JP2006269421A - 電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低消費電力、高密度、及び大規模のICの用途に適した電界発光ダイオードを実現する。
【解決手段】本発明の電界発光ダイオードは、下部電極102と上部電極108との間に蛍光体を含む蛍光体層106が設けられた構成であって、下部電極102は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部104を有するとともに、各微小突起は、pn接合の構造になっているので、低出力及び高密度化を実現することができ、大スケールのICの用途に適したものになる。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の電界発光ダイオードは、下部電極102と上部電極108との間に蛍光体を含む蛍光体層106が設けられた構成であって、下部電極102は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部104を有するとともに、各微小突起は、pn接合の構造になっているので、低出力及び高密度化を実現することができ、大スケールのICの用途に適したものになる。
【選択図】図1
Description
本発明は、電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法に関するものである。
半導体材料のバンドギャップが直接遷移型あるいは間接遷移型であるかに関わらず、半導体素子(デバイス:device)から発光させることが可能である。高電場の逆バイアスpn接合により、ホットキャリア群が生成される。このホットキャリアは、遊離光量子と再結合する。シリコン素子においては、発光効率が悪い事が知られており、光量子のエネルギーが約2eVであるものがほとんどである。電気エネルギーを可視光エネルギーへ変換することは、電界発光(EL)と呼ばれている。室温で、少ない電気信号で動作可能な効率的な電界発光素子が製造されてきている。しかしながら、これらの素子は、シリコンと相性が悪い材料(例えば、InGaN、AlGaAs、GaAsP、GaN、及びGaPといったIII−V族の材料)の上に加工される。これら材料のうち1つの基板上に設けられた電界発光素子は、使用される特定の材料に応じて、可視領域を含む狭波長帯域の光を効率的に出射することが可能である。さらに、ZnSeといったII−VI族の材料が使用されている。また、ZnSやZnOといった他のII−VI族の材料は、交流バイアス(ac bias)条件下で電界発光を示すことが知られている。これらの素子は、発光素子として利用するために、シリコン上に堆積可能である。ただし、これは特定(従来とは異なる)のCMOS工程が実行される場合に限られる。発光装置の他の分類としては、有機発光ダイオード(OLEDs)、ナノ結晶性シリコン(nc−Si)、及び重合体LEDが挙げられる。
通常、ダイオードは、電流の伝導が可変可能になっている半導体材料である。導電率を改善するために、不純物またはドーパントが半導体材料に添加されることが多い。発光ダイオード(LED)では、順方向バイアス状態下で、電子はnドープ領域からpドープ領域へと流れ、正孔と再結合する。この再結合の間に、電子はエネルギーを失い、そのエネルギーが光エネルギーに変換されて発光するか、または、弾性エネルギーに変換されて熱を発生させる。同様に、正孔は、pドープ領域からnドープ領域へと流れ、電子と再結合して、発光するか、または熱を発生させる。
接続手段として光学素子(発光素子及び光検出素子)が内蔵された大規模な集積回路においては、シリコンと相性が良く、直流電圧(dc voltage)により出力可能な、簡易でかつ効率的な発光素子が要望されている。シリコンベースの電界発光素子は、従来の金属処理と比較して、より迅速でありかつ信頼性がある、信号結合の手段を可能にする。大きなシステムオンチップ型(system-on-chip)の装置のチップ内配線(intra-chip connection)においては、光学手段による信号の経路設定(routing)が要望されている。チップ間通信(inter-chip communication)においては、導波路、または離間したシリコン部材間の光学的な結合により、チップ間の電気的接続がない状態での実装が可能になる。小型ディスプレイにおいては、可視光の小さな点光源を生成する方法により、簡単でかつ安価なディスプレイが形成可能になる。
J.Ruanらは、ナノシリコン超格子発光素子の構造を提案している。この発光素子は、ナノシリコン層/酸化物層の重層からなる。この照射中心(radiation center)は、Si=O結合になっている。
Polmanらは、ドーピングシリコンベースのエルビウム(Er)含有材料(Er密度が1019/cm2オーダーである)を提案している。このシリコンベースの材料は、純ケイ素(pure Si)、シリコン酸化物、ドープシリコン酸化物、またはガラスであってもよい。上述のEr密度は、Siに対するErの固体溶解度を増加させるために、酸化物との共ドープを必要とする。
しかしながら、上記従来の技術では、以下の問題を生じる。
具体的には、J.Ruanらにより提案された技術では、電子−正孔対(electron-hole pairs)を生成するために、高い交差極性を有する電圧パルスが必要になる。
また、Polmanらにより提案された技術では、Erの照射中心が発光するためには、高エネルギーの電子及び正孔を生成し、Erドープ材料へ注入させる必要がある。
低出力、高密度、及び大スケールのICの用途に適したシリコン電界発光ダイオードが製造されれば、好都合である。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低消費電力、高密度、及び大規模のICの用途に適した電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法を実現することにある。
本発明の電界発光ダイオードは、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードであって、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、pn接合の構造になっていることを特徴としている。
本発明の電界発光ダイオードは、ナノ突起ダイオード部に電界を発生させることにより発光する。それゆえ、大きな領域に電界を印加した場合と比較して、微小な領域に電圧を印加した場合の方が、同じ電圧でも高い電界強度を発生させることが可能になる。すなわち、上記の構成によれば、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、pn接合の構造になっているので、低い電圧で印加しても強い電界強度を得ることができ、低い消費電力でも効率よく発光させることができる。また、ナノ突起ダイオード部における微小突起の面積が小さいため、ICチップの限られた面積中に多数の微小突起を配置することが可能になり、高密度ICを実現することができる。
本発明の電界発光ダイオードでは、上記微小突起は、下部電極表面に形成されたpドープシリコンからなるpドープシリコン下端部と、上記pドープシリコン下端部に接続しており、n+ドープシリコンからなるn+ドープシリコン上端部とを備えていることが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードでは、上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなっていることが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードでは、上記蛍光体層には、エルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、及びテルビウム(Tb)の含む集団から選択された希土類元素がドープされていることが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードでは、上記上部電極は、インジウムすず酸化物(ITO)、オキシフッ化亜鉛、及び導電性プラスチックの含む集団から選択された材料からなっていることが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードアレイは、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードが複数配列された電界発光ダイオードアレイであって、上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられていることを特徴としている。
本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光素子の製造方法であって、上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がpn接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成することを特徴としている。
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、下部電極表面に、反応性イオンエッチングを施し、マスクとしての反応性イオンエッチング誘導ポリマーグラスを形成するマスク形成段階を含み、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングする一方、上記マスクに覆われている下部電極表面の領域にナノ突起ダイオード部を形成することが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、pドープシリコン下端部としてのpウェルを形成するpウェル形成段階と、pウェルを覆うように、n+ドープシリコン上端部としてのn+層を形成するn+層形成段階とを含み、上記マスク形成段階では、n+層に反応性イオンエッチングを施し、ポリマーグラスを形成することが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、マスクとしてのポリマーグラスに覆われていない上記n+層表面をエッチングし、pウェルを露出させることが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記マスク形成段階では、下部電極表面に、酸素と四フッ化炭素との混合ガスを導入し、高周波励振下で反応性イオンエッチングを施すことが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、六フッ化硫黄(SF6)ガスを用いて上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングし、オクタフルオロシクロブタン(C4F8)ガスを用いて、エッチングされた下部電極表面を安定化することが好ましい。
本発明の電界発光ダイオードは、以上のように、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、pn接合の構造になっている構成である。
また、本発明の電界発光ダイオードアレイは、以上のように、上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられている構成である。
また、本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、以上のように、上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がpn接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成する構成である。
それゆえ、低い電圧で印加しても強い電界強度を得ることができ、低い消費電力でも効率よく発光させることができる。また、ナノ突起ダイオード部における微小突起の面積が小さいため、ICチップの限られた面積中に多数の微小突起を配置することが可能になり、高密度ICを実現することができる。
概して集積回路(IC)作製に関するものであり、より具体的には、ナノ突起ダイオード部を使用して作製された電界発光素子に関するものである。
本発明の一実施形態について図1ないし図9に基づいて説明すると以下の通りである。
図1は、シリコン微小突起を有する電界発光(EL)ダイオードの部分断面図である。電界発光ダイオード100は、複数のナノメートルオーダーの微小突起からなるダイオード部(以下、ナノ突起ダイオード部と記す)104を有する下部電極(BE)102と、上記ナノ突起ダイオード部104を覆う蛍光体層106とを備えている。上部電極(TE)108は、蛍光体層106を覆うように形成されている。図示されているように、蛍光体層106は、平坦な上面110を有しており、この上面110は、ナノ突起ダイオード部の端部112と同一平面上になっている。すなわち、蛍光体層の上面110は、化学的機械的研磨(CMP)といった平坦化処理により形成されたものである。この平坦化処理では、堆積された蛍光体層の材料の一部を取り除き、ナノ突起ダイオード部の端部112のごく一部を含んだ状態にしている。
ここでいう「微小突起」とは、「ナノメートルオーダーの微小突起」のことを意味するものであり、一般的には「nanotip」として知られている。また、「ナノメートルオーダー」とは、ナノメートル単位で表すことが可能な寸法であり、具体的には、1ナノメートルから500ナノメートルまでの範囲にある寸法のことをいう。そして、この微小突起は、ある特定の物理的性質、形状、または寸法に限定されるものではない。微小突起は、ナノロッド、ナノチューブ、またはナノワイヤーとして知られているものであってもよい。また、ここでは示さないが、微小突起は、中空構造を形成していてもよい。さらに、ここでは示さないが、微小突起は、複数のチップ端から形成されていてもよい。微小突起104は、略鉛直、すなわち下部電極102の(水平)面に対し垂直に形成されている。しかしながら、微小突起の下部電極に対する配向(orientation)は、これに限定されるものではない。
図2は、完成前の製造工程における、図1の電界発光素子の部分断面図である。図2に示されるように、一時的な反応性イオンエッチング(RIE)用のポリマーグラスエッチングマスク200が、シリコン(Si)からなるn+層204を覆うように形成されている。n+層204は、pウェル206を覆うように形成されている。図1のナノ突起ダイオード部は、上記一時マスク(ポリマーグラスエッチングマスク200)のほぼ下にある領域に位置するようになっている。すなわち、各ナノ突起ダイオード部は、マスク200のスタンプ(stump)202の下になるように形成される。なお、上記製造工程のさらなる詳細については、後述する。
図3は、図1を詳細に示す部分断面図である。下部電極102は、シリコン(Si)の上面300を含むものである。各ナノ突起ダイオード部104は、シリコン(Si)からなるpドープ下端部302と、シリコン(Si)からなるn+上端部304とを含むものである。pドープ下端部302は、下部電極の上面300に接触して(attached)形成されており、n+上端部304は、pドープ下端部302に連結している。各ナノ突起ダイオード部104は、pn接合構造になっている。pドープ下端部302の長さ306は、2ナノメートル(nm)よりも大きくなっている。また、n+上端部304の長さは、10nmよりも大きくなっている。なお、図3では、pドープ下端部とn+上端部とがほぼ同じ長さになっているが、必ずしも同じである必要はない。
ナノ突起ダイオード部104は、基底幅(a base size)308を有している。基底幅308は、約50ナノメーター以下である。また、ナノ突起ダイオード部104は、突起高さ310を有している。この突起高さ310は、5nmから50nmまでの範囲内である。また、ナノ突起ダイオード部104は、1平方マイクロメートルあたり100(個)よりも多い密度となっている。すなわち、一般的に、下部電極102の1平方マイクロメートルの領域から成長しているナノ突起ダイオード部の数は、100よりも大きい。
再び図1に戻って、一形態として、蛍光体層106がシリコン酸化物(SiOx、ここでxは2未満)からなる蛍光体層である。例えば、SiOxからなる蛍光体層106は、シリコン過剰シリコン酸化物(SRSO)層である。他の一例としては、蛍光体層106は、希土類元素がドープされた絶縁体からなっている。ここで、希土類は、エルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、またはテルビウム(Tb)といった材料である。また、上記絶縁体は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物であってもよい。しかしながら、上記絶縁体の材料として、従来公知の他の絶縁体材料が使用されてもよい。なお、電界発光素子は、特定のSiOx蛍光体結晶またはドーピング限界に限定されるものではない。
上部電極108は、インジウムすず酸化物(ITO)、オキシフッ化亜鉛、または導電性プラスチックといった材料からなっていてもよい。しかしながら、上部電極108として、上記の材料以外のものを用いてもよい。
図4は、ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイ(配列)を示す部分断面図である。電界発光ダイオードアレイ400では、下部電極402は互いに隔離した複数の領域を有する。図4では隔離領域404a・404b・404nが示されている。しかしながら、電界発光ダイオードでは、この領域の数が、ある特定の数に限定されるものではない。隔離された各領域404(404a・404b・404n)は、複数のナノ突起ダイオード部406を備えている。(各ナノ突起ダイオード部の上に)蛍光体層の領域408が堆積されて、かつCMPにより平坦化されることで、蛍光体層の領域408が各ダイオード配列領域400を覆うようになる。また、上部電極410は、互いに隔離されて、各蛍光体層領域408を覆うように形成されている。
図1の電界発光素子は、電界発光ダイオードアレイ400における隔離された領域404の一例であるともいえる。また、具体的に図示してはいないが、各上部電極が独立した制御線と接続して、電界発光ダイオードアレイの各セクション(例えば、図4に示された電界発光ダイオードアレイ400a,400b,400n)が独立して、発光または非発光を切り換え可能になっていてもよい。この場合、電界発光ダイオードアレイ400は、従来のLEDアレイとして機能し得る。また、ここでは示していないが、他の一例としては、上記下部電極が複数のセクションに隔離され、ただ一つの上部電極が下部電極の全セクションに共通するように形成された構成が挙げられる。また、さらに他の一例としては、上記下部電極がnドープされたシリコンからなる一方、ナノ突起の上部分がp+ドープされたシリコンからなる構成であってもよい。
以下、本発明の電界発光素子の機能について説明する。
図5Aおよび図5Bは、ポリマーグラスマスクエッチング処理(polymer grass masked etch process)によって形成されたシリコンナノ突起の画像である。
図6ないし図8は、ナノ突起ダイオード部を備えた電界発光素子の製造方法の各工程を示す部分断面図である。
LED素子製造工程の第1の例としては、以下の工程1〜工程8が挙げられる。
工程1. ウエハ洗浄およびpウェル形成のための従来工程を行う。なお、pウェルのドーピング濃度は1016〜1018/cm3である。
工程2. リンイオン(またはヒ素イオン)をシリコン基板に注入する。なお、この際のエネルギーは、50keV(ヒ素イオンの場合100keV)から100keVまでである。
工程3. 酸素および四フッ化炭素の混合物を使用して、高周波励振(radio frequency excitation)下で上記シリコン基板をエッチングする。これによって上記シリコン基板上にポリマーが形成されることが知られている。この場合のポリマーは「グラス(grass)」と呼ばれることが多い。ポリマーを堆積させるための任意のエッチング用化学薬品が使用可能である。また、エッチングの時間は10秒〜5分であり、時間が短いほど小さなシリコンナノ突起が得られる。
工程4. 工程3にて堆積されたポリマーをマスクとして使用し、シリコン基板をエッチングする。そのマスクの化学的成分(chemistry)は、SF6およびC4F8となっている。エッチングの深さは、n+上部シリコン層よりも深くなる必要がある。一例としては、同量のpドープSiおよびn+シリコンが露出する(図6参照)。
工程5. 希土類元素(例えばエルビウム)がドープされた、SEOSといったシリコン酸化物を、化学気相成長(CVD)または回転塗布工程により堆積する。Erドープシリコン酸化物の代わりに、任意のErドープ絶縁体を使用することができる。Erのドーピング濃度は、1at%〜5at%である。
工程6. 600℃〜1200℃で、10分〜200分間熱アニールを行う。
工程7. CMPを施し、シリコンナノ突起の上部を露出させる(図7参照)。
工程8. 上部電極を堆積しエッチングする(図8参照)。
工程1. ウエハ洗浄およびpウェル形成のための従来工程を行う。なお、pウェルのドーピング濃度は1016〜1018/cm3である。
工程2. リンイオン(またはヒ素イオン)をシリコン基板に注入する。なお、この際のエネルギーは、50keV(ヒ素イオンの場合100keV)から100keVまでである。
工程3. 酸素および四フッ化炭素の混合物を使用して、高周波励振(radio frequency excitation)下で上記シリコン基板をエッチングする。これによって上記シリコン基板上にポリマーが形成されることが知られている。この場合のポリマーは「グラス(grass)」と呼ばれることが多い。ポリマーを堆積させるための任意のエッチング用化学薬品が使用可能である。また、エッチングの時間は10秒〜5分であり、時間が短いほど小さなシリコンナノ突起が得られる。
工程4. 工程3にて堆積されたポリマーをマスクとして使用し、シリコン基板をエッチングする。そのマスクの化学的成分(chemistry)は、SF6およびC4F8となっている。エッチングの深さは、n+上部シリコン層よりも深くなる必要がある。一例としては、同量のpドープSiおよびn+シリコンが露出する(図6参照)。
工程5. 希土類元素(例えばエルビウム)がドープされた、SEOSといったシリコン酸化物を、化学気相成長(CVD)または回転塗布工程により堆積する。Erドープシリコン酸化物の代わりに、任意のErドープ絶縁体を使用することができる。Erのドーピング濃度は、1at%〜5at%である。
工程6. 600℃〜1200℃で、10分〜200分間熱アニールを行う。
工程7. CMPを施し、シリコンナノ突起の上部を露出させる(図7参照)。
工程8. 上部電極を堆積しエッチングする(図8参照)。
工程6の間に、上記シリコンナノ突起の表面が酸化され、Erドープ酸化物からSiナノ突起へErが拡散される。シリコンに対するErの固溶度は比較的低い。それに関わらず、シリコンナノ突起におけるEr濃度は、酸化物におけるEr濃度とほぼ同じであり、約1at%〜5at%である。それゆえ、シリコンナノ突起ダイオード部は、Si=OおよびEr発光中心を有する。
LED素子製造工程の第2の例としては、以下の工程1〜工程7が挙げられる。なお、工程1〜4は、上記第一の例と同じである。
工程5. 上記ウエハを熱酸化し、1〜5nmの熱酸化物を成長させる。
工程6. シリコン酸化物を堆積させ、CMPを施しナノ突起ダイオード部の上部を露出させる。
工程7. 上部電極を堆積しエッチングする。
工程5. 上記ウエハを熱酸化し、1〜5nmの熱酸化物を成長させる。
工程6. シリコン酸化物を堆積させ、CMPを施しナノ突起ダイオード部の上部を露出させる。
工程7. 上部電極を堆積しエッチングする。
工程5または6の後にErまたは他の希土元素をナノ突起ダイオード部に注入することにより、ナノ突起ダイオード部の発光特性をさらに促進させてもよい。
第1の例で上記シリコンナノ突起の表面がエルビウムドープTEOSにより表面安定化処理される点を除いて、第1の例により形成される電界発光素子の構成は、第2の例に示されたものと類似している。上記シリコンナノ突起の表面は、ErドープTEOSの拡散源から融解したErによって濃密にドーピングされる。
図9は、シリコンナノ突起を有する電界発光ダイオードの製造方法を示すフローチャートである。なお、当該方法は、明瞭に示すために、番号が振られた工程の順番として示しているが、特に明示されていないかぎり、これらの番号から順番が推断されるものではない。いくつかの工程は、飛ばされたり、平行して行われたり、または、順番を厳密に維持するという条件を満たさずに行われても良いことを理解されたい。この方法のいくつかの詳細は、上記図1〜図8の説明内容から理解される。上記方法は、工程900から開始される。
工程902にて、複数のSiナノ突起ダイオード部を形成する。工程904では、ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する。工程906では、蛍光体層を覆うように上部電極を形成する。一例としては、ナノ突起ダイオード部を形成する工程902には、端部を有するナノ突起ダイオード部を形成する工程が含まれる。そして、上記蛍光体層を形成した後、工程905では、蛍光体層に化学的機械的研磨(CMP)を施し、ナノ突起ダイオード部の端部を露出させる。
変形例として、工程902では、基底幅が約50nm以下であり、チップ高さが50〜500nmであり、かつ、密度が1平方マイクロメートルあたり100(個)以上であるナノ突起ダイオード部を形成する。
ナノ突起ダイオード部を形成する工程902は、サブ工程を含んでいてもよい。サブ工程902aでは、RIE誘導ポリマーグラスを形成する前に、シリコンpウェルを形成する。サブ工程902bでは、シリコンpウェルを覆う、厚さ30〜300ナノメートル(nm)のシリコンn+層を以下の(i),(ii)のように形成する。
(i) 立方センチメートルあたり1×1016〜1×1018(/cm3)の濃度でSi基板のドーピングを行う。
(ii)20keVから100keVまでの範囲内のエネルギーで、リンやヒ素といったイオンを注入する。
より一般的には、工程902ではpn接合のナノ突起の構造を形成するともいえる。
(i) 立方センチメートルあたり1×1016〜1×1018(/cm3)の濃度でSi基板のドーピングを行う。
(ii)20keVから100keVまでの範囲内のエネルギーで、リンやヒ素といったイオンを注入する。
より一般的には、工程902ではpn接合のナノ突起の構造を形成するともいえる。
サブ工程902cでは、上記基板上面に反応性イオンエッチング(RIE)誘導ポリマーグラスを形成する。サブ工程902dでは、上記RIE誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、このマスクに覆われていない基板の領域をエッチングする。サブ工程902eでは、(予め)上記マスクに覆われていた基板の領域に、ナノ突起ダイオード部を形成する。
RIE誘導ポリマーグラスを形成するサブ工程902cに、酸素と四フッ化炭素との混合物を導入する工程、高周波(RF)を使用して該混合物を励振させる工程、およびシリコン基板を10秒〜5分間エッチングする工程が含まれていてもよい。
他の一例として、RIE誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し基板の領域をエッチングする工程(サブ工程902d)は、エッチング用にSF6を、表面安定化処理用にC4F8を使用する工程、n+層端部の露出部分をエッチングする工程、およびpウェルが下に配された領域(pウェルの上に配された領域)を露出する工程が含まれる。例えば、pウェルが下に配された領域を露光する工程は、pウェルを2nmよりも深くエッチングする工程を含んでいてもよい。本方法のいくつかの例においては、n+層とpウェルとの両方における全体的なエッチング深さは、ナノ突起の高さを規定するものである。
一形態においては、蛍光体層を形成する工程904は、シリコン酸化物(SiOx)からなる蛍光体層を形成する。このため、工程904は、サブ工程を含んでいてもよい。pウェルが下に配された領域を露出させた後、サブ工程904aにて、残存RIE誘導ポリマーグラスを取り除き、n+シリコン領域を露出させる。サブ工程904bでは、露出したn+シリコン領域およびpウェルシリコン領域を熱酸化する。サブ工程904cでは、1〜5nmのシリコン酸化物を成長させる。そして、サブ工程904dでは、熱成長させたシリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる。
別の形態では、蛍光体層を形成する工程904には、希土類元素がドープされた絶縁体の層を形成する工程を含む。なお、上記希土類元素は、Er、Yb、Ce、Pr、またはTbといった材料であり、上記絶縁体がシリコン酸化物またはシリコン窒化物といった材料である。
さらに別の形態では、蛍光体層を形成する工程は、代替的にサブ工程が含むものとなっている。サブ工程904dでは、希土類元素が1at%〜5at%の範囲内の濃度でドープされた絶縁体を堆積する。工程904eでは、600℃〜1200℃の範囲の温度で10〜200分間熱アニールを行う。
一形態において、工程906で上部電極を形成する工程は、インジウムすず酸化物(ITO)、オキシフッ化亜鉛、または導電性プラスチックといった材料から上部電極を形成する工程を含む。
上述した工程は、電界発光ダイオードアレイの製造に応用することができる。それゆえ、工程902では、隔離された領域を複数形成し、各領域に複数のナノ突起ダイオード部が含まれるようにする。そして、工程904では、各領域のナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層領域を形成する。工程906では、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する。
本発明は、Siナノ突起ダイオード部の構造を使用して製造された電界発光素子である。各ナノ突起は、シリコンpn接合であり、蛍光体層とともに、LEDを形成するために使用できる。すなわち、電界発光素子の製造工程は、(1)シリコン基板上でマイクロエッチングマスク(micro-etch mask)を成長させる工程と、(2)上記シリコン基板をエッチングで取り除き鋭利な突起(ナノ突起)の配列を形成する工程とを含むものである。
上記製造工程の第一段階では、洗浄されたシリコン基板は、酸素と四フッ化炭素との特定の混合物により、高周波(RF)励振下で反応性イオンエッチング(RIE)が施される。この工程により、フッ素ベースの化合物が、上記シリコン基板上に不規則に分布する切り株(stump)状に成長することになる。これらの切り株(以下、スタンプと記す)は、当業者には「RIEポリマーグラス(RIE polymer grass)」として知られている。これらのスタンプの寸法は、数百ナノメートルほどもなく、正確な値は処理時間およびガス組成によって異なる。処理時間が長くなり、スタンプが成長し隣接するスタンプと融合するにつれて、スタンプの気中濃度は減少する。これらのスタンプは、次の段階のためのマイクロエッチングマスクの構成要素となる。上記工程の第二段階では、上記基板(ここではマイクロエッチングマスクで覆われている)に反応性イオンエッチング(RIE)が施される。この第二段階は、表面安定化処理(passivation)と交互に起きる反応性イオンエッチングの周期(Bosch工程(Bosch process))からなるものである。エッチングのサブ工程で使用されるガスは、六フッ化硫黄(SF6)であってもよく、表面安定化処理のサブ工程で使用されるガスはオクタフルオロシクロブタン(C4F8)であってもよい。上記基板において、RIEグラス・スタブ(grass stub)の真下の部分はエッチングされない一方、スタブ間にある部分はエッチングされる。したがって、上記スタブおよび基板部分がエッチングで取り除かれた後、工程の最後に残った部分は、上記スタンプに覆われていた領域のシリコンスパイク(silicon spike)(ナノ突起)である。
したがって、本発明は、シリコンナノ突起を有する電界発光ダイオードを製造する方法を提供する。この方法には、複数のシリコンナノ突起ダイオード部を形成する工程、ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程と、蛍光体層を覆うように上部電極を形成する工程とが含まれる。
上記ナノ突起ダイオード部は、以下の工程により形成されている。すなわち、上面を有するシリコン基板を形成する工程、シリコンpウェルを形成する工程、上記Si Pウェルの上に重なる厚さ30〜300ナノメートル(nm)のシリコンn+層を形成する工程、上記基板上面の上に重なるRIE誘導ポリマーグラスを形成する工程、RIE誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、該マスクに覆われていない領域の基板をエッチングする工程、および、上記マスクに覆われた基板部分でナノ突起ダイオード部を形成する工程によって形成される。
一形態では、上記蛍光体層は、シリコン酸化物であり、以下のように:下にあるPウェル領域の露光の後、残ったRIE誘導ポリマーグラスを取り除き、n+シリコン領域を露出する工程、露出されたn+領域およびpウェルシリコン領域を熱酸化する工程、1〜5ナノメートル(nm)のシリコン酸化物を成長させる工程、および、熱成長された該シリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる工程によって形成される。別法としては、上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物のような材料である絶縁体を有する希土類元素添加絶縁体であり得る。
別の形態では、エルビウム(Er)のような希土類元素が上記Siナノチップ内に拡散される。上記ナノチップが形成された後、1〜5原子量パーセント(at%)希土類元素添加濃度を有する絶縁体が、蛍光体層として堆積される。その後、熱アニールが行われ、上記希土類元素を上記Siナノチップ内に拡散させる。
以上のことより、本発明は、以下のように言い換えることができる。
すなわち、本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、シリコン(Si)ナノ突起電界発光(EL)ダイオードを製造する方法であって、この方法が、複数のSiナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード形成工程と、上記Siナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、上記蛍光体層を覆うように上部電極を形成する上部電極形成工程と、を含む構成であるともいえる。
この構成において、上記ナノ突起ダイオード形成工程が、上記基板の上面を覆うように反応性イオンエッチング(RIE)誘導ポリマーグラス(RIE-induced polymer grass)を形成する工程と、上記RIE誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、マスクに覆われていない基板の領域をエッチングする工程と、上記マスクに覆われた基板の領域にナノ突起ダイオード部を形成する工程と、を含むことが好ましいといえる。
さらに、上記ナノ突起ダイオード形成工程が、上記RIE誘導のポリマーグラスを形成する前に、シリコンpウェルを形成するシリコンpウェル形成工程と、シリコンpウェルを覆うように、厚さ30〜300ナノメートル(nm)のシリコンn+層を形成するシリコンn+層形成工程とを含み、シリコンn+層形成工程が、立方センチメートルあたり1×1016〜1×1018(/cm3)の範囲内の濃度でシリコン基板のドーピングを行う工程と、20keV〜100keVの範囲内のエネルギーで、リンおよびヒ素を含むグループから選択されたイオンを注入する工程と、を含むことが好ましいといえる。
さらに、上記RIE誘導ポリマーグラスを形成する工程が、酸素と四フッ化炭素との混合物を導入する工程と、高周波(RF)を使用して上記混合物を励振させる工程と、上記シリコン基板を10秒〜5分間エッチングする工程と、を含むことが好ましいといえる。
さらに、上記RIE誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、マスクに覆われていない基板の領域をエッチングする工程が、SF6およびC4F8の化学薬品をエッチングに使用する工程と、上記n+層が露出された部分をエッチングする工程と、上記pウェルが下に配された領域を露出させる工程と、を含むことが好ましいといえる。
さらに、上記pウェルが下に配された領域を露出させる工程が、pウェル内を約2ナノメートル(nm)よりも深くエッチングする工程を含むことが好ましいといえる。
また、蛍光体層を形成する工程が、シリコン酸化物からなる蛍光体層を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、上記シリコン酸化物からなる蛍光層を形成する工程が、上記pウェルが下に配された領域を露出させた後、残存の上記RIE誘導ポリマーグラスを取り除き、n+シリコン領域を露出させる工程と、露出した上記n+シリコン領域および露出したpウェルシリコン領域を熱酸化する工程と、1〜5ナノメートル(nm)のシリコン酸化物を成長させる工程と、上記熱成長したシリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる工程と、を含むことが好ましいといえる。
また、上記ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、pn接合ナノチップ構造を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、上記蛍光体層を形成する工程は、希土類元素がドープされた絶縁体を形成する工程を含む、(ただし、上記希土類元素がエルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、およびテルビウム(Tb)を含むグループから選択されたものであり、上記絶縁体がシリコン酸化物およびシリコン窒化物を含むグループから選択された材料である)ことが好ましいといえる。
また、上記蛍光体層を形成する工程が、希土類元素が1at%〜5at%(原子量パーセント)の範囲内のドーピング濃度でドープされた絶縁体を堆積する工程と、600〜1200℃で10〜200分間熱アニールを行う工程と、を含むことが好ましいといえる。
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、端部を有するナノ突起ダイオード部を形成する工程を含み、さらに、上記蛍光体層を形成した後に、その蛍光体層に化学的機械的研磨(CMP)を施し、上記ナノ突起ダイオード部の端部を露出させる工程、を含むことが好ましいといえる。
また、上記上部電極を形成する工程が、インジウムすず酸化物(ITO)、オキシフッ化亜鉛(Zinc oxyfluoride)、および導電性プラスチックを含むグループから選択された材料から上部電極を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、基底幅が約50ナノメートル以下であるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、上記ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、チップ高さが50〜500nmであるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、密度が1平方マイクロメートルあたり100以上であるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、上記複数のSiナノ突起ダイオード部を形成する工程が、複数の隔離された領域を形成し、各領域に複数のナノ突起ダイオード部が含まれるようにする工程を含み、
また、上記ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程が、ナノ突起ダイオード部の各領域の各領域を覆う蛍光体層領域を形成する工程を含み、かつ、上記蛍光層を覆うように上部電極を形成する工程が、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する工程を含むことが好ましいといえる。
また、上記ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程が、ナノ突起ダイオード部の各領域の各領域を覆う蛍光体層領域を形成する工程を含み、かつ、上記蛍光層を覆うように上部電極を形成する工程が、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する工程を含むことが好ましいといえる。
本発明の電界発光ダイオードは、シリコンナノ突起を有する電界発光(EL)ダイオードであって、複数のナノ突起ダイオード部を有する下部電極と、上記ナノ突起ダイオード部を覆う蛍光層と、上記蛍光体層を覆う上部電極とを備えた構成であるともいえる。
また、本発明の電界発光ダイオードでは、一時的な反応性イオンエッチング(RIE)誘導ポリマーグラスエッチングマスク(RIE-induced polymer glass etch mask)をさらに備え、かつ、上記ナノ突起ダイオード部が、上記一時的なマスクの下に配されていることが好ましいといえる。
また、上記下部電極がシリコン(Si)の上面を含み、かつ各ナノ突起ダイオードが、上記下部電極の上面に接触したpドープシリコン下端部と、上記pドープシリコン下端部に接続されたn+シリコン上端部とを備えたことが好ましいといえる。
また、pドープシリコン下端部の長さが2ナノメートル(nm)よりも大きいことが好ましいといえる。
また、n+ドープシリコン上端部の長さが10nmよりも大きいことが好ましいといえる。
また、各ナノ突起ダイオード部が、pn接合構造であることが好ましいといえる。
また、上記蛍光体層が、シリコン酸化物からなる蛍光体層であることが好ましいといえる。
また、上記蛍光体層が、希土類元素がドープされた絶縁体からなっており、上記希土類元素がエルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、およびテルビウム(Tb)を含むグループから選択され、上記絶縁体がシリコン酸化物およびシリコン窒化物を含むグループから選択された材料であることが好ましいといえる。
また、上記上部電極が、インジウムすず酸化物(ITO)、オキシフッ化亜鉛、および導電性プラスチックを含むグループから選択された材料からなっていることが好ましいといえる。
また、上記ナノ突起ダイオード部の基底幅が、約50ナノメートル以下であることが好ましいといえる。
また、上記ナノ突起ダイオード部のチップ高さが、50〜500nmであることが好ましいといえる。
また、上記ナノ突起ダイオード部の密度が、1平方マイクロメートルあたり100よりも大きいことが好ましいといえる。
また、本発明の電界発光ダイオードアレイは、ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイであって、複数の隔離された領域を有し、各領域が複数のナノ突起ダイオードを備えた下部電極と、ダイオードアレイの各領域を覆う蛍光体層領域と、各蛍光体層領域を覆うように、隔離されて形成された上部電極とを備えた構成であるともいえる。
本発明においては、ナノ突起ダイオード部を備えた電界発光素子およびその製造方法が提供された。本発明を説明しやすくするために特定の材料および製造方法の詳細が例として示されているが、本発明は、あくまでもこれらの例に限定されるものではなく、他の変形および形態が当業者によってなされるであろう。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明においては、低い電圧供給により高い電界を発生させる低出力の電界発光ダイオードを実現できるので、集積回路に適したものになる。それゆえ、本発明は、集積回路に関連する半導体産業に適用できる。
100 電界発光ダイオード
102 下部電極
104 ナノ突起ダイオード部
106 蛍光体層
108 上部電極
902 工程(ナノ突起ダイオード部形成工程)
902a サブ工程(pウェル形成段階)
902b サブ工程(n+層形成段階)
902c サブ工程(マスク形成段階)
102 下部電極
104 ナノ突起ダイオード部
106 蛍光体層
108 上部電極
902 工程(ナノ突起ダイオード部形成工程)
902a サブ工程(pウェル形成段階)
902b サブ工程(n+層形成段階)
902c サブ工程(マスク形成段階)
Claims (12)
- 下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードであって、
上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、
各微小突起は、pn接合の構造になっていることを特徴とする電界発光ダイオード。 - 上記微小突起は、
下部電極表面に形成されたpドープシリコンからなるpドープシリコン下端部と、
上記pドープシリコン下端部に接続しており、n+ドープシリコンからなるn+ドープシリコン上端部とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の電界発光ダイオード。 - 上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなっていることを特徴とする請求項1または2に記載の電界発光ダイオード。
- 上記蛍光体層には、エルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、及びテルビウム(Tb)の含む集団から選択された希土類元素がドープされていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電界発光ダイオード。
- 上記上部電極は、インジウムすず酸化物(ITO)、オキシフッ化亜鉛、及び導電性プラスチックの含む集団から選択された材料からなっていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の電界発光ダイオード。
- 下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードが複数配列された電界発光ダイオードアレイであって、
上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、
蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられていることを特徴とする電界発光ダイオードアレイ。 - 下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光素子の製造方法であって、
上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、
ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がpn接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成することを特徴とする電界発光ダイオードの製造方法。 - 上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、下部電極表面に、反応性イオンエッチングを施し、マスクとしての反応性イオンエッチング誘導ポリマーグラスを形成するマスク形成段階を含み、
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングする一方、上記マスクに覆われている下部電極表面の領域にナノ突起ダイオード部を形成することを特徴とする請求項7に記載の電界発光ダイオードの製造方法。 - 上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、
pドープシリコン下端部としてのpウェルを形成するpウェル形成段階と、
pウェルを覆うように、n+ドープシリコン上端部としてのn+層を形成するn+層形成段階とを含み、
上記マスク形成段階では、n+層に反応性イオンエッチングを施し、ポリマーグラスを形成することを特徴とする請求項8に記載の電界発光ダイオードの製造方法。 - 上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、マスクとしてのポリマーグラスに覆われていない上記n+層表面をエッチングし、pウェルを露出させることを特徴とする請求項9に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
- 上記マスク形成段階では、下部電極表面に、酸素と四フッ化炭素との混合ガスを導入し、高周波励振下で反応性イオンエッチングを施すことを特徴とする請求項8〜10の何れか1項に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
- 上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、六フッ化硫黄(SF6)ガスを用いて上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングし、オクタフルオロシクロブタン(C4F8)ガスを用いて、エッチングされた下部電極表面を安定化することを特徴とする請求項8〜11の何れか1項に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
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DE69323884T2 (de) * | 1993-10-20 | 1999-07-22 | Cons Ric Microelettronica | Elektrolumineszente Festkörpervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung |
US6218771B1 (en) * | 1998-06-26 | 2001-04-17 | University Of Houston | Group III nitride field emitters |
US6579735B1 (en) * | 2001-12-03 | 2003-06-17 | Xerox Corporation | Method for fabricating GaN field emitter arrays |
US6960528B2 (en) * | 2002-09-20 | 2005-11-01 | Academia Sinica | Method of forming a nanotip array in a substrate by forming masks on portions of the substrate and etching the unmasked portions |
US20060181197A1 (en) * | 2004-07-01 | 2006-08-17 | Kumio Nago | Electroluminescent device and display |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008098146A (ja) * | 2006-10-16 | 2008-04-24 | Sharp Corp | テルビウムがドープされ且つシリコンリッチな酸化物を有するエレクトロルミネセンス素子およびその製造方法 |
JP2012252965A (ja) * | 2011-06-06 | 2012-12-20 | Research Institute Of Nanophotonics | エレクトロルミネッセンス素子の発光制御器及び方法 |
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