CN1419703A - 弹道电子产生方法和弹道电子固体半导体元件以及发光元件和显示装置 - Google Patents
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Abstract
提供采用给半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层加上电场，借助于多重隧道效应使之产生弹道电子或准弹道电子的办法以高的控制性产生弹道电子的方法，和具备实用性的材料构成的使用该方法的半导体元件。
Description
技术领域
本发明涉及弹道电子固体半导体元件。说得更详细点，本发明涉及在高电场下实现半导体的漂移长度显著地变大的弹道传导，把所产生的弹道电子用做激励源的弹道电子固体半导体元件。
背景技术
人们知道，当把半导体的尺寸缩小到比半导体中的电子的平均自由程还小的尺寸区域时，电子就会不受散射地渡越，象真空中的电子那样地行动。该传导电子被叫做弹道电子，与以漂移和扩散为基础的通常的传导电子不同，即便是在固体中也可以无散射无损耗地进行渡越。
人们认为如果可以以高的控制性得到该弹道电子则半导体元件技术就可以进行很大地革新，所以迄今为止人们一直在进行着与种种的半导体纳米结构中的弹道电子的特性有关的研究。但是，这些研究中的大多数，仅仅停留在在特定的单一结构或极低温这样的极其受限制的条件下的物理性的观测，尚未与工业性的元件的开发连结起来。要想实用地产生弹道电子，与材料构成和材料加工技术这两个方面有关的研究是不可可或缺的，但是，从这样的观点来看，现状是获得了成果的研究开发几乎一个也没有。
另一方面，作为在实用中广为使用的自发光显示装置，可以举出CRT(阴极射线管)和荧光显示管。这些装置，由于以借助于电场加速发射到真空中的电子，使相向的涂敷到屏幕上边的荧光对激励发光为动作原理，故组装进某一容积以上的真空管在构成上是必不可少的，这已变成为对装置的薄型化或大型化的巨大的障碍。
此外，作为其它的自发光显示装置，还可以举出使用由无机/有机材料形成的EL元件的装置或等离子体显示器等。
由EL元件制成的显示装置，由于其动作原理是在固体中加速载流子，碰撞激励发光中心，故在固体内部的载流子的光子转化中在伴随着能量损耗的发光量子效率方面存在着制约，在元件内部的热产生是不可避免。为此，要想使显示装置大型化，就存在着对归因于温度上升而引起的元件特性的劣化的应对和散热处理等的技术方面的课题。
对于等离子体显示器来说，因动作时的能量损耗而产生的发光的制约也变成为一个问题，此外，由于利用的是放电，故作为应当克服的课题存在着难于实现低功率驱动的问题。
如上所述，在自然光显示装置中，取决于种类而有长处也有短处，大型化、薄型平面化、低功耗化等技术方面的课题虽然不少，但是，如果能够以高的控制性得到上述的弹道电子，就可以开辟一条解决这些技术方面的课题的道路，这正是人们期待着的。
本发明就是鉴于上述那些问题而发明的，课题在于提供可以以高的控制性产生弹道电子的方法、具备用于这些方法的实用性的材料构成的半导体元件，以及使用该元件的显示装置。
发明的公开
本发明作为解决上述课题的发明，第1，提供弹道电子产生方法，其特征在于：给半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层加上电场，使之产生多重隧道效应以产生弹道电子或准弹道电子。
此外，第2，提供上述弹道电子产生方法，其特征在于：半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层，在其内部具有界面氧化膜。第3，提供弹道电子产生方法，其特征在于：半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层，是多孔质层。本发明，第4，提供弹道电子固体半导体元件，其特征在于：具有在半导体衬底的背面上，借助于电场的施加使之产生多重隧道效应以产生弹道电子或准弹道电子的纳米结构的微晶半导体层或半绝缘层。第5，提供弹道电子固体半导体元件，其特征在于：纳米结构的微晶半导体层或半绝缘层在其内部具有界面氧化膜。第6，提供弹道电子固体半导体元件，其特征在于：纳米结构微晶半导体层或半绝缘层，是多孔质层。第7，提供弹道电子固体半导体元件，其特征在于：是借助于阳极氧化处理形成的多孔质。第8，提供弹道电子固体半导体元件，其特征在于：在纳米结构微晶半导体层或半绝缘层上边，设置金属薄膜电极，在半导体衬底的背面设置欧姆电极。
此外，本发明，第9，提供弹道电子激励固体发光元件，在上述弹道电子固体半导体元件中，这是一种在微晶半导体层或半绝缘层与金属薄膜电极之间，或者，在金属薄膜电极的上边，具有已淀积上荧光体层的结构的半导体元件，其特征在于：采用给电极加上电压的办法，使由微晶半导体层或半绝缘层产生的弹道电子直接碰撞到荧光体层上的办法激励荧光体，使之发出与荧光体的种类对应的任意的波长的可见光。
本发明，第10，提供发光显示元件，其特征在于：以把欧姆电极和金属薄膜电极配置成段状或点状的弹道电子激励固体发光元件为信息显示要素。第11，提供薄型发光显示装置，其特征在于：把多个该发光显示元件排列起来，以简单矩阵驱动方式使之动作。第12，提供薄型发光显示装置，其特征在于：在已形成了有源元件阵列的半导体衬底上边，排列多个发光显示元件，以有源矩阵驱动方式使它们动作。
此外，在本发明中，第13，提供薄型发光显示装置，其特征在于：荧光体是发红色光、绿色光、蓝色光的1种以上的荧光体。第14，也提供薄型发光显示装置，其特征在于：发光显示元件以发每种色的光周期地排列多列，借助于电方式的控制，输出任意颜色的图象信息。
此外，还提供使上述弹道电子固体半导体元件和超LSI功能集成化的图象信息的显示装置或运算处理装置。
附图的简单说明
图1的概要图示出了用本发明的实施例制作的弹道电子激励固体发光元件的构成。各个标号表示欧姆电极(1)，n型硅衬底(2)，PS层(3)、(4)Alq3、Au薄膜(5)。
图2的曲线图示出了本发明的实施例的由阳极氧化处理得到的PS层产生工艺中的电流的控制的时间系列变化。
图3的概略图示出了在本发明的实施例中制作的弹道电子激励固体发光元件的与PS层中的弹道电子产生和由荧光体激励形成的发光有关的能带的变化。
图4的曲线图示出了在真空中制作没有Alq3薄膜的二极管时通过Au薄膜发射出来的电子的能量分布的测定结果。
图5的曲线图示出了在本发明的实施例1中制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(黑圆点)和发光强度-电压特性(白圆点)的实测结果。
图6的曲线图示出了在本发明的实施例1中制作的弹道电子激励固体发光元件的发光的光谱和借助于紫外线激励测定的Alq3的光致发光的光谱。
图7的曲线图示出了在本发明的实施例2中制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(实线)和发光强度-电压特性(虚线)的实测结果。
图8的曲线图示出了在本发明的实施例3中制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(实线)和发光强度-电压特性(虚线)的实测结果。
图9的曲线图示出了在本发明的实施例4中制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(实线)和发光强度-电压特性(虚线)的实测结果。
优选实施方案
本发明具有上边所说的那些特征，以下对其实施方案进行说明。
在本发明中，给半导体的具有纳米结构的微晶层或半绝缘层加上电场，借助于多重隧道效应在固体中产生无散射的弹道电子(BallisticElectron)或散射极其之少的准弹道电子(Quasiballistic Electron)。
在该情况下的纳米结构的微晶半导体层或绝缘层是采用施行湿法工艺或干法工艺的办法形成的具有纳米结构的微晶层或半绝缘层，作为其形态，如上所述，可以考虑以在内部具有界面氧化膜的形态，本身为多孔质的形态等为代表例。说得更具体点，可以考虑使半导体阳极氧化而形成的结构。
本发明的弹道电子固体半导体元件，可以以采用对具备电极的半导体衬底表面施行湿法工艺或干法工艺的办法，形成微晶半导体层，接着采用淀积金属薄膜电极的办法制造的一种MIS型二极管为基本构成。
本发明的弹道电子固体半导体元件，有通常的MIS型二极管不同，相当于I层的微晶半导体层仅仅起着漂移层以上的作用。就是说，如上所述，在微晶半导体层中，在强电场的情况下，微晶半导体层内部的电子弹道式地进行渡越，
例如，采用对硅衬底表面施行伴有结构控制的氧化处理的办法，多孔硅(PS)层由连结起来的硅微晶(5nm以下)构成。当给之加上电场时，电场的主要部分，将在界面的氧化硅被膜中而不是在硅微晶中产生。由于该氧化硅被膜非常薄，故在强电场下一个接一个地通过而几乎不进行散射，产生准弹道电子。此外，采用加上强电场的办法，电子无散射地完成微晶中通过的多重隧道过程，作为结果，电子的漂移长度变成为远远超过了硅微晶的尺寸的值，产生弹道电子。如果是厚度1微米的PS层，则借助于施加强电场，就会实现产生弹道电子。
作为对半导体衬底表面实施的湿法工艺，可以实施阳极氧化处理、刻蚀处理等。作为对半导体衬底表面实施的于法工艺，可以实施热氧化处理、溅射处理、热处理等。
本发明的弹道电子固体半导体元件，当对半导体衬底给金属薄膜电极一侧加上正电压时，就从硅衬底一侧向微晶半导体层注入电子。例如若把微晶半导体层的电场强度设定为105V/cm左右，漂移长度约1微米且已弹道化的电子的动能将达到10eV。该电子虽然处于固体中，但是却进行与处于真空中时同样的渡越，所以具有‘加速能量可变性’和‘能量无损耗性’这么两个特性，以下给出着眼于这些特性而实现的那些应用。
(1)电子加速能量的可变性的利用
根据借助于加上电压就可以任意地加速电子的特性，在上述弹道电子固体半导体元件中，采用在微晶半导体层和金属薄膜电极之间或在金属薄膜电极上边，具备已淀积上由荧光体构成的荧光体层的结构的办法，就可以借助于给电极加上电压使从微晶半导体层放射出来的弹道电子直接碰撞到荧光体上，使荧光体激励，使之产生可见光。就是说，借助于施加电压，在微晶半导体中已弹道化的电子，边取得高的动能，边作为热电子，以高速碰撞到微晶半导体层和金属薄膜电极之间或金属薄膜电极的上边的荧光体，使荧光体被激励。其结果是使得可以发出与荧光体的种类对应的任意的波长的可见光线。这时，采用对施加电压进行控制的办法，就可以控制发光量，实现不需要真空的弹道电子激励固体发光元件。对荧光体来说，采用使用低电压用的阴极发光材料的办法，即便是10eV那种程度的动能的弹道电子也可以得到实用性的发光量。
(2)能量无损耗的利用
在弹道传达模式中，电子在固体中无散射地渡越。就是说，不产生伴随着电子传导的热，虽然是固体，但是却可以实现元件的动作空间和散热空间分离开来的真空管那样的状况。此外，在通常的半导体中，在达到了由电子的加速和光子散射之间的平衡决定的饱和漂移速度之后，即便是加大施加电场，电子也不会加速到饱和漂移速度以上，所以半导体元件的动作频率存在着一个极限。与此相对，对弹道电子来说，不存在饱和漂移速度的限制。因此，采用应用作为本发明的弹道电子固体半导体元件的办法，就可以用固体系实现超高速驱动而且低损耗的电子元件。
在作为本发明的弹道电子固体半导体元件中，作为半导体衬底的材料，只要是可以使用上述湿法工艺/干法工艺的半导体，什么材料都可以，例如，单晶硅、多晶硅、化合物半导体等都可以利用。具体地说，相当于锗(Ge)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硒化镉(CdSe)等，IV族、III-V族、II-VI族等的单体和化合物半导体等多种材料。另外，硅氧化层等在强电场下可以实现弹道传导的材料均可使用。
作为荧光体，与有机、无机无关，可以利用所有的荧光体。具体地说，可以利用低电压阴极发光材料(ZnO∶Zn等)。
在本申请发明中，如上所述，在弹道电子固体半导体元件中，采用在微晶半导体层和金属薄膜电极之间，或金属薄膜电极的上边，具备淀积上了由荧光体层的结构的办法，就可以使之具有作为发光显示元件的功能。这时，半导体衬底所具备的欧姆电极和金属薄膜电极，理想的是被形成为段状或点状。
此外，采用把多个该发光显示元件排列起来以简单矩阵驱动方式使之动作，或在已形成了有源元件阵列的半导体衬底上边把多个该发光显示元件排列起来，以有源矩阵驱动方式使之动作的办法，实现高性能的薄型发光显示装置。
作为该薄型发光显示装置的荧光体，还采用使用发红色光、发绿色光、或发蓝色光的荧光体，并周期性地把该3色排列多个的办法。实现输出任意色的图象信息的薄型平面显示装置。
此外，还采用使本发明的弹道电子固体半导体元件和超LSI功能集成化的办法，实现图象信息的显示装置或运算处理装置。
此外，上述的弹道电子传导现象，基本上是以来自n型硅衬底的电子注入为基础的现象，但是，在p型衬底中，也可以借助于电场效应或来自外部的光照射等，在漂移层中产生电子，这些电子也可以作为弹道电子对元件的动作作出贡献。就是说，本发明的的弹道电子固体半导体元件，也可以用做光检测元件，此外，还可以借助于外部光调制或启动弹道电子产生，所以还可以实现新的光电子动作模式。
本发明具有以上的特征，以下，给出实施例，进一步具体地进行说明。
实施例
[实施例1]
制作本发明的弹道电子激励固体发光元件，并对基本特性进行研究。
所制作的弹道电子激励固体半导体元件，如图1所示，对在背面上设置有欧姆电极(1)的面方位(111)的n型硅衬底(2)(电阻率0.018Ωcm)的表面，在50wt％HF水溶液和乙醇的混合液(混合比1∶1)中，在以500W的钨灯泡为光源的光照射之下，施行阳极氧化处理，形成PS层(3)。这时，如图2所示，在158秒期间内使阳极氧化电流缓慢增加，在其途中进行2次每次4秒使阳极氧化电流降低到2.5mA/cm2的操作。最终，阳极氧化电流达到100mA/cm2。
PS层(3)的厚度为10微米左右，PS层(3)内部，是低多孔度的致密且约8nm的厚度的硅层周期性地排列起来的结构。该致密层形成等电位面，且具有矫正层内部的电场分布的作用，同时还起着使可以在层内部发生的焦耳热散开的散热片的作用，扮演使二极管电流稳定化的脚色。
向所生成的PS层(3)的背面上真空蒸镀作为有机荧光体的Alq3(4)。然后，向其上边，真空蒸镀厚度12nm、直径6mm的圆形Au薄膜(5)。采用把该Au薄膜(5)当作表面一侧的电极的办法，就可以在与背面的欧姆电极(1)之间形成二极管。
给该二极管的Au薄膜(5)的电极一侧加上正电压VPS，从n型硅衬底(2)向PS层(3)注入电子。所注入的电子，借助于上述多重隧道效应转变成弹道电子，如图3所示，借助于碰撞激励，在Alq3层内产生空穴。其结果是通过电子-空穴的复合产生发光。
在这里，图4示出了在使没有Alq3薄膜的二极管在真空中动作时，通过Au薄膜放射出来的电子的能量分布的测定结果。根据图4可知，电子已被弹道化而在PS层内部电子的渡越中几乎没有发生由散射引起的损耗。
图5示出了所制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(黑圆点)和发光强度-电压特性(白圆点)的实测结果。施加电压约15V(二极管电流约0.05A/cm2)且产生了均匀的绿色发光，可知采用加大电压的办法，发光强度将急剧地增大。
为了确认从Alq3发出了光，在图6中用实线示出了对发光的光谱进行测定的结果。得到了与在图6中用虚线表示的紫外线激励的办法，另外测定的Alq3的光致发光的光谱几乎一致的曲线。由此可以确认发光是来自Alq3的发光。此外，还得知总可以得到Alq3固有的发光光谱而与施加电压和电流无关。
此外，借助于使用在PS层内部不发生弹道电子的结构的二极管的比较实验，在PS层内部不发生弹道电子的结构的二极管中，由于不论施加电压多么大也不会出现发光，故可以认为在所制作的薄型发光显示元件的PS层中产生的弹道电子的表面的荧光体已经激励，并放射出该荧光体的固有波长。
[实施例2]
制作本发明的另外的弹道电子激励固体发光元件，并对基本特性进行研究。
在本实施例2中，把图1所示的构成中的n型硅衬底(2)变成为p型硅衬底。具体地说，对在背面上设置有欧姆电极(1)的面方位(100)的p型硅衬底(电阻率约0.02Ωcm)的表面，在HF水溶液(55wt％)∶C2H5OH＝1∶1的混合液中，在暗室状态下，施行阳极氧化处理，且在900℃下，施行15分钟的急速热氧化处理，形成PS层(3)。在阳极氧化处理中，交互地进行3个循环的阳极氧化电流5mA/cm2和阳极氧化时间6秒，阳极氧化电流100mA/cm2和阳极氧化时间15秒的处理。
向所生成的PS层(3)的背面上真空蒸镀作为有机荧光体的Alq3(4)。然后，向其上边，真空蒸镀作为半透明电极的的Au薄膜(5)。PS层(3)、Alq3(4)和Au薄膜(5)的厚度，分别为约8微米、约100nm和约10nm。
图7示出了所制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(实线)和发光强度-电压特性(虚线)的实测结果，可以观察到与实施例1同样地均一的发光。
[实施例3]
制作本发明的再一种弹道电子激励固体发光元件，并对基本特性进行研究。
在实施例3中，使图1所示的构成中的PS膜(3)变成为纳米结晶化的多晶硅膜。具体地说，首先，对在背面上设置有欧姆电极(1)的面方位(100)的n型硅衬底(电阻率0.005到0.0018Ωcm)的表面上，形成n+型多晶硅膜(厚度5微米)。然后，一直到n+型多晶硅膜的大约一半左右的深度为止，在HF水溶液(55wt％)∶C2H5OH＝1∶1的混合液中，在钨灯的照射下，施行阳极氧化处理，且在1N H2SO4溶液中，在暗室状态下，施行电化学氧化处理，形成多孔质多晶硅(PPS)膜。在阳极氧化处理中，交互地进行3个循环的阳极氧化电流5mA/cm2和阳极氧化时间6秒，阳极氧化电流100mA/cm2和阳极氧化时间15秒的处理。在电化学氧化处理中，氧化电流定为3mA/cm2，氧化时间定为200秒。
向所生成的PS层(3)的背面上真空蒸镀作为有机荧光体的Alq3(4)。然后，向其上边，真空蒸镀作为半透明电极的的Au薄膜(5)。PSS膜、Alq3(4)和Au薄膜(5)的厚度，分别为约2.5微米、约120nm和约10nm。
图8示出了所制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(实线)和发光强度-电压特性(虚线)的实测结果，可以观察到与上述各个实施例同样地均一的发光。
[实施例4]
制作本发明的再一种弹道电子激励固体发光元件，并对基本特性进行研究。
在实施例4中，使图1所示的构成中的作为荧光体的Alq3(4)变为ZnS∶Mn的无机材料薄膜。具体地说，与实施例1同样，首先，对在背面上设置有欧姆电极(1)的面方位(100)的n型硅衬底(电阻率0.005到0.0018Ωcm)的表面上，在HF水溶液(55wt％)∶C2H5OH＝1∶1的混合液中，在钨灯的照射下，施行阳极氧化处理，形成PS层(3)。这时，如图2所示，在合计约3分钟间内，使阳极氧化电流缓缓地向0～100mA/cm2增加，在增加途中进行2次(每次4秒)使阳极氧化电流降低到2.5mA/cm2。
向所产生的PS层(3)的表面上真空蒸镀作为无机荧光体的ZnS∶Mn，然后，向其上边，真空蒸镀作为半透明电极的的Au薄膜(5)。PS层(3)、ZnS∶Mn薄膜和Au薄膜(5)的厚度，分别为约10微米、约140nm和约10nm。
图9示出了所制作的弹道电子激励固体发光元件的电流-电压特性(实线)和发光强度-电压特性(虚线)的实测结果，可以观察到与上述各个实施例同样地均一的发光。
工业上利用的可能性
如上详细说明可见，倘采用本发明，则可以提供具有高的控制性地产生弹道电子的方法，和具备实用性的材料构成的使用本方法的半导体元件。本发明的弹道电子激励固体半导体元件，不需要复杂的制作过程，可以开发以此作为发光元件的新的薄型平面显示器。此外，还被认为是会对高功能光电子元件等的新的半导体元件的开发作出贡献的发明，由于本发明的应用范围非常之广，故其实用化是可以期待的。
Claims (14)
1.一种弹道电子产生方法，其特征在于：给半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层施加电场，使之产生多重隧道效应以产生弹道电子或准弹道电子。
2.根据权利要求1所述的弹道电子产生方法，其特征在于：半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层，在其内部具有界面氧化膜。
3.根据权利要求1或2所述的弹道电子产生方法，其特征在于：半导体的纳米结构微晶层或半绝缘层，是多孔质层。
4.一种弹道电子固体半导体元件，其特征在于：具有在半导体衬底的表面上，借助于电场的施加使之产生多重隧道效应以产生弹道电子或准弹道电子的纳米结构的微晶半导体层或半绝缘层。
5.根据权利要求4所述的弹道电子固体半导体元件，其特征在于：纳米结构的微晶半导体层或半绝缘层在其内部具有界面氧化膜。
6.根据权利要求4或5所述的弹道电子固体半导体元件，其特征在于：纳米结构的微晶半导体层或半绝缘层，是多孔质层。
7.根据权利要求6所述的弹道电子固体半导体元件，其特征在于：是借助于阳极氧化处理形成的多孔质。
8.根据权利要求4到7中的任何一项所述的弹道电子固体半导体元件，其特征在于：在纳米结构的微晶半导体层或半绝缘层上边，设置金属薄膜电极，在半导体衬底的背面设置欧姆电极。
9.一种弹道电子固体发光元件，是在权利要求8所述的半导体元件中，在微晶半导体层或半绝缘层与金属薄膜电极之间，或者，在金属薄膜电极的上边，具备已淀积上荧光体层的结构的半导体元件，其特征在于：采用给电极加上电压的办法，使由微晶半导体层或半绝缘层产生的弹道电子直接碰撞到荧光体层上的办法激励荧光体，使之发出可见光。
10.一种发光显示元件，其特征在于：以把欧姆电极和金属薄膜电极配置成段状或点状的权利要求9的半导体元件作为信息显示要素。
11.一种薄型发光显示装置，其特征在于：把权利要求10的多个发光显示元件排列起来，以简单矩阵驱动方式使之动作。
12.一种薄型发光显示装置，其特征在于：在已形成了有源元件阵列的半导体衬底上边，排列多个权利要求10的发光显示元件，以有源矩阵驱动方式使它们动作。
13.根据权利要求11或12所述的薄型发光显示装置，其特征在于：荧光体是发红色光、绿色光、蓝色光的1种以上的荧光体。
14.根据权利要求13所述的薄型发光显示装置，其特征在于：输出任意颜色的图象信息。
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