DE69433696T2

DE69433696T2 - Halbleiterbauelement mit einem Aggregat von Mikro-Nadeln aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE69433696T2
Application number: DE69433696T
Authority: DE
Inventors: Koji Yao-shi Eriguchi; Masafumi Kubota; Masaaki Hirakata-shi Niwa; Noboru Kyoto-shi Nomura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: DE69433727T2; DE69434767T2; EP0887867B1; US6033928A; DE69433694D1; EP0892444B1; EP0893834B1; EP0652600A1; EP0893834A2; US6087197A; DE69434745D1; EP0893834A3; EP0895293B1; EP0892446A2; EP0892444A3; DE69433694T2; EP0892445B1; EP0887867A3; DE69433695D1; DE69433728T2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist bereits aus dem Dokument EP 0 544 408 A2 bekannt.
In den letzten Jahren ist ein optisches Element entwickelt worden, bei dem poröses Silizium so geformt wird, daß es als lichtemittierendes Element benutzt werden kann. Die japanische Offenlegungs-Patentveröffentlichung Nr. 4-356977 offenbart ein derartiges optisches Element, bei dem eine große Anzahl von Mikroporen 102 im Oberflächenbereich eines Silizium-Substrats 101 durch Anodisierung hergestellt wrrd, wie dies in 33 zu sehen ist. Wenn das poröse Silizium mit Licht bestrahlt wird, kommt es zur Photolumineszenz, deren Absorptionskante im sichtbaren Bereich liegt, so daß ein Lichtempfang/Lichtemissions-Element unter Verwendung von Silizium entsteht. Das heißt, in einer normalen Halbleiter-Vorrichtung, die aus Einkristall-Silizium besteht, vollzieht ein erregtes Elektron einen indirekten Übergang auf ein niedrigeres Energieniveau, so daß die aus dem Übergang resultierende Energie in Wärme umgewandelt wird, wodurch Lichtemission im sichtbaren Bereich erschwert wird. Es gibt jedoch Berichte darüber, daß, wenn Silizium eine wandartige Struktur hat, wie beispielsweise poröses Silizium, und seine Wanddicke ungefähr 0,01 μm beträgt, die Bandbreite des Siliziums aufgrund der Quanteneffekte der Abmessung auf 1,2 bis 2,5 eV erhöht wird, so daß ein erregtes Elektron einen direkten Übergang zwischen den Bändern ausführt und damit Lichtemission ermöglicht wird.
Es gibt des weiteren Berichte darüber, daß zwei Elektroden an beiden Enden des porösen Siliziums angeordnet werden, so daß beim Anlegen eines elektrischen Feldes Elektrolumineszenz auftritt.
Wenn jedoch Elektrolumineszenz durch Anlegen eines elektrischen Feldes erzielt werden soll oder Photolumineszenz durch Bestrahlen des porösen Siliziums, das durch Anodisierung im Oberflächenbereich des Silizium-Substrats 101 hergestellt wird, wie dies in 33 zu sehen ist, mit Licht erzielt werden soll, treten die folgenden Probleme auf:
Der Durchmesser und die Tiefe der durch Anodisierung hergestellten Mikropore 102 lassen sich schwer steuern. Des weiteren ist der Aufbau der Mikropore 102 kompliziert, und ihre Wanddicke ist außerordentlich unregelmäßig verteilt. Dadurch können, wenn intensiv geätzt wird, um die Wanddicke zu verringern, die Wandabschnitte teilweise vom Substrat gerissen und abgezogen werden. Des weiteren werden die Quanteneffekte der Abmessungen, da die Wanddicke unregelmäßig verteilt ist, nicht gleichmäßig über alle Wandabschnitte erzeugt, so daß sich keine Lichtemission mit einem scharfen Emissionsspektrum erzielen läßt. Des weiteren absorbiert die Wandoberfläche der Mikropore in dem porösen Silizium aufgrund ihrer komplizierten Form während der Anodisierung leicht Moleküle und Atome. Aufgrund der an der Oberfläche des Siliziums haftenden Atome und Moleküle fehlt dem entstehenden optischen Element die Fähigkeit, eine gewünschte Emissionswellenlänge wiederzugeben, und darüber hinaus verringert sich seine Lebensdauer.
Eine Halbleiter-Vorrichtung, die einen Bereich porösen Siliziums umfaßt, der derartige Mikroporen aufweist, ist aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 17, Nr. 356 (E-1394) und JP-A-5 055 627 bekannt.
Hingegen gibt es aufgrund der Entwicklung der modernen Informationsgesellschaft und dem Vorhandensein einer Halbleiter-Vorrichtung, die über eine integrierte Halbleiterschaltung verfügt, eine zunehmende Tendenz zur Personalisierung von hochentwickelten Informations- und Kommunikations-Einrichtungen mit breitem Funktionsspektrum. Das heißt, es besteht ein Bedarf nach Geräten, die hochentwickelte Informationsübertragung von einem Palmtop-Computer oder einem Funktelefon und zu diesen ermöglichen. Um diesen Bedarf zu befriedigen, muß nicht nur die Leistung der herkömmlichen Halbleiter-Vorrichtungen verbessert werden, die lediglich elektrische Signale verarbeitet, sondern es muß eine Multifunktions-Halbleiter-Vorrichtung geschaffen werden, die Licht, Schall usw. und elektrische Signale verarbeitet. 34 zeigt den Aufbau eines dreidimensionalen integrierten Schaltkreissystems, das entwickelt wurde, um diese Wünsche zu erfüllen, im Querschnitt. Ein derartiges dreidimensionales integriertes Schaltkreissystem überwindet die Miniaturisierungsgrenzen des herkömmlichen zweidimensionalen integrierten Schaltkreissystems und verbessert und diversifiziert die auszuführenden Funktionen. In der Zeichnung ist ein PMOSFET 110a, der aus einer Source 103, einem Drain 104, einer Gate-Oxidschicht 105 und einem Gate 106 besteht, im Oberflächenbereich einer n-Wanne 102 ausgebildet, die in einem p-Typ-Silizium-Substrat 101a als erste Schicht ausgebildet ist. Im Oberflächenbereich des Silizium-Substrats 101a der ersten Schicht sind Halbleiter-Vorrichtungen einschließlich eines NMOSFET 110b ausgebildet, der aus der Source 103, Drain 104, Gate-Oxid-Schicht 105 und Gate 106 besteht. Des weiteren sind ein Verbindungsleiter 107 zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich und eine Zwischenschicht-Isolierschicht 108 zum Abdecken jedes Bereiches ausgebildet, der abgeflacht worden ist. Auf der Zwischenschicht-Isolierschicht 108 ist ein Silizium-Substrat 101b der zweiten Schicht aus Einkristall-Silizium ausgebildet. Auf dem Silizium-Substrat 101b der zweiten Schicht sind ebenfalls Halbleiter-Vorrichtungen, wie beispielsweise der PMOSFET 110a und der NMOSFET 110b ähnlich wie die Halbleiter-Vorrichtungen auf dem Silizium-Substrat 101a der darüberliegenden ersten Schicht ausgebildet. Die Halbleiter-Vorrichtungen in der ersten Schicht und die Halbleiter-Vorrichtungen in der zweiten Schicht sind über einen Metalleiter elektrisch miteinander verbunden (siehe beispielsweise "Extended Abstracts of 1st Symposium on Future Electron Devices", S. 76, Mai 1982).
Ein derartiges dreidimensionales integriertes Schaltkreissystem weist jedoch die folgenden Probleme auf. Der Leiter 109 wird mit einem Abscheideverfahren hergestellt, bei dem, nachdem ein Kontaktloch hergestellt wurde, ein Verdrahtungsmaterial abgeschieden und in dem Kontaktloch vergraben wird. Da das entstehende Kontaktloch außerordentlich tief wird, kommt es leicht zu Mängeln, wie beispielsweise einer Zunahme des Widerstandswertes und eines Bruchs der Verdrahtung, die durch ein fehlerhaftes Vergraben des Verdrahtungsmaterials verursacht werden, so daß die Zuverlässigkeit gering ist. Mit einem derartig problematischen Herstellungsverfahren ist es schwierig, ein dreidimensionales integriertes Schaltkreissystem zu schaffen, das praktisch eingesetzt werden kann. Es ist insbesondere außerordentlich schwierig, ein integriertes Schaltungssystem in mehr als drei Dimensionen herzustellen.
In "Materials Research Society Symposium Proceedings", Vol. 283, "Microcrystalline Semiconductors: Materials Science and Devices", Symposium, Boston, (USA), 30. November bis 4. Dezember 1992, S. 57 bis 63; H. I. Liu, et al: "Silicon Quantum Wires Oxidation and Transport Studies", wird die Herstellung säulenartiger Silizium-Strukturen durch eine Kombination aus Hochauflösungs-Elektronenstrahl-Lithographie und anisotropischem reaktivem Ionen-Ätzen beschrieben. Die säulenartigen Strukturen werden nach ihrer Herstellung thermisch oxidiert.
EP-A-0544408 beschreibt eine Halbleiter-Vorrichtung, die eine große Anzahl von Halbleiter-Mikronadeln umfaßt, die in einem Substrat nebeneinander angeordnet sind, wobei jede der Halbleiter-Mikronadeln einen Durchmesser hat, der so klein ist, daß Quan teneffekte der Abmessung erzeugt werden. Diese Mikronadeln erstrecken sich von der Oberfläche des Silizium-Substrats bis in eine vorgegebene Tiefe. Das Verfahren zur Herstellung dieser Mikronadeln umfaßt den Schritt des Ausformens einer Punktmaske auf einem Silizium-Substrat, die eine große Anzahl von Punktbereichen abdeckt.
Das Dokument DE 4301940A1 offenbart ein Lichtaufnahmeelement in Kombination mit einem lichtemittierenden Element 604, hergestellt aus porösem Silizium. Das lichtemittierende Element ist in das Lichtaufnahmelement auf der Oberseite davon integriert.
Die vorliegende Erfindung ist durch Richten des Augenmerks auf die Tatsache gemacht worden, dass dann, wenn eine Struktur, bei der eine große Anzahl an Halbleiter-Mikronadeln angeordnet ist, statt einer porösen Struktur eingesetzt wird, die Durchmesser der Halbleiter-Mikronadeln einheitlich werden. Daher ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen quantisierten Bereich zur Ausführung intensiver Lichtemission mit einer schmalen Wellenlängenverteilung, wie beispielsweise Elektrolumineszenz oder Photolumineszenz, und Umwandlung optischer Signale zu schaffen, und eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die einen quantisierten Bereich besitzt, der dazu in der Lage ist, ein erstes Lichtsignal von einer ersten Richtung in ein zweites Lichtsignal, emittiert in einer Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung, umzuwandeln.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Um die vorstehende erste Aufgabe zu lösen, weist eine Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln gemäß der vorliegenden Erfindung, als deren Grundaufbau eine große Anzahl von Halbleiter-Mikronadeln auf, die in einem Substrat nebeneinander angeordnet sind, wobei jede der Halbleiter-Mikronadeln einen Durchmesser hat, der ausreichend klein ist, daß die Quanteneffekte der Abmessung erzeugt werden.
Mit dem Grundaufbau wird die Bandbreite von Halbleiter-Material, das die Halbleiter-Mikronadeln bildet, aufgrund der sogenannten Quanteneffekte der Abmessung erweitert. Dadurch kommt es zu direkten Übergängen von Elektroden auch in einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, indem erregte Elektronen indirekte Übergänge in der geeigneten Größe ausführen, um die Quanteneffekte der Abmessung zu bewirken. So wird es möglich, ein lichtemittierendes Element, ein Wellenlängen-Umwandlungselement, ein Lichtempfangselement, oder dergleichen, herzustellen, bei dem die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln angeordnet wird, indem die Photolumineszenz und die Elektrolumineszenz, die auf die Quanteneffekte der Abmessung jeder Halbleiter-Mikronadel zurück zuführen ist, Änderungen der elektrischen Eigenschaften, die durch Bestrahlung mit Licht bewirkt werden, und dergleichen, genutzt werden. In diesem Fall wird der quantisierte Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung, im Unterschied zu einem herkömmlichen quantisierten Bereich, der aus Silizium mit einer porösen Struktur oder dergleichen besteht, aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln gebildet, so daß der Durchmesser jeder Halbleiter-Mikronadel so klein wird, daß erhebliche Quanteneffekte der Abmessung erzeugt werden, und er einheitlich wird, und zwar selbst dann, wenn der Durchmesser in jeder beliebigen Richtung in einer Ebene senkrecht zu der axialen Richtung gerichtet ist.
Bei dem Aufbau der obengenannten Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln ist vorzugsweise jede der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des obengenannten Substrats ausgebildet und die obengenannten Halbleiter-Mikronadeln sind diskret ausgebildet.
Bei der obengenannten Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln kann eine Schutzschicht hergestellt werden, indem eine isolierende Schicht an den Seitenabschnitten der Halbleiter-Mikronadeln ausgebildet wird. Es wird so insbesondere möglich, Licht von der Seite der Halbleiter-Mikronadeln zu erzeugen, wenn die isolierende Schicht aus einem Oxid hergestellt wird.
Wenn sich die isolierende Schicht aus zwei Schichten, d. h. einer inneren Oxidschicht und einer äußeren Nitridschicht über der inneren Oxidschicht, zusammensetzt, ist es möglich, jede Halbleiter-Mirkonadel unter Druck zu setzen, ohne daß die Entstehung von Licht von der Seite der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln verhindert wird, wodurch erhebliche Quanteneffekte der Abmessung wirken.
Um die vorstehende zweite Aufgabe zu lösen, umfasst die Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung als deren Grundstruktur: ein Silizium-Substrat und einen quantisierten Bereich, der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht, wobei sich jede der Halbleiter-Mikronadeln von der Oberfläche des obengenannten Silizium-Substrats bis in eine vorgegebene Tiefe erstreckt und ihr Durchmesser so klein ist, daß die Quanteneffekte der Abmessung erzielt werden.
Mit der Grundstruktur kann eine Halbleiter-Vorrichtung mit ausgezeichneter Leistung geschaffen werden, bei der die erheblichen Quanteneffekte der Abmessung der obenbeschriebenen Halbleiter-Mikronadeln genutzt werden. Im folgenden wird davon aus gegangen, daß ein elektrisches Signal und ein optisches Signal, die in den quantisierten Bereich eingegeben werden, ein erstes elektrisches Signal bzw. ein erstes optisches
Signal sind, wohingegen Signale, die aus dem quantisierten Bereich ausgegeben werden, ein zweites elektrisches Signal bzw. ein zweites optisches Signal sind.
Die folgenden Elemente können zu dem Grundaufbau der obengenannten Halbleiter-Vorichtung hinzugefügt werden.
Es ist möglich, eine Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Signals einzurichten, die ein erstes optisches Signal so erzeugt, daß das erste optische Signal auf den obengenannten quantisierten Bereich auftrifft und der obengenannte erste quantisierte Bereich das erste optische Signal von der obengenannten Einrichtung zum Erzeugen des optischen Signals empfängt und ein zweites optisches Signal erzeugt. Bei diesem Aufbau hat der quantisierte Bereich die Funktion eines optischen Wandlerelementes.
Es ist möglich, einen Graben in einem Teil des obenerwähnten Silizium-Substrats herzustellen und den obengenannten quantisierten Bereich sowie die Einrichtung zum Erzeugen des optischen Signals auf beiden Seiten des genannten Grabens so auszubilden, daß sie einander zugewandt sind. Bei diesem Aufbau bildet die Halbleiter-Vorrichtung ein zweidimensionales integriertes Schaltkreissystem mit entwickelter Informations-Verarbeitungsfunktion, das sich mit einem dreidimensionalem integrierten Schaltkreissystem vergleichen läßt.
Es ist möglich, eine obere Elektrode über dem obengenannten quantisierten Bereich so anzuordnen, daß die obere Elektrode elektrisch mit dem oberen Ende jeder der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln verbunden ist. Bei diesem Aufbau wird es möglich, elektrische Signale über den quantisierten Bereich in optische Signale umzuwandeln und umgekehrt.
Es ist möglich, eine optische Erfassungseinrichtung hinzuzufügen, die das zweite optische Signal empfängt, das in dem obengenannten quantisierten Bereich erzeugt wird und ein drittes elektrisches Signal erzeugt.
Es ist möglich, die obengenannte Lichterfassungseinrichtung in einem anderen Abschnitt als dem obengenannten quantisierten Bereich des obengenannten Silizium-Substrats anzuordnen und die obengenannte Lichterfassungseinrichtung aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln zusammenzusetzen, deren Durchmesser jeweils so klein ist, daß die Quanteneffekte der Abmessung bewirkt werden.
Es ist möglich, den quantisierten Bereich der obengenannten Grundstruktur so auszubilden, daß er ein erstes optisches Signal empfängt und ein zweites elektrisches Signal erzeugt, und es ist darüber hinaus möglich, folgendes vorzusehen: eine Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Signals, die das genannte erste optische Signal so erzeugt, daß das erste optische Signal auf den obengenannten quantisierten Bereich auftrifft, sowie eine Schaltung, mit der das zweite elektrische Signal verarbeitet wird, das in dem obengenannten quantisierten Bereich erzeugt wird.
Es ist möglich, eine Spannungserzeugungseinrichtung einzurichten, die Spannung in jeder der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln in dem obengenannten quantisierten Bereich erzeugt, wobei die genannte Spannung in der axialen Richtung jeder der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln wirkt, und den obengenannten quantisierten Bereich so auszuführen, daß er das obengenannte erste elektrische Signal empfängt und das zweite optische Signal mit einer Wellenlänge erzeugt, die der Spannung in jeder der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln entspricht. Mit dem obengenannten Aufbau wird die Halbleiter-Vorrichtung mit einer Funktion zum Umwandeln von Kraft in ein optisches Signal ausgestattet. In diesem Fall wird die Funktion des Umwandelns von Kraft in ein optisches Signal besonders dadurch verbessert, daß sich die obengenannte Spannungserzeugungseinrichtung aus der genannten oberen Elektrode und einer Sonde zusammensetzt, die mit der oberen Elektrode so verbunden ist, daß eine mechanische Kraft von außen übertragen wird.
Die obere Elektrode der genannten Grundstruktur kann aus einem transparenten Material bestehen. Bei diesem Aufbau wird es möglich, das erste elektrische Signal in den quantisierten Bereich einzugeben, ohne daß die Erzeugung des zweiten optischen Signals aus jeder Halbleiter-Mikronadel in dem quantisierten Bereich in der axialen Richtung behindert wird.
Es ist möglich, an der genannten oberen Elektrode eine Kondensor-Einrichtung, wie beispielsweise eine konkave Linse anzuordnen, die das zweite optische Signal, das in dem obengenannten quantisierten Bereich erzeugt wird, bündelt und als lichtemittierendes Element zum Erzeugen des zweiten optischen Signals wirkt. Es ist auch möglich, den obengenannten quantisierten Bereich in eine Vielzahl linearer streifenförmiger quantisierter Bereiche zu unterteilen, in denen die Ansammlung der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln in Form linearer Streifen in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Silizium- Substrats ausgebildet ist, so daß linear streifenförmige diskrete Schichten entstehen, die die obengenannten linear streifenförmigen quantisierten Bereiche trennen und isolieren, so daß sich jede linear streifenförmige diskrete Schicht zwischen zwei beliebigen aneinandergrenzenden linear streifenförmigen quantisierten Bereichen befindet, und die obengenannten linear streifenförmigen quantisierten Bereiche und die linear streifenförmigen diskreten Schichten abwechselnd so anzuordnen, daß eine eindimensionale Fresnel-Linse entsteht. Es ist weiterhin möglich, den obengenannten quantisierten Bereich in eine Vielzahl ringförmiger quantisierter Bereiche zu unterteilen, in denen die Ansammlung der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln in Ringen in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Silizium-Substrats ausgeformt sind, ringförmige diskrete Schichten, die die obengenannten ringförmigen quantisierten Bereiche trennen und isolieren, so anzuordnen, daß sich jede ringförmige diskrete Schicht zwischen zwei beliebigen aneinandergrenzenden ringförmigen Bereichen befindet, und als Alternative dazu die obengenannten ringförmigen quantisierten Bereiche und die ringförmigen diskreten Schichten so anzuordnen, daß eine zweidimensionale Fresnel-Linse entsteht.
Es ist des weiteren möglich, eine Vielzahl der obengenannten quantisierten Bereiche so anzuordnen, daß eine bestimmte flache Struktur in dem obengenannten Silizium-Substrat entsteht, wodurch die Halbleiter-Vorrichtung so ausgeführt wird, daß sie als optische Anzeige-Vorrichtung funktioniert.
Es ist möglich, einen LSI-Schaltkreis, der mit einer zusätzlichen selbstprüfenden Schaltung versehen ist, auf dem obengenannten Silizium-Substrat anzuordnen und den obengenannten quantisierten Bereich in der Selbstprüfschaltung des genannten LSI-Schaltkreises anzuordnen.
1 ist eine Schnittansicht einer Halbleiter-Vorrichtung, die beim Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
2(a) bis 2(e) sind Schnittansichten, die die Veränderung der Struktur einer ersten Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung zeigen, wobei dies dem Verständnis der Erfindung dient.
3 ist eine Ansicht, die Veränderungen der Form eines halbkugelförmigen Körnchens darstellt, wenn die Abscheidetemperatur und der Teildruck von SiH₄ bei dem Verfahren verändert werden;
4(a) bis 4(c) sind Querschnittansichten, die die Struktur einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln, die unter Verwendung von Körnchen im amorphen Bereich ausgebildet werden, den Aufbau einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln, die unter Verwendung von Körnchen in <311>-Richtungs-Bereich ausgebildet wurden bzw. die Struktur von porösem Silizium, das durch Analysierung hergestellt wurde, zeigen;
5 ist eine Ansicht, die die Kennlinie des Stroms als Funktion der an einen quantisierten Bereich angelegten Spannung zeigt;
6 ist eine Ansicht, die die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität vom Strom im quantisierten Bereich zeigt;
7 ist eine Ansicht, die die Abhängigkeit der Emissionswellenlänge von der Spannung im quantisierten Bereich zeigt;
8(a) bis 8(e) sind Schnittansichten, die die Veränderung der Struktur einer zweiten Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung zeigen, die beim Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
9 ist eine Ansicht, die Veränderungen der Form des halbkugelförmigen Körnchens bei Veränderung der Abscheidungstemperatur und des Teildrucks von SiH₄ bei diesem Verfahren zeigt;
10(a) bis 10(c) sind REM-Photographien, die Veränderungen der Form der halbkugelförmigen Körnchen bei Veränderungen der Wärmebehandlungsbedingungen zeigen;
11 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Temperzeit und dem Körnchendurchmesser sowie der Dichte der halbkugelförmigen Körnchen bei einem verbesserten Verfahren zeigt;
12(a) und 12(b) sind Schnittansichten, die die Veränderung der Körnchen zeigen;
13 ist eine Ansicht, die einen Unterschied hinsichtlich der Körnchenverteilung und des Körnchendurchmessers zwischen dem Fall, in dem die Oberflächenbehandlung ausgeführt wurde, und dem Fall, in dem die Oberflächenbehandlung nicht ausgeführt wurde, zeigt;
14 ist eine Schnittansicht einer dritten Halbleiter-Vorrichtung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
15 ist eine Schnittansicht einer vierten Halbleiter-Vorrichtung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
16 ist eine Schnittansicht einer fünften Halbleiter-Vorrichtung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
17(a) und 17(b) sind Ansichten, die schematisch die Ebenen-Struktur einer eindimensionalen Fresnel-Linse und die Ebenen-Struktur einer zweidimensionalen Fresnel-Linse zeigen, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sind;
18 ist eine Schnittansicht einer sechsten Halbleiter-Vorrichtung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
19 ist eine Ansicht, die die Bewegung von Elektronen in einem Kristallgitter aus Silizium darstellt, an das Hochfrequenz-Elektroenergie angelegt worden ist;
20 ist eine Schnittansicht einer siebenten Halbleiter-Vorrichtung gemäß der Erfindung;
21(a) bis 21(c) sind Schnittansichten, die die Veränderung der Struktur der siebenten Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung gemäß der Erfindung zeigen;
22 ist eine Schnittansicht, die das Prinzip eines Lastsensors unter Verwendung des quantisierten Bereiches einer achten Halbleiter-Ausführung darstellt;
23(a) und 23(b) sind Ansichten, die den Querschnittsaufbau des Lastsensors der achten Halbleiter-Vorrichtung sowie Veränderungen der Wellenlänge von Ausgangslicht aus dem Lastsensor bei Veränderung der Last zeigen;
24 ist ein Blockschaltbild, das den Gesamtaufbau der achten Halbleiter-Vorrichtung zeigt;
25(a) bis 25(d) sind Schnittansichten sowie Draufsichten, die dem Verständnis der Erfindung dienen und die Veränderung des Aufbaus einer neunten Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung zeigen;
26 ist eine Draufsicht auf eine Anzeigevorrichtung, die die neunte Halbleiter-Vorrichtung umfaßt;
27 ist eine Schnittansicht, die teilweise eine erste lichtemittierende Einheit der neunten Halbleiter-Vorrichtung zeigt, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
28(a) und 28(b) sind Schnittansichten sowie Draufsichten, die den Aufbau einer Schallwellen-Sensoreinheit in der neunten Halbleiter-Vorrichtung zeigen;
29 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau der Schallwellen-Ausgangseinheit in der neunten Halbleiter-Vorrichtung zeigt;
30(a) bis 30(d) sind Schnittansichten, die die Veränderung der Struktur der zehnten Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung zeigen, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
31 ist eine Schnittansicht der zehnten Halbleiter-Vorrichtung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
32(a) bis 32(d) sind Schnittansichten, die die Veränderung der Struktur einer elften Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung zeigen, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
33 ist eine Schnittansicht des herkömmlichen porösen Siliziums, das durch Anodisierung hergestellt wird; und
34 ist eine Schnittansicht, die teilweise ein herkömmliches dreidimensionales integriertes Schaltkreissystem zeigt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Zunächst wird eine erste Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht einer optischen Halbleiter-Vorrichtung. Wie in der Zeichnung dargestellt, umfaßt die Halbleiter-Vorrichtung ein Silizium-Substrat 1 aus einer Einkristallstruktur, eine große Anzahl von Halbleiter-Mikronadeln 2, die sich von der Oberfläche des Silizium-Substrats 1 bis in eine vorgegebene Tiefe erstrecken, und zwar so, daß die axiale Richtung derselben senkrecht zur Oberfläche des Substrats 1 ist, eine isolierende Schicht 3, die aus einem Silizium-Dioxidfilm besteht, der den Raum ausfüllt, der jede Halbleiter-Mikronadel 2 umgibt, sowie eine transparente Elektrode 4, die auf den abgeflachten oberen Enden der Halbleiter-Mikronadeln 2 und der isolierenden Schicht 3 ausgebildet ist. Eine Ansammlung der genannten Halbleiter-Mikronadeln 2 wirkt als quantisierter Bereich Rqa. Die Enden der obengenannten Halbleiter-Mikronadeln 2, die näher an dem Substrat 1 sind und im folgenden als "Fußenden" bezeichnet werden, werden zusammen von dem Substrat gehalten. Jede Halbleiter-Mikronadel 2 hat einen Durchmesser von ungefähr 2 bis 50 nm. Die obenbeschriebene isolierende Schicht 3 wird hergestellt, indem der Oberflächenbereich des Siliziums, das jede Halbleiter-Mikronadel 2 bildet, thermischer Oxidation unterzogen wird. Da die obengenannte transparente Elektrode 4 in Kontakt mit dem oberen Ende je der Halbleiter-Mikronadel 2 ist, ist sie elektrisch mit jeder der Halbleiter-Mikronadeln 2 verbunden. Daher wird, wenn eine bestimmte Spannung zwischen der transparenten Elektrode 4 und dem Silizium-Substrat 1 an die Fußenden der Halbleiter-Mikronadeln 2 angelegt wird oder der quantisierte Bereich Rqa mit Licht bestrahlt wird, Lichtemission in jeder der Halbleiter-Mikronadeln 2 durch die Quanteneffekte der Abmessung verursacht, so daß es zu Elektrolumineszenz und Photolumineszenz kommt.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen der optischen Halbleiter-Vorrichtung beschrieben, wobei 2(a) bis 2(e) Schnittansichten sind, die die Veränderung der Struktur der optischen Halbleiter-Vorrichtung während des Vorgangs ihrer Herstellung zeigen.
Zunächst wird, wie in 2(a) dargestellt, eine obere isolierende Schicht 5, die aus einer Silizium-Dioxidschicht, einer Silizium-Nitridschicht oder dergleichen besteht, auf dem Silizium-Substrat 1 durch thermische Oxidation, chemisches Aufdampfen (CVD) oder mit einem ähnlichen Verfahren hergestellt. Anschließend werden halbkugelförmige Körnchen aus Silizium durch Gasphasenablagerung (LPCVD) abgelagert. In diesem Fall lassen sich, wenn ein 20%iges SiH₄-Gas auf He-Basis als Ausgangsmaterial benutzt wird und eine Durchflußmenge 300 cm³ beträgt, die halbkugelförmigen Körnchen mit einem Radius von mehreren nm, wie sie in der Zeichnung zu sehen sind, herstellen.
Bei der Herstellung der halbkugelförmigen Körnchen ist es auch möglich, ein SiH₄-Gas in einer Wasserstoffgas-Atmosphäre einzusetzen. In diesem Fall ist es besonders leicht, das Abscheiden der halbkugelförmigen Körnchen 6 zu steuern.
Im Anschluß daran wird, wie in 2(b) dargestellt, die obere isolierende Schicht 5, die aus einer Silizium-Dioxidschicht oder einer Silizium-Nitridschicht besteht, unter Verwendung einer ersten Punktmaske Ms1 geätzt, die aus der großen Anzahl halbkugelförmiger Körnchen 6 besteht, so daß eine zweite Punktmaske Ms2 entsteht, die aus den verbleibenden Abschnitten der oberen isolierenden Schicht 5 besteht, die in Streifen strukturiert worden ist, die der Struktur der großen Anzahl von halbkugelförmigen Körnchen 6 entsprechen. Das Ätzen der oberen isolierenden Schicht auf dem Silizium-Substrat 1 wird beispielsweise in einer Atmosphäre aus CF4/CHF3 = 30/40 sccm gemischten Gasen bei einem Druck von 1 Pa mit einer HF-Energie von 400 W ausgeführt. Anschließend werden die halbkugelförmigen Körnchen 6 weggeätzt.
Daraufhin wird das Silizium-Substrat, wie in 2(c) dargestellt, auf eine vorgegebene Tiefe mit der zweiten Punktmaske Ms2 geätzt, die in Streifen strukturiert ist, so daß eine große Anzahl der Halbleiter-Mikronadeln 2 senkrecht zur Oberfläche des Silizium-Substrats 1 entsteht. Das Ätzen wird in einer gemischten Gas-Atmosphäre von C12/02 = 90/3 sccm bei einem Druck von 1 Pa mit einer HF-Energie von 200 W ausgeführt. Die Seitenabschnitte jeder Halbleiter-Mikronadel 2 sind im wesentlichen vertikal zur Oberfläche des Silizium-Substrats 1 und stehen im wesentlichen aufrecht. Wenn die halbkugelförmigen Körnchen 6 unter geeigneten Bedingungen hergestellt werden, können, wie weiter unten beschrieben, die Halbleiter-Mikronadeln 2 unabhängig voneinander ohne Verbindung hergestellt werden.
Danach werden, wie in 2(d) dargestellt, die Seitenabschnitte der Halbleiter-Mikronadeln 2 mit einer isolierenden Schicht 3 überzogen, die aus einem Silizium-Dioxidfilm besteht, um den Raum um jede Halbleiter-Mikronadel 2 herum auszufüllen, nachdem die oberen Enden derselben abgeflacht worden sind.
Des weiteren wird, wie in 2(e) dargestellt, der abgeflachte Abschnitt der isolierenden Schicht 3, der die oberen Enden der Halbleiter-Mikronadeln 2 bedeckt, entfernt, um die transparente Elektrode 4 darauf herzustellen.
Bei der obenbeschriebenen ersten Halbleiter-Vorrichtung werden die obere isolierende Schicht 5 sowie die erste Punktmaske Ms2 nacheinander auf dem Silizium-Substrat 1 hergestellt, und anschließend wird die zweite Punktmaske Ms2 auf der oberen isolierenden Schicht 5 hergestellt, so daß das Silizium-Substrat 1 unter Verwendung der zweiten Punktmaske Ms2 geätzt wird. Es ist jedoch möglich, die Halbleiter-Mikronadeln 2 herzustellen, indem die erste Punktmaske Ms1 direkt auf dem Silizium-Substrat 1 hergestellt wird, und dann das Silizium-Substrat 1 unter Verwendung der ersten Punktmaske Ms1 geätzt wird.
Im folgenden wird die Funktion der so aufgebauten optischen Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. Dabei dient ein Bereich, in dem die Halbleiter-Mikronadeln 2 von der Oberfläche her bis in eine bestimmte Tiefe des p-Typ-Silizium-Substrats 1 ausgebildet sind, als der quantisierte Bereich Rqa. Wenn eine Spannung von 20 V in der Durchlaßrichtung an die transparente Elektrode 4 angelegt wird, die elektrisch mit den Halbleiter-Mikronadeln 2 verbunden ist, und das Silizium-Substrat 1 auf Erdpotential gesetzt wird, kommt es zu sichtbarer Elektrolumineszenz bei Raumtemperatur. Wenn Silizium verwendet wird, wird, da die durch das Anlegen einer Spannung oder dergleichen erregten Elektronen im allgemeinen indirekte Übergänge ausführen, ein Großteil der Energie, der durch den Übergang entsteht, in Wärme umgewandelt, so daß die Emission von Licht im sichtbaren Bereich als problematisch angesehen wurde. Da jedoch der quantisierte Bereich Rqa, der aus Silizium besteht, bei der obenstehenden ersten Ausführung durch die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2, die jeweils einen Durchmesser von mehreren nm haben, gebildet wird, wird die Bandbreite von Silizium aufgrund der Quanteneffekte der Abmessung von 1,2 eV auf 2,5 eV erweitert, wobei die erregten Elektronen direkte Übergänge ausführen, so daß es zur Emission von sichtbarem Licht aufgrund der direkten Übergänge zwischen den Bändern kommt. Des weiteren ermöglicht im Vergleich zu dem herkömmlichen porösem Silizium, das durch Anodisierung gebildet wird, die Ansammlung von Silizium-Mikronadeln 2, die bei der obenbeschriebenen ersten Halbleiter-Vorrichtung eingesetzt wird, eine hohe Lichtemissionsintensität sowie ein scharfes Emissionsspektrum.
Im folgenden wird der Grund für die Vorteile des so hergestellten quantisierten Bereiches gegenüber dem durch Anodisierung hergestellten porösen Silizium aus einem Unterschied der Struktur zwischen beiden hergeleitet. 4(a) zeigt den Querschnittsaufbau der bei dem obenbeschriebenen Herstellungsverfahren eingesetzten Körnchen für den Fall, daß sie aus amorphem Silizium bestehen. 4(b) zeigt den Querschnittsaufbau der Körnchen, die bei dem obenbeschriebenen Herstellungsverfahren eingesetzt werden, für den Fall, daß sie aus Einkristall-Silizium der <311>-Richtung bestehen. Verschiedene Bedingungen, unter denen diese Strukturen hergestellt werden, werden weiter unten beschrieben. 4(c) zeigt den Querschnittsaufbau des herkömmlichen porösen Siliziums, das durch Anodisierung hergestellt wird. Da das herkömmliche poröse Silizium durch Anodisierung hergestellt wird, durch die das Silizium vorwiegend durch Einsatz von Mikroporen in der Dioxidschicht, die aus der Anodenoxidation von Silizium resultiert, entsteht, wie in 4 dargestellt, eine Siliziumwand in dem porösen Silizium. Die Dicke der Siliziumwand, d. h. der Abstand d zwischen zwei benachbarten Mikroporen auf beiden Seiten der Siliziumwand unterscheidet sich von Abschnitt zu Abschnitt sehr stark (siehe die Abstände d1 und d2 in der Zeichnung). Es kann davon ausgegangen werden, daß, wenn der Abstand d zwischen zwei benachbarten Mikroporen auf beiden Seiten zu groß ist (wie beispielsweise bei d2 in der Zeichnung), die Quanteneffekte der Abmessung nicht entstehen können. Im Unterschied dazu kann, da die Halbleiter-Mikronadeln 2, die mit dem obenbe schriebenen Verfahren hergestellt werden, im wesentlichen diskrete Streifen in der Querrichtung bilden, wie dies in 4(a) und 4(b) dargestellt ist, davon ausgegangen werden, daß sie ausreichend kleine Abmessungen haben, um die Quanteneffekte der Abmessung zu bewirken, obwohl sie je nach ihrer Richtung leicht unterschiedliche Durchmesser haben können. Dementsprechend lassen sich eine höhere Lichtemissionsintensität und ein schärferes Emissionsspektrum erzielen.
5 zeigt die Kennlinie des Stroms (injizierter Strom), der durch die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 fließt, in Abhängigkeit von der an die transparente Elektrode 4 angelegten Spannung. 6 zeigt die Lichtemissionsintensität der Elektrolumineszenz in Abhängigkeit von dem injizierten Strom in der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2. Aus 5 und 6 geht hervor, daß die Lichtemissionsintensität mit einer Zunahme der an die transparente Elektrode 4 angelegten Spannung zunimmt. 7 zeigt die Kennlinie der Lichtemissionsintensität in Abhängigkeit von der Spannung bei Trägerinjektion. Aus 7 geht hervor, daß Farbanzeigeelemente für die Lichtemission in einzelnen Farben, wie Rot, Blau und Gelb durch Veränderung der Spannung bei Trägerinjektion hergestellt werden können.
Bei der ersten Halbleiter-Vorrichtung wurde, wie in 2(a) bis 2(e) dargestellt, bei der Herstellung des quantisierten Bereiches Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 aus Einkristall-Silizium mit einem Radius von jeweils mehreren Nanometern besteht, das gleiche Verfahren eingesetzt wie bei der Herstellung einer normalen Halbleiter-Vorrichtung, wie beispielsweise eines MOSFET. Das heißt, der die jede Halbleiter-Mikronadel 2 umgebende Raum wird mit der Oxidschicht 3 so ausgefüllt, daß die oberen Enden derselben abgeflacht werden und die transparente Elektrode 4 mit dem quantisierten Bereich elektrisch verbunden wird. Daher kann das Verfahren, das nach der Maskenherstellung der ersten Halbleiter-Vorrichtung eingesetzt wird, durch das herkömmliche Verfahren der Herstellung eines Silizium-Wafers bei der Herstellung einer normalen Halbleiter-Vorrichtung ersetzt werden, so daß eine herkömmliche Halbleiter-Vorrichtung, wie beispielsweise ein normaler MOSFET, hergestellt werden kann, nachdem die optische Halbleiter-Vorrichtung hergestellt wurde.
Im folgenden werden die Bedingungen bei jedem Schritt des Verfahrens zur Herstellung der obenbeschriebenen optischen Halbleiter-Vorrichtung im einzelnen beschrieben.
Das Verfahren zum Ausbilden der Körnchen in dem in 2(a) dargestellten Schritt wird seit 1990 zur Erhöhung der Kapazität eines DRAM eingesetzt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise offenbart in: Ext. Abs. 22. SSDM (1990) S. 869–872 von Y. Hayashide et al., J. Appl. Phys. 71(1991) S. 3538–3543 von H. Watanabe et al., sowie Tech. Dig. des VLSI Symp (1991) S. 6–7 von H. Itoh et al. Unter Einsatz dieser Verfahren lassen sich die Körnchen leicht herstellen.
3 zeigt Veränderungen der Form des Körnchens, wenn die Abscheidungstemperatur und der Teildruck von SiH₄ bei einer konstanten Gasströmungsmenge von 300 cm³ verändert werden. Das in die Zeichnung eingesetzte Diagamm ist eine Darstellung, die Bedingungen zeigt, unter denen sich Silizium-Kristallphasen ausbilden, wobei sie besteht aus: einem amorphen Bereich, in dem amorphes Silizium als Körnchen entsteht; einem <311>-Richtungs-Bereich, in dem Einkristall-Silizium mit der <311>-Richtung senkrecht zur Substrat-Oberfläche als Körnchen ausgebildet wird; sowie einem <110>-Richtungs-Bereich, in dem Einkristall-Silizium mit der <110>-Richtung senkrecht zur Substrat-Oberfläche als Körnchen entsteht.
Was die Struktur der entstehenden Körnchen betrifft, so sind die drei folgenden Bereiche von Bedeutung:

1. Ein HSG-aSi-Bereich, in dem halbkugelförmige Körnchen (HSG) und amorphes Silizium (aSi) vermischt sind;
2. Ein HSG-Bereich, in dem überall halbkugelförmige Körnchen ausgebildet sind; und
3. Ein CTG-Bereich, in dem sich mehrere Körnchen zu einem zylindrischen Kettenkörnchen (cylindrical trained grain – CTG) von oben gesehen in Form eines Grats vereinen.

Die Untersuchung der drei Bereiche hat folgendes ergeben:

(1) Der HSG-Bereich existiert in dem <311>-Richtungs-Bereich, wo Körnchen bei einer Temperatur in einem Bereich von 570°C bis 580°C bei einem SiH₄-Teildruck (Bildungsdruck) in einem Bereich von 66,7 bis 266,6 Pa (0,5 Torr bis 2,0 Torr) entstanden.
(2) Der HSG-aSi-Bereich existiert in der Nähe der Grenze zwischen dem amorphen Bereich und dem <311>-Richtungs-Bereich.
(3) Der CTG-Bereich exisitiert hauptsächlich in der Nähe der Grenze zwischen dem <311>-Richtungs-Bereich und dem <110>-Richtungs-Bereich.
(4) Der HSG-Bereich existiert in dem Teil des obengenannten <311>-Richtungs-Bereichs, in dem er zwischen den beiden obengenannten Bereichen (dem HSG-aSi-Bereich und dem CTG-Bereich) eingeschlossen ist.
(5) Wenn die Körnchen hinsichtlich der Struktur näher am amorphen Silizium liegen, nimmt die Größe der Körnchen entsprechend zu. Wenn die Körnchen hinsichtlich der Struktur näher an der <110>-Richtung liegen, nimmt hingegen die Größe der Körnchen entsprechend ab.
(6) Der amorphe Bereich dehnt sich zunehmend aus, wenn der Teildruck von SiH₄ (Bildungsdruck) zunimmt.
(7) Unterschiedliche Korngrößen resultieren aus unterschiedlichen Dichten der Wachstumskeime der Körnchen (Metall, wie beispielsweise Ni oder W) auf der Schichtoberfläche.
(8) Und daher entstehen, wenn Körnchen bei einer Abscheidungstemperatur von 560°C bis 590°C bei einem SiH₄-Teildruck von 13,3 bis 53,3 Pa (0,1 bis 0,4 Torr) abgeschieden werden, Körnchen in der Form von Halbkugeln und Körnchen in der Form von Graten bei einer Oberflächendichte von 0,4 bis 0,7.

Bei dem obenbeschriebenen Verfahren werden die seitlichen Abschnitte der Halbleiter-Mikronadeln 2, die aus Einkristall-Silizium bestehen, thermischer Oxidation ausgesetzt, um den Raum, der jede Halbleiter-Mikronadel 2 umgibt, mit der isolierenden Schicht 3 auszufüllen, die aus einem Silizium-Dioxidfilm besteht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die obenbeschriebene Ausführung beschränkt. Selbst wenn die isolierende Schicht nicht vorhanden ist, kommt es zu Lichtemission aufgrund der Quanteneffekte der Abmessung. Wenn jedoch die seitlichen Abschnitte jeder Halbleiter-Mikronadel 2 mit der isolierenden Schicht 3 bedeckt sind, die durch thermische Oxidation hergestellt wird, lassen sich damit die folgenden Vorteile erzielen. Es können nicht nur Verunreinigungen und Fremdkörper, die beim Ätzen des Silizium-Substrats 1 bei der Herstellung der Halbleiter-Mikronadeln 2 entstanden sind und an den seitlichen Abschnitten derselben haften, in der isolierenden Schicht 3 einschließen, sondern diese Verunreinigungen und Fremdkörper können ein für allemal daran gehindert werden, in den quantisierten Bereich Rqa einzudringen, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 aus Einkristall-Silizium besteht. Da der quantisierte Bereich Rqa gegenüber dem Eindringen dieser Verunreinigungen und Fremdkörper geschützt ist, lassen sich Einflüsse der Atome und Moleküle, die an den seitlichen Abschnitten der Halbleiter-Mikronadeln 2 haften, ausschließen, so daß, wie erforderlich, die einheitliche erforderliche Wellenlänge konstant reproduziert werden kann und somit eine Halbleiter-Vorrichtung, wie beispielsweise ein Lichtempfangs- /Lichtemissions-Element aus Silizium, mit einer langen Lebensdauer geschaffen wird.
Die isolierende Schicht 3, die aus Silizium-Dioxid oder Silizium-Nitrid besteht, füllt nicht unbedingt den Raum aus, der jede Halbleiter-Mikronadel 2 umgibt, wie dies bei der ersten Halbleiter-Vorrichtung der Fall ist. Selbst wenn die isolierende Schicht 3 nur in der Nähe der Oberflächen der Halbleiter-Mikronadeln 2 ausgebildet ist, lassen sich die Funktionen des Einschließens von Verunreinigungen und des Verhinderns ihres Eindringens verwirklichen. Wenn jedoch der Raum, der jede Halbleiter-Mikronadel 2 umgibt, mit der isolierenden Schicht 3 ausgefüllt wird, wie dies bei der ersten Halbleiter-Vorrichtung der Fall ist, kann ein Kurzschluß zwischen den Halbleiter-Mikronadeln 2 sicher verhindert werden, und die oberen Enden der Halbleiter-Mikronadeln 2 können abgeflacht werden, ohne ihren Aufbau zu beeinträchtigen. So kann eine elektrische Verbindung zwischen den Halbleiter-Mikronadeln 2 und der transparenten Elektrode 4 sicher hergestellt werden.
Im folgenden wird eine zweite Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 8(a) bis 8(e) zeigen das Verfahren der Herstellung dieser optischen Halbleiter-Vorrichtung. Das eingesetzte Herstellungsverfahren entspricht im wesentlichen dem Verfahren, das bei der Herstellung der obenbeschriebenen ersten Halbleiter-Vorrichtung eingesetzt wurde, wobei jedoch die Bedingungen, unter denen die halbkugelförmigen Körnchen selbst durch Gasphasenablagerung abgeschieden werden, verändert wurden, und der Raum, der jede Halbleiter-Mikronadel umgibt, mit einem Silizium-Dioxidfilm 3b ausgefüllt wird, der mit einem CVD-Verfahren oder dergleichen hergestellt wird, nachdem die seitlichen Abschnitte der Halbleiter-Mikronadeln 2 mit einem thermischen Oxidationsfilm 3a abgedeckt wurden, und anschließend ihre Oberflächenbereiche abgeflacht wurden. Das heißt, diese beiden Arten von Oxidfilmen 3a und 3b bilden eine isolierende Schicht 3.
Beim Schritt des Abscheidens der halbkugelförmigen Körnchen 6 wird ein 15%iges SiH₄-Gas auf He-Basis als Ausgangsmaterial eingesetzt, um die halbkugelförmigen Körnchen 6 bei einer Gas-Durchflußmenge von 100 cm³, einer Abscheidungstemperatur von 500°C bis 700°C und einem SiH₄-Teildruck von 13,3 bis 53,3 Pa (0,1 bis 0,4 Torr) abzuscheiden. Wenn die Gas-Strömungsmenge und die Abscheidungsrate niedriger eingestellt werden, kann die Abscheidung bei einer niedrigeren Abscheidungstemperatur ausgeführt werden. 9 zeigt Veränderungen der Form des halbkugelförmigen Körnchens 6, wenn die Abscheidetemperatur und der SiH₄-Teildruck bei einer konstanten Gas-Strömungsmenge von 100 cm³ verändert werden. Die Darstellung der Bedingungen in 3 können je nach der Form des entstehenden Körnchens ähnlich wie bei der ersten Ausführung in die folgenden drei Bereiche unterteilt werden: (1) HSG-aSi-Bereich; (2) HSG-Bereich; und (3) CTG-Bereich.
Bei der Prüfung der drei Bereiche hat sich folgendes herausgestellt:
(1) Der HSG-Bereich kann bei einer Temperatur von 500°C bis 650°C bei einem SiH₄-Teildruck von 13,3 bis 53,3 Pa (0,1 Torr bis 0,4 Torr) hergestellt werden.
Zusätzlich dazu lassen sich die gleichen Tendenzen, wie sie für die obenbeschriebene erste Ausführung mit (2) bis (7) beschrieben sind, registrieren.
(8) Aus dem Obenstehenden kann geschlossen werden, daß sich die halbkugelförmigen Körnchen 6 in einem größeren Bereich der Abscheidungstemperatur als bei dem obenbeschriebenen Verfahren zum Herstellen der ersten Halbleiter-Vorrichtung herstellen lassen.
So kann bei dem vorliegenden Verfahren der Bereich der geeigneten Abscheidetemperatur ausgedehnt werden, indem das Verhältnis von SiH₄ zur He-Basis in dem Ausgangsgas verändert wird und die Gasströmungsmenge verändert wird. Der Raum um jede Halbleiter-Mikronadel 2 herum kann besser mit dem Oxidfilm 3b bzw. Nitridfilm ausgefüllt werden, der mit einem CVD-Verfahren hergestellt wird, als nur mit dem thermischen Oxidationsfilm.
Obwohl bei dem obenbeschriebenen Verfahren der thermische Oxidationsfilm 3a vor der Herstellung des Silizium-Dioxidfilms 3b hergestellt wird, ist das Verfahren nicht darauf beschränkt. Es ist auch möglich, die gesamte isolierende Schicht 3b mit einem CVD-Verfahren herzustellen, um das Verfahren einfacher zu gestalten.
In diesem Fall läßt sich, wenn die gesamte isolierende Schicht 3 lediglich aus Silizium-Dioxid besteht, Lichtemission in seitlicher Richtung erzielen, da der Brechungsindex von Silizium-Dioxid gering ist. Wenn die gesamte Isolierschicht 3 nur aus Silizium-Nitrid besteht, erzeugt hingegen ein Unterschied hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium-Nitrid und Silizium eine Druckbelastung der Halbleiter-Mikronadeln 2, so daß die Quanteneffekte der Abmessung spürbarer wirken. Die gleichen Ef fekte können erzielt werden, indem statt des mit einem CVD-Verfahren hergestellten Silizium-Dioxidfilms 3b ein Silizium-Nitridfilm hergestellt wird.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Verbesserung der Form des halbkugelförmigen Körnchens 6 beschrieben. Nachdem die halbkugelförmigen Körnchen 6 im wesentlichen mit dem gleichen Herstellungsverfahren wie bei der ersten Halbleiter-Vorrichtung hergestellt wurden, wird das SiH₄-Gas in einer Röhre abgepumpt und anschließend Tempern unter Zufuhr von N₂-Gas, das ein inaktives Gas darstellt, in die Röhre ausgeführt. 11 zeigt die Beziehung zwischen der Dauer des Temperns und dem Körnchendurchmesser und der Dichte. Es ist zu sehen, daß der Körnchendurchmesser mit zunehmender Temperzeit abnimmt. Da die Oberfläche und die Grenzfläche mit zunehmendem Körnchendurchmesser schrumpfen, nähert sich die Form des Körnchens stärker einer Halbkugel, so daß es zu einer starken Rate der Zunahme der Oberfläche des Körnchens kommt. Wenn die Temperdauer zwei Minuten oder länger beträgt, nimmt der Bereich ohne halbkugelförmige Körnchen zu. Die zunehmenden Probleme bei der Ausbildung der halbkugelförmigen Körnchen 6 kann auf den zunehmenden Grad der Oberflächen-Oxidation aufgrund des Temperns zurückgeführt werden, der das Wachstum von Körnchen an der Oberfläche stört. Des weiteren kann das Tempern in zwei Schritten bei zwei verschiedenen Bedingungen mit unterschiedlichen Sauerstoff-Teildrücken ausgeführt werden, so daß der Körnchendurchmesser der halbkugelförmigen Körnchen 6 einheitlicher wird.
10(a) bis 10(c) zeigen REM-Photographien von halbkugelförmigen Körnchen, die aufgenommen wurden, wenn gewöhnliche Schichtherstellungsbedingungen (eine Temperatur von 575°C, ein Druck von 133,3 Pa (1,0 Torr) und eine Gas-Strömungsmenge von 300 cm³ 20%igem SiH₄-Gas) und die gleiche Tempertemperatur (575°C) eingesetzt wurden, während die anderen Temperbedingungen verändert wurden. 10(a) zeigt halbkugelförmige Körnchen, die entstanden, wenn das Tempern in einer N₂-Atmosphäre bei einem Druck von 133,3 Pa (1,0 Torr) 30 Minuten lang unmittelbar nach der Schichtherstellung ausgeführt wurde. 10(b) zeigt halbkugelförmige Körnchen, die entstanden, wenn das Tempern im Vakuum (ungefähr 1,33 Pa (0,01 Torr)) 2 Minuten lang nach der Schichtherstellung durchgeführt und anschließend bei einem Druck von 18,7 Pa (0,14 Torr) 10 Minuten lang fortgesetzt wurde. 10(c) zeigt halbkugelförmige Körnchen, die entstanden, wenn das Tempern im Vakuum (ungefähr 1,33 Pa (0,01 Torr)) 5 Minuten lang nach der Schichtherstellung ausgeführt und anschließend in einer N₂-Atmosphäre unter einem Druck von 133,3 Pa (1,0 Torr) 30 Minuten lang fortgesetzt wurde.
Nach der Herstellung der halbkugelförmigen Körnchen 6 wurden die Halbleiter-Mikronadeln 2, die isolierende Schicht 3, die transparente Elektrode 4 und dergleichen im wesentlichen mit dem gleichen Verfahren, wie es bei der obenbeschriebenen ersten Halbleiter-Vorrichtung eingesetzt wurde, hergestellt.
Da mit den vorliegenden Verfahren der Durchmesser der halbkugelförmigen Körnchen 6 durch Wärmebehandlung verringert wurde und die Form derselben dahingehend verbessert wurde, daß sie näher an einer Halbkugel liegt, können Halbleiter-Mikronadeln 2 mit im wesentlichen einheitlichen Radius in einer Ebene in der Nähe der Oberfläche des Silizium-Substrats 1 hergestellt werden. Des weiteren wird, da der Radius der Halbleiter-Mikronadeln 2, die den quantisierten Bereich bilden, einheitlich ist, das Emissionsspektrum schärfer, wobei gleichzeitig die Lichtemissionsintensität zunimmt.
Die 12(a) und 12(b) sind Schnittansichten, die den Vorgang der Ausbildung der halbkugelförmigen Körnchen veranschaulichen.
Zunächst werden, wie in 12(a) dargestellt, Kristallwachstumskeime 8, die als Keime für das Kristallwachstum von Körnchen dienen, auf der oberen isolierenden Schicht 5 auf dem Silizium-Substrat 1 hergestellt. Die Kristallwachstumskeime 8 bestehen aus Metall, wie beispielsweise Zinn oder Rhodium. Um den Kern herzustellen, wird das Silizium-Substrat 1 mit der darauf abgeschiedenen oberen isolierenden Schicht 5 in eine Oberflächenbehandlungslösung bei normaler Temperatur 1 Minute lang eingetaucht und anschließend gewaschen und getrocknet. Als Oberflächenbehandlungs-Lösung wird eine zum Plattieren verwendete Lösung eingesetzt.
Dann werden, wie in 12(b) dargestellt, unter Verwendung dieser Kristallwachstumskeime 8 die halbkugelförmigen Körnchen 8 aus Silizium mit einem Gasphasenablgerungsverfahren auf die obere isolierende Schicht 5 aufgewachsen. Als Ausgangsmaterial wird ein 15%iges SiH₄-Gas auf He-Basis bei einer Gasströmungsmenge von 100 cm³ eingesetzt. Das Abscheiden wird bei einer Abscheidungstemperatur von 500 bis 700°C bei einem SiH₄-Teildruck von 13,3 bis 53,3 Pa (0,1 bis 0,4 Torr) ausgeführt. Unter diesen Bedingungen werden die Silizium-Körnchen 6 selektiv auf den Kristallwachstumskeimen 8 abgeschieden, so daß die erste Punktmaske Ms1 entsteht, die aus einer großen Anzahl von Silizium-Kornmaterialien 6 besteht.
Danach werden mit dem gleichen Verfahren wie bei der ersten Vorrichtung (siehe 2(c) bis 2(e) die halbkugelförmigen Körnchen, die Isolierschicht, die transparente Elektrode und dergleichen hergestellt.
13 ist eine Ansicht, die zu Vergleichszwecken die Verteilung und den Durchmesser der Körnchen für den Fall zeigt, daß, wie in 12(a) die Oberflächenbehandlung ausgeführt wurde, und die Verteilung und den Durchmesser der Körnchen für den Fall, daß keine Oberflächenbehandlung ausgeführt wurde. Ohne die Oberflächenbehandlung beträgt der Mittelwert des Körnchendurchmessers 11 nm, und der maximale Körnchendurchmesser liegt über 20 nm. Mit der Oberflächenbehandlung hingegen beträgt der Mittelwert des Körnchendurchmessers 6 nm, und der maximale Körnchendurchmesser beträgt 12 nm oder weniger. Mit der Oberflächenbehandlung zur Herstellung der Kristallwachstumskeime 8 vor der Ausbildung der Körnchen werden also die Verteilung und die Größe der halbkugelförmigen Körnchen 6 einheitlich, so daß die Körnchen einheitlich in einer Ebene verteilt werden. Da der Radius und die Verteilung der Halbleiter-Mikronadeln 2, die den quantisierten Bereich bilden, einheitlicher werden, wird das Emissionsspektrum erheblich schärfer, wobei gleichzeitig die Lichtemissions-Intensität in der Ebene einheitlich zunimmt.
Bei dem so aufgebauten Silizium-Lichtempfangselement wird eine negative Spannung an das p-Typ-Silizium-Substrat 1 angelegt, um das obere Ende jeder Halbleiter-Mikronadel auf das Erdpotential zu bringen, wobei anschließend die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln (quantisierter Bereich) mit Licht aus einer Quecksilber-Hochdrucklampe als Lichtquelle bestrahlt wurde. Als Ergebnis der Bestrahlung mit Licht verändert sich der Widerstandswert des quantisierten Bereiches, der die Halbleiter-Mikronadeln enthält, so daß die Vorrichtung als Lichtempfangselement eingesetzt werden kann.
Im folgenden wird eine dritte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 14 ist eine Querschnittansicht dieses optischen Halbleiters. Der Grundaufbau der optischen Halbleiter-Vorrichtung, die in 14 dargestellt ist, entspricht im wesentlichen dem der ersten Halbleiter-Vorrichtung, die in 1 dargestellt ist, wobei jedoch der quantisierte Bereich Rqa auf dem Silizium-Substrat seitlich von anderen Bereichen durch eine diskrete isolierende Schicht 9 isoliert ist. Die Tiefe der diskreten isolierenden Schicht 9 ist größer als die Tiefe h der Halbleiter-Mikronadel 2. Des weiteren ist zusätzlich zu der transparenten Elektrode 4 über den Halbleiter-Mikronadeln 2 eine seitliche Elektrode 10 so ausgebildet, daß sie die diskrete isolierende Schicht 9 durchdringt. Die seitliche Elektrode 10 ist mit dem Silizium-Substrat 1 verbunden und wirkt als eine untere Elektrode in bezug auf die transparente Elektrode 4, die als eine obere Elektrode der Halbleiter-Mikronadeln 2 wirkt.
Im folgenden wird die Funktion der so aufgebauten optischen Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. Wenn eine Spannung (beispielsweise ungefähr 50 V) zwischen der transparenten Elektrode 4 und der seitlichen Elektrode 10 angelegt wird, wird eine Potentialdifferenz zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende jeder Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rqa erzeugt, so daß bei Raumtemperatur sichtbare Elektrolumineszenz durch die gleichen Quanteneffekte der Abmessung bewirkt wird, wie sie bei der ersten Ausführung erzielt werden. Bei der vorliegenden dritten Vorrichtung wird die Spannung für die Trägerinjektion von 25 bis 200 V verändert, so daß sichtbare Elektrolumineszenz, die Emission von rotem, blauem und grünem Licht entspricht, zu beobachten ist. Aufgrund des Vorhandenseins der seitlichen Elektrode 10 wird es besonders einfach, Signale zwischen dem quantisierten Bereich Rqa der optischen Halbleiter-Vorrichtung und der Außenumgebung zu übertragen.
Im folgenden wird eine vierte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 15 ist eine Querschnittansicht dieser optischen Halbleiter-Vorrichtung. Der Grundaufbau der optischen Halbleiter-Vorrichtung, die in 15 dargestellt ist, entspricht im wesentlichen dem der obenbeschriebenen dritten Vorrichtung, die in 14 dargestellt ist, bei der vierten Vorrichtung wird jedoch das n-Typ-Silizium-Substrat 1 eingesetzt, bei dem eine p-Wanne 11 teilweise ausgebildet ist, und der Bereich, der sich von oberhalb der p-Wanne 11 bis zur Oberfläche des Silizium-Substrats 1 erstreckt, ist mit einem n-Typ-Störstoff dotiert. Jede Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rqa wird hergestellt, indem das Silizium-Substrat 1 von der Oberfläche desselben bis in eine Tiefe geätzt wird, die in das Innere der p-Wanne 11 reicht. Das heißt, die Höhe h der Halbleiter-Mikronadel 2 ist größer als die Tiefe des p-n-Übergangs zwischen der p-Wanne 11 und dem darüberliegenden Abschnitt des Silizium-Substrats 1. Dadurch besteht der untere Abschnitt der Halbleiter-Mikronadel 2, der näher am Fußende ist, aus p-Typ-Silizium, während der obere Abschnitt der Halbleiter-Mikronadel 2 aus n-Typ-Silizium besteht, so daß in der Mitte der Halbleiter-Mikronadel 2 ein p-n-Übergang 2a entsteht. Da ein weiterer p-n-Übergang auch zwischen der p-Wanne 11 und dem Hauptkörper des Silizium-Substrats 1 besteht, ist der quanti sierte Bereich Rqa von dem n-Typ-Silizium-Substrat 1 isoliert. Die seitliche Elektrode 10 ist so aufgebaut, daß sie mit der p-Wanne 11 verbunden ist.
Wenn eine Spannung von 50 V in der Durchlaßrichtung zwischen der transparenten Elektrode 4 und der seitlichen Elektrode 10 angelegt wird, ist auch bei der vorliegenden vierten Vorrichtung die Erzeugung von sichtbarer Elektrolumineszenz bei Raumtemperatur zu registrieren. Indem die Spannung für die Träger-Injektion von 25 auf 200 V verändert wird, läßt sich auch hier die Erzeugung sichtbarer Elektrolumineszenz in Form der Emission von rotem, blauem und gelbem Licht verzeichnen.
Die obenbeschriebene vierte Halbleiter-Vorrichtung weist zusätzlich zu den mit der obenbeschriebenen dritten Ausführung erzielten Effekten die folgenden Effekte auf. Das heißt, da der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 besteht, von anderen Bereichen durch die seitliche diskrete isolierende Schicht 9 sowie von dem n-Typ-Silizium-Substrat 1 durch die p-Wanne 11 getrennt ist, kann selbst dann, wenn eine große Anzahl quantisierten Bereiche auf dem Silizium-Substrat ausgebildet ist, Lichtemission einzeln in jedem der quantisierten Bereiche erzeugt werden. Des weiteren können, da der p-n-Übergang in jeder Halbleiter-Mikronadel 2 ausgebildet ist, Träger wirkungsvoll in jede Halbleiter-Mikronadel 2 injiziert werden, so daß eine optische Halbleiter-Einrichtung mit ausgezeichnetem Emissionwirkungsgrad entsteht.
Im folgenden wird eine fünfte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 16 ist eine Schnittansicht dieser optischen Halbleiter-Vorrichtung. Der Grundaufbau der fünften optischen Halbleiter-Vorrichtung entspricht im wesentlichen dem der obenbeschriebenen dritten Vorrichtung, die in der 14 dargestellt ist. Dementsprechend ist der quantisierte Bereich Rq, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 besteht, auf dem p-Typ-Silizium-Substrat 1 ausgebildet, und des weiteren sind die transparente Elektrode 4 über dem quantisierten Bereich Rqa, die diskrete isolierende Schicht 9, die den quantisierten Bereich Rqa gibt, sowie die seitliche Elektrode 10, die mit dem Silizium-Substrat 1 über die diskrete isolierende Schicht 9 verbunden ist, ausgebildet. Bei der vorliegenden Vorrichtung jedoch wird der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 besteht, nicht durch eine einschichtige Struktur gebildet, sondern durch eine Struktur, bei der linear streifenförmige quantisierte Bereiche 12a, die jeweils sowohl Halbleiter-Mikronadeln 2 als auch die isolierende Schicht 3, die den jede Halbleiter-Mikronadeln 2 umgebenden Raum ausfüllt, und linear streifenförmige diskrete Schich ten 13a, die jeweils aus einem Silizium-Dioxid bestehen, abwechselnd angeordnet sind. 17(a) ist eine schematische Draufsicht auf die linear streifenförmigen Strukturen, bei denen die linear streifenförmigen quantisierten Bereiche 12a (gepunktete Bereiche in der Zeichnung) und die linear streifenförmigen diskreten Schichten 13a (unausgefüllte Abschnitte in der Zeichnung) abwechselnd so in Abständen angeordnet sind, daß sie eine eindimensionale Fresnel-Linse bilden.
17(b) ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel für die linear streifenförmigen Strukturen zeigt, bei denen ringförmige quantisierte Bereiche 12b und ringförmige diskrete Schichten 13(b) abwechselnd so angeordnet sind, daß sie eine zweidimensionale Fresnel-Linse bilden.
Wenn eine Spannung in der Durchlaßrichtung zwischen der transparenten Elektrode 4 und der seitlichen Elektrode 10 angelegt wird, ist auch bei der vorliegenden Ausführung die Erzeugung sichtbarer Elektrolumineszenz bei Raumtemperatur zu verzeichnen.
Bei der so aufgebauten optischen Halbleiter-Vorrichtung wirkt, da die Bereiche 12a bzw. 12b und die diskreten Schichten 13a bzw. 13b abwechselnd angeordnet sind, der gesamte quantisierte Bereich Rqa als eine Fresnel-Linse. Dadurch ist eine zusätzliche lichtbündelnde Vorrichtung nicht erforderlich. Das heißt, wenn Lichtemission in dem quantisierten Bereich Rqa erzeugt wird, der die eindimensionale Fresnel-Linse bildet, die in 17(a) dargestellt ist, oder die zweidimensionale Fresnel-Linse, die in 17(b) dargestellt ist, wird Licht, das sich in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Silizium-Substrats 1 bewegt, auf eine Linie oder einen Punkt gebündelt, so daß Licht auf einen gewünschten Bereich gebündelt wird. Daher wird, wenn ein zusätzliches Lichtempfangselement in der Nähe des Brennpunktes angeordnet wird, das von der optischen Halbleiter-Vorrichtung emittierte Licht wirkungsvoll in das Lichtempfangselement gebündelt, so daß es möglich wird, in Signale bzw. Licht umgewandelte elektrische Energie über das Lichtempfangselement zu einer entfernten Position zu leiten. Wenn der quantisierte Bereich als Wellenlängen-Umwandlungselement oder Lichtempfangselement eingesetzt wird, ist es möglich, den gesamten quantisierten Bereich Rqa mit Licht von einer linearen optischen Quelle oder einer punktförmigen optischen Quelle zu bestrahlen.
Im folgenden wird eine sechste Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 18 zeigt den Querschnittsaufbau dieser optischen Halbleiter-Vorrichtung, der im wesentlichen dem Aufbau der fünften optischen Halbleiter-Vorrichtung entspricht, die in 15 dargestellt ist.
Das heißt, folgendes ist vorhanden: der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Silizium-Halbleiter-Mikronadeln 2, die jeweils den p-n-Übergang 2a aufweisen, und der isolierenden Schicht 3 besteht, die transparente Elektrode 4 über dem quantisierten Bereich Rqa, die p-Wanne 11, die das Fußende jeder der Halbleiter-Mikronadeln 2 in dem quantisierten Bereich Rqa aufnimmt und elektrisch gegenüber dem
n-Typ-Silizium-Substrat isoliert ist, die diskrete isolierende Schicht 9, die den quantisierten Bereich Rqa umgibt, und die seitliche Elektrode 10, die mit der p-Wanne 11 über die dielektrische isolierende Schicht 9 verbunden ist.
Beim Verfahren zum Herstellen des obenbeschriebenen quantisierten Bereiches Rqa der vorliegenden Ausführung wird die p-Wanne 11 in dem Silizium-Substrat 1 hergestellt, und anschließend wird der darüberliegende Bereich in einen n-Bereich verwandelt, woraufhin das Silizium-Substrat 1 geätzt wird, bis die p-Wanne 11 erreicht wird, wobei die erste bzw. die zweite Punktmaske verwendet wird, wie sie bei der ersten Vorrichtung eingesetzt wurde. Entsprechend dem Herstellungsverfahren wird der p-n-Über-gang 2a in jeder Halbleiter-Mikronadeln 2 hergestellt.
Bei der vorliegenden sechsten Ausführung sind zwei seitliche Elektroden 10 auf beiden Seiten des quantisierten Bereiches Rqa sowie eine Hochfrequenz-Energiequelle 14 angeordnet, die eine Hochfrequenz-Spannung an eine Schaltung 17 anlegt, die diese beiden seitlichen Elektroden 10 miteinander verbindet. Mit dem Kreis 18, der die Schaltung 17 und die transparente Elektrode 4 miteinander verbindet, sind in Reihe ein Schalter 15 zum Öffnen und Schließen des Kreises 18 sowie eine Gleichspannungsquelle 16 angeschlossen.
Im folgenden wird die Funktion des so aufgebauten Silizium-Lichtemissionselementes beschrieben.
Wenn eine Hochfrequenz-Elektroenergie an das Silizium-Kristall angelegt wird, werden, wie in 19 dargestellt, Elektronen in einem Kristallgitter aus Silizium (mit durchgehenden Kreisen gekennzeichnet) durch ein elektrisches Feld erregt, das sich mit den Hochfrequenzen ändert, so daß es sich in einem gewissen Maße periodisch bewegt. Bei der vorliegenden Vorrichtung sammeln sich die durch die Hochfrequenz-Elektroenergie erregten Elektronen in dem p-Typ-Silizium-Substrat 1, da die Hochfrequenz-Energiequelle 14 mit den beiden seitlichen Elektronen 10 verbunden ist, die in der dielektrischen isolierenden Schicht 9 in der Nähe der Halbleiter-Mikronadeln 2 ausgebildet sind. Die angesammelten Elektronen werden durch die Spannung, die in der Durchlaßrichtung über die transparente Elektrode angelegt wird, in alle Halbleiter-Mikronadeln in dem quantisierten Bereich eingeleitet, so daß eine große Menge an Elektronen über den p-n-Übergang 2a in jede Halbleiter-Mikronadel injiziert wird. Die Injektion erhöht die Lichtemissions-Intensität in dem quantisierten Bereich Rqa. An die transparente Elektrode 4 wird eine Spannung von 100 V angelegt. Auch in diesem Fall ist bei Raumtemperatur sichtbare Elektrolumineszenz zu verzeichnen.
Bei der vorliegenden sechsten Vorrichtung werden, wie oben beschrieben, die durch das Anlegen der Hochfrequenz-Elektroenergie an das p-Typ-Silizium-Substrat 1 erregten Elektroden in jede Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rq eingeleitet, so daß eine große Menge an Elektronen über den p-n-Übergang 2a injiziert wird. Dadurch wird intensive Lichtemission effektiv in dem quantisierten Bereich Rq selbst durch ein schwaches Signal, das der transparenten Elektrode 4 zugeführt wird, erzeugt.
Obwohl die beiden seitlichen Elektroden 10 auf beiden Seiten des quantisierten Bereiches Rqa bei der sechsten Ausführung ausgebildet sind, können drei oder mehr seitliche Elektroden 10, die dem quantisierten Bereich Rqa umgeben, ausgebildet sein, so daß ein rotierendes magnetisches Feld in dem quantisierten Bereich Rqa erzeugt werden kann, indem an die seitlichen Elektroden Hochfrequenz-Elektroenergie mit der gleichen Frequenz angelegt wird, wobei sich ihre Phase in ansteigender und absteigender Reihenfolge ändert. In diesem Fall läßt sich ein höherer Emissionswirkungsgrad erreichen.
Im folgenden wird eine siebente Halbleiterausführung beschrieben. 20 zeigt teilweise den Querschnittsaufbau der siebenten optischen Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführung sind der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleüer-Mikronadeln 2 besteht, und eine Photodiode, die aus einem p-Typ-Bereich 20a und einem n-Typ-Bereich 20b besteht, auf dem Silizium-Substrat 1 ausgebildet. Über der Photodiode 20 und dem quantisierten Bereich Rqa ist die transparente Elektrode 4 vorhanden, die gemeinsam genutzt wird. Des weiteren ist ein Steuerkreis 21 vorhanden, mit dem eine vorgegebene Spannung zwischen die transparente Elektrode und das Silizium-Substrat 1 angelegt wird. Das heißt, wenn ein optisches Signal Sgo0 in die Photodiode 20 eingegeben wird und eine konstante Vorspannung an die Photodiode 20 über den Treiberkreis 21 angelegt wird, wird eine elektromotorische Kraft in der Photodiode 20 erzeugt, so daß eine in der Photodiode 20 erzeugte elektro motorische Kraft durch den Treiberkreis 21 in eine Spannung, beispielsweise 15 V, umgewandelt wird, die anschließend an jede Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rqa angelegt wird. Dadurch emittiert jede Halbleiter-Mikronadel 2 Licht, das als zweites optisches Signal Sgo2 ausgegeben wird. In diesem Fall kann die Emissionswellenlänge verändert werden, indem die Herstellungsbedingungen jeder Halbleiter-Mikronadel 2 verändert werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 21(a) bis 21(c) das Verfahren zum Herstellen der optischen Halbleiter-Vorrichtung mit einem Aufbau beschrieben, der sich ergibt, indem die in 20 beschriebene Struktur leicht abgewandelt wird. Zunächst wird, wie in 21(a) dargestellt, der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 besteht, in einem vorgegebenen Abschnitt des Silizium-Substrats 1 aus Silizium hergestellt. Im Anschluß daran wird, wie in 21(b) dargestellt, ein n-Bereich 24 tief ausgebildet, indem As⁺-Ionen in das Silizium-Substrat 1 unter Verwendung der Photoresistmaske mit einer Öffnung injiziert werden, die in einem anderen Bereich als den obengenannten quantisierten Bereich Rqa ausgebildet ist, wobei anschließend ein n-Bereich 24b flach ausgebildet wird, indem B⁺-Ionen in das Silizium-Substrat 1 injiziert werden. Bei diesem Schritt wird aus dem Zwischenbereich, in dem kaum As⁺-Ionen oder B⁺-Ionen injiziert werden, ein eigenleitender Bereich 24d, so daß die Photodiode 24 mit einem sogenannten PIN-Aufbau entsteht, der aus dem p-Bereich 24, n-Bereich 24b und dem eigenleitenden Bereich 24c besteht. Die Photodiode 24 kann auch hergestellt werden, indem im voraus der Abschnitt des Silizium-Substrats, in dem die Photodiode 24 ausgebildet werden soll, tief eingegraben wird und anschließend die Bereiche 24a, 24c und 24b in dieser Reihenfolge epitaxial aufgewachsen werden. Anschließend wird, wie in 21(c) dargestellt, ein leitender Draht 26, der Licht überträgt (beispielsweise aus Au bestehend) auf dem Silizium-Substrat hergestellt, und dann wird der Treiberkreis 21 weiter ausgebildet.
Die in 21(c) dargestellte optische Halbleiter-Vorrichtung kann so aufgebaut sein, daß die Photodiode 24 das optische Signal Sgo0 bei einer bestimmten Wellenlänge empfängt, während das zweite optische Signal Sgo2 von jeder Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rqa ausgegeben wird. Die Wellenlänge des zweiten optischen Signals Sgo2 kann verändert werden, indem der Aufbau oder das Herstellungsverfahren verändert werden. Da eine derartige optische Halbleiter-Vorrichtung mit einem Verfahren für eine Silizium-Vorrichtung hergestellt werden kann, kann sie auf einem Mikrochip unter gebracht werden, wodurch sie für die optische Nachrichtenübertragung und dergleichen nutzbar wird.
Es ist auch möglich, eine Vorrichtung herzustellen, die mit Licht Informationen moduliert, die über einen Signalweg übertragen werden, indem eine Schaltung, die das zweite optische Signal Sgo2 in ein elektrisches Signal umwandelt, zu dem Aufbau der optischen Halbleiter-Vorrichtung hinzugefügt wird.
Im folgenden wird eine achte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben, bei der ein Spannungssensor unter Verwendung einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln hergestellt wird. 22 zeigt den Aufbau und das Funktionsprinzip des Spannungssensors. Das heißt, der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 besteht, und die transparente Elektrode 4 werden, wie in der Zeichnung dargestellt, auf dem Silizium-Substrat 1 hergestellt. In der optischen Halbleiter-Vorrichtung ist des weiteren der Treiberkreis 28 angeordnet, der über die transparente Elektrode 4 eine Spannung an den quantisierten Bereich Rqa anlegt.
In 22 sind drei Abwandlungen hinsichtlich der Form jeder Halbleiter-Mikronadel 2 in Reaktion auf eine Änderung der darauf wirkenden mechanischen Last dargestellt. Eine Variante zeigt die Halbleiter-Mikronadel 2, auf die keinerlei Last wirkt. Eine weitere Variante zeigt die Halbleiter-Mikronadel 2, auf die eine Druckkraft ausgeübt wird. Die andere Variante zeigt die Halbleiter-Mikronadel 2, auf die eine Zugkraft ausgeübt wird. Wenn eine elektrische Spannung an beide Enden der Halbleiter-Mikronadel 2 angelegt wird, kommt es, wie oben beschrieben, zu einer Bandlückenverbreiterung in der Halbleiter-Mikronadel 2 aufgrund des Quanteneffekts der Abmessung, so daß Elektrolumineszenz im sichtbaren Bereich zu beobachten ist. Es ist bekannt, daß der Betrag der Bandlücken-Verbreiterung ΔE umgekehrt proportional zum Durchmesser jeder Halbleiter-Mikronadel 2 ist. Wenn daher der Durchmesser d jeder Halbleiter-Mikronadel 2 in der Größenordnung von 10 nm durch eine von außen ausgeübte Kraft verändert wird, ändert sich auch die Emissionswellenlänge λ, die umgekehrt proportional zu 1/ΔE ist. Wenn beispielsweise, wie in 22 dargestellt, eine Druckkraft auf die Halbleiter-Mikronadel 2 ausgeübt wird, nimmt der Durchmesser d der Halbleiter-Mikronadel 2 entsprechend der Poisson-Konstante zu, wobei die Emissionswellenlänge λ in Richtung längerer Wellenlängen verschoben wird. Wenn hingegen eine Zugkraft auf die Halbleiter-Mikronadel 2 ausgeübt wird, wie dies in 22 dargestellt ist, nimmt der Durchmesser d der Halbleiter-Mikronadel 2 entsprechend der Poisson-Konstante ab, während die Emissions-Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen verschoben wird.
23(a) zeigt ein Beispiel des Aufbaus eines Lastsensors unter Verwendung einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln. Zusätzlich zu dem in 22(a) dargestellten Grundaufbau sind transparente Sonden 29a und 29b, die eine von außen wirkende Kraft auf jede Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rq übertragen, an der Ober- und der Unterseite des Silizium-Substrats 1 vorhanden. 23(b) zeigt das Emissionsspektrum des zweiten optischen Signals Sgo2, das von dem quantisierten Bereich Rqa ausgegeben wird, wobei die Mitten-Emissions-Wellenlänge von 630 nm in Reaktion auf Druck und Zug von weniger als 1 Pa um ungefähr 10 nm in Richtung kürzerer Wellenlängen bzw. in Richtung längerer Wellenlängen verschoben wurde. Es kann, wenn die Sonden 29a und 29b zum Erfassen einer auf ein Objekt wirkenden Last, an dem eine äußere Kraft erfaßt werden soll, um die Sonden 29a und 29b sowie die transparente Elektrode 4 als Lastübertragungseinrichtung zu verwenden, eine Last mit hoher Empfindlichkeit in ein optisches Signal umgewandelt werden.
Es ist, wie im folgenden beschrieben, auch möglich, das zweite optische Signal Sgo2 aus dem quantisierten Bereich Rqa mittels eines Lichtempfangselementes zu erfassen und es in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Im folgenden wird eine neunte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 24 zeigt den Gesamtaufbau der Halbleiter-Vorrichtung, die als leistungsfähiger Taschen-Computer eingesetzt werden kann. Auf einem Halbleiter-Chip sind vorhanden: eine zentrale Verarbeitungseinheit 51, die zu jedem Schaltkreis auf dem Halbleiter-Chip 50 gehörende Signale verarbeitet, ein Speicher 52, eine elektrische E/A-Schaltung 53, eine Lichtempfangseinheit 54, die ein optisches Signal über einen Bündlungsmechanismus empfängt, eine erste lichtemittierende Einheit, die ein optisches Signal ausgibt, eine zweite lichtemittierende Einheit 56, die ein Signal über Pixel auf dem Halbleiter-Chip 50 anzeigt, eine Schallwellensensor-Einheit 57 sowie eine Schallwellenausgabe-Einheit 58 zur Eingabe bzw. zur Ausgabe einer Schallwelle, eine Bildschirm-Treiberschaltung 59 für einen Bildschirm, der aus einem TFT-Flüssigkristall-Schirm besteht, sowie eine Spannungsquellen-Einheit 60, die ein optisches Signal von außen in ein elektrisches Signal umwandelt, so daß jeder Schaltung auf dem Halbleiter-Chip 50 das entsprechende elektrische Signal als Spannungsquelle zugeführt wird. Der Speicher 52, die elektrische E/A-Schaltung 53, die Licht empfangs-Einheit 54, die lichtemittierenden Einheiten 55 und 56, die Schallwellensensor-Einheit 57, die Schallwellenausgabe-Einheit 58 sowie die Bildschirm-Treiberschaltung 59 sind über Signalleitungen mit der zentralen Verarbeitungs-Einheit 51 verbunden.
In dieser Struktur der obenbeschriebenen Einheiten haben solche Einheiten wie die zentrale Verarbeitungseinheit 51, der Speicher 52, die elektrische E/A-Schaltung 53 einen MOS-Transistor-Aufbau, der dem bei dem herkömmlichen integrierten Schaltkreis aus Silizium gleicht. Die Lichtempfangs-Einheit 54 weist einen normalen Phototransistor-Aufbau auf.
Die erste lichtemittierende Einheit 55 und die zweite lichtemittierende Einheit 56 hingegen werden durch den quantisierten Bereich gebildet, der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht und dem bei der obenstehenden ersten Ausführung und dergleichen eingesetzten gleicht.
25(a) bis 25(d) zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln und dienen dem Verständnis der Erfindung. In jeder Ansicht sind die linken Ansichten Querschnittsansichten, während die rechten Ansichten Draufsichten sind. Die Lochmaske wird mit einem Verfahren hergestellt, das sich von dem erfindungsgemäßen Verfahren unterscheidet. Zunächst wird, wie in 25(a) dargestellt, eine Photoresistschicht Frs auf dem Silizium-Substrat 1 hergestellt. Danach trifft, wie in 25(b) dargestellt, F2-Vakuum-Ultraviolett-Laserlicht, das in zwei Strahlen geteilt wurde, schräg so auf, daß die beiden Strahlen einander überlappen. Anschließend wird der Interferenzstreifen belichtet, so daß er entwickelt wird. Nach der ersten Belichtung werden die Abschnitte der Photoresistschicht Frs, die den intensiv belichteten Abschnitten des Interferenzstreifens entsprechen, entfernt, so daß eine streifenförmige Maskenstruktur entsteht, wie sie rechts in 25(b) zu sehen ist. Das Silizium-Substrat 1 wird dann in der 25(b) dargestellten Position um 90° gedreht, wobei diese Zeichnung hier weggelassen ist, so daß dieselben beiden Laserlichtstrahlen darauf auftreffen und schließlich die erste Punktmaske gemäß 1 entsteht, die mehrere nm im Quadrat mißt. Da der Interferenzstreifen des Laserlichtes mit einem vorgegebenen Abstand ausgebildet wird, der durch die Wellenlänge und den Auftreffwinkel bestimmt wird, kann die Größe der Punktmaske Ms1 nach Wunsch reguliert werden. Im Anschluß daran wird, wie in 25(c) dargestellt, das Silizium-Substrat 1 unter Verwendung der ersten Punktmaske Ms1 bis in eine Tiefe von 0,5 bis mehrere μm geätzt und so die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln 2 herge stellt. Die Ätzbedingungen sind die gleichen, wie sie bei der ersten Ausführung eingesetzt werden. Anschließend wird nach dem Entfernen der Photoresistschicht Frs der Raum, der jede Halbleiter-Mikronadel 2 umgibt, mit der isolierenden Schicht 3 ausgefüllt, indem die seitlichen Abschnitte jeder Halbleiter-Mikronadel 2 thermischer Oxidation unterzogen werden, wobei anschließend die Oberfläche abgeflacht wird. Danach wird, wie in 25(d) dargestellt, die abgeflachte Oxidschicht auf den oberen Enden der Halbleiter-Mikronadeln 2 entfernt und anschließend die transparente Elektrode 4 über dem quantisierten Bereich Rqa hergestellt.
Die Herstellung der Punktmaske Ms1 durch das Strukturieren der Photoresistschicht Frs ist nicht auf die Ausbildung des Interferenzstreifens beschränkt. Es ist auch möglich, eine Vielzahl von Längs- und Quergräben in einer vorgetrockneten Photoresistmaske herzustellen, indem das Silizium-Substrat horizontal bewegt wird, wobei eine Sondennadel des Auslegers eines Atomkraftmikroskops (atomic force microscope) unter einem bestimmten Druck auf das Silizium-Substrat gedrückt wird, so daß die verbleibenden Punktabschnitte die Punktmaske bilden. Es ist bei der Herstellung der Punktmaske durch Strukturieren der Photoresistschicht auch möglich, den Oxidfilm auf dem Silizium-Substrat 1 herzustellen und anschließend den Oxidfilm unter Verwendung der ersten Punktmaske, die aus der Photoresistschicht besteht, in Punkte zu strukturieren, so daß sie als zweite Punktmaske beim Ätzen des Halbleiters dienen.
26 ist eine Draufsicht auf den Halbleiter-Chip 50, bei dem die zweite lichtemittierende Einheit 56 aus einer Vielzahl von quantisierten Bereichen Rqa (Ansammlungen von Halbleiter-Mikronadeln) besteht, die in einer Matrix angeordnet sind, auf dem Halbleiter-Chip 50 angeordnet ist. Das heißt, jeder der quantisierten Bereiche Rqa in der zweiten lichtemittierenden Einheit 56 wird in Reaktion auf ein Signal an- oder abgeschaltet, so daß eine bestimmte Struktur angezeigt wird, und so beispielsweise die Ergebnisse der Beurteilung der Fehlerhaftigkeit/Fehlerlosigkeit der Schaltkreise auf dem Halbleiter-Chip 50 angezeigt wird.
Des, weiteren wird das von der ersten lichtemittierenden Einheit 55 ausgegebene optische Signal über eine Lichtleitfaser nach außen übertragen. 27 zeigt den Querschnittsaufbau der ersten lichtemittierenden Einheit 55, bei dem die transparente Elektrode 4 über dem quantisierten Bereich Rq, der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht, angeordnet ist, und eine konvexe Linse 61, die als Lichtbündungs mechanismus dient, auf der transparenten Elektrode 4 angeordnet ist, wobei sich ein Filter zwischen ihnen befindet. Das zweite optische Signal Sgo2, das von der konvexen Linse 61 gebündelt wird, wird über die Lichtleitfaser (nicht dargestellt) nach außen ausgegeben. Das Filter 62 ist ein Bandpaßfilter, das hergestellt wird, indem eine Vielzahl transparenter dünner Schichten übereinander gestapelt werden, die jeweils einen unterschiedlichen Brechungsindex haben, so daß es zu vielfacher Interferenz kommt. Obwohl das Filter 62 nicht unbedingt vorhanden sein muß, kann das Filter, wenn das Signal über eine vergleichsweise lange Strecke übertragen werden muß, die Dämpfung des Signals unterdrücken, indem die Breite des optischen Bandes verringert wird, so daß das Filter vorzugsweise über dem quantisierten Bereich Rq der ersten lichtemittierenden Einheit 55 vorhanden ist. Durch das Vorhandensein des zusätzlichen Bündungsmechanismus, wie beispielsweise einer konvexen Linse, wird die Verbindung mit der optischen Lichtleitfaser, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Halbleiter-Chips 50 vorhanden ist, verbessert.
Die Bildschirm-Treiberschaltung 59 besteht aus einem normalen integrierten MOS-Schaltkreis, der bei einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung (LCD) eingesetzt wird, wenn eine Anzeigefunktion über eine große Fläche erforderlich ist.
In der Schallwellensensor-Einheit 57 ist eine dünne Membran 63, die an vier Punkten aufliegt, auf dem Halbleiter-Chip 50 ausgebildet, wie dies in 28(a) und 28(b) dargestellt ist, so daß eine Schallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei die Erscheinung genutzt wird, daß ein Betrag der Verschiebung der Membran 63, der durch die Schallwelle verursacht wird, proportional zur Änderung des Widerstandes einer Brücke ist (ein Piezowiderstandseffekt). Ein Piezowiderstandseffekt-Element ist als Lastsensor entwickelt worden, und diese Technik wird bei der vorliegenden Vorrichtung genutzt. Es ist auch möglich, eine Änderung der Kapazität zwischen der Elektrode und dem Substrat zu erfassen, wie dies beispielsweise mit einem Kondensator-Mikrophon gemacht wird.
Die obenerwähnte Schallwellenausgabe-Einheit 58, die eine Auslegermembran 64 umfaßt, wie dies in 29 dargestellt ist, ist so aufgebaut, daß die Membran 64 durch eine elektrostatische Kraft in Schwingung versetzt wird, die durch ein Schallsignal verursacht wird, so daß eine Schallwelle erzeugt wird. Es ist auch möglich, einen externen Lautsprecher mit niedriger Leistung mit einem Schallsignal anzusteuern, statt eine Einheit mit diesem Aufbau einzusetzen.
Bei der obengenannten Spannungsversorgungs-Einheit 60 handelt es sich um eine Schaltung, die Licht von außen in elektrische Energie umwandelt, so daß die entstehende elektrische Energie jedem Schaltkreis auf dem Halbleiter-Chip 50 zugeführt wird. Die Spannungsversorgungseinheit 60 besteht aus: einer Photodiode, die Licht empfängt und es in ein Stromsignal umwandelt, sowie einer Konstantspannungsschaltung, die das Stromsignal empfängt und eine Konstantspannung in der Größenordnung von 3 bis 5 V erzeugt (auf die zeichnerische Darstellung wurde verzichtet). Wenn die Spannungsquelle nicht mit Licht, sondern mit einer elektromagnetischen Welle, wie beispielsweise einer Millimeter-Welle oder einer Mikrowelle gespeist wird, kann statt dessen eine Erfassungsschaltung und eine Konstantspannungsschaltung, die aus einer Antenne und einer Diode bestehen, eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben, kann eine drahtlose Funktion der Halbleiter-Vorrichtung erzielt werden, indem ein Signal unter Verwendung von Licht eingegeben wird oder elektrische Energie unter Verwendung von Licht zugeführt wird. Des weiteren kann die Verzögerung eines Signals, die auf Stör-Impedanz zurückzuführen ist, auf ein Minimum verringert werden, indem keine Drähte zum Empfang von elektrischen Signalen oder elektrischer Energie genutzt werden. Da auf einem Chip viele Funktionen ausgeführt werden können, kann die obenbeschriebene Halbleiter-Vorrichtung erheblich zur Miniaturisierung eines tragbaren Computers und dergleichen beitragen. Da die vorliegende Halbleiter-Vorrichtung in der Lage ist, ein Signal unter Verwendung einer Schallwelle ein- und auszugeben, kann sie zur Entwicklung einer Mensch-Computer-Schnittstelle beitragen. Des weiteren ist beim Verfahren der Herstellung der Halbleiter-Vorrichtung ein Teil des Verdrahtungsschrittes nicht mehr erforderlich, so daß sich die Herstellungskosten verringern und eine höhere Produktionsausbeute erzielt wird. Weiterhin können, wenn eine Emissionsanzeigefunktion und eine Selbstprüffunktion in Kombination eingesetzt werden, fehlerhafte Erzeugnisse leicht durch die Anzeigefunktion ausgesondert werden, so daß sich die Kosten und die Zeit für das Prüfen verringern lassen.
Im folgenden wird eine zehnte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 30(a) bis 30(d) zeigen den Vorgang der Herstellung dieser optischen Halbleiter-Vorrichtung, bei der ein Lichtempfangselement und ein lichtemittierendes Element in einem integrierten Schaltkreis vereint sind. Zunächst wird, wie in 30(a) dargestellt, auf einem p-Typ-Silizium-Substrat 1 ein MOSFET 70 hergestellt, der aus folgenden Teilen besteht: einer n-Typ- Source 71, einem n-Typ-Drain 72, einem Gate-Oxidfilm 73, einer Gate-Elektrode 74 sowie einem Zwischenschicht-Isolierfilm 75. Im Anschluß daran wird, wie in 30(b) dargestellt, der quantisierte Bereich Rqa, der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht und als lichtemittierendes Element fungiert, mit einem oben beschriebenen Verfahren in dem Bereich mit einer Öffnung des Zwischenschicht-Isolierfilms 75 hergestellt, der an den Bereich angrenzt, in dem der obengenannte MOSFET 70 hergestellt werden soll. Anschließend wird, wie in 30(c) dargestellt, eine Isolierschicht 76 mit einer Öffnung hergestellt, die jedem quantisierten Bereich entspricht, wobei anschließend die transparente Elektrode 4, die aus einem ITO besteht, so ausgebildet wird, daß der quantisierte Bereich Rqa und ein Teil des obengenannten isolierenden Films 76 abgedeckt werden. Danach wird ein Metalleiter 77, der den Drain 72 elektrisch mit der transparenten Elektrode 4 verbindet, hergestellt. Anschließend wird, wie in 30(d) dargestellt, über dem Leiter 77 aus Metall, Polysilizium und dergleichen sowie über der transparenten Elektrode 4 ein Zwischensubstrat-Isolierfilm 78 mit einer Öffnung hergestellt, die dem quantisierten Bereich Rq entspricht, wobei anschließend Oberflächenabflachung ausgeführt wird.
Auf einem anderen Silizium-Substrat 1b hingegen wird eine Photodiode 79, die aus einem p-Bereich und einem n-Bereich besteht und als Lichtempfangselement wirkt, statt des quantisierten Bereiches Rqa in den in 30(a) bis 30(b) dargestellten Schritten hergestellt, obwohl sie nicht in der Zeichnung dargestellt ist. Auf der Photodiode 79 ist die transparente Elektrode 4 angeordnet, und des weiteren wird der Zwischensubstrat-Isolierfilm 78 mit einer der Photodiode entsprechenden Öffnung hergestellt.
31 zeigt den Querschnittsaufbau der optischen Halbleiter-Vorrichtung, bei dem die obengenannten zwei Silizium-Substrate 1a und 1b mit dem dazwischen befindlichen Zwischensubstrat-Isolierfilm 78 miteinander so verbunden sind, daß der quantisierte Bereich Rqa und die Photodiode 79 einander gegenüberliegen. Der Drain 72 des MOSFET 70, der als Ausgangselektrode der unteren Logikschaltung dient, ist mit dem quantisierten Bereich Rq, der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht, die jeweils eine Dicke von 0,1 μm haben, über die transparente Elektrode 4 verbunden. Wenn das elektrische Potential des Drain 72 als der Ausgangselektrode auf 2 V erhöht wird, wird das erste elektrische Signal Sge1 ausgegeben, so daß ein elektrisches Feld von ungefähr 0,2 MV/cm an jeder Halbleiter-Mikronadel in dem quantisierten Bereich Rqa angelegt wird. Beim Empfang des ersten elektrischen Signals Sge1 emittiert jede Halbleiter-Mikronadel Licht, so daß das zweite optische Signal Sgo2 aus dem quantisierten Bereich Rqa ausgegeben wird. Wenn das zweite optische Signal Sgo2, das von der transparenten Elektrode 4 übertragen wird, in die Photodiode 79 eingegeben wird, wird das dritte elektrische Signal Sge3 von der Photodiode 79 ausgegeben. Das dritte elektrische Signal Sge3 wird in den Drain des seitlichen MOSFET 70 über den Metalleiter 77 eingegeben. Die anschließende Signalverarbeitung wird auf die gleiche Weise wie bei einem normalen integrierten Schaltkreis ausgeführt.
So wird in die vorliegende optische Halbleiter-Vorrichtung eine zusammengesetzte Vorrichtung integriert, die eine optische Verarbeitungsfunktion aufweist, wobei ein Ausgangssignal von einem Lichtempfangselement, das in einem integrierten Schaltkreis ausgebildet ist, von einem elektrischen Signal in ein optisches Signal und anschließend wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Im folgenden wird eine elfte Halbleiter-Vorrichtung beschrieben. 32(a) bis 32(d) veranschaulichen das Verfahren zum Herstellen der optischen Halbleiter-Vorrichtung, die so aufgebaut ist, daß ein lichtemittierendes Element und ein Lichtempfangselement einander gegenüberliegen, wobei sich zwischen ihnen ein Graben befindet. Zunächst werden, wie in 32(a) dargestellt, der quantisierte Bereich Rqa, der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht und als lichtemittierendes Element dient, sowie die Photodiode 79, die aus einem p-Bereich und einem n-Bereich besteht und als Lichtempfangselement dient, in zwei aneinandergrenzenden Bereichen des Silizium-Substrats 1 hergestellt. Im Anschluß daran werden, wie in 32(b) dargestellt, der Zwischenschicht-Isolierfilm 75 sowie der Leiter 77 aus Polysilizium über dem quantisierten Bereich Rqa und der Photodiode 79 hergestellt. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, eine transparente Elektrode über dem quantisierten Bereich Rqa und Photodiode 79 herzustellen. Im Anschluß daran wird, wie in 32(c) dargestellt, der Bereich des Silizium-Substrats 1, der sich inzwischen den quantisierten Bereich Rqa und der Photodiode 79 befindet und der einen Teil des quantisierten Bereichs Rqa und einen Teil der Photodiode 79 einschließt, geätzt, so daß ein Graben 80 entsteht.
32(d) zeigt den Querschnittsaufbau der optischen Halbleiter-Vorrichtung, die fertiggestellt ist. Wie in der Zeichnung dargestellt, liegen ein Seitenabschnitt des quantisierten Bereichs Rqa, der als lichtemittierendes Element dient, und ein Seitenabschnitt der Photodiode 79, die als Lichtempfangselement dient, frei. Das heißt, der quantisierte Bereich Rqa und die Photodiode 79 sind in den Seitenwänden des Grabens 80 so ausgebildet, daß sie einander zugewandt sind. Da die isolierende Schicht 3, die aus einem transparenten Silizium-Dioxidfilm besteht, so ausgebildet ist, daß sie jede Halbleiter-Mikronadel 2 in dem quantisierten Bereich Rqa umgibt, ist, wie in 1 dargestellt, Lichtemission aus dem quantisierten Bereich Rqa auch von der Seite aus zu beobachten. Dadurch wird bei der vorliegenden Vorrichtung, wenn das erste elektrische Signal Sge1 in den quantisierten Bereich Rqa über den Leiter 77 eingegeben wird, das zweite optische Signal Sgo2 aus dem quantisierten Bereich Rqa ausgegeben, und weiterhin durch die Photodiode 79 in das dritte elektrische Signal Sge3 umgewandelt. Die Verbindung der beiden Substrate ist nicht ausdrücklich erforderlich, und dieselbe Funktion, wie sie mit der dreidimensionalen integrierten Schaltkreisstruktur der zehnten Vorrichtung erfüllt wird, kann mit einer zweidimensionalen integrierten Schaltung ausgeführt werden. Des weiteren kann, da die vorliegende Vorrichtung keinerlei Probleme aufweist, die mit der Ausrichtung in Verbindung stehen, eine zusammengesetzte Vorrichtung mit einer optischen Bearbeitungsfunktion ohne weiteres im Herstellungsprozeß ausgebildet werden.
Obwohl bei jeder der obengenannten Vorrichtungen ein Einkristall-Silizium-Substrat eingesetzt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungen beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise auch bei Einzelelement-Halbleitern, wie beispielsweise aus Germanium und bei II-V-Verbindungs-Halbleitern, wie beispielsweise aus GaAs, GaP, GaN und InP eingesetzt werden. Insbesondere dann, wenn die Halbleiter-Mikronadeln aus einem Material mit einer Bandstruktur von direktem Übergangstyp, wie beispielsweise Ga-As, bestehen, wird die Lichtemisssions-Intensität aufgrund der Quanteneffekte der Abmessung vorteilhaft erhöht und es läßt sich leicht Laserlicht mit ausgezeichneten Eigenschaften erzeugen. Des weiteren müssen die Halbleiter-Mikronadeln nicht unbedingt aus einem Einkristallmaterial bestehen. Es ist auch möglich, eine Solarbatterie oder dergleichen mit hohem Wirkungsgrad auf der Grundlage einer photoelektrischen Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad herzustellen, die beispielsweise unter Verwendung einer Ansammlung von amorphen Silizium-Mikronadeln ausgeführt werden kann.
Obwohl bei jeder der obenbeschriebenen Vorrichtungen die Ansammlung der Halbleiter-Mikronadeln 2 direkt auf dem Silizium-Substrat 1 ausgebildet wird, ist das vor liegende erfindungsgemäße Verfahren nicht darauf beschränkt. Es ist auch möglich, eine Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln auf dem Silizium-Substrat mit einer dazwischen befindlichen isolierenden Schicht herzustellen. Das heißt, es kann eine sogenannte SOI-Struktur hergestellt werden.

Claims

Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein Silizium-Substrat (1); einen quantisierten Bereich (Rga), der aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln (2) besteht, wobei sich jede der Mikronadeln (2) von der Oberfläche des Silizium-Substrats (1) bis in eine vorgegebene Tiefe erstreckt und einen Durchmesser hat, der klein genug ist, um Quanten-Größen-Effekte zu verursachen; eine obere Elektrode (4) über dem quantisierten Bereich (Rga), wobei die obere Elektrode (4) elektrisch mit dem oberen Ende jeder der Halbleiter-Mikronadeln (2) verbunden ist und der Abschnitt des Substrats (1), der mit dem unteren Ende jeder der Halbleiter-Mikronadeln (2) in Kontakt ist, eine untere Elektrode bildet; und eine Einrichtung (20, 24) zum Eingeben elektrischer Signale, die ein erstes, elektrisches Signal (Sge1) erzeugt, das eine vorgegebene Potentialdifferenz zwischen der oberen Elektrode (4) und der unteren Elektrode verursacht, wobei der quantisierte Bereich (Rga) so eingerichtet ist, dass er das erste, elektrische Signal (Sge1) empfängt und ein zweites, optisches Signal (Sgo2) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass: die Einrichtung (20, 24) zum Eingeben elektrischer Signale ein Lichtempfangselement ist, das Lichtstrahlung (Sgo0) empfängt und das erste, elektrische Signal (Sge1) erzeugt, wobei die Einrichtung (20, 24) zum Eingeben elektrischer Signale und der quantisierte Bereich (Rga) integral auf der gleichen Seite des Substrats (1) ausgebildet sind, und die obere Elektrode (4) transparent ist und über der Einrichtung zum Eingeben elektrischer Signale sowie über dem quantisierten Bereich vorhanden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine optische Erfassungseinrichtung (79), die das zweite, optische Signal (Sgo2) empfängt, das in dem quantisierten Bereich (Rga) erzeugt wird, und ein drittes, elektrisches Signal (Sge3) erzeugt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: der quantisierte Bereich (Rga) so eingerichtet ist, dass er das zweite, optische Signal (Sgo2) erzeugt, wenn der Spannungswert des ersten, elektrischen Signals (Sge1) einen vorgegebenen oder einen größeren Wert hat.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: die Lichtertassungseinrichtung (79) in einem anderen Abschnitt als dem quantisierten Bereich (Rga) des Silizium-Substrats (1) vorhanden ist und aus einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln besteht, wobei jede Mikronadel (2) einen Durchmesser hat, der klein genug ist, um die Quanten-Größen-Effekte zu verursachen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Graben (80) in dem Silizium-Substrat (1) ausgebildet ist und der quantisierte Bereich (Rga) sowie die Lichterfassungseinrichtung (79) so auf beiden Seiten des Grabens (80) angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine Spannungserzeugungseinrichtung (29a, 29b), die eine Spannung in jeder Halbleiter-Mikronadel (2) in dem quantisierten Bereich (Rga) erzeugt, wobei die Spannung in der axialen Richtung jeder Halbleiter-Mikronadel (2) wirkt, wobei der quantisierte Bereich (Rga) so eingerichtet ist, dass er das erste, elektrische Signal (Sge1) empfängt und das zweite, optische Signal (Sgo2) mit einer Wellenlänge erzeugt, die der Spannung in jeder Halbleiter-Mikronadel (2) entspricht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass: die Spannungserzeugungseinrichtung aus der oberen Elektrode (4) und einer Sonde (29a) besteht, die mit der oberen Elektrode (4) so verbunden ist, dass sie eine mechanische Kraft von außen überträgt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: sie des Weiteren eine Konzentrationseinrichtung (61) umfasst, die ein zweites, optisches Signal (Sgo2) konzentriert, das in dem quantisierten Bereich (Rga) erzeugt wird, wobei die Konzentrationseinrichtung (61) auf der oberen Elektrode (4) vorhanden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der quantisierte Bereich (Rga) in eine Vielzahl quantisierter Bereiche unterteilt ist, die so angeordnet sind, dass sie ein vorgegebenes planes Muster in dem Silizium-Substrat (1) bilden.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass: der quantisierte Bereich (Rga) in eine Vielzahl linearer streifenförmiger quantisierter Bereiche (12a) in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Silizium-Substrats unterteilt ist, die durch lineare streifenförmige diskrete Schichten (13a) getrennt und isoliert sind, die zwischen jeweils zwei benachbarten linearen streifenförmigen quantisierten Bereichen (12a) angeordnet sind, die linearen streifenförmigen quantisierten Bereiche (12a) und die linearen streifenförmigen diskreten Schichten (13a) abwechselnd so angeordnet sind, dass sie eine eindimensionale Fresnel-Linse bilden.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass: der quantisierte Bereich (Rga) in eine Vielzahl ringförmiger quantisierter Bereiche (12b) in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Silizium-Substrats (1) unterteilt ist, die durch ringförmige diskrete Schichten (13b) getrennt und isoliert sind, die zwischen jeweils zwei benachbarten ringförmigen quantisierten Bereichen (13a) angeordnet sind, wobei die ringförmigen quantisierten Bereiche (13a) und die ringförmigen diskreten Schichten (13b) abwechselnd so angeordnet sind, dass sie eine zweidimensionale Fresnel-Linse bilden.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine LSI, die mit einer zusätzlichen selbstprüfenden Schaltung versehen und auf dem Silizium-Substrat (1) angeordnet ist, und wobei der quantisierte Bereich (Rga) in der selbstprüfenden Schaltung der LSI vorhanden ist.
Halbleitervorrichtung einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: die Haltleiter-Mikronadeln (2) im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Silizium-Substrats (1) ausgebildet sind.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: die Halbleiter-Mikronadeln (2) diskret ausgebildet sind.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: eine isolierende Schicht (3), die an seitlichen Abschnitten jeder der Halbleiter-Mikronadeln (2) ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass: die isolierende Schicht (3) den Raum ausfüllt, der jede der Halbleiter-Mikronadeln (2) umgibt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass: die Halbleiter-Mikronadeln (2) und die isolierende Schicht (3) im Wesentlichen die gleiche Abmessung in der axialen Richtung der Halbleiter-Mikronadeln (2) haben; und die oberen Enden der Halbleiter-Mikronadeln (2) und der isolierenden Schicht (3) abgeflacht sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass: die isolierende Schicht (3) aus einem Oxid besteht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass: die isolierende Schicht (3) aus einem Nitrid besteht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass: die isolierende Schicht (3) aus zwei Schichten einer inneren Oxid-Schicht (3a; 3b), die jede Halbleiter-Mikronadel (2) umgibt, und einer äußeren Nitrid-Schicht über der inneren Oxid-Schicht besteht.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: eine diskrete isolierende Schicht (9), die den quantisierten Bereich (Rga) so umgibt, dass der quantisierte Bereich (Rga) seitlich gegenüber anderen Bereichen des Silizium-Substrats isoliert ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: einen isolierenden Film, der zwischen dem unteren Ende jeder Halbleiter-Mikronadel (2) in dem quantisierten Bereich (Rga) und dem Silizium-Substrat angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: jede der Halbleiter-Mikronadeln einen p-n-Übergang (2a) in ihrer axialen Richtung hat.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch: wenigstens eine seitliche Elektrode (10), die mit der unteren Elektrode des Silizium-Substrats (1) durch die diskrete isolierende Schicht (9) verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass: eine Vielzahl der seitlichen Elektroden (10) den quantisierten Bereich (Rga) umgebend vorhanden sind, wobei die Halbleitervorrichtung des Weiteren eine Einrich tung (14) zum Anlegen von elektrischem Strom mit Hochfrequenz umfasst, die elektrischen Strom mit Hochfrequenz an jede der seitlichen Elektroden (10) mit gleicher Frequenz, jedoch unterschiedlicher Phase anlegt.