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

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750298
• 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 / フォトルミネッセンス / 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基板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った。実際に、室温のダイオードを作製できたが、本年度はとりわけ以下の点を明らかにした。
(1)Si中に鉄シリサイドを埋込んだSi/β-FeSi_2粒/Si構造を形成する際、鉄シリサイド粒のサイズを0.1μmとしてきた。X線回折測定から、Si(001)基板に対して鉄シリサイドのα軸が垂直である[100]配向の鉄シリサイドが成長できていることは分かっていたが、Si(001)面上の鉄シリサイドの回転については全く分かっていなかった。そこで、透過型電子顕微鏡(TEM)により、平面TEM観察を行ったところ、鉄シリサイド粒はそれぞれが単結晶になっていること、Si(001)面上に理論的に予想されるβ-FeSi_2[010]叉は[001]//Si<110>の2通りの等価な成長様式を持っていること、さらに、モアレ縞から鉄シリサイドは歪んでいることが明らかとなった。また、鉄シリサイド粒の間隔が広く空いており、キャリア注入の向上には面内密度をもっと上げる必要がある。
(2)n-Si基板を用いて発光ダイオードを作製する際、Si/β-FeSi_2粒/n-Si構造を作製し、最後に正孔注入のためボロンをドーピングしてp-Si層を成長するが、このp-Si層の成長温度により発光ダイオードの発光強度が大きく影響することが明らかとなった。具体的には、650度以下では多数の欠陥のため発光せず、また、750度以上ではp-Si表面が荒れるため、700度付近が最適である。

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)
• [文献書誌] K.Takarabe: "Optical porperties of β-FeSi_2 under pressure"Physical Review B. Vol.65. 165125 (2002)
• [文献書誌] T.Nakamura: "Investigation of the energy band structure of orthorhombic BaSi_2 by optical and electrical measurements and theoretical calculations"Applied Physics Letters. Vol.81,No.6. 1032-1034 (2002)
• [文献書誌] K.Takakura: "Comparison of donor and acceptor levles in undoped, high quality β-FeSi_2 films grown by MBE and multi-layer method"International Journal of Modern Physics B. Vol.16,No.28&29. 4314-4317 (2002)