JP3864222B2 - 半導体素子構造、電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法 - Google Patents
半導体素子構造、電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3864222B2 JP3864222B2 JP2002280182A JP2002280182A JP3864222B2 JP 3864222 B2 JP3864222 B2 JP 3864222B2 JP 2002280182 A JP2002280182 A JP 2002280182A JP 2002280182 A JP2002280182 A JP 2002280182A JP 3864222 B2 JP3864222 B2 JP 3864222B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon substrate
- island
- nitride
- semiconductor
- semiconductor device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 101
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 57
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 56
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 56
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 55
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 46
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 11
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009125 cardiac resynchronization therapy Methods 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000007788 roughening Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
- H01J1/308—Semiconductor cathodes, e.g. cathodes with PN junction layers
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子エミッタにおいて好適に用いられる半導体素子構造、かかる半導体素子構造を含む電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線はＸ線発生装置などの測定機器、電子線露光装置などの半導体微細加工装置などに用いられているほか、家庭用表示装置としてのブラウン管における蛍光体励起用線源として用いられている。従来、このような電子源としては、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料ならびにその化合物が用いられてきた。高融点材料からの電子放射は熱電子放出の原理に基づいており、前記材料を高い温度に保つ必要があるため、省エネルギーの観点からも改善への要望が高かった。
【０００３】
一方、情報化社会への加速が進み、文字・画像情報の表示装置としてのフラットパネルディスプレイへの需要が高まりブラウン管にかわる液晶表示装置、プラズマ表示装置などが開発されている。冷陰極フラットパネルディスプレイはブラウン管と同じ電子線励起で画像を得ることができ、従来技術の継承が可能であるばかりか消費電力の低減と薄型化、小型化が可能であり、その開発が望まれている。この開発が遅れているのは適当な冷陰極材料ならびにその作製技術が無かったからである。
【０００４】
冷陰極電子線源としては電子親和力の低い材料を用いる必要があり、ダイヤモンド、シリコンなどが試みられ、一部試験的に実用化されている。ダイヤモンドは電子親和力が低いものの作製加工が困難で制御性に難がある。シリコンは加工技術に優れ、高度な微細加工により駆動電圧の低い素子が得られるものの、電子親和力が高いため寿命に難がある。
【０００５】
一方で、近年、カーボンナノチューブなる素子が開発され、このカーボンナノチューブを用いることにより、極めて細いエミッタが得られ、その結果、駆動電圧の低減が可能となるとともに、輝度の向上を実現できるようになった。しかしながら、作製方法が確立しておらず制御性に難がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような観点より、長寿命で高輝度な電子源を得るためには新しい材料の開発が望まれてきた。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み、電子エミッタなどの電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造及び半導体素子構造の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、電子エミッタにおいて用いる半導体素子構造であって、前記電子エミッタの導電性基板としての(111)面n型シリコン基板と、前記シリコン基板の主面上に形成され、前記主面が露出するようにして形成された開口部を有し、この開口部内に露出した前記シリコン基板の前記主面からヘテロエピタキシャル成長を選択的に可能とするマスク層と、前記開口部内に、前記へテロエピタキシャル成長を通じて自己形成的に形成され、前記(111)面n型シリコン基板の結晶方位によって決定された(1-101)のファセット面を側面とする第1の窒化物系半導体からなる六角錐形状の島状構造部であり、前記第 1 の窒化物系半導体が Al x1 Ga y1 N(x1+y1=1 、 0 ≦ x1 ≦ 1 、 0 ≦ y1 ≦ 1) なる組成を有する島状構造部と、前記シリコン基板の前記主面と前記島状構造部との間の前記開口部における第 2 の窒化物系半導体からなる緩衝層であり、前記第 2 の窒化物系半導体が Al x2 Ga y2 N(x2+y2=1 、 0 ≦ x2 ≦ 1 、 0 ≦ y2 ≦ 1) なる組成を有する緩衝層とを具え、前記島状構造部が前記電子エミッタのティップを構成することを特徴とする、半導体素子構造、かかる半導体素子構造を含む電子エミッタに係るものである。
【０００９】
また、本発明は、電子エミッタにおいて用いる半導体素子構造を得るにあたり、 (a)(111)面n型シリコン基板を準備する工程と、(b)前記シリコン基板の主面上に形成され、前記主面が露出するようにして形成された開口部を有し、この開口部内に露出した前記シリコン基板の前記主面からヘテロエピタキシャル成長を選択的に可能とするマスク層を形成する工程と、(c)前記開口部内に、前記へテロエピタキシャル成長を通じて自己形成的に形成され、前記(111)面n型シリコン基板の結晶方位によって決定された(1-101)のファセット面を側面とする第1の窒化物系半導体からなり、電子エミッタのティップを構成する六角錐形状の島状構造部であり、前記第 1 の窒化物系半導体が Al x1 Ga y1 N(x1+y1=1 、 0 ≦ x1 ≦ 1 、 0 ≦ y1 ≦ 1) なる組成を有する島状構造部を形成する工程と、(d) 前記 (c) 工程に先立って、前記シリコン基板の前記主面と前記島状構造部との間の前記開口部における第 2 の窒化物系半導体からなる緩衝層であり、前記第 2 の窒化物系半導体が Al x2 Ga y2 N(x2+y2=1 、 0.1 ≦ x2 ≦ 0.5 、 0.5 ≦ y2 ≦ 0.9) なる組成を有する緩衝層を形成する工程と、を具えることを特徴とする、半導体素子構造の製造方法に係るものである。
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、以下の事実を発見するに至った。
一般式ＡｌｘＧａｙＮ（ただし、ｘ＋ｙ＝１，０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される窒化物系半導体をサファイア基板やシリコン基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで堆積させると、成長条件を制御することによって単結晶を得ることができる。但し、一般的には前記窒化物系半導体と前記基板との間の格子定数差や熱膨張係数差に起因して、前記窒化物系半導体中には転位やクラックが生成され、その結晶品質を十分に向上させることができない。
【００１１】
しかしながら、本発明に従って、シリコン基板を用いるとともに、このシリコン基板の主面上において、前記主面が露出するように貫通した開口部を有するマスク層を形成し、前記開口部内に例えばＣＶＤ法によって窒化物系半導体を選択的に成長させる。すると、前記開口部内において前記窒化物系半導体が、前記開口部の形状とは無関係に、六角錐形状に自己形成的にエピタキシャル成長することを見出した。さらに、前記窒化物系半導体の結晶方位は、前記シリコン基板の結晶方位によって決定され、前記エピタキシャル成長がヘテロエピタキシャル成長として実行され、異種材料である前記シリコン基板上に窒化物系半導体を高結晶品質の下に形成できることを見出した。
【００１２】
また、本発明の半導体素子構造はｎ型シリコン基板を含んでいる。このシリコン基板は導電性を有するため、電子エミッタなどの電子源の基板として好適である。ｎ型シリコン基板を用いれば、このｎ型シリコン基板の裏面に設けた電極を通して容易に電流を流すことができるようになる。
【００１３】
さらに、前記窒化物系半導体からなる六角錐形状の島状構造部を有しており、これが電子エミッタのティップとして機能する。エミッタとしての寿命はティップ先端の形状ならびに構造変化に起因する要素により決まる。窒化物系半導体は一般に物理的に堅牢で化学的耐性に優れている。すなわち、タングステンなどの金属材料が酸素雰囲気中で高い電界を印加すると表面が変性しやすく不安定であるのに対して、窒化物系半導体ではそのようなことが認められない。この結果、窒化物系半導体からなる前記島状構造部は安定なティップとなり、長寿命を保証する。
【００１４】
従来のように、電子エミッタのティップをシリコンから構成する場合、低駆動電圧で動作させるためには、シリコンの大きな電子親和力に起因して、ティップ先端の電界強度を確保すべく、ティップ先端を先鋭にする必要がある。たとえば、駆動電圧５０Ｖを得るためにはティップ先端の曲率半径は４ｎｍ程度が必要である。
【００１５】
これに対して、本発明の半導体素子構造においては、ティップを構成する島状構造部が窒化物系半導体から形成されており、その電子親和力が比較的小さいために、曲率半径が２００ｎｍでも、駆動電圧を４５Ｖ程度に低減することができる。この結果、ティップ先端にかかる負荷が小さく、ティップ寿命を増大させることができる。
【００１６】
結果として、本発明によれば、電子エミッタなどの電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造及び半導体素子構造の製造方法を提供することができる。また、前記半導体素子構造から電子エミッタを構成することにより、低電圧駆動、長寿命、大電流密度で加工プロセスの簡便な電子エミッタを実現できる。
【００１７】
なお、本発明においては、前記開口部の大きさを１μｍとし、前記開口部を２μｍの周期で配列したとすると、１平方センチメートル当たり２５００万個の電子エミッタを作製することができることになる。
【００１８】
本発明においては、前記マスク層と前記島状構造部との間に第２の窒化物系半導体からなる緩衝層を設ける。例えば、前記縞状構造部をＣＶＤ法を用いて形成する場合において、前記島状構造部を前記マスク層の開口部内において前記シリコン基板上に直接的に形成しようとすると、ＣＶＤ法に用いる原料ガスと前記シリコン基板とが化学的に反応して、前記シリコン基板の主面が荒れてしまう場合がある。このような状態でＣＶＤプロセスを実行して前記島状構造部を形成すると、その結晶品質が劣化してしまい、電子エミッタなどとして用いた場合に十分な特性を発揮しなくなる場合がある。
【００１９】
このような場合において、上述したような緩衝層を設けることにより、ＣＶＤプロセスなどによる前記シリコン基板の前記主面の荒れを抑制し、結晶品質に優れた島状構造部を形成することができるようになる。
【００２０】
本発明の他の好ましい態様においては、前記島状構造部を構成する第１の窒化物系半導体に対してドーパントを含有させる。本発明の半導体素子構造における前記島状構造部は結晶品質が良好であるために、その電気抵抗値が比較的大きくなってしまい、電子エミッタなどの電子線源として適用するに際し、適さなくなる場合がある。
【００２１】
このような場合において、前記島状構造部をドーパントを含んだ窒化物系半導体から構成すると、前記ドーパントの影響によって前記島状構造部全体の電気抵抗を低減することができるようになる。したがって、前記島状構造部が良好な結晶品質を有する場合においても、その電気抵抗値を所定の値以下にすることができ、電子エミッタなどの電子線源として好適に用いることができる。
【００２２】
また、本発明のその他の好ましい態様においては、前記島状構造部を覆うようにして第３の窒化物系半導体からなる被覆層を形成する。上述したように、電子エミッタのティップの駆動電圧を低減させるためには、その電子親和力を低下させることが要求される。したがって、本発明の半導体素子構造において、前記ティップを構成する前記島状構造部は、例えばＡｌを比較的多量に含む窒化物系半導体から構成することが要求される。しかしながら、このような窒化物系半導体は電気抵抗値が増大してしまい、電子エミッタなどの電子線源として使用することができなくなる場合がある。
【００２３】
このような場合において、前記島状構造部を例えばＡｌ含有量が比較的大きい第３の窒化物系半導体から構成され、電気抵抗値が低減された被覆層で覆うようにすることにより、前記島状構造部の電気抵抗値を実質的に低減することができ、前記島状構造部の低電子親和力を利用した低駆動電圧の電子線源を提供することができる。
本発明のその他の特徴及び利点については、以下において詳述する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。
図１〜図５は、本発明の半導体素子構造の製造工程を示す図である。最初に、シリコン基板１を準備する。このシリコン基板１は、前述したように、（１１１）面のｎ型シリコン基板から構成することができる。次いで、図１に示すように、シリコン基板１の主面１Ａ上にスパッタリング法やＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて、後にマスク層を形成する下地層２２を、例えば１０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに均一に形成する。
【００２５】
次いで、下地層２２に対してフォトリソグラフィ及び電子線リソグラフィなどの技術を施すことにより、図２に示すように下地層２２中に開口部３を形成し、マスク層２を形成する。
【００２６】
なお、開口部３の形状は特に限定されず、任意の形状に形成することができる。例えば、開口部３を円形状としたり、矩形状としたりすることができる。前者の場合、その直径が２０ｎｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい。また、後者の場合、その一辺の長さが２０ｎｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい。このような場合においては、後に形成する島状構造部の形状に対して開口部３の形態がほとんど影響を及ぼさなくなり、マスク層２中に形成された複数の開口部の形態がそれぞれ大きくずれているような場合においても、最終的な島状構造部の形態はほぼ一定となる。
【００２７】
次いで、図３に示すように、マスク層２の開口部３内に露出したシリコン基板１の主面１Ａを覆うようにして緩衝層４を公知の成膜手法を用いて形成する。これによって、後に示すように、ＣＶＤプロセスなどによって島状構造部をシリコン基板１上に形成するに際し、シリコン基板１の主面１Ａの荒れを抑制し、結晶品質に優れた島状構造部を形成することができるようになる。但し、緩衝層４は本発明の必須の構成要素ではない。なお、緩衝層４の厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍに形成することが好ましい。
【００２８】
また、前記成膜操作は開口部３を含めたマスク層４の全体に対して行なうが、緩衝層４はマスク層２上には形成されず、開口部３内のシリコン基板１の主面１Ａ上のみに選択的に形成されるようになる。
【００２９】
また、緩衝層４は後に形成すべき島状構造部に対しての下地層としても機能することから、島状構造部と同様に窒化物系半導体から構成する。具体的には、島状構造部を構成する窒化物系半導体と合致させて、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）なる組成を有する窒化物系半導体から構成する。
【００３０】
この場合、Ａｌ含有量ｘ２は０．１≦ｘ２≦０．５、すなわちＡｌ含有量を１０原子％〜５０原子％に設定する。上述した組成の窒化物系半導体においては、Ａｌ含有量が増大するに従って、その電気抵抗値が増大するようになる。したがって、前述した組成の窒化物系半導体から緩衝層４を構成した場合、前記窒化物系半導体中におけるＡｌ含有量が大きくなると、緩衝層４の電気抵抗値が増大して、最終的に得た半導体素子構造を電子エミッタなどの電子線源として使用することができなくなる場合がある。
【００３１】
かかる場合において、緩衝層４を構成するＡｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）なる組成の窒化物系半導体中のＡｌ含有量を上記範囲に設定することにより、電気抵抗値の大きさと緩衝層としての機能とがバランスし、電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造を提供することができるようになる。
【００３２】
なお、緩衝層４の厚さを５０ｎｍ以下とすれば、緩衝層４を構成する窒化物系半導体中のＡｌ含有量が上記範囲を超えて増大した場合においても、緩衝層４全体としての電気抵抗値を低減することができる。
【００３３】
次いで、図４に示すように、マスク層２の開口部３内に窒化物系半導体からなる六角錐状の島状構造部５を形成する。島状構造部５を構成する前記窒化物系半導体としては、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＝１、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）なる組成を有する。
【００３４】
上述したような組成の窒化物系半導体から島状構造部５を構成すると、その電子親和力は前記窒化物系半導体の組成制御によって簡易に変化させることができ、具体的にはＡｌ含有量の増大に伴って電子親和力が低下し、電気抵抗値が増大する。したがって、電子親和力を低下させるという観点からは、前記窒化物系半導体のＡｌ含有量を増大し、電気抵抗値を減少させるという観点からは、前記窒化物系半導体のＡｌ含有量を減少させる。
【００３５】
なお、島状構造部５は、シリコン基板１上においてヘテロエピタキシャル成長により形成され、良好な結晶品質を有するようになる。この場合、島状構造部５の電気抵抗が増大して、電子エミッタなどの電子線源に対して適用できなくなる場合がある。したがって、島状構造部５を構成する前記窒化物系半導体内にドーパントを含有させ、その電気抵抗値を所定の値以下とすることが好ましい。前記ドーパントとしてはＳｉなどを例示することができる。
【００３６】
島状構造部５は、シリコン基板１を８００℃〜１２００℃に加熱し、III族元素供給ガス及び窒素源供給ガスをシリコン基板１の主面１Ａ上に供給してＣＶＤ法により作製することができる。前記III族元素供給ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などを例示することができる。前記窒素源供給ガスとしてはアンモニアなどを例示することができる。
このとき、（１１１）面のｎ型シリコン基板１の主面１Ａ上には、（１−１０１）ファセット面を側面とする六角錐状の島状構造部５が形成される。
【００３７】
なお、特に緩衝層４を設けない場合においては、島状構造部５をＣＶＤ法を用いて作製する際、窒素源供給ガスであるアンモニアガスがシリコン基板１の主面１Ａと接触して、主面１Ａを窒化してしまう場合がある。このような場合においては、ＣＶＤプロセスを実行しても良好な結晶品質の島状構造部５を形成することができない。
【００３８】
したがって、かかる場合においては、アンモニアガスなどをシリコン基板１の主面１Ａ上に供給する以前に、トリメチルアルミニウムなどのIII族元素供給ガスを主面１Ａ上に供給する。これによって、主面１Ａがアルミニウムなどで覆われるようになるので、アンモニアガスなどの窒化の影響を受けることなく、良好な結晶品質を有する島状構造部５をＣＶＤ法などによって簡易に形成することができるようになる。
【００３９】
次いで、図５に示すように、公知の成膜手法を用いることにより、島状構造部５を覆うようにして窒化物系半導体からなる被覆層６を形成し、目的とする半導体素子構造を作製する。被覆層６は、具体的にはＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ（ｘ３＋ｙ３＝１、０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）なる組成を有する窒化物系半導体から構成することが好ましい。但し、被覆層６は本発明の必須の構成要素ではない。
【００４０】
前述したように、窒化物系半導体中のＡｌ含有量が増大するにつれて、その電子親和力は低下し、電気抵抗値は増大する。したがって、島状構造部５をＧａＮから構成してその電気抵抗値を低減し、被覆層６をＡｌＮから構成してその電子親和力を低下させるようにすることにより、十分に低い電子親和力を有し、電子放出効率に優れた電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造を提供することができるようになる。
【００４１】
なお、被覆層６が上述したような作用効果を効果的に発揮できるためには、その厚さが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。また、被覆層６の厚さが２００ｎｍを超えると縞状構造部５との格子不整合に起因して、被覆層６内部にクラックなどが形成されてしまう場合がある。さらには、被覆層６の電気抵抗値が増大して上述した作用効果を奏することができなくなる場合がある。
【００４２】
以上の工程を経て得た半導体素子構造は、島状構造部５の先端部が２００ｎｍ以上の曲率半径を有する場合においても、電子エミッタなどの電子線源として用いた場合に、駆動電圧を十分に低減させることができ、例えば４５Ｖまで低減することができる。
【００４３】
以上、具体例を示しながら発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変形や変更が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子エミッタにおいて好適に用いられる半導体素子構造及び半導体素子構造の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体素子構造の一製造工程を示す斜視図である。
【図２】 図１に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【図３】 図２に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【図４】 図３に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【図５】 図４に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ マスク層
３ 開口部
４ 緩衝層
５ 島状構造部
６ 被覆層
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子エミッタにおいて好適に用いられる半導体素子構造、かかる半導体素子構造を含む電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線はＸ線発生装置などの測定機器、電子線露光装置などの半導体微細加工装置などに用いられているほか、家庭用表示装置としてのブラウン管における蛍光体励起用線源として用いられている。従来、このような電子源としては、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料ならびにその化合物が用いられてきた。高融点材料からの電子放射は熱電子放出の原理に基づいており、前記材料を高い温度に保つ必要があるため、省エネルギーの観点からも改善への要望が高かった。
【０００３】
一方、情報化社会への加速が進み、文字・画像情報の表示装置としてのフラットパネルディスプレイへの需要が高まりブラウン管にかわる液晶表示装置、プラズマ表示装置などが開発されている。冷陰極フラットパネルディスプレイはブラウン管と同じ電子線励起で画像を得ることができ、従来技術の継承が可能であるばかりか消費電力の低減と薄型化、小型化が可能であり、その開発が望まれている。この開発が遅れているのは適当な冷陰極材料ならびにその作製技術が無かったからである。
【０００４】
冷陰極電子線源としては電子親和力の低い材料を用いる必要があり、ダイヤモンド、シリコンなどが試みられ、一部試験的に実用化されている。ダイヤモンドは電子親和力が低いものの作製加工が困難で制御性に難がある。シリコンは加工技術に優れ、高度な微細加工により駆動電圧の低い素子が得られるものの、電子親和力が高いため寿命に難がある。
【０００５】
一方で、近年、カーボンナノチューブなる素子が開発され、このカーボンナノチューブを用いることにより、極めて細いエミッタが得られ、その結果、駆動電圧の低減が可能となるとともに、輝度の向上を実現できるようになった。しかしながら、作製方法が確立しておらず制御性に難がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような観点より、長寿命で高輝度な電子源を得るためには新しい材料の開発が望まれてきた。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み、電子エミッタなどの電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造及び半導体素子構造の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、電子エミッタにおいて用いる半導体素子構造であって、前記電子エミッタの導電性基板としての(111)面n型シリコン基板と、前記シリコン基板の主面上に形成され、前記主面が露出するようにして形成された開口部を有し、この開口部内に露出した前記シリコン基板の前記主面からヘテロエピタキシャル成長を選択的に可能とするマスク層と、前記開口部内に、前記へテロエピタキシャル成長を通じて自己形成的に形成され、前記(111)面n型シリコン基板の結晶方位によって決定された(1-101)のファセット面を側面とする第1の窒化物系半導体からなる六角錐形状の島状構造部であり、前記第 1 の窒化物系半導体が Al x1 Ga y1 N(x1+y1=1 、 0 ≦ x1 ≦ 1 、 0 ≦ y1 ≦ 1) なる組成を有する島状構造部と、前記シリコン基板の前記主面と前記島状構造部との間の前記開口部における第 2 の窒化物系半導体からなる緩衝層であり、前記第 2 の窒化物系半導体が Al x2 Ga y2 N(x2+y2=1 、 0 ≦ x2 ≦ 1 、 0 ≦ y2 ≦ 1) なる組成を有する緩衝層とを具え、前記島状構造部が前記電子エミッタのティップを構成することを特徴とする、半導体素子構造、かかる半導体素子構造を含む電子エミッタに係るものである。
【０００９】
また、本発明は、電子エミッタにおいて用いる半導体素子構造を得るにあたり、 (a)(111)面n型シリコン基板を準備する工程と、(b)前記シリコン基板の主面上に形成され、前記主面が露出するようにして形成された開口部を有し、この開口部内に露出した前記シリコン基板の前記主面からヘテロエピタキシャル成長を選択的に可能とするマスク層を形成する工程と、(c)前記開口部内に、前記へテロエピタキシャル成長を通じて自己形成的に形成され、前記(111)面n型シリコン基板の結晶方位によって決定された(1-101)のファセット面を側面とする第1の窒化物系半導体からなり、電子エミッタのティップを構成する六角錐形状の島状構造部であり、前記第 1 の窒化物系半導体が Al x1 Ga y1 N(x1+y1=1 、 0 ≦ x1 ≦ 1 、 0 ≦ y1 ≦ 1) なる組成を有する島状構造部を形成する工程と、(d) 前記 (c) 工程に先立って、前記シリコン基板の前記主面と前記島状構造部との間の前記開口部における第 2 の窒化物系半導体からなる緩衝層であり、前記第 2 の窒化物系半導体が Al x2 Ga y2 N(x2+y2=1 、 0.1 ≦ x2 ≦ 0.5 、 0.5 ≦ y2 ≦ 0.9) なる組成を有する緩衝層を形成する工程と、を具えることを特徴とする、半導体素子構造の製造方法に係るものである。
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、以下の事実を発見するに至った。
一般式ＡｌｘＧａｙＮ（ただし、ｘ＋ｙ＝１，０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される窒化物系半導体をサファイア基板やシリコン基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで堆積させると、成長条件を制御することによって単結晶を得ることができる。但し、一般的には前記窒化物系半導体と前記基板との間の格子定数差や熱膨張係数差に起因して、前記窒化物系半導体中には転位やクラックが生成され、その結晶品質を十分に向上させることができない。
【００１１】
しかしながら、本発明に従って、シリコン基板を用いるとともに、このシリコン基板の主面上において、前記主面が露出するように貫通した開口部を有するマスク層を形成し、前記開口部内に例えばＣＶＤ法によって窒化物系半導体を選択的に成長させる。すると、前記開口部内において前記窒化物系半導体が、前記開口部の形状とは無関係に、六角錐形状に自己形成的にエピタキシャル成長することを見出した。さらに、前記窒化物系半導体の結晶方位は、前記シリコン基板の結晶方位によって決定され、前記エピタキシャル成長がヘテロエピタキシャル成長として実行され、異種材料である前記シリコン基板上に窒化物系半導体を高結晶品質の下に形成できることを見出した。
【００１２】
また、本発明の半導体素子構造はｎ型シリコン基板を含んでいる。このシリコン基板は導電性を有するため、電子エミッタなどの電子源の基板として好適である。ｎ型シリコン基板を用いれば、このｎ型シリコン基板の裏面に設けた電極を通して容易に電流を流すことができるようになる。
【００１３】
さらに、前記窒化物系半導体からなる六角錐形状の島状構造部を有しており、これが電子エミッタのティップとして機能する。エミッタとしての寿命はティップ先端の形状ならびに構造変化に起因する要素により決まる。窒化物系半導体は一般に物理的に堅牢で化学的耐性に優れている。すなわち、タングステンなどの金属材料が酸素雰囲気中で高い電界を印加すると表面が変性しやすく不安定であるのに対して、窒化物系半導体ではそのようなことが認められない。この結果、窒化物系半導体からなる前記島状構造部は安定なティップとなり、長寿命を保証する。
【００１４】
従来のように、電子エミッタのティップをシリコンから構成する場合、低駆動電圧で動作させるためには、シリコンの大きな電子親和力に起因して、ティップ先端の電界強度を確保すべく、ティップ先端を先鋭にする必要がある。たとえば、駆動電圧５０Ｖを得るためにはティップ先端の曲率半径は４ｎｍ程度が必要である。
【００１５】
これに対して、本発明の半導体素子構造においては、ティップを構成する島状構造部が窒化物系半導体から形成されており、その電子親和力が比較的小さいために、曲率半径が２００ｎｍでも、駆動電圧を４５Ｖ程度に低減することができる。この結果、ティップ先端にかかる負荷が小さく、ティップ寿命を増大させることができる。
【００１６】
結果として、本発明によれば、電子エミッタなどの電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造及び半導体素子構造の製造方法を提供することができる。また、前記半導体素子構造から電子エミッタを構成することにより、低電圧駆動、長寿命、大電流密度で加工プロセスの簡便な電子エミッタを実現できる。
【００１７】
なお、本発明においては、前記開口部の大きさを１μｍとし、前記開口部を２μｍの周期で配列したとすると、１平方センチメートル当たり２５００万個の電子エミッタを作製することができることになる。
【００１８】
本発明においては、前記マスク層と前記島状構造部との間に第２の窒化物系半導体からなる緩衝層を設ける。例えば、前記縞状構造部をＣＶＤ法を用いて形成する場合において、前記島状構造部を前記マスク層の開口部内において前記シリコン基板上に直接的に形成しようとすると、ＣＶＤ法に用いる原料ガスと前記シリコン基板とが化学的に反応して、前記シリコン基板の主面が荒れてしまう場合がある。このような状態でＣＶＤプロセスを実行して前記島状構造部を形成すると、その結晶品質が劣化してしまい、電子エミッタなどとして用いた場合に十分な特性を発揮しなくなる場合がある。
【００１９】
このような場合において、上述したような緩衝層を設けることにより、ＣＶＤプロセスなどによる前記シリコン基板の前記主面の荒れを抑制し、結晶品質に優れた島状構造部を形成することができるようになる。
【００２０】
本発明の他の好ましい態様においては、前記島状構造部を構成する第１の窒化物系半導体に対してドーパントを含有させる。本発明の半導体素子構造における前記島状構造部は結晶品質が良好であるために、その電気抵抗値が比較的大きくなってしまい、電子エミッタなどの電子線源として適用するに際し、適さなくなる場合がある。
【００２１】
このような場合において、前記島状構造部をドーパントを含んだ窒化物系半導体から構成すると、前記ドーパントの影響によって前記島状構造部全体の電気抵抗を低減することができるようになる。したがって、前記島状構造部が良好な結晶品質を有する場合においても、その電気抵抗値を所定の値以下にすることができ、電子エミッタなどの電子線源として好適に用いることができる。
【００２２】
また、本発明のその他の好ましい態様においては、前記島状構造部を覆うようにして第３の窒化物系半導体からなる被覆層を形成する。上述したように、電子エミッタのティップの駆動電圧を低減させるためには、その電子親和力を低下させることが要求される。したがって、本発明の半導体素子構造において、前記ティップを構成する前記島状構造部は、例えばＡｌを比較的多量に含む窒化物系半導体から構成することが要求される。しかしながら、このような窒化物系半導体は電気抵抗値が増大してしまい、電子エミッタなどの電子線源として使用することができなくなる場合がある。
【００２３】
このような場合において、前記島状構造部を例えばＡｌ含有量が比較的大きい第３の窒化物系半導体から構成され、電気抵抗値が低減された被覆層で覆うようにすることにより、前記島状構造部の電気抵抗値を実質的に低減することができ、前記島状構造部の低電子親和力を利用した低駆動電圧の電子線源を提供することができる。
本発明のその他の特徴及び利点については、以下において詳述する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。
図１〜図５は、本発明の半導体素子構造の製造工程を示す図である。最初に、シリコン基板１を準備する。このシリコン基板１は、前述したように、（１１１）面のｎ型シリコン基板から構成することができる。次いで、図１に示すように、シリコン基板１の主面１Ａ上にスパッタリング法やＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて、後にマスク層を形成する下地層２２を、例えば１０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに均一に形成する。
【００２５】
次いで、下地層２２に対してフォトリソグラフィ及び電子線リソグラフィなどの技術を施すことにより、図２に示すように下地層２２中に開口部３を形成し、マスク層２を形成する。
【００２６】
なお、開口部３の形状は特に限定されず、任意の形状に形成することができる。例えば、開口部３を円形状としたり、矩形状としたりすることができる。前者の場合、その直径が２０ｎｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい。また、後者の場合、その一辺の長さが２０ｎｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい。このような場合においては、後に形成する島状構造部の形状に対して開口部３の形態がほとんど影響を及ぼさなくなり、マスク層２中に形成された複数の開口部の形態がそれぞれ大きくずれているような場合においても、最終的な島状構造部の形態はほぼ一定となる。
【００２７】
次いで、図３に示すように、マスク層２の開口部３内に露出したシリコン基板１の主面１Ａを覆うようにして緩衝層４を公知の成膜手法を用いて形成する。これによって、後に示すように、ＣＶＤプロセスなどによって島状構造部をシリコン基板１上に形成するに際し、シリコン基板１の主面１Ａの荒れを抑制し、結晶品質に優れた島状構造部を形成することができるようになる。但し、緩衝層４は本発明の必須の構成要素ではない。なお、緩衝層４の厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍに形成することが好ましい。
【００２８】
また、前記成膜操作は開口部３を含めたマスク層４の全体に対して行なうが、緩衝層４はマスク層２上には形成されず、開口部３内のシリコン基板１の主面１Ａ上のみに選択的に形成されるようになる。
【００２９】
また、緩衝層４は後に形成すべき島状構造部に対しての下地層としても機能することから、島状構造部と同様に窒化物系半導体から構成する。具体的には、島状構造部を構成する窒化物系半導体と合致させて、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）なる組成を有する窒化物系半導体から構成する。
【００３０】
この場合、Ａｌ含有量ｘ２は０．１≦ｘ２≦０．５、すなわちＡｌ含有量を１０原子％〜５０原子％に設定する。上述した組成の窒化物系半導体においては、Ａｌ含有量が増大するに従って、その電気抵抗値が増大するようになる。したがって、前述した組成の窒化物系半導体から緩衝層４を構成した場合、前記窒化物系半導体中におけるＡｌ含有量が大きくなると、緩衝層４の電気抵抗値が増大して、最終的に得た半導体素子構造を電子エミッタなどの電子線源として使用することができなくなる場合がある。
【００３１】
かかる場合において、緩衝層４を構成するＡｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）なる組成の窒化物系半導体中のＡｌ含有量を上記範囲に設定することにより、電気抵抗値の大きさと緩衝層としての機能とがバランスし、電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造を提供することができるようになる。
【００３２】
なお、緩衝層４の厚さを５０ｎｍ以下とすれば、緩衝層４を構成する窒化物系半導体中のＡｌ含有量が上記範囲を超えて増大した場合においても、緩衝層４全体としての電気抵抗値を低減することができる。
【００３３】
次いで、図４に示すように、マスク層２の開口部３内に窒化物系半導体からなる六角錐状の島状構造部５を形成する。島状構造部５を構成する前記窒化物系半導体としては、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＝１、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）なる組成を有する。
【００３４】
上述したような組成の窒化物系半導体から島状構造部５を構成すると、その電子親和力は前記窒化物系半導体の組成制御によって簡易に変化させることができ、具体的にはＡｌ含有量の増大に伴って電子親和力が低下し、電気抵抗値が増大する。したがって、電子親和力を低下させるという観点からは、前記窒化物系半導体のＡｌ含有量を増大し、電気抵抗値を減少させるという観点からは、前記窒化物系半導体のＡｌ含有量を減少させる。
【００３５】
なお、島状構造部５は、シリコン基板１上においてヘテロエピタキシャル成長により形成され、良好な結晶品質を有するようになる。この場合、島状構造部５の電気抵抗が増大して、電子エミッタなどの電子線源に対して適用できなくなる場合がある。したがって、島状構造部５を構成する前記窒化物系半導体内にドーパントを含有させ、その電気抵抗値を所定の値以下とすることが好ましい。前記ドーパントとしてはＳｉなどを例示することができる。
【００３６】
島状構造部５は、シリコン基板１を８００℃〜１２００℃に加熱し、III族元素供給ガス及び窒素源供給ガスをシリコン基板１の主面１Ａ上に供給してＣＶＤ法により作製することができる。前記III族元素供給ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などを例示することができる。前記窒素源供給ガスとしてはアンモニアなどを例示することができる。
このとき、（１１１）面のｎ型シリコン基板１の主面１Ａ上には、（１−１０１）ファセット面を側面とする六角錐状の島状構造部５が形成される。
【００３７】
なお、特に緩衝層４を設けない場合においては、島状構造部５をＣＶＤ法を用いて作製する際、窒素源供給ガスであるアンモニアガスがシリコン基板１の主面１Ａと接触して、主面１Ａを窒化してしまう場合がある。このような場合においては、ＣＶＤプロセスを実行しても良好な結晶品質の島状構造部５を形成することができない。
【００３８】
したがって、かかる場合においては、アンモニアガスなどをシリコン基板１の主面１Ａ上に供給する以前に、トリメチルアルミニウムなどのIII族元素供給ガスを主面１Ａ上に供給する。これによって、主面１Ａがアルミニウムなどで覆われるようになるので、アンモニアガスなどの窒化の影響を受けることなく、良好な結晶品質を有する島状構造部５をＣＶＤ法などによって簡易に形成することができるようになる。
【００３９】
次いで、図５に示すように、公知の成膜手法を用いることにより、島状構造部５を覆うようにして窒化物系半導体からなる被覆層６を形成し、目的とする半導体素子構造を作製する。被覆層６は、具体的にはＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ（ｘ３＋ｙ３＝１、０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）なる組成を有する窒化物系半導体から構成することが好ましい。但し、被覆層６は本発明の必須の構成要素ではない。
【００４０】
前述したように、窒化物系半導体中のＡｌ含有量が増大するにつれて、その電子親和力は低下し、電気抵抗値は増大する。したがって、島状構造部５をＧａＮから構成してその電気抵抗値を低減し、被覆層６をＡｌＮから構成してその電子親和力を低下させるようにすることにより、十分に低い電子親和力を有し、電子放出効率に優れた電子線源として好適に用いることのできる半導体素子構造を提供することができるようになる。
【００４１】
なお、被覆層６が上述したような作用効果を効果的に発揮できるためには、その厚さが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。また、被覆層６の厚さが２００ｎｍを超えると縞状構造部５との格子不整合に起因して、被覆層６内部にクラックなどが形成されてしまう場合がある。さらには、被覆層６の電気抵抗値が増大して上述した作用効果を奏することができなくなる場合がある。
【００４２】
以上の工程を経て得た半導体素子構造は、島状構造部５の先端部が２００ｎｍ以上の曲率半径を有する場合においても、電子エミッタなどの電子線源として用いた場合に、駆動電圧を十分に低減させることができ、例えば４５Ｖまで低減することができる。
【００４３】
以上、具体例を示しながら発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変形や変更が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子エミッタにおいて好適に用いられる半導体素子構造及び半導体素子構造の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体素子構造の一製造工程を示す斜視図である。
【図２】 図１に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【図３】 図２に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【図４】 図３に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【図５】 図４に示す工程の次の工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ マスク層
３ 開口部
４ 緩衝層
５ 島状構造部
６ 被覆層
Claims (14)
- 電子エミッタにおいて用いる半導体素子構造であって、
前記電子エミッタの導電性基板としての(111)面n型シリコン基板と、
前記シリコン基板の主面上に形成され、前記主面が露出するようにして形成された開口部を有し、この開口部内に露出した前記シリコン基板の前記主面からヘテロエピタキシャル成長を選択的に可能とするマスク層と、
前記開口部内に、前記へテロエピタキシャル成長を通じて自己形成的に形成され、前記(111)面n型シリコン基板の結晶方位によって決定された(1-101)のファセット面を側面とする第1の窒化物系半導体からなる六角錐形状の島状構造部であり、前記第 1 の窒化物系半導体が Al x1 Ga y1 N(x1+y1=1 、 0 ≦ x1 ≦ 1 、 0 ≦ y1 ≦ 1) なる組成を有する島状構造部と、
前記シリコン基板の前記主面と前記島状構造部との間の前記開口部における第 2 の窒化物系半導体からなる緩衝層であり、前記第 2 の窒化物系半導体が Al x2 Ga y2 N(x2+y2=1 、 0.1 ≦ x2 ≦ 0.5 、 0.5 ≦ y2 ≦ 0.9) なる組成を有する緩衝層とを具え、
前記島状構造部が前記電子エミッタのティップを構成することを特徴とする、半導体素子構造。 - 前記第 1 の窒化物系半導体が GaN である、請求項 1の半導体素子構造。
- 前記緩衝層の厚さが 50nm 以下である、請求項 1 又は 2の半導体素子構造。
- 前記島状構造部を構成する前記第 1 の窒化物系半導体がドーパントを含む、請求項 1 〜 3 のいずれか一項の半導体素子構造。
- 前記ドーパントが Si である、請求項 4の半導体素子構造。
- 前記島状構造部を覆う第 3 の窒化物系半導体からなる被覆層を具える、請求項 1 〜 5 のいずれか一項の半導体素子構造。
- 前記第 3 の窒化物系半導体が AlN である、請求項 6の半導体素子構造。
- 前記被覆層の厚さが 10 〜 200nm である、請求項 6 又は 7の半導体素子構造。
- 前記島状構造部の先端部の曲率半径が 200nm 以上である、請求項 1 〜 8 のいずれか一項の半導体素子構造。
- 電子エミッタであって、請求項 1 〜 9 のいずれか一項の半導体素子構造を含み、その島状構造部がティップを構成する、電子エミッタ。
- 閾値電圧が 45V 以下である、請求項 10 の電子エミッタ。
- 電子エミッタにおいて用いる半導体素子構造を得るにあたり、
(a)(111) 面 n 型シリコン基板を準備する工程と、
(b) 前記シリコン基板の主面上に形成され、前記主面が露出するようにして形成された開口部を有し、この開口部内に露出した前記シリコン基板の前記主面からヘテロエピタキシャル成長を選択的に可能とするマスク層を形成する工程と、
(c) 前記開口部内に、前記へテロエピタキシャル成長を通じて自己形成的に形成され、前記 (111) 面 n 型シリコン基板の結晶方位によって決定された (1-101) のファセット面を側面とする第 1 の窒化物系半導体からなり、電子エミッタのティップを構成する六角錐形状の島状構造部であり、前記第 1 の窒化物系半導体が Al x1 Ga y1 N(x1+y1=1 、 0 ≦ x1 ≦ 1 、 0 ≦ y1 ≦ 1) なる組成を有する島状構造部を形成する工程と、
(d) 前記 (c) 工程に先立って、前記シリコン基板の前記主面と前記島状構造部との間の前記開口部における第 2 の窒化物系半導体からなる緩衝層であり、前記第 2 の窒化物系半導体が Al x2 Ga y2 N(x2+y2=1 、 0.1 ≦ x2 ≦ 0.5 、 0.5 ≦ y2 ≦ 0.9) なる組成を有する緩衝層を形成する工程と
を具えることを特徴とする、半導体素子構造の製造方法。 - 前記シリコン基板を 800 〜 1200 ℃に加熱し、 III 族元素供給ガスを前記シリコン基板上に供給して、前記シリコン基板の前記主面を前記 III 族元素供給ガスの構成元素を含む膜で覆うようにした後、前記窒素源供給ガス及び前記 III 族元素供給ガスを前記シリコン基板上に供給して、 CVD 法により前記島状構造部を作製する、請求項 12 の半導体素子構造の製造方法。
- 第 3 の窒化物系半導体からなる被覆層を、前記島状構造部を覆うように形成する工程を具える、請求項 12 又は 13 の半導体素子構造の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002280182A JP3864222B2 (ja) | 2002-09-26 | 2002-09-26 | 半導体素子構造、電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法 |
| US10/443,970 US6927423B2 (en) | 2002-09-26 | 2003-05-23 | Semiconductor element structure, electron emitter and method for fabricating a semiconductor element structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002280182A JP3864222B2 (ja) | 2002-09-26 | 2002-09-26 | 半導体素子構造、電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004119168A JP2004119168A (ja) | 2004-04-15 |
| JP3864222B2 true JP3864222B2 (ja) | 2006-12-27 |
Family
ID=32025176
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002280182A Expired - Lifetime JP3864222B2 (ja) | 2002-09-26 | 2002-09-26 | 半導体素子構造、電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6927423B2 (ja) |
| JP (1) | JP3864222B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050179024A1 (en) * | 2003-12-25 | 2005-08-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Electron emission material and electron emission element using the same |
| JP2007220865A (ja) * | 2006-02-16 | 2007-08-30 | Sumitomo Chemical Co Ltd | ３族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 |
| KR100826389B1 (ko) * | 2006-08-09 | 2008-05-02 | 삼성전기주식회사 | 질화물 반도체 선택 성장방법, 질화물 발광소자 및제조방법 |
| SG140473A1 (en) * | 2006-08-16 | 2008-03-28 | Tinggi Tech Private Ltd | Improvements in external light efficiency of light emitting diodes |
| CN107316922B (zh) * | 2017-05-24 | 2018-12-25 | 太原理工大学 | 基于GaN六棱锥阵列的LED外延结构及其制备方法 |
| US11856858B2 (en) * | 2017-10-16 | 2023-12-26 | Akoustis, Inc. | Methods of forming doped crystalline piezoelectric thin films via MOCVD and related doped crystalline piezoelectric thin films |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3639867B2 (ja) | 2000-03-21 | 2005-04-20 | 日本電信電話株式会社 | 電子素子 |
| JP3906654B2 (ja) * | 2000-07-18 | 2007-04-18 | ソニー株式会社 | 半導体発光素子及び半導体発光装置 |
| JP3906653B2 (ja) * | 2000-07-18 | 2007-04-18 | ソニー株式会社 | 画像表示装置及びその製造方法 |
| JP3714188B2 (ja) * | 2001-04-19 | 2005-11-09 | ソニー株式会社 | 窒化物半導体の気相成長方法及び窒化物半導体素子 |
| WO2003019678A1 (fr) * | 2001-08-22 | 2003-03-06 | Sony Corporation | Element semiconducteur au nitrure et procede de production de cet element |
-
2002
- 2002-09-26 JP JP2002280182A patent/JP3864222B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2003
- 2003-05-23 US US10/443,970 patent/US6927423B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6927423B2 (en) | 2005-08-09 |
| US20040061125A1 (en) | 2004-04-01 |
| JP2004119168A (ja) | 2004-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102403428B (zh) | Ⅲ族氮化物纳米棒发光装置及其制造方法 | |
| JPH09508751A (ja) | 炭化ケイ素と窒化ガリウムとの間の緩衝構造体及びそれを利用した半導体デバイス | |
| JP2006232640A (ja) | Ｒ面サファイア基板とそれを用いたエピタキシャル基板及び半導体装置、並びにその製造方法 | |
| JP5490368B2 (ja) | エピタキシャル薄膜の形成方法及び半導体基板の製造方法 | |
| CN109411579B (zh) | 具有石墨烯结构的半导体器件及其制备方法 | |
| CN106030834A (zh) | 用于制造光电子半导体芯片的方法和光电子半导体芯片 | |
| KR20080100706A (ko) | ＧａＮ 반도체 기판 제조 방법 | |
| JP3864222B2 (ja) | 半導体素子構造、電子エミッタ及び半導体素子構造の製造方法 | |
| JP2000174393A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体およびその製造方法、およびｉｉｉ族窒化物半導体装置 | |
| US6184611B1 (en) | Electron-emitting element | |
| KR100445419B1 (ko) | 냉음극 전자원 | |
| JP2001210861A (ja) | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 | |
| CN204809246U (zh) | GaN基LED外延结构 | |
| CN108922946B (zh) | 一种led结构及其制作方法 | |
| CN102651434A (zh) | 氮化物基发光器件及其制造方法 | |
| US6781159B2 (en) | Field emission display device | |
| KR100536483B1 (ko) | 산화아연계 나노바늘, 이의 제법 및 이를 이용한 전기 소자 | |
| KR100502817B1 (ko) | ＧａＮ 나노막대를 이용한 전계방출형 디스플레이 | |
| JP2002289538A (ja) | 半導体素子の製造方法及び半導体素子 | |
| JP2001338568A (ja) | 電子素子 | |
| JP2003187690A (ja) | ＧａＮフィールドエミッターアレイの製造方法 | |
| CN116454184B (zh) | 一种高光效led外延片及其制备方法、led | |
| KR100617482B1 (ko) | 전계방출소자의 제조방법과 전계방출용 산화아연계 나노바늘 그리고 전계방출용 산화아연계 나노바늘을 이용하여 제조된 전자 소자 | |
| JP2001351506A (ja) | 電界放出冷陰極装置 | |
| JPH1167069A (ja) | 電界放射型素子の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20040520 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20040811 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040907 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040921 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041119 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060425 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060620 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060821 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060905 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3864222 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |