KR100377825B1 - 반도체디바이스 - Google Patents

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KR100377825B1
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죠스케 나카다
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나가다 죠스게
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Abstract

반도체구상결정에 광기전력발생부와 한쌍의 전극을 형성한 1 또는 복수개의 구상반도체소자를 주체로 하는 반도체디바이스이고, 반도체광촉매, 포토다이오드 또는 태양전지로서의 반도체 디바이스와, 반도체 구상결정에 pn접합과 한쌍의 전극을 형성한 1 또는 복수개의 구상반도체소자를 주체로 하는 반도체디바이스로서, 발광다이오드, 각종의 다이오드 또는 디스플레이패널로서의 반도체디바이스를 개시한다. 도시된 반도체광촉매(1)에 있어서는 n형실리콘 반도체의 구상결정(2)에 p형확산층(6)과, pn접합(7)이 형성되고 광기전력발생부(16)을 포함하는 마이크로광전지(17)이 구성되며, 구상결정(2)의 중심을 끼우면서 대향하는 한쌍의 전극(14,15)과 SiO2의 피막(9)과, 광촉매기능이 있는 TiO2의 피막(10)이 형성된다.

Description

반도체 디바이스
태양광 등의 광을 수광하여 광기전력을 발생하고, 상기 광기전력에 의하여 전기화학반응을 일으키는 반도체 광촉매로서, 산화 티탄(TiO2), 티탄산스트론튬(SrTiO3) 등의 금속 산화물 반도체가 실질적으로 공급되고 있다. 산화티탄은 광화학전지의 전극으로서 이용되고, 수중에 백금 전극과 산화티탄 전극을 배치하며, 산화티탄전극에 광을 조사하면, 물의 전기분해가 발생하는 것도 공지되어 있다. 특히 금속산화물 반도체의 분말에 백금 등의 금속을 첨가한 광촉매, 티탄판의 편면에 산화티탄의 박막을 형성하여 되는 전극에 대한 연구도 이루어지고 있다.
그러나 산화티탄의 광촉매는 태양광에 의한 물의 전기분해에 적용하는 경우에, 태양광의 스펙트럼 가운데 약 410nm 이하의 스펙트럼밖에 이용할 수 없기 때문에 광전변환효율이 지극히 낮다. 물의 전기분해가 가능하고, 태양광의 스펙트럼을 충분하게 이용할 수 있는 반도체 광촉매나 반도체 전극의 조건으로서는 물의 전해 전압(이론값 1.23V) 이상의 광기전력을 구비할 것, 반도체 광촉매 자신이 전해액중에서 광용해를 일으키지 않는 화학적 안정성을 구비할 것 등이 필요하다.
산화티탄 등의 금속 산화물 반도체는 에너지 밴드갭이 크기 때문에, 물의 전기분해가 가능하고, 전해액중에서 용해되지 않는 장점이 있지만 약 410nm 보다 긴 파장의 광스펙트럼에 대하여 광촉매로서 기능하지 않는 문제점이 있다. 이 때문에 태양광을 이용하여 광촉매 작용에서 화학 반응을 수행하는 경우, 태양광의 광스펙트럼의 극히 일부밖에 이용할 수 없기 때문에 에너지의 변환효율은 극히 저조하게 된다. 산화티탄 등의 광촉매는 촉매효율을 높이기 위하여 이분말의 형태로 이용되지만, 이들은 전해액중에서 유동하기 쉽고, 재사용을 위한 회수가 어렵다고 하는 취급상의 문제가 있다. 산화티탄의 분말에 백금 등의 금속을 담지한 광촉매에 대해서는, 어노드 사이트(산화반응 사이트)는 캐소드사이트(환원반응 사이트)가 상접 근접하게 존재하기 때문에, 역반응의 가능성이 크고, 실용성에 문제가 있다.
한편 미국특허 제4,021,323호 공보에 의하면, 쇼트다우의 상단에 장착한 작은 노즐에서 실리콘의 용액을 소량씩 분사하고, 쇼트다우에서 자유낙하시켜서 실리콘의 구상결정을 제작하는 기술이 기재되어 있다. 그러나 이러한 기술에서는 노즐에서 실리콘의 용액에 불순물이 침입할 가능성이 있고, 또한 실리콘의 용액의 응고의 경우, 체적팽창을 수반하며, 더욱이 표면측에서 응고가 개시되기 때문에 최후에 응고되는 부분이 구상결정의 표면에 돌출하여 돌기부가 형성되기 때문에 진짜 구형의 구상결정을 제작하는 것이 어렵다. 단 나사(NASA)의 드롭튜브식의 실험 장치는, 전자부유가열장치를 구비하고 있기 때문에 재료를 부유상태로 유지한 상태로 용융되어 자유낙하시키는 것이 가능하다.
상기 미국 특허공보에서는, 실리콘의 구상결정에 pn접합을 형성하고, 이들 복수개의 구상결정(마이크로 광전지)에 공통의 금속전극막을 형성한 태양전지 어레이가 개시되어 있으며, 또한 상기 동일한 태양전지 어레이를 전해액중에 침적하고, 태양광에 의한 광기전력으로 옥화수수산이나 취화수소산의 용액의 전기분해가 진행되도록 한 광화학 에너지의 변환장치가 개시되어 있다.
상기 미국특허 공보의 실리콘 태양전지 어레이에서는 각각의 마이크로 광전지에 한쌍의 전극이 형성되어 있지 않고 복수개의 마이크로 광전지에 공통의 전지를 형성하기 때문에 각각의 마이크로 광전지를 독립한 것으로서 취급하는 것이 불가하다. 이 때문에 각각의 반도체 광촉매로서의 마이크로광전지를 전해액 중에서 분산 배치하거나, 배치장소를 적절하게 변경하거나 회수하여 재사용하거나 혹은 세정하거나 하는 것이 불가하며, 반도체 광촉매로서의 이용상의 제약이 아주 크다. 그러나 이러한 미국특허공보에서는, 전극에 광촉매 기능이 있는 반도체를 적요하는 기술, 반응화설이나 반응선택성을 고려하여 선택한 광촉매 기능이 있는 반도체를 이용하는 기술에 대해서는 개시하고 있지 않다.
상기 각 마이크로 광전지의 표면에 한쌍의 전극을 형성하지 않기 때문에, pn접합을 구비하는 1 또는 복수의 구상반도체 소자(수광기능 또는 발광기능이 있는 구상반도체소자)를 독립의 셀 또는 엘리멘트로서 조립한 반도체 디바이스를 구성하는 것이 불가능하고, 복수개의 구상반도체 소자의 전기적인 접속형태도 고정되기 때문에 범용성, 실용성에 문제가 있다.
종래, 적색광, 녹색광, 청색광을 발하는 3종류의 발광다이오드램프를 다수개 조립하여 구성되는 칼라디스플레이가 실용화되어 있지만, 각 발광 다이오드램프를 미세한 구조로 하는 것은 불가능하기 때문에, 소형, 경량의 고해상도 디스플레이에 적합하지 않다. 대형의 디스플레이의 경우에도 부품수가 많고, 전체로서 심플한 구조는 아니고 조립 코스트가 고가로 된다. 한편 3색광을 발하는 발광다이오드 소자를 집접회로기술에 활용하여 제작 가능하지만 제작코스트가 고가로 되고 내부의 집적전기회로가 복잡화되며 불량품도 발생하기 쉽게 되어 실용성에 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 광기전력 발생 기능과 한쌍의 전극을 구비하는 입상의 구상반도체소자를 구비하는 반도체 디바이스, 광전변환효율과 범용성과 실용성이 우수한 반도체 광촉매, 산화환원전극 간 전위를 높이는 반도체 광촉매, 산화환원 전극간 전위를 자유롭게 조절할 수 있는 반도체 광촉매, 광범위한 입사광을 수광할 수 있고 반도체 소재의 이용효율이 높은 태양전지로서의 반도체 디바이스 및 전기적 접속의 자유도가 높고 얇은 두께의 태양전기로서의 반도체 디바이스, 각종의 포토다이오드로서의 반도체 디바이스 등을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, pn접합에 의한 발광기능과 한쌍의 전극을 구비하는 입상의 구상반도체 소자를 구비하는 반도체 디바이스, 광범위하게 광을 출사할 수 있고 반도체 소재의 이용효율이 높은 발광엘리멘트로서의 반도체 디바이스, 전기적 접속의 자유도가 높고 얇은 두께의 발광 엘리멘트로서의 반도체 디바이스, 및 발광다이오드나 디스플레이패널, 각종 다이오드로서의 반도체 디바이스 등을 제공하는 것이다.
본 발명은, 반도체의 구상결정에 pn접합 등을 조립하여 한쌍의 전극을 설치한 입상의 구상반도체 소자를 구비하는 반도체 디바이스에 관한 것으로, 반도체 광 촉매, 태양전지, 디스플레이패널 또는 기타 각종의 용도에 적용할 수 있는 반도체 디바이스에 관한 것이다.
도 1내지 도 17은 본 발명의 제1실시예를 보이는 도면이고,
도 1은 반도체의 구상결정의 단면도,
도 2는 구상결정을 피막으로 덮은 상태의 단면도,
도 3는 구상결정을 피막으로 덮고 수지막으로 마스크한 상태의 단면도,
도 4는 마스크후에 에칭처리한 상태의 단면도,
도 5는 p형확산층을 형성한 구상결정의 단면도,
도 6은 구상결정의 표면에 피막을 형성한 상태의 단면도,
도 7은 감광성수지막으로 마스크하고 개구를 형성한 상태의 단면도,
도 8은 반도체 광촉매의 단면도,
도 9는 반도체 구성결정 제조장치의 구성도,
도 10의 (a)는 융해직후의 융액의 온도분포도, (b)는 낙하개시직후의 융액의 온도분포도, (c)는 적외선히터로 가열한 직후의 융액의 온도분포도, (d)는 응고개시직전의 융액의 온도분포도,
도 11은 변형상태1의 반도체광촉매의 단면도,
도 12는 변형상태2의 반도체광촉매의 단면도,
도 13은 변형상태3의 반도체광촉매의 단면도,
도 14는 변형상태4의 반도체광촉매의 단면도,
도 15는 반도체광촉매가 장착된 전해장치의 단면도,
도 16은 부분적으로 변경된 반도체광촉매가 장착된 전해장치의 요부단면도,
도 17은 부분적으로 변경된 반도체광촉매가 장착된 전해장치의 요부단면도,
도 18 내지 도 28은 본 발명의 제2실시예를 보이는 도면으로,
도 18은 태양전지셀의 단면도,
도 19는 변경상태1의 정류다이오드의 단면도,
도 20은 변경상태2의 포토다이오드의 단면도,
도 21은 변경상태3의 포토다이오드의 단면도,
도 22는 도 21의 태양전기디바이스의 평면도,
도 23은 다른 태양전기디바이스의 단면도,
도 24는 변경상태3의 태양전지모듈의 단면도,
도 25는 도 24의 태양전지모듈의 평면도,
도 26은 다른 태양전지모듈의 단면도,
도 27은 도 26의 태양전기모듈의 평면도,
도 28은 태양전지모듈을 이용한 전기분해장치의 단면도,
도 29 내지 도 34는 본 발명의 제3실시예를 보인 도면으로,
도 29는 3색 발광다이오드를 조립한 디스플레이패널의 구성도,
도 30은 디스플레이패널의 전기회로의 요부를 보인 예시도,
도 31은 반도체의 구상결정의 단면도,
도 32는 p형확산층과 pn접합을 형성한 구상결정의 단면도,
도 33은 전극을 형성한 구상결정의 단면도,
도 34는 발광다이오드의 단면도,
도 35는 도 29의 IIIXV-IIIXV선 단면도.
본 발명의 반도체 디바이스는, p형반도체 또는 n형반도체의 구상결정과 그 구상결정의 표면 또는 표면 근방부분에 조립되고 구상결정과 협동하여 광기전력을 발생하는 광기전력발생부와, 상기 광기전력발생부의 양측에 동시에 구상결정의 표면에 상호 이격되어 설치되는 적어도 한쌍의 전극을 구비하는 독립의 입상으로 구성되는 구상반도체 소자를 구비하는 것이다.
구상반도체소자에 광이 조사되면, 광기전력발생부에서 발생한 광기전력이 한쌍의 전극에 표시되고, 한쌍의 전극간에 전위차가 발생한다. 이러한 반도체 디바이스는, 1 또는 복수개의 구상반도체소자만으로 구성되어도 좋고, 다른 구성요소를 포함하여도 좋다. 이러한 반도체 디바이스가 전해액중에 침적된 상태에서는 양전극에서 전해액을 통하여 음전극으로 전류가 흐른다. 이 때문에 양전극에서는 전자를 흡수하는 산화작용이 생기고, 음전극에서는 전자를 부여하는 환원작용이 생기며, 전해액에 대응한 전기화학반응이 발생한다. 반도체 디바이스를 대기중이나 진공중에 유지한 상태에서, 구성반도체소자에 빛이 조사되면 한쌍의 전극간에 전위차가 생기고, 광에너지를 전기에너지로 변환하여서, 태양전지 또는 포토다이오드에 적용될 수 있다.
구상반도체소자는 한쌍의 전극을 구비하고 독립의 입상으로 구성되기 때문에 복수개의 구상반도체 소자를 연결하여 전기적으로 접속하는 것이 유리하고, 그 외의 구성요소에 하나 또는 복수개의 구상반도체 소자를 조립하여 반도체 디바이스로 하는 경우에, 자유도가 높고 범용성이 우수하며 발생 기전력의 크기를 자유롭게 설정할 수 있다.
일편의 극성의 전극과 타편의 극성의 전극을, 구상결정의 중심을 끼워서 적어도 부분적으로 대향하도록 배치하고 있다. 이와 같은 극성을 구성시키면, 복수개의 구상반도체 소자를 1열로 배열하여 구성이 다른 전극 끼리를 접촉시키는 것만으로 전기적으로 직열 접속하는 것이 가능하고, 광기적력에 의하여 그 접속상태를 유지하는 것이 가능하다. 상기 직렬접속의 경우에는 광을 조사한 상태에 있어서 외부전계를 인가하는 것에 의하여 용이하게 직렬 접속하는 것이 가능하다.
상기 광기전력발생부는, 구성결정의 표면 근방부분에 형성된 확산층 및 pn접합을 구비한다. 구상결정이 p형반도체의 경우는 n형확산층, 구상결정이 n형반도체의 경우는 p형확산층이 형성된다. 이러한 확산층과 구성결정을 구성하는 반도체결정과의 경계의 pn접합을 통하여 광기전력을 발생하여서, 기전력이 높고 안정성이 우수하며, 광전변환효율의 면에서 유리하다.
상기 광기전력발생부가, 상기 구상결정의 표면의 일부에 형성된 절연피막과, 상기 절연피막의 표면에 형성된 일측의 극성의 전극을 겸하는 금속피막을 포함하는 MIS구조를 구비한다. 상기 MIS구조자체는 공지된 것이다. 광기전력발생부의 구조가 간단화되고 제작코스트적으로 유리하다.
상기 광기전력발생부가 상기 구성결정의 표면의 일부에 형성되며 일측의 극성의 전극을 겸하는 금속피막을 포함하는 쇼트키 장벽구조를 구비한다. 상기 쇼트키 장벽구조도 공지된 것이고, 광기전력발생부의 구조를 가장 간단화하는 것이 가능하며, 제작코스트적으로 가장 유리하다.
상기 구상반도체소자가, 상기 광기전력발생부가 수광하여 발생하는 광기전력에 의하여, 상기 전극과 전해액 사이에 있어서 전기화학반응을 일으키는 반도체 광 촉매이다.
상기 전기화학반응으로서는 물의 전기분해, 메탄올수용액의 전기분해, 옥화 수소산용액의 전기분해, 그 외 여러가지 전해액의 전기분해가 가능하다. 이러한 경우, 반도체 디바이스를 다수의 구상반도체 소자만으로 구성할 수 있다. 그리고 전극의 재료로서는 촉매기능이 있는 어떠한 것이 바람직하고, 반응활성과 반응선택성을 기준으로하여 반응생성물과 관련하여 선택하는 재료가 적용된다. 예를 들면 수소생성용 환원전극으로서는 Pd(파라듐), Rh(로듐)이 적적하지만 이들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 일측의 극성의 전극을, 광촉매기능이 있는 금속산화물반도체로 구성하는 경우에는, 전기화학반응의 화설화 전압이 낮게 되고, 에너지변환효율이 높아진다.
본 반도체 디바이스는 다수개의 구상반도체소자를 구비하고, 전해액중에서 구상반도체소자의 광기전력발생부에서 발생하는 광기전력을 통하여 복수개씩의 구상반도체 소자가 전기적으로 직렬접속된 상태로 사용된다. 이러한 경우 반도체 디바이스는 다수개의 구상반도체소자 이외의 구성요소를 필요로 하지 않고 다수개의 입상의 구상반도체 소자를 반도체 광촉매로서 사용할 수 있다. 그리고 전기화학반응의 종류에 따라서, 구상반도체소자를 각각의 독립 상태로 사용하거나 n개(n=2이상의 임의의 정수) 직렬접속하여 약 n배의 광기전력을 발생시키는 것이 가능하다. 그리고 이러한 경우 다수개의 구상반도체 소자를 전해액중에 분산 배치하거나 배치 장소를 적절하게 변경하거나 회수하여 재사용하는 것이 가능하기 때문에 사용상의 자유도가 높고 범용성이 우수하다. 양전극과 음전극을 이격시키기 위해서, 역반응을 방지할 수 있고, 구상반도체소자는 넓은 입사방향의 광을 수광할 수 있기 때문에 태양광을 이용하는 경우에 유리하다. 또는 구상반도체소자는 기계적 강도도 우수하다.
상기 구상결정의 표면의 전극 이외의 부분에 광투과성의 반사방지기능이 있는 절연피막을 형성한다. 이러한 절연피막은 1층의 피막이라도 좋고, 또는 2층의 피막으로도 가능하다. 이러한 절연피막의 절연작용에 의하여 전기적 화학적 안정성을 확보하고, 절연피막의 반사방지기능에 의하여 광의 반사율을 낮춰서 효율을 높일 수 있다. 상기 절연피막의 재료로서는, SiO2, Si3N4, Al2O3, Ta2O5, TiO2, MgF2, SnO2또는 Nb2O5등의 재료를 적용하는 것이 가능하다. 단 구상결정의 재료와의 관련에 있어서 선택하는 것으로 한다.
상기 절연피막의 표면에 일측의 극성의 전극에 접속된 광촉매기능이 있는 금속산화물 반도체제의 광투과성의 피막을 형성한다. 이 피막의 광촉매기능에 의하여 전기화학반응을 촉진할 수 있다. 상기 광촉매 기능이 있는 금속산화물 반도체로서는, TiO2, SrTiO3, Fe2O3, 또는 PbxTi1-xO2등을 적용할 수 있다. 이들 금속산화물 반도체에서는 전해액과 접하는 이상계면에 있어서 에너지밴드캡이 휘거나 정공과 전자가 분리하여 산화반응 또는 환원반응을 촉진한다.
일측의 극성의 전극의 표면과 절연피막의 표면의 일부 또는 전부를 덮는 광 촉매기능이 있는 금속산화물 반도체제의 광투과성의 전극피막을 형성한다. 그 전극피막의 광촉매기능에 의하여 전기화학반응을 촉진하는 것이 가능하고, 더욱이 산화환원전극간 전위를 높일 수 있다.
일측의 극성의 전극은 상기 확산층의 표면에 형성되고 확산층에 대하여 헤테로접합을 형성하는 광촉매 기능이 있는 금속산화물 반도체제의 광투과성의 전극피막으로 구성된다. 상기 헤테로접합에 의하여 캐리어의 장벽을 낮추는 것과 같이 구상결정의 표면 근방부분에 형성된 확산층이 만드는 pn접합 작용을 높이는 것이 가능하다.
상기 구상결정은, Si 또는 SiGe의 반도체, GaAs나 InP 등의 III-V족 화합물 반도체, 또는 CuInSe2등의 칼코파이라이트계 반도체로 구성된다.
본 반도체 디바이스는 하나의 상기 구상반도체 소자를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입장착되어 기밀상으로 폐색되는 한쌍의 외부 전극으로서 구상 반도체 소자의 전극에 각각 전기적으로 접속된 한쌍의 외부전극을 구비한다. 이러한 반도체 디바이스는 포토다이오드에 적용하는 것이고, 케이스의 외측에서 광을 조사하면, 한쌍의 외부전극에 전위차가 발생한다. 구상반도체 소자가 투명한 케이스 내에 수납되어 있기 때문에 전주 360도의 넓은 범위의 입사광을 검출 가능하다.
본 반도체 디바이스는, 복수개의 구상반도체 소자를 전기적으로 직렬 접속상태로 하여 1열에 연결된 반도체 소자 어레이와, 상기 반도체 소자 어레이를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 케이스의 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입장착되어 기밀상태로 폐색하는 한쌍의 외부전극이고, 반도체 소자 어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속된 한쌍의 외부전극을 구비한다. 이러한 반도체 디바이스는, 포토다이오드 어레이나 태양전지 어레이에 적절한 것이고, 반도체소자 어레이가 투명한 케이스 내에 수용되어 있기 때문에 전주 360도의 넓은 범위의 입사광을 검출 가능하다. 그리고 직렬접속된 구상반도체 소자의 수를 조절하는 것에 의하여 광기전력의 크기를 절적하게 조절하는 것이 가능하다.
상기 케이스에는 복수개의 수용공이 평행으로 형성되고, 각 수용공에 반도체 소자어레이가 장착되며, 각 수용공의 양단부분에 한쌍의 외부전극이 설치된다. 이러한 반도체 디바이스는, 전체적으로 패널형상 또는 시트형상이고, 투명한 케이스의 양면에서 입사되는 광을 수광하여 전압으로 변환한다. 더욱이 복수행 복수열의 구상반도체 소자는, 입사광의 입사방향이 크게 변화하여도 확실하게 수광하여서, 태양전지 패널에 적적한 것이다. 또한 입사광의 일부는 구상반도체소자와 케이스를 투과하여 반대측으로 출사하기 때문에 창유리 겸용의 태양전지 패널로 된다.
본 발명에 의한 반도체 디바이스는, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬접속상태로 하여, 1열로 배열한 반도체소자와, 상기 반도체소자어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속된 한쌍의 외부전원과, 반도체소자어레이의 외측을 덮는 투명한 케이스부재를 구비한다. 상기 케이스부재는 실리콘 수지 등의 합성수지재로 구성되는 것이 바람직하고, 반도체소자어레이를 케이스부재의 내부에 매설상태로 장착하여도 좋다. 그 외 제13항에 기재한 반도체디바이스와 동일하다.
상기 반도체소자 어레이가 복수열 평행으로 설치되고, 이들 복수개의 반도체 소자어레이가 투명한 시트상태의 케이스부재 내에 매설상태로 수용되고, 복수개의 반도체소자를 1열로 배열하여 극성이 다른 전극끼리를 접촉시키는 것만으로 전기적으로 직렬접속하는 것이 가능하다.
본 반도체 디바이스는, 하나의 구상반도체소자를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입 장착되어 기밀상태로 폐색하는 한쌍의 외부전극으로 구상반도체 소자의 전극에 각각 전기적을 접속되는 한쌍의 외부전극을 구비한다. 이러한 반도체 디바이스는, 정류다이오드나 가변용량 다이오드 등에 적절한 것이고 한쌍의 외부 전극을 통하여 구상반도체소자의 한쌍의 전극에 전압을 인가하는 것이 가능하다.
본 반도체 디바이스는, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬 접속상태로 하여 1열로 배치한 반도체 소자어레이와, 상기 반도체소자 어레이를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 케이스의 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입 장착되어 기밀상태로 덮는 한쌍의 외부전극으로 반도체소자 어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적을 접속되는 한쌍의 외부 전극을 구비한다. 한쌍의 외부전극에 전압을 인가하면, 반도체소자어레이의 복수개의 구상반도체소자가 발광하기 때문에, 이러한 반도체디바이스는, 발광다이오드어레이로서 적절한다. 반도체소자어레이가 투명한 케이스에 수용되어 있기 때문에 전주 360도의 넓은 범위로 빛을 출사한다. 그리고 직렬접속된 구상반도체소자의 수를 조절하는 것에 의하여 발광능력을 적절하게 조절하는 것이 가능하다.
상기 케이스에는 복수개의 수용공이 평행하게 형성되고, 각 수용공에 반도체 소자어레이가 장착되며, 각 수용공의 양단부분에 한쌍의 외부전극이 설치되어 있다. 이러한 반도체디바이스는 전체로서 패널형상 및 시트형상이고, 투명한 케이스의 양단에서 광을 출사하지만, 편면에 반사피막을 형성하고, 타면측으로만 빛을 출사시키는 것도 가능하다. 복수행 복수열의 구상반도체 소자에서 발광시키면, 면발광상태로 되기 때문에, 면발광디바이스로서 적절하다.
본 발명에 의한 반도체디바이스는, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬접속상태로 하여 1열로 배열한 반도체소자어레이와, 상기 반도체소자어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 접속되는 한쌍의 외부전극과, 반도체소자 어레이의 외측을 덮는 투명한 케이스부재를 구비한다. 상기 케이스부재는 실리콘 수지 등의 합성수지재료로 구성되는 것이 바람직하고, 반도체소자어레이를 케이스 부재의 내부에 매설상태로 장착하여도 좋다. 그외 제22항의 반도체디바이스와 동일하다.
상기 반도체소자어레이가 복수행 설치되고, 이들 복수개의 반도체소자어레이가 투명한 시트상태로 케이스부재내에 매설상태로 수용되며, 복수개의 반도체소자 어레이에 대응하는 복수쌍의 전극이 설치된다. 상기 케이스부재는 실리콘수지 등의합성수지재료로 구성하는 것이 바람직하고, 반도체소자어레이를 케이스부재의 내부에 매설상태로 장착하기 때문에, 광의 출사효율이 높아진다. 그외 제23항의 반도체디바이스와 동일하다.
본 발명의 반도체 디바이스는, 상기 구상반도체소자에 전압을 인가하여 발광 시키는 발광기능이 있는 장치이다.
본 발명의 반도체디바이스에서는, 복수개의 상기 구상반도체소자가 복수행 복수열의 매트릭스형상으로 배열되고, 이들 복수개의 구상반도체소자가 투명한 패널상태의 케이스부재내에 수용되며, 각각의 구상반도체소자의 한쌍의 전극에 각각 전압이 선택적으로 인가되어 발광하는 디스플레이패널으로서 기능하는 장치이다. 이러한 반도체디바이스는, 전체로서 패널상이고, 투명한 케이스의 양면에서 광을 출사하지만, 편면에 반사피막을 형성하고, 타면측으로만 광을 출사하도록 할 수 있다. 대형의 디스플레이패널의 경우에는 구상반도체소자의 직경은 수mm의 크기라도 좋지만, CRT디스플레이나 액정디스플레이의 크기의 소형의 디스플레이패널의 경우에는, 구상반도체소자의 직경은 200 내지 300μm의 크기로 된다. 그리고 각 구상반도체소자에서 출사되는 광이 인접하는 구상반도체소자의 측으로 누설되지 않도록, 구상반도체소자 간을 광학적으로 차단하는 미세한 칸막이벽을 형성하는 것이 바람직하다.
여기서 단색의 디스플레이패널의 경우에는, 1종류의 구상반도체소자를 적용한다. 칼라의 디스플레이패널의 경우에는, 적, 녹, 청의 3색의 광의 합성에 의하여 풀칼러의 광을 발새요시킬 필요가 있어서, 상기 복수개의 구상반도체소자는, 적색광을 발생할 수 있는 제1구상반도체소자와, 녹색광을 발생할 수 있는 제2구상반도체소자와, 적색광을 발생할 수 있는 복수개의 제3구상반도체소자로 구성되고, 제 1 내지 제3구상반도체소자가 매트릭스의 각 행방향으로 교대로 주기적으로 배치되는 거소가 같이 각 열방향으로도 교대로 주기적으로 배치되고 있다.
상기 제1내지 제3구상반도체소자에 있어서의 각 구상결정이 n형 GaAs반도체로 되고, 그 구상결정에 형성되는 확산층이 p형불순물로서의 Zn을 포함한다. 그리고 제1구상반도체소자의 구상결정의 표면에는 적외(赤外)광을 적생광으로 변환하는 형광체를 포함하는 피막이 형성되고, 제2구상반도체소자의 구상결정의 표면에는 적외광을 녹색광으로 변환하는 형광체를 포함하는 피막이 형성되며, 제3구상반도체소자의 구상결정의 표면에는 적외광을 청색광으로 변환하는 형광체를 포함하는 피막이 형성되어 있다. 이와 같이 하여 제1 내지 제3구상반도체소자를, 형광체를 포함하는 피막이외에는 동일한 구조로 구성할 수 있고 동일한 구동전압으로 구동할 수 있다.
다음에는 본 발명을 실시하기 위한 최선의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
제1실시예(도 1 내지 도 17 참조)
본 실시예의 반도체 디바이스는, 이하에서 설명되는 반도체광촉매를 복수개 단위로 집합한 집합체로 구성된다.
최초에, 반도체광촉매의 구성에 대하여 간단하게 설명한다.
도 8에 도시한 바와 같이 상기 반도체광촉매(1)(구상반도체소자에 상당한다)에 있어서는 n형실리콘반도체제의 구상결정(2)과, 상기 구상결정(2)의 상반부의 표면부에 형성되는 p형확산층(6)으로 구상결정(2)에 포함되는 p형확산층(6)과, 한쌍의 전극(14,15)과, 구상결정(2)의 표면 가운데 전극(14,15) 이외의 부분을 덮는 SiO2(산화실리콘)의 피막(9)와, 상기 SiO2의 피막(9)의 표면에 형성된 TiO2(산화티탄)의 피막(10)을 구비한다. 구상결정(2)의 표면부에 pn접합(7)을 포함하는 광기 전력발생부(16)가 형성되고, 구상결정(2)과 광기전력발생부(16)으로 마이크로광전지(17)이 구성되어 있다. 이러한 독립의 입상의 반도체광촉매(1)는, 전해액중에 침적된 상태로 외부에서 공급되는 광에 의하여 마이크로광전지(17)에서 생기는 광기전력을 통하여 전기화학반응을 일으키도록 되어 있다.
다음에 반도체광촉매(1)의 구조와 제조방법과 작용등에 대하여 설명한다.
제1공정에 있어서, 도 1에 도시한 바와 같이 구상의 n형실리콘반도체로 구성되는 구상결정(2)을 제작한다. 이러한 구상결정(2)은 불순물농도가 약 1.5X1016cm-3의 n형 실리콘 반도체를 이용하여 예를 들면 직경 약 1.5mm의 진구형상으로 형성한다. 이와 같은 진구(眞球)상태의 구상결정(2)은, 실리콘반도체의 과립을 전자부유 가열장치로 용융하고, 다음에 부유를 해제하여 그 상태로 낙하 튜브내를 자유낙하시키면서 응고시키는 것에 의하여 원활한 표면의 구상결정(2)으로 제작될 수 있다. 그리고 필요에 따라서, 불활성가스 분위기 중에서 600 내지 900℃의 온도로 가열하여 어닐링하는 것으로 결정구조의 개선을 도모할 수 있다. 그리고 제1공정의 구상 결정(2)의 제조방법에 대해서는 도 9, 도 10에 기초하여 후술하기로 한다.
다음에 제2공정에 있어서, 도 2에 도시한 바와 같이 구상결정(2)을 공지의 방법에 의하여 산소를 포함하는 분위기 중에서 약 1150℃로 가열하고, 표면전체에 두께 약 1μm의 SiO2(산화실리콘)의 피막(3)을 형성한다. 다음에 제3공정에 있어서, 도 3에 도시한 바와 같이 피막(3)을 형성한 구상결정(2)을 예를 들면 유리제의 지지판(4) 상에 올려놓은 상태에서 그 지지판(4) 상에 구상결정(2)의 반경정도의 두께의 내산성합성수지의 액상의 수지막(5)을 형성하고 구상결정(2)의 하반부를 수지 막(5)으로 덮은 상태로 하면서 수지층(5)을 고화시킨다.
다음에, 제4공정에 있어서 희석한 불산수용액을 사용하여, 구상결정(2) 가운데의 수지막(5)에서 노출된 부분을 에칭하고, SiO2의 피막(3)을 녹여서 제거한다. 그 결과 도 4에 도시한 바와 같이 된다. 다음에 제5공정에 있어서, 도 5에 도시한 바와 같이, 수지막(5)을 용제로 용해시키고, 구상결정(2)을 지지판(4)에서 분리하여 적당한 세정액을 이용하여 구상결정(2)의 표면을 세정하고, 다음에 p형확산층(6)을 형성하기 위한 불순물원소를, 공지된 방법으로 구상결정(2)의 상반부의 표면부에 열확산시켜 p형확산층(6)을 형성한다.
이 경우 예를 들면 구상결정(2)의 하반부의 표면을 덮는 피막(3)을 확산 마스크로서, 불순물원소로 보론(B)을 열확산시켜, p형확산층(6)을 형성한다. 상기 열확산에 의하여 p형확산층(6)의 표면에는, 피막(3)에 연속되는 SiO2의 피막(8)이 부수적으로 형성된다. 그 결과, 구상결정(2)과 p형확산층(6)과의 사이의 pn접합(7)은 구상결정(2)의 표면에서 약 0.5 내지 0.8μm의 깊이로 형성된다. 외부에서 태양광 등의 광을 수광하고 있는 때, pn접합(7)은 광여기된 캐리어(전자와 정공)을 분리하여 광기전력을 발생한다.
다음에 제6공정에 있어서, 희석된 불산수용액을 이용하여 에칭처리하는 것에 의하여 구상결정(2)의 표면의 피막(3,8)을 제거한다. 다음에 공지된 기술인 물리 층착법(PVD)나 화학증착법(CVD)에 의하여 도 6에 도시한 바와 같이 p형확산층(6)을 포함하는 구상결정(2)의 표면에, pn접합(7)의 표면을 불활성화시키기 위한 SiO2의 피막(9)을 형성하고 이러한 피막(9)의 표면에 TiO2(산화티탄)의 피막(10)을 형성한다.
상기 피막(9,10)은, pn접합(7)의 표면의 리크전류를 적게 하고, 안정화를 도모하는 것과 같이 굴절율이 상이한 것에 의하여 표면에서의 광반사를 적게한다. 즉, 양피막(9,10)은 pn접합(7)을 보호하고 표면을 불활성화하는 절연막 겸 불활성화막이고, 광의 반사를 방지하는 광반사방지막으로서 기능을 가진다. 상기 TiO2는, n형반도체이고 광촉매기능을 구비하기 때문에 입사광 가운데 약 420nm 이하의 파장의 광은, TiO2의 피막(10)에서 흡수되고, 이보다 긴 파장의 광은 SiO2의 피막(9)과 TiO2의 피막(10)을 투과하여 구상결정(2)에 흡수된다.
양피막(9,10)의 막두께는, pn접합(7)의 불활성화막으로서의 기능과, 피막(10)에 의한 광촉매기능과, 수광하는 스펙트럼에 대한 투과도 정도 등을 고려하여 설정된다. 실리콘 반도체구상결정(2)의 경우, SiO2의 피막(9)의 두께는 약 0.3 내지 0.7μm, TiO2의 피막(10)의 두께는 약 0.3 내지 1.0μm이다.
다음에 제7공정에 있어서, 도 7에 도시한 바와 같이 구상결정(2)의 하단부와 p형확산층(6)의 정점부에, 구상결정(2)의 중심을 끼운 서로 대향하도록 옴접촉(전극 14,15)을 형성한다. 최초에 공지된 포토리소그라피와 플라즈마에칭법 등에 의하여 2층의 투명한 피막(9,10)에, 직경 약 0.5mm의 한쌍의 개구부(11,12)를 형성한다. 이 경우, 내식성 감광수지막(13)에 의하여 마스크한 상태로 한쌍의 개구부(11,12)를 형성한다.
다음에 제8공정에 있어서, 도 7의 한쌍의 개구부(11,12)에서 구상결정(2)에 대하여 공지된 증착기술에 의하여 Ti(티탄)을 증착하고, 다음에 Ni(니켈)을 증착하여, 0.1 내지 1.0μm의 두께의 한쌍의 옴접촉을 형성하고, 그 후 진공중에서 200 내지 300℃에서 소결처리함과 같이, 내식성 감광수지막(13)을 탄화제거한다. 이와 같이 하여 구상결정(2)의 p형확산층(6)의 정점부에 양전극(14)를, 구상결정(2)의 하단부에 음적극(15)을 형성한다. 이들 전극(14,15)는, 외부회로에 대하여 전류를 주고 받는 출입구로 된다. 이상과 같이 하여, 도 8에 도시한 바와 같은 각각의 독립의 입상의 반도체광촉매(1)가 얻어진다. 그리고 이상은 1개의 반도체광촉매(1)를 제작하기 위한 일례를 설명하였지만, 실제로는 복수개의 반도체광촉매(1)를 같이 제작하는 것으로 될 것이다.
상기 반도체광촉매(1)를 다수개 집합한 집합체는, 후술하는 바와 같이 미리선택된 전해액중에 침적된 상태에 있어서, 외부에서 광을 조사시켜, 전기화학반응을 일으키기에 적당하다. 전극(14,15)의 재료로서는 촉매기능이 있는 것이 바람직하고, 반응활성과 반응선택성의 기준에서 전해반응으로 생성되고 대상에 따라 선택할 수 있다. 예를 들면 물의 전기분해에 있어서 수소발생용 환원전극으로서 상기 Ni 이외에, Ru, Ir, 이들의 산화물의 어느 하나가 바람직하다. 또한 CO2가스를 물로 광환원하여, CH4가스의 생성을 수행하는 환원전극으로서 Pd, Rh 등이 적절하다.
다음에 상기 반도체광촉매(1)의 작용에 대하여 설명한다.
반도체광촉매(1)를 전해액중에 침적하고 외부에서 광을 조사하여 전해액을 전기분해하는 경우를 예로서 설명한다. 반도체광촉매(1)에 태양광과 같은 넓은 스펙스트럼분포의 광이 조사되면 양전극(14)가 플러스, 음전극(15)가 마이너스로 되는 광기전력이 발생한다. 이는 피막(9,10)을 통과하여 pn접합(7)의 근방에서 흡수된 광에 의한 것이다.
두개의 전극(14,15) 사이에서 발생하는 최대의 개방전압은 약 0.6V이다. 한편 n형반도체인 TiO2의 피막(10)의 표면에 광이 입사되면, 약 420nm 이하의 파장을 가진 광은 피막(10)에서 흡수되고, 그 광촉매작용으로 복수개의 전자와 정공이 생성된다. TiO2의 피막(10)에는, 전해액 등의 이상계면에 접하는 표면에서 에너지밴드갭이 휘고, 쇼트키장벽에 유사한 포텐셜장벽이 생긴다. 이 때문에, 생성된 전자는 양전극(14)로 이동하고, 정공은 계면에서 전자를 빼았는 광여기에 의하여 얻어진에너지밴드에 가까운 에너지를 잃어 소실된다. 이것은, TiO2의 피막(10)의 표면에 있어서, 전자를 빼앗는 산화작용이 발생하는 것을 의미한다. 이와 동시에 실리콘의 pn접합(7)에 의한 광기전력으로 양전극(14)도 계면에서 전자를 빼앗는 산화작용을 발휘한다. TiO2의 피막(10)은 양전극(14)과 전기적으로 접하기 때문에, 단독의 경우와 비교하여, pn접합(7)에 의한 광기전력이 바이어스로 인가되고, 산화전위가 높게 되며, 더욱 높은 에너지의 전자를 빼앗는 것이 가능하게 된다. 음전극(15)는, 전해액 등의 이상계면에 있어서 외부로 전자를 부여하는 환원작용을 발휘한다. 이와 같이 반도체광촉매(1)는, 광입력만으로 전기화학반응을 자동적으로 일으키는 광촉매로서의 기능을 발휘하는 것이다.
이상 설명한 반도체광촉매(1)는 다음의 효과를 가진다.
(a) 구상결정(2)에 그 구상결정(2)과 협동하여 광기전력을 발생하는 광기전력발생부(16)를 형성하여 되는 마이크로광전지(17)를 구성하고, 상기 양전극(14)에 전기적으로 접속된 광촉매기능을 구비하는 TiO2의 피막(10)을 형성하여서, 전극(14,15)에 있어서의 활성화과전압을 크게할 필요없이 에너지키 변환효율이 높은 반도체광촉매가 얻어진다.
(b) 실리콘반도체의 구상결정(2)에 있어서의 pn접합(7)의 에너지밴드갭과, TiO2등의 광촉매기능이 있는 금속산화물반도체에 있어서의 에너지밴드갭을 절적하게 조합하는 것에 의하여 전극간 전위차를 전기화학반응에 접합한 전위차를 설정하고, 필요한 반응생성물의 선택성을 높이는 것이 가능하다.
(c) TiO2와 같은 에너지밴드갭이 큰 광화학적으로 안정된 산화물박막으로, 구상결정(2)의 표면을 전기화학적으로 보호함과 같이 광촉매의 기능과 광반사방지 막의 기능을 발휘시키고 있어서, 제조코스트를 저감할 수 있고, 에너지의 변환효율과 신뢰성이 높은 반도체 광촉매(1)를 실현할 수 있다.
(d) 반도체광촉매(1)가 비교적 작은 구로 형성되고, 구는 기계적인 강도가 우수하며 파손되기 어렵고, 액체중에 있어서 자유롭게 이동시킬 수 있기 때문에 필요한 곳에 분산배치할 수 있다. 더욱이 양전극(14)와 음전극(15)를 구상결정(2)의 중심을 끼워서 대향하는 위치에 형성하고 있기 때문에 광을 조사한 상태로, 외부에서 전계를 인가하는 것에 의하여, 복수의 반도체광촉매(1)를 전기적으로 직렬접속할 수 있다.
(e) 반도체광촉매(1)는 그 표면의 구면에서 수광하기 때문에 광의 입사방향의 영향이 작고, 산란광과 같은 넓은 입사각도에 대한 높은 감도를 가진다.
(f) 제1공정에 있어서 구상결정(2)을 제작하는 경우, 부유상태로 용융되고, 용액의 표면장력을 이용하여 구상화하여 고화하기 때문에, 구상결정(2)의 표면에 스트레스나 격자 흠결이 남지 않고, 융액을 수용하는 용기에서 불순물이 혼입되지 않는 고품질의 것으로 된다. 특히 융액을 낙하튜브 내부를 자유낙하시키면서 고화시켜서 구상결정으로 하는 경우에는 진구도가 높고, 조성의 분포가 균일하게 결정 흠결이 작은 고품질의 것으로 된다.
다음에 상기 제1공정에 있어서 실리콘반도체의 구상결정(2)을 제작하는 구상결정제조장치와 반도체구상결정제조방법에 대하여 설명한다.
도 9에 도시한 바와 같이 구상결정제조장치(101)는, 직경 5 내지 10cm의 높이 약 14m의 연직의 낙하튜브(110)와, 낙하튜브(110)의 상단부의 외측에 배치된 전자부유가열장치(112)와, 아프터히터로서의 적외선히터(113)와, 원료체(2a)를 하나씩 공급하는 원료공급장치(111)와, 낙하튜브(110)의 하단에 연결되는 수용부(114) 내에 수용되는 실리콘오일조(115)와, 낙하튜브(110) 내의 공기를 흡인하는 진공펌프(116)와, 가스공급장치(117)와, 배관계 및 밸브류, 고속카메라(118a~118c)와, 이들 기구를 제어하는 제어유니트(120) 등을 포함하여 구성되고 있다. 단 공장의 1층 내지 5층의 플로어(103a∼103e)도 도시되어 있다.
원료공급장치(111)은, 공급기(121)과, 다수개의 과립상의 원료체(2a)를 수용하여 1개씩 공급하는 파트피더(122)를 구비하고, 파트피더(122)는, 원료체(2a)를 예열하는 기능과 발기하는 기능을 구비한다. 공급기(121)의 케이스(123)은, 전자 개폐밸브(124)를 구비하는 흡인관(125)으로 진공펌프(116)에 접속되고, 수입기(126)은, 전자개폐셔터(127)을 구비하는 통로(128)로 파트피더(122)에 접속되며, 수입기(126)의 출구통로(129)에는 전자개폐샤터(130)이 설치되고, 수입기(126)에는 복수개의 미소공을 통하여 케이스(123) 내의 진공이 도입된다. 제조장치(101)의 가동중에는 전자개폐밸브(124)는 열려서 공급기(121) 내부에는 진공상태이다. 파트피더(122)에서 원료체(2a)를 공급하는 경우, 전자개폐샤터(130)을 닫고, 전자개폐셔터(127)을 열어서 수입기(126)내에 원료체(2a)를 공급하고나서 전자개폐셔터(127)를 닫는다. 진공펌프(116)에 접속된 흡인관(133∼135)에는, 전자개폐밸브(136∼138)가 설치되어 있다. 필요에 따라서 낙하튜브(110) 내에 불활성가스나 산화성가스를 흘리는 것이 가능하도록 가스공급장치(117)과, 가스공급관(139)와, 분기관(139a,139b)와 가스배출관(141)과, 전자개폐밸브(140,142)가 설치되어 있다. 단 낙하튜브(110) 내를 진공으로 유지하는 경우에는 가스공급장치(117)는 정지하고 전자개폐밸브(140,142)는 닫혀 있다.
전자부유가열장치(112)는, 상부코일과 하부코일과, 고주파전류발생장치(119) 등으로 구성되고, 상부코일로 상하의 자력선이 발생하고, 하부코일에서 하향의 자력선이 발생하며, 고주파수로 변화하는 자력선에 의하여 원료체(2a)에 유도전류가 발생하고, 원료체(2a)가 상하의 코일의 중간 위치에 있는 때, 유도전류에 자력선에서 작용하는 상향의 힘과 하향의 힘이 균형을 이루면서 원료체(2a)가 부유상태를 유지하고, 유도전류의 발열작용으로 원료체(2a)가 가열된다. 그리고 원료체(2a)가 원료융액(2b)로 되면 고주파전류가 차단되고, 원료융액(2b)가 자유낙하를 개시한다. 이 자유낙하에 의하여 원료융액(2b)는 10-5G의 미소중력상태에 있어서 표면장력의 작용으로 진구(眞球)상태로 된다.
적외선히터(113)는, 원료융액(2b)의 표면부만을 조금 가열하기 위한 것이고, 전자부유가열장치(112)와의 사이에 소정 거리 이상 떨어져 낙하튜브(110)의 외측에 환상으로 배치되어 있다. 상기 적외선히터(113)는, 적외선방사세라믹으로 구성되는 원통상의 히터본체를 구비하고, 상기 히터본체로 공급하는 전류를 제어하는 것으로, 가열능력을 정밀하게 제어하는 것이 가능하다. 원료융액(2b)는, 자전하면서 낙하기 때문에, 적외선히터(113)에 의하여 원료융액(2b)의 표면부만이 일정하게 가열된다.
다음에 제조장치(101)를 사용하여 n형실리콘의 원료체(2a)를 공급하여 구상 결정(2)을 제조하는 경우의 작용에 대하여 설명한다. 최초의 준비단계에 있어서 전자개폐밸브(124,136∼138)이 열리고, 진공펌프(116)가 동작되며, 낙하튜브(110) 내에는 소정의 진공상태로 된다. 수입기(126)에는 한개의 원료체(2a)가 수용되고, 적외선히터(113)에 미리 설정된 전류가 통전되고 있다. 다음에 전자부유가열장치(112)에 통전되고, 전자개폐셔터(130)가 열려서 원료체(2a)가 낙하하고, 그 원료체(2a)는 전자부유가열장치(112)에 의하여 소정의 미소시간 동안 부유상태로 가열되고, 원료융액(2b)로 된다. 이 때의 원료융액(2b)의 온도분포는, 도 10(a)에 도시한 바와 같이, 원료융액(2b)의 내부와 표면부가 거의 일정하게 된다.
다음에 전자부유가열장치(112)로의 통전이 차단되면, 원료융액(2b)가 낙하튜브(110)의 진공중을 낙하하기 시작한다. 최초 저속으로 낙하하기 때문에 원료융액(2b)가 적외선히터(113)의 상단의 레벨까지 낙하하는 미소시간 사이에 방사냉각되어 방열된다. 이 때, 원료융액(2b)의 표면부에서 방열되기 때문에 원료융액(2b)의 내부보다 표면부 측이 저온으로 된다.[도 10(b)의 온도분포참조] 이 낙하개시 후에는 원료융액(2b)는 미소중력상태로 되기 때문에, 원료융액(2b)의 표면장력의 작용으로 진구상태로 된다.
다음, 적외선히터(113)의 내부를 낙하하는 중에, 원료융액(2b)의 표면부만이가열되고, 원료융액(2b)의 온도분포는 도 10(c)에 도시한 바와 같이 원료융액(2b)의 내부보다 표면부 측이 고온으로 된다. 다음에 적외선히터(113)의 하방으로 낙하하면서, 원료융액(2b)는 방사냉각에 의하여 방열되고 원료융액(2b)의 표면장력의 작용으로 진구상의 구상결정(2)으로 응고된다.
적외선히터(113)를 통과한 후, 방사냉각이 진행되어 응고점(To)에 가깝도록 온도저하한 상태에서의 원료융액(2b)의 온도분포는, 도 10(d)에서 실선 또는 이점 쇄선으로 도시하고 있다. 이러한 상태에서 응고가 개시되기 때문에 원료융액(2b)의 내부와 표면의 양측에서 응고된다. 이 때문에 응고중에 체적팽창되어도, 구상 결정(2)의 표면부에 돌기부가 형성되는 것 없이, 구상결정(2)의 내부의 왜곡도 극히 작아진다. 그 후 낙하튜브(110) 내부의 거이 중단부의 레벨에서 응고가 완료된 구상결정(2)은 실리콘오일조(115) 내의 실리콘오일로 낙하하고, 여기서 수용되어 완전하게 냉각된다. 상기와 같이 구상결정(2)의 내부 왜곡이 작게 되는 것과, 구상결정(23)의 전체가 단결정으로 되지 않는 경우에는, 그 후 어닐링처리하는 것으로 구상결정(2)의 전체를 단결정으로 할 수 있다.
이상과 같이 하여, 돌기부가 없는 진구상태의 구상결정(2)을 제조할 수 있다. 그리고 일시적으로 돌기부가 형성되어도, 소둔(燒鈍)처리의 경우 소멸하는 자리의 극히 작은 돌기부가 형성될 뿐이다. 또한 원료융액(2b)의 표면부가 내부보다 빨리 응고되지 않기 때문에 원료체(2a)의 표면에 부착된 기포가 구상결정(2)에 혼입되지 않게 된다. 원료융액(2b)는 미소중력상태 하에서 응고하여 구상결정(2)으로 되기 때문에 열대류, 부력, 침강의 영향을 받지 않고 성분이 균일하게 분포되는 구성결정(2)으로 된다.
변형실시예1(도 11 참조)
다음에 상기 반도체광촉매(1)를 부분적으로 변경한 반도체광촉매(1A)에 대하여 설명한다. 단 전술한 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다. 도 11에 도시한 바와 같이 반도체광촉매(1A)에 있어서는, 상기 TiO2의 피막(10)에 대신하여 SiN4(질화실리콘)의 피막(20)(막두께 약 0.3-0.7μm)가 PVD나 CVD법에 의하여 형성되고, 더욱이 구상결정(2)의 상반부의 대부분의 표면이고 양전극(14)의 표면을 포함하는 부분을 덮는 TiO2의 전극피막(21)(막두께 약 1.0μm)이 PVD나 CVD법에 의하여 형성되어 있다. 양전극(14)는 TiO2의 전극피막(21)에서 마스크되기 때문에 직접 외부경계와 전자의 교환은 불가하지만 그 대신에 전극피막(21)이 산화작용을 행하여 양전극으로서 기능한다.
상술한 바와 같이, TiO2의 전극피막(21)의 표면에 있어서 에너지밴드가 휘어 있기 때문에, 수광하면 복수개의 전자와 정공의 쌍이 발생하고, 이상계면에 정공이 모이고, 이들이 음전극(15)에 대하여 플러스 전위로 되고, 외부의 전류를 흘리도록 작용한다. 이러한 전류가 흐를때, 광촉매기능이 있는 전극피막(21)의 표면에서 산화작용이 발생하고, 음전극(15)의 표면에서 환원작용이 발생한다. 이러한 반도체 광촉매(1A)가 태양광을 수광하면, TiO2의 전극피막(21)이 약 410nm 이하의 파장의 단파장측의 광을 흡수하고, 이보다 긴파장측의 광은 마이크로광전지(17)에 흡수된다.
pn접합부(7)에서 발생한 광기전력은, 전극피막(21)에 대한 바이어스로 되어 전극피막(21)의 표면전위를 높인다. 이 때문에 전극피막(21)에 있어서의 산화전압이 높아지고, 전기화학반응에 이용 가능한 전기에너지가 높게 된다. TiO2와 같이 에어지밴드갭이 실리콘반도체의 구상결정(2) 보다 크고, 단파장의 광을 흡수하여 전자와 정공을 광여기하는 전극피막(21)을 형성하기 때문에 넓은 스펙트럼 분포를 가지는 태양광과 같은 광을 효율높은 화학에너지로 변환할 수 있고, 더욱이 산화와 환원의 전극간 전위를 크게 할 수 있다.
변형실시예2(도 12 참조)
다음에 상기 반도체광촉매(1)를 부분적으로 변경한 반도체광촉매(1B)에 대하여 설명한다. 단 전술한 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하고 자세한 설명은 생략한다. 도 12에 도시한 바와 같이 구상결정(2)의 하반부의 표면 가운데 음전극(15)의 표면 이외의 부분을 덮는 SiO2의 피막(9A)피막두께 약 0.3-0.7 μm)과, 이 피막(9A)의 표면을 덮은 SiO4의 피막(20A)(막두께 약 0.3-1.0μm)이, PVD나 CVD법으로 형성되고, p형확산층(6)의 표면에는 그 대부분을 덮은 TiO2의 전극피막(22)(막두께 약 0.3-0.7μm)이 pn접합(7)에 의하여 접촉되지 않도록 형성되고, p형확산층(6)과 피막(22)의 사이에 p형화산층(6)에 대하여 에너지밴드갭이 상이한 헤테로접합(23)이 형성되어 있다.
이러한 반도체광촉매(1B)를 제조하는 경우, 구상결정(2)의 표면의 전면에 피막(9A,20A)를 형성하고, 그 후 전극피막(22)에 대응하는 부분을 에칭으로 제거하고 나서, 전극피막(22)을 형성함과 같이 피막(9A,20A)에 개구부를 형성하여 음전극(15)를 형성하면 되지만, 이러한 방법에 한정되지 않고, 여러가지 공지의 기술에 의하여 제조하는 것이 가능하다.
상기 반도체광촉매(1B)에 태양광 등의 광이 조사되면, 전극피막(22)의 표면에 정공이 모이고, 이상계면에 있어서 전자를 빼앗는 산화전극으로서 기능한다. 마이크로광전지(17)의 광기전력이 전극피막(22)의 표면전위를 높이고, 변형실시예1의 반도체광촉매(1A)와 동일하게 작용한다. 여기서 입사광을 차단하는 금속의 양 전극이 없어서, 광전변환효율이 높아진다. 그리고 헤테로접합(23)에 의하여 캐리어의 장벽이 낮아지기 때문에 전극피막(22)의 표면전체가 효율이 높은 광촉매로서 기능을 가진다.
변형실시예3(도 13 참조)
다음에 상기 반도체광촉매(1)를 부분적으로 변경한 반도체광촉매(1C)에 대하여 설명한다. 단 상술한 구성요소와 동일한 구성요소에 동일한 부호를 부여하고 자세한 설명은 생략한다. 도 13에 도시한 바와 같이 구상결정(2A)는, 상기 p형확산층(6)이없는 n형실리콘반도체로 구성되는 구상결정이고, 상기 구상결정(2A)의 표면에는 음전극(15)을 제외한 전면에 SiO2의 피막(막두께 약 1.5-3.0nm)가 형성되고, 구상결정(2A)의 상반부에 있어서 피막(24)의 표면을 덮는 예를 들면 Ti나 Ni의 피막으로 구성되는 금속피막(25)(막두께 약 10∼15nm)이 형성되어 있다. 이 MIS구조에서는, 구상결정(2A)의 SiO2의 피막(24)의 내측부분에 pn접합와 거의 유사한 상태로 에너지밴드의 굴곡이 일어나고, 표면가까이에 에너지밴드 굴곡층(6C)을 포함하는 광기전력발생부(16C)가 형성되며 마이크로광전지(17C)로 된다.
변형실시예4(도 14참조)
다음에 상기 반도체광촉매(1)를 부분적으로 변경한 반도체광촉매(1D)에 대하여 설명한다. 단 상술한 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하면서 설명을 생략한다. 도 14에 도시한 바와 같이 구상결정(2A)는, 상기 p형확산층(6)이 없는 n형실리콘반도체로 구성되는 구상결정이고, 상기 구상결정(2A)의 방반부에는 예를 들면 Ti나 Ni의 피막으로 구성되는 금속피막(27)(막두께 약 10∼15nm)가 형성되고, 구상결정(2A)의 하반부의 표면에는 음전극(15)를 제외하고 SiO2의 절연피막(9D)(보호막)(막두께약 0.3-0.7μm)가 형성되어 있다. 이러한 쇼트키장벽의 구조에서는 구상결정(2A)의 금속피막(27)의 내측 부분에 pn접합와 유사한 상태로 에너지밴드의 굴곡이 일어나고, n형반도체인 구상결정(2A)의 표면 가까이에 에너지 밴드 굴곡층(6D)를 포함하는 광기전력발생부(16D)가 형성되며, 마이크로광전지(17D)를 구성하고 있다.
본 발명의 반도체광촉매는 이상 설명한 것에 한정되는 것은 아니고 다음과 같은 변경을 부가하는 형태로 실시하는 것도 가능하다.
(1) 상기 광촉매로서 활용되는 에너지밴드갭의 큰 TiO2의 피막(10) 이나 전극피막(21,22)는 필수불가결한 것은 아니고, TiO2의 피막(10)을 생략하고, 불활성화와 반사방지의 목적으로 Si3N4의 피막을 SiO2의 피막(9)의 표면에 형성하고, 마이크로광전지(17)의 전체를 보호하도록 하여도 된다. 이러한 경우 산화환원전압은 양전극(14)과 음전극(15) 사이에 생기는 pn접합(7)의 개방전압으로 제한되지만, 전극(14,15)에 있어서의 촉매작용은 남는다.
(2) 구상결정(2)을 p형실리콘반도체로 구성하고, 상기 p형확산층(6) 대신에 n형확산층을 형성하는 것도 가능하다. 또한 구상결정(2,2A)에 적용되는 n형 또는 p형반도체 대신으로는, Si반도체에 한정되는 것은 아니고, SiGe, SiC 등의 반도체, GaAs나 InP 등의 III-V족화합물 반도체, CuInSe2등의 칼코파이라이트계 반도체 등을 적용하는 것도 가능하다. 또한 상기 pn접합(7)이 헤테로접합이어도 좋다. 또한 도 13에 도시한 MIS구조도 일례에 불과한 것이고, 여러가지의 MIS구조를 적용가능하고, 도 14에 도시한 쇼트키장벽도 일례에 지나지 않고 여러가지 쇼트키 장벽을 적용할 수 있다.
(3) 반사방지막으로서 사용할 수 있는 불활성화 기능이 있는 재료로서는, SiO2, Si3N4이외에도, Al2O3, Ta2O5, TiO2, MgF2, SnO2또는 NbO5등을 적용할 수 있다. 단 구상결정(2, 2A)의 재료와의 관련에서 선택하는 것으로 한다.
(4) 상기 광촉매기능이 있는 TiO2의 피막(10)이나 전극피막(21, 22) 대신, SrTiO3, Fe2O3, PbxTi1-xO2등의 광촉매기능이 있는 금속산화물 반도체의 피막을 적용하여도 좋다. 또한 반도체광촉매(1∼1D)의 크기도 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 보다 크게 형성하거나 작게 형성하는 것도 가능하다.
반도체광촉매가 장착된 전해장치(도 15 - 도 17참조)
다음에 상기 반도체광촉매(1)를 다수개 집합시킨 집합체를 적용하는 반도체 광촉매가 장착된 전해장치(이하에서는 전해장치라고 칭함)에 대하여 설명한다.
도 15에 도시한 바와 같이, 이러한 전해장치(30)는, 이미 선택된 전해액(31)을 수용하는 것과 같이 다수개의 반도체광촉매(1)를 전해액(31)에 침적한 상태로 수용하는 예를 들면 유리제의 전해액조(32)와, 상기 전해액조(32)의 저부에 수용되는 다수의 반도체광촉매(1)와, 전해액조(32)의 양단부에 배치되고 다수의 반도체광 촉매(1)에 공통의 전계를 인가하는 좌우 한쌍의 양극(34) 및 음극(35)과, 생성가스 집합용의 유리제의 커버(33)와, 전해액(31)을 보충하는 배관(37)과, 생성가스를 취출하는 가스도출관(38) 등을 구비한다.
상기 전해장치(30)를 사용하여 전기분해하는 경우에는, 전해액조(31)에 예를 들면 소정 농도의 메탄올 수용액(전해액)을 소정의 깊이로 충진하고, 상방에서 태양광(41)을 조사하여 다수의 반도체광촉매(1)에 광기전력을 발생시킨 상태에 있어서 양극(34)에서 전해액(31)을 통하여 음극(35)로 직류전압을 인가한다.
이렇게 하면, 거의 전체의 반도체광촉매(1)가 바이폴러현상에 의하여 전기력으로 방향이 설정되어, 각 반도체 광촉매(1)의 음전극(15)이 양극(34) 측을 향하고, 양전극(14)가 음극(35)측으로 향하며, 2개 - 4개의 반도체광촉매(1)가 전기적으로 직렬접속된 상태로 되고, 그 후 직류전압의 인가를 정지하여도 직렬접속상태가 지속되어서, 이러한 상태로 전계장치(30)가 작동을 개시하고, 전해액(31)을 전기분해한다. 전해액(31)(메탄올수용액)이 양전극(14)와 이것에 접하는 TiO2의 피막(10)의 표면에서 산화되고, 음전극(15)의 표면에서 환원된다. 그 결과, 양전극(14)과 피막(10)의 표면에서 CO2가스(40)가 발생하고, 음전극(15)의 표면에서 H2가스(39)가 발생한다.
발생된 CO2가스(40)과 H2가스(39)와의 혼합가스는, 커버(33)로 안내되어 가스 도출관(38)에서 도시되지 않는 가스탱크로 보내지며, 상기 가스탱크에 접속된 가스 분리기에서 분리된다. 이러한 반도체광촉매가 장착된 전해장치(30)에 있어서는, 각각의 반도체광촉매(1)는 전해액조(32)에 고정되어 있지 않고, 광의 조사를 정지한 상태로 독립적으로 이동시킬 수 있기 때문에 필요한 부분에만 분산 배치하거나 때때로 분리하여 세정하는 등이 가능하다.
여기서 상기 전해장치(30)에 부분적인 변경을 부가한 장치에 대하여 설명한다.
도 16에 도시한 전해장치(30A)에 있어서, 전해액조(32A)의 저부에는, 2열씩의 반도체광촉매(1)의 하부를 유동 가능하게 수용하는 지면에서 직교방향으로 연속되는 얕은 요홈(32a)가, 복수열 형성되고, 전해액(31)을 수용하지 않은 상태에서 전해액조(32A)에 다수개의 반도체광촉매(1)를 수용하면, 상기 각각의 요홈(32a)에 반도체광촉매(1)가 거의 2열로 들어온 상태로 된다. 여기서 상기와 같이 전계를 인가하여 각 요홈(32a)의 복수개의 반도체광촉매(1)를 2개씩 직렬접속한다. 이렇게 하여 산화와 환원을 행하는 전극(14,15) 사이의 전위차를 각각의 반도체광촉매(1)의 광기전력의 약 2배로 확대하는 것이 가능하다. 단 전해액조(32A)의 저부의 요홈(32a)의 형상을 변경하거나, 혹은 요홈(32a)를 형성한 부재를 전해액조(32A)의 저부에 착탈 가능하게 배치하거나 하는 것에 의하여 각 요홈(32a)에 22열 이상의 복수열의 반응광촉매(1)를 수용하여 직렬접속 가능하게 구성하는 것이 용이하기 때문에 광기전력의 크기를 자유롭게 설정하는 것이 가능하다. 이 때문에 여러종류의 전해액의 전기분해를 행하는 것이 가능하다.
다음에 상기 전해장치(30)에 부분적인 변경을 부가한 장치에 대하여 설명한다.
도 17에 도시한 전해장치(30B)는 물(31B)을 전기분해하기 위한 장치이다. 물의 전해전압은 메탄올수용액의 전해전압보다 높기 때문에, 3개씩의 반도체광촉매(1)를 직렬 접속할 필요가 있다. 여기서 전해액조(32B)의 저부에는 3열의 반도체 광촉매(1)의 하부를 유동 가능하게 수용되는 지면상에서 직교방향으로 연속하는 얕은 요홈(32b)이 복수열 형성되어 있다. 따라서 상기와 같이 전극(34,35)에서 전계를 인가하는 것으로, 3개씩의 반도체광촉매(1)를 직렬접속하는 것이 가능하다.
직렬접속된 반도체광촉매(1)의 양전극(14)와 TiO2의 피막(10)의 표면에서 O2가스(42)가 발생하고 음전극(15)의 표면에서 H2가스(39)가 발생한다. O2가스(42)와 H2가스 사이를 격실하는 복수개의 반투막(43)이 설치되고, 커버(33B)에는 H2가스(39)를 도출하는 복수개의 가스통로(44)와, O2가스(42)를 도출하는 복수개의가스통로(45)가 형성되고, 가스통로(44)는 수소가스탱크에 접속되고, 가스통로(45)는 산소가스탱크에 접속된다.
여기서 이상의 전계장치(30∼30B)에 의하면 각각 독립된 구상의 반도체광촉매(1)를 적용하고 있어서, 광의 입사방향이 변동하여도 광흡수효율이 저하되지 않는 것, 반도체광촉매(1)를 배치하거나 분리하는 것이 편리한 점, 전해액의 필요 전해전압에 따라 소정갯수씩의 반도체광촉매(1)를 직렬 접속하여 소망의 광기전력을 발생시켜서 전기분해 가능하기 때문에 범용성이 우수한 점 등의 효과를 가진다.
그리고 상기 반도체광촉매에 있어서의 각종 이점이 얻어지는 것은 당연하다. 그리고 이들 전계장치(30∼30B)에는 반도체광촉매(1) 대신에 상기 반도체광촉매(1A∼1D)의 어느 것인가의 반도체광촉매를 적용할 수 있는 것은 물론이다.
실시예2(도 18 - 도 28 참조)
본 실시예에 있어서의 반도체 디바이스는, 도 18에 도시한 1개 또는 복수개의 독립된 입상의 구상 태양전기셀(200)(구상반도체소자)로 구성되어 있다.
도 18은 구상태양전지셀(200)의 단면도이고, 예를 들면 직경이 1.5mm로, 저항율이 1Ωcm 정도의 p형 실리콘반도체제의 구상결정(201)을, 상기 반도체 구상결정제조장치(101)에 의하여 제작한다. 실시예1에서 설명한 것과 동일한 확산마스크를 형성하고, 구상결정(201)를 P(인)을 포함하는 가스분위기 중에서 850∼950도로 가열하여 구상결정(201)의 표면 근방에 확산시킨 n형확산층(202)를 형성하고, pn접합(203)을 형성한다.
상기 n형확산층(202)에 있어서의 표면의 불순물 농도는 2~4X1020cm-3이고, pn접합(203)은 구상결정(201)의 표면에서 0.5μm의 깊이의 위치에 성형된다.
다음에 구상결정(201)의 표면의 SiO2의 피막을 제거하고 나서, 표면보호와 반사방지를 위한 광투과성의 절연피막(204)를 CVD법에 의하여 형성한다. 이러한 절연피막(204)는, 상기 반도체광촉매(1)와 같이 예를 들면 SiO2의 피막과 그 표면의 TiO2의 피막으로 구성된다.
다음에 구상결정(201)의 하단부와 n형확산층(202)의 정점부의 절연피막(204)의 부분에, 샌드블러스트 등의 방법으로 직경 0.2mm의 구멍(205, 206)을 형성하여 실리콘면을 노출시킨다. 다음에 한쌍의 구멍(205, 206) 이외의 부분을 마스크한 상태로 무전해도금 처리에 의하여, Pd(파라듐)의 50nm의 피막을 형성한 후, Ni(니켈)의 2μm의 피막을 형성하고, 그 후 약 400℃에서 열처리한다. 그리고 p형실리콘에 전기적으로 접속된 양전극(207)과, n형확산층(202)에 전기적으로 접속된 음전극(208)를 형성한다. 다음에 두개의 전극(207, 208)의 표면을 두께 약 20μm의 막(209,210)으로 피복한다. 양전극(207)과 음전극(208)은, 구상결정(201)의 중심을 끼워서 서로 대향하도록 형성되기 때문에 상기 반도체광촉매(1)와 동일하게 복수개의 태양전지셀(200)을 일렬상태로 배열하여 전기적으로 직렬접속하는 것이 가능하다.
여기서 n형확산층(202)는, 가스확산방법 이외에, 고상확산방법, 이온주입방법에 의하여 형성하는 것이 가능하고, 또한 절연피막(204)는 PVD법에 의하여 형성될 수 있으며, 또한 두개의 전극(207, 208)은 증착방법에 의하여 형성될 수 있다. 더욱이 n형실리콘반도체제의 구상결정에 p형확산층을 형성하여도 좋고, 절연피막(204), 전극(207,208)의 재료나 두께에 대해서는 필요에 따라 적절하게 변경하여도 된다. 구상결정(201)를 형성하는 반도체로서는 실리콘반도체에 한정되는 것은 아니고 상기 실시예에서 열거한 여러가지 반도체를 적용할 수 있다.
이상 설명한 태양전지셀(200)은, 태양광을 수광하여 광기전력을 발생하여서, 반도체광촉매나 태양전지로서 사용될 수 있다. 다수개의 태양전지셀(200)을 전해액이나 유기가스 중에 두면 전기화학반응을 유발하여, 전해액이나 유기가스를 분해한다.
상기 실리콘 반도체를 아용하는 태양전기셀(200)에서는 양전극(207)과 음전극(208) 사이의 개방전압은, 최대 약 0.6V이다. 이러한 개방전압의 크기는, 구상 결정(201)에 사용되는 반도체의 에너지밴드갭에 의하여 제한된다. 또한 실시예 1에 있어서 설명한 바와 같이, 복수개의 태양전기셀(200)을 복수개 1열상태로 배열하여 전기적으로 직렬접속하는 것으로 광기전력을 크게할 수 있다. 그리고 상기 pn접합(203) 대신에, MIS구조나 소트키장벽구조를 적용할 수 있다.
상기 태양전기셀(200)은, 전기회로 내에 조립되어 광센서로서 사용될 수 있고, 포토다이오드로서 사용하는 경우에는 목적에 따라서 적절하게 설계변경이 가능하다. 한편 발광다이오드로서 동작하는 구상반도체소자로 하는 경우에는, 구상결정(201)을 GaP, GaAs, SiC 등의 반도체로 공지된 발광 다이오드와 동일한 구조로 구성하고, 그러한 구상결정에 상기와 동일하게 하나 또는 복수개의 pn접합을형성하여, 양전극와 음전극 사이에 순방향의 전류를 공급하면 pn접합에 있어서 발광하고, 그 광이 외부로 방사된다(실시예 3 참조).
변형실시예 1( 도 19 참조)
상기 반도체디바이스를 부분적으로 변경한 반도체디바이스에 대하여 설명한다. 단 상술한 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여하고 설명은 생략한다.
이러한 변형실시예에 있어서 반도체 디바이스는, 도 19에 도시한 하나의 독립 입상의 구상의 정류 다이오드(215)(구상반도체소자)로 구성되어 있다.
도 19는, 정류다이오드(215)의 단면도이고, n형실리콘 반도체제의 구상결정(216)에, p형불순물을 확산한 p형 확산층(217) 및 pn접합(218)이 형성되고, 상기와 같은 절연피막(204)와 음전극(207a), 양전극(208a), 막(209,210)이 형성되어 있다. 단 전극(207a,208a)는 도 18의 태양전기셀(200)의 전극보다 크게 형성되어도 좋다. 여기서 상기 pn접합(218) 대신에 MIS구조나 쇼트키장벽구조를 적용할 수 있다. 그리고 적절한 설계변경을 부가하는 것으로, 정악용 다이오드나 가변용량 다이오드로 하는 것도 가능하다.
변형실시예2(도 20 참조)
변형예에 의한 반도에 디바이스에 대하여 설명한다. 단 상기의 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하고 자세한 설명은 생략한다. 본 실시예의 반도체 디바이스는, 하나의 독립 입상으로 구성되는 포토다이오드셀(221)(구상 반도체소자)를 유리제의 투명한 케이스(222) 내에 수용하고, 외부전극으로서의 한쌍의 리드핀(224,226)을 설치한 포토다이오드(220)이다.
상기 포토다이오드셀(221)는, 상기 태양전기셀(200)과 거의 동일한 구조이고, 예를 들면 직경 1.5mm이고 저항륭이 20Ωcm 정도의 p형 실리콘 반도체제의 구상결정(201)에, n형 불순물을 확산한 n형확산층(202)와 pn접합(203)이 형성되고 상기와 동일한 절연피막(204), 전극(207,208), 막(209,210)이 형성되어 있다. 단 pn접합(203)은, 구상결정(201)의 표면에서 2μm의 깊이로 형성되어 있다. 케이스 (222)로서의 유리튜브는 내경이 약 1.6mm, 외경 약 2.6mm, 길이 약 5.0mm이고, K2O.PbO.SiO2계의 광투과성이 우수하고 비교적 저온에서 봉착될 수 있는 유리로 구성되어 있다. 처음에, 케이스(222)의 수용공(223)의 일단에 양전극리드핀(224)(외부전극)을 봉착유리(225)로 융착하여 기밀상태로 봉입하여 둔다. 다음에 불활성 가스 중에 있어서, 수용공(223)의 타단에서 포토다이오드셀(221)을 수용공(223)에 수용하고, 양전극(207)의 막(209)를 양전극리드핀(224)의 선단에 접촉시킨다. 다음에 상기 가스중에 있어서 수용공(223)의 타단에 음전극리드핀(226)(외부전극)을 장착하고, 그 선단을 음전극(208)의 막(210)에 압압한 상태로 두어 봉착유리(227)로 융착하여 기밀상태로 봉입한다. 그 후 전체를 가열하는 것에 의하여 양전극리드핀(224)와 막(209), 음전극리드핀(226)과 막(210)를 접속한다. 그 후, 리드핀(224,226)는 외부 회로에 접속된다. 그리고 수용공(223) 내의 공극은 불활성가스로 채워진다. 광이 포토다이오드셀(221)에 조사되면 리드핀(224,226)에 광강도에 따른 광기전력이 발생하여서, 광센서로서 사용할 수 있다. 포토다이오드셀(221)의 전극(207,208)이외의 전표면에서 광을 수광할 수 있기 때문에 광의 수광방향이 제한되지 않는다.
변형실시예3(도 21 및 도 22 참조)
변형실시예에 의한 반도체디바이스에 대하여 설명한다. 단 상기와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 자세한 설명은 생략한다. 이러한 반도체 디바이스는 5개의 독립 입상의 태양전기셀(200)(구상반도체소자)를 1열 상태로 배열하여 전기적으로 직렬접속한 태양전기 어레이(231)(반도체소자어레이)를 유리제의 투명한 케이스(232) 내에 수용하고 외부전극으로서의 한쌍의 리드핀(234,236)을 설치한 태양전지 디바이스(230)이다.
이러한 태양전기셀(200)은, 직경이 0.5mm인 이외에는 도 18에 도시한 것과 동일한 것이다. 케이스(232)로서의 유리튜브는 내경 약 0.65mm, 외경 약 1.35mm, 길이 약 7.5mm이고, 변형실시예 2의 케이스와 동일한 유리로 구성되어 있다. 최초에 케이스(232)의 수용공(233)의 일단에 양전극리드핀(234)(외부전극)을 봉착유리(235)로 융착하여 기밀상태로 봉입하여 둔다. 다음에 불활성가스중에 있어서, 수용공(235)의 타단에서 태양전기어레이(231)를 수용공(233)에 수용하고, 태양전기어레이(231)의 일단의 태양전기셀(200)의 양전극(207)의 막(209)를 양전극리드핀(234)의 선단에 접촉시킨다. 다음에 상기 가스중에 있어서 수용공(233)의 타단에 음전극리드핀(236)(외부전극)을 장착하고, 그 선단을 태양전기어레이(231)의 타단의 태양전지셀(200)의 음전극(208)의 막(210)에 압압한 상태에 있어서 봉착유리(237)로 융착하여 기밀상태로 봉입한다. 그 후 전체를 가열하는 것에 의하여 양전극리드핀(234)와 막(209), 음전극리드핀(236)과 막(210)을 전기적으로 접속한다. 그 후 리드핀(234,236)는 외부회로에 접속된다. 수용공(233) 내의 공극은 불활성 가스로 채워진다.
광이 태양전지어레이(231)에 조사되면 리드핀(234,236)에 광강도에 따른 광기전력이 발생한다. 상기 포토다이오드와 동일하게 광을 수광하는 수광방향이 제약을 받는 것은 없다. 그리고 태양전기어레이(231)를 전기적으로 직렬 접속하는 경우, 예를 들면 5개의 태양전기셀(200)을 소정의 용기의 수평인 1조의 홈부에 유지하고, 광을 조사한 상태에 있어서 용기를 진동시키면서 외부전계를 인가하면 된다.
또한 이러한 태양전지디바이스(230)와, 후술하는 태양전기모듈(240)에 있어서 막(209,210) 대신 도전성합성수지막을 형성하여도 된다. 그리고 리드핀(234,236)과 대응하는 전극(207,208) 사이에 접시나사 등의 금속탄성부재를 개재시켜도 된다.
여기서, 상기 태양전기 디바이스(230)을 부분적으로 변경한 태양전기디바이스(230A)에 있어서, 도 23에 도시한 바와 같이 상기 유리제의 케이스(232) 대신 투명한 합성수지(예를 들면 실리콘 수지 등)제의 케이스부재(232A)가 적용되고, 태양 전기어레이(231)가 케이스부재 내부에 매설상태로 조립된다.
변형실시예4(도 24 및 도 25 참조)
변형실시예의 반도체 디바이스에 대하여 설명한다. 단 상기와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 자세한 설명은 생략한다. 이러한 반도체 디바이스는, 상기 변형실시예 3의 태양전지 디바이스(230)을 2차원적으로 확대한 시트상 또는 패널상태의 태양전기 모듈(240)이다.
상기와 같은 유리제작한 투명한 케이스(242)에는, 4개의 수용공(243)이 평행하게 형성되고, 케이스(242)에, 상기 변형실시예 3의 태양전기어레이(231)과 동일한 태양전기어레이(241)와, 도 19에 도시한 정류다이오드(215)와 동일한 정류다이오드(215)가 수용되고, 정류다이오드(215)는 태양전지어레이(241)의 음극측의 일단의 태양전지셀(200)의 음전극(208)의 막(210)에 전기적으로 직렬접속되어 있다. 각 수용공(243)의 일단부에는 양전극리드핀(244)가 장착되어 봉착유리(245)로 봉입되고, 각 양전극리드핀(244)의 선단이 대응하는 태양전기셀(200)의 양전극(207)의 막(209)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 수용공(243)의 타단부에는 음전극리드핀(246)이 장착되어 봉착유리(247)로 봉입되고, 각 음전극리드핀(246)의 선단이 대응하는 정류다이오드(215)의 음전극(208)의 막(210)에 전기적으로 접속되어 있다. 그리고 각 수용공(243)의 공극부에는 불활성가스로 채워진다. 그리고 4개의 양전극리드핀(244)와 4개의 음전극리드핀(246)은 각각 병렬접속되어, 외부회로에 접속된다.
여기서 상기 정류다이오드(215)를 설치할 목적으로, 태양전기 어레이(241)를 병열접속하여 출력을 크게한 경우에, 태양전기어레이(241) 간의 광기전력에 차이가 생기고, 기전력이 높은 측의 태양전기어레이(241)에서 낮은 방향의 태양전기어레이(241)에 역전류가 흐르고, 태양전기어레이(241)이 과열되는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기 태양전기모듈(240)의 주면(242a 또는 242b)에 태양광이 입사되면 각 태양전기셀(200)에 있어서 양전극(207)과 음전극(208)이 음으로 되는 광기전력이 발생하고, 각예의 양전극리드핀(244)와 음전극리드핀(246) 사이에는 5개의 태양전지셀(200)의 광기전력의 합에서 정류다이오드(215)의 순전압 강하를 뺀 전압이 발생하여서, 리드핀(244,246)에 접속된 외부회로에 출력될 수 있다.
그리고 상기 태양전지어레이(241)에 있어서 직렬접속의 수나 태양전지어레이(241)의 열수는 필요한 출력전압이나 출력 전류에 대하여 자유롭게 설정하는 것이 가능하다. 상기 케이스(242)의 양주면(242a, 242b)를 평면으로 형성하여도 되고, 케이스(242)를 투명한 광투과성이 우수한 합성수지재료(예를 들면 실리콘 수지 등)으로 구성하여도 좋다. 여기서 상기 태양전기모듈(240)을 부분적으로 변경한 태양 전지모듈(240A)에 있어서는, 도 26 및 도 27에 도시한 바와 같이 상기 케이스(242) 대신에 투명한 합성수지(예를 들면, 실리콘 수지 등)제의 케이스부재(242A)가 적용되고, 각열의 태양전기어레이(241)와 정류다이오드(215)가, 케이스부재(242A)의 내부에 매설상태로 조립되어 있다. 케이스부재(242A)의 양주면(248a, 248b)은 평행한 평면으로 형성되어 있다. 상기 케이스부재(242A)는 2매의 시트재를 도 27의 쇄선(249)의 면에서 접합시킨 구조의 것으로도 가능하다.
이상 설명한 태양전기모듈(240)에 있어서, 각 수용공(243)의 양단부가, 리드 핀(244,246)과 봉착유리(245,247)로 기밀상태로 밀봉되고, 내부에 불활성가스가 충진되어 있어서, 태양전기셀(200)이 전기적화학적으로 보호되며, 열화되기 어렵고, 내구성이 우수하다. 이러한 것은 태양전지모듈(242A)에 있어서도 동일하다. 또한 케이스(242)의 양주면(242a,242b)이 기하학적으로 대칭의 구조이고, 표리의 어디에서도 광을 수광하여도 광기전력이 발생한다. 더욱이 주면(242a,242b)에는 넓은 각도로 수광할 수 있도록 부분 원통면상의 곡면이 형성되어 있기 때문에, 태양광과 같이 입사방향이 변동하는 광에 대한 수광성능이 우수하다.
상기 태양전기디바이스(230) 및 태양전기모듈(240)에 있어서는, 케이스(232,242)를 투과한 광 가운데, 태양전지셀(200)의 표면에 임계각 보다 큰 입사각으로 입사되는 입사광은 인접하는 태양전기셀(200)의 표면에서 다중 반사를 반복하고, 최종적으로 내부로 흡수되기 쉽기 때문에, 광전변환효율이 개선된다. 그리고 태양전지모듈(240)에 있어서는 입사광 가운데 광전변환되지 않은 광은, 케이스(242)를 투과하여 반대측으로 투과하여 가버리기 때문에 태양전기 겸 창유리로서도 적용할 수 있다. 종래의 태양전기모듈은, 지지판과 투명커버판 사이에 태양전지셀을 설치하고 투명합성수지재를 충진하는 구조이고, 인터컨넥터, 방습시트도 설치하고 있었다. 그러나 상기 태양전지모듈(240)은, 기밀성, 내구성이 우수하고, 밀봉용의 투명합성수지, 내부컨넥터, 방습시트 등도 불필요한 간단한 구조를 가지고 있는 것이다.
상기 태양전기디바이스(230,230A)도, 태양전기모듈(240,240a)도, 기밀성 및 액밀성이 우수하고, 태양전기셀(200)이 케이스(232,242) 또는 케이스부재(232A,242A) 내에 수용되어 있기 때문에, 물, 여러가지 전해액, 처리대상의 오수중에 침적한 상태로 태양광을 에너지원으로서 전기분해를 행하는 디바이스에 적절하다. 예를 들면 도 28에 도시한 바와 같이, 상기 태양전기모듈(240)을 조립한 물의 전기분해장치(250)에서는 전계조(251) 내에 태양전기모듈(240)과물(254)을 수용하고, 전계조(251)의 상단을 폐색하는 덮개부재(252)를 설치하고, 반투막으로 구성되는 격막(253)을 설치한다. 상방에서 태양광을 조사하면, 태양전기모듈(240)의 광기전력에 의한 전기분해가 일어나고, 양전극리드핀(244)의 표면에서 산소가스(255)가 발생하며, 음전극리드핀(246)의 표면에서 수소가스(256)가 발생한다.
다음에 실시예2에 있어서 여러가지의 반도체디바이스의 효과에 대하여 포괄적으로 설명한다. 태양전지셀(200), 정류다이오드(215) 등의 구상반도체소자가 구상의 입자이기 때문에, 기계적 강도가 우수하고 손상되지 않는다. 각각에 한쌍의 전극(207,208)을 대향하도록 설치하기 때문에, 복수개의 태양전지셀(200)을 전기적으로 직렬접속하는 것이 용이하고, 용도에 따라서 각종 조합으로서 반도체 디바이스를 구성할 수 있어서, 범용성과 실용성이 우수한다. 절연피막(204)을 형성하고 있고, 양전극(207)과 음전극(208) 사이의 거리도 크기 때문에 역반응을 방지할 수 있다. 광학적으로 지향성이 없고, 광학적으로 구면 대칭에 가까운 대칭성이 있기 때문에 광, 특히 태양광을 수광하는 수광성능이 우수하다. 발광소자의 경우도 동일하다.
구상반도체소자의 직경이 작고, 체적에 비하여 pn접합 등의 면적이 크게 되기 때문에 반도체재료의 이용효율이 높다. 더욱이 태양전기디바이스(230)이나 태양전기모듈(240)을 제작하는 경우, 다이본딩이나 와이어본딩에 의한 배선이 불필요하여, 조립이 극히 간단하여 저가로 되고, 와이어단선도 생기지 않는다. 더욱이 상술한 바와 같이 다중반사에 의하여 광흡수성이 높고, 광전변환효율도 향상된다. 이때는, 발광다이오드어레이에 있어서도 동일하고, 다중반사에 의한 광출사성이 높아진다. 그리고 구상반도체소자의 직경이 작고, 케이스(232,242)를 얇은 구조로 하는 것이 가능하고, 전체의 두께, 체적도 작게 되고, 제작코스트적으로도 유리하다.
실시예3 (도 29 내지 도 34 참조)
본 실시예에 있어서 반도체디바이스는, 도 29에 도시한 바와 같이 구상의 발광다이오드(310,320,330)를 복수행 복수열로 배열한 칼라 디스플레이패널(300)이다. 발광 다이오드(310,320,330)는 각각 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 발하는 발광다이오드이다. 각 행에 있어서 발광다이오드(310,320,330)은 RGB의 순으로 주기적으로 배치되고, 각 열에 있어서 발광다이오드(310,320,330)는 RGB의 순으로 주기적으로 배치된다.
이러한 디스플레이패널(300)을 구동하여 칼라화상을 표시시키는 제어구동수단은, RGB의 3색의 발광다이오드를 이용하는 공지의 칼라디스플레이패널의 제어구동수단과 동일한 것이어서 간단하게 설명한다.
각열의 발광다이오드(310)의 양전극(315)는 공통의 신호선(310a)(데이터선)에 접속되고, 복수개의 신호선(310a)는 드라이버(341)에 접속되며, 복수개의 신호선(310a)에는 드라이버(341)에서 구동신호가 시계열적으로 공급된다. 각행의 발광 다이오드(310)의 음전극(317)은 공통선(310b)에 접속되며, 복수개의 공통선(310b)는 드라이버(344)에 접속되며, 각 공통선(310b)의 접압이 드라이버(344)로 제어된다. 예를 들면 제1열째의 신호선(310a)에 구동신호가 출력되고, 제1행째의 발광다이오드(310)과 제4행째의 발광다이오드(310)이 발광한다. 발광다이오드(320,330)에대해서도 동일하고, 복수개의 발광다이오드(320)을 위한 복수개의 신호선(320a), 드라이버(342), 복수개의 공통선(320b) 및 드라이버(345)가 설치되고, 복수개의 발광다이오드(330)을 위한 복수개의 신호선(330a), 드라이버(343), 복수개의 공통선(330b) 및 드라이버(346)가 설치되어 있다. 이와 같이 하여, 이들 발광 다이오드(310,320,330)는, 도 29 및 도 30에 도시한 바와 같이 신호선(310a,320a,330a)와 공통선(310b,320b,330b)에 각각 접속되어 있다. 각조의 드라이버(341,344,342,345,343,346)를 각각 동기시켜 제어하는 컨트롤유니트(340)도 설치되어 있다. 각행의 공통선(310b,320b,330b)를 독립적으로 설치하지 않고, 공통의 하나의 공통선으로 구성하여도 좋다.
다음에 발광다이오드(310,320,330)의 구조와 제조방법에 대하여 설명한다.
처음에 도 31에 도시한 바와 같이 예를 들면 직경 1.5mm의 구상결정(311)을, 상기 구상결정제조장치(101)을 이용하여 제조한다. 구상결정(311)은, 불순물로서의 Si를 첨가한 n형GaAs반도체로 구성되고, 후술하는 바와 같이 발생하는 적외선 피크파장이 940-980nm으로 되도록 Si의 첨가량이 설정된다.
다음에, 구상결정(311)의 전표면에 Si3N4의 피막(312)(막두께 약 0.1μm)를 CVD법에 의하여 형성하고, 도 32에 도시한 바와 같이 구상결정(311)의 상반부의 피막(312)를 포토에칭으로 제거한다. 다음에 구상결정(311)의 상반부의 표면에 Zn의 p형불순물을 열확산시키는 것에 의하여 p형확산층(313)을 형성하고, pn접합(314)를 형성한다. 상기 p형확산층(313)의 표면의 불순물농도는 2~8X1019cm-3으로 된다. 그후 구상결정(311)의 하반부의 Si3N4의 피막(312)를 제거한다.
다음에 도 33에 도시한 바와 같이 실시예 1에서 설명한 것과 동일하게 하여, 구상결정(311)의 p형확산층(313)의 정점부에 Zn을 1%첨가한 Au의 양극(315)(막두께 약 1μm)을 형성함과 같이, 구상결정(311)의 하단부에 Ge와 Ni를 소량 첨가한 Au의 음극(316)(막두께 약 1μm)를 형성한다. 도 33의 구상결정(311)에 있어서, 양극(315)에서 음극(316)으로 약 1.4V의 전압을 인가하면, pn접합(314)에서 피크파장이 940-980nm의 적외선광이 발생한다.
다음에 도 34에 도시한 바와 같이, 구상결정(311)의 저표면 가운데 전극(315,316) 이외의 부분에 적외선광을 가시광으로 변환하기 위한 형광체피막(317)(막두께 약 1∼10μm)을 형성한다. 이 형광체피막(317)을 형성하는 경우, 실리콘 수지 또는 에폭시수지 중에서 후술하는 형광체의 미분말을 혼합한 것을 도포하고 나사 열경화시켜서 형성한다. 적생광을 발생하는 발광다이오드(310)에 있어서는 상기 형광체로서, Y0.74Yb0.25Er0.01OCI를 적용한다. 녹색광을 발생하는 발광다이오드(320)에 있어서는 상기 형광체로서 Y0.84Yb0.15Er0.01F3를 적용한다. 청색광을 발생하는 발광다이오드(330)에 있어서는 상기 형광체로서 Y0.65Yb0.35Tm0.001F3를 적용한다. 상기 형광체피막(317) 이외, 발광다이오드(310,320,330)의 구조가 동일한 구조이기 때문에 양산하는 경우에 제작상 유리하다.
상기 양극(315)에서 음극(316)으로 약 1.4V의 전압이 인가되면 GaAs의 pn접합(314)에서 파장 940∼980nm의 적외광이 발생하고, 구상결정(311)의 표면의 형광체 피막(317) 중의 형광체가 그 적외광을 흡수하면 형광체가 여기되고, 적외광이 형광체의 종류에 대응하는 파장의 가시광으로 변환되어 구상결정(311)의 외부로 출력된다. 이와 같이 하여 발광다이오드(310)에서는 적색광이 발생하고 발광다이오드(320)에서는 녹색광이 발생하며, 발광다이오드(330)에서는 청색광이 발생한다. 단 발광다이오드(310,320,330)의 직경은 상기 직경(1.5nm)에 한정되는 것은 아니고 임의의 크기로 설정하는 것이 가능하지만 너무 작은 경우에는 취급이 어렵게 되고, 너무 크게 되면 구상결정의 제작이 어렵게 되기 때문에 200μm∼3.0mm 정도의 크기가 바람직하다.
다음에 디스플레이패널(300)의 구조 가운데 발광 다이오드(310,320,330) 이외의 구조에 대하여 설명한다. 도 35에 도시한 바와 같이 디스플레이패널(300)은, 베이스기판(347)과 중간기판(348)과 표면기판(349)를 구비한다. 상기 베이스기판(347)은 두께 약 1.0mm의 투명한 유리기판(350)과, 유리기판(350)의 표면의 Au피막제의 신호선(310a,320a,330a)와 유리기판(350)의 이면의 Ni로 되는 반사피막(351)를 포함한다. 상기 신호선(310a,320a,330a)는, Au피막의 증착, 마스킹, 에칭 등의 방법에 의하여 형성된다. 반사피막(351)은 증착에 의하여 형성된다. 상기 베이스 기판(347)은 미리 제작되어 준비된다.
상기 중간기판(348)은, 두께 약 1.5mm의 예를 들면 실리콘수지 등의 합성수지기판(352)과, 상기 합성수지기판(352)에 복수행 복수열에 형성된 원통공(353)과, 가가 원통공(353)의 내주면에 형성된 Ni의 반사피막(354)을 포함한다. 최초 합성수지기판(352)에 타발가공, 레이저광에 의한 구멍형성가공, 또는 에칭처리에 의하여복수행 복수열의 원통공(353)이 형성되고, 다음에 전부의 원통공(353)의 내주면에 반사피막(354)이 증착으로 형성된다. 이러한 중간기판(348)은 미리 제작되어 준비된다. 상기 표면기판(349)은, 두께 약 1.0mm의 투명한 유리기판(355)과 유리 기판(355)의 이면의 Au피막제의 공통선(310b,320b,330b)를 포함한다. 상기 공통성(310b,320b,330b)은, Au피막의 증착, 마스킹, 에칭 등의 방법으로 형성된다. 표면 기판(349)는 미리 제작되어 준비된다.
디스플레이패널(300)을 조립하는 경우, 베이스기판(347) 상에 중간기판(348)을 위치결정하여 내열성의 접착제로 접착하고, 다음에 복수행 복수열의 원통공(353)의 각각에 대응하는 발광 다이오드[발광다이오드(310,320,330)] 중의 어느 하나를 조립하고, 다음에 중간기판(348) 상에 표면기판(349)를 위치 결정하여 내열성 접착제로 접착하며, 최후에 전체를 가열하여 각 양극(315)에 대응하는 신호선(310a,320a,330a)에 각각 접속하고, 각 음극(316)에 대응하는 공통선(310b,320b,330b)에 각각 접합한다. 이상 설명한 디스플레이패널(300)은, 텔레비젼, 개인컴퓨터 또는 워드프로세서의 디스플레이, 소형의 각종 용도의 액정 디스플레이나 발광다이오드디스플레이 대신에 디스플레이, 대형의 텔레비젼이나 디스플레이 또는 모니터 등의 여러가지 용도에 적용할 수 있다. 그리고 디스플레이패널의 용도에 따라서 발광다이오드(310,320,330)의 직경, 발광특성, 복수행 복수열의 행수 및 열수 등이 적절하게 설정된다. 그리고 상기 디스플레이패널은 풀컬라의 디스플레이를 예로 설명하였지만 1종류의 발광다이오드를 조립하여 단색의 디스플레이로 구성하는 것도 좋고, 2종류의 발광다이오드를 조립한 디스플레이로 구성하여도 좋다.
이러한 디스플레이패널(300)은, 그 전체의 두께가 발광 다이오드(310,320,330)의 직경의 약 2∼3배의 패널상의 디스플레이이고, 컴팩트하면서 경량이다. 이러한 디스플레이패널(300)에 조립한 발광다이오드(310,320,330)을 미리 검사하여 불량품을 제거하여 두는 것이 가능하고, 또한 베이스기판(347)의 신호선(310a,320a,330a)와 표면기판(349)의 공통선(310b,320b,330b)에 대해서도 미리 검사하여 불량품을 제거하는 것이 가능하기 때문에 신뢰성이 우수한 디스플레이패널(300)을 조립할 수 있다. 3종류의 발광다이오드(310,320,330)를 공통의 구동전압(약 1.4V)로 구동하는 것이 가능하여서, 각 3개의 공통선(310b,320b,330b)를 1개의 공통선으로 구성하는 것이 가능하고, 구동제어계의 구성을 간단화할 수 있다. 더욱이 입상의 구상 발광다이오드(310,320,330)를 비교적 저가에 양산할 수 있어서, 디스플레이패널(300)을 비교적 저가에 제작할 수 있다. 또한 디스플레이패널(300)의 필요한 해상도에 따라 발광다이오드(310,320,330)의 크기를 절절하게 설정할 수 있어서, 설계의 자유도도 좋고, 용도에 따른 디스플레이패널을 제작할 수 있다. 단 상기 디스플레이패널(300)의 도 30에 도시한 구조는 일례에 불과한 것으로 각종 설계변경이 가능함은 물론이다.

Claims (30)

  1. p형반도체 또는 n형반도체의 구상결정과; 상기 구상결정의 표면 또는 표면근방부에 조립되고 구상결정과 협동하여 광기전력을 발생하는 광기전력발생부와; 상기 광기전력발생부의 양측에, 그리고 구상결정의 표면에 상호 이격시켜 설치되는 적어도 한쌍의 전극을 구비하고는 독립 입상으로 구성되는 구상반도체소자를 구비하고, 상기 한쌍의 전극은 복수개의 구상반도체 소자를 직렬접속 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 일측 극성의 전극과 타측 극성의 전극이, 구상결정의 중심을 둘러싸고 적어도 일부분에 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광기전력발생부가, 상기 구상결정의 표면근방에 형성된 확산층과, 상기 확산층과 반도체결정의 사이에 pn접합을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광기전력발생부가, 상기 구상결정의 표면의 일부에 형성된 절연피막과, 상기 절연피막의 표면에 형성된 일측 극성의 전극을 겸하는 금속 피막을 포함하는 MIS구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  5. 제2항에 있어서, 상기 광기전력발생부가, 상기 구상결정의 표면의 일부에 형성되고, 일측 극성의 전극을 겸하는 금속피막을 포함하는 쇼트키 장벽구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  6. 제 3 항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구상반도체소자가, 광기전력발생부가 수광하여 발생하는 광기전력에 의하여, 상기 전극과 전해액 사이에 있어서 전기화학반응을 일으키는 반도체광촉매인 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 다수의 상기 구상반도체소자를 구비하고, 전해핵중에서 구상반도체소자의 광기전력발생부에서 발생하는 광기전력을 통하여 복수개씩의 구상 반도체소자가 전기적으로 직렬접속된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
  8. 제6항에 있어서, 상기 구상결정의 표면의 전극 이외의 부분에 광투과성 반사 방지기능이 있는 절연피막을 형성한 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 절연피막의 표면에 일측 극성의 전극이 접속되는 광촉매기능이 있는 금속산화물반도체제의 광투과성의 피막을 형성한 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  10. 제8항에 있어서, 일측 극성의 전극의 표면과 상기 절연피막의 표면의 일부 또는 전부를 덮은 광촉매기능이 있는 금속산화물반도체제의 광투과성 전극피막을 형성한 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  11. 제8항에 있어서, 일측 극성의 전극은, 상기 확산층의 표면에 형성된 확산층에 대하여 헤테로접합을 형성하는 광촉매기능이 있는 금속산화물반도체제의 광투과성 전극피막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  12. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구상결정은 Si 또는 SiGe 또는 InP등의 III-V족화합물 반도체, 또는 CuInSe2등의 칼코파이라이트계 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  13. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 구상반도체소자를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입장착되어 기밀상으로 폐색되는 한쌍의 외부전극으로 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속된 한쌍의 외부전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  14. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬접속상태로 하여 1열로 배열한 반도체소자어레이와, 반도체소자어레이를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 케이스의 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입장착된 기밀상으로 폐색되는 한쌍의 외부전극으로 반도체소자 어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속된 한쌍의 외부 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 케이스에는 복수개의 수용공이 평행하게 형성되고, 각 수용공에 반도체소자어레이가 장착되며, 각 수용공의 양단부분에 한쌍의 외부전극이 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  16. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬접속상태로 하여 1열로 배치된 반도체소자 어레이와, 반도체소자어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속된 한쌍의 외부전극과, 반도체소자어레이의 외측을 덮는 투명한 케이스부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 반도체소자어레이가 복수열 평행으로 설치되고, 이들 복수의 반도체소자어레이가 투명한 시트상의 케이스부재 내에 매설상태로 수용되며, 복수개의 반도체소자어레이에 대응하는 복수쌍의 전극이 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  18. p형반도체 또는 n형반도체의 구상결정과, 상기 구상결정의 표면 근방부분에 형성된 확산층 및 pn접합과, 상기 pn접합의 양측에 그리고 구상결정의 표면에 상호 이격시켜 설치되는 적어도 한쌍의 전극을 구비하는 독립 입상으로 구성되는 구상반도체소자를 구비하는 반도체디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 구상결정의 표면 가운데 전극 이외의 부분에 광투과성의 절연피막을 형성한 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  20. 일측 극성의 전극과 타측 극성의 전극이, 구상결정의 중심을 끼운 상태로 적어도 부분적으로 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 하나의 구상반도체소자를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입장착되어 기밀상태로 폐색되는 한쌍의 외부전극으로 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속되는 한쌍의 외부전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  22. 제20항에 있어서, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬접속상태로 하여 1열로 배열한 반도체소자어레이와, 상기 반도체소자어레이를 수용하는 수용공을 구비하는 투명한 케이스와, 상기 케이스의 수용공의 양단부분에 부분적으로 삽입 장착되어 기밀상태로 폐색되는 한쌍의 외부전극으로 반도체소자어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 전기적으로 접속되는 한쌍의 외부전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 케이스에는 복수개의 수용공이 평행하게 형성되고, 각 수용공에 반도체소자어레이가 장착되고 각 수용공의 양단부분에 한쌍의 외부전극이 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  24. 제20항에 있어서, 복수개의 구상반도체소자를 전기적으로 직렬접속상태로 하여 1열로 배치한 반도체소자어레이와, 상기 반도체소자어레이의 양단부의 구상반도체소자의 전극에 각각 접속되는 한쌍의 외부전극과, 반도체소자어레이의 외측을 덮는 투명한 케이스부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  25. 제24항에 있어서, 상기 반도체소자어레이가 복수행 평행하게 설치되고, 이들 복수의 반도체소자어레이가 투명한 시트상의 케이스부재내에 매설상태로 수용되며, 복수개의 반도체소자어레이에 대응하는 복수쌍의 전극이 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구상반도체소자에 전압을 인가하여 발광시키는 발광기능이 있는 장치인 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  27. 제18항에 있어서, 복수개의 구상반도체소자가 복수행 복수열의 매트릭스 상태로 배치되고, 이들 복수개의 구상반도체소자가 투명 패널상의 케이스부재 내에 수용되며, 각각의 구상반도체소자의 한쌍의 전극에 각각 전압이 선택적으로 인가되어 발광하는 디스플레이패널 기능을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  28. 제27항에 있어서, 상기 복수개의 구상반도체소자는, 적색광을 발생 가능한 복수개의 제1구상반도체소자와, 녹색광을 발생 가능한 복수개의 제2구상반도체소자와, 청색광을 발생 가능한 복수개의 제3구상반도체소자로 구성되고, 제1 내지 제3구상반도체소자가 매트릭스의 각행방향으로 교대로 주기적으로 배치되는 것과 같이 각 열방향으로 교대로 주기적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제1 내지 제3구상반도체소자에 있어서의 각 구상결정이 n형 GaAs반도체로 되고, 그 구상결정에 형성되는 확산층이 p형불순물로서의 Zn을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
  30. 제29항에 있어서, 제1구상반도체소자의 구상결정의 표면에는 적외광을 적색 광으로 변환하는 형광체를 포함하는 피막이 형성되고, 제2구상반도체소자의 구상결정의 표면에는 적외광을 녹색광으로 변환하는 형광체를 포함하는 피막이 형성되며, 제3구상반도체소자의 구상결정의 표면에는 적외광을 청색광으로 변환하는 형광체를 포함하는 피막이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체디바이스.
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