KR20030027885A - 탄도전자 발생방법과 탄도전자 고체반도체소자 및발광소자와 디스플레이장치 - Google Patents
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Abstract
반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층에 전계를 인가하고, 다중 터널효과에 의해 탄도전자 또는 순탄도전자를 발생시킴으로써, 탄도전자를 높은 제어성을 가지고서 생성하는 방법과, 실용적인 재료구성을 구비하는 방법을 위한 반도체소자를 제공한다.
Description
반도체의 사이즈를, 반도체 중의 전자의 평균자유행정보다 작은 치수영역까지 축소하면, 전자는 산란을 받지 않고 주행하고, 진공 중의 전자와 같이 행동하는 것이 알려져 있다. 이 전도전자는 탄도전자로 불리우며, 드리프트 또는 확산을 기본으로 하는 통상의 전도전자와는 다르고, 고체 중에 있어서도 무산란, 무손실에서의 주행이 가능하다.
이 탄도전자를 높은 제어성을 가지고서 얻는 것이 가능하게 되면 반도체 소자 기술이 크게 혁신되는 것과, 지금까지 각종 반도체 나노구조에 있어서의 탄도전자의 특성에 관한 연구가 이루어져 왔다. 그러나, 이들 대개가 특정의 단일구조 또는 저온도로 말하였다. 매우 한정된 조건 하에서의 물리적 관측에 한정시키는 것이고, 공업적인 소자의 개발에 관련된 것은 없었다. 탄도전자를 실용적으로 발생시키기에는, 재료구성 및 재료 프로세스기술의 양면에 관한 검토가 불가결하지만, 이와 같은 관점으로부터 성과를 올리고 있는 연구개발은 거의 아무것도 없다는게 현상황이다.
한편, 실용에 널리 제공되고 있는 자발광 디스플레이장치로서는 CRT(Cathode Ray Tube)와 형광표시관이 들어진다. 이들 장치는, 진공 중에 방출된 전자를 전계에 의해 가속하고, 대향하는 스크린 상에 도포된 형광쌍을 여기발광하는 것을 동작원리로 하는 것이므로, 어느 용적이상의 진공관을 조립하는 것이 구성상 불가결하고, 장치의 박형화 또는 대형화에 대한 큰 저해로 되어 왔다.
또한, 다른 자발광디스플레이장치로서는, 무기/유기재료에 의한 EL소자를 이용한 것이나 플라즈마 디스플레이 등이 들어진다.
EL소자에 의한 디스플레이장치는, 캐리어를 고체 중에서 가속하고, 발광중심을 충돌여기하는 것을 동작원리로 하고 있기 때문에, 고체 내부에 있어서의 캐리어의 발광전화에 있어서 에너지손실에 수반되는 발광양자효율에 제약이 있고, 소자내부에서의 열발생이 불가피하다. 이때문에, 디스플레이장치의 대형화를 위해서는, 온도 상승에 의한 소자특성의 열화로의 대처나 방열처리라고 하는 기술적 과제가 남아있다.
플라즈마 디스클레이에 관해서도, 동작시에 있어서의 에너지 손실에 의한 발광의 제약이 문제로 되고 있고, 또한, 방전을 이용하고 있기 때문에 저전력구동을 실현하는 것이 곤란한 것이 극복해야할 과제로서 남아 있다.
이와 같이 자연광 디스플레이장치에는 종류에 따라서 일장일단이 있고, 대형화, 박형 평면화, 저전력화 등의 기술적 과제가 적지 않지만, 상기 탄도전자를 높은 제어성을 가지고서 얻는 것이 가능하게 되면, 이들 기술적 과제를 해결하는 길이 열리는 것이 기대되고 있다.
본 출원의 발명은, 이상과 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 탄도전자를 높은 제어성을 가지고서 발생시키는 것이 가능한 방법과, 이 방법을 위한 실용적인 재료구성을 구비하는 반도체소자, 및 이것을 이용한 디스플레이수단을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 출원의 발명은, 탄도전자 고체반도체소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 고전계 하에서 반도체의 드리프트길이가 현저하게 크게 되는 탄도전도를 실현하고, 발생한 탄도전자를 여기원으로서 이용하는 탄도전자 고체반도체소자에 관한 것이다.
도 1은, 본 출원의 발명의 실시예에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 구성을 나타낸 개요도이다.
도 2는, 본 출원의 발명의 실시예의 양극산화처리에 의한 PS층 생성프로세스에 있어서의 전류의 제어의 시계열변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은, 본 출원의 발명의 실시예에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 PS층에 있어서의 탄도전자발생과 형광체여기에 의한 발광에 관한 에너지 밴드의 변화를 나타낸 개략도이다.
도 4는, Alq3박막이 없는 다이오드를 진공 중에서 동작시켰을 때에 Au박막을 통과하여 방출되는 전자의 에너지분포의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본 출원의 발명의 실시예1에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(검정원) 및 발광강도-전압특성(흰원)의 실측결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은, 본 출원의 발명의 실시예1에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 발광의 스펙트럼과 자외선 여기에 의해서 측정된 Alq3의 광전발광의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 출원의 발명의 실시예2에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(실선) 및 발광강도-전압특성(점선)의 실측결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본 출원의 발명의 실시예3에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(실선) 및 발광강도-전압특성(점선)의 실측결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 본 출원의 발명의 실시예4에서 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(실선) 및 발광강도-전압특성(점선)의 실측결과를 나타내는 그래프이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 … 저항전극 2 … n형 실리콘기판
3 … PS층 4 … Alq3
5 … Au박막
본 출원의 발명은, 상기 과제를 해결하는 것으로서, 제1에는, 반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층에 전계를 인가하고, 다중 터널효과를 발생시켜서 탄도전자 또는 순탄도전자를 발생시키는 것을 특징으로 하는 탄도전자 발생방법을 제공하는 것이다.
또한, 제2에는, 반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층은, 그 내부에 계면산화막을 갖고 있는 상기 탄도전자 발생방법을 제공하고, 제3에는, 반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층은, 다공질층인 탄도전자 발생방법을 제공한다. 또한, 본 출원의 발명은, 제4에는, 반도체기판의 표면에, 전계의 인가에 의해 다중 터널효과를 발생시켜서 탄도전자 또는 준탄도전자를 발생시키는 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자를 제공하고, 제5에는, 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층은, 그내부에 계면산화막을 갖고 있는 탄도전자 고체반도체소자를, 제6에는, 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층은, 다공질층인 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자를, 제7에는, 양극산화처리에 의해 형성된 다공질인 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자를, 제8에는, 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층 상에는 금속박막전극이 배치되고, 반도체기판의 이면에는 저항전극이 배치되어 있는 탄도전자 고체반도체소자를 제공한다.
또한, 본 출원의 발명은, 제9에는, 상기 탄도전자고체 반도체소자에 있어서 미세결정 반도체층 또는 절연층과 금속박막전극의 사이, 또는, 금속박막전극 상에, 형광체층이 퇴적된 구조를 구비하는 반도체소자로서, 전극에 전압을 인가함으로써 미세결정 반도체층 또는 반절연층으로부터 발생하는 탄도전자를 형광체층에 직접 충돌시킴으로써 형광체를 여기하고, 가시광을 발광시키는 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체 발광소자를 제공한다.
본 출원의 발명은, 제10에는, 저항전극과 금속박막전극이 세그먼트형상 또는 점형상으로 배치된 제9항에 기재된 반도체소자를 정보표시요소로 하는 것을 특징으로 하는 발광디스플레이소자를 제공하고, 제11에는, 본 발광디스플레이소자를 다수 배열하고, 단순 매트릭스 구동방식으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 박형 발광디스플레이장치를, 제12에는, 액티브소자 어레이가 형성된 반도체기판 상에 제10항에 기재된 발광디스플레이소자를 다수 배열하고, 액티브 매트릭스 구동방식으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 박형 발광디스플레이장치를 제공한다.
또한, 본 출원의 발명에서는, 제13에는, 형광체가 적색발광, 녹색발광, 청색발광 중 1종 이상인 박형 발광디스플레이장치를 제공하고, 제14에는, 발광디스플레이소자가 발광색마다 주기적으로 다수배열되고, 전기적인 제어에 의해 임의의 색의 영상정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 박형 평면디스플레이장치도 제공한다.
또한 상기 탄도전자 고체반도체소자와 초LSI를 기능집적화한 영상정보의 표시장치 또는 연산처리장치도 제공한다.
본 출원의 발명은 상기한 바와 같은 특징을 가지고 있는 것이지만, 이하의 그 실시형태에 관해서 설명한다.
본 출원의 발명에서는, 반도체의 나노구조를 가지는 미세결정층 또는 반절연층에 전계를 인가하여, 다중 터널효과에 의해 무산란의 탄도전자(Ballistic Electron) 또는 산란이 매운 적은 준탄도전자(Quasiballistic Electron)를 고체 중에 발생시킨다.
이 경우의 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 절연층은, 습식 프로세스나 건식 프로세스를 실시함으로써 형성되는 나노구조를 가지는 미세결정층이나 반절연층이어서, 그 형태로서는, 상기한 바와 같이, 내부에 계면산화막을 갖고 있는 것, 다공질인 것 등이 대표예로서 고려된다. 보다 구체적으로는 반도체를 양극산화하여 형성한 구조로서 고려된다.
본 출원의 발명에 관한 탄도전자 고체반도체소자는, 전극을 구비한 반도체 기판표면에 습식 프로세스나 건식 프로세스를 실시함으로써 미세결정 반도체층을 형성하고, 이어서 금속박막전극을 퇴적하는 것으로 제조되는 일종의 MIS형 다이오드를 기본구성으로 하는 것이 가능하다.
본 출원의 발명에 관한 탄도전자고체 반도체소자는, 통상의 MIS다이오드와는 다르고, 1층에 상당하는 미세결정 반도체층이 단순한 드리프트층 이상의 작용을 한다. 즉, 상기와 같이 미세결정 반도체층에서는 강전계 하에서는, 미세결정 반도체층 내부의 전자는 탄도적으로 주행한다.
예컨대, 실리콘 기판표면에 구조제어를 수반하는 산화처리를 실시하는 것에서 다공질 실리콘(PS)층은, 연결된 실리콘 미세결정(5nm 이하)으로 이루어진다. 이것에 전계를 인가하면, 전계의 주요부분은 실리콘 미세결정이 아니고 계면의 산화실린콘피막에 생긴다. 이 산화실리콘 피막을 매우 얇기 때문에, 강전계 하에서는거의 산란하는 일없이 미세결정 중을 차례차례 통과하고, 준탄도전자 (Quasiballistic Electron)가 발생한다. 또한, 강한 전계를 인가하는 것이므로, 전자가 무산란으로 미세결정 중을 통과하는 다중 터널과정이 완성하고, 결과로서 전자의 드리프트길이가 실리콘 미세결정의 사이즈를 휠씬 넘은 값으로 되고, 탄도전자(ballistic Electron)를 발생한다. 두께가 1㎛정도의 PS층이면, 강전계인가에 의해 탄도전자생성이 실현된다.
반도체기판 표면에 실시되는 습식 프로세스로서는 양극화처리, 에칭처리 등이 실시된다. 반도체기판표면에 건식 프로세스 등으로서는 산열화처리, 스패터처리, 열처리 등이 실시된다.
본 출원의 발명인 탄도전자 고체반도체 소자는, 반도체기판에 대해서 금속박막 전극층에 정전압을 인가하면, 실리콘기판측으로부터 미세결정 반도체층에 전자가 주입된다. 예컨대, 미세결정 반도체층의 전계강도를 105V/㎝정도로 설정하면, 드리프트길이가 약 1㎛에서 탄도화한 전자의 운동에너지는 10eV에 달한다. 이 전자는 고체 중에 있으면서, 진공 중에 있을 때와 마찬가지의 주행을 하는 것이므로, 「가속에너지의 가변성」과 「에너지의 무손실성」이라는 2개의 특성을 갖는다. 이들 특성에 착안하는 것이므로 실현되는 응용에 관해서, 이하에 표시한다.
(1) 전자가속에너지의 가변성의 이용
인가전압에 의해서 전자를 임의로 가속할 수 있다라는 특성으로부터, 상기 탄도전자 고체반도체소자에 있어서 미세결정반도체층과 금속박막전극의 사이, 또는, 금속박막전극 상에, 형광체로 이루어지는 형광체층이 퇴적된 구조를 구비하는것이므로, 전극에 전압을 인가에 의해 미세결정 반도체층으로부터 방사되는 탄도전자를 형광체에 직접 충돌시키고 형광체를 여기하고, 가시광을 발생시키는 것이 가능하게 된다. 즉, 전압인가에 의해 미세결정 반도체 중에 있어서 탄도화된 전자는 높은 운동에너지를 취득하면서 열전자으로서, 미세결정 반도체층과 금속박막 전극의 사이, 또는, 금속박막전극 상의 형광체에 고속으로 충돌하고, 형광체가 여기된다. 그 결과, 형광체의 종류에 따른 임의의 파장의 가시광선을 발광하는 것이 가능하게 된다. 이 때, 인가전압을 제어하는 것에서 발광량의 제어가 가능하게 되고, 진공을 필요로 하지 않는 탄도전자 여기고체 발광소자가 실현한다. 형광체에는, 저전압용 캐소드발광재료를 이용하는 것이므로, 10eV정도의 운동에너지의 탄도전자로서도, 실용적인 발광량을 얻는 것이 가능하게 된다.
(2) 에너지 무손실의 이용
탄도전도모드에 있어서는, 전자는 고체 중을 산란하는 일없이 주행한다. 즉, 전자전도에 수반되는 열이 발생하지 않고, 고체이면서 소자의 동작공간과 방열공간이 분리된 진공관과 같은 상황이 실현가능하게 된다. 또한, 통상의 반도체에 있어서는, 전자의 가속과 광자산란의 균형에서 결정되는 포화드리프트속도에 도달한 후에는, 인가전계를 크게 하여도 전자를 포화드리프트속도이상으로 가속하는 것이 불가능하기 때문에, 반도체소자의 동작주파수에는 한계가 있다. 이것에 대해서, 탄도전자에는 포화드리프트속도의 제약이 없다. 따라서, 이 출원의 발명인 탄도전자고체 반도체소자를 응용하는 것에서, 초고속구동 또는 저손실의 전자소자가 고체계에서 실현된다.
본 출원의 발명인 탄도전자고체 반도체소자에 있어서, 반도체기판의 재료로서는, 상기 습식 프로세스/ 건식 프로세스를 적용하는 것이 가능한 반도체이면 어떠한 것이어도 좋고, 예컨대, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 화합물 반도체 등이 이용된다. 구체적으로는, 게르마늄(Ge), 탄화실리콘(SiC), 비소화칼륨(GaAs), 인화인듐(InP), 셀레늄화 카드뮴(CdSe) 등, IV족, III-V족, II-VI족 등의 탄체 및 화합물 반도체의 대개가 해당된다. 또한, 실리콘 산화층 등, 강전계 하에서의 탄도전도가 성립할 수 있는 재료는 모두 이용가능하다.
형광체로서는, 유기, 무기를 상관없이 모든 형광체를 이용하는 것이 가능하다. 구체적으로는 저전압 캐소드발광 재료(ZnO:Zn 등)가 이용된다.
본 출원의 발명에 있어서는, 상기한 바와 같이 탄도전자고체 반도체소자에 있어서 미세결정 반도체층과 금속박막 전극의 사이, 또는, 금속박막전극 상에, 형광체로 이루어지는 형광체층이 퇴적된 구조를 구비하는 것이므로 발광디스플레이소자로서의 기능을 가지고 있는 것이 가능하게 된다. 이 때, 반도체기판에 구비된 저항전극과 금속박막전극은, 세그먼트형상이나 점형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발광디스플레이소자를 다수배열하고 단순 매트릭스 구동방식으로 동작시키는 것이나, 액티브소자 플레이이를 형성한 반도체기판 상에, 이 발명디스플레이소자를 다수 배열하고, 액티브 매트릭스 구동방식으로 동작시키는 것이므로 고성능의 박형 발광디스플레이장치가 실현된다.
본 박형발광디스플레이장치의 형광체로서, 적색발광, 녹색발광, 또는 청색발광을 하는 형광체를 이용하여, 이 3색을 주기적으로 다수 배열하는 것에서 임의색의 영상정보를 출력하는 박형 평면 디스플레이장치도 실현된다.
또한, 본 출원의 발명에 관한 탄도전자 고체반도체 소자와 초LSI를 기능집적화하는 것에서, 영상정보의 표시장치 또는 연산처리장치도 실현된다.
또한, 상기 전자탄도전도형상은, 구체적으로는 n형 실리콘기판으로부터의 전자주입에 기초하는 것이지만, p형기판에 있어서도, 전계효과나 외부로부터의 광조사 등에 의해서 드리프트층에 전자를 발생하는 것이 가능하고, 이들 전자도 탄도전자로서 소자의 동작에 기여시키는 것도 가능하다. 즉, 본 출원의 발명의 탄도전자 고체반도체소자는, 광검출소자로서도 이용가능하고, 또한 외부광에 의해서 탄도전자생성이 변조 또는 기동가능한 것이므로, 새로운 광전자동작 모드의 실현도 가능하게 된다.
본 출원의 발명은, 이상의 특징을 가진 것이지만, 이하에 실시예를 나타내고, 더욱 구체적으로 설명한다.
[실시예1]
본 출원의 발명의 탄도전자 여기고체 발광소자를 작성하고, 기본특성에 관해서 검토하였다.
작성한 탄도전자 여기고체 반도체소자는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 이면에 저항전극(1)을 설치한 면방위(111)의 n형 실리콘기판(2)(비저항 0.018Ω㎝)의 표면에, 50wt%HF 수용액과 에탄올의 혼합액(혼합비1:1) 중에서 500W의 텅스텐램프를 광원으로 한 광조사의 것에서 양극산화처리를 실시하고, PS층(3)을 형성한다.이 때, 도 2에 나타내는 바와 같이 158초 사이에 양극산화전류를 서서히 증가시키고, 그 도중에 4초씩 양극산화전류를 2.5mA/㎠까지 저하시키는 조작을 2회 행한다. 최종적으로는, 양극산화전류는 100mA/㎠으로 된다.
PS(3)의 두께는 10㎛정도이고, PS층(3) 내부는 저다공도의 치밀하게 약 8nm의 두께의 실리콘층이 주기적으로 늘어선 구조로 되어 있다. 이 치밀한 층은, 등전위면을 형성하고 층내부의 전계분포를 교정하는 작용을 가짐과 동시에, 층내부에서 발생할 수 있는 줄열을 산일시키는 히트싱크로서 기능하고, 다이오드전류의 안정화의 역할을 한다.
생성된 PS층(3)의 표면에 유기형광체로서 Alq3(4)를 진공 증착한다. 또한, 그 위에 두께 12nm, 직경 6mm의 원형의 Au박막(5)을 진공 증착한다. 이 Au박막(5)을 표면측의 전극으로 하는 것에서, 이면의 저항전극(1)의 사이에서 다이오드가 형성된다.
이 다이오드의 Au박막(5)의 전극측에는 정전압(Vps)를 인가하고, n형 실리콘기판(2)으로부터 PS층(3)에 전자를 주입한다. 주입된 전자는, 상기 다중 터널효과에 의해 탄도전자로 변화하고, 도 3에 나타내는 바와 같이 충돌여기에 의해서 Alq3층에 정공을 생성한다. 이 결과, 전자-정공의 재결합에 의한 발광이 생긴다.
여기서, Alq3막박이 없는 다이오드를 진공 중에서 동작시켰을 때, Au박막을 통과하여 방출되는 전자의 에너지분포의 측정결과를 도 4에 나타낸다. 도 4로부터, PS층 내부에서 전자가 주행중에 산란에 의한 손실이 거의 발생하지 않고, 전자가탄도화되어 있는 것을 알았다.
작성된 탄도전자 여기고체 발광소자에서 전류-전압특성(검정원) 및 발광강도-전압특성(흰원)의 실측결과를 도 5에 나타낸다. 인가전압이 약 15V(다이오드전류 약 0.05A/㎠)에서 한결같은 녹색발광이 일어나고, 전압을 크게 하는 것이므로 발광강도가 급격히 증대하는 것을 알았다.
Alq3로부터 발광되어 있는 것을 확인하기 위해서, 발광의 스펙트럼을 측정한 결과를 도 6 중에 실선으로 나타낸다. 도 6 중에 파선으로 나타낸 자외선 여기에 의해서 별도로 측정한 Alq3의 광전발광의 스펙트럼과 거의 일치하는 곡선이 얻어진다. 이 때문에, 발광은 Alq3로부터의 것인 것이 확인되었다. 또한, 발광스펙트럼은 인가전압 및 전륜에는 의존하지 않고, 항상 Alq3고유의 발광스펙트럼이 얻어지는 것을 알았다.
또한, PS층 내부에서 탄도전자가 발생하지 않는 구조의 다이오드를 이용한 비교실험에 의해, PS층 내부에서 탄도전자가 발생하지 않는 구조의 다이오드에 있어서는, 인가전압을 어느 정도 크게 하여도 발광이 나타나지 않기 때문에, 제작한 박형 발광디스플레이소자의 PS층에서 생긴 탄도전자가 표면의 형광체를 여기하고, 그 형광체의 고유파장의 빛이 방사된 것으로 생각된다.
[실시예2]
본 출원의 발명의 별도의 탄도전자 여기고체 발광소자를 작성하고, 기본특성에 관해서 검토하였다.
본 실시예2에서는, 도 1에 나타내는 구성에 있어서의 n형 실리콘기판(2)을 p형 실리콘기판으로 하였다. 구체적으로는, 이면에 저항전극(1)을 설치한 면방위 (100)의 p형 실리콘기판(비저항: 약 0.02Ω㎝)의 표면에, HF수용액(55wt%): C2H5OH=1:1의 혼합액 중에서 암실 상태에서 양극산화처리를 실시하고 또한 900℃, 15분의 급속열산화처리를 실시하여, PS층(3)을 형성한다. 양극산화처리에서는, 양극산화전류 5mA/㎠ 및 양극산화시간 6초와, 양극산화전류 100mA/㎠ 및 양극산화시간 15초를 교대로 3사이클 행한다.
작성된 PS층(3)의 표면에 유기형광체로서의 Alq3(4)를 진공증착하고 또한, 그 쉬에 반투명전극으로서의 Au전극(5)을 진공 증착한다. PS(3), Alq3(4), AU박막 (5)의 두께는 각각, 8㎛, DIR 100nm, 약 10nm이다.
도 7은, 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(실선) 및 발광강도-전압특성(점선)의 실측결과를 나타낸 것이고, 실시예1과 마찬가지로 균일한 발광이 관측되었다.
[실시예3]
본 출원의 발명의 또 다른 탄도전자 여기고체 발광소자를 작성하고, 기본특성에 관해서 검토하였다.
본 실시예3에서는, 도 1에 나타낸 구성에 있어서의 PS층(3)을, 나노결정화한 다결정 실리콘막으로 하였다. 구체적으로는 우선 이면에 저항전극(10을 설치한 면방위(100)의 n형 실리콘기판(비저항: 0.005~0.0018Ω㎝)의 표면에, n+형 다결정 실리콘막(두께 5㎛)을 형성한다. 그 후, n+형 다결정 실리콘막의 절반정도의 깊이까지, HF수용액(55wt%):C2H5OH=1:1의 혼합액 중에서 텅스텐램프 조사 하에서 양극산화처리를 실시하고, 또한 1NH2SO4용액 중에서 암실상태로 전기화학적 산화처리를 실시하여, 다공질 다결정 실리콘(PPS)막을 형성한다. 양극산화처리에서는, 양극산화전류 5mA/㎠ 및 양극산화시간 6초와, 양극산화전류 100mA/㎠ 및 양극산화시간 15초를 교대로 3사이클 행한다. 전기화학적 산화처리에서는, 산화전류 3mA/㎠ 및 산화시간 200초로 하였다.
작성된 PPS막의 표면에 유기형광체로서의 Alq3(4)를 진공 증착하고, 또한, 그 위에 반투명 전극으로서의 Au박막(5)을 진공증착한다. PPS막, Alq3(4), Au박막 (5)의 두께는 각각, 약 2.5㎛, 약 120nm, 약 10nm이다.
도 8은, 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(실선) 및 발광강도-전압특성(점선)의 실측결과를 나타낸 것이고, 상기 각 실시예와 마찬가지로 균일한 발광이 관측되었다.
[실시예4]
본 출원의 발명의 또 다른 탄도전자 여기고체 발광소자를 작성하고, 기본특성에 관해서 검토하였다.
본 실시예4에서는, 도 1에 나타낸 구성에 있어서의 형광체로서의 Alq3(4)를 ZnS:Mn의 무기재료 박막으로 하였다. 구체적으로는, 실시예1과 마찬가지로, 이면에저항전극(1)을 설치한 면방위(100)의 n형 실리콘 기판(비저항:0.005~0.0018Ω㎝)의 표면에, HF수용액(55wt%):C2H5OH=1:1의 혼합액 중에서 텅스텐 랜프조사의 것으로 양극산화처리를 실시하고, PS층(3)을 형성한다. 이 때, 도 2에 나타내는 바와 같이, 합계 약 3분간에 양극산화전류를 0~100mA/㎠으로 서서히 증가시키고, 그 도중에 2회, 4초씩 양극산화전류를 2.5mA/㎠까지 저하시킨다.
작성된 PS층(3)의 표면에 무기형광체로서의 ZnS:Mn을 진공 증착하고, 또한, 그 위에 반투명전극으로서의 Au박막(5)을 진공 증착한다. PS층(3), ZnS:Mn 박막, Au박막(5)의 두께는 각각, 약 10㎛, 약 140nm, 약 10nm이다.
도 9는, 작성된 탄도전자 여기고체 발광소자의 전류-전압특성(실선) 및 발광강도-전압특성(점선)의 실측결과를 나타낸 것이고, 상기 각 실시예와 마찬가지로 균일한 발광이 관측되었다.
이상, 상세하게 설명한 바와 같이, 본 출언의 발명에 의해, 탄도전자를 높은 제어성을 갖고서 생성하는 방법과, 실용적인 재료구성을 구비하는 본 방법을 위한 반도체소자가 제공된다. 본 출원의 발명의 탄도전자 여기고체반도체소자는, 복잡한 제작행정이 불필요하고, 발광소자로서 이용하는 것에 완전히 새로운 박형 평면디스플레이의 개발을 가능하게 하는 것이다. 또한, 고기능 광전자소자 등의 새로운 반도체소자 개발에도 공헌하는 것으로 생각되며, 본 출원의 발명의 응용범위는 아주 넓으므로, 그 실용화가 기대된다.
Claims (14)
- 반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층에 전계를 인가하고, 다중 터널효과를 발생시켜서 탄도전자 또는 순탄도전자를 발생시키는 것을 특징으로 하는 탄도전자 발생방법.
- 제1항에 있어서, 반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층은, 그 내부에 계면산화막을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 탄도전자 발생방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 반도체의 나노구조 미세결정층 또는 반절연층은, 다공질층인 것을 특징으로 하는 탄도전자 발생방법.
- 반도체기판의 표면에, 전계의 인가에 의해 다중 터널효과를 발생시켜서 탄도전자 또는 준탄도전자를 발생시키는 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자.
- 제4항에 있어서, 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층은, 그 내부에 계면산화막을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층은, 다공질층인 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자.
- 제6항에 있어서, 양극산화처리에 의해 형성된 다공질인 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 나노구조의 미세결정 반도체층 또는 반절연층 상에는 금속박막전극이 배치되고, 반도체기판의 이면에는 저항전극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체반도체소자.
- 제8항에 기재된 반도체소자에 있어서 미세결정 반도체층 또는 절연층과 금속박막전극의 사이, 또는, 금속박막전극 상에, 형광체층이 퇴적된 구조를 구비하는 반도체소자로서, 전극에 전압을 인가함으로써 미세결정 반도체층 또는 반절연층으로부터 발생하는 탄도전자를 형광체층에 직접 충돌시킴으로써 형광체를 여기하고, 가시광을 발광시키는 것을 특징으로 하는 탄도전자 고체 발광소자.
- 저항전극과 금속박막전극이 세그먼트형상 또는 점형상으로 배치된 제9항에 기재된 반도체소자를 정보표시요소로 하는 것을 특징으로 하는 발광디스플레이소자.
- 제10항에 기재된 발광디스플레이소자를 다수 배열하고, 단순 매트릭스 구동방식으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 박형 발광디스플레이장치.
- 액티브소자 어레이가 형성된 반도체기판 상에 제10항에 기재된 발광디스플레이소자를 다수 배열하고, 액티브 매트릭스 구동방식으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 박형 발광디스플레이장치.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 형광체가 적색발광, 녹색발광, 청색발광 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 박형 발광디스플레이장치.
- 제13항에 있어서, 임의의 색의 영상정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 박형 평면디스플레이장치.
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