JP3582103B2 - Optical shutter and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、新規の光シャッター（光スイッチャー）及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光の透過率を変調する光シャッター（光スイッチャー）は、フラット・ディスプレーへの応用ばかりでなく、将来の光交換器への応用においても重要な光素子である。既に実用化されている液晶による光シャッターは、偏光光を用いているために、光源から射出される光量の一部分しか利用できないという問題がある。このため、液晶をフラット・ディスプレーへ応用した場合、フラット・ディスプレーの輝度が十分に確保できない。また、偏光光を用いるために、色調に角度依存性があるという問題もある。また、液晶を光交換器に応用した場合、スイッチング速度が満足すべきものではないという問題もある。
【０００３】
近年、量子波エレクトロニクスにおいて、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する極微細構造、即ち、所謂量子箱あるいは複数の量子箱の集合である量子箱集合素子が注目されており、この量子箱内に閉じ込められた０次元電子が示す量子効果に大きな関心がもたれている。量子箱集合素子においては、例えば、電子は隣接する量子箱間をトンネリングによって移動することができ、しかも、０次元的量子閉じ込めによって電子間クーロン相互作用の効果が顕著になる。
【０００４】
量子箱１つ当りに１つの電子が供給された場合、電子間クーロン相互作用によってモット転移（金属−絶縁体転移）が起こることが予言されている。即ち、１０ｎｍ程度の大きさを有する量子箱を５ｎｍ程度離して並べた量子箱集合素子を考える。このような系における量子箱間のトランスファーエネルギーは或る程度の値（例えば１０ｍｅＶ程度）となっており、電子の密度が低い領域では金属的伝導が生じる。しかしながら、電子密度が上昇して量子箱１つ当りに１つの電子の密度（ハーフフィールド）になると、電子間クーロン相互作用のために各電子は各量子箱に閉じ込められ、伝導できなくなる。この現象はモット絶縁体と呼ばれている。この状態は、ハバードギャップによって分離されたサブバンドの低エネルギー側に電子が詰め込まれた状態と考えることができる。一方、ハーフフィールドを越えた電子密度になると、ハバードギャップによって分離されたサブバンドの高エネルギー側に電子が詰まっていき、再び金属的伝導が可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような量子箱集合素子の応用分野の１つに光シャッター（光スイッチャー）が考えられる。即ち、量子箱集合素子内における電子あるいは正孔の移動を制御することによって量子箱集合素子の光透過率を変化させることで、光シャッターとしての機能を量子箱集合素子に付与することが可能である。
【０００６】
現在、複数の量子箱の集合体である量子箱集合素子は、主に化合物半導体材料から作製されている。この量子箱集合素子は、化合物半導体のヘテロ接合による電子閉じ込めを実現する系である。化合物半導体材料を用いる理由は、分子線エピタキシー技術あるいはＭＯＣＶＤ技術などの化合物半導体エピタキシャル成長技術の進歩によって、形成された化合物半導体層の結晶性や均質性が良好になってきただけでなく、シャープなヘテロ接合が形成できるようになってきたことに大きく依存している。これらの結晶成長技術は、化合物半導体材料から成る単結晶基板上に化合物半導体材料から成る結晶層を成長させることが前提となっている。
【０００７】
一般に、化合物半導体は直接遷移型半導体である。それ故、化合物半導体材料から成る基板や結晶層では光の吸収が発生する。従って、化合物半導体材料を用いた量子箱を光シャッターに応用した場合、光シャッターの光透過率が低下し、あるいは又、光の透過・遮断に対する制御性が悪いという問題を有する。
【０００８】
量子効果が顕著になる１０ｎｍ程度の大きさを有する孤立した量子箱は、従来、電子ビーム露光を用いて作製されている。例えば、Ｍ．Ｎ． Ｒｅｅｄｓ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ６０， ５３５ （１９８８） を参照のこと。また、電子ビーム露光に関しては、例えば、Ａ．Ｎ． Ｂｒｏｅｒｓ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ２９， ５９６ （１９７６） を参照のこと。然るに、従来の電子ビーム露光によるレジストパターン間隔の限界は、電子ビームの近接効果によって５０ｎｍ程度である。それ故、量子箱の間隔が５ｎｍ程度に近接した極めて集積度の高い量子箱集合素子を既存の技術で作製することは極めて困難である。
【０００９】
従って、本発明の目的は、ヘテロ接合を有していない量子箱を応用した、高い光透過率を有し応答性に優れた光シャッター及びその作製方法を提供することにある。また、本発明の目的は、広く用いられているＩＶ族元素系の半導体装置に集積することが可能な光シャッター及びその作製方法を提供することにある。更に、本発明の目的は、極めて高い集積度を有する複数の量子箱を備えて成る光シャッターの作製方法を提供することにある。本発明の目的は、更に加えて、諧調性を有する光シャッター及びその作製方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る光シャッターは、
（イ）光を透過する基体と、
（ロ）基体の表面上に形成された複数の量子箱と、
（ハ）量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、
（ニ）障壁層の上方に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、
（ホ）基体の裏面及び／又は絶縁層を介して２次元導電層上に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする。この光シャッターにおいては、障壁層と２次元導電層の間に、更に、層間絶縁層を形成することができる。
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る光シャッターは、
（イ）光を透過する基体と、
（ロ）基体の表面上に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、
（ハ）２次元導電層上に形成された層間絶縁層と、
（ニ）層間絶縁層の上に形成された複数の量子箱と、
（ホ）量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、
（ヘ）基体の裏面及び／又は障壁層上方に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする。
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明の第３の態様に係る光シャッターは、
（イ）光を透過する基体と、
（ロ）複数の量子箱と、これらの量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、この障壁層の上方に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、その上に形成された絶縁層とから成る光透過制御層が複数層積層されて成る、前記基体の表面上に形成された多層光透過制御層と、
（ハ）基体の裏面及び／又は最上部の光透過制御層の上に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする。この場合、障壁層と２次元導電層の間に、更に、層間絶縁層を形成することができる。
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明の第４の態様に係る光シャッターは、
（イ）光を透過する基体と、
（ロ）光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、この２次元導電層上に形成された層間絶縁層と、この層間絶縁層の上に形成された複数の量子箱と、これらの量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、この障壁層上に形成された絶縁層とから成る光透過制御層が複数層積層されて成る、前記基体の表面上に形成された多層光透過制御層と、
（ハ）基体の裏面及び／又は最上部の光透過制御層の上に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３及び第４の態様に係る光シャッターにおいては、光透過制御層に垂直な電場に対する各光透過制御層の応答が異なることが好ましい。この場合、
（Ａ）光透過制御層を構成する２次元導電層の厚さが、各光透過制御層において異なる態様
（Ｂ）光透過制御層を構成する量子箱の大きさが、各光透過制御層において異なる態様
（Ｃ）光透過制御層を構成する量子箱相互の間隔が、各光透過制御層において異なる態様
を含めることができる。更には、入射光の透過率を光透過制御層の層数だけ段階的に変調し得ることが好ましい。
【００１５】
本発明の第１乃至第４の態様に係る光シャッターにおいては、量子箱はＩＶ族元素の結晶粒から構成することができる。ＩＶ族元素としては、シリコンを挙げることができる。更に、障壁層は二酸化シリコンから成ることが望ましい。２次元導電層は、シリコン結晶粒から構成することができる。基体は透明材料から成ることが好ましい。
【００１６】
あるいは又、本発明の第３及び第４の態様に係る光シャッターにおいては、光透過制御層に垂直な電場に対する各光透過制御層の応答が異なることが好ましく、この場合、
（Ｄ）光透過制御層を構成する２次元導電層の材料が、各光透過制御層において異なる態様
（Ｅ）光透過制御層を構成する量子箱の材料が、各光透過制御層において異なる態様
を含めることができる。更には、入射光の透過率を光透過制御層の層数だけ段階的に変調し得ることが好ましい。
【００１７】
これらの本発明の第１乃至第４の態様に係る光シャッターにおいては、更には、量子箱あるいは２次元導電層は、１つの量子箱当りに１つの電子あるいは正孔を閉じ込め得るドーピング濃度を有することが好ましい。
【００１８】
あるいは又、本発明の光シャッターは、制御電極によって制御された金属−絶縁体転移を用いたことを特徴とする。
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る光シャッターの作製方法は、
（イ）基体の表面上に半導体原料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程と、
（ロ）障壁層の上方に半導体原料層を形成した後、この半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程と、
（ハ）基体の裏面及び／又は絶縁層を介して２次元導電層上に制御電極を形成する工程、
から成ることを特徴とする。工程（イ）の後、障壁層上に層間絶縁層を形成する工程を含めることができる。
【００２０】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る光シャッターの作製方法は、
（イ）基体の表面上に半導体原料層を形成した後、この半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程と、
（ロ）２次元導電層上に層間絶縁層を形成する工程と、
（ハ）層間絶縁層上に半導体原料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成して、酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程と、
（ニ）基体の裏面及び／又は障壁層上方に制御電極を形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第１の態様に係る光シャッターの作製方法においては、前記（ロ）の工程に引き続き、
（イ’）２次元導電層上に絶縁層を形成する工程と、
（ロ’）この絶縁層上に半導体原料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程と、
（ハ’）障壁層の上方に半導体原料層を形成した後、この半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程、
を所望回数繰り返す第３の態様を含めることができる。この場合、工程（ロ’）の後、障壁層上に層間絶縁層を形成する工程を含めることができる。
【００２２】
本発明の第２の態様に係る光シャッターの作製方法においては、前記（ハ）の工程に引き続き、
（イ’）量子箱の上に絶縁層を形成する工程と、
（ロ’）この絶縁層上に半導体原料層を形成した後、この半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程と、
（ハ’）２次元導電層上に層間絶縁層を形成する工程と、
（ニ’）この層間絶縁層上に半導体原料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成して、酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程、
を所望回数繰り返す第４の態様を含めることができる。
【００２３】
これらの第３及び第４の態様においては、光透過制御層に垂直な電場に対する各光透過制御層の応答を異ならせることが好ましい。そのために、
（ａ）光透過制御層を構成する２次元導電層の厚さを、各光透過制御層において異ならせる態様
（ｂ）光透過制御層を構成する量子箱の大きさを、各光透過制御層において異ならせる態様
（ｃ）光透過制御層を構成する量子箱相互の間隔を、各光透過制御層において異ならせる態様
を含めることができる。
【００２４】
これらの本発明の第１乃至第４の態様に係る光シャッターの作製方法においては、半導体原料層はＩＶ族元素から構成することができる。半導体原料層としてポリシリコンを挙げることができる。基体は熱処理に耐え得る透明な基板から成ることが望ましい。基体を構成する材料の融点は、半導体原料層を構成する材料の融点よりも高いことが望ましい。熱処理はレーザアニール処理とすることができる。
【００２５】
本発明の第３及び第４の態様に係る光シャッターの作製方法においては、光透過制御層に垂直な電場に対する各光透過制御層の応答を異ならせることが好ましく、そのために、
（ｄ）光透過制御層を構成する２次元導電層の材料を、各光透過制御層において異ならせる態様
（ｅ）光透過制御層を構成する量子箱の材料を、各光透過制御層において異ならせる態様
を含めることができる。
【００２６】
これらの本発明の第１乃至第４の態様に係る光シャッターの作製方法においては、量子箱を形成するための半導体原料層若しくは２次元導電層を形成するための半導体原料層に対して、１つの量子箱当りに１つの電子あるいは正孔を閉じ込め得る濃度のドーピングを行うことが好ましい。
【００２７】
尚、本発明の光シャッターは、光シャッター全体の光透過率を一律に制御する形式のものだけでなく、光シャッターを複数の領域に分割し、各領域毎に光透過率を制御する形式のもの、更には、光の透過率を光シャッターの領域毎に制御して文字や画像等を表示する表示装置として機能するものをも包含する。尚、本明細書における光シャッターという語には、光スイッチャーも包含される。
【００２８】
【作用】
本発明の光シャッターは、複数の量子箱と、その上方若しくは下方に形成された２次元導電層との間の電子あるいは正孔のトンネリングによる移動を制御電極によって形成された電場により制御する。電子あるいは正孔が２次元導電層に引かれた状態では、２次元導電層は金属的挙動を示し、２次元導電層中の自由電子等は入射光を反射、吸収する。即ち、光シャッターは光を遮断する。一方、電子あるいは正孔が量子箱内に捕捉された状態では電気伝導度の低下が最も大きく、従って、２次元導電層は絶縁体としての挙動を最も効果的に示し、光を透過する。
【００２９】
例えば、量子箱の間に形成されたバリアが十分に高いか、あるいは又、量子箱相互が十分に離間しており、量子箱は１つの量子箱に当り１つの電子を閉じ込め得るドーピング濃度を有する、即ち、モット絶縁体が形成されると想定する。この場合、エネルギーバンドで描けば、ナローバンドの極限を有する。一方、２次元導電層はワイドサブバンドを有する。この状態を、図７の（Ａ）に模式的に図示する。印加する電場強度を選ぶことで、図７の（Ａ）に示す状態を実現することができる。量子箱の方が２次元導電層より高エネルギー状態となっており、電子は２次元導電層に留まっており、ＸＹ方向での電子の伝導が可能である。即ち、光シャッターは光を遮断する。
【００３０】
電場を印加していくと、２次元導電層のフェルミエネルギーと量子箱の量子状態エネルギーが近づき（図７の（Ｂ）参照）、或る電場Ｅ０（転移電場）に達すると、２次元導電層内の電子が量子箱内に移る（図８参照）。この状態においては、量子箱はモット絶縁体として振る舞い、ＸＹ方向での電子の伝導は許されなくなる。即ち、光シャッターは光を透過する。尚、このような印加される電場強度と光シャッターの光透過率の関係を模式的に図９の（Ａ）に示す。
【００３１】
この転移電場Ｅ０の大きさは、２次元導電層の厚さ、２次元導電層を構成する材料の種類、量子箱の大きさ、量子箱相互の間隔、量子箱を構成する材料の種類によって、変化させ得る。例えば、２次元導電層の厚さが厚くなれば、無電界時のフェルミエネルギーが低くなり、より大きな電場を印加しなければモット転移は生じない。量子箱の大きさが小さければ、量子箱の量子状態エネルギーが大きくなり、この場合にも、より高電場を印加する必要がある。量子箱相互の間隔が広くなれば、シャープなモット転移が見られなくなる。
【００３２】
量子箱や２次元導電層をＩＶ族元素の結晶粒から構成すれば、化合物半導体材料から構成された量子箱と異なり、光シャッターが光を吸収することを抑制するができる。
【００３３】
また、光透過制御層が複数層積層されて成る多層光透過制御層を光シャッターに設けることによって、光シャッターに印加される電場強度に応じて多層光透過制御層の光透過率を変化させることができ、これによって光シャッターに諧調性を付与することができる。
【００３４】
本発明の光シャッターは、制御電極によって制御された金属−絶縁体転移を用いているので、応答性に優れる。
【００３５】
本発明の光シャッターの作製方法においては、半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成する。この半導体結晶粒の大きさは、例えば半導体原料層の厚さに依存するので、半導体原料層の厚さを薄くすれば、非常に微細な半導体結晶粒を形成することができる。そして、半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成するので、薄い酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱が形成される。即ち、薄い酸化膜から成る障壁層を介して量子箱相互が非常に近接した微細な複数の量子箱から構成された光シャッターを作製することが可能になる。このような構成にすることによって、ヘテロ接合を形成することなく量子箱を作製することが可能になる。また、光透過制御層が複数層積層されて成る多層光透過制御層を形成することによって、光シャッターに印加される電場強度に応じて多層光透過制御層の光透過率を変化させることができ、これによって諧調性を有する光シャッターを作製することができる。
【００３６】
【実施例】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明の光シャッター及びその作製方法を説明する。
【００３７】
（実施例１）
実施例１は、本発明の第１の態様に係る光シャッター及び第１の態様に係る光シャッター作製方法に関する。尚、この光シャッターは、制御電極によって制御された金属−絶縁体転移を用いた光シャッターでもある。実施例１は、主に、複数の量子箱から成る層（以下、量子箱層とも呼ぶ）を１層有し、その上に２次元導電層を有する光シャッター及びその作製方法である。半導体原料層はポリシリコンから構成される。また、基体は熱処理に耐え得る材料であるガラスから構成される。更には、熱処理はレーザアニール処理である。
【００３８】
図１の（Ａ）に実施例１の光シャッターの模式的な一部断面図を示す。実施例１の光シャッターは、具体的には、（イ）ガラスから成る光を透過する基体１０と、（ロ）この基体１０の表面（おもてめん）上に形成された複数のシリコン微結晶粒から成る量子箱１８と、（ハ）これらの量子箱１８の間及び量子箱上に形成された二酸化シリコンから成る障壁層１６と、（ニ）障壁層１６の上に形成された光の透過・遮断を制御するためのシリコン微結晶粒から成る２次元導電層２４と、（ホ）基体１０の裏面及び絶縁層３０を介して２次元導電層２４上に形成された透明電極材料から成る制御電極３４，３２から構成されている。尚、実施例１においては、障壁層１６と２次元導電層２４の間に、更に、二酸化シリコンから成る層間絶縁層２０が形成されている。２次元導電層２４によって、例えば下部制御電極３４から光シャッターに入射した光の透過・遮断（遮光）が制御される。
【００３９】
実施例１の光シャッターの作製方法を、以下、図２及び図３を参照して説明する。
【００４０】
［工程−１００］
先ず、基体１０の表面上に半導体原料層１２を形成する。即ち、例えばＣＶＤ法にてポリシリコンから成る半導体原料層１２を、ガラスから成る基体１０の表面上に形成する（図２の（Ａ）参照）。半導体原料層１２の厚さが量子箱の大きさを規定することになるので、半導体原料層１２の厚さを、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍとする。実施例１においては、半導体原料層１２の厚さを１０ｎｍとした。最終的に形成される量子箱の大きさは２ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。また、半導体原料層１２には、１０１８／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３程度の濃度のドーパントを加えることが望ましい。これによって、量子箱１つ当りに電子あるいは正孔が１つ含まれることになる。
【００４１】
［工程−１１０］
次に、半導体原料層１２に熱処理を施して複数の半導体結晶粒１４を形成する。具体的には、半導体原料層１２にパルスレーザ光を照射する。パルスレーザ光としては、例えば、以下の諸元を有するものを使用することができる。
使用レーザ ： ＸｅＣｌエキシマレーザ
パルス幅 ： ３０ｎ秒
照射エネルギー ： １８０ｍＪ／ｃｍ２
【００４２】
パルスレーザ光に照射された半導体原料層１２の領域は瞬間的に溶融し、パルスレーザ光の照射が完了した時点から冷却され、シリコンから成る均質な微細（例えば１０ｎｍ程度の）半導体結晶粒１４が形成される（図２の（Ｂ）参照）。このように形成された半導体結晶粒は十分大きな電気伝導度を有することから、半導体結晶粒界面での電子散乱は殆ど無いと考えられる。従って、半導体結晶粒間には空隙は殆ど無いと考えられる。
【００４３】
［工程−１２０］
その後、これらの半導体結晶粒１４のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、酸化膜から成る障壁層１６によって相互に隔てられた半導体結晶粒１４から成る量子箱１８を形成する（図２の（Ｃ）参照）。酸化膜の形成は、例えば以下の条件で行うことができる。
酸化雰囲気 ： 窒素ガスで希釈した酸素ガス雰囲気
温度 ： ９５０゜Ｃ
時間 ： ３０分
【００４４】
半導体結晶粒１４のそれぞれの表面が酸化され、シリコンから成る中心部を二酸化シリコンから成る酸化膜（障壁層１６）が取り囲む構造を有する量子箱１８が形成される。その理由は、外部から取り込まれた酸素が、半導体結晶粒１４の界面上を拡散してシリコンから成る半導体結晶粒１４中に侵入するからである。こうして、量子箱１８は、酸化膜から成る障壁層１６によって相互に隔てられる。シリコンから成る半導体結晶粒表面の酸化処理の制御性は非常に優れている。従って、数ｎｍの厚さの酸化膜を形成することができる。尚、量子箱１８は図２の紙面に垂直な方向にも多数形成されている。
【００４５】
こうして、ナノメーターオーダーのシリコンから成る半導体結晶粒１４から構成された複数の量子箱１８を作製することができる。また、これらの量子箱１８は、ナノメーターオーダーの二酸化シリコンから成る障壁層１６（酸化膜）によって相互に隔てられている。このように、量子箱１８の形成に際しては、下地である基体１０との間でヘテロ接合を形成する必要がない。
【００４６】
このような量子箱の大きさは、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）による量子箱の断面観察や、光ルミネッセンスにおけるブルーシフトによって、観察することができる。
【００４７】
［工程−１３０］
その後、必要に応じて、量子箱１８を被覆する層間絶縁層２０を形成する（図３の（Ａ）参照）。層間絶縁層２０は、例えば二酸化シリコンから成り、ＣＶＤ法等にて形成することができる。層間絶縁層２０と半導体結晶粒１４のそれぞれの表面に形成された酸化膜から成る障壁層１６の厚さの合計は、電子がトンネリングできる厚さとする。具体的には、合計の厚さは、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍ程度である。
【００４８】
［工程−１４０］
次いで、障壁層１６の上に（層間絶縁層２０を形成した場合には、層間絶縁層２０の上に）、半導体原料層２２を形成する（図３の（Ｂ）参照）。半導体原料層２２は、例えばＣＶＤ法にて形成されたポリシリコンから構成することができる。この半導体原料層２２の厚さは５〜２０ｎｍ程度であればよい。尚、［工程−１００］で半導体原料層１２にドーパントを加えない場合には、［工程−１４０］において、半導体原料層２２に、１０１８／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３程度の濃度のドーパントを加えることが望ましい。これによって、量子箱１つ当りに電子あるいは正孔が１つ含まれることになる。
【００４９】
［工程−１５０］
その後、半導体原料層２２に熱処理を施して半導体結晶粒から成る２次元導電層２４を形成する（図３の（Ｃ）参照）。２次元導電層２４を半導体結晶粒から構成することによって、２次元導電層２４の電気伝導度を向上させることができる。この熱処理工程は、例えば、［工程−１１０］と同様とすることができる。パルスレーザ光に照射された半導体原料層２２の領域は瞬間的に溶融し、パルスレーザ光の照射が完了した時点から冷却され、シリコンから成る均質な微細半導体結晶粒から構成された２次元導電層２４が形成される。尚、２次元導電層２４は図３の紙面に垂直な方向にも広がっている。
【００５０】
［工程−１６０］
次に、２次元導電層２４上に、例えば二酸化シリコンから成る絶縁層３０をＣＶＤ法等によって形成する。そして、この絶縁層３０上に、例えばＩＴＯ等の透明電極材料から成る上部制御電極３２を真空蒸着法等にて形成する。また、ＩＴＯ等の透明電極材料を真空蒸着法等によって基体１０の裏面に堆積させ、基体１０の裏面に下部制御電極３４を設ける。尚、制御電極として、上部制御電極３２又は下部制御電極３４のいずれか一方を設けるだけでもよい。制御電極３２，３４は、絶縁層３０上や基体１０の裏面全体に形成してもよいし、一部の領域に形成してもよい。あるいは、光シャッターを複数の領域に分割し、各領域毎に個別に制御され得るような制御電極、あるいは隣接する領域と関連付けて制御され得るような制御電極を形成してもよい。
【００５１】
こうして、図１の（Ａ）に示した、光を透過する基体１０上に形成され２次元アレー状に配列された量子箱１８及び２次元導電層２４、並びに、基体１０の裏面及び／又は絶縁層３０を介して２次元導電層２４上に形成された制御電極３４，３２から成る実施例１の光シャッターが作製される。
【００５２】
以下、実施例１の光シャッターの動作概要を説明する。この光シャッターは、モット転移を応用している。尚、量子箱は、例えば、１つの量子箱当りに１つの電子を閉じ込め得るドーピング濃度を有するとする。
【００５３】
上部制御電極３２に正の電位（例えば０．１〜１Ｖ）を印加し、例えば下部制御電極３４を接地した状態では、電子は２次元導電層２４へ引かれ、２次元導電層２４は金属的な挙動を示し、２次元導電層２４中の自由電子は入射光を反射、吸収する。即ち、光シャッターは光を遮断する。一方、上部制御電極３２に負の電位（例えば−０．１〜−１Ｖ）を印加すると、電子は量子箱１８の方向に引かれ、量子箱１８内に捕捉される。その結果、電気伝導度はほぼ０となり、２次元導電層２４は絶縁体としての挙動を示し、光シャッターは光を透過する。量子箱１つ当りに電子が１つ捕捉される状態の場合、電気伝導度の低下が最も大きい。以上の動作原理によって、即ち、制御電極によって形成される電場に依存して、２次元導電層２４に金属的あるいは絶縁体的特性を付与することができ、光シャッターを透過する光量を制御することができる。
【００５４】
（実施例２）
実施例２は、本発明の第２の態様に係る光シャッター及び第２の態様に係る光シャッター作製方法に関する。尚、この光シャッターも、制御電極によって制御された金属−絶縁体転移を用いた光シャッターである。実施例２は、主に、２次元導電層を有し、その上に量子箱層を１層有する光シャッター及びその作製方法である。半導体原料層はポリシリコンから構成される。また、基体は熱処理に耐え得る材料であるガラスから構成される。更には、熱処理はレーザアニール処理である。
【００５５】
図１の（Ｂ）に実施例２の光シャッターの模式的な一部断面図を示す。実施例２の光シャッターは、具体的には、（イ）ガラスから成る光を透過する基体１０と、（ロ）基体１０の表面上に形成された光の透過・遮断を制御するためのシリコン微結晶粒から成る２次元導電層と、（ハ）２次元導電層２４上に形成された二酸化シリコンから成る層間絶縁層４０と、（ニ）層間絶縁層４０の上に形成された複数のシリコン微結晶粒から成る量子箱１８と、（ホ）これらの量子箱１８の間及び量子箱上に形成された二酸化シリコンから成る障壁層１６と、（へ）基体１０の裏面及び絶縁層３０を介して障壁層１６上に形成された透明電極材料から成る制御電極３４，３２から構成されている。２次元導電層２４によって、例えば下部制御電極３４から光シャッターに入射した光の透過・遮断（遮光）が制御される。
【００５６】
実施例２の光シャッターの作製方法を、以下、図４を参照して説明する。
【００５７】
［工程−２００］
先ず、基体１０の表面上に半導体原料層２２を形成する（図４の（Ａ）参照）。半導体原料層２２は、例えばＣＶＤ法にて形成されたポリシリコンから構成することができる。この半導体原料層２２の厚さは５〜２０ｎｍ程度であればよい。必要に応じて、実施例１の［工程−１４０］にて説明したように、半導体原料層２２にドーパントを加えることができる。
【００５８】
［工程−２１０］
その後、半導体原料層２２に熱処理を施して半導体結晶粒から成る２次元導電層２４を形成する（図４の（Ｂ）参照）。この熱処理工程は、例えば、実施例１の［工程−１１０］と同様とすることができる。パルスレーザ光に照射された半導体原料層２２の領域は瞬間的に溶融し、パルスレーザ光の照射が完了した時点から冷却され、シリコンから成る均質な微細半導体結晶粒から構成された２次元導電層２４が形成される。
【００５９】
［工程−２２０］
次に、２次元導電層２４上に層間絶縁層４０を形成する（図４の（Ｃ）参照）。層間絶縁層４０は、例えば二酸化シリコンから成り、ＣＶＤ法等にて形成することができる。層間絶縁層４０の厚さは、電子がトンネリングできる厚さとする。具体的には、層間絶縁層４０の厚さは、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍ程度である。
【００６０】
［工程−２３０］
そして、層間絶縁層４０上に半導体原料層１２を形成し（図４の（Ｄ）参照）、次に、半導体原料層１２にレーザアニール処理から成る熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成する。その後、半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、酸化膜から成る障壁層１６によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱１８を形成する（図４の（Ｅ）参照）。以上の各工程は、実施例１の［工程−１００］〜［工程−１２０］と同様とすることができる。このように、量子箱１８の形成に際しては、下地である層間絶縁層４０との間でヘテロ接合を形成する必要がない。
【００６１】
［工程−２４０］
次に、障壁層１６上に、必要に応じて、例えば二酸化シリコンから成る絶縁層３０をＣＶＤ法等によって形成する。そして、この絶縁層３０上に、例えばＩＴＯ等の透明電極材料から成る上部制御電極３２を真空蒸着法等にて形成する。また、ＩＴＯ等の透明電極材料を真空蒸着法等によって基体１０の裏面に堆積させ、基体１０の裏面に下部制御電極３４を設ける。尚、制御電極として、上部制御電極３２又は下部制御電極３４のいずれか一方を設けるだけでもよい。
【００６２】
こうして、図１の（Ｂ）に示した、光を透過する基体１０上に形成された２次元導電層２４及び２次元アレー状に配列された量子箱１８、並びに、基体の裏面及び／又は（必要に応じて絶縁層３０を介して）障壁層１６上に形成された制御電極３４，３２から成る実施例２の光シャッターが作製される。
【００６３】
実施例２の光シャッターの動作原理は、制御電極に印加する電位の符号が異なる点を除き、実質的には実施例１の光シャッターと同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６４】
（実施例３）
実施例３は、本発明の第３の態様に係る光シャッター及び第１の態様に係る光シャッター作製方法の変形（第３の態様）に関する。尚、この光シャッターも、制御電極によって制御された金属−絶縁体転移を用いた光シャッターである。実施例３は、実施例１と異なり、多層光透過制御層が形成されている。
【００６５】
図５の模式的な一部断面図に示すように、実施例３の光シャッターは、具体的には、（イ）光を透過する基体１０と、（ロ）基体の表面上に形成された多層光透過制御層と、（ハ）基体１０の裏面及び最上部の光透過制御層の上に形成された制御電極３４，３２から成る。多層光透過制御層は、複数の量子箱１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと、量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと、障壁層の上方に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃと、その上に形成された絶縁層３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃとから成る光透過制御層が複数層積層されて成る。具体的には、多層光透過制御層は、実施例３においては、３層の光透過制御層が積層されて成る。
【００６６】
実施例３においては、障壁層１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと２次元導電層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの間に、更に、層間絶縁層２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが形成されている。
【００６７】
実施例３においては、光透過制御層に垂直な電場に対する各光透過制御層の応答が異なる。具体的には、各光透過制御層を構成する各２次元導電層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの厚さが、各光透過制御層において異なる。２次元導電層２４Ａの厚さを１とした場合、２次元導電層２４Ｂの厚さを１０ｎｍとし、２次元導電層２４Ｃの厚さを１５ｎｍとした。これによって、制御電極３２，３４に加える電場強度を制御することで、図９の（Ｂ）に模式的に示すように、例えば下部制御電極３４から光シャッターに入射した光の透過率を諧調的に制御することができる。
【００６８】
実施例３の光シャッターは、実施例１の［工程−１５０］と［工程−１６０］の間に以下の工程を加えることで作製することができる。尚、実施例１の［工程−１００］〜［工程−１５０］にて形成された量子箱、障壁層、層間絶縁層、２次元導電層のそれぞれの参照番号を１８Ａ，１６Ａ，２０Ａ，２４Ａとする。
【００６９】
［工程−３００］
２次元導電層２４Ａ上に、例えば二酸化シリコンから成る絶縁層３６ＡをＣＶＤ法等によって形成する。
【００７０】
［工程−３１０］
次に、絶縁層３６Ａ上に半導体原料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、この酸化膜から成る障壁層１６Ｂによって相互に隔てられた半導体結晶粒から成り２次元アレー状に配列された量子箱１８Ｂを形成する。この工程は、実施例１の［工程−１００］〜［工程−１２０］と同様とすることができる。
【００７１】
［工程−３２０］
その後、実施例１の［工程−１３０］と同様にして、必要に応じて、量子箱１８Ｂを被覆する層間絶縁層２０Ｂを形成する。
【００７２】
［工程−３３０］
次いで、実施例１の［工程−１５０］と同様に、障壁層１６Ｂの上に（層間絶縁層２０Ｂを形成した場合には、層間絶縁層２０Ｂの上に）、半導体原料層を形成した後、この半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層２４Ｂを形成する。実施例３においては、２次元導電層２４Ｂの厚さを２次元導電層２４Ａよりも厚くした。
【００７３】
次いで、［工程−３００］〜［工程−３３０］を所望回数繰り返す。実施例３においては、多層光透過制御層は、３層の光透過制御層が積層されて成る。従って、［工程−３００］〜［工程−３３０］をもう一度繰り返す。尚、２次元導電層２４Ｃの厚さを２次元導電層２４Ｂよりも厚くした。その後、実施例１の［工程−１６０］を実行する。但し、絶縁層３６Ｃが形成されているので、［工程−１６０］において絶縁層３０の形成は不要である。こうして、図５に示した３層の光透過制御層から成る多層光透過制御層を備えた光シャッターを作製することができる。
【００７４】
（実施例４）
実施例４は、本発明の第４の態様に係る光シャッター及び第２の態様に係る光シャッター作製方法の変形（第４の態様）に関する。尚、この光シャッターも、制御電極によって制御された金属−絶縁体転移を用いた光シャッターである。実施例４は、実施例２と異なり、多層光透過制御層が形成されている。
【００７５】
図６の模式的な一部断面図に示すように、実施例４の光シャッターは、具体的には、（イ）光を透過する基体１０と、（ロ）基体１０の表面上に形成された多層光透過制御層と、（ハ）基体１０の裏面及び最上部の光透過制御層の上に形成された制御電極３４，３２から成る。多層光透過制御層は、光の透過・遮断を制御するための２次元導電層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃと、２次元導電層上に形成された層間絶縁層４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃと、層間絶縁層の上に形成された複数の量子箱１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと、量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと、障壁層上に形成された絶縁層３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃとから成る光透過制御層が複数層積層されて成る。多層光透過制御層は、実施例４においては、３層の光透過制御層が積層されて成る。
【００７６】
実施例４においても、実施例３と同様に、光透過制御層に垂直な電場に対する各光透過制御層の応答が異なる。具体的には、各光透過制御層を構成する各２次元導電層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの厚さが、各光透過制御層において異なる。２次元導電層２４Ａの厚さを１とした場合、２次元導電層２４Ｂの厚さを１０ｎｍとし、２次元導電層２４Ｃの厚さを１５ｎｍとした。これによって、制御電極３２，３４に加える電場強度を制御することで、図９の（Ｂ）に模式的に示すように、例えば下部制御電極３４から光シャッターに入射した光の透過率を諧調的に制御することができる。
【００７７】
実施例４の光シャッターは、実施例２の［工程−２３０］と［工程−２４０］の間に以下の工程を加えることで作製することができる。尚、実施例２の［工程−２００］〜［工程−２３０］にて形成された２次元導電層、層間絶縁層、量子箱、障壁層のそれぞれの参照番号を２４Ａ，４０Ａ，１８Ａ，１６Ａとする。
【００７８】
［工程−４００］
量子箱（より具体的には、量子箱１８Ａ）上に、例えば二酸化シリコンから成る絶縁層３６ＡをＣＶＤ法等によって形成する。
【００７９】
［工程−４１０］
次に、絶縁層３６Ａ上に半導体原料層を形成した後、この半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層２４Ｂを形成する。この工程は、実施例２の［工程−２００］〜［工程−２１０］と同様とすることができる。実施例４においては、２次元導電層２４Ｂの厚さを２次元導電層２４Ａよりも厚くした。
【００８０】
［工程−４２０］
その後、２次元導電層２４Ｂ上に層間絶縁層４０Ｂを形成する。この工程は、実施例２の［工程−２２０］と同様とすることができる。
【００８１】
［工程−４３０］
次に、層間絶縁層４０Ｂ上に半導体原料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成して、酸化膜から成る障壁層１６Ｂによって相互に隔てられた半導体結晶粒から成り２次元アレー状に配列された量子箱（より具体的には、量子箱１８Ｂ）を形成する。この工程は、実施例２の［工程−２３０］と同様とすることができる。
【００８２】
次いで、［工程−４００］〜［工程−４３０］を所望回数繰り返す。実施例４においては、多層光透過制御層は、３層の光透過制御層が積層されて成る。従って、［工程−４００］〜［工程−４３０］をもう一度繰り返す。尚、２次元導電層２４Ｃの厚さを２次元導電層２４Ｂよりも厚くした。その後、実施例２の［工程−２４０］を実行する。こうして、図６に示した３層の光透過制御層から成る多層光透過制御層を備えた光シャッターが作製される。
【００８３】
以上、好ましい実施例に基づき本発明の光シャッター及びその作製方法を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例における成膜方法や各種条件は例示であり、適宜変更することができる。半導体原料層は、ポリシリコン以外にも、アモルファスシリコン、その他、ゲルマニウム等、直接遷移型半導体材料から構成することができる。あるいは、その他、表面に障壁層として機能する酸化膜を形成することができ、光を実際上問題ない程度しか吸収しない材料であれば、如何なる材料から構成してもよい。層間絶縁層や絶縁層も二酸化シリコンに限定されず、ＳｉＮ等、適当な方法で量子箱層や２次元導電層上に堆積させ得る公知の絶縁材料から構成することができる。基体は、ガラス以外にも、石英、シリコン基板、その他、熱処理に耐え得る透明な基板であって光を実際上問題ない程度に透過する材料を用いることができる。
【００８４】
実施例３及び実施例４においては、各２次元導電層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの厚さを各光透過制御層において異ならせ、制御電極３２，３４に加える電場強度を制御することで、図９の（Ｂ）に模式的に示すように、例えば下部制御電極３４から光シャッターに入射した光の透過率を諧調的に制御する。かかる入射光の透過率の諧調的な制御は、光透過制御層を構成する２次元導電層の材料を各光透過制御層において異ならせることで行うこともできる。
【００８５】
また、光シャッターへの入射光の透過率の諧調的な制御は、光透過制御層を構成する量子箱の大きさを各光透過制御層において異ならせることで行うこともできる。この場合、或る光透過制御層における量子箱の大きさの平均値を１としたとき、隣接する光透過制御層における量子箱の大きさの平均値を、例えば、１．３〜１．５、若しくは０．６〜０．８とすればよい。そのためには、複数の半導体結晶粒を形成するための半導体原料層の厚さを変え、及び／又は、半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化する時間等を変えることによって、量子箱の大きさを異ならせることができる。
【００８６】
更には、光透過制御層を構成する量子箱相互の間隔を各光透過制御層において異ならせることで行うこともできる。この場合、或る光透過制御層における量子箱相互の間隔の平均値を１としたとき、隣接する光透過制御層における量子箱相互の間隔の平均値を、例えば、１．３〜１．５、若しくは０．６〜０．８とすればよい。そのためには、複数の半導体結晶粒を形成するための半導体原料層の厚さを変え、及び／又は、半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化する時間等を変えることによって、量子箱の大きさを異ならせることができる。
【００８７】
あるいは又、光透過制御層を構成する量子箱の材料を各光透過制御層において異ならせることで行うこともできる。この場合、例えば、ＳｉとＳｉＧｅの組み合わせで例示されるような、各量子箱を構成する材料の組み合わせを用いることができる。
【００８８】
実施例３及び実施例４においては、３層の光透過制御層から成る多層光透過制御層を例にとり説明したが、多層光透過制御層を構成する光透過制御層の数は３層に限定されず、所望の諧調に適した光透過制御層数とすればよい。
【００８９】
２次元導電層の形成方法や半導体原料層の熱処理方法は、レーザアニール処理に限られず、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理を採用することができる。
【００９０】
本発明の光シャッターは、本発明の光シャッター作製方法によって作製されることが望ましいが、本発明の光シャッター作製方法に限定されるものではない。半導体結晶粒から成る層（半導体結晶粒層と呼ぶ）を形成した後、かかる半導体結晶粒層をパターニングすることによって、量子箱を形成することもできる。パターニングの際、半導体結晶粒層上のレジスト材料の形成は、例えば、電子ビーム照射装置の真空排気された試料室内において所定のレジスト原料ガス雰囲気中でスポット径を十分小さく絞った電子ビームを半導体結晶粒層上に選択的に照射して、この電子ビームが照射された半導体結晶粒層の部分にレジスト原料ガスの分解生成物を堆積させることで行うことができる。また、パターニングの際における半導体結晶粒層のエッチングは、例えばＲＩＥ法のような異方性ドライエッチング法にて行うことができる。量子箱の平面形状は、例えば矩形とすることができる。こうして形成された複数の量子箱の上及び量子箱の間には、例えばＣＶＤ法等によって二酸化シリコンから成る障壁層を堆積させればよい。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によって、ヘテロ接合を有していない量子箱を応用した、高い光透過率を有し応答性に優れた光シャッターを提供することができる。量子箱を形成するに際しては、基体等の材料選択幅が広い。また、高集積化された光シャッターを、例えばシリコンデバイス中で実現することができる。本発明の光シャッターの作製方法によって、薄い酸化膜を介して量子箱相互が非常に近接した微細な複数の量子箱から構成された光シャッターを作製することができる。本発明の光シャッターを表示装置に適用すれば、解像度の優れた表示装置を作製することができる。また、光シャッターに多層光透過制御層を備えることによって、光シャッターの光透過率を諧調的に制御することができる。従って、本発明の光シャッターに基づき、例えば諧調性を有するフラット・ディスプレーを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び実施例２の光シャッターの模式的な一部断面図である。
【図２】実施例１の光シャッターの作製方法を説明するための各工程における模式的な一部断面図である。
【図３】図２に引き続き、実施例１の光シャッターの作製方法を説明するための各工程における模式的な一部断面図である。
【図４】実施例２の光シャッターの作製方法を説明するための各工程における模式的な一部断面図である。
【図５】実施例３の光シャッターの模式的な一部断面図である。
【図６】実施例４の光シャッターの模式的な一部断面図である。
【図７】光シャッターに印加される電場強度とフェルミエネルギー、量子箱の量子状態エネルギー及び電子の移動を模式的に示す図である。
【図８】光シャッターに印加される電場強度とフェルミエネルギー、量子箱の量子状態エネルギー及び電子の移動を模式的に示す図である。
【図９】光シャッターに印加される電場強度と光透過率の関係を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０ 基体
１２，２２ 半導体原料層
１４ 半導体結晶粒
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ 障壁層
１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ 量子箱
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ 層間絶縁層
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ ２次元導電層
３０，３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ 絶縁層
３２ 上部制御電極
３４ 下部制御電極[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a novel optical shutter (optical switcher) and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
An optical shutter (optical switcher) that modulates light transmittance is an important optical element not only for flat display applications but also for future optical exchanger applications. An optical shutter using liquid crystal, which has already been put into practical use, has a problem that only a part of the amount of light emitted from a light source can be used because polarized light is used. Therefore, when the liquid crystal is applied to a flat display, the brightness of the flat display cannot be sufficiently secured. In addition, since polarized light is used, there is a problem that the color tone has an angle dependency. Further, when the liquid crystal is applied to an optical exchanger, there is a problem that the switching speed is not satisfactory.
[0003]
In recent years, in quantum wave electronics, an ultrafine structure having a cross-sectional dimension comparable to the de Broglie wavelength of electrons, that is, a so-called quantum box or a quantum box assembly element which is an aggregate of a plurality of quantum boxes has been attracting attention. There is a great deal of interest in quantum effects exhibited by zero-dimensional electrons confined in quantum boxes. In a quantum box assembly element, for example, electrons can move between adjacent quantum boxes by tunneling, and the effect of Coulomb interaction between electrons becomes remarkable due to zero-dimensional quantum confinement.
[0004]
When one electron is supplied per quantum box, it is predicted that a Mott transition (metal-insulator transition) occurs due to Coulomb interaction between electrons. That is, consider a quantum box assembly element in which quantum boxes having a size of about 10 nm are arranged at a distance of about 5 nm. The transfer energy between quantum boxes in such a system has a certain value (for example, about 10 meV), and metallic conduction occurs in a region where the electron density is low. However, when the electron density rises to a density of one electron per quantum box (half field), each electron is confined in each quantum box due to Coulomb interaction between electrons, and cannot be conducted. This phenomenon is called Mott insulator. This state can be considered as a state in which electrons are packed on the low energy side of the subband separated by the Hubbard gap. On the other hand, when the electron density exceeds the half field, the electrons are packed on the high energy side of the sub-band separated by the Hubbard gap, and metallic conduction becomes possible again.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An optical shutter (optical switcher) is considered as one of the application fields of such a quantum box assembly element. That is, by controlling the movement of electrons or holes in the quantum box assembly, the light transmittance of the quantum box assembly can be changed, so that a function as an optical shutter can be given to the quantum box assembly. is there.
[0006]
At present, a quantum box assembly element, which is an aggregate of a plurality of quantum boxes, is mainly manufactured from a compound semiconductor material. This quantum box assembly element is a system for realizing electron confinement by a heterojunction of a compound semiconductor. The reason for using a compound semiconductor material is not only that the crystallinity and homogeneity of the formed compound semiconductor layer have been improved due to the progress of the compound semiconductor epitaxial growth technique such as the molecular beam epitaxy technique or the MOCVD technique, but also that the sharp heterostructure has been improved. It largely depends on the fact that junctions can be formed. These crystal growth techniques are based on the premise that a crystal layer made of a compound semiconductor material is grown on a single crystal substrate made of a compound semiconductor material.
[0007]
Generally, a compound semiconductor is a direct transition semiconductor. Therefore, light absorption occurs in a substrate or a crystal layer made of a compound semiconductor material. Therefore, when a quantum box using a compound semiconductor material is applied to an optical shutter, there is a problem that the light transmittance of the optical shutter is reduced, or that the controllability of transmitting and blocking light is poor.
[0008]
Conventionally, an isolated quantum box having a size of about 10 nm at which the quantum effect becomes remarkable has been manufactured by using electron beam exposure. For example, M. N. Reeds, et al. Phys. Rev .. Lett. 60, 535 (1988). Regarding electron beam exposure, for example, A.I. N. Broers, et al. , Appl. Phys. Lett. 29, 596 (1976). However, the limit of the resist pattern interval by the conventional electron beam exposure is about 50 nm due to the proximity effect of the electron beam. Therefore, it is extremely difficult to fabricate a highly integrated quantum box assembly element in which the intervals between quantum boxes are close to about 5 nm using existing technology.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical shutter having a high light transmittance and excellent responsiveness, and a method for manufacturing the same, using a quantum box having no heterojunction. Another object of the present invention is to provide an optical shutter that can be integrated with a widely used group IV element-based semiconductor device and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical shutter including a plurality of quantum boxes having a very high degree of integration. It is still another object of the present invention to provide an optical shutter having a gradation property and a method for manufacturing the optical shutter.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The optical shutter according to the first aspect of the present invention for achieving the above object,
(A) a substrate that transmits light;
(B) a plurality of quantum boxes formed on the surface of the base;
(C) barrier layers formed between and on the quantum boxes;
(D) a two-dimensional conductive layer formed above the barrier layer for controlling transmission and blocking of light;
(E) a control electrode formed on the two-dimensional conductive layer via the back surface of the base and / or the insulating layer;
Characterized by comprising: In this optical shutter, an interlayer insulating layer can be further formed between the barrier layer and the two-dimensional conductive layer.
[0011]
The optical shutter according to the second aspect of the present invention for achieving the above object,
(A) a substrate that transmits light;
(B) a two-dimensional conductive layer for controlling transmission and blocking of light formed on the surface of the base;
(C) an interlayer insulating layer formed on the two-dimensional conductive layer;
(D) a plurality of quantum boxes formed on the interlayer insulating layer;
(E) barrier layers formed between and on the quantum boxes;
(F) a control electrode formed on the back surface of the substrate and / or above the barrier layer;
Characterized by comprising:
[0012]
An optical shutter according to a third aspect of the present invention for achieving the above object,
(A) a substrate that transmits light;
(B) A plurality of quantum boxes, barrier layers formed between and on the quantum boxes, and two-dimensional conductive layers formed above the barrier layers for controlling transmission and blocking of light. And a multilayer light transmission control layer formed on the surface of the substrate, wherein a plurality of light transmission control layers each including an insulating layer formed thereon are laminated,
(C) a control electrode formed on the back surface of the substrate and / or on the uppermost light transmission control layer;
Characterized by comprising: In this case, an interlayer insulating layer can be further formed between the barrier layer and the two-dimensional conductive layer.
[0013]
An optical shutter according to a fourth aspect of the present invention for achieving the above object,
(A) a substrate that transmits light;
(B) a two-dimensional conductive layer for controlling transmission and blocking of light, an interlayer insulating layer formed on the two-dimensional conductive layer, a plurality of quantum boxes formed on the interlayer insulating layer, Formed on the surface of the substrate, a plurality of light transmission control layers each including a barrier layer formed between and on the quantum boxes and an insulating layer formed on the barrier layer are laminated. Multilayer light transmission control layer,
(C) a control electrode formed on the back surface of the substrate and / or on the uppermost light transmission control layer;
Characterized by comprising:
[0014]
In the optical shutters according to the third and fourth aspects of the present invention, it is preferable that each light transmission control layer has a different response to an electric field perpendicular to the light transmission control layer. in this case,
(A) An aspect in which the thickness of the two-dimensional conductive layer constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
(B) An aspect in which the size of the quantum box constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
(C) A mode in which the intervals between quantum boxes constituting the light transmission control layer are different in each light transmission control layer
Can be included. Further, it is preferable that the transmittance of incident light can be modulated stepwise by the number of light transmission control layers.
[0015]
In the optical shutter according to the first to fourth aspects of the present invention, the quantum box can be made of crystal grains of a group IV element. Silicon can be given as an example of the group IV element. Further, the barrier layer is preferably made of silicon dioxide. The two-dimensional conductive layer can be composed of silicon crystal grains. Preferably, the substrate is made of a transparent material.
[0016]
Alternatively, in the optical shutter according to the third and fourth aspects of the present invention, it is preferable that each light transmission control layer has a different response to an electric field perpendicular to the light transmission control layer.
(D) A mode in which the material of the two-dimensional conductive layer constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
(E) A mode in which the material of the quantum box constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
Can be included. Further, it is preferable that the transmittance of incident light can be modulated stepwise by the number of light transmission control layers.
[0017]
In the optical shutters according to the first to fourth aspects of the present invention, further, the quantum box or the two-dimensional conductive layer has a doping concentration capable of confining one electron or hole per quantum box. Is preferred.
[0018]
Alternatively, the optical shutter of the present invention uses a metal-insulator transition controlled by a control electrode.
[0019]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing an optical shutter according to the first aspect of the present invention includes:
(A) forming a semiconductor raw material layer on the surface of the base, and then subjecting the semiconductor raw material layer to a heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains; Forming a film and forming quantum boxes of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer of oxide film;
(B) forming a semiconductor material layer above the barrier layer and then subjecting the semiconductor material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light;
(C) forming a control electrode on the two-dimensional conductive layer via the back surface of the base and / or the insulating layer;
Characterized by comprising: After the step (a), a step of forming an interlayer insulating layer on the barrier layer can be included.
[0020]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing an optical shutter according to the second aspect of the present invention includes:
(A) forming a semiconductor raw material layer on the surface of the base, and then subjecting the semiconductor raw material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light;
(B) forming an interlayer insulating layer on the two-dimensional conductive layer;
(C) forming a semiconductor raw material layer on the interlayer insulating layer, then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and then oxidizing the surface of each of these semiconductor crystal grains to oxidize; Forming a film to form quantum boxes of semiconductor grains separated from each other by a barrier layer of oxide;
(D) forming a control electrode on the back surface of the base and / or above the barrier layer;
Characterized by comprising:
[0021]
In the method for manufacturing an optical shutter according to the first aspect of the present invention, following the step (b),
(A ') forming an insulating layer on the two-dimensional conductive layer;
(B ′) forming a semiconductor material layer on the insulating layer, and then subjecting the semiconductor material layer to a heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and then oxidizing the surface of each of these semiconductor crystal grains; Forming an oxide film and forming quantum boxes of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer of the oxide film;
(C) forming a semiconductor material layer above the barrier layer, and then subjecting the semiconductor material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light;
May be repeated a desired number of times. In this case, after the step (b ′), a step of forming an interlayer insulating layer on the barrier layer can be included.
[0022]
In the method for manufacturing an optical shutter according to the second aspect of the present invention, following the step (c),
(B) forming an insulating layer on the quantum box;
(B) forming a semiconductor material layer on the insulating layer, and then subjecting the semiconductor material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light; ,
(C) forming an interlayer insulating layer on the two-dimensional conductive layer;
(D ') forming a semiconductor raw material layer on the interlayer insulating layer, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and oxidizing the surface of each of these semiconductor crystal grains; Forming an oxide film to form quantum boxes of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer of oxide film;
The fourth aspect of repeating the desired number of times can be included.
[0023]
In these third and fourth aspects, it is preferable that the response of each light transmission control layer to an electric field perpendicular to the light transmission control layer be different. for that reason,
(A) An aspect in which the thickness of the two-dimensional conductive layer constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
(B) An aspect in which the size of the quantum box constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
(C) A mode in which the distance between the quantum boxes constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
Can be included.
[0024]
In these methods of manufacturing the optical shutter according to the first to fourth aspects of the present invention, the semiconductor raw material layer can be made of a group IV element. Polysilicon can be used as the semiconductor raw material layer. It is desirable that the substrate be made of a transparent substrate that can withstand heat treatment. The melting point of the material forming the base is desirably higher than the melting point of the material forming the semiconductor raw material layer. The heat treatment can be a laser annealing treatment.
[0025]
In the method for manufacturing the optical shutter according to the third and fourth aspects of the present invention, it is preferable that the response of each light transmission control layer to an electric field perpendicular to the light transmission control layer be different.
(D) A mode in which the material of the two-dimensional conductive layer constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
(E) A mode in which the material of the quantum box constituting the light transmission control layer is different in each light transmission control layer
Can be included.
[0026]
In the manufacturing methods of the optical shutters according to the first to fourth aspects of the present invention, the semiconductor material layer for forming the quantum box or the semiconductor material layer for forming the two-dimensional conductive layer has one or more layers. It is preferable to perform doping at a concentration that can confine one electron or hole per quantum box.
[0027]
Incidentally, the optical shutter of the present invention is not only of a type that uniformly controls the light transmittance of the entire optical shutter, but also of a type that divides the optical shutter into a plurality of regions and controls the light transmittance for each region. The present invention further includes an apparatus that controls a light transmittance for each area of an optical shutter and functions as a display device that displays characters, images, and the like. Note that the term optical shutter in this specification includes an optical switcher.
[0028]
[Action]
The optical shutter of the present invention controls movement of electrons or holes by tunneling between a plurality of quantum boxes and a two-dimensional conductive layer formed above or below the quantum boxes by an electric field formed by the control electrode. When electrons or holes are drawn by the two-dimensional conductive layer, the two-dimensional conductive layer behaves like a metal, and free electrons and the like in the two-dimensional conductive layer reflect and absorb incident light. That is, the optical shutter blocks light. On the other hand, in a state where electrons or holes are trapped in the quantum box, the electric conductivity is most greatly reduced, and therefore, the two-dimensional conductive layer most effectively behaves as an insulator and transmits light.
[0029]
For example, the barriers formed between the quantum boxes are sufficiently high or, alternatively, the quantum boxes are sufficiently spaced apart that the quantum boxes have a doping concentration that can confine one electron per quantum box. That is, it is assumed that a Mott insulator is formed. In this case, the energy band has a narrow band limit. On the other hand, the two-dimensional conductive layer has a wide sub-band. This state is schematically illustrated in FIG. The state shown in FIG. 7A can be realized by selecting the electric field intensity to be applied. The quantum box has a higher energy state than the two-dimensional conductive layer, the electrons stay in the two-dimensional conductive layer, and the electrons can be transmitted in the XY directions. That is, the optical shutter blocks light.
[0030]
When an electric field is applied, the Fermi energy of the two-dimensional conductive layer approaches the quantum state energy of the quantum box (see FIG. 7B), and a certain electric field E0When the transition electric field is reached, the electrons in the two-dimensional conductive layer move into the quantum box (see FIG. 8). In this state, the quantum box behaves as a Mott insulator, and electron conduction in the XY directions is not allowed. That is, the optical shutter transmits light. FIG. 9A schematically shows the relationship between the intensity of the applied electric field and the light transmittance of the optical shutter.
[0031]
This transition electric field E0Can be changed depending on the thickness of the two-dimensional conductive layer, the type of the material forming the two-dimensional conductive layer, the size of the quantum boxes, the interval between the quantum boxes, and the type of the material forming the quantum box. For example, if the thickness of the two-dimensional conductive layer is increased, the Fermi energy in the absence of an electric field is reduced, and no Mott transition occurs unless a larger electric field is applied. If the size of the quantum box is small, the quantum state energy of the quantum box increases, and in this case, it is necessary to apply a higher electric field. If the distance between quantum boxes is widened, no sharp Mott transition can be seen.
[0032]
If the quantum box and the two-dimensional conductive layer are made of crystal grains of a group IV element, unlike the quantum box made of a compound semiconductor material, it is possible to suppress the light shutter from absorbing light.
[0033]
In addition, by providing a multi-layer light transmission control layer having a plurality of light transmission control layers laminated on an optical shutter, the light transmittance of the multi-layer light transmission control layer can be changed according to the electric field intensity applied to the optical shutter. Thus, gradation can be imparted to the optical shutter.
[0034]
The optical shutter of the present invention has excellent responsiveness because it uses the metal-insulator transition controlled by the control electrode.
[0035]
In the method for manufacturing an optical shutter according to the present invention, a semiconductor material layer is subjected to a heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains. The size of the semiconductor crystal grains depends on, for example, the thickness of the semiconductor raw material layer. Therefore, if the thickness of the semiconductor raw material layer is reduced, very fine semiconductor crystal grains can be formed. Then, since the surface of each of the semiconductor crystal grains is oxidized to form an oxide film, a quantum box made of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer made of a thin oxide film is formed. That is, it is possible to manufacture an optical shutter composed of a plurality of fine quantum boxes whose quantum boxes are very close to each other via a barrier layer made of a thin oxide film. With such a configuration, a quantum box can be manufactured without forming a heterojunction. Further, by forming a multilayer light transmission control layer formed by laminating a plurality of light transmission control layers, it is possible to change the light transmittance of the multilayer light transmission control layer according to the electric field intensity applied to the optical shutter. Thus, an optical shutter having gradation can be manufactured.
[0036]
【Example】
Hereinafter, an optical shutter according to the present invention and a method for manufacturing the optical shutter will be described with reference to the accompanying drawings.
[0037]
(Example 1)
Example 1 Example 1 relates to the optical shutter according to the first embodiment of the present invention and the optical shutter manufacturing method according to the first embodiment. This optical shutter is also an optical shutter using a metal-insulator transition controlled by a control electrode. The first embodiment mainly relates to an optical shutter having one layer including a plurality of quantum boxes (hereinafter, also referred to as a quantum box layer) and a two-dimensional conductive layer thereon, and a manufacturing method thereof. The semiconductor material layer is composed of polysilicon. The substrate is made of glass, which is a material that can withstand heat treatment. Further, the heat treatment is a laser annealing treatment.
[0038]
FIG. 1A is a schematic partial cross-sectional view of the optical shutter according to the first embodiment. Specifically, the optical shutter according to the first embodiment includes (a) a
[0039]
A method for manufacturing the optical shutter according to the first embodiment will be described below with reference to FIGS.
[0040]
[Step-100]
First, the semiconductor raw material layer 12 is formed on the surface of the
[0041]
[Step-110]
Next, heat treatment is performed on the semiconductor raw material layer 12 to form a plurality of semiconductor crystal grains 14. Specifically, the semiconductor material layer 12 is irradiated with pulsed laser light. As the pulsed laser light, for example, light having the following specifications can be used.
Laser used: XeCl excimer laser
Pulse width: 30ns
Irradiation energy: 180 mJ / cm2
[0042]
The region of the semiconductor raw material layer 12 irradiated with the pulsed laser light is instantaneously melted, cooled from the time when the irradiation of the pulsed laser light is completed, and uniform fine (for example, about 10 nm) semiconductor crystal grains 14 of silicon are formed. It is formed (see FIG. 2B). Since the semiconductor crystal grains thus formed have a sufficiently large electric conductivity, it is considered that there is almost no electron scattering at the semiconductor crystal grain interface. Therefore, it is considered that there is almost no void between the semiconductor crystal grains.
[0043]
[Step-120]
Thereafter, the surface of each of these semiconductor crystal grains 14 is oxidized to form an oxide film, and
Oxidizing atmosphere: Oxygen gas atmosphere diluted with nitrogen gas
Temperature: 950 ° C
Time: 30 minutes
[0044]
The surface of each of the semiconductor crystal grains 14 is oxidized to form a
[0045]
In this manner, a plurality of
[0046]
The size of such a quantum box can be observed by observing a cross section of the quantum box by a scanning tunneling microscope (STM) or by a blue shift in photoluminescence.
[0047]
[Step-130]
Thereafter, if necessary, an
[0048]
[Step-140]
Next, a semiconductor
[0049]
[Step-150]
Thereafter, heat treatment is performed on the semiconductor
[0050]
[Step-160]
Next, an insulating
[0051]
Thus, as shown in FIG. 1A, the
[0052]
Hereinafter, an operation outline of the optical shutter according to the first embodiment will be described. This optical shutter uses the Mott transition. It is assumed that the quantum box has, for example, a doping concentration capable of confining one electron per quantum box.
[0053]
When a positive potential (for example, 0.1 to 1 V) is applied to the
[0054]
(Example 2)
Example 2 Example 2 relates to the optical shutter according to the second aspect of the present invention and the optical shutter manufacturing method according to the second aspect. This optical shutter is also an optical shutter using a metal-insulator transition controlled by a control electrode. The second embodiment mainly relates to an optical shutter having a two-dimensional conductive layer and a single quantum box layer thereon, and a manufacturing method thereof. The semiconductor material layer is composed of polysilicon. The substrate is made of glass, which is a material that can withstand heat treatment. Further, the heat treatment is a laser annealing treatment.
[0055]
FIG. 1B is a schematic partial cross-sectional view of the optical shutter according to the second embodiment. The optical shutter according to the second embodiment includes, specifically, (a) a
[0056]
A method for manufacturing the optical shutter according to the second embodiment will be described below with reference to FIG.
[0057]
[Step-200]
First, a semiconductor
[0058]
[Step-210]
Thereafter, heat treatment is performed on the semiconductor
[0059]
[Step-220]
Next, an
[0060]
[Step-230]
Then, the semiconductor raw material layer 12 is formed on the interlayer insulating layer 40 (see FIG. 4D), and then the semiconductor raw material layer 12 is subjected to a heat treatment such as a laser annealing process to form a plurality of semiconductor crystal grains. . Thereafter, each surface of the semiconductor crystal grains is oxidized to form an oxide film, and
[0061]
[Step-240]
Next, an insulating
[0062]
Thus, as shown in FIG. 1B, the two-dimensional
[0063]
The operating principle of the optical shutter according to the second embodiment is substantially the same as that of the optical shutter according to the first embodiment except that the sign of the potential applied to the control electrode is different, and a detailed description is omitted.
[0064]
(Example 3)
Example 3 Example 3 relates to a modification (third aspect) of the optical shutter according to the third aspect of the present invention and the optical shutter manufacturing method according to the first aspect. This optical shutter is also an optical shutter using a metal-insulator transition controlled by a control electrode. Example 3 differs from Example 1 in that a multilayer light transmission control layer is formed.
[0065]
As shown in the schematic partial cross-sectional view of FIG. 5, the optical shutter of Example 3 was specifically formed on (a) the
[0066]
In the third embodiment,
[0067]
In the third embodiment, the response of each light transmission control layer to an electric field perpendicular to the light transmission control layer is different. Specifically, the thickness of each of the two-dimensional
[0068]
The optical shutter of the third embodiment can be manufactured by adding the following steps between [Step-150] and [Step-160] of the first embodiment. The quantum boxes, barrier layers, interlayer insulating layers, and two-dimensional conductive layers formed in [Step-100] to [Step-150] of the first embodiment are denoted by
[0069]
[Step-300]
An insulating
[0070]
[Step-310]
Next, a semiconductor raw material layer is formed on the insulating
[0071]
[Step-320]
Thereafter, in the same manner as in [Step-130] of the first embodiment, an
[0072]
[Step-330]
Next, as in [Step-150] of the first embodiment, after forming a semiconductor raw material layer on the
[0073]
Next, [Step-300] to [Step-330] are repeated a desired number of times. In the third embodiment, the multilayer light transmission control layer is formed by stacking three light transmission control layers. Therefore, [Step-300] to [Step-330] are repeated once. The thickness of the two-dimensional conductive layer 24C was larger than that of the two-dimensional
[0074]
(Example 4)
Example 4 Example 4 relates to a modification (fourth aspect) of the optical shutter according to the fourth aspect of the present invention and the optical shutter manufacturing method according to the second aspect. This optical shutter is also an optical shutter using a metal-insulator transition controlled by a control electrode. Example 4 is different from Example 2 in that a multilayer light transmission control layer is formed.
[0075]
As shown in the schematic partial cross-sectional view of FIG. 6, the optical shutter of the fourth embodiment is specifically formed on (a) a
[0076]
Also in Example 4, similarly to Example 3, the response of each light transmission control layer to an electric field perpendicular to the light transmission control layer is different. Specifically, the thickness of each of the two-dimensional
[0077]
The optical shutter of the fourth embodiment can be manufactured by adding the following steps between [Step-230] and [Step-240] of the second embodiment. Note that the reference numbers of the two-dimensional conductive layer, the interlayer insulating layer, the quantum box, and the barrier layer formed in [Step-200] to [Step-230] of Example 2 are 24A, 40A, 18A, and 16A, respectively. I do.
[0078]
[Step-400]
An insulating
[0079]
[Step-410]
Next, after forming a semiconductor raw material layer on the insulating
[0080]
[Step-420]
Thereafter, an
[0081]
[Step-430]
Next, a semiconductor raw material layer is formed on the
[0082]
Next, [Step-400] to [Step-430] are repeated a desired number of times. In the fourth embodiment, the multilayer light transmission control layer is formed by stacking three light transmission control layers. Therefore, [Step-400] to [Step-430] are repeated once. The thickness of the two-dimensional conductive layer 24C was larger than that of the two-dimensional
[0083]
As described above, the optical shutter of the present invention and the manufacturing method thereof have been described based on the preferred embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments. The film formation method and various conditions in the examples are mere examples, and can be changed as appropriate. The semiconductor raw material layer can be made of a direct transition type semiconductor material such as amorphous silicon, germanium, or the like, in addition to polysilicon. Alternatively, any other material may be used as long as an oxide film functioning as a barrier layer can be formed on the surface, and the material absorbs light to such an extent that there is no practical problem. The interlayer insulating layer and the insulating layer are not limited to silicon dioxide, and may be made of a known insulating material such as SiN that can be deposited on the quantum box layer or the two-dimensional conductive layer by an appropriate method. In addition to glass, the substrate may be made of quartz, a silicon substrate, or any other transparent substrate that can withstand heat treatment and that transmits light to an extent that causes no practical problem.
[0084]
In the third and fourth embodiments, the thickness of each of the two-dimensional
[0085]
Gradual control of the transmittance of light incident on the optical shutter can also be performed by making the size of the quantum box constituting the light transmission control layer different in each light transmission control layer. In this case, when the average value of the size of the quantum box in a certain light transmission control layer is 1, the average value of the size of the quantum box in the adjacent light transmission control layer is, for example, 1.3 to 1.5. Or 0.6 to 0.8. For this purpose, the size of the quantum box is changed by changing the thickness of the semiconductor raw material layer for forming a plurality of semiconductor crystal grains and / or changing the time for oxidizing each surface of the semiconductor crystal grains. Can be different.
[0086]
Furthermore, the distance between the quantum boxes constituting the light transmission control layer may be different in each light transmission control layer. In this case, assuming that the average value of the distance between quantum boxes in a certain light transmission control layer is 1, the average value of the distance between quantum boxes in adjacent light transmission control layers is, for example, 1.3 to 1.5. Or 0.6 to 0.8. For this purpose, the size of the quantum box is changed by changing the thickness of the semiconductor raw material layer for forming a plurality of semiconductor crystal grains and / or changing the time for oxidizing each surface of the semiconductor crystal grains. Can be different.
[0087]
Alternatively, it can be performed by making the material of the quantum box constituting the light transmission control layer different in each light transmission control layer. In this case, for example, a combination of materials constituting each quantum box as exemplified by a combination of Si and SiGe can be used.
[0088]
In the third and fourth embodiments, a multi-layer light transmission control layer composed of three light transmission control layers has been described as an example. However, the number of light transmission control layers constituting the multi-layer light transmission control layer is limited to three. Instead, the number of light transmission control layers suitable for a desired gradation may be set.
[0089]
The method for forming the two-dimensional conductive layer and the method for heat-treating the semiconductor raw material layer are not limited to the laser annealing treatment, and an RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment can be employed.
[0090]
The optical shutter of the present invention is desirably manufactured by the optical shutter manufacturing method of the present invention, but is not limited to the optical shutter manufacturing method of the present invention. After forming a layer made of semiconductor crystal grains (referred to as a semiconductor crystal grain layer), the quantum box can be formed by patterning the semiconductor crystal grain layer. At the time of patterning, the resist material on the semiconductor crystal grain layer is formed, for example, by forming an electron beam with a sufficiently small spot diameter in a predetermined resist material gas atmosphere in a vacuum-evacuated sample chamber of an electron beam irradiation apparatus. The irradiation can be performed by selectively irradiating the electron beam onto the grain layer and depositing a decomposition product of a resist raw material gas on a portion of the semiconductor crystal grain layer irradiated with the electron beam. The etching of the semiconductor crystal grain layer at the time of patterning can be performed by an anisotropic dry etching method such as an RIE method. The plane shape of the quantum box can be, for example, rectangular. A barrier layer made of silicon dioxide may be deposited on and between the plurality of quantum boxes thus formed by, for example, a CVD method.
[0091]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an optical shutter having high light transmittance and excellent responsiveness, to which a quantum box having no heterojunction is applied. When forming a quantum box, a wide range of materials can be selected such as a base. Further, a highly integrated optical shutter can be realized in, for example, a silicon device. According to the method for manufacturing an optical shutter of the present invention, it is possible to manufacture an optical shutter including a plurality of fine quantum boxes in which quantum boxes are very close to each other via a thin oxide film. When the optical shutter of the present invention is applied to a display device, a display device with excellent resolution can be manufactured. Further, by providing the optical shutter with a multilayer light transmission control layer, the light transmittance of the optical shutter can be controlled in a gradation manner. Therefore, for example, a flat display having gradation can be manufactured based on the optical shutter of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of an optical shutter according to a first embodiment and a second embodiment.
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view in each step for explaining a method for manufacturing the optical shutter of Example 1.
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view in each step for explaining the method for manufacturing the optical shutter of Example 1 following FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view in each step for describing a method for manufacturing an optical shutter of Example 2.
FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of an optical shutter according to a third embodiment.
FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of an optical shutter according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a diagram schematically showing electric field strength and Fermi energy applied to an optical shutter, quantum state energy of a quantum box, and movement of electrons.
FIG. 8 is a diagram schematically showing electric field strength and Fermi energy applied to an optical shutter, quantum state energy of a quantum box, and movement of electrons.
FIG. 9 is a diagram schematically showing a relationship between an electric field intensity applied to an optical shutter and light transmittance.
[Explanation of symbols]
10 Substrate
12,22 Semiconductor material layer
14 Semiconductor grains
16, 16A, 16B, 16C Barrier layer
18, 18A, 18B, 18C quantum box
20, 20A, 20B, 20C, 40, 40A, 40B, 40C Interlayer insulating layer
24, 24A, 24B, 24C Two-dimensional conductive layer
30, 36A, 36B, 36C insulating layer
32 upper control electrode
34 lower control electrode
Claims (39)
（ロ）該基体の表面上に形成された複数の量子箱と、
（ハ）該量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、
（ニ）該障壁層の上方に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、
（ホ）基体の裏面上に形成された制御電極、及び、絶縁層を介して２次元導電層上に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする光シャッター。(A) a substrate that transmits light;
(B) a plurality of quantum boxes formed on the surface of the substrate;
(C) barrier layers formed between and on the quantum boxes;
(D) a two-dimensional conductive layer formed above the barrier layer for controlling transmission and blocking of light;
(E) a control electrode formed on the back surface of the base , and a control electrode formed on the two-dimensional conductive layer via an insulating layer;
An optical shutter comprising:
（ロ）該基体の表面上に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、
（ハ）該２次元導電層上に形成された層間絶縁層と、
（ニ）該層間絶縁層の上に形成された複数の量子箱と、
（ホ）該量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、
（ヘ）基体の裏面上に形成された制御電極、及び、障壁層上方に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする光シャッター。(A) a substrate that transmits light;
(B) a two-dimensional conductive layer for controlling transmission and blocking of light formed on the surface of the substrate;
(C) an interlayer insulating layer formed on the two-dimensional conductive layer;
(D) a plurality of quantum boxes formed on the interlayer insulating layer;
(E) barrier layers formed between and on the quantum boxes;
(F) a control electrode formed on the back surface of the base , and a control electrode formed above the barrier layer;
An optical shutter comprising:
（ロ）複数の量子箱と、該量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、該障壁層の上方に形成された光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、その上に形成された絶縁層とから成る光透過制御層が複数層積層されて成る、前記基体の表面上に形成された多層光透過制御層と、
（ハ）基体の裏面上に形成された制御電極、及び、最上部の光透過制御層の上に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする光シャッター。(A) a substrate that transmits light;
(B) a plurality of quantum boxes, barrier layers formed between and on the quantum boxes, and two-dimensional conductive layers formed above the barrier layers for controlling transmission and blocking of light. A multilayer light transmission control layer formed on the surface of the substrate, wherein a plurality of light transmission control layers each including an insulating layer formed thereon are laminated;
(C) a control electrode formed on the back surface of the base , and a control electrode formed on the uppermost light transmission control layer;
An optical shutter comprising:
（ロ）光の透過・遮断を制御するための２次元導電層と、該２次元導電層上に形成された層間絶縁層と、該層間絶縁層の上に形成された複数の量子箱と、該量子箱の間及び量子箱上に形成された障壁層と、該障壁層上に形成された絶縁層とから成る光透過制御層が複数層積層されて成る、前記基体の表面上に形成された多層光透過制御層と、
（ハ）基体の裏面上に形成された制御電極、及び、最上部の光透過制御層の上に形成された制御電極、
から成ることを特徴とする光シャッター。(A) a substrate that transmits light;
(B) a two-dimensional conductive layer for controlling transmission and blocking of light, an interlayer insulating layer formed on the two-dimensional conductive layer, and a plurality of quantum boxes formed on the interlayer insulating layer; A plurality of light transmission control layers each including a barrier layer formed between and on the quantum boxes and an insulating layer formed on the barrier layer are formed on the surface of the base, and the light transmission control layers are formed by laminating a plurality of layers. A multilayer light transmission control layer,
(C) a control electrode formed on the back surface of the base , and a control electrode formed on the uppermost light transmission control layer;
An optical shutter comprising:
（ロ）障壁層の上方に半導体原料層を形成した後、該半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程と、
（ハ）基体の裏面上に制御電極を形成する工程、及び、絶縁層を介して２次元導電層上に制御電極を形成する工程、
から成ることを特徴とする光シャッターの作製方法。(A) forming a semiconductor raw material layer on the surface of the substrate, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and then oxidizing each surface of the semiconductor crystal grains to form an oxide film; Forming quantum boxes made of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer made of the oxide film;
(B) forming a semiconductor material layer above the barrier layer, and then subjecting the semiconductor material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light;
(C) a step of forming a control electrode on the back surface of the base , and a step of forming a control electrode on the two-dimensional conductive layer via an insulating layer;
A method for manufacturing an optical shutter, comprising:
（ロ）２次元導電層上に層間絶縁層を形成する工程と、
（ハ）該層間絶縁層上に半導体原料層を形成し、次いで、該半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、該半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成して、該酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程と、
（ニ）基体の裏面上に制御電極を形成する工程、及び、障壁層上方に制御電極を形成する工程、
から成ることを特徴とする光シャッターの作製方法。(A) forming a semiconductor raw material layer on the surface of the substrate, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light;
(B) forming an interlayer insulating layer on the two-dimensional conductive layer;
(C) forming a semiconductor material layer on the interlayer insulating layer, and then subjecting the semiconductor material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and then oxidizing each surface of the semiconductor crystal grains to oxidize the semiconductor crystal grains; Forming a film to form quantum boxes of semiconductor grains separated from each other by a barrier layer of the oxide film;
(D) forming a control electrode on the back surface of the base , and forming a control electrode above the barrier layer;
A method for manufacturing an optical shutter, comprising:
（イ’）２次元導電層上に絶縁層を形成する工程と、
（ロ’）該絶縁層上に半導体原料層を形成し、次いで、該半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、該半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、該酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程と、
（ハ’）障壁層の上方に半導体原料層を形成した後、該半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程、
を所望回数繰り返すことを特徴とする請求項２２に記載の光シャッターの作製方法。Following the step (b),
(B) forming an insulating layer on the two-dimensional conductive layer;
(B ′) forming a semiconductor raw material layer on the insulating layer, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and then oxidizing each surface of the semiconductor crystal grains to oxidize the semiconductor crystal grains; Forming a film and forming quantum boxes of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer of the oxide film;
(C) forming a semiconductor material layer above the barrier layer and then subjecting the semiconductor material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light;
23. The method for manufacturing an optical shutter according to claim 22, wherein is repeated a desired number of times.
（イ’）量子箱の上に絶縁層を形成する工程と、
（ロ’）該絶縁層上に半導体原料層を形成した後、該半導体原料層に熱処理を施して、半導体結晶粒から成りそして光の透過・遮断を制御する２次元導電層を形成する工程と、
（ハ’）２次元導電層上に層間絶縁層を形成する工程と、
（ニ’）該層間絶縁層上に半導体原料層を形成し、次いで、該半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成した後、該半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成して、該酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する工程、
を所望回数繰り返すことを特徴とする請求項２４に記載の光シャッターの作製方法。Following the step (c),
(B) forming an insulating layer on the quantum box;
(B ′) forming a semiconductor raw material layer on the insulating layer, and then subjecting the semiconductor raw material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains and controlling transmission and blocking of light; ,
(C ′) forming an interlayer insulating layer on the two-dimensional conductive layer;
(D ') forming a semiconductor raw material layer on the interlayer insulating layer, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and then oxidizing each surface of the semiconductor crystal grains; Forming an oxide film to form quantum boxes of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer of the oxide film;
25. The method of manufacturing an optical shutter according to claim 24, wherein is repeated a desired number of times.
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