半導体鉄シリサイドを用いた光配線用赤外発光ダイオードの研究開発

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750298
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 末益 崇 筑波大学, 物理工学系, 講師 (40282339)
• キーワード: 鉄シリサイド / 透過型電子顕微鏡 / エレクトロルミネッセンス / 発光ダイオード

研究概要

本研究では、Si上にエピタキシャル成長可能な半導体鉄シリサイド(β-FeSi_2)を用いて、室温で動作する赤外領域の発光ダイオードを実現することを目的に実験を行い、以下の結果を得た。
1.Si中にβ-FeSi_2粒を埋込んだSi/β-FeSi_2粒/Si構造を、β-FeSi_2については熱反応堆積法を用いて、また、Siについては分子線エピタキシー(MBE)法を用いて作製した。Β-FeSi_2をMBE法Siで埋込む温度が400〜500度と低い時にはβ-FeSi_2からの1.5μmのフォトルミネッセンス(PL)が得られるが、理込み温度が高い時にはPLが得られなかった。
2.PL発光が得られた低温(500度)で埋込んだ試料と、PL発光が得られなかった高温(750度)で埋込んだ試料のβ-FeSi_2について、透過型電子顕微鏡(TEM)により、その格子定数を見積った。その結果、発光するβ-FeSi_2はa軸方向に約9%もの引っ張り歪みを受けていることが明かとなった。一方、発光しないβ-FeSi_2は歪んでいなかった。
3.β-FeSi_2をMBE成長Siで埋込む温度により、どうしてβ-FeSi_2の格子定数に差が現われるのかを調べるために、PL発光が得られた低温(500度)で埋込んだ試料と、PL発光が得られなかった高温(750度)で埋込んだ試料の埋込み過程をTEMで観察した。その結果、高温で埋込んだβ-FeSi_2は、埋込み過程で球状に凝集するのに対し、低温で埋込んだβ-FeSi_2は埋込んだだけでは凝集せず、最後の900度アニールにより始めて球状に凝集することが明らかになった。
4.Si pn接合に、直径約100nmのβ-FeSi_2を500度で埋込んだダイオードをエピタキシャルSi(001)基板上に作製したところ、40A/cm^2以上の電流注入で、1.6μmの室温エレクトロルミネッセンスが得られた。

研究成果

• [文献書誌] K.Takakura: "Investigation of direct and indirect bandgaps of[100]-oriented nearly strain-free β-FeSi_2 films grown by molecular beam epitaxy"Applied Physics Letters. Vol.80,No.4. 556-558 (2002)
• [文献書誌] 知京豊裕: "Si結晶中に埋込まれたFeSi_2のTEM観察"まてりあ. 40巻、12号. 1013-1013 (2001)
• [文献書誌] N.Hiroi: "Direct Growth of[100]-Oriented β-FeSi_2 Films on Si(001)Substarates by Molecular Beam Epitaxy"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.40,No.10A. L1008-L1011 (2001)
• [文献書誌] T.Suemasu: "Influence of Si growth temperature for embedding β-FeSi_2 and resultant strain in β-FeSi_2 on light emission from p-Si/β-FeSi_2 particles/n-Si light-emitting diodes"Applied Physics Letters. Vol.79,No.12. 1804-1806 (2001)
• [文献書誌] K.Takarabe: "Optical absorption spectra of β-FeSi_2 under pressure"physics status solidi(b). Vol.223. 259-263 (2001)
• [文献書誌] 長谷川文夫: "鉄シリサイドβ-FeSi_2を活性領域とするSi系LEDの室温発光"真空ジャーナル. 75号. 5-9 (2001)