-
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 Quanteneffekte 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.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus EP-A-0544408
bekannt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen einer Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln zu schaffen, die
erhebliche Quanteneffekte der Abmessung erzeugt.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 erfüllt.
-
Mit
dem obenbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise
die folgenden Halbleiter-Vorrichtungen hergestellt werden.
-
Wenn
eine Struktur, bei der eine große
Anzahl an Halbleiter-Mikronadeln angeordnet ist, statt einer porösen Struktur
eingesetzt wird, werden die Durchmesser der Halbleiter-Mikronadeln
einheitlich. Daher ist es vorteilhaft, einen quantisierten Bereich zur
Ausführung
intensiver Lichtemission mit einer schmalen Wellenlängenverteilung,
wie beispielsweise Elektrolumineszenz oder Photolumineszenz und Umwandlung
optischer Signale in elektrische Signale, zu schaffen.
-
Es
kann eine hochentwickelte Informations-Verarbeitungsfunktion ermöglicht werden,
indem eine Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln mit verschiedenen
Signalumwandlungsfunktionen in ein integriertes Schaltkreissystem
einbezogen wird.
-
Eine
Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln kann im Grundaufbau eine große Anzahl
von Halbleiter-Mikronadeln umfassen, die in einem Substrat nebeneinander
angeordnet sind, wobei jede der Halbleiter-Mikronadeln einen Durchmesser
hat, der so 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 ausgebildet wird, indem die
Photolumineszenz und die Elektrolu mineszenz, die auf die Quanteneffekte
der Abmessung jeder Halbleiter-Mikronadel zurückzuführen ist, Änderungen der elektrischen
Eigenschaften, die durch Bestrahlung mit Licht bewirkt werden, und
dergleichen genutzt werden. In diesem Fall wird der quantisierte Bereich
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.
-
Eine
Halbleiter-Vorrichtung kann als Grundstruktur umfassen: 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.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach
Anspruch 2 kann die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln gebildet
werden, die bemerkenswerte Quantengrößeneffekte ausübt.
-
In
dem Schritt eines Bildens der vorstehenden Punktmaske ist es möglich, eine
große
Anzahl von Körnern
niederzuschlagen, wobei jedes einen Durchmesser ausreichend klein
besitzt, um die Quantengrößeneffekte
des vorstehenden Halbleiters, direkt auf dem vorstehenden Siliziumsubstrat, zu
bewirken, so dass die Körner
die Punktmaske bilden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
nach Anspruch 2 kann die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln,
die in der Struktur unterschiedlich gegenüber dem herkömmlichen,
porösen Halbleiter
ist, einfach gebildet werden. Es ist auch, in dem Schritt eines
Bildens der vorstehenden Punktmaske, möglich, einen Fotoresistfilm
auf dem vorstehenden Siliziumsubstrat zu bilden und dann mechanisch
einen Teil des vorstehenden Fotoresistfilms mittels einer Sondennadel
eines Arms eines Rasterkraftmikroskops zu entfernen, so dass die
Punktbereiche verbleiben und die verbleibenden Bereiche des Fotoresistfilms
die vorstehende Punktmaske bilden. Es ist auch möglich, einen Fotoresist auf
dem vorstehenden Siliziumsubstrat aufzubringen und dann den vorstehenden
Fotoresistfilm so zu mustern, dass die Punktmatrix-Musterbereiche,
die sich aus der Interferenz von Licht ergeben, verbleiben und dass
die vorstehenden, verbleibenden Bereiche des Fotoresistfilms die
vorstehende Punktmaske bilden.
-
In
dem Schritt eines Bildens der vorstehenden Punktmaske ist es möglich, einen
isolierenden Film auf dem vorstehenden Siliziumsubstrat zu bilden
und weiterhin eine vorpunktierte Maske zum Abdecken einer großen Zahl
sehr kleiner Punktbereiche auf dem vorstehenden, isolierenden Film
zu bilden, so dass der vorstehende, isolierende Film unter Verwendung
der vorpunktierten Maske gemustert ist und dass die verbleibenden
Bereiche des isolierenden Films die vorstehende Punktmaske bilden.
-
Als
die vorstehenden Körner
ist es möglich, Körner eines
Halbleitermaterials, Metallkeime, die als Kerne für das Wachstum
der Körner
eines Halbleitermaterials dienen, zu verwenden.
-
Nach
der Bildung der vorstehenden Körner ist
es möglich,
den Schritt eines Glühens
der vorstehenden Körner
mindestens einmal durchzuführen, um
so die Grenzfläche
nach der Bildung der vorstehenden Körner zu verringern. Mit dem
Temper- bzw. Anlassschritt zeigt jedes der sich ergebenden, granularen
Materialien eine ausgezeichnete Anordnung näher zu einer Sphäre.
-
Weiterhin
ist es auch, beim Bilden des vorstehenden, quantisierten Bereichs,
möglich,
den Schritt eines Bildens einer isolierenden Schicht durchzuführen, um
so jede der vorstehenden Halbleiter-Mikronadeln zu umgeben. Gemäß dem Verfahren ist
es möglich
zu verhindern, dass eine Störstelle
in jede Halbleiter-Mikronadel eindringt, ebenso wie eine Abgabe
der Störstelle
aus der Halbleiter-Mikronadel heraus, zu verhindern.
-
Der
Schritt eines Bildens der vorstehenden, isolierenden Schicht wird
vorzugsweise durch Auffüllen
des Raums, der jede der vorstehenden Halbleiter-Mikronadeln umgibt,
mit der isolierenden Schicht vorgenommen. Der Schritt eines Bildens
des vorstehenden, iso lierenden Films kann auch durch CVD oder durch
thermisches Oxidieren der Oberflächen der
Halbleiter-Mikronadeln durchgeführt
werden.
-
Eine
obere Elektrode, elektrisch verbunden mit jeder Halbleiter-Mikronadel über die
oberen Enden der vorstehenden Halbleiter-Mikronadeln, kann gebildet
werden.
-
Gemäß dem Verfahren
kann eine Halbleitervorrichtung mit der fortschrittlichen Informationsverarbeitungsfunktion,
wie sie vorstehend beschrieben ist, einfach hergestellt werden.
-
Es
ist möglich,
weiterhin den Schritt eines Bildens eines p-n-Übergangs in dem vorstehenden Siliziumsubstrat
vorzusehen und, in dem vorstehenden Schritt eines Bildens einer
Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln, die Halbleiter-Mikronadeln unter
Vornahme eines Ätzens
bis zu einem Punkt mindestens niedriger als der vorstehende p-n-Übergang
zu bilden. Gemäß dem Verfahren
wird ein p-n-Übergang
in jeder Halbleiter-Mikronadel gebildet, um dadurch die Quantengrößeneffekte
zu verstärken.
-
Es
ist auch möglich,
den Schritt eines Bildens einer diskreten, isolierenden Schicht
durchzuführen,
die die vorstehende Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln umgibt,
so dass die Ansammlung von Halbleiter-Mikronadeln seitlich von anderen
Bereichen isoliert ist. In diesem Fall ist es bevorzugt, weiterhin
den Schritt eines Bildens mindestens einer seitlichen Elektrode,
die mit dem Siliziumsubstrat über
die vorstehende, diskrete, isolierende Schicht verbunden wird, durchzuführen. Gemäß diesem
Verfahren ist es auch möglich,
ein elektrisches Signal von der lateralen Seite des quantisierten
Bereichs einzugeben und zu erhalten.
-
1 ist
eine Schnittansicht einer Halbleiter-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird;
-
2(a) bis 2(e) sind
Schnittansichten, die die Veränderung
der Struktur einer ersten Halbleiter-Vorrichtung während des
Vorgangs ihrer Herstellung zeigen, gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
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 dem Verständnis der Erfindung dienen und
den Aufbau 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
quantisieren 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, gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
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
bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
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;
-
15 ist
eine Schnittansicht einer vierten Halbleiter-Vorrichtung;
-
16 ist
eine Schnittansicht einer fünften Halbleiter-Vorrichtung;
-
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;
-
18 ist
eine Schnittansicht einer sechsten Halbleiter-Vorrichtung;
-
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;
-
21(a) bis 21(c) sind
Schnittansichten, die die Veränderung
der Struktur der siebenten Halbleiter-Vorrichtung während des
Vorgangs ihrer Herstellung 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;
-
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;
-
31 ist
eine Schnittansicht der zehnten Halbleiter-Vorrichtung;
-
32(a) bis 32(d) sind
Schnittansichten, die die Veränderung
der Struktur einer elften Halbleiter-Vorrichtung während des
Vorgangs ihrer Herstellung zeigen;
-
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 jeder 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, um
das Verständnis
der Erfindung zu erleichtern, 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 CI2/02 = 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 obenbeschriebenen 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 be steht
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
gemäß der Erfindung.
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
Effekte 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 Körnchen durchmesser
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.
-
Im
folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben. 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 be trägt 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 Span nung 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 quantisierte 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-Mikro nadeln 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 quantisierter 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 Schichten 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 quantisieren
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 herge stellt,
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 ein geleitet, 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.
Bei der vorliegenden Ausführung sind
der quantisierte Bereich Rqa, der aus der Ansammlung von Halbleiter-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 elektromotorische 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 untergebracht
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 Wellenlän gen 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 Sigale 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 Lichtempfangs-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 hergestellt.
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 Lichtbündungsmechanismus
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 Erfassungs schaltung 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 quan tisierte 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 vorliegende 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.