennzeichnet sind, Siliziumatome verschiedener atomarer Gitterebenen, die orthogonal zur jeweiligen Richtung sind, dar. Schwarze Punkte repräsentieren Siliziumatome in jeder Ebene. Die {110} Ebene von Fe_xSi₂ ist mit der {111} Ebene des kristallinen Siliziums verbunden. Die kristalline Struktur von Fe_xSi₂ gehört zur P2₁/c (Raum) Gitter Gruppe und hat folgende Gitterkonstanten: a Achse = 10,17 ± 0,35 Å, b Achse = 7,75 ± 0,35 Å = und c Achse = 7,68 ± 0,20 Å. Der durch die a Achse und die b Achse gebildete Winkel beträgt 95 ± 3°.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wird die Gitterkonstante der b Achse, von 7,79 Å, durch den interatomaren Abstand der {111} Kristallebene des Siliziums von 7,86 Å beeinflusst. Folglich wird der β-FeSi₂ Kristall deformiert, und das ursprünglich orthorhombische β-FeSi₂ wird in einen monoklinen Kristall umgewandelt. Das Fe_xSi₂ ist mit der {111} Ebene des kristallinen Siliziums an der {101} Ebene verbunden und hat deswegen eine Kristallstruktur der C2/c (Raum) Gitter Gruppe. Daher betragen die Gitterkonstanten: a Achse = 10,14 ± 0,35 Å, b Achse = 7,68 ± 0,20 Å = und c Achse = 7,76 ± 0,35 Å. Der durch die a Achse und die c Achse gebildete Winkel beträgt 95 ± 3°.

Wenn β-FeSi₂ auf der {111} Ebene des kristallinen Siliziums gebildet wird, entsteht entweder β'-I oder β-'II. Obwohl die Gitterkonstanten der b Achse und der c Achse von β-FeSi₂ unterschiedlich sind, unterscheiden sie sich in Bezug auf ihre Energie-Level nur geringfügig voneinander. Das optische Materials der vorliegenden Erfindung kann eine Schicht enthalten, in der sowohl β'-I als auch β-'II enthalten sind.

Folgendes muss hierzu noch angemerkt werden: da die Gitterkonstante der a Achse von β-FeSi₂ 9,80 Å beträgt, und damit signifikant größer als diejenigen von der b Achse und der c Achse ist, würde der Kristall signifikant beschädigt, wenn er zu einem atomaren Abstand von 7,68 Å mit der {111} Ebene von kristallinem Silizium zusammen gebracht würde, denn das führt zu Dislokationen. Als Folge davon wird das Fe_xSi₂ dann nicht epitaxial mit der {111} Ebene des kristallinen Siliziums auf der {011} Ebene verbunden werden.

Als nächstes soll eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, auf die Fig. 5 sich bezieht.

In dieser Ausführungsform enthält das optische Material β-FeSi₂ (31) entweder in der β'-I Strukturoder in der β-'II Struktur, mit einer monoklinen Kristallstruktur, und β-FeSi₂ (32) mit orthorhombischer Struktur. Die gesamte Dicke von β-FeSi₂ (31) in der β'-I Struktur oder in der β 'II Struktur und von und β-FeSi₂ (32) liegt zwischen 200 und 10 000 Å.

Wenn Fe_xSi₂ in der β'-I Struktur oder in der β-'II Struktur, in welchen der Winkel, der zwischen der a Achse und der b Achse beziehungsweise der c Achse liegt, 95 ± 3° beträgt, auf einer {111} Ebene des kristallinen Siliziums (30) gebildet wird, und die Dicke deswegen graduell ansteigt, werden Auswirkungen von Spannung, die von der {111} Ebene (30) her ausgeübt werden, graduell reduziert. Und der Winkel, der zwischen der a Achse und der b Achse beziehungsweise der c Achse von Fe_xSi₂ (31) liegt, erreicht allmählich 90°, was ein stabiler Winkel ist. Nachdem die Dicke das Limit erreicht hat, wird FeSi₂ gebildet, ohne durch die Spannung, die von der {111} Ebene des kristallinen Siliziums (30) ausgeht, beeinflusst zu werden, und β-FeSi₂ (32), in dem die a Achse und die b Achse, respektive die c Achse einen Winkel von 90° bilden, entsteht. In dieser Ausführungsform beträgt die gesamte Dicke von β-FeSi₂ (31), das entweder die β'-I Struktur oder die β'-II Struktur besitzt, und von β-FeSi₂ (32) 200 bis 10 000 Å. Das optische Material aus dieser zweiten Ausführungsform hat verglichen mit dem optischen Material der ersten Ausführungsform eine geringere Emissions- Intensität und eine reduzierte Licht-Aufnahme Leistung pro Volumeneinheit; wie dem auch sei, die Schichtdicke kann vergrößert werden, um die gesamte Emissions- Intensität und die Licht-Aufnahme Leistung zu verbessern.

Folgende Methoden können zur Anwendung kommen, um Fe_xSi₂ an der Oberfläche von kristallinem Silizium zu bilden: eine Methode, wie die reaktive Depositions- Epitaxie (RDE), die Methode der Ablagerung mittels eines gepulsten Lasers (PLD), eine Molekülstrahl-Epitaxie-Methode (MBE), die Methode des Zerstäubens im Vakuum, eine chemische Dampf-Depositions-Methode (CVD), eine chemische Strahlungs- Epitaxie-Methode (CBE), eine Festphasen-Epitaxie-Methode, eine Elektronenstrahl- Verdampfungsmethode, etc.

Um Fe_xSi₂ im Inneren von kristallinem Silizium zu bilden, können folgende Methoden angewandt werden: die Implantation von Fe Ionen in kristallinem Silizium oder eine epitaxiale Wachstumsmethode, bei der man zuerst Fe_xSi₂ epitaxial auf der Oberfläche des kristallinen Siliziums wachsen lässt, und dann weiter Silizium epitaxial auf Fe_xSi₂ wachsen lässt.

Wenn die Technik des epitaxialen Wachstums angewendet wird, entsteht Fe_xSi₂ durch die Ablagerung von Fe_xSi₂ auf dem Silizium Substrat, das eine {111} Ebene kristallinen Siliziums an seiner Oberfläche hat. Wenn ein Silizium Substrat mit einer anderen Orientierung seiner Ebenen als {111}, wie z. B. {001}, verwendet wird, wird die Oberfläche davon vorher angeätzt, um die {111} Ebene zu exponieren, und dann erst wird Fe_xSi₂ abgelagert, um das optische Material der vorliegenden Erfindung herzustellen. Auch wenn die epitaxiale Wachstums Methode bei der Herstellung von Fe_xSi₂ verwendet wird, indem die Schichtdicke so kontrolliert wird, dass eine Kristallschicht in Übereinstimmung mit der {111} Ebene an der Oberfläche des Siliziums erhalten wird, können monokline Kristalle entstehen. Wenn die Schicht dick ist, erhält man die Struktur, welche in Fig. 5 wiedergegeben ist. Wenn die Dicke der Schicht weiter verstärkt wird, bis der Grenzwert des monoklinen Kristalls überschritten ist, wird die ganze Schicht zu β-FeSi₂.

Wenn man zur Herstellung von Fe_xSi₂ eine Ionen Implantationsmethode verwendet, sind keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Jonenstrahlen oder Orientierung der Ebene des kristallinen Siliziums gegeben. Das optische Material der vorliegenden Erfindung kann durch die Implantation von Ionen in Silizium Substrat mit einer {001} orientierten Oberfläche hergestellt werden. Wenn die Ionen Implantation durchgeführt wird, sollte die Menge an Fe Ionen vorzugsweise so kontrolliert werden, dass sie eine Anzahl kleiner Kristalle, epitaxial verbunden mit der {111} Ebene des kristallinen Siliziums, im Inneren des kristallinen Siliziums, bilden. Auf diese Art und Weise entstehen monokline Kristalle. Wenn die Menge der Ionen angehoben wird, entsteht im Inneren des Silizium Substrat die in Fig. 6 gezeigte Struktur. Wenn die Menge an Ionen noch weiter ansteigt, vergrößert sich der Kristall, und der gesamte Kristall kann sich zu einem orthorhombischen Kristall mit der ursprünglichen kristallinen Struktur von β- FeSi₂ umwandeln.

Um ein optisches Element unter Verwendung des so erhaltenen optischen Materials herzustellen, wird ein Vakuumverdampfer eingesetzt (in der Abbildung nicht eingezeichnet), um eine Elektrode (11) zu bilden, z. B. ein dünner Al-Film auf der obersten Oberfläche der p-dotierten oder n-dotierten Silizium Schicht (10), um so einen Teil der p-dotierten oder n-dotierten Silizium-Schicht zu exponieren (siehe Fig. 9). Dann wird eine Elektrode (13) an der unteren Oberfläche eines n-dotierten oder p dotierten Silizium Substrats (12) gebildet, die z. B. eine Schicht aus einer Au-Sb- Legierung enthält. Somit kann ein optisches Element (15) mit einer Fe_xSi₂ Schicht (14) in dessen Inneren gebildet werden. Es sollte hier noch angemerkt werden, dass keine signifikanten Änderungen bei den Licht-Emissions/Licht-Aufnahme Charakteristika des optischen Materials beobachtet werden können, selbst wenn zur Kontrolle der Leitfähigkeit Mn oder Al zugefügt werden, um einen p-dotierten Halbleiter zu bilden, oder wenn Co zugefügt wird, um einen n-dotierten Halbleiter zu bilden.

Auch ein Solarzell-Element kann unter Verwendung des optischen Materials aus der vorliegenden Erfindung produzierte werden. Eine Fe_xSi₂ Schicht mit der β'-I oder der β-'II Struktur wird auf der Oberfläche des kristallinen Siliziums gebildet. Dann wird unter Verwendung eines Vakuumverdampfers (nicht abgebildet) eine kammförmige Elektrode (21), die einen dünnen Al-Film enthält, auf der Oberfläche der Fe_xSi₂ Schicht (20) erzeugt, wie in Fig. 10 und 11 gezeigt, und eine Elektrode (23), die eine Schicht aus einer Au-Sb Legierung enthält, wird an der unteren Oberfläche eines n-dotierten Silizium Substrats (22) erzeugt, um so ein Solarzell-Element (24) herzustellen. Da dieses Solarzell-Element monokline Fe_xSi₂ Kristalle in seiner aktiven Schicht verwendet, ist der Absorptionskoeffizient des monoklinen Fe_xSi₂ in unmittelbarer Nähe der Bandenkante größer als der von β-FeSi₂, und ein Solarzell-Element mit verbesserter Effizienz kann hergestellt werden. In dem Solarzell-Element ist zusätzlich die effektive Masse der Träger reduziert, da die kristalline Struktur des monoklinen Fe_xSi₂ in der aktiven Schicht deformiert ist. Dadurch wird der Widerstand innerhalb des Elements herabgesetzt. Als Folge davon hat das Solarzell-Element einen geringeren internen Verlust, und die effektive Stoffwandlungsleistung steigt.

Beispiele

Im Folgenden werden, mit Bezug auf die Abbildungen, Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.

(Beispiel 1)

Ein {111} orientiertes Silizium Substrat wird durch Waschen mit Standard Reinigungslösung (SC-1) vorbereitet. Das Substrat wird auf 650°C erhitzt, und Fe wird mit einem Vakuumverdampfer auf der Oberfläche des Substrats abgelagert, um Fe_xSi₂ 300 Å dick auf der Oberfläche des Substrats epitaxial wachsen zu lassen, und so das optische Material zu erhalten. Hochreines Fe, mit einem Reinheitsgrad von 99,999%, und hochreines monokristallines Si, mit einem Reinheitsgrad von 99,999%, werden als Ausgangsmaterialien eingesetzt. Das resultierende optische Material wird Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie ausgesetzt, und x wird 1,0.

Die Photolumineszenz des resultierenden optischen Materials wird bei Raumtemperatur untersucht. Die Ergebnisse, die in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt sind, zeigen die Beziehung zwischen Emissions-Intensität und Zeit. Wie aus Fig. 7 offensichtlich hervorgeht, wurde bei Raumtemperatur ein Wellenlängenmaximum der Photolumineszenz von ungefähr 1,5 µm beobachtet. Wie außerdem aus Fig. 8 hervorgeht, beträgt die Lumineszensabfall-Zeit mehrere zehn Nanosekunden oder weniger. Es sollte hierbei noch erwähnt werden, dass die Lumineszenzabfall-Lebenszeit diejenige Zeit ist, welche die Lichtstärke benötigt, um auf die Hälfte der Maximal- Intensität abzufallen. Danach wird die kristalline Struktur des Fe_xSi₂, das auf der Substratoberfläche gebildet wurde, mit einem Beugungsdiffraktiometer untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fe_xSi₂ Schicht sowohl die β'-I als auch die β'-II Strukturen von monoklinen Kristallen aufweist, Strukturen, die sich von denen des konventionellen β-FeSi₂ unterscheiden.

(Beispiel 2)

Ein n-dotiertes Silizium Material mit einer (111) orientierten Oberfläche und eingeschlossenen Unreinheiten von 5 × 10¹⁸ cm^-3 wird hergestellt. Wie auch in Beispiel 1, wird Fe_xSi₂, unter Verwendung des selben Vakuumverdampfers wie in Beispiel 1, bis zu einer Dicke von 300 Å auf der Oberfläche des Silizium Substrats epitaxial wachsen gelassen. Das Substrat wird auf 650°C erhitzt, und eine p-dotierte Silizium Schicht, mit einer Dopanten Konzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 und einer von Dicke von 200 Å, wird unter Verwendung einer CVD Vorrichtung abgelagert, um so das Fe_xSi₂ auf der Oberfläche des Substrats abzudecken, und das optische Material herzustellen. In diesem Beispiel werden SiH₄ Gas als Ausgangsstoff-Gas und B₂H₆ Gas als Dopant in die CVD Kammer eingeleitet. Nachdem das optische Material gemacht wurde, wird eine Elektrode, die einen dünnen Al-Film enthält, an der oberen Oberfläche der allerobersten, p-dotierten Silizium Schicht mit einem Vakuumverdampfer hergestellt (nicht abgebildet), um so einen Teil der p-dotierten Silizium Schicht zu exponieren. Eine Elektrode, die eine Schicht einer Au-Sb Legierung enthält, wird an der unteren Oberfläche eines Silizium Substrats auf die gleiche Weise erzeugt. So wird das optische Element aus Fig. 9 erhalten.

Eine Vorspannung wird an der Al-Elektrode und an der Au-Sb-Elektrode des entstandenen optischen Elements angelegt, um deren Elektrolumineszenz zu bestimmen. Die Elektrolumineszenz hat ein Wellenlängen Maximum bei ungefähr 1,5 µm, was mit der Wellenlänge niedrigster Verluste von optischen Fasern aus Silika-Glas korrespondiert, die auch schon in Beispiel 1 beobachtet wurde. Die Lumineszenzabfall- Zeit ist im wesentlichen die selbe wie in Beispiel 1.

(Beispiel 3)

Ein n-dotiertes Silizium Substrat mit einer (111) orientierten Oberfläche, das einen Dopanten in der Konzentration von 5 × 10¹⁸ cm^-3 enthält, wird hergestellt. Unter Verwendung des selben Vakuumverdampfers wie in Beispiel 1, wird Fe auf der Oberfläche des auf 650°C erhitzten Substrats aufgebracht und epitaxial wachsen gelassen, so lange, bis eine Dicke des Fe_xSi₂ von 1000 Å erreicht ist, um so das optische Material zu bilden. Dann wird mit dem Vakuumverdampfer eine kammförmige Elektrode, die einen dünnen Al-Film enthält, auf der oberen Oberfläche der Fe_xSi₂ Schicht des resultierenden Materials gebildet, um Teile der Fe_xSi₂ Schicht zu exponieren. Des weiteren wird eine Elektrode, die einen Film aus einer Au-Sb Legierung besitzt, auf der unteren Oberseite des Silizium Substrats gebildet, so dass das optische Element aus Fig. 10 und 11 entsteht.

(Vergleichendes Beispiel 1)

Ein n-dotiertes Silizium Substrat mit einer (001) orientierten Oberfläche, das einen Dopanten in der Konzentration von 5 × 10¹⁸ cm^-3 enthält, wird hergestellt. Unter Verwendung des selben Vakuumverdampfers, wird Fe auf der Oberfläche des auf 650°C erhitzten Substrats aufgebracht um so β-FeSi₂ epitaxial bis zu einer Dicke von 1000 Å wachsen zu lassen und das optische Material zu machen. Danach wird das resultierende optische Material, wie in Beispiel 3, mit einer kammförmigen Elektrode, die einen dünnen Al-Film enthält, und einer Elektrode, die einen Film aus einer Au-Sb Legierung enthält, ausgestattet, um so ein Solarzell-Element herzustellen.

(Auswertung)

Jede der Solarzellen, die in Beispiel 3 und dem vergleichenden Beispiel 1 erhalten wurden, hat eine Licht aufnehmenden Fläche von 0,1 cm², und eine kammförmige Elektrode, die 10% der Oberfläche besetzt. Die Beziehung zwischen photoelektrischem Strom I und Voltleistung V, relativ zu einer Luftmasse (AM) von 1,0 wird untersucht. Die effektive Umwandlungs-Effizienz ist in Tab. 1 gezeigt.

Es muss hier noch angemerkt werden, dass AM ein Parameter zur Abschätzung der Leistung von Solarzellen ist. Ein AM von 1,0 ist ein Sonnenenergie Spektrum auf Meeresspiegelhöhe, unter klarem Himmel und wenn die Sonne im Zenit steht.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich wird, ist Beispiel 3, in dem das optische Material der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, der Licht aufnehmenden Schicht aus dem vergleichenden Beispiel 1, das β-FeSi₂ enthält, überlegen, und zwar in Bezug auf die Kurzschlussstromdichte, die maximale Leistung und die Umwandlungs-Effizienz.

Claims

1. Ein optisches Material, umfassend:
ein kristallines Silizium; und ein Fe_xSi₂ in Form von Punkten, Inseln oder einem Film, wobei das Fe_xSi₂ eine symmetrische, monokline Kristallstruktur hat, zur P2₁/c- Raumgruppe gehört und an der Oberfläche oder im Inneren des kristallinen Siliziums synthetisiert ist,
wobei die monokline Struktur mit einer deformierten Form von β-FeSi₂ korrespondiert, die durch heteroepitaxiale Spannung zwischen der {110} Ebene von Fe_xSi₂ und der {111} Ebene des kristallinen Siliziums erzeugt ist, und wobei der Wert für x so ist, dass 0,85 ≦ x ≦ 1,1.

2. Ein optisches Material gemäß Anspruch 1, wobei die Gitterkonstante der c-Achse von Fe_xSi₂ in seiner monoklinen kristallinen Struktur 7, 68 ± 0,20 Å beträgt, was gleich dem interatomaren Abstand der {111}-Ebene des kristallinen Siliziums ist, die Gitterkonstante der a-Achse von Fe_xSi₂10,17 ± 0,35 Å beträgt, die Gitterkonstante der b-Achse von Fe_xSi₂ 7,75 ± 0,35 Å beträgt, und der Winkel, welcher durch die a-Achse und die b-Achse von Fe_xSi₂ definiert ist, 95 ± 3° beträgt.

3. Ein optisches Material gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke des Fe_xSi₂ in seiner monoklinen kristallinen Struktur 5 bis 2000 Å beträgt.

4. Ein optisches Material gemäß Anspruch 1, das des weiteren β-FeSi₂ enthält, welches eine orthorhombische kristalline Struktur besitzt, und wobei die gesamte Dicke von Fe_xSi₂ und dem β-FeSi₂200 bis 10 000 Å beträgt.

5. Ein optisches Element, das eine Licht emittierende und eine Licht aufnehmende Schicht umfasst, umfassend das Fe_xSi₂ gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das kristalline Silizium vom p-Typ oder n-Typ ist.

6. Ein optisches Material, das Folgendes enthält:
ein kristallines Silizium; und ein Fe_xSi₂ in Form von Punkten, Inseln oder einem Film, wobei das Fe_xSi₂ eine symmetrische, monokline Kristallstruktur hat, zur C2/c- Raumgruppe gehört, und an der Oberfläche oder im Inneren des kristallinen Siliziums synthetisiert ist,
wobei die monokline Struktur mit einer deformierten Form von β-FeSi₂ korrespondiert, die durch heteroepitaxiale Spannung zwischen der {101}-Ebene von Fe_xSi₂ und der {111}-Ebene des kristallinen Siliziums erzeugt wurde, und wobei der Wert für x so ist, dass 0,85 ≦ x ≦ 1,1.

7. Ein optisches Material gemäß Anspruch 6, wobei die Gitterkonstante der b-Achse von Fe_xSi₂ in seiner monoklinen kristallinen Struktur 7,68 ± 0,20 Å beträgt, was gleich dem interatomaren Abstand der {111} Ebene von kristallinen Siliziums ist, die Gitterkonstante der a-Achse von Fe_xSi₂10,14 ± 0,35 Å beträgt, die Gitterkonstante der c-Achse von Fe_xSi₂7,76 ± 0,35 Å beträgt, und der Winkel, welcher durch die a-Achse und die c-Achse von Fe_xSi₂ definiert ist, 95 ± 3° ist.

8. Ein optisches Material gemäß Anspruch 6, wobei die Dicke des Fe_xSi₂ in seiner monoklinen kristallinen Struktur 5 bis 2000 Å beträgt.

9. Ein optisches Material gemäß Anspruch 6, das des weiteren β-FeSi₂ enthält, welches eine orthorhombische kristalline Struktur besitzt, und worin die gesamte Dicke von Fe_xSi₂ und dem β-FeSi₂200 bis 10 000 Å beträgt.

10. Ein optisches Element, das eine Licht emittierende und eine Licht aufnehmende Schicht enthält, bestehend aus Fe_xSi₂ in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 6 bis 9, wobei das kristalline Silizium vom p- Typ oder vom n-Typ ist.