本発明の実施の形態について図面を参照� ��ながら詳細に説明する。なお、図中同一ま� ��は相当部分には同一符号を付してその説明� ��繰返さない。

 図1は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)� ��置の概略図である。図1を参照して、プラズ マCVD装置100は、反応室101と、電極板102と、サ ンプルホルダー103と、ヒーター104と、RF(Radio� �Frequency)電源105と、配管106~108と、ガスボンベ 109~111とを備える。

 反応室101は、中空の容器からなり、排気� ��101Aを有する。電極板102およびサンプルホル ダー103は、平板形状からなり、反応室101内に 50mmの間隔で略平行に配置される。そして、� �極板102およびサンプルホルダー103の各々は� �200mmφの直径を有する。ヒーター104は、サン� ��ルホルダー103内に配置される。

 RF電源105は、電極板102とサンプルホルダ� �103とに接続される。配管106は、一方端が反� �室101に接続され、他方端がガスボンベ109に� �続される。また、配管107は、一方端が反応� �101に接続され、他方端がガスボンベ110に接� �される。さらに、配管108は、一方端が反応� �101に接続され、他方端がガスボンベ111に接� �される。

 サンプルホルダー103は、基板1を保持する 。ヒーター104は、基板1を所定の温度に加熱� �る。RF電源105は、電極板102とサンプルホルダ ー103との間に、13.56MHzのRF電力を印加する。

 ガスボンベ109は、N ₂ O(100%)ガスを保持し、ガスボンベ110は、水素(H ₂ )ガスによって希釈された10%のSiH ₄ ガスを保持し、ガスボンベ111は、NH ₃ (100%)ガスを保持する。

 配管106は、N ₂ Oガスを反応室101内に供給する。配管107は、Si H ₄ ガスを反応室101内に供給する。配管108は、NH ₃ ガスを反応室101内に供給する。反応室101内に 供給されたN ₂ Oガス、SiH ₄ ガスおよびNH ₃ ガスは、ロータリーポンプ等の排気装置(図� �せず)によって排気口101Aから排気される。そ の結果、反応室101内は、所定の圧力に設定さ れる。

 プラズマCVD装置100は、N ₂ OガスおよびSiH ₄ ガスが反応室101内に供給された状態でRF電源1 05によってRF電力を電極板102とサンプルホル� �ー103との間に印加してシリコン酸化膜を基� �1上に堆積する。また、プラズマCVD装置100は� ��NH ₃ ガスおよびSiH ₄ ガスが反応室101内に供給された状態でRF電源1 05によってRF電力を電極板102とサンプルホル� �ー103との間に印加してシリコン窒化膜を基� �1上に堆積する。さらに、プラズマCVD装置100� ��、N ₂ Oガス、NH ₃ ガスおよびSiH ₄ ガスが反応室101内に供給された状態でRF電源1 05によってRF電力を電極板102とサンプルホル� �ー103との間に印加してシリコン酸窒化膜を� �板1上に堆積する。

 図2は、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置の概略 図である。

 図2を参照して、RTA装置200は、容器210と、 ホルダー220と、石英窓230と、ランプハウス240 と、ランプ250と、配管260と、冷却器270と、熱 電対280と、制御装置290とを備える。

 容器210は、ガス流入口211と、ガス排出口2 12とを有する。ホルダー220は、容器210の底面2 10Aに設置される。石英窓230は、ホルダー220に 対向して容器210の上面210Bに設置される。

 ランプハウス240は、石英窓230の上側に設� ��される。ランプ250は、ランプハウス230内に� ��納される。

 配管260は、一部がホルダー220を貫通し、� ��端が冷却器270に接続される。熱電対280は、� ��方端がホルダー220内に埋め込まれており、� ��方端が制御装置290に接続される。

 ガス流入口211は、たとえば、窒素(N ₂ )ガスを外部から容器210内へ流す。ガス排出� �212は、容器210内のN ₂ ガスを外部へ排出する。

 ホルダー220は、試料300を支持する。石英� ��230は、ランプ250からの光を透過させる。ラ� ��プ250は、石英窓230を介して試料300を加熱す� ��。配管260は、冷却水をホルダー220と冷却器2 70との間で循環させる。

 冷却器270は、制御装置290からの制御に応� ��て、冷却水を配管260に流す。熱電対280は、� ��料300の温度Tsを検出し、その検出した温度Ts を制御装置290へ出力する。

 制御装置290は、熱電対280から温度Tsを受� �る。そして、制御装置290は、試料300を加熱� �る場合、温度Tsを2秒間で室温から1000℃まで� ��昇させるためのパワーPW1をランプ250に供給� ��る。

 また、制御装置290は、温度Tsを1000℃に保� ��するためのパワーPW2をランプ250に供給する� ��

 さらに、制御装置290は、温度Tsを急冷す� �場合、冷却水を流すように冷却器270を制御� �る。

 RTA装置200を用いて試料300に対してRTAによる� ��処理を行なう場合、試料300をホルダー220上� ��セットする。その後、ガス流入口211からN ₂ ガスを容器210内へ流し、容器210内をN ₂ ガスによって置換する。

 その後、制御装置290は、パワーPW1をラン� ��250に供給する。そして、ランプ250は、制御� ��置290からのパワーPW1を受けて、試料300を加� ��し、試料300の温度Tsを2秒間で室温から1000℃ まで上昇させる。

 そうすると、熱電対280は、試料300の温度T sを検出し、その検出した温度Tsを制御装置290 へ出力する。

 制御装置290は、温度Tsを熱電対280から受� �、その受けた温度Tsに基づいて、温度Tsを1000 ℃に保持するためのパワーPW2をランプ250に供 給する。ランプ250は、制御装置290からのパワ ーPW2を受けて、試料300の温度Tsを1000℃に保持 する。

 そして、一定時間が経過すると、制御装� ��290は、ランプ250をオフするための信号OFFを� ��ンプ250へ出力し、ランプ250は、信号OFFに応� ��て試料300の加熱を停止する。これによって� ��試料300は、自然冷却される。

 一方、制御装置290は、一定時間が経過し� ��かつ、試料300を急冷する場合、冷却水を流� ��ための信号WONを生成して冷却器270へ出力す� ��。そして、冷却器270は、制御装置290からの� ��号WONに応じて、配管260に冷却水を流す。こ� ��によって、試料300は、急冷される。

 図3は、図2に示すRTA装置200を用いたRTAに� �る熱処理のタイミングチャートである。

 図3において、縦軸は、温度を表し、横軸 は、時間を表す。また、直線k1,k2,k3は、RTAに� ��る第1の熱処理方法を示し、直線k1,k2,k4は、R TAによる第2の熱処理方法を示す。

 図3を参照して、第1の熱処理方法が実行� �れる場合、試料300は、タイミングt0からタイ ミングt1までの5秒間で室温RTから1000℃まで加 熱される(直線k1参照)。そして、試料300は、� �イミングt1からタイミングt2までの1分間、100 0℃に保持される(直線k2参照)。

 その後、タイミングt2でランプ250がオフ� �れ、冷却水が配管260に流される。そして、� �料300は、タイミングt2からタイミングt3まで� ��30秒で1000℃から室温RTまで冷却される(直線k 3参照)。

 一方、第2の熱処理方法が実行される場合 、試料300は、第1の熱処理方法と同じ方法に� �って、室温RTから1000℃に加熱され、かつ、10 00℃に保持される。そして、タイミングt2で� �ンプ250がオフされ、試料300は、タイミングt2 からタイミングt4までの30分で1000℃から室温R Tまで冷却される(直線k4参照)。

 このように、この発明においては、急速� ��熱および急速冷却によって試料300を熱処理� ��るとともに、急速加熱および自然冷却によ� ��て試料300を熱処理する。

 図4は、量子ドットを製造する工程図であ る。量子ドットを製造する動作が開始される と、シリコン(Si)からなる基板1が準備され(図 4の工程(a)参照)、基板1をRCA洗浄した後、図1� �示すプラズマCVD装置100のサンプルホルダー10 3に基板1を設置する。

 そして、ガスボンベ109からN ₂ Oガスを反応室101へ供給し、ガスボンベ110か� �SiH ₄ ガスを反応室101へ供給し、表1に示す反応条� �を用いてシリコン酸化膜2を基板1上に堆積す る(図4の工程(b)参照)。この段階で、シリコン 酸化膜2は、結晶流を含まない非晶質相から� �る。

 その後、シリコン酸化膜2/基板1からなる� ��料300をRTA装置200のホルダー220上に設置し、� ��述した方法によって試料300(=シリコン酸化� �2/基板1に対してRTAによる熱処理(急速加熱お� ��び急速冷却)を施す(図4の工程(c)参照)。その 結果、量子ドット21がシリコン酸化膜2中に生 成される。

 図5は、量子ドットを製造する他の工程図 である。量子ドットを製造する動作が開始さ れると、図4の工程(a),(b)と同じ工程に従って� �� シリコン酸化膜2を基板1上に堆積する(図5� ��工程(a),(b)参照)。

 その後、シリコン酸化膜2/基板1からなる� ��料300をRTA装置200のホルダー220上に設置し、� ��述した方法によって試料300(=シリコン酸化� �2/基板1に対してRTAによる熱処理(急速加熱お� ��び自然冷却)を施す(図5の工程(c)参照)。その 結果、量子ドット22がシリコン酸化膜2中に生 成される。量子ドット22は、量子ドット21よ� �も直径が大きい。

 図6は、図4に示す工程(b)~工程(d)における� ��念図である。図6を参照して、図4に示す工� �(b)において堆積されたシリコン酸化膜2は、� ��晶質相からなる(図6の(a)参照)。そして、RTA� ��よる熱処理において、試料300(=シリコン酸� �膜2/基板1)が2秒間で室温RTから1000℃に加熱さ れた段階で結晶粒20が生成される(図6の(b)参� �)。

 その後、試料300(=シリコン酸化膜2/基板1)� ��1000℃に保持され、かつ、急速冷却されると 、結晶粒20が成長して量子ドット21が生成さ� �る(図6の(c)参照)。

 図7は、図5に示す工程(b)~工程(d)における� ��念図である。図5に示す工程(b)においてシリ コン酸化膜2が堆積された段階では、図6に示� ��場合と同様に、シリコン酸化膜2は、非晶質 相からなり(図7の(a)参照)、5秒間で室温RTから 1000℃まで加熱された段階では、図6に示す場� ��と同様に、結晶粒20が生成される(図7の(b)参 照)。

 その後、試料300(=シリコン酸化膜2/基板1)� ��1000℃に保持され、かつ、自然冷却されると 、結晶粒20が成長して量子ドット22が生成さ� �る(図7の(c)参照)。

 量子ドット22は、量子ドット21よりもサイ ズが大きく、量子ドット21よりも密度が大き� ��。

 上述したように、RTAによる熱処理におけ� ��冷却速度を制御することによって、量子ド� ��トのサイズおよび密度を制御できる。

 なお、シリコン窒化膜2を形成する条件(表1) におけるN ₂ Oガスに対するSiH ₄ ガスの流量比は、絶縁膜としてのSiO ₂ 膜を形成するときのN ₂ Oガスに対するSiH ₄ ガスの流量比(=基準流量比)よりも大きい。す なわち、この発明においては、シリコン酸化 膜2は、SiH ₄ ガスの流量を基準よりも多くして形成され、 所謂、シリコンリッチ酸化膜と呼ばれる。

 したがって、この発明においては、シリ� ��ンリッチ酸化膜2をプラズマCVD装置100を用い て基板1上に堆積し、その堆積したシリコン� �ッチ酸化膜2に対してRTAによる熱処理を施す� ��とによって、所望のサイズおよび所望の密� ��を有する量子ドットを製造することを特徴� ��する。

 なお、上記においては、シリコン酸化膜� ��対してRTAによる熱処理を施して量子ドット� ��製造する場合について説明したが、この発� ��においては、これに限らず、シリコン窒化� ��に対してRTAによる熱処理を施して量子ドッ� ��を製造してもよく、シリコン酸窒化膜に対� ��てRTAによる熱処理を施して量子ドットを製� ��してもよい。

 シリコン窒化膜に対してRTAによる熱処理� ��施して量子ドットを製造する場合、表2に示 す反応条件を用いてシリコン窒化膜を基板1� �に堆積し、その堆積したシリコン窒化膜に� �してRTA装置200を用いてRTAによる熱処理を行� �う。

 この場合、シリコン窒化膜を形成する条件( 表2)におけるNH ₃ ガスに対するSiH ₄ ガスの流量比は、絶縁膜としてのSi ₃ N ₄ 膜を形成するときのNH ₃ ガスに対するSiH ₄ ガスの流量比(=基準流量比)よりも大きい。す なわち、この発明においては、シリコン窒化 膜は、SiH ₄ ガスの流量を基準よりも多くして形成され、 所謂、シリコンリッチ窒化膜と呼ばれる。

 したがって、この発明においては、シリ� ��ンリッチ窒化膜をプラズマCVD装置100を用い� ��基板1上に堆積し、その堆積したシリコンリ ッチ窒化膜に対してRTAによる熱処理を施すこ とによって、所望のサイズおよび所望の密度 を有する量子ドットを製造することを特徴と する。

 さらに、シリコン酸窒化膜に対してRTAに� ��る熱処理を施して量子ドットを製造する場� ��、表3に示す反応条件を用いてシリコン酸窒 化膜を基板1上に堆積し、その堆積したシリ� �ン酸窒化膜に対してRTA装置200を用いてRTAに� �る熱処理を行なう。

 この場合、シリコン酸窒化膜を形成する条� ��(表3)におけるNH ₃ ガスに対するSiH ₄ ガスの流量比は、絶縁膜としてのSi ₃ N ₄ 膜を形成するときのNH ₃ ガスに対するSiH ₄ ガスの流量比(=基準流量比)よりも大きく、か つ、N ₂ Oガスに対するSiH ₄ ガスの流量比は、絶縁膜としてのSiO ₂ 膜を形成するときのN ₂ Oガスに対するSiH ₄ ガスの流量比(=基準流量比)よりも大きい。す なわち、この発明においては、シリコン酸窒 化膜は、SiH ₄ ガスの流量を基準よりも多くして形成され、 所謂、シリコンリッチ酸窒化膜と呼ばれる。

 したがって、この発明においては、シリ� ��ンリッチ酸窒化膜をプラズマCVD装置100を用� ��て基板1上に堆積し、その堆積したシリコン リッチ酸窒化膜に対してRTAによる熱処理を施 すことによって、所望のサイズおよび所望の 密度を有する量子ドットを製造することを特 徴とする。

 上述したシリコン酸化膜を熱処理した後の� ��は、Siドット(半導体量子ドット)と、SiO ₂ (絶縁膜)とからなり、シリコン窒化膜を熱処� ��した後の膜は、Siドット(半導体量子ドット) と、Si ₃ N ₄ (絶縁膜)とからなり、シリコン酸窒化膜を熱� ��理した後の膜は、Siドット(半導体量子ドッ� ��)と、SiO _x N _4/3-2x/3 (0<x<2)(絶縁膜)とからなる。

 そして、この発明においては、半導体量子� ��ットがSiドットからなるものに限らず、半� �体量子ドットがGe,C,Snのいずれかからなり、� ��の周囲が絶縁膜であるSiO ₂ ,SiO _x N _4/3-2x/3 (0<x<2),Si ₃ N ₄ ,GeO ₂ ,GeO _x N _4/3-2x/3 (0<x<2),Ge ₃ N ₄ のいずれかからなっていればよい。

 そして、RTAによる熱処理を施す前の薄膜� ��、半導体量子ドットを構成する元素を含む� ��料(固体または気体)に対する、絶縁膜を構� �する元素を含む材料(固体または気体)の量比 を絶縁膜を形成するときの量比(=基準値)以上 に設定して作製される。

 この場合、RTAによる熱処理を施す前の薄� ��は、上述したプラズマCVD装置100に限らず、M OCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置、MB E(Molecular Beam Epitaxy)装置、LPCVD装置およびス� ��ッタリング装置等の各種の装置を用いて作� ��される。

 また、上記においては、RTAによる熱処理� ��おける昇温レートは、200℃/sであると説明� �たが、この発明においては、これに限らず� �RTAによる熱処理における昇温レートは、0.2� �/s~500℃/sの範囲であればよく、一般的には、 0.2℃/s(=基準昇温レート)以上であればよい。

 さらに、RTAによる熱処理における降温レ� ��トは、急速冷却する場合、5℃/s~50℃/sの範� �であればよく、一般的には、5℃/s(=基準降温 レート)以上であればよい。

 以下、上述した量子ドットの製造方法を� ��いて製造した量子ドットの発光素子への応� ��例について説明する。

 図8は、この発明の実施の形態による製造方 法を用いて作製した発光素子の断面図である 。図8を参照して、発光素子400は、基板401と� �n型シリコン酸化膜402と、i型シリコン窒化膜 403と、p型シリコン酸窒化膜404と、p ⁺ 型ポリシリコン(poly-Si)膜405と、電極406,407と� �備える。

 基板401は、約0.1ω・cmの比抵抗を有するn ⁺ 型シリコン(n ⁺ -Si)からなる。n型シリコン酸化膜402は、後述� ��るように、n型Siからなる複数の量子ドット� ��含み、基板1の一主面に形成される。そして 、n型シリコン酸化膜402は、約150nmの膜厚を有 する。

 i型シリコン窒化膜403は、後述するように 、i型Siからなる複数の量子ドットを含み、n� �シリコン酸化膜402に接してn型シリコン酸化� ��402上に形成される。そして、i型シリコン窒 化膜403は、約10nmの膜厚を有する。

 p型シリコン酸窒化膜404は、i型シリコン窒� �膜403に接して、i型シリコン窒化膜403上に形� ��される。そして、p型シリコン酸窒化膜404は 、後述するように、p型Siからなる複数の量子 ドットを含み、SiO ₁ N _0.33 の組成を有する。また、p型シリコン酸窒化� �404は、約100nmの膜厚を有する。

 p ⁺ 型poly-Si膜405は、p ⁺ 型poly-Si膜4051~4054からなり、p型シリコン酸窒� ��膜404に接してp型シリコン酸窒化膜404上に形 成される。そして、p ⁺ 型poly-Si膜405は、約10 ²⁰ cm ^-3 のボロン濃度を含み、約50nmの膜厚を有する� �

 電極406は、電極4061~4064からなる。そして、� ��極4061~4064は、それぞれ、p ⁺ 型poly-Si膜4051~4054に接してp ⁺ 型poly-Si膜4051~4054上に形成される。電極4061~406 4の各々は、アルミニウム(Al)からなる。

 電極407は、Alからなり、基板401の裏面(n型 シリコン酸化膜402等が形成された面と反対面 )に形成される。

 図9は、図8に示すn型シリコン酸化膜402、i型 シリコン窒化膜403およびp型シリコン酸窒化� �404の拡大断面図である。図9を参照して、n型 シリコン酸化膜402は、複数の量子ドット4021� �含む。複数の量子ドット4021の各々は、n型Si� ��ットからなり、約10 ¹⁹ cm ^-3 のリン(P)濃度を含む。そして、複数の量子ド ット4021は、n型シリコン酸化膜402中に不規則� ��配置される。

 i型シリコン窒化膜403は、複数の量子ドッ ト4031を含む。複数の量子ドット4031の各々は� ��i型Siドットからなる。そして、複数の量子� ��ット4031は、i型シリコン窒化膜403中に不規� �に配置される。

 p型シリコン酸窒化膜404は、複数の量子ドッ ト4041を含む。複数の量子ドット4041の各々は� ��p型Siドットからなり、約10 ¹⁹ cm ^-3 のB濃度を含む。そして、複数の量子ドット40 41は、p型シリコン酸窒化膜404中に不規則に配 置される。

 このように、n型シリコン酸化膜402は、n� �Siドットからなる量子ドット4021を含み、i型� ��リコン窒化膜403およびp型シリコン酸窒化膜 404は、それぞれ、i型Siドットからなる量子ド ット4031およびp型Siドットからなる量子ドッ� �4041を含む。したがって、n型シリコン酸化膜 402、i型シリコン窒化膜403およびp型シリコン� ��窒化膜404は、pin接合を形成する。

 図10は、図8に示す発光素子400のゼロバイア� ��時のエネルギーバンド図である。図10を参� �して、基板401を構成するn ⁺ Si中には、伝導帯Ec1および価電子帯Ev1が存在� ��、n ⁺ Siは、1.12eVのエネルギーバンドギャップEg1を� ��する。

 また、p ⁺ poly-Si膜405中には、伝導帯Ec2および価電子帯Ev 2が存在し、p ⁺ poly-Si膜405は、1.12eVのエネルギーバンドギャ� �プEg1を有する。

 基板401を構成するn ⁺ Siは、Pが高濃度にドーピングされ、p ⁺ poly-Si膜405は、Bが高濃度にドーピングされて� ��るため、n ⁺ Siの伝導帯Ec1の端は、p ⁺ poly-Si膜404の価電子帯Ev2の端にエネルギー的� �近い。

 n型シリコン酸化膜402は、上述したように、 複数の量子ドット4021を含むため、量子ドッ� �4021と、量子ドット4021を含まないシリコンダ イオキサイド(SiO ₂ )層4022との積層構造からなる。その結果、量� ��ドット4021は、SiO ₂ 層4022によって挟み込まれる。

 SiO ₂ 層4022は、約9eVのエネルギーバンドギャップ� �有する。また、量子ドット4021は、2つのSiO ₂ 層4022によって挟み込まれているので、量子� �イズ効果によって、n ⁺ Siの伝導帯Ec1側にサブ準位L _sub 1を有し、n ⁺ Siの価電子帯Ev1側にサブ準位L _sub 2を有する。

 サブ準位L _sub 1は、n ⁺ Siの伝導帯Ec1よりもエネルギー的に高く、サ� ��準位L _sub 2は、n ⁺ Siの価電子帯Ev1の端よりもエネルギー的に高� ��。その結果、サブ準位L _sub 1とサブ準位L _sub 2とのエネルギー差は、n ⁺ SiのエネルギーギャップEg1よりも大きい。

 また、n ⁺ Siの伝導帯Ec1の端とSiO ₂ 層4022の伝導帯の端とのエネルギー差δE1は、� ��3.23eVであり、n ⁺ Siの価電子帯Ev1の端とSiO ₂ 層4022の価電子帯の端とのエネルギー差δE2は� ��約4.65eVである。したがって、n型シリコン酸 化膜402は、n ⁺ Si中の正孔に対する障壁エネルギー(=δE2)より も小さい障壁エネルギー(=δE1)をn ⁺ Si中の電子に対して有する。

 i型シリコン窒化膜403は、上述したように、 複数の量子ドット4031を含むため、量子ドッ� �4031と、量子ドット4031を含まないシリコン窒 化膜(Si ₃ N ₄ )層4032との積層構造からなる。その結果、量� ��ドット4031は、Si ₃ N ₄ 層4032によって挟み込まれる。

 Si ₃ N ₄ 層4032は、約5.2eVのエネルギーバンドギャップ を有する。また、量子ドット4031は、2つのSi ₃ N ₄ 層4032によって挟み込まれているので、量子� �イズ効果によって、p ⁺ poly-Si膜405の伝導帯Ec2側にサブ準位L _sub 3を有し、p ⁺ poly-Si膜405の価電子帯Ev4側にサブ準位L _sub 4を有する。

 サブ準位L _sub 3は、p ⁺ poly-Si膜405の伝導帯Ec2の端よりもエネルギー� �に高く、サブ準位L _sub 4は、p ⁺ poly-Si膜405の価電子帯Ev2の端よりもエネルギ� �的に高い。その結果、サブ準位L _sub 3とサブ準位L _sub 4とのエネルギー差は、p ⁺ poly-Si膜405のエネルギーギャップEg1よりも大� �い。

 p型シリコン酸窒化膜404は、上述したよう に、複数の量子ドット4041を含むため、量子� �ット4041と、量子ドット4041を含まないシリコ ン酸窒化膜層4042との積層構造からなる。そ� �結果、量子ドット4041は、シリコン酸窒化膜� ��4042によって挟み込まれる。

 シリコン酸窒化膜層4042は、7.1eVのエネルギ� ��バンドギャップを有する。また、量子ドッ� ��4041は、2つのシリコン酸窒化膜層4042によっ� ��挟み込まれているので、量子サイズ効果に� ��って、p ⁺ Siの伝導帯Ec2側にサブ準位L _sub 5を有し、p ⁺ Siの価電子帯Ev2側にサブ準位L _sub 6を有する。

 サブ準位L _sub 5は、p ⁺ Siの伝導帯Ec2よりもエネルギー的に高く、サ� ��準位L _sub 6は、p ⁺ Siの価電子帯Ev2の端よりもエネルギー的に高� ��。その結果、サブ準位L _sub 5とサブ準位L _sub 6とのエネルギー差は、p ⁺ SiのエネルギーギャップEg1よりも大きい。

 また、p ⁺ Siの伝導帯Ec2の端とシリコン酸窒化膜層4042の 伝導帯の端とのエネルギー差δE5は、4.2eVであ り、p ⁺ Siの価電子帯Ev2の端とシリコン酸窒化膜層4042 の価電子帯の端とのエネルギー差δE6は、約1. 78eVである。したがって、p型シリコン酸窒化� ��404は、p ⁺ Si中の電子に対する障壁エネルギー(=δE5)より も小さい障壁エネルギー(=δE6)をp ⁺ Si中の正孔に対して有する。

 図11は、図8に示す発光素子400の電流通電時� ��エネルギーバンド図である。電極406側をプ� ��ス、電極407側をマイナスとして電極406,407間 に電圧を印加すると、図11に示すように、基� ��401を構成するn ⁺ Siのエネルギーバンドが持ち上がり、n ⁺ Si中の電子11は、n型シリコン酸化膜402中の複� ��の量子ドット4021を介してn型シリコン酸化� �402中を伝導し、i型シリコン窒化膜403中に注� ��される。

 そして、p型シリコン酸窒化膜404は、電子 に対してi型シリコン窒化膜403よりも大きい� �壁を有するので、i型シリコン窒化膜403中に� ��入された電子は、p型シリコン酸窒化膜404に よってブロックされ、i型シリコン窒化膜403� �量子ドット4031中に蓄積される。

 一方、p ⁺ poly-Si膜405中の正孔12は、p型シリコン酸窒化� �404中の量子ドット4041を介してp型シリコン酸 窒化膜404中を伝導し、i型シリコン窒化膜403� �に注入される。そして、n型シリコン酸化膜4 02は、正孔に対してi型シリコン窒化膜403より も大きい障壁を有するので、i型シリコン窒� �膜403中に注入された正孔は、n型シリコン酸� ��膜402によってブロックされ、i型シリコン窒 化膜403の量子ドット4031中に蓄積される。

 そうすると、量子ドット4031に蓄積された 電子13は、量子ドット4031に蓄積された正孔14� ��再結合して発光する。

 このように、発光素子400は、n ⁺ Si401からi型シリコン窒化膜403へ注入された電 子をp型シリコン酸窒化膜404によってi型シリ� ��ン窒化膜403中に閉じ込め、p ⁺ poly-Si膜405からi型シリコン窒化膜403へ注入さ� ��た正孔をn型シリコン酸化膜402によってi型� �リコン窒化膜403中に閉じ込めることを特徴� �する。つまり、発光素子400は、正孔および� �子の両方をi型シリコン窒化膜403中に閉じ込� ��ることを特徴とする。その結果、発光素子4 00の発光効率を高くできる。

 また、n型シリコン酸化膜402は、複数の量 子ドット4021を不規則に含み、i型シリコン窒� ��膜403は、複数の量子ドット4031を不規則に含 み、p型シリコン酸窒化膜404は、複数の量子� �ット4041を不規則に含むので、不規則に配置� ��れた量子ドット4021,4031,4041の電界増強効果� �よって電子および正孔の注入効率が向上す� �。

 したがって、この発明によれば、発光効� ��を高くできる。

 図12および図13は、それぞれ、図8に示す発� �素子400の製造方法を説明するための第1およ� ��第2の工程図である。図12を参照して、発光� ��子400の製造が開始されると、n ⁺ Siからなる基板401が準備され(工程(a)参照)、� �板401を洗浄した後、プラズマCVD装置100のサ� �プルホルダー103上に基板1をセットする。

 そして、表1に示す反応条件によってシリ コン酸化膜4011を基板1の一主面に堆積する。� ��の後、表2に示す反応条件によってシリコン 窒化膜4012をシリコン酸化膜4011上に堆積する� ��さらに、その後、表3に示す反応条件によっ てシリコン酸窒化膜4013をシリコン窒化膜4012� ��に堆積する。

 引き続いて、表3に示す反応条件においてN ₂ OガスおよびNH ₃ ガスを停止させた反応条件によって、アモル ファスシリコン(a-Si)膜4014をシリコン酸窒化� �4013上に堆積する(図12の工程(b)参照)。

 その後、リンイオン(P ⁺ )をイオン注入によってシリコン酸化膜4011中� ��注入する(図12の工程(c)参照)。この場合、P ⁺ イオンがシリコン酸化膜4011中にのみ注入さ� �るように、イオン注入の加速電圧が設定さ� �る。

 そして、ボロンイオン(B ⁺ )をイオン注入によってシリコン窒化膜4012、� ��リコン酸窒化膜4013およびa-Si膜4014中へ注入� ��る(図12の工程(d)参照)。この場合、B ⁺ イオンがシリコン窒化膜4012、シリコン酸窒� �膜4013およびa-Si膜4014中に注入されるように� �イオン注入の加速電圧が設定される。

 そして、工程(d)の後、基板1/n型シリコン� ��化膜4011/p型シリコン窒化膜4012/p型シリコン� ��窒化膜4013/p型a-Si膜4014に対して、上述した� �法によってRTAによる熱処理を行なう(図13の� �程(e)参照)。

 これによって、n型シリコン酸化膜402、i型� �リコン窒化膜403、p型シリコン酸窒化膜404、� ��よびp ⁺ poly-Si膜405が形成される(図13の工程(f)参照)。

 その後、フォトリソグラフィー技術を用い� ��p ⁺ poly-Si膜405をp ⁺ poly-Si膜4051~4054にパターンニングする(図13の� �程(g)参照)。

 そして、Alのスパッタリングによって、電� �406(4061~4064)をそれぞれp ⁺ poly-Si膜4051~4054上に形成するとともに、電極40 7を基板401の裏面に形成する(図13の工程(h)参� �)。これによって、発光素子400が完成する。

 今回開示された実施の形態はすべての点� ��例示であって制限的なものではないと考え� ��れるべきである。本発明の範囲は、上記し� ��実施の形態の説明ではなくて特許請求の範� ��によって示され、特許請求の範囲と均等の� ��味および範囲内でのすべての変更が含まれ� ��ことが意図される。