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JP3212686B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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Publication number
JP3212686B2
JP3212686B2 JP13098192A JP13098192A JP3212686B2 JP 3212686 B2 JP3212686 B2 JP 3212686B2 JP 13098192 A JP13098192 A JP 13098192A JP 13098192 A JP13098192 A JP 13098192A JP 3212686 B2 JP3212686 B2 JP 3212686B2
Authority
JP
Japan
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layer
silicon
semiconductor
light emitting
substrate
Prior art date
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Application number
JP13098192A
Other languages
Japanese (ja)
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JPH05327017A (en
Inventor
忠司 酒井
達郎 別府
奎治郎 平原
均 八木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子の改良
に係わり、特に半導体多孔質層を用いた半導体発光素子
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device using a semiconductor porous layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路と発光,受光素子を結合
する光・電子集積回路(OEIC)の概念は、オプトエ
レクトロニクス分野を構築する上で重要な機能素子とし
てとらえられている。一般に、発光素子を構成する半導
体結晶材料には、禁制帯幅を種々選択でき、発光し易い
ことから化合物半導体が用いられている。一方、高度の
集積回路素子を構成するためには、シリコンが重要な役
割を果たしている。
2. Description of the Related Art The concept of an optical / electronic integrated circuit (OEIC) that combines a semiconductor integrated circuit with light-emitting and light-receiving elements is regarded as an important functional element in constructing an optoelectronics field. In general, a compound semiconductor is used as a semiconductor crystal material constituting a light emitting element because a forbidden band width can be variously selected and light is easily emitted. On the other hand, silicon plays an important role in forming advanced integrated circuit elements.

【0003】このように発光素子の基板材料と集積回路
素子の基板材料とが異なるため、両機能素子を同一の半
導体チップ内に構成するには無理がある。このため、両
機能素子は別々のプロセスで形成され、必要な場合に
は、両者をハイブリッド構成に集積することで実施され
ていた。従って、複数の発光素子が電子回路内に作り込
まれたような、より高度の複合機能素子を形成すること
は不可能であった。
Since the substrate material of the light emitting element and the substrate material of the integrated circuit element are different as described above, it is impossible to configure both functional elements in the same semiconductor chip. For this reason, both functional elements are formed by separate processes, and if necessary, are implemented by integrating them in a hybrid configuration. Therefore, it has not been possible to form a more sophisticated multifunctional device in which a plurality of light emitting devices are built in an electronic circuit.

【0004】ところで、半導体結晶の構造を微細化して
いくと、量子効果によって発光遷移が短波長化していく
ことが観察されている。類似の現象であるのか否か、発
光機構に関しては現在議論の最中であるが、シリコン単
結晶に対して陽極エッチング加工を加えて形成された多
孔質シリコン層が可視域で明るいフォトルミネッセンス
を示すことも報告された。しかしながら、この発光現象
は、例えば紫外光による励起で起きるものであり、この
ままでは機能素子化は難しい。
By the way, it has been observed that when the structure of a semiconductor crystal is miniaturized, the emission transition becomes shorter in wavelength due to a quantum effect. Whether the phenomenon is similar or not, the light emission mechanism is currently under discussion, but the porous silicon layer formed by applying anodic etching to silicon single crystal shows bright photoluminescence in the visible region. It was also reported. However, this light emission phenomenon is caused by, for example, excitation by ultraviolet light, and it is difficult to form a functional element as it is.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、設計
の自由度の高い、例えば可視域で発光する半導体発光素
子は、それ以外の回路や受光素子などを構成するのに最
適なシリコンベースでは作成できないという問題があっ
た。
As described above, conventionally, for example, a semiconductor light-emitting element which emits light in a visible region, which has a high degree of freedom in design, is not suitable for other circuits and light-receiving elements. There was a problem that it could not be created.

【0006】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、シリコン等の集積回路
用に適した基板をベースとして、シリコンプロセス等に
適合する半導体発光素子を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device which is compatible with a silicon process or the like based on a substrate suitable for an integrated circuit such as silicon. Is to do.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、半導体
多孔質層に印加される電界によって半導体多孔質層を発
光させることにある。
Gist of the present invention SUMMARY OF] is to emit semiconductor porous layer by an electric field applied to the semiconductor porous layer.

【0008】[0008]

【0009】[0009]

【0010】即ち本発明は、シリコン等の非化合物半導
体基板上に形成される半導体発光素子において、半導体
多孔質層と、この半導体多孔質層の両面に絶縁層又は高
抵抗層を介して積層された導電層とを具備してなり、導
電層間に電圧を印加して半導体多孔質層を発光させるこ
とを特徴とする。
That is, the present invention relates to a semiconductor light emitting device formed on a non-compound semiconductor substrate such as silicon and the like. Wherein a voltage is applied between the conductive layers to cause the semiconductor porous layer to emit light.

【0011】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものが上げられる。 (1) 半導体多孔質層は半導体結晶層を陽極エッチング加
工して形成されている。 (2) 半導体多孔質層として多孔質シリコン、絶縁層又は
高抵抗層として酸化シリコン,窒化シリコン,高抵抗シ
リコン又はこれらの積層膜、導電層として透明導電膜,
シリコン,金属又はこれらの積層膜を用いる。 (3) 本発明の素子が形成される半導体基板に、該素子の
駆動用交流電源回路が同時に形成されている。 (4) 本発明の素子を形成する半導体基板は、SOI基板
である、又は絶縁膜を介して直接接着したシリコン基板
である。 (5) 半導体基板としてシリコンを用い、このシリコン基
板に受光素子が同時に形成されている。そして、受光素
子として、フォトダイオード構造,PINフォトダイオ
ード構造,アバランシェダイオード構造,光トリガサイ
リスタ構造又はCCD構造を採用する。
Here, the following are preferred embodiments of the present invention. (1) The semiconductor porous layer is formed by anodic etching a semiconductor crystal layer. (2) porous silicon as a semiconductor porous layer, silicon oxide, silicon nitride, high-resistance silicon or a laminated film thereof as an insulating layer or a high-resistance layer, a transparent conductive film as a conductive layer,
Silicon, metal, or a laminated film of these is used. (3) On the semiconductor substrate on which the element of the present invention is formed, an AC power supply circuit for driving the element is simultaneously formed. (4) The semiconductor substrate on which the element of the present invention is formed is an SOI substrate or a silicon substrate directly bonded via an insulating film. (5) Silicon is used as a semiconductor substrate, and light receiving elements are simultaneously formed on the silicon substrate. As the light receiving element, a photodiode structure, a PIN photodiode structure, an avalanche diode structure, a light trigger thyristor structure or a CCD structure is employed.

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【作用】通常のシリコン単結晶は間接遷移型半導体であ
り、本発明のような構成にして電圧を印加しても発光は
得られないが、最適な条件で単結晶シリコンを多孔質化
することによって、可視域でのELを得られることが判
明した。同様の構成での発光はシリコン以外にも間接遷
移型半導体で得られる。従って本発明によれば、シリコ
ン等の半導体であっても可視域の発光素子を得ることが
可能となる。
The normal silicon single crystal is an indirect transition type semiconductor, and light emission cannot be obtained even when a voltage is applied in the configuration as in the present invention. However, it is necessary to make the single crystal silicon porous under optimal conditions. It was found that EL was obtained in the visible region. Light emission with a similar configuration can be obtained with an indirect transition semiconductor other than silicon. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a light emitting element in the visible region even with a semiconductor such as silicon.

【0015】このような構成を採用することによって、
OEICの全ての部分を同一の半導体基板をベースにし
て作成することが可能になり、作成プロセスを著しく簡
素化することができる。また、入力信号の制御や演算、
さらに発光部の駆動回路等を発光部と一体の基板上に集
積化することが可能で、これらを含めた系の小型高機能
化がはかれる。
By adopting such a configuration,
All parts of the OEIC can be made based on the same semiconductor substrate, and the manufacturing process can be significantly simplified. In addition, control and calculation of input signals,
Further, a driving circuit and the like of the light emitting unit can be integrated on a substrate integrated with the light emitting unit, and the size of the system including these components can be improved.

【0016】即ち、受光部,入力信号処理回路,発光部
駆動回路も例えばシリコンを基板として、かつ互いに整
合性のあるプロセスで作成し、両者を集積化可能にする
ことができる。具体的には、発光部としてシリコンを陽
極エッチングして得られる多孔質シリコン層に、電界を
与える導電層を組み合わせた構造を用い、受光部として
は従来より公知のシリコン光電変換素子構造或いは多孔
質シリコン構造を用いる。そして、この両者を同一の基
板上、或いはシリコンウェハを絶縁層を介して接着して
得たSOI基板上に形成する、或いは各々別々のウェハ
プロセスで作成し、ウェハレベルで接着することによっ
て、目的の結合素子を得ることが可能となる。
That is, the light receiving section, the input signal processing circuit, and the light emitting section driving circuit can be formed by using, for example, silicon as a substrate and in a process compatible with each other, so that both can be integrated. Specifically, a structure in which a porous silicon layer obtained by anodically etching silicon is combined with a conductive layer for applying an electric field as a light emitting portion, and a conventionally known silicon photoelectric conversion element is used as a light receiving portion A structure or a porous silicon structure is used. Then, both are formed on the same substrate, or on an SOI substrate obtained by bonding a silicon wafer via an insulating layer, or are formed by separate wafer processes, and bonded at the wafer level, thereby achieving the purpose. Can be obtained.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0018】図1は、本発明の第1の実施例に係わる半
導体発光素子の概略構成を示す断面図である。図中11
はp+ 型シリコン単結晶基板であり、この基板11上に
p型シリコン層12,p型多孔質シリコン層(半導体多
孔質層)13,n型GaP層(半導体結晶層)14が積
層されている。基板11の裏面にはp側電極15が形成
され、GaP層14上の一部にはn側電極16が形成さ
れている。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. 11 in the figure
Is p + A p-type silicon layer 12, a p-type porous silicon layer (semiconductor porous layer) 13, and an n-type GaP layer (semiconductor crystal layer) 14 are laminated on the substrate 11. A p-side electrode 15 is formed on the back surface of the substrate 11, and an n-side electrode 16 is formed on a part of the GaP layer 14.

【0019】各層の具体的な製造方法としては、基板1
1上に厚さ4〜5μmのp型シリコン層12を成長形成
し、このシリコン層12の表面を陽極エッチング加工し
て厚さ1μmの多孔質シリコン層13に形成し、この多
孔質シリコン層13上に厚さ3〜5μmのn型GaP層
14をMOCVD法で成長形成した。
As a specific manufacturing method of each layer, the substrate 1
A p-type silicon layer 12 having a thickness of 4 to 5 μm is grown and formed on the substrate 1, and the surface of the silicon layer 12 is subjected to anodic etching to form a porous silicon layer 13 having a thickness of 1 μm. An n-type GaP layer 14 having a thickness of 3 to 5 μm was formed thereon by MOCVD.

【0020】ここで、陽極エッチング加工としては、基
板11の裏面を電極に接触させ、シリコン層12の表面
に負電圧の白金電極を対向配置し、シリコン層12の表
面を弗酸水溶液に浸漬する。これにより、シリコン表面
から深さ方向に向かって電解エッチングが進行し、多孔
質層が形成される。また、n型GaP層14は、シリコ
ン多孔質層13よりも禁制帯幅の大きな半導体結晶層で
あればよく、III-V 族化合物半導体結晶としてのGaA
lInPや、II-V族化合物半導体結晶としてのZnS,
ZnSe,ZnSSe等を用いてもよい。
Here, in the anodic etching process, the back surface of the substrate 11 is brought into contact with an electrode, a platinum electrode of a negative voltage is arranged on the surface of the silicon layer 12 to face it, and the surface of the silicon layer 12 is immersed in an aqueous solution of hydrofluoric acid. . Thus, electrolytic etching proceeds from the silicon surface toward the depth direction, and a porous layer is formed. The n-type GaP layer 14 may be a semiconductor crystal layer having a larger forbidden band width than the silicon porous layer 13, and may be formed of GaAs as a III-V group compound semiconductor crystal.
lInP, ZnS as II-V compound semiconductor crystal,
ZnSe, ZnSSe, or the like may be used.

【0021】このような構成によって、約2.5Vの印
加電圧でピーク波長650nmの明るい赤色発光が観測
された。なお、多孔質シリコン層13に直接電極を付け
たものは発光が確認できる程度の微小なものであった。
With this configuration, bright red light emission with a peak wavelength of 650 nm was observed at an applied voltage of about 2.5 V. In the case where the electrode was directly attached to the porous silicon layer 13, the size was so small that light emission could be confirmed.

【0022】図2は、本発明の第2の実施例に係わるO
EICの概略構成を示す断面図である。なお、図1と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略す
る。本実施例の特徴は、発光素子とMOS型の集積回路
素子を同一基板上に一体形成したことにある。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the schematic structure of EIC. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The feature of this embodiment is that the light emitting element and the MOS integrated circuit element are integrally formed on the same substrate.

【0023】即ち、p型シリコン層12には先の実施例
と同様の発光素子が形成されると共に、これに隣接して
MOSトランジスタからなる電子回路が形成されてい
る。なお、図中21はソース、22はドレイン、23は
ゲート絶縁膜、24は層間絶縁膜、25はゲート電極、
26はソース電極、27をドレイン電極を示している。
また、図には示さないが、基板11には上記の発光素子
及び電子回路と共に、光結合部や受光素子等が形成され
ている。
That is, a light emitting element similar to that of the previous embodiment is formed on the p-type silicon layer 12, and an electronic circuit composed of a MOS transistor is formed adjacent to the light emitting element. In the figure, 21 is a source, 22 is a drain, 23 is a gate insulating film, 24 is an interlayer insulating film, 25 is a gate electrode,
26 denotes a source electrode, and 27 denotes a drain electrode.
Although not shown in the figure, the substrate 11 is provided with an optical coupling section, a light receiving element, and the like, in addition to the light emitting element and the electronic circuit.

【0024】上記の集積の機能形態を図3に示す。31
は半導体機能素子チップ、32は本発明に基づく1ない
し複数個の発光素子、33は光結合部、34は1ないし
複数個の受光素子、35は電子回路を示す。発光素子3
2の周辺に33から35までの機能素子のいずれかが集
積されたことにより、多様な機能システムの構築が可能
となった。
FIG. 3 shows a functional form of the above integration. 31
Denotes a semiconductor functional element chip, 32 denotes one or more light emitting elements according to the present invention, 33 denotes an optical coupling part, 34 denotes one or more light receiving elements, and 35 denotes an electronic circuit. Light emitting element 3
The integration of any one of the functional elements 33 to 35 around the periphery of 2 has made it possible to construct various functional systems.

【0025】なお、第1,2の実施例で示した発光素子
で半導体多孔質層には多孔質シリコンを用いたが、類似
の量子構造作成が可能な材料であればシリコンに限定さ
れるものではない。また、半導体結晶積層技術として実
施例においてはMOCVD法を用いたが、この手法に限
らずMBE等のエピタキシャル成長法,静電接着或いは
直接接着等を用いることも可能である。
In the light emitting devices shown in the first and second embodiments, porous silicon is used for the semiconductor porous layer. However, any material capable of forming a similar quantum structure is limited to silicon. is not. Further, although the MOCVD method is used in the embodiment as the semiconductor crystal lamination technology, the present invention is not limited to this method, and it is also possible to use an epitaxial growth method such as MBE, electrostatic bonding, direct bonding, or the like.

【0026】図4は本発明の第3の実施例に係わる半導
体発光素子の概略構成を示す断面図である。図中41は
低抵抗シリコン基板、42は第1の絶縁層、43はシリ
コン結晶層、44は第2の絶縁層、45は多孔質シリコ
ン層、46は第3の絶縁層、47は透光性電極、48は
下部電極である。このように多孔質シリコン層45を上
下とも絶縁膜で挟む構造にすることによって、その絶縁
膜に積層して隣接した電極或いは導電層から容易に高電
界を印加することができ、これによって良好なエレクト
ロルミネッセンスを得ることができる。
FIG. 4 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, 41 is a low-resistance silicon substrate, 42 is a first insulating layer, 43 is a silicon crystal layer, 44 is a second insulating layer, 45 is a porous silicon layer, 46 is a third insulating layer, and 47 is a light-transmitting layer. The negative electrode 48 is a lower electrode. By forming the porous silicon layer 45 between the upper and lower insulating films as described above, a high electric field can be easily applied from the electrode or the conductive layer adjacent to the insulating film by laminating on the insulating film. Electroluminescence can be obtained.

【0027】一般に、多孔質シリコン層を作成するため
には、シリコン結晶層の裏面に電極を設けて、表面のみ
を弗酸水溶液中に浸漬し、白金電極を負電圧の対向電極
として電解エッチングする。これによって、シリコン表
面から深さ方向に向かって電解エッチングが進行し、多
孔質層が形成される。この場合、エッチングには、必ず
電流を流す電極が多孔質シリコン層と接続している必要
があり、従来の方法では実施例に示したような多孔質シ
リコン層の下面が絶縁層に接しているような構成は実現
できない。
Generally, in order to form a porous silicon layer, an electrode is provided on the back surface of a silicon crystal layer, only the surface is immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution, and electrolytic etching is performed using a platinum electrode as a negative voltage counter electrode. . Thereby, electrolytic etching proceeds from the silicon surface in the depth direction, and a porous layer is formed. In this case, for etching, it is necessary to always connect an electrode through which a current flows to the porous silicon layer, and in the conventional method, the lower surface of the porous silicon layer as shown in the embodiment is in contact with the insulating layer Such a configuration cannot be realized.

【0028】そこで本発明者らは、このような構成を実
現する方法として、種々検討した結果、シリコンウェハ
の直接接着技術などによって得られた、シリコン層が絶
縁膜上に形成されたいわゆるSOI基板を用い、さらに
ラテラル方向の電解を用いることによって、これを実現
できることを見出した。
The inventors of the present invention have conducted various studies as a method of realizing such a configuration, and as a result, have obtained a so-called SOI substrate having a silicon layer formed on an insulating film obtained by a direct bonding technique of a silicon wafer. It has been found that this can be realized by using the electrolysis in the lateral direction.

【0029】具体的な製造工程を図5を参照して説明す
る。まず、図5(a)に示すように低抵抗シリコン基板
41上に絶縁層42を介してシリコン結晶層43を設け
た素子形成基板を形成する。より具体的には、表面に酸
化膜を形成した2枚のシリコン基板同士を直接接着し、
上側の基板を所望の素子厚みとなるよう機械研磨してシ
リコン結晶層43を形成する。本実施例ではシリコン結
晶層43の厚みを1〜20μmの間とした。
A specific manufacturing process will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 5A, an element forming substrate in which a silicon crystal layer 43 is provided on a low-resistance silicon substrate 41 via an insulating layer 42 is formed. More specifically, two silicon substrates having an oxide film formed on the surface are directly bonded to each other,
The upper substrate is mechanically polished to a desired element thickness to form a silicon crystal layer 43. In this embodiment, the thickness of the silicon crystal layer 43 is set between 1 and 20 μm.

【0030】次いで、図5(b)に示すように絶縁マス
ク層44として、熱酸化膜の酸化シリコン膜とCVD法
による窒化シリコン膜を積層形成し、これを周知のリソ
グラフィによってパターニングして、エッチング領域5
1を開口形成した。さらに、本発明における作成方法の
特徴であるエッチング電極取出し領域52をウェハ内の
別の場所に開口形成した。
Next, as shown in FIG. 5B, a silicon oxide film as a thermal oxide film and a silicon nitride film formed by a CVD method are formed as an insulating mask layer 44, and this is patterned by well-known lithography and etched. Area 5
An opening 1 was formed. Further, an etching electrode extraction region 52, which is a feature of the production method of the present invention, was formed in an opening at another place in the wafer.

【0031】次いで、図5(c)に示すように、電極取
出し領域52にエッチング電極53を接続し、エッチン
グ領域51を弗酸中に浸漬し、電解エッチングした。こ
の際のエッチング液には弗酸(49%)をそのまま用いた
が、エッチング面をより均一にするために、エタノール
を混合してもよい。なお、エッチング領域51に対向す
る対向電極には白金のプレートを用いた。
Next, as shown in FIG. 5C, an etching electrode 53 was connected to the electrode extraction region 52, and the etching region 51 was immersed in hydrofluoric acid and electrolytically etched. In this case, hydrofluoric acid (49%) was used as it is, but ethanol may be mixed to make the etched surface more uniform. Note that a platinum plate was used for the counter electrode facing the etching region 51.

【0032】白金電極側をマイナス、シリコン側をプラ
スとして定電圧電源から電流を供給し、電解エッチング
を行った。この際の電流密度は10mA〜80mAの範
囲で調整した。なお、陽極エッチング加工に際しては、
シリコン多孔質層の多孔度を上げ発光効率を向上させる
ために、エッチング中にタングステンランプを近傍から
照射することも有効であった。エッチング時間は開口部
の発光領域が底部まで多孔質になるよう条件出しを行っ
て決定したが、例えば厚さ5μm,開口部直径20μm
の時には、電流密度50mA/cm2 で10〜20分程
度であった。これは、ランプ照射等の条件によっても変
化した。
Current was supplied from a constant voltage power supply with the platinum electrode side minus and the silicon side plus, to perform electrolytic etching. The current density at this time was adjusted in the range of 10 mA to 80 mA. When performing anodic etching,
In order to increase the porosity of the silicon porous layer and improve the luminous efficiency, it was also effective to irradiate a tungsten lamp from the vicinity during the etching. The etching time was determined by setting conditions so that the light emitting region of the opening was porous up to the bottom. For example, the thickness was 5 μm and the diameter of the opening was 20 μm.
, The current density is 50 mA / cm 2 For about 10 to 20 minutes. This also changed depending on conditions such as lamp irradiation.

【0033】以上により、シリコン結晶43中に多孔質
シリコン層45を形成した。この多孔質シリコン層45
は電解エッチング後に、さらに弗酸中に浸漬エッチング
させてもよい。この後、エッチング,電流密度,光照
射,エッチング液組成などを調整することによって、発
光波長及び効率を変化させることができる。
As described above, the porous silicon layer 45 was formed in the silicon crystal 43. This porous silicon layer 45
May be further immersed and etched in hydrofluoric acid after electrolytic etching. Thereafter, by adjusting the etching, current density, light irradiation, composition of the etching solution, etc., the emission wavelength and efficiency can be changed.

【0034】次いで図5(d)に示すように、多孔質シ
リコン層45の上に上部絶縁層46として、例えばスパ
ッタ法により窒化シリコン膜を形成した。この際に、発
光特性を低下させないためにはできるだけ低温での成膜
及び酸化性の雰囲気を下げることが重要であった。勿
論、膜の形成方法,膜材料は上述の例に限定されるもの
ではない。例えば、低温のプラズマCVD法やECRC
VD法など、さらに電子ビーム蒸着法等を用いてもよ
い。材料としては、酸化シリコン膜,酸化アルミニウム
膜等でもよいが、シリコン多孔質層の発光特性を良好に
保つためには非酸化物の方がより望ましかった。
Next, as shown in FIG. 5D, a silicon nitride film was formed as an upper insulating layer 46 on the porous silicon layer 45 by, for example, a sputtering method. At this time, it is important to form the film at a temperature as low as possible and to lower the oxidizing atmosphere in order not to lower the light emission characteristics. Of course, the method of forming the film and the material of the film are not limited to those described above. For example, low-temperature plasma CVD or ECRC
An electron beam evaporation method or the like, such as a VD method, may be used. As a material, a silicon oxide film, an aluminum oxide film, or the like may be used, but a non-oxide material is more desirable in order to keep the light emission characteristics of the silicon porous layer good.

【0035】これ以降は、スパッタ法で透光性電極47
としてITO膜を形成し、さらに基板41の裏面に下部
電極48として金属膜を形成することによって、前記図
4に示す構造が実現されることになる。
Thereafter, the light transmitting electrodes 47 are formed by sputtering.
By forming an ITO film on the substrate 41 and forming a metal film on the back surface of the substrate 41 as the lower electrode 48, the structure shown in FIG. 4 is realized.

【0036】このようにして構成した素子の上下の電極
47,48間に交流電圧を印加して駆動したところ、従
来のEL素子に比べパワー変換効率が約2倍に改善さ
れ、従来より低い印加電圧で実用上十分な高輝度特性が
得られた。また、発光面の輝度分布の均一性も良好であ
った。
When driving is performed by applying an AC voltage between the upper and lower electrodes 47 and 48 of the device thus constructed, the power conversion efficiency is improved about twice as compared with the conventional EL device, and the applied voltage is lower than that of the conventional EL device. Practically enough high luminance characteristics were obtained at the voltage. The uniformity of the luminance distribution on the light emitting surface was also good.

【0037】図6は、本発明の第4の実施例に係わるO
EICの概略構成を示す断面図である。なお、図5と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略す
る。この実施例は、第3の実施例素子の上に受光素子を
形成したものである。
FIG. 6 is a circuit diagram showing an O-type oscillator according to a fourth embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the schematic structure of EIC. The same parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, a light receiving element is formed on the element of the third embodiment.

【0038】41〜48からなる発光素子の上に透明絶
縁層61を介してp型シリコン層62が形成され、この
シリコン層62上に絶縁層63が形成されている。絶縁
層63の一部には開口が設けられ、この開口から不純物
拡散によりn型層64が形成されている。そして、この
n型層64上に電極65が形成されている。
A p-type silicon layer 62 is formed on a light emitting element 41 to 48 via a transparent insulating layer 61, and an insulating layer 63 is formed on the silicon layer 62. An opening is provided in a part of the insulating layer 63, and an n-type layer 64 is formed from the opening by impurity diffusion. An electrode 65 is formed on the n-type layer 64.

【0039】ここで、受光素子部のシリコンのタイプは
pn接合が実現できれば逆でもよいし、材料自体も単結
晶に限らず多結晶や非晶質でもよい。例えば、透明絶縁
層61に非晶質シリコン層を直接プラズマCVD法で形
成し、その一部にpn接合を形成してもよい。また、こ
の受光素子部はシリコンに限定されるものではなく、他
の半導体材料を用いてもよい。さらに、この構成は単独
の受発光部の組み合わせに限定されるものではなく、各
々をアレイやマトリックス状に複数形成して、多チャネ
ルの結合を行えるようにしてもよい。さらに、受光部1
ユニットに対して、発光部をマトリックスなど複数の素
子から構成して、発光素子数を受光強度に換算させるな
どの論理回路形成に用いてもよい。
Here, the silicon type of the light receiving element portion may be reversed as long as a pn junction can be realized, and the material itself is not limited to single crystal but may be polycrystal or amorphous. For example, an amorphous silicon layer may be directly formed on the transparent insulating layer 61 by a plasma CVD method, and a pn junction may be formed on a part of the amorphous silicon layer. Further, the light receiving element is not limited to silicon, and may use another semiconductor material. Further, this configuration is not limited to a combination of a single light emitting / receiving section, and a plurality of each may be formed in an array or a matrix to enable multi-channel coupling. Further, the light receiving unit 1
The light emitting unit may be composed of a plurality of elements such as a matrix for the unit, and may be used for forming a logic circuit such as converting the number of light emitting elements into light receiving intensity.

【0040】また、発光素子部には多孔質の構造のみで
はなく、これに最適な交流電圧を印加させる回路部を同
時に形成させてもよい。さらに、上述の各要素部をシリ
コンの直接接着技術を用いた同一のSOI基板上に各々
絶縁分離して形成し、集積化してもよい。
In the light emitting element portion, not only a porous structure but also a circuit portion for applying an optimum AC voltage thereto may be formed at the same time. Further, each of the above-mentioned element portions may be formed on the same SOI substrate using a direct bonding technique of silicon, insulated and separated, and integrated.

【0041】図7は、本発明の第5の実施例に係わるO
EICの概略構成を示す断面図である。この実施例で
は、シリコン基板71に絶縁層72を介して直接接着し
たシリコン基板を適当な厚みに研磨調整して、複数の島
にパターニングしたのちに、各島に駆動回路73,多孔
質発光部74,受光素子75を形成し、必要な領域間は
配線76を形成して相互を接続した。
FIG. 7 is a block diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the schematic structure of EIC. In this embodiment, a silicon substrate directly bonded to a silicon substrate 71 via an insulating layer 72 is polished and adjusted to an appropriate thickness and patterned into a plurality of islands. 74, a light receiving element 75 was formed, and a wiring 76 was formed between necessary areas and connected to each other.

【0042】このようにして、一体のシリコン基板上
に、光結合素子に必要な全ての要素を集積化することが
できる。しかも、受発光素子間は完全に電気的に絶縁す
ることができる。
In this way, all the elements necessary for the optical coupling device can be integrated on the integrated silicon substrate. In addition, the light emitting and receiving elements can be completely electrically insulated.

【0043】図8は、本発明の第6の実施例に係わるフ
ォトリンタラプタの概略構成を示す断面図である。p+
型シリコン基板81を発光素子部の下部導電層とし、こ
の基板81上に絶縁層83を介してp型シリコン層84
を積層し、前述の方法によってシリコン層84の一部に
多孔質シリコン層85を形成した。さらに、受光素子用
として、シリコン層84の表面の一部にn+ 拡散層86
を形成した。この上に透明絶縁層87を形成し、必要な
部分を開口した。絶縁層87上に透明電極88を形成
し、基板81の裏面に金属電極89を形成した。また、
発光素子部と受光素子部の間には基板表面から突出する
ように遮光壁91を形成し、両者の間を遮光した。
FIG. 8 is a sectional view showing a schematic configuration of a photo-interrupter according to a sixth embodiment of the present invention. p +
Type silicon substrate 81 is used as a lower conductive layer of the light emitting element portion, and a p-type silicon layer 84 is formed on the substrate 81 with an insulating layer 83 interposed therebetween.
And a porous silicon layer 85 was formed on a part of the silicon layer 84 by the method described above. Further, for a light receiving element, a part of the surface of the silicon layer 84 has n + Diffusion layer 86
Was formed. A transparent insulating layer 87 was formed thereon, and necessary portions were opened. A transparent electrode 88 was formed on the insulating layer 87, and a metal electrode 89 was formed on the back surface of the substrate 81. Also,
A light-shielding wall 91 was formed between the light-emitting element portion and the light-receiving element portion so as to protrude from the substrate surface, and light was shielded between the two.

【0044】このような構成において、通常は発光素子
部からの光は遮光壁91により遮られて受光素子部に照
射されることはない。被検出対象物が接近すると、発光
素子部からの光が反射して受光素子部に到達し、出力変
化を生じる。これを用いて、非接触の接近対象物センサ
を実現することができる。
In such a configuration, the light from the light emitting element is normally not blocked by the light shielding wall 91 and does not irradiate the light receiving element. When an object to be detected approaches, light from the light emitting element unit is reflected and reaches the light receiving element unit, causing an output change. Using this, a non-contact approaching object sensor can be realized.

【0045】[0045]

【0046】[0046]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、従
来困難であったシリコンを初めとする広範な半導体を元
にした高効率の発光素子を実現することができる。ま
た、発光素子部とその駆動回路或いは論理演算回路など
の周辺の必要な電子回路を、同様なプロセスで同一基板
上に形成することができる。また、発光素子部だけに止
まらず、受光素子部との一体形成が発光素子部と同じ材
料を元にして可能になる。さらに、この基本構造を元に
して非常に小型で高機能の光結合素子、光インタラプタ
などの光集積素子を実現することが可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, a highly efficient light emitting device based on a wide range of semiconductors such as silicon, which has been difficult in the past, can be realized. In addition, a necessary electronic circuit such as a light emitting element portion and its driving circuit or a logical operation circuit can be formed over the same substrate by a similar process. In addition to the light emitting element portion, the light emitting element portion can be integrally formed with the light receiving element portion using the same material as the light emitting element portion. Furthermore, based on this basic structure, it is possible to realize an optical integrated device such as an optical coupling device and an optical interrupter, which is very small and has a high performance.

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

【図1】第1の実施例に係わる半導体発光素子の概略構
成を示す断面図、
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment;

【図2】第2の実施例に係わるOEICの概略構成を示
す断面図、
FIG. 2 is a sectional view showing a schematic configuration of an OEIC according to a second embodiment;

【図3】第2の実施例素子の集積形態を示す平面図、FIG. 3 is a plan view showing an integrated form of the device according to the second embodiment;

【図4】第3の実施例に係わる半導体発光素子の概略構
成を示す断面図、
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment;

【図5】第3の実施例素子の製造工程を示す断面図、FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of the device according to the third embodiment;

【図6】第4の実施例に係わるOEICの概略構成を示
す断面図、
FIG. 6 is a sectional view showing a schematic configuration of an OEIC according to a fourth embodiment;

【図7】第5の実施例に係わるOEICの概略構成を示
す断面図、
FIG. 7 is a sectional view showing a schematic configuration of an OEIC according to a fifth embodiment;

【図8】第6の実施例に係わるフォトリンタラプタの概
略構成を示す断面図。
FIG. 8 is a sectional view showing a schematic configuration of a photointerrupter according to a sixth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…p+ 型シリコン単結晶基板、 12…p型シリコン層、 13…p型多孔質シリコン層(半導体多孔質層)、 14…n型GaP層(半導体結晶層)、 15…p側電極、 16…n側電極、 41…低抵抗シリコン基板、 42…第1の絶縁層、 43…シリコン結晶層、 44…第2の絶縁層、 45…多孔質シリコン層、 46…第3の絶縁層、 47…透光性電極、 48…下部電極。11 ... p + -Type silicon single crystal substrate, 12 ... p-type silicon layer, 13 ... p-type porous silicon layer (semiconductor porous layer), 14 ... n-type GaP layer (semiconductor crystal layer), 15 ... p-side electrode, 16 ... n-side Electrodes, 41: low resistance silicon substrate, 42: first insulating layer, 43: silicon crystal layer, 44: second insulating layer, 45: porous silicon layer, 46: third insulating layer, 47: light transmission Electrode, 48 ... Lower electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 均 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平5−129654(JP,A) 特開 平5−55627(JP,A) 特開 平2−98093(JP,A) 特開 平4−14215(JP,A) 特開 平4−356977(JP,A) 特開 平5−37012(JP,A) 特開 平5−218494(JP,A) 実表 平6−509685(JP,U) IEEE ELECTRON DEV ICE LETTERS,VOL.12, NO.12(1991) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05B 33/14 H01L 27/15 H01L 33/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Hitoshi Yagi 1 Toshiba-cho, Komukai, Kawasaki-shi, Kanagawa Pref. JP-A-5-55627 (JP, A) JP-A-2-98093 (JP, A) JP-A-4-14215 (JP, A) JP-A-4-356977 (JP, A) JP-A-5-37012 (JP) JP-A-5-218494 (JP, A) Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 6-509685 (JP, U) IEEE ELECTRON DEV ICE LETTERS, VOL. 12, NO. 12 (1991) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H05B 33/14 H01L 27/15 H01L 33/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体多孔質層と、この半導体多孔質層の
両面に絶縁層又は高抵抗層を介して積層された導電層と
を具備してなり、前記導電層に電圧を印加して前記半導
体多孔質層を発光させることを特徴とする半導体発光素
子。
1. A semiconductor porous layer comprising: a semiconductor porous layer; and a conductive layer laminated on both surfaces of the semiconductor porous layer via an insulating layer or a high-resistance layer. A semiconductor light emitting device characterized in that a semiconductor porous layer emits light.
【請求項2】前記半導体多孔質層は、半導体基板上に絶
縁層又は高抵抗層を介して形成された半導体層の一部の
領域を多孔質化してなるものであることを特徴とする請
求項1記載の半導体発光素子。
2. The semiconductor porous layer is formed on a semiconductor substrate.
Part of the semiconductor layer formed via the edge layer or the high resistance layer
A contractor characterized in that the region is made porous.
The semiconductor light emitting device according to claim 1.
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