JPH06509685A - 電界発光シリコン構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電界発光シリコン構造の製造方法 本発明は、電界発光シリコン構造の製造方法に関する。

長い間、光放射に適する唯一の構造は、直接バンド遷移を有する半導体材料から なる構造であることは当然であると考えられていた。

よく知られているように、半導体材料のバンドギャップは、価電子帯と伝導帯と のエネルギーレベルの差であり、それは電子で充填されている。直接バンド遷移 を有する半導体材料では、価電子帯の最も高いエネルギー状態は、伝導帯の最も 低いエネルギー状態のすぐ下に位置する。これは、価電子帯への電子の直接遷移 が起こると、正孔（正の電荷キャリア）を有する前記電子の再結合が起こるとい う効果をもち、これによって、半導体材料のバンドギャップにエネルギーが相当 する光子が製造される。

そのような直接バンド遷移を存する典型的な材料は、たとえばＧａＡｓ複合半導 体であり、その結果、そのようなＧａＡｓ複合半導体が、発光放射素子を製造す るのにしばしば使用される。

ＧａＡｓと対比して、ソリコンは間接バンド遷移を有する半導体材料である。そ のような材料では、価電子帯の最も高いエネルギー状態は、伝導帯の最も低いエ ネルギー状態に相関して変位す旭ので、電子は価電子帯へ直接にドロップできな い。適当なエネルギーレベルを達成するために、そのような間接バンド遷移を有 する材料において、電子は光子のみならず正孔と結合しなければならない。その ようなプロセスが起こる可能性は、３つの粒子が参加するという事実からから見 て、非常に小さい。

最近、シリコンは間接バンド遷移を有する半導体材料であるという事実にもかか わらず、微小多孔性シリコン層を作るために、ソリコンに液状水性ふっ葉酸浴で 酸化皮膜処理をするなら、シリコンからなる半導体構造は発光に適していること が見い出された。

例えば、エル　ティー　カンハム著の１９９０年９月３日発行の応用物理学５７ （１０）の１０４６頁から１０４８頁を参照する。

２ｎｍ（２ＯＡ）より小さい孔寸法を有する微小多孔性層内では、電子の動きは 、−次元に、すなわち、孔の間に定められるいわゆる「量子導線」または「量子 線」に沿う動きの方向に制限される。電子の動きの可能性を制限することによっ て、これらの量子導線は、伝導帯と価電子帯との間の電子の直接遷移を生じる。

言い換えれば、バンド構造は、電子の動きの可能性の局所制限によってはっきり と影響される。しかし、引用文献（最終章、右欄、１０４７頁）でカンハムが説 明しているように、シリコンの発光は、新しく酸化皮膜処理したシリコン基板の 場合に起こる。言い換えれば、そのようなソリコン構造の安定した発光を維持し ようとする試みは、現在まで成功していなかった。

また、１９９１年７月発行の科学のアメリカの８６頁および８７頁の文献「シリ コン発光Ｊには、シリコンウェーハを使用して、液状水性ふっ素酸で製造される 多孔性シリコン構造は、光によって、発光が起こるように励磁されるのに適応さ れることが開示されている。さらに、シリコン構造であっても、発光を電気的に 励磁させる試みに成功したという事実が言及されているが、構造の性質も前記構 造の製造方法も開示されていない。

ヴイ　レーマン著の１９９１年２月２５日発行の応用物理学５８（８）の技術文 献の８５６頁から８５８頁には、水性ふっ葉酸電解液での酸化皮膜処理によって 製造された多孔性シリコン層において、２次元の量子濃度すなわち量子線および 量子導線か各々つくられ、それによって、単結晶線シリコンと比較して、微小多 孔性シリコン構造のエネルギーバンドギャップの変化か起こることが開示されて いる。

シー　ビッカリン著の固体状態物理学１７（１９８４）の文献の６５３５頁から ６５５２頁は、水性ふっ素酸の液状溶液でのシリコンウェーハの酸化皮膜処理に よって製造された多孔性シリコンフィルム構造の光の研究を扱っている。しかし 、最終章の第２節の６５３７頁で説明されているように、発光の測定は、４．２ にの非常に低い温度においてのみ行われている。

エッチ　フォール著の１９９１年発行の応用物理学Ａ５３の文献の８頁から１９ 頁は、液状水性ふっ葉酸溶液で沈下したシリコンの試料のシリコン電解液の接合 の特性を扱っており、多孔性シリコン層の形成についても、この文献で開示され ている。しかし、前記文献は、発光または電界発光のシリコン構造に関するもの ではなく、シリコン水性ふっ濃酸接合の特性の試験に関するものである。この目 的のために、汎用電気化学シリコン分析器が示され、その中では、シリコンウェ ーハの拡散距離と表面再結合率とを定めるために、つ工−ハの前部が小さな浸透 の深さの波長を有するレーザビームで照らされる。こうして、少数キャリアが前 部表面の近傍に発生する。

結果として起こる後部の光電流が測定される。したがって、この文献は、シリコ ンの発光特性を扱っていない。

この従来技術を基礎として、本発明の目的は、電界発光シリコン構造の製造方法 を提供することである。

この目的は、請求項１に係る電界発光シリコン構造の製造方法によって達成され る。

従来技術から知られる、シリコンウェーハを酸浴の中に置き、微小多孔性のシリ コン層を製造するために、前記浴の中で酸化皮膜処理をする工程を含む電界発光 シリコン構造の製造方法は、前記シリコンウェーハが酸浴の中に置かれ、酸化皮 膜処理される間は少なくとも、シリコンウェーハの陽極側を照らし、２つの接触 子が、微小多孔性シリコン層に加えられる電圧によって形成されることによって 、電界発光シリコン構造の製造がさらに進歩することを見い出したことに本発明 は基づいている。

本発明に係る方法の好ましい実施例は、従属項に開示されている。

添付図面を参照して、本発明に係る製造方法によって製造された電界発光シリコ ン構造とともに本発明に係る製造方法および前記製造方法を実施するのに適した 装置について以下に詳細に説明する。

図１は本発明に係る製造方法によって製造された電界発光シリコン構造の横断面 図を示し、 図２は本発明に係る製造方法の必要不可欠な工程を実施するための装置を示す。

製造工程の順序について述べる前に、図１を参照して、本発明に係る製造方法に よって製造された電界発光シリコン構成要素の構造について最初に説明する。

図１に示され、参照番号１で一般的に示されるシリコン構成要素は、パーセー（ ｐｅｒ　ｓｅ）として知られる方法により、普通のシリコンウェーハで形成され た複数の同一のシリコン構成要素を分離することによって得られる。

シリコン構成要素１は、窒化物層５で順番に覆われる中央凹部４を有する酸化物 層３がその上に配置されたｐ型基板２を含む。前記窒化物！１ｌｉ５は、凹部４ から広がる、すなわち、凹部４を環状に回るクロム金合金の形の金属被覆６をそ の上に備えている。前記凹部４の下には、ｐ゛　ドーピング領域７が、ｐ型基板 ２に続き、凹部４のすぐ下に位置するｎ゛　ドーピング領域を谷間のように囲ん で、ｐｎ接合９を形成する。ｐ３　ドーピング領域７の部分内と同様に、ｎ″″ ドーピング領域８内のシリコンも、微小多孔性シリコン層ｌＯである。

言い換えれば、ｐｎ接合９は、微小多孔性シリコン層１０内に位置する。微小多 孔性シリコン層１０の領域の凹部４と、金属被覆６の領域の付加凹部１２とを除 き、構成要素ｌの前部は、付加窒化物層１１で覆われる。

シリコン構成要素１の前部は、その全領域を、透明なまたは少なくとも部分的に 光を通す第１の電極１３で覆われ、第１の電極１３は、例えば１２０ｎｍの厚さ を有する全接触子層または約２００ｎｍの厚さを有するインジウム・スズ酸化物 層によって形成することができる。

ｐ型基板２の後部は、オーム接触子の形の第２の電極１４を備えている。

シリコン構成要素ｌの製造方法は、以下の工程を含む。シリコンウェーハが、移 植マスクとして働くシリコン酸化物層２として形成される。前記シリコン酸化物 層２は、例えば熱酸化によって形成される。その結果、パーセー（ｐ　ｅ　ｒ　 ｓ　ｅ）として知られる写真平版法によって、シリコン酸化物層２が構成される 。この移植マスクを使用して、第１のドーピング工程が、低ドーピング領域をｐ ′″ドーピングするために行われ、前記低ドーピング領域の上に位置するドーピ ング領域のｎ３ドーピングが、減少した移植エネルギーで行われ、駆動拡散工程 が、ドーパントを駆動するために行われる。この工程に続いて、窒化物層５の全 領域の沈積の工程が行われ、窒化物層５には、その全領域にクロム金金属被覆６ が形成される。このクロム金金属被覆６は、バーセー（ｐ　ｅ　ｒ　ｓ　ｅ）と して知られる方法で、環状に広がる接触ゾーン６を製造する方法を使用して構成 される。付加窒化物層１１の全領域の沈積の工程が行われ、ホトレジスト（図示 せず）が形成され、構成される。適当な写真平版法の工程の後、窒化物層５．１ １は、金属被覆の上の付加凹部１２の領域と共に中央凹部４の領域でエツチング され、そこでは、ホトレジストは除去される。

ソリコンウェーハ２０の酸化皮膜処理領域は、耐酸性マスキング層によって、側 面に境界が定められ、前記耐酸性マスキング層は、耐光性であるのが好ましい。

これまでに説明した方法によって構成された複数のシリコン構成要素ｌを含むシ リコンウェーハ２０は、以下に説明する本発明に係る製造方法の必要不可欠の工 程を行うために使用される製造装置ｔ２１て処理される。

製造装置２１は、２〜５０重量パーセントの水性フッ素酸を含み、残りはエチル アルコールと水である酸浴２３を収容する水盤２２を含む。

酸浴２３は、反対側に間隔をあけて配置された陰極２５と陽極２４とをその中に 備えている。

保持装置２６の外周は、前記水盤２２に上から挿入されるときに、酸で満ちた水 盤２２の壁に密閉接触するような性質の構造上の設計を有する。保持装置２６は 中央凹部２７を備え、シリコンウェーハ２０は、その端部が密閉されて囲まれる ように、前記凹部２７の位置に保持される。

従って、保持装置は、陽極２４と陰極２５との間の流れが、その主面に垂直にシ リコンウェーハ２０を通り抜けるように配置される。

水銀ランプまたはハロゲンランプの形の照明装置２８は、シリコンウェーハ２０ が陽極側から照らされるように、酸浴２３の上に配置され、その中で耐酸性照明 装置２８が使用される場合には、酸浴２３内に配置される。酸で満ちた水盤２２ の外側に照明装置２８か配置される場合には、前記水盤２２は、光が通過できる 窓（図示せず）を備えているのが好ましい。さらに、酸で満ちた水盤２２の上に 照明装置２８か配置される場合には、鏡が酸浴２３内に備えられてもよく、前記 鏡は、ウェーハに向かう光線を偏向させるのに使用される。

照明装置２８はレーザであってもよい。この場合に使用するのに好ましいレーザ は、４８８ｎｍの波長と５Ｗ／ｃｍ”の単位面積当たりの電力密度を有するアル ゴンイオンレーザである。この場合、選択的な酸化皮膜処理によって、発光領域 を選択的に供給してもよ最初に述べた方法によって製造されたシリコンウェーハ ２０内のシリコン構成要素ｌの続く製造方法を、図２を参照して、再び詳細に説 明する。

シリコンウェーハ２０が保持装置２６内に挿入されると、前記保持装置２６は、 水盤２２内に上から導き入れられる。適当な直流を陽極２４および陰極２５に加 えることによって、シリコンウェーハは、２〜５００ｍＡ／ｃｍ”の電流で酸化 皮膜処理される。この工程では、シリコン構成要素ｌの凹部４の領域で、シリコ ンウェーハ１２０は、単結晶線シリコンから微小多孔性電界発光シリコン層１０ へと変換される。照明装置２８による照明と同様に、酸浴内の酸化皮膜処理工程 は、微小多孔性シリコン層１０が基板２の中へ広がり、ｐｎ接合９を越える地点 に上がる周期時間の同行われる。典型的な酸化皮膜処理および照明の周期は、１ ０秒と２０分との間である。

シリコン構成要素をゆすいだ後、前記シリコン構成要素は、その前部に透明な電 極１３を、その後部にオーム接触子１４を供給される。前部の電極は、１２０ｎ ｍの厚さを存する合接触子を用いるかまたは２００ｎｍの厚さを存するインジウ ム・スズ酸化物層を用いることによって実現できる。

シリコン構成要素ｌが、シリコンウェーハの適当な分割によって分離されると、 構成要素は、供給されるべき外被を除いて完成する。

好ましい実施例では、本発明に係る方法によって製造されたシリコン構成要素１ は、多孔性シリコン層ＩＯ内にｐｎ接合を有する。

そのようなｐｎ接合は、量子効率を増加させる目的で働く好ましい特徴であるか 、前記ｐｎ接合は、構成要素の基本的な使用可能性には必要でないので、ｎ′″ ドーピング領域８は省略することができる。

本実施例と接続するドーピング極性と反対のドーピング極性を使用することも可 能である。

さらに、第２の電極１４は、基板２の後部に後部オーム接触子として形成される 必要はない。前部で提供され得るのはもちろん、基板とのとのような種類の接触 子でも可能である。

後部接触子か省略されたときには、上方の金属被覆によって、微小多孔性層と交 互配置形構造で接触子を形成することも可能である。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８）

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．シリコンウェーハ（２０）を酸浴（２３）の中に置く工程、前記酸浴（２３ ）内でシリコンウェーハ（２０）を酸化皮膜処理する工程、 シリコンウェーハ（２０）が酸浴（２３）の中に置かれ、酸化皮膜処理される間 は少なくとも、前記シリコンウェーハ（２０）の陽極側が照らされ、シリコンウ ェーハ（２０）の単結晶線シリコンの領域の少なくとも一部が微小多孔性シリコ ン層（１１）へと変換される工程、および それによって、電圧が微小多孔性シリコン層（１０）に加えられる２つの接触子 （１３，１４）を形成する工程を特徴とする、電界発光シリコン構造の製造方法 。
2. ２．酸化皮膜処理は、２〜５００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で行われることを特徴 とする、請求項１の方法。
3. ３．酸浴は、２〜５０重量パーセントの水性フッ素酸を含み、その残りはエチル アルコールと水であることを特徴とする、請求項１または請求項２の方法。
4. ４．シリコンウェーハ（２０）はｎドーピングされることを特徴とする、請求項 １ないし請求項３のいずれかの方法。
5. ５．シリコンウェーハのドーピングは、その抵抗率が１〜１０ｏｈｍ　ｃｍの間 となるように選ばれることを特徴とする、請求項４の方法。
6. ６．照明は、水銀ランプまたはハロゲンランプまたはレーザによって行われるこ とを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかの方法。
7. ７．シリコンウェーハ（２０）を酸浴（２３）の中に置く工程の前の、 移植マスクとして働くシリコン酸化物層（３）を製造する工程、シリコン酸化物 層（３）を構成する工程、シリコンウェーハ（２０）の極性でドーパントを移植 する工程、駆動拡散工程でドーパントを駆動する工程、全領域の沈積モードで、 窒化物層（５）を沈積させる工程、クロム金金属被覆（６）を形成する工程、ク ロム金金属被覆（６）を構成する工程、付加窒化物層（１１）を沈積させる工程 、ホトレジストを形成し、構成する工程、窒化物層（５，１１）を、クロム金金 属被覆（６）の領域と共にシリコン構成要素の続く活性領域（４）でエッチング する工程、および ホトレジストを除去する工程を特徴とし、以上に述べたような方法でシリコン構 造を備えたシリコンウェーハ（２０）は、酸浴（２３）の中に置かれ、上述の追 加の工程が行われる、請求項１ないし請求項６のいずれかの方法。
8. ８．続く多孔性シリコン層（１０）にｐｎ接合（９）を形成するために、シリコ ンウェーハ（２０）の極性と反対の極性を有するドーパントを追加して移植する 追加の工程を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれかの方法 。
9. ９．シリコン基板（２０）の後部でオーム接触子（１４）の形成も含めて第２の 接触子を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいず れかの方法。
10. １０．金接触子（１３）のアプリケーションも含めて第１の接触子を形成する工 程を特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかの方法。
11. １１．金接触子は約１２０ｎｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１０の 方法。
12. １２．インジウム・スズ酸化物層のアプリケーションも含めて第１の接触子を形 成する工程を特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかの方法。
13. １３．インジウム・スズ酸化物層は約２００ｎｍの厚さを有することを特徴とす る、請求項１２の方法。
14. １４．接触子を形成する工程は、 微小多孔性シリコン層（１０）に、少なくとも部分的に光を通す第１の接触子（ １３）を形成する工程、および微小多孔性シリコン層（１０）の下のシリコンウ ェーハ（２０）と接触する第２の接触子（１４）の領域（２）を形成する工程を 含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項１３のいずれかの方法。
15. １５．シリコンウェーハ（２０）の酸化皮膜処理領域は、耐酸性マスキング層に よって、側面に境界が定められることを特徴とする、請求項１ないし請求項１４ のいずれかの方法。
16. １６．耐酸性マスキング層は、耐光性であることを特徴とする、請求項１５の方 法。