JP3681423B2 - 半導体微細柱の集合体，半導体装置及びそれらの製造方法 - Google Patents
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、量子サイズ効果によりエレクトロルミネッセンス，フォトルミネッセンス，光電変換機能等を行う半導体微細柱の集合体，半導体装置及びそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特開平４−３５６９７７号公報に開示されるように、多孔質シリコンを形成して発光デバイスとして使用とするものがある。これは、図３３に示すように、陽極化成によってシリコン基板１０１の表面部に多数の微細孔１０２を設けた多孔質シリコンを形成したものである。この多孔質シリコンに光を照射すると吸収端が可視部にあるフォトルミネッセンスが観察され、シリコンによる受光発光素子が可能となる。すなわち、通常のシリコン単結晶からなる半導体装置では、励起された電子は低エネルギーレベルに間接遷移するので、遷移によるエネルギは熱に変換される。そのため、可視部での発光が困難とされていたが、多孔質シリコンのように壁部を構成するシリコンの壁厚が０．０１μｍ程度になると、シリコンのバンド巾が量子サイズ効果によって１．２ｅＶから２．５ｅＶに広くなるに伴い、励起された電子がバンド間を直接遷移する現象があると報告されている。そして、このバンド間の直接遷移によって、発光が可能となった。
【０００３】
また、この多孔質シリコンの両端に電極を設けて電界をかけ、エレクトロルミネッセンスを観察することも報告されている。
【０００４】
一方、半導体集積回路を搭載した半導体装置では、情報社会の進展にともない、高度かつ大容量な情報通信機器をパーソナル化する方向に進展してきている。すなわち、ハンディコンピュータや携帯電話から、さらに高度の情報がやり取りできる機器が要請されている。そのためには、従来の電気信号のみを扱う半導体装置を高機能にするとともに、光や音声等を扱える複合的な機能を有する半導体装置であることが望ましい。図３４は、このようなニーズに応えるべく構成された３次元集積回路システムの断面構造を示す。このような３次元集積回路システムは、従来の２次元集積回路システムでは必然的に生じる微細化の限界を越え得るだけでなく、機能の向上や機能の多様化をもたらすものと期待されている。同図において、第１層目のＰ型シリコン基板１０１ａに形成されたＮウェル１０２の表面領域に、ソース１０３，ドレイン１０４，ゲート酸化膜１０５及びゲート１０６からなるＰＭＯＳＦＥＴ１１０ａが形成されており、第１層目シリコン基板１０１ａの表面領域に、ソース１０３，ドレイン１０４，ゲート酸化膜１０５及びゲート１０６からなるＮＭＯＳＦＥＴ１１０ｂ等の半導体装置が形成されている。そして、各ソース・ドレイン領域等を接続する配線１０７と、各部の上を覆う層間絶縁膜１０８とが形成され、この層間絶縁膜１０８は平坦化されている。さらに、この層間絶縁膜１０８の上にシリコン単結晶からなる第２層目のシリコン基板１０１ｂが形成されている。この第２層目のシリコン基板１０１ｂにも、上記第１層目のシリコン基板１０１ａにおける半導体装置と同様に、ＰＭＯＳＦＥＴ１１０ａやＮＭＯＳＦＥＴ１１０ｂ等の半導体装置が形成されている。そして、第１層目の半導体装置と第２層目の半導体装置との間は、金属配線１０９を介して電気的に接続されている（例えば第１回新機能素子技術シンポジウム予稿集ｐ７６，１９８２年 ５月）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３３に示すような陽極化成によってシリコン基板１０１の表面部に形成された多孔質シリコンでは、電界を印加してエレクトロルミネッセンスを得たり、光を照射してフォトルミネッセンスを得ようとすると、下記のような問題があった。
【０００６】
すなわち、陽極化成法によって形成される微細孔１０２の径や深さの制御が難しく、微細孔１０２の形状も複雑でその壁厚の分布が極めてランダムである。そのため、壁厚を薄くすべくエッチングを強く行うと、一部が基板から分離して剥がれてしまう虞れがある。また、壁厚がランダムなので、量子サイズ効果が全壁部に亘って均一に生じるわけではなく、シャープな波長の発光が得られない。さらに、多孔質シリコンの複雑な形状の微細孔の壁面には陽極化成中に分子や原子が吸着しやすく、このようなシリコン表面に付着した原子や分子の影響で発光波長の再現性がなく、寿命も短くなる。
【０００７】
本発明の第１の目的は、上記問題点に鑑み、多孔質構造ではなく、半導体微細柱を多数個並設する構造を利用すれば、径方向の寸法が均一となる点に着目し、高強度かつ波長分布のバラツキの小さいエレクトロルミネッセンス，フォトルミネッセンス等の発光や、光信号−電気信号の変換を行わせるための量子化領域及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
また、前述のごとく提唱されている３次元集積回路システムでは下記の問題がある。図３４に示される配線１０９を形成する際、コンタクトホールを形成した後、コンタクトホールへの配線材料を堆積して埋め込むという堆積法で形成される。したがって、コンタクトホールが非常に深くなるので、配線材料の埋込不良による抵抗値の増大や断線等の不良が生じやすく信頼性に乏しい。このような製造技術の問題から、実用に耐えうる３次元集積回路システムを実現することは困難であり、特に、３次元を越える集積回路システムの実現は極めて困難である。
【０００９】
本発明の第２の目的は、多種の信号変換機能を有する半導体微細柱の集合体を集積回路システムに組み込むことにより、高度の情報処理機能を備えた半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本願では、半導体微細柱の集合体及びその製造方法に関する請求項４〜１１に開示される手段を講じている。
【００１１】
また、上記第２の目的を達成するために、本願では、半導体装置及びその製造方法に関する請求項１〜３，１２〜１８に開示される手段を講じている。
【００１２】
請求項１の発明の講じた手段は、半導体装置として、半導体基板と、上記半導体基板の表面から所定深さまで延び、径方向の寸法が量子サイズ効果を生じる程度に微細な半導体微細柱の集合体からなる量子化領域と、上記量子化領域の上に、上記各半導体微細柱の上端部と電気的に接続される上部電極とを設け、上記半導体基板の上記各半導体微細柱の下端部に接触する部分を下部電極として機能させ、上記活性領域内の各半導体微細柱に軸方向の応力を生ぜしめる応力発生手段を更に設け、上記量子化領域を、上記第１電気信号を受けて、上記各半導体微細柱の応力に応じた波長を有する第２光信号を生成するように構成したものである。
【００１３】
請求項２の発明の講じた手段は、請求項１の発明において、上記応力発生手段を、上記上部電極と、上部電極に連結され外部からの機械的力を伝達するプローブとで構成したものである。
【００１４】
請求項３の発明の講じた手段は、半導体装置として、半導体基板と、上記半導体基板の表面から所定深さまで延び、径方向の寸法が量子サイズ効果を生じる程度に微細な半導体微細柱の集合体からなる量子化領域と、上記半導体基板の量子化領域の側方に、上記量子化領域を他の領域から分離するように取り囲む絶縁分離層と、上記絶縁分離層を貫通して上記半導体基板の下部電極に接続し且つ上記量子化領域を取り囲む複数個の側方電極とを設け、上記各側方電極に同一周波数の高周波電力をその位相が順次変化するように印加する高周波電源を印加する高周波電力印加手段を更に設けたものである。
【００１５】
請求項４の発明の講じた手段は、半導体微細柱の製造方法として、半導体基板の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として堆積するように形成する方法である。
【００１６】
請求項５の発明の講じた手段は、半導体微細柱の製造方法として、半導体基板の上に、絶縁膜を堆積する工程と、上記絶縁膜の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記絶縁膜をパターニングし、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状絶縁膜からなる第２点状マスクを形成する工程と、上記第２点状マスクを用いて半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として堆積するようにに形成する方法である。
【００１７】
請求項６の発明の講じた手段は、請求項４又は５の発明において、上記半導体微細柱の集合体を形成する工程の後に、上記点状マスクを除去する工程を有する方法である。
【００１８】
請求項７の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレイン成長の核となる金属の種を粒状体として形成する方法である。
【００１９】
請求項８の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、金属の種を形成し、この核の周囲に半導体物質のグレインを粒状体として成長させる方法である。
【００２０】
請求項９の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶からなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２１】
請求項１０の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、アモルファスシリコンからなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２２】
請求項１１の発明の講じた手段は、請求項５〜１０のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクの形成工程の後に、上記粒状体を少なくとも１回アニールして、被着体との界面の面積を縮小させる工程を含む方法である。
【００２３】
請求項１２の発明の講じた手段は、半導体装置の製造方法として、半導体基板の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱の集合体を形成する工程と、上記第１点状マスクを除去する工程と、上記各半導体微細柱の先端上に、各半導体微細柱と電気的に接続する上部電極を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２４】
請求項１３の発明の講じた手段は、半導体装置の製造方法として、半導体基板の上に、絶縁膜を堆積する工程と、上記絶縁膜の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記絶縁膜をパターニングし、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状絶縁膜からなる第２点状マスクを形成する工程と、上記第２点状マスクを用いて半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱の集合体を形成する工程と、少なくとも上記第１点状マスクを除去する工程と、上記各半導体微細柱の先端上に、各半導体微細柱と電気的に接続する上部電極を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２５】
請求項１４の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレイン成長の核となる金属の種を粒状体として形成する方法である。
【００２６】
請求項１５の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、成長核となる金属の種を形成し、この核の周囲に半導体物質のグレインを粒状体として成長させる方法である。
【００２７】
請求項１６の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶からなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２８】
請求項１７の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、アモルファスシリコンからなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２９】
請求項１８の発明の講じた手段は、請求項１２〜１７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクの形成工程の後に、上記グレインを少なくとも１回アニールして、被着体との界面の面積を縮小させる工程を有する方法である。
【００３０】
【作用】
以上の構成により、請求項１又は２の発明では、半導体装置において、量子化領域に光が照射されると、量子化領域のキャリアが励起され、発光を生じる。
【００３１】
また、上部電極を介して電圧が印加され、あるいは光が照射されると、半導体微細柱の集合体が量子サイズ効果によって発光するので、半導体装置が発光素子，波長変換素子として機能する。また、量子化領域に光が照射されると、半導体微細柱の抵抗値が変化する ので、上部電極を介して抵抗値の変化を検知することで、半導体装置が検知感度のよい受光素子等として機能することになる。
【００３２】
更に、量子化領域を介して力が光信号に変換されるので、力−光変換素子を構成することが可能となる。
【００３３】
請求項３の発明では、半導体装置において、量子化領域に光が照射されると、量子化領域のキャリアが励起され、発光を生じる。
【００３４】
また、半導体装置の量子化領域が絶縁分離層によって他の領域から絶縁されているので、他の領域からの干渉を受けることなく、量子化領域の作動が確実に維持されることになる。
【００３５】
更に、半導体装置の量子化領域を取り囲む絶縁分離層を貫通して側方電極が形成されているので、半導体装置を受光素子，発光素子等とする際の電気信号の授受が円滑となる。
【００３６】
これに加えて、量子化領域を取り囲む複数の側方電極に高周波電力印加手段から高周波電源が印加されると、半導体微細柱に高周波電力によって励起された電子が蓄積され、キャリアとして注入されるので、多量の電子の注入により、量子化領域の発光強度が極めて高くなる。すなわち、印加電圧により発光する場合には、極めて強い発光が得られるとともに、入射光によって発光する場合には、弱い入射光に対しても強い発光が得られることになる。
【００３７】
請求項４の発明では、半導体微細柱の集合体を形成するに際し、半導体物質の量子サイズ効果が生じる寸法に対応する寸法の微細な第１点状マスクを形成し、この第１点状マスクを用いて半導体基板を所定深さまでエッチングするようにしているので、得られる半導体微細柱の径方向の寸法が微細となり、半導体微細柱が互いにほぼ分離した構造となる。したがって、各半導体微細柱において、電圧の印加や光の照射に対して量子サイズ効果による受光や発光が可能な半導体微細柱の集合体が形成されることになる。しかも、このような製造方法では、半導体微細柱の形状も真直性のよい形状となるので、発光の取出し効率や、受光の際における光の入射効率のよい半導体微細柱の集合体が形成されることになる。
【００３８】
また、粒状態としての半導体物質のグレインの堆積を利用して第１点状マスクが形成されるので、ＣＶＤ技術を利用したマスクの形成が可能となる。
【００３９】
更に、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレインの成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００４０】
請求項５の発明では、微細な粒状体を除去した後に残る島状の絶縁膜を第２点状マスクとして半導体基板がエッチングされ、量子サイズ効果が生じうる半導体微細柱の集合体が得られる。その場合、半導体基板上の絶縁膜は半導体基板のエッチング用マスクとしての機能が高いので、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さがより均一になる。
【００４１】
また、粒状体としての半導体物質のグレインの堆積を利用して第１点状マスクが形成されるので、ＣＶＤ技術を利用したマスクの形成が可能となる。
【００４２】
更に、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレイン の成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００４３】
請求項６の発明では、半導体微細柱の集合体が形成された後、点状マスクが除去されるので、その後半導体微細柱の上に電極を形成することが可能になる。
【００４４】
請求項７の発明では、グレインの成長核となる金属の種が第１点状マスクとして形成されるので、半導体物質のグレインよりもさらに微細な金属の種を利用して、より微細な半導体微細柱の集合体が形成されることになる。
【００４５】
請求項８の発明では、金属の種を成長核として半導体物質のグレインが形成されるので、半球状に近い良好な形状のグレインが形成される。したがって、このグレインをマスクに用いて形成される各半導体微細柱の形状も真円に近い良好なものとなる。
【００４６】
請求項９の発明では、半導体物質のグレインとして、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶のグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００４７】
請求項１０の発明では、半導体物質のグレインとして、アモルファスシリコンのグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００４８】
請求項１１の発明では、粒状体がアニールされて被着体との界面の面積が縮小されるので、粒状体の分離性及び形状がさらに良好なものとなる。
【００４９】
請求項１２の発明では、第１点状マスクを形成し、第１点状マスクを用いて半導体基板をエッチングするようにしているので、得られる半導体微細柱の径方向の寸法が微細となり、半導体微細柱が互いにほぼ分離した構造となる。したがって、発光の取出し効率や、光の入射効率のよい半導体微細柱の集合体が形成され、受光素子，発光素子，波長変換素子等として特性の良好な半導体装置が得られる。さらに、このような工程はシリコン等の半導体デバイスを製造するための工程で用いられる加工技術であるので、半導体デバイスの製造プロセスとの互換性が得られる。
【００５０】
また、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレインの成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００５１】
請求項１３の発明では、微細な粒状体を除去した後に残る島状の絶縁膜を第２点状マスクとして半導体基板がエッチングされ、量子サイズ効果が生じうる半導体微細柱の集合体が得られる。その場合、半導体基板上の絶縁膜は半導体基板のエッチング用マスクとしての機能が高いので、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さがより均一になる。
【００５２】
また、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレインの成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００５３】
請求項１４の発明では、グレインの成長核となる金属の種が第１点状マスクとして形成されるので、半導体物質のグレインよりもさらに微細な金属の種を利用して、より微細な半導体微細柱の集合体が形成されることになる。
【００５４】
請求項１５の発明では、金属の種を成長核として半導体物質のグレインが形成されるので、半球状に近い良好な形状のグレインが形成される。したがって、このグレインをマスクに用いて形成される各半導体微細柱の形状も真円に近い良好なものとなる。
【００５５】
請求項１６の発明では、半導体物質のグレインとして、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶のグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００５６】
請求項１７の発明では、半導体物質のグレインとして、アモルファスシリコンのグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００５７】
請求項１８の発明では、グレインがアニールされて被着体との界面の面積が縮小されるので、粒状体の分離性及び形状がさらに良好なものとなる。
【００５８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００５９】
（実施例１）
図１は、実施例１に係る光半導体装置の断面図である。図１に示すように、この半導体装置は、単結晶構造を有するシリコン基板１と、このシリコン基板１の表面から所定深さまで延び、軸方向が基板１の面に垂直な多数の半導体微細柱２と、その周囲のスペースを埋めるシリコン酸化膜からなる絶縁層３と、半導体微細柱２及び絶縁層３の上端を平坦化した上に形成された透明電極４とを備えている。そして、上記半導体微細柱２の集合体が量子化領域Ｒqaとして機能する。上記半導体微細柱２の基端は上記基板１に連なって支持されており、各半導体微細柱２の径は２〜５０ｎｍ程度である。上記絶縁層３は、各半導体微細柱２を構成するシリコンの表面部を熱酸化して形成される。上記透明電極４は、各半導体微細柱２の上端と接することにより各半導体微細柱２とは電気的に接続されていて、透明電極４と各半導体微細柱２の基端に接続される半導体基板１との間に所定の電圧を印加し、あるいは量子化領域Ｒqaに光を照射することにより、各半導体微細柱２に量子サイズ効果による発光を生ぜしめ、エレクトロルミネッセンス，フォトルミネッセンスが発生可能な構造としている。
【００６０】
次に、光半導体装置の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、上記光半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【００６１】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上に熱酸化，ＣＶＤ等により、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜等からなる上面絶縁膜５を形成した後、ＬＰＣＶＤ法によりシリコンからなる半球状グレイン６を堆積した。この際、原料ガスとしてＨｅベースの２０％ＳｉＨ4 ガスを用い、ガス流量を３００ｃｃｍとすると、同図に示すような数nmの半径を持つ半球状グレイン６が得られた。
【００６２】
ただし、この半球状グレイン６の作成は、水素ガス雰囲気中でＳｉＨ4 ガスを用いてもよい。その場合、特に半球状グレイン６の堆積が制御しやすくなる。
【００６３】
次に、図２（ｂ）に示すように、多数の半球状グレイン６からなる第１点状マスクＭs1として、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の上面絶縁膜５をエッチングし、多数の半球状グレイン６のパターンに対応する島状パターンをもつ上面絶縁膜５の残存部からなる第２点状マスクＭs2を形成した。シリコン基板１上の上面絶縁膜５のエッチングは、例えばＣＦ4 ／ＣＨＦ3 ＝３０／４０ｓｃｃｍの混合ガス雰囲気中、圧力１Ｐａで、ＲＦパワー４００Ｗで行なっている。その後、各半球状グレイン６はエッチングして除去する。
【００６４】
次に、図２（ｃ）に示すように、島状にパターニングされた第２点状マスクＭs2を使用して、シリコン基板１を所定深さだけエッチングし、シリコン基板１の表面に垂直な多数の半導体微細柱２を形成した。エッチング条件は、Ｃl2／Ｏ2＝９０／３ｓｃｃｍの混合ガス雰囲気中、圧力１Ｐａで、ＲＦパワーが２００Ｗで行った。この各半導体微細柱２の側部は半導体基板１の表面にほぼ垂直で、かつほぼ真直であり、後述のように、半球状グレイン６の形成条件を適正にすることで、互いに連続することなく独立したものとしうる。
【００６５】
そして、図２（ｄ）に示すように、半導体微細柱２の側面をシリコン酸化膜からなる絶縁層３で覆い、半導体微細柱２間の隙間を絶縁層３で埋めた後、その先端面を平坦化した。
【００６６】
さらに、図２（ｅ）に示すように、絶縁層３のうち平坦化された半導体微細柱２先端部の表面の絶縁層３を除去し、その上に透明電極４を形成した。
【００６７】
なお、上記実施例１では、半導体基板１の上に上面絶縁膜５を形成し、この上に第１点状マスクＭs1を形成した後、上面絶縁膜５からなる第２点状マスクＭs2を形成して、この第２点状マスクＭs2を用いてシリコン基板１をエッチングしたが、第１点状マスクＭs1を直接シリコン基板１上に形成し、この第１点状マスクＭs1を用いて、半導体微細柱２を形成するためのエッチングを行ってもよい。
【００６８】
次に、以上のように構成された光半導体装置の動作を説明する。ここでは、ｐ型シリコン基板１の表面から所定深さの部位まで半導体微細柱２を形成した領域が量子化領域Ｒqaとなる。そして、シリコン基板１を接地電位として、各半導体微細柱２に電気的に接続されている透明電極４に、順方向の電圧２０Ｖを印加すると、室温において、可視光のエレクトロルミネッセンスが確認された。シリコンの場合、電圧の印加等によって励起された電子は一般には間接遷移を生じるので、遷移によるエネルギはほとんど熱に変換され、可視部での発光が困難とされていた。それに対し、上記実施例１では、シリコンの量子化領域Ｒqaが数nmの半径を持つ半導体微細柱２の集合体からなる構造となっているので、シリコンのバンド巾が量子サイズ効果によって１．２ｅＶから２．５ｅＶに広くなると同時に、励起された電子が直接遷移し、バンド間の直接遷移による可視部での発光が生じるのである。しかも、従来のような陽極化成法によって形成された多孔質シリコンに比べ、上記実施例１のようなシリコンの微細柱２の集合体では、高い発光強度とシャープな波長特性とを得ることができる。
【００６９】
以下、その理由について、構造上の相違に基づき推察する。図４（ａ）は、上述の製造工程でマスクとして使用したグレインをアモルファスシリコンとした場合、図４（ｂ）はグレインを＜３１１＞配向のシリコン単結晶とした場合における横断面構造をそれぞれ示し、これらの構造が形成される条件の相違については後述する。図４（ｃ）は従来の陽極化成法で形成された多孔質シリコンの横断面構造である。図４（ｃ）に示すように、従来の陽極化成法で形成された多孔質シリコンでは、基本的にシリコンの陽極酸化によって生じる酸化膜中の微細孔を利用してシリコンを多孔質状にするものであるから、多孔質シリコン中でシリコンは壁部を構成する。そして、シリコンの壁厚つまり両端の隣接する微細孔間の距離ｄにバラツキが多い（図中の距離ｄ１，ｄ２参照）。また、両端の隣接する微細孔間の距離ｄが大きいと（図中のｄ２のように）量子サイズ効果を生じないと考えられる。それに対し、本発明では、図４（ａ），（ｂ）に示すように、各半導体微細柱２は横断面内で互いにほぼ孤立した島状となっており、各半導体微細柱２においては、方向によって多少の径のバラツキはあるもののほぼ量子サイズ効果を維持しうる寸法に収まっていると考えられる。よって、高い発光強度とシャープな波長特性とを得ることができるのである。
【００７０】
図５は、透明電極４への印加電圧に対する半導体微細柱２の集合体に流れる電流（注入電流）の特性を示し、図６は半導体微細柱２の集合体への注入電流に対するエレクトロルミネッセンスの発光強度を示す。この２つの図から、透明電極４への印加電圧が高いほど発光強度も高いことがわかる。また、図７はキャリア注入電圧に対する発光強度の変化特性を示し、キャリア注入電圧を変化させることによって、赤、青、黄色等の各色の発光に対応したカラーの表示素子を形成することが可能となることが分かる。
【００７１】
また、図２（ａ）〜（ｅ）に示されるように、上記実施例１における製造工程では、数nmの半径を持つシリコン単結晶の微細な半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaを作成するために実施される加工方法は、全て通常のＭＯＳＦＥＴ等の半導体装置を作成する場合におけるプロセスで用いられているものである。すなわち、各半導体微細柱２間のスペースを酸化膜３で埋め込み、上端を平坦化し、量子化領域に透明電極４が電気的に接続されるように構成されているので、通常の半導体装置を製造するためにシリコンウエハを加工するプロセスと互換性があり、本発明による光半導体装置を形成した後に、通常のＭＯＳＦＥＴ等の従来の半導体装置を形成することができる。
【００７２】
次に、上記光半導体装置の製造方法における各工程の条件の詳細について説明する。
【００７３】
まず、図２（ａ）に示す工程におけるグレインを形成する方法は、ＤＲＡＭの容量を増加する方法として1990年から報告されている。たとえば、Y.Hayashideet al., Ext.Abs.22nd SSDM (1990) p.869-872、 H.Watanabe et al.,J.Appl.Phys. 71 (1991) p.3538-3543 、H.Itoh et al.,Tech. Dig. of VLSI Symp (1991) p.6-7 などに開示されており、これらの方法を適用することにより、容易にグレインを形成することができる。
【００７４】
図３は、グレインの形成工程において、ガス流量が３００ｃｃｍの条件下で、堆積温度とＳi Ｈ4 分圧を変化させた場合のグレインの形状変化を示し、同図中に挿入したグラフはシリコンの結晶相図である。すなわち、グレインとして、アモルファスシリコンが形成されるアモルファス領域、基板面に垂直な方向の方位が＜３１１＞となる単結晶シリコンが形成される＜３１１＞配向領域、基板面に垂直な方向の方位が＜１１０＞となる単結晶シリコンが形成される＜１１０＞配向領域である。
【００７５】
また、形成された粒の形状からは、下記３つの領域
(i)半球状グレイン（ＨＳＧ−hemi spherical grain）とアモルファスシリコン（αＳi ）とが混在するＨＳＧ−ａＳi 領域
(ii)全面的に半球状グレインが形成されるＨＳＧ領域
(iii)数個のグレインが結合して表面から見た形状が円筒形（ＣＴＧ−cylindrical trained grain ）になっているクレスタ状のグレインが形成されるＣＴＧ領域が重要である。
【００７６】
これらの結果から、次のことが確かめられた。
【００７７】
(1) ＨＳＧ領域は、温度範囲が５７０℃〜５８０℃、Ｓi Ｈ4 分圧（形成圧力）の範囲が０．５Torrから２．０Torrの間に存在し、＜３１１＞配向領域内に存在する
(2) ＨＳＧ−ａＳi 領域は、アモルファス領域と＜３１１＞配向領域との境界付近に存在する
(3) ＣＴＧ領域は、主に＜３１１＞配向領域と＜１１０＞配向領域との境界に存在する
(4) また、ＨＳＧ領域は、上記の（３１１）配向領域の中で上記２つの領域（ＨＳＧ−ａＳi 領域とＣＴＧ領域とに挟まれる領域に存在する
(5) グレインがアモルファスシリコンに近いほどグレインサイズが大きく、＜１１０＞配向に近いほどグレインサイズが小さくなっている
(6) Ｓi Ｈ4 分圧（形成圧力）が高いほど、アモルファス領域が増大する
(7) グレインサイズの相違は、膜表面でのグレイン成長核（Ｎi ，Ｗ等の金属）の密度の相違に起因する
(8) 以上のことから、堆積温度を５６０〜５９０℃、Ｓi Ｈ4 分圧を０．１〜０．４Torrの条件でグレインを堆積すると、半球状グレインとクラスタ状グレインとが面密度０．４〜０．７で得られる。
【００７８】
上記実施例では、シリコン単結晶の半導体微細柱２の側部を熱酸化して、シリコン酸化膜からなる絶縁層３で半導体微細柱２の周囲の隙間を埋めたが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、必ずしも絶縁層を設けなくても量子サイズ効果による発光は生じる。ただし、上記実施例１のごとく、半導体微細柱２の側部を熱酸化等して形成した絶縁層３で覆うことにより、下記の利点が得られる。すなわち、シリコン基板１をエッチングして半導体微細柱２を形成する際に半導体微細柱２の側面に不純物や異物が付着するが、このような不純物や異物を絶縁層３中に固定できる。また、その後も、シリコン単結晶の半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaに不純物や異物が侵入するのを阻止することができる。そして、この不純物等の量子化領域Ｒqaへの入り込みを防止することで、半導体微細柱２の側面に付着した原子や分子の影響を排除し、再現性安定性よく一定の発光波長を得ることができ、長寿命のシリコン受光発光素子等の半導体装置を得ることができる。
【００７９】
また、シリコン酸化物や窒化物等からなる絶縁層３は、必ずしも上記実施例１のごとく半導体微細柱２の周囲の隙間を埋めている必要はなく、単に半導体微細柱２の表面付近に形成するだけでも、不純物等の固定及び侵入阻止機能は得られる。ただし、上記実施例１のごとく、半導体微細柱２の周囲の隙間を絶縁層３で埋めることで、各半導体微細柱２間の短絡を確実に防止しうるとともに、半導体微細柱２の形状を崩すことなく先端部を平坦化することができ、透明電極４との電気的接続を確実に行うことができる。
【００８０】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、実施例２における光半導体装置の製造工程を示し、上述の実施例１とほど同様の手順によっている。ここで、上記実施例１との相異点は、ＬＰＣＶＤ法による半球状グレイン６の堆積条件が変更されている点と、半導体微細柱２の側面を熱酸化膜３ａで覆った後、半導体微細柱２間の隙間をＣＶＤ等によるシリコン酸化膜３ｂで埋めて平坦化した点である。すなわち、この２つの酸化膜３ａ及び３ｂにより、絶縁層３が構成されている。
【００８１】
半球状グレイン６の堆積工程では、原料ガスとしてＨe ベースの１５％Ｓi Ｈ4 を用い、ガス流量は１００ｃｃｍ、堆積温度は５００〜７００℃、Ｓi Ｈ4 の分圧は０．１〜０．４Torrという条件で堆積を行っている。ガス流量を少なくし、堆積速度を遅くすると堆積温度が低い条件でデポを行いうる。図９は、ガス流量が１００ｃｃｍという条件下で、堆積温度とＳi Ｈ4 の分圧を変化させた場合の半球状グレイン６の形状変化を示す。実施例１と同様に、形成された粒形状から上述の(i)ＨＳＧ−ａＳi 領域、(ii)ＨＳＧ領域、(iii)ＣＴＧ領域の３つの領域に分けられる。
【００８２】
これらの結果から、次のことが確かめられた。
【００８３】
(1) ＨＳＧ領域は、温度範囲にして５００℃〜６５０℃、Ｓi Ｈ4 分圧の範囲で０．１Torrから０．４Torrである
その他、上記実施例１において述べた(2) 〜(7) と同様の傾向がある
(8) 以上のことから、適正な半球状グレイン６を得るのための堆積温度範囲は、上記実施例１に比べて広い。
【００８４】
したがって、本実施例２では、原料ガスであるＳi Ｈ4 のＨe ベースに対する濃度とガス流量とを変えることで、適正な堆積温度温度の範囲を拡大させることができる。また、各半導体微細柱２の間の隙間をＣＶＤ法による酸化膜３ｂ又は窒化膜で埋めることで、上記実施例１のように熱酸化膜のみにより隙間を埋めるのに比べ、より確実に隙間を埋めることができる。
【００８５】
なお、上記実施例２では、熱酸化膜３ａを形成してからＣＶＤによるシリコン酸化膜３ｂを形成したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、工程の都合によっては、すべての絶縁層３をＣＶＤ法により形成してもよい。
【００８６】
その場合、すべての絶縁層３をシリコン酸化物で構成すると、シリコン酸化物の屈折率は小さいので、横方向に発光を取り出すことができる。また、すべての絶縁層３を窒化物で構成すると、シリコン窒化物とシリコンとの熱膨張係数の相違によって半導体微細柱２に圧縮歪みを与えることで、量子サイズ効果をより顕著に発揮することができる。また、本実施例におけるＣＶＤによるシリコン酸化膜３ｂの代わりにシリコン窒化膜を形成しても同じである。
【００８７】
（実施例３）
次に、半球状グレイン６の形状の改良に関する実施例３について説明する。上記実施例１とほぼ同じ製造工程中において、半球状グレイン６を形成した後、配管内のＳｉＨ4 ガスを真空引きして抜き、連続してチューブ内に不活性ガスであるＮ2 ガスを導入しながらアニールを行なった。図１１は、アニール時間と粒径、粒密度との関係を示す。アニール時間を長くすると、粒径が小さくなることがわかる。粒径が小さくなるに従い、表面及び界面の面積が収縮しようとするので、グレインが半球状に近づく傾向が見られ、グレイン自体の表面積の増加率は高くなる。また、アニール時間が２分以上になると半球状グレイン６が形成されていない領域が増加する。半球状グレイン６が形成されにくくなるのは、アニールによる表面酸化の度合いが大きくなり、表面でのグレイン成長を妨げる為である。さらに、酸素分圧が異なる２つの条件下で２ステップ・アニールを行うことによって、半球状グレイン６の粒径をさらに均一に制御できる。
【００８８】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、いずれも成膜条件を共通とし（温度５７５℃，圧力１．０Ｔorr ，２０％ＳｉＨ4 ガス流量３００ｓｃｃｍ）、アニール条件のうちアニール温度も共通とし（５７５℃）、アニール条件の他の条件を変えた場合における半球状グレインのＳＥＭ写真である。図１０（ａ）は、成膜後すぐにＮ2雰囲気，１．０Ｔorr で３０min アニールした場合、同図（ｂ）は成膜後真空（約０．０１Ｔorr ）中で２min アニールした後連続して０．１４Ｔorr で１０分間アニールした場合、同図（ｃ）は、成膜後真空（約０．０１Ｔorr ）中で５min アニールした後連続してＮ2 雰囲気，１．０Ｔorr で、３０min アニールした場合の半球状グレインのＳＥＭ写真である。
【００８９】
なお、半球状グレイン６を形成した後の半導体微細柱２，絶縁層３，透明電極４等の形成を行うが、この工程は、基本的に上記実施例１とほぼ同様である。
【００９０】
本実施例３では、半球状グレイン６をアニールしてその粒径を小さくし、かつ形状をより半球状に近付けるように改良したので、シリコン基板１の表面付近の面内にほぼ均一に半径のそろった半導体微細柱２を形成することができた。そして、量子化領域となる半導体微細柱２の半径が均一になったことで、発光波長がより急峻になり、発光強度も大きくなる。
【００９１】
（実施例４）
次に、実施例４について説明する。図１２（ａ），（ｂ）は、実施例４における半球状グレインの形成手順を示す断面図である。
【００９２】
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン基板１の上面絶縁膜５の上に、グレインの結晶成長の核となる結晶成長核８を形成した。この結晶成長核８は、錫やロジウム等の金属で構成されている。その際、核形成には、上面絶縁膜５を堆積したシリコン基板１を、表面処理液に常温で１分間浸した後、水洗乾燥した。表面処理液には鍍金などで用いられる処理液を用いた。
【００９３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、この結晶成長核８を核として、上面絶縁膜５上にＬＰＣＶＤ法でシリコンの半球状グレイン６を成長させた。原料ガスとしてはＨe ベースの１５％Ｓi Ｈ4 を用い、ガス流量は１００ｃｃｍであった。堆積温度を５００〜７００℃、Ｓi Ｈ4 分圧は０．１〜０．４Torrである。この条件下で、選択的にシリコン粒状体６を結晶成長核８上に堆積させ、多数のシリコン粒状体６からなる第１点状マスクＭs1を形成した。
【００９４】
その後、実施例１の工程（図２（ｃ）〜（ｅ）参照）と同じ工程で、半球状グレイン，絶縁層，透明電極等の形成を行った。
【００９５】
図１３は、上記図１２（ａ）に示す表面処理を行った場合と行わなかった場合のグレインの粒度分布を比較する図である。表面処理をしない場合は、粒径分布の平均値が１１０オングストロームであり、最大粒径が２００オングストロームを超えるのに対して、表面処理をした場合は、粒径分布の平均値が６０オングストロームであり、最大粒径が１２０オングストローム以下であった。このように、グレインの形成に先立って結晶成長核８を形成するための表面処理を行うことで、半球状グレイン６の分布及び大きさが均一となり、面内に均一に半球状のグレインの分布が得られた。そして、量子化領域となる半導体微細柱２の半径及び分布が均一化されたことで、発光波長がより急峻になり、発光強度も面内で均一になり大きくなる。
【００９６】
このようにして形成したシリコン受光素子に対し、ｐ型シリコン基板１に負の電圧を印加し各半導体微細柱の先端側に接地電位としておき、高圧水銀ランプを光源として半導体微細柱の集合体（量子化領域）に光を照射した。その結果、光の照射によって、半導体微細柱をもつ量子化領域の抵抗値が変化し、受光素子として用いることができた。
【００９７】
（実施例５）
次に、実施例５について説明する。図１４は、実施例５に係る光半導体装置の断面図である。図１４では、光半導体装置の基本的な構成は、上記実施例１の図１に示す構造とほぼ同じであるが、本実施例では、シリコン基板１上の量子化領域Ｒqaの側方が絶縁分離層９によって他の領域と区画されている。この絶縁分離層９の深さは、半導体微細柱２の深さｈよりも深い。さらに、半導体微細柱２上の透明電極４とは別に、絶縁分離層９を貫通する側方電極１０が形成されている。この側方電極１０は、各半導体微細柱２の上部電極である透明電極４に対し下部電極として機能するシリコン基板１に接続されている。
【００９８】
以上のように構成された光半導体装置について、その動作を説明する。透明電極４と側方電極１０との間に電圧（例えば５０Volt程度）が印加されると、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２の先端と基端との間に電位差が生じ、実施例１と同様の量子サイズ効果により、室温において可視光のエレクトロルミネッセンスが発生する。本実施例５では、キャリア注入電圧を２５〜２００Voltに変化させることによって、赤、青、黄色、それぞれの発光に対応した可視光のエレクトロルミネッセンスが確認された。特に、本実施例５のように側方電極１０を設けることにより、光半導体装置の量子化領域Ｒqaと外部との間で信号の授受を行うことが容易となる。
【００９９】
（実施例６）
次に、実施例６について説明する。図１５は、実施例６に係る光半導体装置の断面図であって、基本的な構成は上記実施例５の図１４に示す構造とほぼ同じである。ただし、実施例６では、上記実施例５と異なり、ｎ型シリコン基板１が用いられ、このｎ型シリコン基板１の一部にｐウェル１１が形成されているとともに、ｐウェル１１の上方からシリコン基板１の表面に至る領域にはｎ型不純物がドープされている。そして、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２は、シリコン基板１をシリコン基板１の表面からｐウェル１１の内部に至る深さまでエッチングして形成されている。つまり、各半導体微細柱２の高さｈは、シリコン基板１のｐウェル１１とその上方との間のｐｎ接合部の深さよりも大きい。したがって、各半導体微細柱２の基端部付近はｐ型シリコンで構成され、各半導体微細柱２の基端部よりも上方の部分はｎ型シリコンで構成されており、半導体微細柱２の途中にｐｎ接合部２ａが形成されている。また、ｐウェル１１とシリコン基板１の本体部との間にもｐｎ接合が形成されているので、量子化領域Ｒqaはｎ型シリコン基板１と分離されている。そして、側方電極１０は、このｐウェル１１に接続するように構成されている。
【０１００】
本実施例６においても、透明電極４と側方電極１０との間に順方向に電圧５０Voltを印加すると、室温で可視光のエレクトロルミネッセンスが生じることが確認された。さらに、キャリア注入電圧を２５〜２００voltに変化させることによって、赤、青、黄色、それぞれの発光に対応した可視光のエレクトロルミネッセンスの発生が確認された。
【０１０１】
したがって、上記実施例６では、上記実施例５と同様の効果に加えて、下記の効果が得られる。すなわち、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaが、側方の絶縁分離層９によって他の領域と分離されているとともに、ｐウェル１１によってｎ型シリコン基板１に対しても分離されているので、絶縁分離層９に形成された側方電極１０と透明電極４との間に電圧を印加することで、シリコン基板上に多くの量子化領域を形成した場合にも、各量子化領域ごとに発光させることができる。また、各半導体微細柱２の中にｐｎ接合を形成しているので、各半導体微細柱２に効率良くキャリアを注入することができ、発光効率の高い光半導体装置を提供できる。
【０１０２】
（実施例７）
次に、実施例７について説明する。図１６は、実施例７に係る光半導体装置の断面図である。本実施例７における光半導体装置の基本的な構造は、上記実施例５の図１４に示す構造とほぼ同じであって、ｐ型シリコン基板１上に半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaが形成され、さらに量子化領域Ｒqa上の透明電極４と、量子化領域Ｒqaを取り囲む絶縁分離層９と、該絶縁分離層９を貫通したシリコン基板１に接続する側方電極１０とが形成されている。ただし、本実施例では、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaが単層ではなく、半導体微細柱２及びその周囲の隙間を埋める絶縁層３が混在してなる直線縞状量子化領域１２ａと、シリコン酸化膜からなる直線縞状分離層１３ａとが交互に配置された構造となっている。図１７（ａ）は、この両者の直線縞状構造の平面状態を概略的に示し、直線縞状量子化領域１２ａ（図中の暗部）と直線縞状分離層１３ａ（図中の白紙部）とが１次元フレネルレンズを構成するような間隔で交互に形成されている。
【０１０３】
また、図１７（ｂ）は別例を示し、リング状量子化領域１２ｂとリング状分離層１３ｂとを交互に配置させて２次元フレネルレンズを構成した場合の平面状態を示す。
【０１０４】
本実施例においても、透明電極４と側方電極１０との間に順方向に電圧を印加すると、室温において、可視光のエレクトロルミネッセンスが発生することが確認された。
【０１０５】
以上のように構成された光半導体装置では、領域１２ａ，１２ｂと隣接する分離層１３ａ，１３ｂとが交互に配置され、量子化領域Ｒqa全体がフレネルレンズとして機能する。したがって、別途集光装置は不要である。すなわち、図１７（ａ）に示す１次元フレネルレンズ又は図１７（ｂ）に示す２次元フレネルレンズを形成する量子化領域Ｒqaが発光すると、シリコン基板１の表面に対して垂直な方向に向かう光は線上あるいは点上に集光され、設計された領域に光を集めることができる。したがって、その焦点近傍に別途受光素子を配置しておくと、この光半導体装置から発光される光が受光素子に効率良く集光され、受光素子を介して信号又は光に変換された電力を遠隔地に送信することが可能となる。また、フォトルミネッセンスを行わせる波長変換素子や受光素子として使用する場合には、線状光源や点状光源からの光を量子化領域Ｒqa全体に照射することが可能となる。
【０１０６】
（実施例８）
次に、実施例８について説明する。図１８は実施例８に係る光半導体装置の断面構造を示し、基本的には、上記実施例７の図１５に示す光半導体装置の構造とほぼ同じである。すなわち、ｐｎ接合部２ａを有する半導体微細柱２及び絶縁層３の集合体からなる量子化領域Ｒqaと、量子化領域Ｒqaの上の透明電極４と、量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱２の基端を支持し、ｎ型シリコン基板１と電気的に絶縁されたｐウェル１１と、量子化領域Ｒqaを取り囲む絶縁分離層９と、該絶縁分離層９を貫通してｐウェル１１に接続する側方電極１０とが配置されている。
【０１０７】
本実施例では、図は省略するが、上記量子化領域Ｒqaの製造工程において、シリコン基板１にｐウェル１１を形成し、さらにその情報をｎ領域にして、上記実施例１で述べたような第１又は第２点状マスクを用いて半導体基板１をｐウェル１１に達する深さまでエッチングする。この製造工程により、半導体微細柱２にｐｎ接合部２ａが形成される。
【０１０８】
また、本実施例８では、上記側方電極１０は量子化領域Ｒqaの側方２か所に設けられ、この２つの側方電極１０間を接続する回路１７に高周波電圧を印加するための高周波電源１４が介設されている。また、上記回路１７と透明電極４とを接続する回路１８には、回路１８を開閉するためのスイッチ１５と、直流電源１６とが直列に接続されている。
【０１０９】
以上のように構成されたシリコン発光素子について、その動作を説明する。
【０１１０】
図１９に示すように、シリコンの結晶に高周波電力が印加されると、高い周波数で変化する電場にシリコンの結晶格子内の電子（黒丸で示す部分）が励起され、ある程度周期的な運動を行う。本実施例の場合、半導体微細柱２近傍の絶縁分離層９に形成された２つの側方電極１０，１０に、高周波電源１４が接続されているので、ｐ型シリコン基板１に高周波電力によって励起された電子が蓄積される。この蓄積された電子は、透明電極４を介して印加された順方向電圧によって、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２に導かれ、各半導体微細柱２内のｐｎ接合部２ａを通して多量の電子が注入される。この注入によって、量子化領域Ｒqaの発光強度は増大する。透明電極４には電圧１００Voltを印加した。この場合も、室温において、可視光のエレクトロルミネッセンスが確認された。
【０１１１】
以上のように、本実施例８では、ｐ型シリコン基板１に高周波電力を印加することによって励起された電子を、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２に導き、ｐｎ接合部２ａを通して多量の電子を注入し、量子化領域Ｒqaを強く発光させ、透明電極４に与えられる弱い信号に対しても効率良く発光させることができる。
【０１１２】
なお、上記実施例８では、量子化領域Ｒqaの側方に２つの側方電極１０を形成したが、量子化領域Ｒqaを取り囲む３つ以上の側方電極１０を設け、この側方電極に同一周波数の高周波電力をその位相が昇順又は降順に変化するように印加することにより量子化領域Ｒqaに回転磁場を発生させてもよい。その場合、より高い発光効率を得ることができる。
【０１１３】
（実施例９）
次に、実施例９について説明する。図２０は、実施例９に係る光半導体装置の断面構造の一部を示す。本実施例では、シリコン基板１の上に、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaと、ｐ領域２０ａ及びｎ領域２０ｂからなるフォトダイオード２０とが搭載されている。また、上記フォトダイオード２０及び量子化領域Ｒqaの上には、共通の透明電極４が設けられている。そして、上記透明電極４とシリコン基板１との間に所定の電圧を印加するための駆動回路部２１が設けられている。すなわち、駆動回路部２１を介してフォトダイオード２０に一定のバイアスが印加された状態で、フォトダイオード２０に光信号Ｓgo0 が入力されると、フォトダイオード２０に起電力が生じ、駆動回路２１により例えば１５Ｖに昇圧され、第１電気信号Ｓge1 として量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２に印加される。その結果、各半導体微細柱２が発光して第２光信号Ｓgo2 として出力される。各半導体微細柱２の製造仕様を変更することで、この時の発光波長は、変化させることができる。
【０１１４】
次に、図２１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、上記図２０の構造を少し変形させた構造を有する光半導体装置の製造工程について説明する。まず、図２１（ａ）に示すように、シリコンで構成されるシリコン基板１上のある部分に、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaを形成する。次に、図２１（ｂ）に示すように、上記量子化領域Ｒqaとは異なる領域が開口されたフォトレジストマスク２５を用いて、シリコン基板１内にＡｓ+ イオンを注入することで、ｎ領域２４ａを深く形成し、続けてＢ+ イオンを注入してｐ領域２４ｂを浅く形成する。その際、Ａｓ+ イオンとＢ+ イオンとのいずれもがほとんど注入されない中間部が真性領域２４ｃとなり、ｐ領域２４ａ，ｎ領域２４ｂ及び真性領域２４ｃからなるいわゆるＰＩＮ構造のフォトダイオード２４が形成される。なお、フォトダイオード２４を形成しようとする部分のシリコン基板を予め深く掘り込んでおき、各領域２４ａ，２４ｃ，２４ｂを順次エピタキシャル成長させることにより、フォトダイオード２４を形成してもよい。その後、図２１（ｃ）に示すように、シリコン基板１の上に光を透過する伝導体配線２５（例えばＡｕからなる）を形成し、さらに駆動回路２１を形成する。
【０１１５】
図２１（ｃ）に示す光半導体装置では、ある波長の光信号Ｓgo0 をフォトダイオード２４で受けて、量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱２から第２光信号Ｓgo2を出力するように構成することができる。この第２光信号Ｓgo2 の波長は構造や製造方法により変化させることができる。このような光半導体装置が、シリコンプロセスにより製造できるので、微小なチップ内に収納することができ、光通信等への応用が可能となる。
【０１１６】
なお、上記実施例における光半導体装置の構成に加え、量子化領域Ｒqaから出力される第２光信号Ｓgo2 を電気信号に変換する回路を設けることで、信号経路において伝達情報を光で変調する機能を有するデバイスを作成することもできる。
【０１１７】
（実施例１０）
次に、半導体微細柱の集合体を用いて応力センサを構成した実施例１０について説明する。図２２は、実施例１０における応力センサの構造及び作動原理を示す。すなわち、本実施例では、シリコン基板１上に半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaと、透明電極４とが形成されている。また、光半導体装置には、さらに、量子化領域Ｒqaに透明電極４を介して電圧を印加するための駆動回路２８が配設されている。
【０１１８】
ここで、図２２の各丸で囲んだ箇所は、各半導体微細柱２に加わる応力状態の変化に対する半導体微細柱２の形状の変化を示す。前述のように、半導体微細柱２の両端に電圧が印加されると、量子閉じ込め効果により、半導体微細柱２内でバンドギャップワイドニングが生じ、可視部におけるエレクトロルミネッセンスが観測される。このバンドギャップワイドニング量ΔＥは、一般に半導体微細柱２の径に反比例することが知られている。したがって、外部から印加される力によって、１０ｎｍ程度である半導体微細柱２の径ｄが変化すると、１／ΔＥに反比例する発光波長λも変化する。例えば、半導体微細柱２に圧縮応力が作用すると、半導体微細柱２の径ｄはポアソン比に応じて増大し、発光波長λは長波長側にシフトする。また、半導体微細柱２に引張応力が作用すると、半導体微細柱２の径ｄがポアソン比に応じて減少し、発光波長λは短波長側にシフトする。
【０１１９】
図２３（ａ）は、半導体微細柱の集合体を利用した応力センサの構造例を示し、上記図２２に示す基本的な構造に加え、外部からの力を量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱に伝達するための透明プローブ２９ａ，２９ｂをシリコン基板１の上下に配設している。図２３（ｂ）は、量子化領域Ｒqaから出力される第２光信号Ｓgo2 の発光スペクトルを示し、中心波長６３０ｎｍに対し、１Ｐａの圧縮，引張りに応じ、それぞれ短波長，長波長側に中心発光波長が約１０ｎｍシフトしているのが観察された。特に、応力を検知するためのプローブ２９ａ，２９ｂを外部の力を検知しようとする対象物に接続し、プローブ２９ａ，２９ｂ及び透明電極４を応力伝達手段とすることで、応力を感度よく光に表示することができる。本実施例においても、光半導体装置をシリコンプロセスを用いて容易に製造することができる。
【０１２０】
また、後述の実施例のごとく、本実施例における量子化領域Ｒqaからの第２光信号Ｓgo2 をさらに受光素子により検知して、電気信号に変換するようにしてもよい。
【０１２１】
（実施例１１）
次に、実施例１１について説明する。図２４は、実施例１１における半導体装置の全体構成を示し、高機能のポケットコンピュータとして使用可能なものである。半導体チップ５０の上には、半導体チップ５０上の各回路に関する信号の処理を行う中央処理回路５１と、メモリ５２と、電気入出力回路５３と、光信号を集光機構を介して受ける受光部５４と、光信号を出力する第１発光部５５と、半導体チップ５０上の画素を通して信号を表示する第２発光部５６と、音波の入出力を行う音波センサ部５７及び音波出力部５８と、ＴＦＴ液晶パネルからなる表示パネルを駆動するための駆動回路５９と、外部からの光信号を電気信号に変換し半導体チップ５０内の各部回路に電源として供給する電源供給部６０とが配設されている。そして、上記メモリ５２，電気入出力回路５３，受光部５４，各発光部５５，５６，音波センサ部５７，音波出力部５８，表示パネル駆動回路５９等の各部は中央処理回路５１と信号線を介して接続されている。
【０１２２】
ここで、上記各部のうち中央処理回路５１，メモリ５２，電気入出力回路３等は従来のシリコン集積回路と同様のＭＯＳトランジスタ構造を有する。また、受光部５４は一般的なフォトトランジスタ構造を有する。
【０１２３】
それに対し、第１発光部５５及び第２発光部５６は、上記実施例１等と同様の半導体微細柱の集合体からなる量子化領域により構成されている。
【０１２４】
図２５（ａ）〜（ｄ）は、本実施例における半導体微細柱の集合体を形成する工程を示し、各図の左側は断面図、右側は平面図である。まず、図２５（ａ）に示すように、シリコン基板１の上にフォトレジスト膜Ｆrsを形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、２光束に分けたＦ２真空紫外線レーザ光を重ねて斜めから入射させ、干渉縞を露光して現像する。すると、１回目の露光によって、図２５（ｂ）の右側に示すように、フォトレジスト膜Ｆrsのうち干渉縞の露光強度の高い部分が除去されてなる縞模様のマスクパターンが形成される。そして、図は省略するが、図２５（ｂ）に示すシリコン基板１を９０度回転させた位置で、同じ２光束のレーザ光を入射することで、最終的に数ｎｍ角の第１点状マスクＭs1が得られる。レーザ光の干渉縞を形成する際、波長と入射角度により決まる所定ピッチの縞が形成されるので、点状マスクＭs1の大きさを任意に調整し得る。次に、図２５（ｃ）に示すように、第１点状マスクＭs1を用いてシリコン基板１を０．５〜数μｍの深さまでエッチングし、半導体微細柱２の集合体を形成する。エッチング条件は上記第１実施例と同様である。その後、フォトレジスト膜Ｆrsを除去した後、半導体微細柱２の側方を側部を熱酸化して絶縁層３で埋め、平坦化する。さらに、図２５（ｄ）に示すように、平坦化された各半導体微細柱２の上端部の酸化層を除去した後、量子化領域Ｒqaの上に透明電極４を形成する。
【０１２５】
なお、フォトレジスト膜Ｆrsをパターニングして点状マスクＭs1を形成するには、本実施例のごとく、干渉縞を形成するほか原子間力顕微鏡のカンチレバーの探針を所定の押圧力で押付けた状態でシリコン基板を水平方向に移動して、プリべーキングされたフォトレジスト膜に縦横多数の凹状溝を形成し、残存する点状の部分を点状マスクとしてもよい。また、フォトレジスト膜をパターニングして点状マスクを形成する場合、上記実施例１のごとく、シリコン基板１の上に酸化膜を形成した後、フォトレジスト膜の第１点状マスクを用いて酸化膜を点状にパターニングし、これを第２点状マスクとして半導体をエッチングするようにしてもよい。
【０１２６】
次に、図２６は本実施例に係る半導体チップ５０の平面図であって、半導体チップ５０上にはマトリクス状に配置された多くの量子化領域Ｒqa（半導体微細柱の集合体）からなる第２発光部５６が搭載されている。つまり、第２発光部５６の各量子化領域Ｒqaが信号に応じて、所定パターンを表示するようにオン・オフすることで、例えば半導体チップ５０上の回路の良否判定等を表示するようにしている。
【０１２７】
一方、第１発光部５５が出力する光信号は、光ファイバーを介して外部に伝達される。図２７は、第１発光部５５の部分の断面構造を示し、半導体微細柱の集合体からなる量子化領域Ｒqaの上に透明電極４が形成されているとともに、さらに透明電極４の上にフィルタ６２を介して集光機構である凸レンズ６１が載置されている。そして、凸レンズ６１で集光された第２光信号Ｓgo2 が光ファイバー（図示せず）を介して外部に出力される。このフィルタ６２は、透明な屈折率の異なる薄膜を複数層重ねて多重干渉を生ぜしめたバンドパスフィルタである。このフィルタ６２は必ずしも必要でないが、比較的長距離の信号伝搬が必要な場合、光のバンドを狭めることで信号の減衰を抑制し得るので、第１発光部５５の量子化領域Ｒqaの上にはフィルタを設けることが好ましい。そして、凸レンズ等の集光機構を付設することで、光ファイバーとの結合状態が良好になる。なお、光ファイバーは半導体チップ５０の表面にほぼ垂直に設置されている。
【０１２８】
表示パネル駆動回路５９は、通常のＭＯＳ集積回路で構成されており、大面積の表示機能が必要な場合に液晶表示装置（ＬＣＤ）を使用するためのものである。
【０１２９】
上記音波センサ部５７は、図２８（ａ），（ｂ）に示すように、４点で支持された薄いダイアフラム６３を半導体チップ５０上に形成しておき、音波を受けて生じるダイアフラム６３の変位量がブリッジの抵抗の変化量と比例する現象（ピエゾ抵抗効果）を用いて音波を電気信号に変換している。ピエゾ抵抗効果素子は応力センサとして開発が進められており、本実施例はこの技術を応用したものである。ただし、コンデンサマイクロフォンのように電極と基板との間の静電容量の変化量を検知し音波を検出することもできる。
【０１３０】
上記音波出力部５８は、図２９に示すように、片持梁状のダイアフラム６４を備え、音声信号を受けて発生する静電気力により、ダイアフラム６４を振動させて、音波を発生させるように構成されている。ただし、このような構造の部材の代わりに、音声信号で外部の小電力のスピーカーを駆動するようにしてもよい。
【０１３１】
上記電源供給部６０は、外部からの光を電気エネルギーに変換し、半導体チップ５０内の各部の回路に供給する回路であり、光を受けて電流信号に変換するフォトダイオードと、この電流信号を受けて３〜５Ｖ程度の定電圧を生ぜしめる定電圧回路とにより構成されている（図面は省略する）。電源の供給が光ではなくミリ波やマイクロ波等の電磁波である場合には、アンテナとダイオードとからなる検波回路と定電圧回路とをこれに変えて使用することができる。
【０１３２】
本実施例のごとく、光を用いて信号を入力し、また光により電力を供給することにより、ワイヤレスで半導体装置を機能させることができる。また、信号や電力を入力するための配線をなくすことで、寄生インピーダンスに起因して生じる信号の遅延を最小限にすることができる。１チップでこのような多種の機能を実現し得るので、携帯用コンピュータ等の小型化に大きな役割を果たすことができる。また、音波による信号の入力や出力の機能を持たせることで、音声記憶や電話回線を介する信号の授受等、コンピュータのヒューマンインターフェースの高度化に役立つ。さらに、半導体装置の製造工程においても、ワイヤの接続の工程の一部が不要となり、製造コストの低減、歩留まりの向上を図ることができる。さらに、発光表示機能と自己検査機能とを併用すれば、不良品だけを表示機能により容易に選別することができ、検査費用及び検査時間の低減を図ることができる。
【０１３３】
（実施例１２）
次に、実施例１２について説明する。図３０（ａ）〜（ｄ）は、受光素子，発光素子を集積回路内に組み込んだ光半導体装置の製造工程を示す。まず、図３０（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１ａ上に、ｎ型ソース７１，ｎ型ドレイン７２，ゲート酸化膜７３，ゲート電極７４及び層間絶縁膜７５からなるＭＯＳＦＥＴ７０を形成する。次に、図３０（ｂ）に示すように、上記ＭＯＳＦＥＴ７０の形成領域に隣接する層間絶縁膜７５の開口領域に、上記実施例１等の工程により、半導体微細柱の集合体からなり発光素子として機能する量子化領域Ｒqaを形成する。そして、図３０（ｃ）に示すように、各量子化領域の部分を開口する絶縁膜７６を形成し、量子化領域Ｒqaを覆いさらに上記絶縁膜７６の一部まで覆うようにＩＴＯからなる透明電極４を形成する。その後、ドレイン７２と透明電極４とを電気的に接続する金属配線７７を形成する。そして、図３０（ｄ）に示すように、金属，ポリシリコン等からなる配線７７や透明電極４の上に量子化領域Ｒqaの上を開口した基板間絶縁膜７８を形成し、表面を平坦化する。
【０１３４】
一方、図面は省略するが、別のシリコン基板１ｂに、上記図３０（ａ）〜（ｄ）に示す工程における量子化領域Ｒqaの代りに、ｐ領域及びｎ領域からなり受光素子として機能するフォトダイオード７９を形成し、このフォトダイオード７９の上に透明電極４を付設して、さらにフォトダイオード７９の上方を開口した基板間絶縁膜７８を形成する。
【０１３５】
図３１は、上記２つのシリコン基板１ａ，１ｂを、量子化領域Ｒqaとフォトダイオード７９とが対向するように、基板間絶縁膜７８を介して張合わせてなる光半導体装置の断面構造を示す。下側の論理回路の出力電極であるＭＯＳＦＥＴ７０のドレイン７２は厚さ０．１μｍの半導体微細柱の集合体からなる量子化領域Ｒqaに透明電極４とを介して接続されている。そして、出力電極であるドレイン７２の電位が２Ｖに上昇すると、第１電気信号Ｓge1 が出力され、配線７７を介して量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱に０．２ＭＶ／ｃｍ程度の電界が印加される。この第１電気信号Ｓge1 を受けて、各半導体微細柱が発光し、量子化領域Ｒqaから第２光信号Ｓgo2 が出力される。そして、透明電極４を透過した第２光信号Ｓgo2 が、フォトダイオード７９に入力されると、フォトダイオード７９から第３電気信号Ｓge3 が出力される。そして、この第３電気信号Ｓge3 は、金属配線７７を介して側方のＭＯＳＦＥＴ７０のドレインに入力される。その後の信号処理は、通常の集積回路と同様に行われる。
【０１３６】
したがって、本実施例では、集積回路上に形成した受光素子により出力信号が電気信号から光信号に変換された後、再び電気信号に変換されるという光複合素子を組み込んだ光半導体装置が得られることになる。
【０１３７】
（実施例１３）
次に、実施例１３について説明する。図３２（ａ）〜（ｄ）は、溝部を介して発光素子，受光素子を相対向させた構造を有する光半導体装置の製造工程を示す。まず、図３２（ａ）に示すように、シリコン基板１の相隣接する２つの領域に、半導体微細柱の集合体からなり発光素子として機能する量子化領域Ｒqaと、ｐ領域及びｎ領域からなり受光素子として機能するフォトダイオード７９とを形成する。次に、図３２（ｂ）に示すように、量子化領域Ｒqaとフォトダイオード７９との上に、層間絶縁膜７５やポリシリコンからなる配線７７を形成する。なお、この場合には、量子化領域Ｒqa及びフォトダイオード７９の上に透明電極は形成する必要がない。次に、図３２（ｃ）に示すように、シリコン基板１の量子化領域Ｒqa及びフォトダイオード７９の一部を含む両者間の領域をエッチングして、溝部８０を形成する。
【０１３８】
図３２（ｄ）は、光半導体装置の仕上り状態における断面構造を示す。同図に示すように、発光素子として機能する量子化領域Ｒqaと、受光素子として機能するフォトダイオード７９との側部が露出している。言い換えると、量子化領域Ｒqaとフォトダイオード７９とが溝部８０の側壁に形成され、両者が相対向している。そして、上記実施例１の図１に示すように、量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱２の周囲は透明なシリコン酸化膜からなる絶縁層３が形成されているので、量子化領域Ｒqaからの発光がその側方からも観察可能な状態となっている。したがって、本実施例では、第１電気信号Ｓge1 が配線７７を介して量子化領域Ｒqaに入力されると、量子化領域Ｒqaから第２光信号Ｓgo2 が出力され、さらにフォトダイオード７９で第３電気信号Ｓge3 に変換される。特に、本実施例では、２つの基板を張合わせる必要がなく、２次元集積回路で実施例１２の３次元集積回路構造と同様の機能を発揮することができる。しかも、位置合わせの問題もないので、製造上も極めて容易に光複合素子を搭載し得る。
【０１３９】
以上の各実施例では、半導体基板としてシリコンの単結晶基板を用いたが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、例えばゲルマニウム等の単一元素からなる半導体や、Ｇa Ａs ，Ｇa Ｐ，Ｇa Ｎ，Ｉn Ｐ等のII−Ｖ族化合物半導体にも適用しうる。特に、Ｇa Ａs 等の直接遷移型のバンド構造を有する物質の半導体微細柱を形成すると、量子サイズ効果によって発光強度が高くなるとともに、特性のよいレーザー光が容易に得られることができる利点がある。また、必ずしも単結晶体である必要はなく、例えばアモルファスシリコンの微細柱の集合体を利用して効率の高い光電変換を行わせることで、高効率の太陽電池等を構成することも可能である。
【０１４０】
また、上記各実施例では、シリコン基板１の上に直接半導体微細柱２の集合体を形成したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、シリコン基板上に絶縁膜を介して半導体微細柱の集合体を形成してもよい。すなわち、いわゆるＳＯＩ構造とすることもできる。
【０１４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は２の発明によれば、半導体装置の構成として、半導体基板と半導体微細柱の集合体からなる量子化領域とを設けたので、半導体装置を光変換素子、具体的には発光素子，波長変換素子又は受光素子等、更に具体的には力−光変換素子として機能させることができる。
【０１４２】
請求項３の発明によれば、量子化領域の作動を確実に維持し、半導体装置を受光素子，発光素子等とする際の電気信号の授受を円滑とし、発光強度の向上を図ることができる。
【０１４３】
請求項４の発明によれば、半導体微細柱の集合体の形成方法として、第１点状マスクを形成し、第１点状マスクを用いて半導体基板を所定深さまでエッチングするようにしたので、高い量子サイズ効果による受光や発光を生じる半導体微細柱の集合体を容易に形成することができると共に、ＣＶＤ技術を利用してマスクを形成することができ、径方向の寸法の揃った微細な半導体微細柱の集合体を容易に形成することができる。
【０１４４】
請求項５の発明によれば、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さの均一化を図ることができる。
【０１４５】
請求項６の発明によれば、半導体微細柱の集合体が形成された後、点状マスクを除去するようにしたので、その後の工程を円滑に進めることができる。
【０１４６】
請求項７又は８の発明によれば、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さの均一化を図ることができる。
【０１４７】
請求項９、１０又は１１の発明によれば、各グレインの分離性及び形状の改善を図ることができる。
【０１４８】
請求項１２の発明によれば、半導体デバイスの製造プロセスとの互換性を図りつつ、受光素子，発光素子，波長変換素子等として特性の良好な半導体装置を得ることができる。
【０１４９】
また、径方向の寸法の揃った微細な半導体微細柱の集合体を容易に形成することができる。
【０１５０】
請求項１３の発明によれば、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さの均一化を図ることができる。
【０１５１】
請求項１４又は１５の発明によれば、径方向の寸法の揃った微細な半導体微細柱の集合体を容易に形成することができる。
【０１５２】
請求項１６、１７又は１８の発明によれば、各グレインの分離性及び形状の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１に係る光半導体素子の断面図である。
【図２】 実施例１における光半導体素子の製造工程中における構造の変化を示す断面図である。
【図３】 実施例１において堆積温度とＳi Ｈ4 分圧とを変化させた場合の半球状グレインの形状変化を示す図である。
【図４】 実施例１の製造方法によるアモルファス領域，＜３１１＞配向領域のグレインを用いて作成された半導体微細柱の集合体，及び従来の陽極化成法による多孔質シリコンの構造を示す横断面図である。
【図５】 量子化領域への印加電圧に対する電流の変化特性を示す図である。
【図６】 量子化領域の発光の強度の電流依存性を示す図である。
【図７】 量子化領域の発光の波長の電圧依存性を示す図である。
【図８】 実施例２に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図９】 実施例２において堆積温度とＳi Ｈ4 分圧とを変化させた場合の半球状グレインの形状変化を示す図である。
【図１０】 アニール条件を変化させた場合の半球状グレインの形状を示すＳＥＭ写真である。
【図１１】 実施例３における半球状グレインのアニール時間と粒径、粒密度との関係を示す図である。
【図１２】 実施例４におけるグレインの形成工程における状態の変化を示す断面図である。
【図１３】 実施例４における表面処理の有無によるグレインの粒径の分布の相違を示す図である。
【図１４】 実施例５に係る光半導体装置の断面図である。
【図１５】 実施例６に係る光半導体装置の断面図である。
【図１６】 実施例７に係る光半導体装置の断面図である。
【図１７】 １次元及び２次元フレネルレンズの平面構造を模式的に示す図である。
【図１８】 実施例８に係る光半導体装置の断面図である。
【図１９】 高周波電力を印加されたシリコンの結晶格子内における電子の運動状態を説明する図である。
【図２０】 実施例９に係る半導体装置の断面図である。
【図２１】 実施例９の半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図２２】 実施例１０に係る量子化領域を利用した応力センサの原理を説明するための断面図である。
【図２３】 実施例１０の応力センサの断面構造と、応力センサからの出力光の波長の応力に対する変化とを示す図である。
【図２４】 実施例１０に係る半導体装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２５】 実施例１１に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図及び平面図である。
【図２６】 実施例１１に係る表示装置の平面図である。
【図２７】 実施例１１に係る半導体装置の第１発光部の部分の断面図である。
【図２８】 実施例１１に係る半導体装置中の音波センサ部の構造を示す断面図及び平面図である。
【図２９】 実施例１１に係る半導体装置中の音波出力部の構成を示す断面図である。
【図３０】 実施例１２に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図３１】 実施例１２に係る半導体装置の断面図である。
【図３２】 実施例１３に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図３３】 従来の陽極化成によって形成した多孔質シリコンの断面図である。
【図３４】 従来提唱されている３次元集積回路システムの一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ 半導体微細柱
３ 絶縁層
４ 透明電極
５ 上面絶縁膜
６ 半球状グレイン
８ 結晶成長核
９ 絶縁分離層
１０ 基板側電極
１１ ｐウェル
１２ 帯状活性層
１３ 帯状分離層
１４ 高周波電源
１５ スイッチ
１６ 直流電源
１７ ，１８ 回路
Ｒqa 量子化領域
Ｍs1 第１点状マスク
Ａs2 第２点状マスク
【産業上の利用分野】
本発明は、量子サイズ効果によりエレクトロルミネッセンス，フォトルミネッセンス，光電変換機能等を行う半導体微細柱の集合体，半導体装置及びそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特開平４−３５６９７７号公報に開示されるように、多孔質シリコンを形成して発光デバイスとして使用とするものがある。これは、図３３に示すように、陽極化成によってシリコン基板１０１の表面部に多数の微細孔１０２を設けた多孔質シリコンを形成したものである。この多孔質シリコンに光を照射すると吸収端が可視部にあるフォトルミネッセンスが観察され、シリコンによる受光発光素子が可能となる。すなわち、通常のシリコン単結晶からなる半導体装置では、励起された電子は低エネルギーレベルに間接遷移するので、遷移によるエネルギは熱に変換される。そのため、可視部での発光が困難とされていたが、多孔質シリコンのように壁部を構成するシリコンの壁厚が０．０１μｍ程度になると、シリコンのバンド巾が量子サイズ効果によって１．２ｅＶから２．５ｅＶに広くなるに伴い、励起された電子がバンド間を直接遷移する現象があると報告されている。そして、このバンド間の直接遷移によって、発光が可能となった。
【０００３】
また、この多孔質シリコンの両端に電極を設けて電界をかけ、エレクトロルミネッセンスを観察することも報告されている。
【０００４】
一方、半導体集積回路を搭載した半導体装置では、情報社会の進展にともない、高度かつ大容量な情報通信機器をパーソナル化する方向に進展してきている。すなわち、ハンディコンピュータや携帯電話から、さらに高度の情報がやり取りできる機器が要請されている。そのためには、従来の電気信号のみを扱う半導体装置を高機能にするとともに、光や音声等を扱える複合的な機能を有する半導体装置であることが望ましい。図３４は、このようなニーズに応えるべく構成された３次元集積回路システムの断面構造を示す。このような３次元集積回路システムは、従来の２次元集積回路システムでは必然的に生じる微細化の限界を越え得るだけでなく、機能の向上や機能の多様化をもたらすものと期待されている。同図において、第１層目のＰ型シリコン基板１０１ａに形成されたＮウェル１０２の表面領域に、ソース１０３，ドレイン１０４，ゲート酸化膜１０５及びゲート１０６からなるＰＭＯＳＦＥＴ１１０ａが形成されており、第１層目シリコン基板１０１ａの表面領域に、ソース１０３，ドレイン１０４，ゲート酸化膜１０５及びゲート１０６からなるＮＭＯＳＦＥＴ１１０ｂ等の半導体装置が形成されている。そして、各ソース・ドレイン領域等を接続する配線１０７と、各部の上を覆う層間絶縁膜１０８とが形成され、この層間絶縁膜１０８は平坦化されている。さらに、この層間絶縁膜１０８の上にシリコン単結晶からなる第２層目のシリコン基板１０１ｂが形成されている。この第２層目のシリコン基板１０１ｂにも、上記第１層目のシリコン基板１０１ａにおける半導体装置と同様に、ＰＭＯＳＦＥＴ１１０ａやＮＭＯＳＦＥＴ１１０ｂ等の半導体装置が形成されている。そして、第１層目の半導体装置と第２層目の半導体装置との間は、金属配線１０９を介して電気的に接続されている（例えば第１回新機能素子技術シンポジウム予稿集ｐ７６，１９８２年 ５月）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３３に示すような陽極化成によってシリコン基板１０１の表面部に形成された多孔質シリコンでは、電界を印加してエレクトロルミネッセンスを得たり、光を照射してフォトルミネッセンスを得ようとすると、下記のような問題があった。
【０００６】
すなわち、陽極化成法によって形成される微細孔１０２の径や深さの制御が難しく、微細孔１０２の形状も複雑でその壁厚の分布が極めてランダムである。そのため、壁厚を薄くすべくエッチングを強く行うと、一部が基板から分離して剥がれてしまう虞れがある。また、壁厚がランダムなので、量子サイズ効果が全壁部に亘って均一に生じるわけではなく、シャープな波長の発光が得られない。さらに、多孔質シリコンの複雑な形状の微細孔の壁面には陽極化成中に分子や原子が吸着しやすく、このようなシリコン表面に付着した原子や分子の影響で発光波長の再現性がなく、寿命も短くなる。
【０００７】
本発明の第１の目的は、上記問題点に鑑み、多孔質構造ではなく、半導体微細柱を多数個並設する構造を利用すれば、径方向の寸法が均一となる点に着目し、高強度かつ波長分布のバラツキの小さいエレクトロルミネッセンス，フォトルミネッセンス等の発光や、光信号−電気信号の変換を行わせるための量子化領域及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
また、前述のごとく提唱されている３次元集積回路システムでは下記の問題がある。図３４に示される配線１０９を形成する際、コンタクトホールを形成した後、コンタクトホールへの配線材料を堆積して埋め込むという堆積法で形成される。したがって、コンタクトホールが非常に深くなるので、配線材料の埋込不良による抵抗値の増大や断線等の不良が生じやすく信頼性に乏しい。このような製造技術の問題から、実用に耐えうる３次元集積回路システムを実現することは困難であり、特に、３次元を越える集積回路システムの実現は極めて困難である。
【０００９】
本発明の第２の目的は、多種の信号変換機能を有する半導体微細柱の集合体を集積回路システムに組み込むことにより、高度の情報処理機能を備えた半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本願では、半導体微細柱の集合体及びその製造方法に関する請求項４〜１１に開示される手段を講じている。
【００１１】
また、上記第２の目的を達成するために、本願では、半導体装置及びその製造方法に関する請求項１〜３，１２〜１８に開示される手段を講じている。
【００１２】
請求項１の発明の講じた手段は、半導体装置として、半導体基板と、上記半導体基板の表面から所定深さまで延び、径方向の寸法が量子サイズ効果を生じる程度に微細な半導体微細柱の集合体からなる量子化領域と、上記量子化領域の上に、上記各半導体微細柱の上端部と電気的に接続される上部電極とを設け、上記半導体基板の上記各半導体微細柱の下端部に接触する部分を下部電極として機能させ、上記活性領域内の各半導体微細柱に軸方向の応力を生ぜしめる応力発生手段を更に設け、上記量子化領域を、上記第１電気信号を受けて、上記各半導体微細柱の応力に応じた波長を有する第２光信号を生成するように構成したものである。
【００１３】
請求項２の発明の講じた手段は、請求項１の発明において、上記応力発生手段を、上記上部電極と、上部電極に連結され外部からの機械的力を伝達するプローブとで構成したものである。
【００１４】
請求項３の発明の講じた手段は、半導体装置として、半導体基板と、上記半導体基板の表面から所定深さまで延び、径方向の寸法が量子サイズ効果を生じる程度に微細な半導体微細柱の集合体からなる量子化領域と、上記半導体基板の量子化領域の側方に、上記量子化領域を他の領域から分離するように取り囲む絶縁分離層と、上記絶縁分離層を貫通して上記半導体基板の下部電極に接続し且つ上記量子化領域を取り囲む複数個の側方電極とを設け、上記各側方電極に同一周波数の高周波電力をその位相が順次変化するように印加する高周波電源を印加する高周波電力印加手段を更に設けたものである。
【００１５】
請求項４の発明の講じた手段は、半導体微細柱の製造方法として、半導体基板の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として堆積するように形成する方法である。
【００１６】
請求項５の発明の講じた手段は、半導体微細柱の製造方法として、半導体基板の上に、絶縁膜を堆積する工程と、上記絶縁膜の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記絶縁膜をパターニングし、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状絶縁膜からなる第２点状マスクを形成する工程と、上記第２点状マスクを用いて半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として堆積するようにに形成する方法である。
【００１７】
請求項６の発明の講じた手段は、請求項４又は５の発明において、上記半導体微細柱の集合体を形成する工程の後に、上記点状マスクを除去する工程を有する方法である。
【００１８】
請求項７の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレイン成長の核となる金属の種を粒状体として形成する方法である。
【００１９】
請求項８の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、金属の種を形成し、この核の周囲に半導体物質のグレインを粒状体として成長させる方法である。
【００２０】
請求項９の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶からなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２１】
請求項１０の発明の講じた手段は、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、アモルファスシリコンからなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２２】
請求項１１の発明の講じた手段は、請求項５〜１０のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクの形成工程の後に、上記粒状体を少なくとも１回アニールして、被着体との界面の面積を縮小させる工程を含む方法である。
【００２３】
請求項１２の発明の講じた手段は、半導体装置の製造方法として、半導体基板の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱の集合体を形成する工程と、上記第１点状マスクを除去する工程と、上記各半導体微細柱の先端上に、各半導体微細柱と電気的に接続する上部電極を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２４】
請求項１３の発明の講じた手段は、半導体装置の製造方法として、半導体基板の上に、絶縁膜を堆積する工程と、上記絶縁膜の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、上記第１点状マスクを用いて、上記絶縁膜をパターニングし、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状絶縁膜からなる第２点状マスクを形成する工程と、上記第２点状マスクを用いて半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱の集合体を形成する工程と、少なくとも上記第１点状マスクを除去する工程と、上記各半導体微細柱の先端上に、各半導体微細柱と電気的に接続する上部電極を形成する工程とを有し、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２５】
請求項１４の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレイン成長の核となる金属の種を粒状体として形成する方法である。
【００２６】
請求項１５の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、成長核となる金属の種を形成し、この核の周囲に半導体物質のグレインを粒状体として成長させる方法である。
【００２７】
請求項１６の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶からなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２８】
請求項１７の発明の講じた手段は、請求項１２又は１３の発明において、上記第１点状マスクを形成する工程では、アモルファスシリコンからなるグレインを粒状体として形成する方法である。
【００２９】
請求項１８の発明の講じた手段は、請求項１２〜１７のいずれか１つの発明において、上記第１点状マスクの形成工程の後に、上記グレインを少なくとも１回アニールして、被着体との界面の面積を縮小させる工程を有する方法である。
【００３０】
【作用】
以上の構成により、請求項１又は２の発明では、半導体装置において、量子化領域に光が照射されると、量子化領域のキャリアが励起され、発光を生じる。
【００３１】
また、上部電極を介して電圧が印加され、あるいは光が照射されると、半導体微細柱の集合体が量子サイズ効果によって発光するので、半導体装置が発光素子，波長変換素子として機能する。また、量子化領域に光が照射されると、半導体微細柱の抵抗値が変化する ので、上部電極を介して抵抗値の変化を検知することで、半導体装置が検知感度のよい受光素子等として機能することになる。
【００３２】
更に、量子化領域を介して力が光信号に変換されるので、力−光変換素子を構成することが可能となる。
【００３３】
請求項３の発明では、半導体装置において、量子化領域に光が照射されると、量子化領域のキャリアが励起され、発光を生じる。
【００３４】
また、半導体装置の量子化領域が絶縁分離層によって他の領域から絶縁されているので、他の領域からの干渉を受けることなく、量子化領域の作動が確実に維持されることになる。
【００３５】
更に、半導体装置の量子化領域を取り囲む絶縁分離層を貫通して側方電極が形成されているので、半導体装置を受光素子，発光素子等とする際の電気信号の授受が円滑となる。
【００３６】
これに加えて、量子化領域を取り囲む複数の側方電極に高周波電力印加手段から高周波電源が印加されると、半導体微細柱に高周波電力によって励起された電子が蓄積され、キャリアとして注入されるので、多量の電子の注入により、量子化領域の発光強度が極めて高くなる。すなわち、印加電圧により発光する場合には、極めて強い発光が得られるとともに、入射光によって発光する場合には、弱い入射光に対しても強い発光が得られることになる。
【００３７】
請求項４の発明では、半導体微細柱の集合体を形成するに際し、半導体物質の量子サイズ効果が生じる寸法に対応する寸法の微細な第１点状マスクを形成し、この第１点状マスクを用いて半導体基板を所定深さまでエッチングするようにしているので、得られる半導体微細柱の径方向の寸法が微細となり、半導体微細柱が互いにほぼ分離した構造となる。したがって、各半導体微細柱において、電圧の印加や光の照射に対して量子サイズ効果による受光や発光が可能な半導体微細柱の集合体が形成されることになる。しかも、このような製造方法では、半導体微細柱の形状も真直性のよい形状となるので、発光の取出し効率や、受光の際における光の入射効率のよい半導体微細柱の集合体が形成されることになる。
【００３８】
また、粒状態としての半導体物質のグレインの堆積を利用して第１点状マスクが形成されるので、ＣＶＤ技術を利用したマスクの形成が可能となる。
【００３９】
更に、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレインの成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００４０】
請求項５の発明では、微細な粒状体を除去した後に残る島状の絶縁膜を第２点状マスクとして半導体基板がエッチングされ、量子サイズ効果が生じうる半導体微細柱の集合体が得られる。その場合、半導体基板上の絶縁膜は半導体基板のエッチング用マスクとしての機能が高いので、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さがより均一になる。
【００４１】
また、粒状体としての半導体物質のグレインの堆積を利用して第１点状マスクが形成されるので、ＣＶＤ技術を利用したマスクの形成が可能となる。
【００４２】
更に、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレイン の成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００４３】
請求項６の発明では、半導体微細柱の集合体が形成された後、点状マスクが除去されるので、その後半導体微細柱の上に電極を形成することが可能になる。
【００４４】
請求項７の発明では、グレインの成長核となる金属の種が第１点状マスクとして形成されるので、半導体物質のグレインよりもさらに微細な金属の種を利用して、より微細な半導体微細柱の集合体が形成されることになる。
【００４５】
請求項８の発明では、金属の種を成長核として半導体物質のグレインが形成されるので、半球状に近い良好な形状のグレインが形成される。したがって、このグレインをマスクに用いて形成される各半導体微細柱の形状も真円に近い良好なものとなる。
【００４６】
請求項９の発明では、半導体物質のグレインとして、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶のグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００４７】
請求項１０の発明では、半導体物質のグレインとして、アモルファスシリコンのグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００４８】
請求項１１の発明では、粒状体がアニールされて被着体との界面の面積が縮小されるので、粒状体の分離性及び形状がさらに良好なものとなる。
【００４９】
請求項１２の発明では、第１点状マスクを形成し、第１点状マスクを用いて半導体基板をエッチングするようにしているので、得られる半導体微細柱の径方向の寸法が微細となり、半導体微細柱が互いにほぼ分離した構造となる。したがって、発光の取出し効率や、光の入射効率のよい半導体微細柱の集合体が形成され、受光素子，発光素子，波長変換素子等として特性の良好な半導体装置が得られる。さらに、このような工程はシリコン等の半導体デバイスを製造するための工程で用いられる加工技術であるので、半導体デバイスの製造プロセスとの互換性が得られる。
【００５０】
また、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレインの成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００５１】
請求項１３の発明では、微細な粒状体を除去した後に残る島状の絶縁膜を第２点状マスクとして半導体基板がエッチングされ、量子サイズ効果が生じうる半導体微細柱の集合体が得られる。その場合、半導体基板上の絶縁膜は半導体基板のエッチング用マスクとしての機能が高いので、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さがより均一になる。
【００５２】
また、第１点状マスクとして半導体物質のグレインが形成されるので、微細なグレインの成長が容易である半導体物質の特性を利用して、径方向の寸法の揃った半導体微細柱の集合体の形成が容易となる。
【００５３】
請求項１４の発明では、グレインの成長核となる金属の種が第１点状マスクとして形成されるので、半導体物質のグレインよりもさらに微細な金属の種を利用して、より微細な半導体微細柱の集合体が形成されることになる。
【００５４】
請求項１５の発明では、金属の種を成長核として半導体物質のグレインが形成されるので、半球状に近い良好な形状のグレインが形成される。したがって、このグレインをマスクに用いて形成される各半導体微細柱の形状も真円に近い良好なものとなる。
【００５５】
請求項１６の発明では、半導体物質のグレインとして、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶のグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００５６】
請求項１７の発明では、半導体物質のグレインとして、アモルファスシリコンのグレインが形成されるので、各グレインの分離性及び形状の良好なグレインが形成されることになる。
【００５７】
請求項１８の発明では、グレインがアニールされて被着体との界面の面積が縮小されるので、粒状体の分離性及び形状がさらに良好なものとなる。
【００５８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００５９】
（実施例１）
図１は、実施例１に係る光半導体装置の断面図である。図１に示すように、この半導体装置は、単結晶構造を有するシリコン基板１と、このシリコン基板１の表面から所定深さまで延び、軸方向が基板１の面に垂直な多数の半導体微細柱２と、その周囲のスペースを埋めるシリコン酸化膜からなる絶縁層３と、半導体微細柱２及び絶縁層３の上端を平坦化した上に形成された透明電極４とを備えている。そして、上記半導体微細柱２の集合体が量子化領域Ｒqaとして機能する。上記半導体微細柱２の基端は上記基板１に連なって支持されており、各半導体微細柱２の径は２〜５０ｎｍ程度である。上記絶縁層３は、各半導体微細柱２を構成するシリコンの表面部を熱酸化して形成される。上記透明電極４は、各半導体微細柱２の上端と接することにより各半導体微細柱２とは電気的に接続されていて、透明電極４と各半導体微細柱２の基端に接続される半導体基板１との間に所定の電圧を印加し、あるいは量子化領域Ｒqaに光を照射することにより、各半導体微細柱２に量子サイズ効果による発光を生ぜしめ、エレクトロルミネッセンス，フォトルミネッセンスが発生可能な構造としている。
【００６０】
次に、光半導体装置の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、上記光半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【００６１】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上に熱酸化，ＣＶＤ等により、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜等からなる上面絶縁膜５を形成した後、ＬＰＣＶＤ法によりシリコンからなる半球状グレイン６を堆積した。この際、原料ガスとしてＨｅベースの２０％ＳｉＨ4 ガスを用い、ガス流量を３００ｃｃｍとすると、同図に示すような数nmの半径を持つ半球状グレイン６が得られた。
【００６２】
ただし、この半球状グレイン６の作成は、水素ガス雰囲気中でＳｉＨ4 ガスを用いてもよい。その場合、特に半球状グレイン６の堆積が制御しやすくなる。
【００６３】
次に、図２（ｂ）に示すように、多数の半球状グレイン６からなる第１点状マスクＭs1として、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の上面絶縁膜５をエッチングし、多数の半球状グレイン６のパターンに対応する島状パターンをもつ上面絶縁膜５の残存部からなる第２点状マスクＭs2を形成した。シリコン基板１上の上面絶縁膜５のエッチングは、例えばＣＦ4 ／ＣＨＦ3 ＝３０／４０ｓｃｃｍの混合ガス雰囲気中、圧力１Ｐａで、ＲＦパワー４００Ｗで行なっている。その後、各半球状グレイン６はエッチングして除去する。
【００６４】
次に、図２（ｃ）に示すように、島状にパターニングされた第２点状マスクＭs2を使用して、シリコン基板１を所定深さだけエッチングし、シリコン基板１の表面に垂直な多数の半導体微細柱２を形成した。エッチング条件は、Ｃl2／Ｏ2＝９０／３ｓｃｃｍの混合ガス雰囲気中、圧力１Ｐａで、ＲＦパワーが２００Ｗで行った。この各半導体微細柱２の側部は半導体基板１の表面にほぼ垂直で、かつほぼ真直であり、後述のように、半球状グレイン６の形成条件を適正にすることで、互いに連続することなく独立したものとしうる。
【００６５】
そして、図２（ｄ）に示すように、半導体微細柱２の側面をシリコン酸化膜からなる絶縁層３で覆い、半導体微細柱２間の隙間を絶縁層３で埋めた後、その先端面を平坦化した。
【００６６】
さらに、図２（ｅ）に示すように、絶縁層３のうち平坦化された半導体微細柱２先端部の表面の絶縁層３を除去し、その上に透明電極４を形成した。
【００６７】
なお、上記実施例１では、半導体基板１の上に上面絶縁膜５を形成し、この上に第１点状マスクＭs1を形成した後、上面絶縁膜５からなる第２点状マスクＭs2を形成して、この第２点状マスクＭs2を用いてシリコン基板１をエッチングしたが、第１点状マスクＭs1を直接シリコン基板１上に形成し、この第１点状マスクＭs1を用いて、半導体微細柱２を形成するためのエッチングを行ってもよい。
【００６８】
次に、以上のように構成された光半導体装置の動作を説明する。ここでは、ｐ型シリコン基板１の表面から所定深さの部位まで半導体微細柱２を形成した領域が量子化領域Ｒqaとなる。そして、シリコン基板１を接地電位として、各半導体微細柱２に電気的に接続されている透明電極４に、順方向の電圧２０Ｖを印加すると、室温において、可視光のエレクトロルミネッセンスが確認された。シリコンの場合、電圧の印加等によって励起された電子は一般には間接遷移を生じるので、遷移によるエネルギはほとんど熱に変換され、可視部での発光が困難とされていた。それに対し、上記実施例１では、シリコンの量子化領域Ｒqaが数nmの半径を持つ半導体微細柱２の集合体からなる構造となっているので、シリコンのバンド巾が量子サイズ効果によって１．２ｅＶから２．５ｅＶに広くなると同時に、励起された電子が直接遷移し、バンド間の直接遷移による可視部での発光が生じるのである。しかも、従来のような陽極化成法によって形成された多孔質シリコンに比べ、上記実施例１のようなシリコンの微細柱２の集合体では、高い発光強度とシャープな波長特性とを得ることができる。
【００６９】
以下、その理由について、構造上の相違に基づき推察する。図４（ａ）は、上述の製造工程でマスクとして使用したグレインをアモルファスシリコンとした場合、図４（ｂ）はグレインを＜３１１＞配向のシリコン単結晶とした場合における横断面構造をそれぞれ示し、これらの構造が形成される条件の相違については後述する。図４（ｃ）は従来の陽極化成法で形成された多孔質シリコンの横断面構造である。図４（ｃ）に示すように、従来の陽極化成法で形成された多孔質シリコンでは、基本的にシリコンの陽極酸化によって生じる酸化膜中の微細孔を利用してシリコンを多孔質状にするものであるから、多孔質シリコン中でシリコンは壁部を構成する。そして、シリコンの壁厚つまり両端の隣接する微細孔間の距離ｄにバラツキが多い（図中の距離ｄ１，ｄ２参照）。また、両端の隣接する微細孔間の距離ｄが大きいと（図中のｄ２のように）量子サイズ効果を生じないと考えられる。それに対し、本発明では、図４（ａ），（ｂ）に示すように、各半導体微細柱２は横断面内で互いにほぼ孤立した島状となっており、各半導体微細柱２においては、方向によって多少の径のバラツキはあるもののほぼ量子サイズ効果を維持しうる寸法に収まっていると考えられる。よって、高い発光強度とシャープな波長特性とを得ることができるのである。
【００７０】
図５は、透明電極４への印加電圧に対する半導体微細柱２の集合体に流れる電流（注入電流）の特性を示し、図６は半導体微細柱２の集合体への注入電流に対するエレクトロルミネッセンスの発光強度を示す。この２つの図から、透明電極４への印加電圧が高いほど発光強度も高いことがわかる。また、図７はキャリア注入電圧に対する発光強度の変化特性を示し、キャリア注入電圧を変化させることによって、赤、青、黄色等の各色の発光に対応したカラーの表示素子を形成することが可能となることが分かる。
【００７１】
また、図２（ａ）〜（ｅ）に示されるように、上記実施例１における製造工程では、数nmの半径を持つシリコン単結晶の微細な半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaを作成するために実施される加工方法は、全て通常のＭＯＳＦＥＴ等の半導体装置を作成する場合におけるプロセスで用いられているものである。すなわち、各半導体微細柱２間のスペースを酸化膜３で埋め込み、上端を平坦化し、量子化領域に透明電極４が電気的に接続されるように構成されているので、通常の半導体装置を製造するためにシリコンウエハを加工するプロセスと互換性があり、本発明による光半導体装置を形成した後に、通常のＭＯＳＦＥＴ等の従来の半導体装置を形成することができる。
【００７２】
次に、上記光半導体装置の製造方法における各工程の条件の詳細について説明する。
【００７３】
まず、図２（ａ）に示す工程におけるグレインを形成する方法は、ＤＲＡＭの容量を増加する方法として1990年から報告されている。たとえば、Y.Hayashideet al., Ext.Abs.22nd SSDM (1990) p.869-872、 H.Watanabe et al.,J.Appl.Phys. 71 (1991) p.3538-3543 、H.Itoh et al.,Tech. Dig. of VLSI Symp (1991) p.6-7 などに開示されており、これらの方法を適用することにより、容易にグレインを形成することができる。
【００７４】
図３は、グレインの形成工程において、ガス流量が３００ｃｃｍの条件下で、堆積温度とＳi Ｈ4 分圧を変化させた場合のグレインの形状変化を示し、同図中に挿入したグラフはシリコンの結晶相図である。すなわち、グレインとして、アモルファスシリコンが形成されるアモルファス領域、基板面に垂直な方向の方位が＜３１１＞となる単結晶シリコンが形成される＜３１１＞配向領域、基板面に垂直な方向の方位が＜１１０＞となる単結晶シリコンが形成される＜１１０＞配向領域である。
【００７５】
また、形成された粒の形状からは、下記３つの領域
(i)半球状グレイン（ＨＳＧ−hemi spherical grain）とアモルファスシリコン（αＳi ）とが混在するＨＳＧ−ａＳi 領域
(ii)全面的に半球状グレインが形成されるＨＳＧ領域
(iii)数個のグレインが結合して表面から見た形状が円筒形（ＣＴＧ−cylindrical trained grain ）になっているクレスタ状のグレインが形成されるＣＴＧ領域が重要である。
【００７６】
これらの結果から、次のことが確かめられた。
【００７７】
(1) ＨＳＧ領域は、温度範囲が５７０℃〜５８０℃、Ｓi Ｈ4 分圧（形成圧力）の範囲が０．５Torrから２．０Torrの間に存在し、＜３１１＞配向領域内に存在する
(2) ＨＳＧ−ａＳi 領域は、アモルファス領域と＜３１１＞配向領域との境界付近に存在する
(3) ＣＴＧ領域は、主に＜３１１＞配向領域と＜１１０＞配向領域との境界に存在する
(4) また、ＨＳＧ領域は、上記の（３１１）配向領域の中で上記２つの領域（ＨＳＧ−ａＳi 領域とＣＴＧ領域とに挟まれる領域に存在する
(5) グレインがアモルファスシリコンに近いほどグレインサイズが大きく、＜１１０＞配向に近いほどグレインサイズが小さくなっている
(6) Ｓi Ｈ4 分圧（形成圧力）が高いほど、アモルファス領域が増大する
(7) グレインサイズの相違は、膜表面でのグレイン成長核（Ｎi ，Ｗ等の金属）の密度の相違に起因する
(8) 以上のことから、堆積温度を５６０〜５９０℃、Ｓi Ｈ4 分圧を０．１〜０．４Torrの条件でグレインを堆積すると、半球状グレインとクラスタ状グレインとが面密度０．４〜０．７で得られる。
【００７８】
上記実施例では、シリコン単結晶の半導体微細柱２の側部を熱酸化して、シリコン酸化膜からなる絶縁層３で半導体微細柱２の周囲の隙間を埋めたが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、必ずしも絶縁層を設けなくても量子サイズ効果による発光は生じる。ただし、上記実施例１のごとく、半導体微細柱２の側部を熱酸化等して形成した絶縁層３で覆うことにより、下記の利点が得られる。すなわち、シリコン基板１をエッチングして半導体微細柱２を形成する際に半導体微細柱２の側面に不純物や異物が付着するが、このような不純物や異物を絶縁層３中に固定できる。また、その後も、シリコン単結晶の半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaに不純物や異物が侵入するのを阻止することができる。そして、この不純物等の量子化領域Ｒqaへの入り込みを防止することで、半導体微細柱２の側面に付着した原子や分子の影響を排除し、再現性安定性よく一定の発光波長を得ることができ、長寿命のシリコン受光発光素子等の半導体装置を得ることができる。
【００７９】
また、シリコン酸化物や窒化物等からなる絶縁層３は、必ずしも上記実施例１のごとく半導体微細柱２の周囲の隙間を埋めている必要はなく、単に半導体微細柱２の表面付近に形成するだけでも、不純物等の固定及び侵入阻止機能は得られる。ただし、上記実施例１のごとく、半導体微細柱２の周囲の隙間を絶縁層３で埋めることで、各半導体微細柱２間の短絡を確実に防止しうるとともに、半導体微細柱２の形状を崩すことなく先端部を平坦化することができ、透明電極４との電気的接続を確実に行うことができる。
【００８０】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、実施例２における光半導体装置の製造工程を示し、上述の実施例１とほど同様の手順によっている。ここで、上記実施例１との相異点は、ＬＰＣＶＤ法による半球状グレイン６の堆積条件が変更されている点と、半導体微細柱２の側面を熱酸化膜３ａで覆った後、半導体微細柱２間の隙間をＣＶＤ等によるシリコン酸化膜３ｂで埋めて平坦化した点である。すなわち、この２つの酸化膜３ａ及び３ｂにより、絶縁層３が構成されている。
【００８１】
半球状グレイン６の堆積工程では、原料ガスとしてＨe ベースの１５％Ｓi Ｈ4 を用い、ガス流量は１００ｃｃｍ、堆積温度は５００〜７００℃、Ｓi Ｈ4 の分圧は０．１〜０．４Torrという条件で堆積を行っている。ガス流量を少なくし、堆積速度を遅くすると堆積温度が低い条件でデポを行いうる。図９は、ガス流量が１００ｃｃｍという条件下で、堆積温度とＳi Ｈ4 の分圧を変化させた場合の半球状グレイン６の形状変化を示す。実施例１と同様に、形成された粒形状から上述の(i)ＨＳＧ−ａＳi 領域、(ii)ＨＳＧ領域、(iii)ＣＴＧ領域の３つの領域に分けられる。
【００８２】
これらの結果から、次のことが確かめられた。
【００８３】
(1) ＨＳＧ領域は、温度範囲にして５００℃〜６５０℃、Ｓi Ｈ4 分圧の範囲で０．１Torrから０．４Torrである
その他、上記実施例１において述べた(2) 〜(7) と同様の傾向がある
(8) 以上のことから、適正な半球状グレイン６を得るのための堆積温度範囲は、上記実施例１に比べて広い。
【００８４】
したがって、本実施例２では、原料ガスであるＳi Ｈ4 のＨe ベースに対する濃度とガス流量とを変えることで、適正な堆積温度温度の範囲を拡大させることができる。また、各半導体微細柱２の間の隙間をＣＶＤ法による酸化膜３ｂ又は窒化膜で埋めることで、上記実施例１のように熱酸化膜のみにより隙間を埋めるのに比べ、より確実に隙間を埋めることができる。
【００８５】
なお、上記実施例２では、熱酸化膜３ａを形成してからＣＶＤによるシリコン酸化膜３ｂを形成したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、工程の都合によっては、すべての絶縁層３をＣＶＤ法により形成してもよい。
【００８６】
その場合、すべての絶縁層３をシリコン酸化物で構成すると、シリコン酸化物の屈折率は小さいので、横方向に発光を取り出すことができる。また、すべての絶縁層３を窒化物で構成すると、シリコン窒化物とシリコンとの熱膨張係数の相違によって半導体微細柱２に圧縮歪みを与えることで、量子サイズ効果をより顕著に発揮することができる。また、本実施例におけるＣＶＤによるシリコン酸化膜３ｂの代わりにシリコン窒化膜を形成しても同じである。
【００８７】
（実施例３）
次に、半球状グレイン６の形状の改良に関する実施例３について説明する。上記実施例１とほぼ同じ製造工程中において、半球状グレイン６を形成した後、配管内のＳｉＨ4 ガスを真空引きして抜き、連続してチューブ内に不活性ガスであるＮ2 ガスを導入しながらアニールを行なった。図１１は、アニール時間と粒径、粒密度との関係を示す。アニール時間を長くすると、粒径が小さくなることがわかる。粒径が小さくなるに従い、表面及び界面の面積が収縮しようとするので、グレインが半球状に近づく傾向が見られ、グレイン自体の表面積の増加率は高くなる。また、アニール時間が２分以上になると半球状グレイン６が形成されていない領域が増加する。半球状グレイン６が形成されにくくなるのは、アニールによる表面酸化の度合いが大きくなり、表面でのグレイン成長を妨げる為である。さらに、酸素分圧が異なる２つの条件下で２ステップ・アニールを行うことによって、半球状グレイン６の粒径をさらに均一に制御できる。
【００８８】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、いずれも成膜条件を共通とし（温度５７５℃，圧力１．０Ｔorr ，２０％ＳｉＨ4 ガス流量３００ｓｃｃｍ）、アニール条件のうちアニール温度も共通とし（５７５℃）、アニール条件の他の条件を変えた場合における半球状グレインのＳＥＭ写真である。図１０（ａ）は、成膜後すぐにＮ2雰囲気，１．０Ｔorr で３０min アニールした場合、同図（ｂ）は成膜後真空（約０．０１Ｔorr ）中で２min アニールした後連続して０．１４Ｔorr で１０分間アニールした場合、同図（ｃ）は、成膜後真空（約０．０１Ｔorr ）中で５min アニールした後連続してＮ2 雰囲気，１．０Ｔorr で、３０min アニールした場合の半球状グレインのＳＥＭ写真である。
【００８９】
なお、半球状グレイン６を形成した後の半導体微細柱２，絶縁層３，透明電極４等の形成を行うが、この工程は、基本的に上記実施例１とほぼ同様である。
【００９０】
本実施例３では、半球状グレイン６をアニールしてその粒径を小さくし、かつ形状をより半球状に近付けるように改良したので、シリコン基板１の表面付近の面内にほぼ均一に半径のそろった半導体微細柱２を形成することができた。そして、量子化領域となる半導体微細柱２の半径が均一になったことで、発光波長がより急峻になり、発光強度も大きくなる。
【００９１】
（実施例４）
次に、実施例４について説明する。図１２（ａ），（ｂ）は、実施例４における半球状グレインの形成手順を示す断面図である。
【００９２】
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン基板１の上面絶縁膜５の上に、グレインの結晶成長の核となる結晶成長核８を形成した。この結晶成長核８は、錫やロジウム等の金属で構成されている。その際、核形成には、上面絶縁膜５を堆積したシリコン基板１を、表面処理液に常温で１分間浸した後、水洗乾燥した。表面処理液には鍍金などで用いられる処理液を用いた。
【００９３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、この結晶成長核８を核として、上面絶縁膜５上にＬＰＣＶＤ法でシリコンの半球状グレイン６を成長させた。原料ガスとしてはＨe ベースの１５％Ｓi Ｈ4 を用い、ガス流量は１００ｃｃｍであった。堆積温度を５００〜７００℃、Ｓi Ｈ4 分圧は０．１〜０．４Torrである。この条件下で、選択的にシリコン粒状体６を結晶成長核８上に堆積させ、多数のシリコン粒状体６からなる第１点状マスクＭs1を形成した。
【００９４】
その後、実施例１の工程（図２（ｃ）〜（ｅ）参照）と同じ工程で、半球状グレイン，絶縁層，透明電極等の形成を行った。
【００９５】
図１３は、上記図１２（ａ）に示す表面処理を行った場合と行わなかった場合のグレインの粒度分布を比較する図である。表面処理をしない場合は、粒径分布の平均値が１１０オングストロームであり、最大粒径が２００オングストロームを超えるのに対して、表面処理をした場合は、粒径分布の平均値が６０オングストロームであり、最大粒径が１２０オングストローム以下であった。このように、グレインの形成に先立って結晶成長核８を形成するための表面処理を行うことで、半球状グレイン６の分布及び大きさが均一となり、面内に均一に半球状のグレインの分布が得られた。そして、量子化領域となる半導体微細柱２の半径及び分布が均一化されたことで、発光波長がより急峻になり、発光強度も面内で均一になり大きくなる。
【００９６】
このようにして形成したシリコン受光素子に対し、ｐ型シリコン基板１に負の電圧を印加し各半導体微細柱の先端側に接地電位としておき、高圧水銀ランプを光源として半導体微細柱の集合体（量子化領域）に光を照射した。その結果、光の照射によって、半導体微細柱をもつ量子化領域の抵抗値が変化し、受光素子として用いることができた。
【００９７】
（実施例５）
次に、実施例５について説明する。図１４は、実施例５に係る光半導体装置の断面図である。図１４では、光半導体装置の基本的な構成は、上記実施例１の図１に示す構造とほぼ同じであるが、本実施例では、シリコン基板１上の量子化領域Ｒqaの側方が絶縁分離層９によって他の領域と区画されている。この絶縁分離層９の深さは、半導体微細柱２の深さｈよりも深い。さらに、半導体微細柱２上の透明電極４とは別に、絶縁分離層９を貫通する側方電極１０が形成されている。この側方電極１０は、各半導体微細柱２の上部電極である透明電極４に対し下部電極として機能するシリコン基板１に接続されている。
【００９８】
以上のように構成された光半導体装置について、その動作を説明する。透明電極４と側方電極１０との間に電圧（例えば５０Volt程度）が印加されると、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２の先端と基端との間に電位差が生じ、実施例１と同様の量子サイズ効果により、室温において可視光のエレクトロルミネッセンスが発生する。本実施例５では、キャリア注入電圧を２５〜２００Voltに変化させることによって、赤、青、黄色、それぞれの発光に対応した可視光のエレクトロルミネッセンスが確認された。特に、本実施例５のように側方電極１０を設けることにより、光半導体装置の量子化領域Ｒqaと外部との間で信号の授受を行うことが容易となる。
【００９９】
（実施例６）
次に、実施例６について説明する。図１５は、実施例６に係る光半導体装置の断面図であって、基本的な構成は上記実施例５の図１４に示す構造とほぼ同じである。ただし、実施例６では、上記実施例５と異なり、ｎ型シリコン基板１が用いられ、このｎ型シリコン基板１の一部にｐウェル１１が形成されているとともに、ｐウェル１１の上方からシリコン基板１の表面に至る領域にはｎ型不純物がドープされている。そして、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２は、シリコン基板１をシリコン基板１の表面からｐウェル１１の内部に至る深さまでエッチングして形成されている。つまり、各半導体微細柱２の高さｈは、シリコン基板１のｐウェル１１とその上方との間のｐｎ接合部の深さよりも大きい。したがって、各半導体微細柱２の基端部付近はｐ型シリコンで構成され、各半導体微細柱２の基端部よりも上方の部分はｎ型シリコンで構成されており、半導体微細柱２の途中にｐｎ接合部２ａが形成されている。また、ｐウェル１１とシリコン基板１の本体部との間にもｐｎ接合が形成されているので、量子化領域Ｒqaはｎ型シリコン基板１と分離されている。そして、側方電極１０は、このｐウェル１１に接続するように構成されている。
【０１００】
本実施例６においても、透明電極４と側方電極１０との間に順方向に電圧５０Voltを印加すると、室温で可視光のエレクトロルミネッセンスが生じることが確認された。さらに、キャリア注入電圧を２５〜２００voltに変化させることによって、赤、青、黄色、それぞれの発光に対応した可視光のエレクトロルミネッセンスの発生が確認された。
【０１０１】
したがって、上記実施例６では、上記実施例５と同様の効果に加えて、下記の効果が得られる。すなわち、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaが、側方の絶縁分離層９によって他の領域と分離されているとともに、ｐウェル１１によってｎ型シリコン基板１に対しても分離されているので、絶縁分離層９に形成された側方電極１０と透明電極４との間に電圧を印加することで、シリコン基板上に多くの量子化領域を形成した場合にも、各量子化領域ごとに発光させることができる。また、各半導体微細柱２の中にｐｎ接合を形成しているので、各半導体微細柱２に効率良くキャリアを注入することができ、発光効率の高い光半導体装置を提供できる。
【０１０２】
（実施例７）
次に、実施例７について説明する。図１６は、実施例７に係る光半導体装置の断面図である。本実施例７における光半導体装置の基本的な構造は、上記実施例５の図１４に示す構造とほぼ同じであって、ｐ型シリコン基板１上に半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaが形成され、さらに量子化領域Ｒqa上の透明電極４と、量子化領域Ｒqaを取り囲む絶縁分離層９と、該絶縁分離層９を貫通したシリコン基板１に接続する側方電極１０とが形成されている。ただし、本実施例では、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaが単層ではなく、半導体微細柱２及びその周囲の隙間を埋める絶縁層３が混在してなる直線縞状量子化領域１２ａと、シリコン酸化膜からなる直線縞状分離層１３ａとが交互に配置された構造となっている。図１７（ａ）は、この両者の直線縞状構造の平面状態を概略的に示し、直線縞状量子化領域１２ａ（図中の暗部）と直線縞状分離層１３ａ（図中の白紙部）とが１次元フレネルレンズを構成するような間隔で交互に形成されている。
【０１０３】
また、図１７（ｂ）は別例を示し、リング状量子化領域１２ｂとリング状分離層１３ｂとを交互に配置させて２次元フレネルレンズを構成した場合の平面状態を示す。
【０１０４】
本実施例においても、透明電極４と側方電極１０との間に順方向に電圧を印加すると、室温において、可視光のエレクトロルミネッセンスが発生することが確認された。
【０１０５】
以上のように構成された光半導体装置では、領域１２ａ，１２ｂと隣接する分離層１３ａ，１３ｂとが交互に配置され、量子化領域Ｒqa全体がフレネルレンズとして機能する。したがって、別途集光装置は不要である。すなわち、図１７（ａ）に示す１次元フレネルレンズ又は図１７（ｂ）に示す２次元フレネルレンズを形成する量子化領域Ｒqaが発光すると、シリコン基板１の表面に対して垂直な方向に向かう光は線上あるいは点上に集光され、設計された領域に光を集めることができる。したがって、その焦点近傍に別途受光素子を配置しておくと、この光半導体装置から発光される光が受光素子に効率良く集光され、受光素子を介して信号又は光に変換された電力を遠隔地に送信することが可能となる。また、フォトルミネッセンスを行わせる波長変換素子や受光素子として使用する場合には、線状光源や点状光源からの光を量子化領域Ｒqa全体に照射することが可能となる。
【０１０６】
（実施例８）
次に、実施例８について説明する。図１８は実施例８に係る光半導体装置の断面構造を示し、基本的には、上記実施例７の図１５に示す光半導体装置の構造とほぼ同じである。すなわち、ｐｎ接合部２ａを有する半導体微細柱２及び絶縁層３の集合体からなる量子化領域Ｒqaと、量子化領域Ｒqaの上の透明電極４と、量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱２の基端を支持し、ｎ型シリコン基板１と電気的に絶縁されたｐウェル１１と、量子化領域Ｒqaを取り囲む絶縁分離層９と、該絶縁分離層９を貫通してｐウェル１１に接続する側方電極１０とが配置されている。
【０１０７】
本実施例では、図は省略するが、上記量子化領域Ｒqaの製造工程において、シリコン基板１にｐウェル１１を形成し、さらにその情報をｎ領域にして、上記実施例１で述べたような第１又は第２点状マスクを用いて半導体基板１をｐウェル１１に達する深さまでエッチングする。この製造工程により、半導体微細柱２にｐｎ接合部２ａが形成される。
【０１０８】
また、本実施例８では、上記側方電極１０は量子化領域Ｒqaの側方２か所に設けられ、この２つの側方電極１０間を接続する回路１７に高周波電圧を印加するための高周波電源１４が介設されている。また、上記回路１７と透明電極４とを接続する回路１８には、回路１８を開閉するためのスイッチ１５と、直流電源１６とが直列に接続されている。
【０１０９】
以上のように構成されたシリコン発光素子について、その動作を説明する。
【０１１０】
図１９に示すように、シリコンの結晶に高周波電力が印加されると、高い周波数で変化する電場にシリコンの結晶格子内の電子（黒丸で示す部分）が励起され、ある程度周期的な運動を行う。本実施例の場合、半導体微細柱２近傍の絶縁分離層９に形成された２つの側方電極１０，１０に、高周波電源１４が接続されているので、ｐ型シリコン基板１に高周波電力によって励起された電子が蓄積される。この蓄積された電子は、透明電極４を介して印加された順方向電圧によって、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２に導かれ、各半導体微細柱２内のｐｎ接合部２ａを通して多量の電子が注入される。この注入によって、量子化領域Ｒqaの発光強度は増大する。透明電極４には電圧１００Voltを印加した。この場合も、室温において、可視光のエレクトロルミネッセンスが確認された。
【０１１１】
以上のように、本実施例８では、ｐ型シリコン基板１に高周波電力を印加することによって励起された電子を、量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２に導き、ｐｎ接合部２ａを通して多量の電子を注入し、量子化領域Ｒqaを強く発光させ、透明電極４に与えられる弱い信号に対しても効率良く発光させることができる。
【０１１２】
なお、上記実施例８では、量子化領域Ｒqaの側方に２つの側方電極１０を形成したが、量子化領域Ｒqaを取り囲む３つ以上の側方電極１０を設け、この側方電極に同一周波数の高周波電力をその位相が昇順又は降順に変化するように印加することにより量子化領域Ｒqaに回転磁場を発生させてもよい。その場合、より高い発光効率を得ることができる。
【０１１３】
（実施例９）
次に、実施例９について説明する。図２０は、実施例９に係る光半導体装置の断面構造の一部を示す。本実施例では、シリコン基板１の上に、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaと、ｐ領域２０ａ及びｎ領域２０ｂからなるフォトダイオード２０とが搭載されている。また、上記フォトダイオード２０及び量子化領域Ｒqaの上には、共通の透明電極４が設けられている。そして、上記透明電極４とシリコン基板１との間に所定の電圧を印加するための駆動回路部２１が設けられている。すなわち、駆動回路部２１を介してフォトダイオード２０に一定のバイアスが印加された状態で、フォトダイオード２０に光信号Ｓgo0 が入力されると、フォトダイオード２０に起電力が生じ、駆動回路２１により例えば１５Ｖに昇圧され、第１電気信号Ｓge1 として量子化領域Ｒqa内の各半導体微細柱２に印加される。その結果、各半導体微細柱２が発光して第２光信号Ｓgo2 として出力される。各半導体微細柱２の製造仕様を変更することで、この時の発光波長は、変化させることができる。
【０１１４】
次に、図２１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、上記図２０の構造を少し変形させた構造を有する光半導体装置の製造工程について説明する。まず、図２１（ａ）に示すように、シリコンで構成されるシリコン基板１上のある部分に、半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaを形成する。次に、図２１（ｂ）に示すように、上記量子化領域Ｒqaとは異なる領域が開口されたフォトレジストマスク２５を用いて、シリコン基板１内にＡｓ+ イオンを注入することで、ｎ領域２４ａを深く形成し、続けてＢ+ イオンを注入してｐ領域２４ｂを浅く形成する。その際、Ａｓ+ イオンとＢ+ イオンとのいずれもがほとんど注入されない中間部が真性領域２４ｃとなり、ｐ領域２４ａ，ｎ領域２４ｂ及び真性領域２４ｃからなるいわゆるＰＩＮ構造のフォトダイオード２４が形成される。なお、フォトダイオード２４を形成しようとする部分のシリコン基板を予め深く掘り込んでおき、各領域２４ａ，２４ｃ，２４ｂを順次エピタキシャル成長させることにより、フォトダイオード２４を形成してもよい。その後、図２１（ｃ）に示すように、シリコン基板１の上に光を透過する伝導体配線２５（例えばＡｕからなる）を形成し、さらに駆動回路２１を形成する。
【０１１５】
図２１（ｃ）に示す光半導体装置では、ある波長の光信号Ｓgo0 をフォトダイオード２４で受けて、量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱２から第２光信号Ｓgo2を出力するように構成することができる。この第２光信号Ｓgo2 の波長は構造や製造方法により変化させることができる。このような光半導体装置が、シリコンプロセスにより製造できるので、微小なチップ内に収納することができ、光通信等への応用が可能となる。
【０１１６】
なお、上記実施例における光半導体装置の構成に加え、量子化領域Ｒqaから出力される第２光信号Ｓgo2 を電気信号に変換する回路を設けることで、信号経路において伝達情報を光で変調する機能を有するデバイスを作成することもできる。
【０１１７】
（実施例１０）
次に、半導体微細柱の集合体を用いて応力センサを構成した実施例１０について説明する。図２２は、実施例１０における応力センサの構造及び作動原理を示す。すなわち、本実施例では、シリコン基板１上に半導体微細柱２の集合体からなる量子化領域Ｒqaと、透明電極４とが形成されている。また、光半導体装置には、さらに、量子化領域Ｒqaに透明電極４を介して電圧を印加するための駆動回路２８が配設されている。
【０１１８】
ここで、図２２の各丸で囲んだ箇所は、各半導体微細柱２に加わる応力状態の変化に対する半導体微細柱２の形状の変化を示す。前述のように、半導体微細柱２の両端に電圧が印加されると、量子閉じ込め効果により、半導体微細柱２内でバンドギャップワイドニングが生じ、可視部におけるエレクトロルミネッセンスが観測される。このバンドギャップワイドニング量ΔＥは、一般に半導体微細柱２の径に反比例することが知られている。したがって、外部から印加される力によって、１０ｎｍ程度である半導体微細柱２の径ｄが変化すると、１／ΔＥに反比例する発光波長λも変化する。例えば、半導体微細柱２に圧縮応力が作用すると、半導体微細柱２の径ｄはポアソン比に応じて増大し、発光波長λは長波長側にシフトする。また、半導体微細柱２に引張応力が作用すると、半導体微細柱２の径ｄがポアソン比に応じて減少し、発光波長λは短波長側にシフトする。
【０１１９】
図２３（ａ）は、半導体微細柱の集合体を利用した応力センサの構造例を示し、上記図２２に示す基本的な構造に加え、外部からの力を量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱に伝達するための透明プローブ２９ａ，２９ｂをシリコン基板１の上下に配設している。図２３（ｂ）は、量子化領域Ｒqaから出力される第２光信号Ｓgo2 の発光スペクトルを示し、中心波長６３０ｎｍに対し、１Ｐａの圧縮，引張りに応じ、それぞれ短波長，長波長側に中心発光波長が約１０ｎｍシフトしているのが観察された。特に、応力を検知するためのプローブ２９ａ，２９ｂを外部の力を検知しようとする対象物に接続し、プローブ２９ａ，２９ｂ及び透明電極４を応力伝達手段とすることで、応力を感度よく光に表示することができる。本実施例においても、光半導体装置をシリコンプロセスを用いて容易に製造することができる。
【０１２０】
また、後述の実施例のごとく、本実施例における量子化領域Ｒqaからの第２光信号Ｓgo2 をさらに受光素子により検知して、電気信号に変換するようにしてもよい。
【０１２１】
（実施例１１）
次に、実施例１１について説明する。図２４は、実施例１１における半導体装置の全体構成を示し、高機能のポケットコンピュータとして使用可能なものである。半導体チップ５０の上には、半導体チップ５０上の各回路に関する信号の処理を行う中央処理回路５１と、メモリ５２と、電気入出力回路５３と、光信号を集光機構を介して受ける受光部５４と、光信号を出力する第１発光部５５と、半導体チップ５０上の画素を通して信号を表示する第２発光部５６と、音波の入出力を行う音波センサ部５７及び音波出力部５８と、ＴＦＴ液晶パネルからなる表示パネルを駆動するための駆動回路５９と、外部からの光信号を電気信号に変換し半導体チップ５０内の各部回路に電源として供給する電源供給部６０とが配設されている。そして、上記メモリ５２，電気入出力回路５３，受光部５４，各発光部５５，５６，音波センサ部５７，音波出力部５８，表示パネル駆動回路５９等の各部は中央処理回路５１と信号線を介して接続されている。
【０１２２】
ここで、上記各部のうち中央処理回路５１，メモリ５２，電気入出力回路３等は従来のシリコン集積回路と同様のＭＯＳトランジスタ構造を有する。また、受光部５４は一般的なフォトトランジスタ構造を有する。
【０１２３】
それに対し、第１発光部５５及び第２発光部５６は、上記実施例１等と同様の半導体微細柱の集合体からなる量子化領域により構成されている。
【０１２４】
図２５（ａ）〜（ｄ）は、本実施例における半導体微細柱の集合体を形成する工程を示し、各図の左側は断面図、右側は平面図である。まず、図２５（ａ）に示すように、シリコン基板１の上にフォトレジスト膜Ｆrsを形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、２光束に分けたＦ２真空紫外線レーザ光を重ねて斜めから入射させ、干渉縞を露光して現像する。すると、１回目の露光によって、図２５（ｂ）の右側に示すように、フォトレジスト膜Ｆrsのうち干渉縞の露光強度の高い部分が除去されてなる縞模様のマスクパターンが形成される。そして、図は省略するが、図２５（ｂ）に示すシリコン基板１を９０度回転させた位置で、同じ２光束のレーザ光を入射することで、最終的に数ｎｍ角の第１点状マスクＭs1が得られる。レーザ光の干渉縞を形成する際、波長と入射角度により決まる所定ピッチの縞が形成されるので、点状マスクＭs1の大きさを任意に調整し得る。次に、図２５（ｃ）に示すように、第１点状マスクＭs1を用いてシリコン基板１を０．５〜数μｍの深さまでエッチングし、半導体微細柱２の集合体を形成する。エッチング条件は上記第１実施例と同様である。その後、フォトレジスト膜Ｆrsを除去した後、半導体微細柱２の側方を側部を熱酸化して絶縁層３で埋め、平坦化する。さらに、図２５（ｄ）に示すように、平坦化された各半導体微細柱２の上端部の酸化層を除去した後、量子化領域Ｒqaの上に透明電極４を形成する。
【０１２５】
なお、フォトレジスト膜Ｆrsをパターニングして点状マスクＭs1を形成するには、本実施例のごとく、干渉縞を形成するほか原子間力顕微鏡のカンチレバーの探針を所定の押圧力で押付けた状態でシリコン基板を水平方向に移動して、プリべーキングされたフォトレジスト膜に縦横多数の凹状溝を形成し、残存する点状の部分を点状マスクとしてもよい。また、フォトレジスト膜をパターニングして点状マスクを形成する場合、上記実施例１のごとく、シリコン基板１の上に酸化膜を形成した後、フォトレジスト膜の第１点状マスクを用いて酸化膜を点状にパターニングし、これを第２点状マスクとして半導体をエッチングするようにしてもよい。
【０１２６】
次に、図２６は本実施例に係る半導体チップ５０の平面図であって、半導体チップ５０上にはマトリクス状に配置された多くの量子化領域Ｒqa（半導体微細柱の集合体）からなる第２発光部５６が搭載されている。つまり、第２発光部５６の各量子化領域Ｒqaが信号に応じて、所定パターンを表示するようにオン・オフすることで、例えば半導体チップ５０上の回路の良否判定等を表示するようにしている。
【０１２７】
一方、第１発光部５５が出力する光信号は、光ファイバーを介して外部に伝達される。図２７は、第１発光部５５の部分の断面構造を示し、半導体微細柱の集合体からなる量子化領域Ｒqaの上に透明電極４が形成されているとともに、さらに透明電極４の上にフィルタ６２を介して集光機構である凸レンズ６１が載置されている。そして、凸レンズ６１で集光された第２光信号Ｓgo2 が光ファイバー（図示せず）を介して外部に出力される。このフィルタ６２は、透明な屈折率の異なる薄膜を複数層重ねて多重干渉を生ぜしめたバンドパスフィルタである。このフィルタ６２は必ずしも必要でないが、比較的長距離の信号伝搬が必要な場合、光のバンドを狭めることで信号の減衰を抑制し得るので、第１発光部５５の量子化領域Ｒqaの上にはフィルタを設けることが好ましい。そして、凸レンズ等の集光機構を付設することで、光ファイバーとの結合状態が良好になる。なお、光ファイバーは半導体チップ５０の表面にほぼ垂直に設置されている。
【０１２８】
表示パネル駆動回路５９は、通常のＭＯＳ集積回路で構成されており、大面積の表示機能が必要な場合に液晶表示装置（ＬＣＤ）を使用するためのものである。
【０１２９】
上記音波センサ部５７は、図２８（ａ），（ｂ）に示すように、４点で支持された薄いダイアフラム６３を半導体チップ５０上に形成しておき、音波を受けて生じるダイアフラム６３の変位量がブリッジの抵抗の変化量と比例する現象（ピエゾ抵抗効果）を用いて音波を電気信号に変換している。ピエゾ抵抗効果素子は応力センサとして開発が進められており、本実施例はこの技術を応用したものである。ただし、コンデンサマイクロフォンのように電極と基板との間の静電容量の変化量を検知し音波を検出することもできる。
【０１３０】
上記音波出力部５８は、図２９に示すように、片持梁状のダイアフラム６４を備え、音声信号を受けて発生する静電気力により、ダイアフラム６４を振動させて、音波を発生させるように構成されている。ただし、このような構造の部材の代わりに、音声信号で外部の小電力のスピーカーを駆動するようにしてもよい。
【０１３１】
上記電源供給部６０は、外部からの光を電気エネルギーに変換し、半導体チップ５０内の各部の回路に供給する回路であり、光を受けて電流信号に変換するフォトダイオードと、この電流信号を受けて３〜５Ｖ程度の定電圧を生ぜしめる定電圧回路とにより構成されている（図面は省略する）。電源の供給が光ではなくミリ波やマイクロ波等の電磁波である場合には、アンテナとダイオードとからなる検波回路と定電圧回路とをこれに変えて使用することができる。
【０１３２】
本実施例のごとく、光を用いて信号を入力し、また光により電力を供給することにより、ワイヤレスで半導体装置を機能させることができる。また、信号や電力を入力するための配線をなくすことで、寄生インピーダンスに起因して生じる信号の遅延を最小限にすることができる。１チップでこのような多種の機能を実現し得るので、携帯用コンピュータ等の小型化に大きな役割を果たすことができる。また、音波による信号の入力や出力の機能を持たせることで、音声記憶や電話回線を介する信号の授受等、コンピュータのヒューマンインターフェースの高度化に役立つ。さらに、半導体装置の製造工程においても、ワイヤの接続の工程の一部が不要となり、製造コストの低減、歩留まりの向上を図ることができる。さらに、発光表示機能と自己検査機能とを併用すれば、不良品だけを表示機能により容易に選別することができ、検査費用及び検査時間の低減を図ることができる。
【０１３３】
（実施例１２）
次に、実施例１２について説明する。図３０（ａ）〜（ｄ）は、受光素子，発光素子を集積回路内に組み込んだ光半導体装置の製造工程を示す。まず、図３０（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１ａ上に、ｎ型ソース７１，ｎ型ドレイン７２，ゲート酸化膜７３，ゲート電極７４及び層間絶縁膜７５からなるＭＯＳＦＥＴ７０を形成する。次に、図３０（ｂ）に示すように、上記ＭＯＳＦＥＴ７０の形成領域に隣接する層間絶縁膜７５の開口領域に、上記実施例１等の工程により、半導体微細柱の集合体からなり発光素子として機能する量子化領域Ｒqaを形成する。そして、図３０（ｃ）に示すように、各量子化領域の部分を開口する絶縁膜７６を形成し、量子化領域Ｒqaを覆いさらに上記絶縁膜７６の一部まで覆うようにＩＴＯからなる透明電極４を形成する。その後、ドレイン７２と透明電極４とを電気的に接続する金属配線７７を形成する。そして、図３０（ｄ）に示すように、金属，ポリシリコン等からなる配線７７や透明電極４の上に量子化領域Ｒqaの上を開口した基板間絶縁膜７８を形成し、表面を平坦化する。
【０１３４】
一方、図面は省略するが、別のシリコン基板１ｂに、上記図３０（ａ）〜（ｄ）に示す工程における量子化領域Ｒqaの代りに、ｐ領域及びｎ領域からなり受光素子として機能するフォトダイオード７９を形成し、このフォトダイオード７９の上に透明電極４を付設して、さらにフォトダイオード７９の上方を開口した基板間絶縁膜７８を形成する。
【０１３５】
図３１は、上記２つのシリコン基板１ａ，１ｂを、量子化領域Ｒqaとフォトダイオード７９とが対向するように、基板間絶縁膜７８を介して張合わせてなる光半導体装置の断面構造を示す。下側の論理回路の出力電極であるＭＯＳＦＥＴ７０のドレイン７２は厚さ０．１μｍの半導体微細柱の集合体からなる量子化領域Ｒqaに透明電極４とを介して接続されている。そして、出力電極であるドレイン７２の電位が２Ｖに上昇すると、第１電気信号Ｓge1 が出力され、配線７７を介して量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱に０．２ＭＶ／ｃｍ程度の電界が印加される。この第１電気信号Ｓge1 を受けて、各半導体微細柱が発光し、量子化領域Ｒqaから第２光信号Ｓgo2 が出力される。そして、透明電極４を透過した第２光信号Ｓgo2 が、フォトダイオード７９に入力されると、フォトダイオード７９から第３電気信号Ｓge3 が出力される。そして、この第３電気信号Ｓge3 は、金属配線７７を介して側方のＭＯＳＦＥＴ７０のドレインに入力される。その後の信号処理は、通常の集積回路と同様に行われる。
【０１３６】
したがって、本実施例では、集積回路上に形成した受光素子により出力信号が電気信号から光信号に変換された後、再び電気信号に変換されるという光複合素子を組み込んだ光半導体装置が得られることになる。
【０１３７】
（実施例１３）
次に、実施例１３について説明する。図３２（ａ）〜（ｄ）は、溝部を介して発光素子，受光素子を相対向させた構造を有する光半導体装置の製造工程を示す。まず、図３２（ａ）に示すように、シリコン基板１の相隣接する２つの領域に、半導体微細柱の集合体からなり発光素子として機能する量子化領域Ｒqaと、ｐ領域及びｎ領域からなり受光素子として機能するフォトダイオード７９とを形成する。次に、図３２（ｂ）に示すように、量子化領域Ｒqaとフォトダイオード７９との上に、層間絶縁膜７５やポリシリコンからなる配線７７を形成する。なお、この場合には、量子化領域Ｒqa及びフォトダイオード７９の上に透明電極は形成する必要がない。次に、図３２（ｃ）に示すように、シリコン基板１の量子化領域Ｒqa及びフォトダイオード７９の一部を含む両者間の領域をエッチングして、溝部８０を形成する。
【０１３８】
図３２（ｄ）は、光半導体装置の仕上り状態における断面構造を示す。同図に示すように、発光素子として機能する量子化領域Ｒqaと、受光素子として機能するフォトダイオード７９との側部が露出している。言い換えると、量子化領域Ｒqaとフォトダイオード７９とが溝部８０の側壁に形成され、両者が相対向している。そして、上記実施例１の図１に示すように、量子化領域Ｒqaの各半導体微細柱２の周囲は透明なシリコン酸化膜からなる絶縁層３が形成されているので、量子化領域Ｒqaからの発光がその側方からも観察可能な状態となっている。したがって、本実施例では、第１電気信号Ｓge1 が配線７７を介して量子化領域Ｒqaに入力されると、量子化領域Ｒqaから第２光信号Ｓgo2 が出力され、さらにフォトダイオード７９で第３電気信号Ｓge3 に変換される。特に、本実施例では、２つの基板を張合わせる必要がなく、２次元集積回路で実施例１２の３次元集積回路構造と同様の機能を発揮することができる。しかも、位置合わせの問題もないので、製造上も極めて容易に光複合素子を搭載し得る。
【０１３９】
以上の各実施例では、半導体基板としてシリコンの単結晶基板を用いたが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、例えばゲルマニウム等の単一元素からなる半導体や、Ｇa Ａs ，Ｇa Ｐ，Ｇa Ｎ，Ｉn Ｐ等のII−Ｖ族化合物半導体にも適用しうる。特に、Ｇa Ａs 等の直接遷移型のバンド構造を有する物質の半導体微細柱を形成すると、量子サイズ効果によって発光強度が高くなるとともに、特性のよいレーザー光が容易に得られることができる利点がある。また、必ずしも単結晶体である必要はなく、例えばアモルファスシリコンの微細柱の集合体を利用して効率の高い光電変換を行わせることで、高効率の太陽電池等を構成することも可能である。
【０１４０】
また、上記各実施例では、シリコン基板１の上に直接半導体微細柱２の集合体を形成したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、シリコン基板上に絶縁膜を介して半導体微細柱の集合体を形成してもよい。すなわち、いわゆるＳＯＩ構造とすることもできる。
【０１４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は２の発明によれば、半導体装置の構成として、半導体基板と半導体微細柱の集合体からなる量子化領域とを設けたので、半導体装置を光変換素子、具体的には発光素子，波長変換素子又は受光素子等、更に具体的には力−光変換素子として機能させることができる。
【０１４２】
請求項３の発明によれば、量子化領域の作動を確実に維持し、半導体装置を受光素子，発光素子等とする際の電気信号の授受を円滑とし、発光強度の向上を図ることができる。
【０１４３】
請求項４の発明によれば、半導体微細柱の集合体の形成方法として、第１点状マスクを形成し、第１点状マスクを用いて半導体基板を所定深さまでエッチングするようにしたので、高い量子サイズ効果による受光や発光を生じる半導体微細柱の集合体を容易に形成することができると共に、ＣＶＤ技術を利用してマスクを形成することができ、径方向の寸法の揃った微細な半導体微細柱の集合体を容易に形成することができる。
【０１４４】
請求項５の発明によれば、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さの均一化を図ることができる。
【０１４５】
請求項６の発明によれば、半導体微細柱の集合体が形成された後、点状マスクを除去するようにしたので、その後の工程を円滑に進めることができる。
【０１４６】
請求項７又は８の発明によれば、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さの均一化を図ることができる。
【０１４７】
請求項９、１０又は１１の発明によれば、各グレインの分離性及び形状の改善を図ることができる。
【０１４８】
請求項１２の発明によれば、半導体デバイスの製造プロセスとの互換性を図りつつ、受光素子，発光素子，波長変換素子等として特性の良好な半導体装置を得ることができる。
【０１４９】
また、径方向の寸法の揃った微細な半導体微細柱の集合体を容易に形成することができる。
【０１５０】
請求項１３の発明によれば、半導体微細柱の集合体中の各半導体微細柱の径や深さの均一化を図ることができる。
【０１５１】
請求項１４又は１５の発明によれば、径方向の寸法の揃った微細な半導体微細柱の集合体を容易に形成することができる。
【０１５２】
請求項１６、１７又は１８の発明によれば、各グレインの分離性及び形状の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１に係る光半導体素子の断面図である。
【図２】 実施例１における光半導体素子の製造工程中における構造の変化を示す断面図である。
【図３】 実施例１において堆積温度とＳi Ｈ4 分圧とを変化させた場合の半球状グレインの形状変化を示す図である。
【図４】 実施例１の製造方法によるアモルファス領域，＜３１１＞配向領域のグレインを用いて作成された半導体微細柱の集合体，及び従来の陽極化成法による多孔質シリコンの構造を示す横断面図である。
【図５】 量子化領域への印加電圧に対する電流の変化特性を示す図である。
【図６】 量子化領域の発光の強度の電流依存性を示す図である。
【図７】 量子化領域の発光の波長の電圧依存性を示す図である。
【図８】 実施例２に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図９】 実施例２において堆積温度とＳi Ｈ4 分圧とを変化させた場合の半球状グレインの形状変化を示す図である。
【図１０】 アニール条件を変化させた場合の半球状グレインの形状を示すＳＥＭ写真である。
【図１１】 実施例３における半球状グレインのアニール時間と粒径、粒密度との関係を示す図である。
【図１２】 実施例４におけるグレインの形成工程における状態の変化を示す断面図である。
【図１３】 実施例４における表面処理の有無によるグレインの粒径の分布の相違を示す図である。
【図１４】 実施例５に係る光半導体装置の断面図である。
【図１５】 実施例６に係る光半導体装置の断面図である。
【図１６】 実施例７に係る光半導体装置の断面図である。
【図１７】 １次元及び２次元フレネルレンズの平面構造を模式的に示す図である。
【図１８】 実施例８に係る光半導体装置の断面図である。
【図１９】 高周波電力を印加されたシリコンの結晶格子内における電子の運動状態を説明する図である。
【図２０】 実施例９に係る半導体装置の断面図である。
【図２１】 実施例９の半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図２２】 実施例１０に係る量子化領域を利用した応力センサの原理を説明するための断面図である。
【図２３】 実施例１０の応力センサの断面構造と、応力センサからの出力光の波長の応力に対する変化とを示す図である。
【図２４】 実施例１０に係る半導体装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２５】 実施例１１に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図及び平面図である。
【図２６】 実施例１１に係る表示装置の平面図である。
【図２７】 実施例１１に係る半導体装置の第１発光部の部分の断面図である。
【図２８】 実施例１１に係る半導体装置中の音波センサ部の構造を示す断面図及び平面図である。
【図２９】 実施例１１に係る半導体装置中の音波出力部の構成を示す断面図である。
【図３０】 実施例１２に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図３１】 実施例１２に係る半導体装置の断面図である。
【図３２】 実施例１３に係る半導体装置の製造工程における構造の変化を示す断面図である。
【図３３】 従来の陽極化成によって形成した多孔質シリコンの断面図である。
【図３４】 従来提唱されている３次元集積回路システムの一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ 半導体微細柱
３ 絶縁層
４ 透明電極
５ 上面絶縁膜
６ 半球状グレイン
８ 結晶成長核
９ 絶縁分離層
１０ 基板側電極
１１ ｐウェル
１２ 帯状活性層
１３ 帯状分離層
１４ 高周波電源
１５ スイッチ
１６ 直流電源
１７ ，１８ 回路
Ｒqa 量子化領域
Ｍs1 第１点状マスク
Ａs2 第２点状マスク
Claims (18)
- 半導体基板と、
上記半導体基板の表面から所定深さまで延び、径方向の寸法が量子サイズ効果を生じる程度に微細な半導体微細柱の集合体からなる量子化領域と、
上記量子化領域の上に設けられた、上記各半導体微細柱の上端部と電気的に接続される上部電極とを備え、
上記半導体基板の上記各半導体微細柱の下端部に接触する部分が下部電極として機能し、
上記上部電極と下部電極とを介して上記量子化領域に所定の第１電気信号を入力させる電気信号入力手段と、
上記活性領域内の各半導体微細柱に軸方向の応力を生ぜしめる応力発生手段とを更に備え、
上記量子化領域は、上記第１電気信号を受けて、上記各半導体微細柱の応力に応じた波長を有する第２光信号を生成することを特徴とする半導体装置。 - 請求項１記載の半導体装置において、
上記応力発生手段は、上記上部電極と、上部電極に連結され外部からの機械的力を伝達するプローブとで構成されていることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板と、
上記半導体基板の表面から所定深さまで延び、径方向の寸法が量子サイズ効果を生じる程度に微細な半導体微細柱の集合体からなる量子化領域と、
上記半導体基板の量子化領域の側方に設けられ、上記量子化領域を他の領域から分離するように取り囲む絶縁分離層と、
上記絶縁分離層を貫通して上記半導体基板の下部電極に接続する側方電極とを備え、
上記側方電極は、量子化領域を取り囲むように複数個設けられており、
上記各側方電極に同一周波数の高周波電力をその位相が順次変化するように印加する高周波電力印加手段を更に備えたことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、
上記第１点状マスクを用いて、上記半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱を形成する工程とを備え、
上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として堆積するように形成することを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 半導体基板の上に、絶縁膜を堆積する工程と、
上記絶縁膜の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、
上記第１点状マスクを用いて、上記絶縁膜をパターニングし、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状絶縁膜からなる第２点状マスクを形成する工程と、
上記第２点状マスクを用いて半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱を形成する工程とを備え、
上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として堆積するように形成することを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 請求項４又は５記載の半導体微細柱の集合体の製造方法において、
上記半導体微細柱の集合体を形成する工程の後に、上記点状マスクを除去する工程を含むことを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 請求項４〜６のいずれか１つに記載の半導体微細柱の集合体の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレイン成長の核となる金属の種を粒状体として形成することを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 請求項４〜６のいずれか１つに記載の半導体微細柱の集合体の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、金属の種を形成し、この核の周囲に半導体物質のグレインを粒状体として成長させることを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 請求項４〜６のいずれか１つに記載の半導体微細柱の集合体の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶からなるグレインを粒状体として形成することを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 請求項４〜６のいずれか１つに記載の半導体微細柱の集合体の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、アモルファスシリコンからなるグレインを粒状体として形成することを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 請求項４〜１０のいずれか１つに記載の半導体微細柱の集合体の製造方法において、
上記第１点状マスクの形成工程の後に、上記粒状体を少なくとも１回アニールして、被着体との界面の面積を縮小させる工程を含むことを特徴とする半導体微細柱の集合体の製造方法。 - 半導体基板の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に多数の微小な点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、
上記第１点状マスクを用いて、上記半導体基板を表面から所定深さまでエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ半導体微細柱の集合体を形成する工程と、
上記第１点状マスクを除去する工程と、
上記各半導体微細柱の先端上に、各半導体微細柱と電気的に接続する上部電極を形成する工程とを備え、
上記第１第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の上に、絶縁膜を堆積する工程と、
上記絶縁膜の上に、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状領域を覆う第１点状マスクを形成する工程と、
上記第１点状マスクを用いて、上記絶縁膜をパターニングし、径方向の寸法が上記半導体の量子サイズ効果を生じる寸法に対応する程度に微小な多数の点状絶縁膜からなる第２点状マスクを形成する工程と、
上記第２点状マスクを用いて半導体基板をエッチングして、軸方向が互いにほぼ平行となるように並ぶ多数の半導体微細柱の集合体を形成する工程と、
少なくとも上記第１点状マスクを除去する工程と、
上記各半導体微細柱の先端上に、各半導体微細柱と電気的に接続する上部電極を形成する工程とを備え、
上記第１第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレインを粒状体として形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１２又は１３記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、半導体物質のグレイン成長の核となる金属の種を粒状体として形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１２又は１３記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、金属の種を形成し、この核の周囲に半導体物質のグレインを粒状体として成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１２又は１３記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、＜３１１＞配向をもつシリコン結晶からなるグレインを粒状体として形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１２又は１３記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１点状マスクを形成する工程では、アモルファスシリコンからなるグレインを粒状体として形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１２〜１７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記第１点状マスクの形成工程の後に、上記グレインを少なくとも１回アニールして、被着体との界面の面積を縮小させる工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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