JPH04118916A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、量子効果を利用した、半導体量子細線や量子
細線を用いたデバイス並びに針状の電子放出材料を用い
た。真空電子デバイス等の半導体装置及びその製造方法
に関する。

〔従来の技術〕

従来の量子細線は「応用電子物性分科会　研究報告Ｎα
４２５　第１１頁から第１６頁　昭和６３年９月１６日
応用物理学会刊行」に開示されている。

上記量子物細線について第２図を用いて説明する。第２
図は、ＧａＡｓ量子細線の断面構造の模式図である。第
２図かられかる様にＧａＡｓ量子細線は、ＧａＡｓ２２
，２５、およびＡＱＧａＡｓ２３．２４から成る複数の
結晶層の内部に形成されている。

この量子細線は、ＧａＡｓとＡ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓの
ヘテロ接合を利用した２次元電子ガス領域周辺部をＳｉ
の集束イオンビーム注入により高抵抗化することによっ
て形成される。第２図で、２７で示した２次元電子ガス
領域のうち、２６の集束イオンビーム注入部に含まれな
い微小幅Ｗ＝１μｍ程度の領域が量子細線である。

他方、「アプライド　フイジクス　レター５１巻、第１
５１８頁から第１５２０頁、　１９８７年。

（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、　ＶｏＱ、５１　（
１９８−７）ｐ　ｐ１５１８−１５２０）ｊにおいては
、選択成長を利用して、ＧａＡｓ量子細線を形成する方
法が開示されている。第３図は、上記ＧａＡｓ量子細線
の断面構造の模式図である。第３図に示される様にＧａ
Ａｓ量子細線は、ＧａＡｓ３３とＡ　Ｑ　ＧａＡｓ３４
．３５の複数層から成る構造の内部に形成される。

上記量子細線においては、ＧａＡｓとＡ　Ｑ　ＧａＡｓ
を基板上に１選択成長することによって、２次元電子ガ
ス領域３６を形成する。この時、選択成長部の幅りを１
μｍ程度にすれば、ノンドープＧａＡｓ３３の高さＨを
小さくすることができ、従って、２次元電子ガス３６の
領域を縮小できるので、これが量子細線となる。

また、従来の半導体真空素子は「応用物理　第５９巻　
第２号　第１６４頁から第１６９頁１９９０年　応用物
理学会刊行」において述べられている。

第１４図に上記Ｓｊ頁空電子素子の断面構造図を模式的
に示す。Ｓｉの（１００）面基板１００上に、異方性ウ
ェットエツチングを利用して形成したＳｌのエミッタ１
０１．エミッタの周囲に設けられた絶縁物１０２．ゲー
ト１０３、およびアノード１０４から成る構成で、３極
真空管と同じ原理の素子動作をする。ここで、エミッタ
１０１より放出された電子はアノードに到達するまでの
真空中を走行すると、原理的には、アノードとエミッタ
間の距離と印加電圧により、半導体中における電子の走
行速度より速いものができる。例えば、１μｍの間隔で
平行に置かれた２枚の平板電極に５０Ｖの電位差を与え
ると、電子は２Ｘ１０”ｃｍ／秒の平均速度で走り、そ
の走行時間は０．５ピコ秒となる。従って、ミクロン程
度の寸法を持つ素子で、テラヘルツ程度の超高速素子を
実現できる。このような超高速素子は半導体材料中を電
子が走行する従来のＦＥＴや、ペテロ接合バイポーラト
ランジスタ（ＨＢＴ）においては実現不可能である。こ
れは、半導体材料中における電子の走行速度が飽和速度
で決まり、大まかに２Ｘ１０’ＣＩＩＩ／秒程度の値を
越えないことによるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術により形成される量子細線は、その周囲が
空気よりも誘電率の大きい媒質に囲まれており、空気ま
たは空気と等しい誘電率を有する媒質中には形成するこ
とができない。また、１つの量子細線中に複数の導電型
領域を形成できない。

具体的には、従来技術により形成される量子細線は、第
９図（ａ）に示した如く、量子細線と周りのバリアとの
電子に対するポテンシャル差が有限の大きさとなり、典
型的には１ｅＶ以下である。

このため、電子の細線中へ閉じ込め効果が小さく、たと
えば室温のような高温では量子閉じ込め効果が発現でき
なかった。このことは、たとえば、レーザー発振の媒質
としてこのような量子細線を用いたとき、有効な特性が
発揮されないという欠点があった。すなわち、発振光の
スペクトル幅の増加等、応用上重要な特性の劣化を引き
起こすという問題があった。

また、前述の半導体真空素子で重要な点は、エミッタ電
極における電子の放射効率を上げることである。そのた
めには、エミッタ部先端の角度Ｏをできるかぎり小さく
する必要がある。

しかしながら従来の素子では、ウェットエツチングによ
りエミッタを形成しているため、θがほぼ一意的に決ま
り、先端を鋭利な角度１０’以下にできない。また、エ
ツチングの手法として、上述したウェットエツチングの
他に、ドライエツチングもあるが、この方法では、結晶
にダメージが残留し、安定な電子放出動作ができないと
いう問題があった。

本発明の目的は、空気または空気と等しい誘電率を有す
る媒質中にも量子細線構造を形成することにある。

さらにはまた、量子細線中に複数の導電型領域を有する
構造を作製することにある。

本発明は、半導体真空素子における上記問題点を解決す
る素子およびその製造方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、有機金属熱分解法による気相化学反応を用
いるとウィスカー状の細い結晶が成長するという新しい
発見に基づいて量子”細線を形成したものである。

第１図は１本発明による量子細線を示す模式図である。

基板１上に、絶縁膜パタン２を形成し、窓部３に量子細
線４となるＧａＡｓを選択成長する。この時、絶縁膜パ
タン２に設けた窓部の開口幅りの寸法を０．１μｍ程度
に、絶縁膜パタン２の寸法ｄと窓部の寸法りとの比Ｄ／
ｄを１／１００以下に、かつ、選択成長時の基板温度を
３５０〜４８０℃の範囲に設定したときに、量子細線が
得られた。

量子細線の長さ（高さ）Ｈは選択成長時の原料供給量、
成長時間を変えることにより制御できる。

上述した量子細線形成法は基板上に絶縁膜パタンを形成
して選択成長を行うものである。

絶縁膜パタンを利用せずに量子細線結晶を形成する手法
を第１０図および第１１図について説明する。

まず、第１０図に示す手法について述べる。

例えば、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ面方位（１１１）Ｂ基板７４を
用いて、基板表面上にガリウムの集束イオンビーム７５
を一定の間隔で照射して、ガリウムイオン注入部７６を
基盤の目状に形成する（第１０図（ａ））。

ここで、ガリウムのイオンビームは基板表面で。

１０〜１１００ｎ程度まで集束することが可能で。

イオンビーム照射部はガリウム元素が適状に蓄積した状
態になる。

上記ガリウムイオン、照射した基板をアルシン（Ａ　ｓ
　Ｈ，）雰囲気中にさらすことで、ガリウムイオン注入
部７６からＧａＡｓの針状結晶７７が成長する（第１０
図（ｂ））。ここで針状結晶７７の太さは、ガリウムイ
オン注入部７６に蓄積するガリウム元素適状蓄積部の寸
法で決まる。即ち、ガリウムイオン注入部７６の寸法が
、直径で約５０ｎｍの時、ここで形成される針状結晶の
太さは、約４０〜５０ｎｍとなる。

次に、第１１図に示す手法について述べる。

針状結晶を形成すべき基板８０として、ＧａＡｓ（１１
１）Ｂを用いた場合を取り上げて述べる。

基板８０の表面にスクライバ８１を用いて、直線状の溝
８２を一定の間隔で形成する（第１１図（ａ））。溝８
２の幅、深さはそれぞれ、３μｍ。

１μｍ。また、溝と溝との間隔は４μｍとし、基板上で
スクライバを直交するように走査すると第１１図（ｂ）
に示す様な微小な面のみを非切削面８３として形成でき
る。

基板８０上に形成した多数の非切削面８３の寸法は、例
えば、１×１μｍ２程度とすることもできる。

次に、上記基板上に、有機金属熱分解法により、非切削
面８３上に選択的に針状結晶８４を形成する（第１１図
（Ｃ））。ここで、針状結晶が非切削面上にのみ選択的
に形成される理由は、後述する。

また、半導体真空素子においては、前記目的を達成する
ために、エミッタを針状結晶によって形成する。

針状結晶の形成は、有機金属の熱分解を利用した気相成
長法によって達成できる。ＧａＡｓの場合を例にとり、
第１３図により説明する。

ＧａＡｓ　（１１１）基板９０上に絶縁物９１゜金属９
２．絶縁物９３．金属９４の順に薄膜状に堆積する（第
１３図（ａ））。

フォトリソグラフィーにより上記４層堆積膜に穴９５を
あける（第１３図（ｂ））。

上記穴９５を設けた基板に有機金属気相成長法により、
針状結晶９５を成長させる（第１３図（Ｃ））。この手
法は第１図に述べた通りであり。

穴９５の寸法が１μｍ以下の場合、穴の底部、Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ基板が露出した面に１本のみ針状結晶を成長させ
ることができる。しかも、その針状結晶の太さ、長さは
成長時間、原料供給量により制御できる。

〔作用〕

本発明による量子細線の形成に作用する機構を第４図（
ａ）、（ｂ）にて述べる。

量子細線形成のため、絶縁膜４３のバタンか形成された
基板４１上に、有機金属熱分解による化合物半導体の気
相成長を行う。ここで、気相中から基板に達する原料４
５のうち、絶縁膜４３上に付着したものは絶縁膜表面上
を熱運動と気相拡散によって移動する。移動する過程で
気相中から新たな原料をとり込み、成長核４４となる。

また、成長種同仕の合体により、より大きな寸法の成長
核を形成する場合もある。くれ参の成長核は絶縁膜の開
口部に達し、基板面に付着して、成長核４２となる。

さらに原料が供給されると、成長核４２から。

成長速度の大きい結晶面が優先的に伸び、これが量子細
線４６となる。絶縁膜パタン４３の開口部に形成される
量子細線の数、太さ、長さは、開口部と非開口部の寸法
、Ｄとｄの比、基板温度、原料供給量、成長時間、基板
の結晶面方位等で容易に制御しうる。

第１２図は、このような針状結晶が形成される結晶の面
方位について模式的に示したものである。

第１２図（ａ）〜（ｄ）ではＧａＡｓ結晶におけるＧａ
原子とＡｓ原子の結合と表面における未結合手の向きを
示した。ここで、（１１１）Ａ面とは、（１１１）面の
Ｇａ原子面、（１１１）Ｂ面とは（１１１）面のＡｓ原
子面という意味である。

ＧａＡｓやＩｎＡｓの針状結晶成長は、Ｂ面すなわち、
Ａｓ原子面で優先的に起こり、Ａ面すなわち、Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ基板のＧａ面では起こりにくいことがわかった。

そこで、基板の面方位を適当に選択することにより、針
状結晶の成長方向を制御できることになる。

第１２図（、）では、（１１１）面上で、Ａｓ原子の未
結合手の方向が基板面に垂直であるから針状結晶も基板
面に垂直に成長する。

第１２図（ｂ）では、ＡｓＪｆ？ｆ子の未結合手の方向
、すなわち（１１１）Ｂは基板面（００１）面に対して
、約３５°の角度の傾斜を有する２つの等価な方向があ
る。従って針状結晶は、この２っの等価な方向に成長す
る。

第１２図（ｃ）では、（１１０）面上で、Ａｓ原子の未
結合手の方向（１１１）Ｂは、基板面（１１０）に対し
て、約５５°の角度の傾斜を持つ。従って、（１１０）
面では、この一方向にのみ針状結晶が成長する。

第１２図（ｄ）は、各種のＢ面が現われる断面を模式的
に示した図である。

（１１１）Ｂから始まって、（２１１）Ｂ。

（３１１）Ｂ、（５１１）Ｂとなるに従って、単位面当
たりのＡｓ原子未結合手の数（密度）が小さくなること
、及びその方向（角度）が変化することがわかる。

従って、面方位を選択することにより、針状結晶の形成
密度と基板面に対する成長軸の傾き角を制御できる。

次に、ガリウムイオンを注入する手法に関して述べる。

第１０図（ａ）に示すガリウムイオン注入部７６では、
第４図（ａ）に示した成長核４２と類似な結晶相が形成
されており、この様な基板を４００℃に加熱し、アルシ
ンガス（ＡｓＨ３）を。

加熱した基板上に流すと、Ａ　ｓ　Ｈ，の熱分解により
、ガリウムイオン注入部７６にＧａＡｓ成長核が発生し
、これが針状結晶となる。

次に、基板を機械的に切削する手法について述べる。

第１１図（Ｃ）では非切削面８３のみがヒ素面（Ｂ面）
であり、スクライバの切削によって形成された溝８２内
の面がヒ素面でない場合、針状結晶は、ヒ素面にのみ選
択的に形成される。

次に、真空半導体素子に関して述べる。

第１３図では、穴９５の底部にのみ針状結晶が成長する
理由は、第４図の説明の項で述べた様に、有機金属気相
成長の選択成長を利用しているためである。

ここで、針状結晶先端部は、第１４図に示した従来のエ
ミッタ形状とは比較にならない程、鋭利な形状であり、
高い効率で電子放昌を行うのに好適である。

本発明による量子細線は、空気または空気と等しい誘電
率を有する媒質中に量子細線構造を形成することができ
るため、第９図（ｂ）に示す如く、バリアと量子細線と
のポテンシャル差を無限大に近く大きくできる。このた
め、電子の細線中への閉じ込め効果が大きくなり、従来
とは異なり、室温のような高温でも顕著な量子閉じ込め
効果が実現する。これは、この量子細線を用いたデバイ
スの特性向上に画期的な寄与をする。

さらに、本発明による量子細線は、周りのバリアとの誘
電率の差を非常に大きくすることができるため、たとえ
ば量子細線中に発生した電気力線を非常に効率よく細線
中に閉じ込めることができる。これは、電子の関与した
非線型効果を著しく高める作用をし、したがって、効率
のよい非線型論理デバイスを実現することができる。

最後に、量子細線中に複数の導電型領域を形成すること
は、具体的には、線の長手方向でｎ型。

Ｐ型と順次導電性を変えることである。従来は、半導体
基板上に平行に量子細線を形成していたため、上述した
ように、量子細線上で導電性を変えることは不可能であ
った。これに対し、本方法では、量子細線を基板に対し
て垂直な方向に生成させるため、原料ガスソースの雰囲
気コントロールで細線の途中から導電性を変えることが
できる。

したがって、たとえば−次元のｐ−ｎ接合ができ、これ
からの発光を利用した半導体レーザは、その発光のスペ
クトル幅が従来に比べて著しく狭くなり、光純度の高い
レーザ光を容易に得ることができる。

〔実施例〕

【実施例１コ 以下１本発明の一実施例を第１図により、説明する。

半絶縁性ＧａＡｓ基板１の（１１１）面上に、ＳｉＯ２
からなる絶縁膜２をＣＶＤ法により、０．３μｍの厚さ
に堆積する。その後、フォトリソグラフィーにより、５
ｉｎ２絶縁膜２に円形の窓部３を形成する。Ｓ　ｉ　Ｏ
，絶縁膜２で被服された基板１の部分の寸法ｄを５００
μｍ、窓部３の寸法りを１μｍに設定する。

次に、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）により、Ｇａ
Ａｓ量子細線を形成する。

ここで、■族原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）
　、Ｖ族原料にアルシン（ＡｓＨＪ）を用いた。基板温
度４５０℃、原料ガス供給時間３００秒の時、Ｓ　ｉ　
Ｏ，絶縁膜窓部３には太さ５００人、長さ８０００人の
単結晶細線が基板面に垂直に成長した。

第５図は上記単結晶細線の太さＷと、成長時間との関係
を示すグラフである。ここでは、窓部３の寸法りとＳ　
ｉ　Ｏ，膜２の部分の寸法ｄをパラメータにして示しで
ある。

窓部３の寸法Ｄ＝１μｍ、Ｓｉｎ、膜２の部分の寸法ｄ
＝５００μｍの場合には、窓部３には単一の結晶細線４
が成長する。

一方、窓部３の寸法りを１００μｍと拡大した場合には
、窓部３には複数本の結晶細線が成長し、しかも、各細
線の太さは、窓部３の寸法りが１μｍの場合より小さく
なった。

さらに、Ｓ’ｉ０□絶縁膜２を設けない基板を用いて実
験を行ったところ、細線状の結晶成長は全く見られず、
平坦な単結晶膜のみが基板表面に一様に成長した。

実施例２ 本実施例ではＧａＡｓ基板表面の一部にＡ　Ｑ　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓエピタキシャル成長層を設けて、実施例１と同
様な選択成長を行った。

第６図は選択成長後の基板の断面構造模式図である。こ
こで、基板５１はＧ　ａ　Ａ　ｓで、基板表面にＡ　！
ｌ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　６３をＭＯＣＶＤにより０．１μ
ｍの厚さにエピタキシャル成長する。その後、フォトリ
ソグラフィーにより、ＡｆｌＧａＡｓエピタキシャル層
の一部をエツチングで除去し、ＳｉＯ□バタン５２を設
ける。Ｓｉｎ、の厚みは０．３μｍとした６次に、ＭＯ
ＣＶＤによる選択成長でＧａＡｓ細線結晶の形成を試み
たところ、ＧａＡｓ基板が露出したＳｉｎ、窓部には細
線結晶が成長した。

細線結晶の太さは約５００人で長さ２μｍであった。

一方、ＡＱＧａＡｓエピタキシャル膜が露出したＳｉｎ
、の窓部には、細線結晶は成長せず、様な厚さ２００人
でＧａＡｓのエピタキシャル成長が起きた。

この実施例２より、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ量子細線はＧａＡｓ
上にのみ結晶成長し、ＡＱＧａＡｓおよびＳｉＯ２上に
は成長しないことがわかった。

実施例３ 実施例２から得た量子細線結晶の成長特性をもとに、量
子細線発光素子とＦＥＴとを同一基板上に集積化した回
路素子を作製した。

第７図はかかる集積回路素子の断面構造を模式的に示し
た図である。

第７図では特に、発光素子部とＦＥＴから成る駆動回路
素子部の構造を取り上げて示しである。

量子細線発光素子部では、ｎ形ＧａＡｓ　７０とｐ形Ｇ
ａＡｓ７１とのｐｎ接合から成る太さ１００人の細線結
晶が発光ダイオードとして働く。ここで、このｐｎ接合
ダイオード細線中では、電子のエネルギーは量子化の効
果により、細線に垂直な面内でステップ状の離散的準位
に***している。

従って、ｐｎ接合に順バイアス電圧を印加して。

電流を通した場合、ｐｎ接合面付近での電子と正孔の再
結合による発光スペクトルは、従来の発光ダイオードに
比べて極めて単色性の良いものとなる。また、量子細線
を埋め込む媒質７３の材料と形状を適当に選択すること
により、レーザーの共振器構造を形成できる。この場合
、発光スペクトルは可干渉性の高い光となる。

実施例４ 本実施例は、ＧａＡｓ細線結晶のかわりに、ＩｎＡｓ戦
線結晶を前記実施例と同様な方法で成長した。細線結晶
の太さは１００人であり、細線中の電子は、量子効果に
より細線に垂直な面内でその運動が束縛される。上記の
Ｉ　ｎＡｓ量子細線を用いて、ｐｎ接合ダイオードを作
製した。

第８図は、かかるｐｎ接合ダイオードの電流対電圧特性
を示す模式的グラフである。量子化の効果により、電流
対電圧特性は階段関数的ふるまいを示す。第８図では、
”□＝Ｖｚ＝Ｖ−＝０．５ボルトであり、素子を室温以
下の温度に冷却した場合、その階段関数特性がより顕著
になった。

このようなダイオードは、従来のｐｎ接合ダイオードと
異なり、例えば電圧Ｖエ　と■２の間の電圧では、電圧
のふらつきに対して一定の電流をとり出せる安定電流源
としての動作をする。

なお、本実施例ではＩｎＡｓを材料に用いた場合につい
て述べたが、他の材料、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ。

Ｇｅなど電子の有効質量が小さい半導体材料を用いるこ
とにより、量子化の効果がより明瞭に現れる。

また、細線結晶の形成法としては、本実施例に述べたＭ
ＯＣＶＤ法以外に、真空中で基板表面における原料ガス
の表面反応を利用した堆積法を用いても良い。

［実施例５］ 以下、実施例により半導体真空素子の詳細について説明
する。

第１５図は本発明の一実施例である。Ｓｉをドープして
ｎ形の導電性を持たせたＧａＡｒ（１１１）　８面基板
１１０上に、ＣＶＤ法で５１０２絶縁物１１１を１μｍ
の厚さ堆積し、その後、真空蒸着法でＭＯ金属１１２を
０．２μｍ　、再び、ＣＶＤ法でＳ　ｉ　Ｏ２絶縁物１
１３を０．５μｍ　、真空蒸着法でＷ金属１１４を０．
１μｍ堆積させた。

次に、フォトリソグラフィー法により、上記の４層堆積
物１１１から１１４に穴をあける。この穴をあける工程
は金属１１２と１１４に対してはドライエツチングの手
法で、絶縁物１１１と１１３についてはドライエツチン
グとウェットエツチングを組み合わせることにより、金
属１１２と１１４の穴の直径ｄを絶縁物１１１と１１３
の穴より小さ目にすることができる。ここで形成した穴
の直径ｄは、０．３μｍであった。

次に、有機金属気相成長法により、ＧａＡｓ針状結晶１
１５を基板面に垂直に成長させる。ここで、針状結晶の
成長条件は、基板温度３８０℃、成長時間３００秒、ま
た、原料ガスには■族Ｇａ原料としてトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）又は、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｖ
族Ａｓ原料としてトリエチルヒ素（ＴＥＡｓ）を用いた
。上記成長条件にて成長した針状結晶は長さ（高さ）０
．６μｍ、基部の太さ０．１μｍ、先端部における角度
θ（第１４図のθに相当するもの）が５度、および先端
部の曲率半径１０ｎｍとなった。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓ針状結晶１１５をエミッタ、金属１１２
をゲート、金属１１４をアノードとして、エミッタとア
ノード間に７０Ｖ、アノードとゲート間に３０Ｖの電位
差を与えた時、エミッタからの放射電流として１００〜
５００マイクロアンペア、相互コンダクタンス１００〜
６００マイクロシーメンスとなった。

［実施例６］ 実施例５では、単一の素子について述べた。本実施例で
は、複数の素子を同一基板上に形成して、二極真空素子
アレーを形成し、素子全体としての電流駆動能力を向上
させた。

第１６図はＧ　ａ　Ａ　ｓ針状結晶をエミッタ１２５と
し、金属ゲート１２２．金属アノード１２４はそれぞれ
実施例５と同様に作製した。第１６図に示した素子アレ
ーではエミッタ電極１２５は２μｍ間隔で基板１２０上
に基盤の目状に配列されている。

この素子アレーで、エミッタとアノード間に１００ｖ、
ゲートとアノード間に７０Ｖの電位差を与えたところ、
エミッタからの放射電流は、素子単位面積当たり、１０
５アンペア／ｄとなり、単一素子に比較して大幅な電流
駆動能力の増加が見られた。

また、素子の高速動作特性についても、エミッタとアノ
ード間における電子走行時間が０．１　　ピコ秒と小さ
いことから、１０００ギガヘルツ（１テラヘルツ）以上
の変調、増幅が可能である。

［実施例７］ 針状結晶を冷陰極エミッタとして集積化し、平面カラー
デイスプレィを作製した。

第１７ＷＩは本カラーデイスプレィの画素部の構造を示
す斜視図である。イオン注入法で導電性を持たせたベー
ス部１４２を有する基板１３０上に絶縁膜１３１を介し
て、ゲート電極１３２，１３３゜１３４を配置する。こ
のゲート電極と絶縁膜１３１には、エミッタを形成した
矩形窓が形成されており、ここが電子放出セル１３５と
なる。各ゲート電極１３２，１３３，１３４に対向して
、蛍光スクリーン１３７，１３８，１３９がガラス板１
４０に形成されている。蛍光スクリーン１３７．１３８
゜１３９とガラス板１４０の間には、透明電極膜１４１
が形成されている。透明電極膜１４１はインジウムとス
ズの酸化物（ｒＴｏ）をコーティングしたもので、アノ
ードとして使用する。アノードとエミッタ間に１０００
ｖの電位差を生じても両電極間の絶縁性が保持できる様
に、支柱１３６を用いて、ガラス板１４０をエミッタ又
はゲート電極から５０μｍ程離しておく。

冷陰極エミッタを形成した電子放出セル１３５の断面構
造模式図を第１８図に示す。基板１５０上に、イオン注
入法でｎ型導電性を持たせたべ一入部１５４を形成し、
その上にＳｉＯ２絶縁膜１５１を１μｍの厚さで堆積し
、次に、ゲート電極１５２となるＷ金属をスパッター法
で０．１μｍ被着する。次に５フオトリソグラフイー法
により、Ｗ金属と絶＃膜に開口部を設ける。Ｗ金属の開
口部の寸法を一辺がＤの正方形とすると、Ｓ　ｉ　Ｏ，
絶縁膜１５１は開口部がＤより大きくなる様にウェット
エツチングにより横方向のオーバーエツチングを行う。

本実施例では、０２１０μｍとした。次に有機金属熱分
解法により開口部にＧａＡｓの針状結晶を成長させた。

針状結晶は長さ、０，５μｍ、根元の太さ０．１μｍで
、正方形の開口部内に１００〜１５０本の割合で成長し
た。針状結晶の１本１本がエミッタとして働くが、本実
施例の様に数を多くすることにより、エミッタ全体とし
て安定した放出電流が得られる様にするものである。す
なわち、エミッタからの放出電流が安定することで、デ
イスプレー自体の色むらが防止できることになる。

第１９図は第１７図に示した画素部を多数集積化したカ
ラーデイスプレーの平面図である。デイスプレー面１６
０はたて、よこが５ｃｌＩの正方形で、周辺部に、ベー
ス電極列１６２．ゲート電極列１６３が形成されている
。ただし、デイスプレー面の寸法は、本実施例に限定さ
れるものではなく、フォトリソグラフィー工程で使用で
きる寸法の上限まで可能である。

本カラーデイスプレーでは、エミッタ電極に針状結晶を
用いており、電子の放射効率が良いことおよび、一つの
電子放出セル１３５中に１００本以上の針状結晶エミッ
タがあるため、駆動電圧１０〜２０Ｖで高輝度カラーデ
イスプレィを実現できる。

［実施例８］ 針状結晶を電子放出用エミッタとして、電子銃に応用し
た。第２０図は、上記電子銃を組み込んだ電子ビーム収
束系の構成を模式的に示すものである。ここで、エミッ
タ１７３が針状結晶より成る部分である。エミッタ１７
３の形成には、第１５図で説明した製造工程を適用でき
る。電子銃としての用途は上記の他、電子線回折装置、
電子ビーム露光装置の電子源にも適用できる。

［実施例９］ 針状結晶を冷陰極エミッタとして用い第１５図と同様な
真空半導体素子を作製し、これを大規模集積回路の回路
量接続部に用いた。第２１図、第２２図に実施例の模式
図を示す。

第２１図はＳｉの１２８メガビツトダイナミツクランダ
ムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）のチップを示す斜視図で
ある。集積回路基板１９０上に、電子集積回路メモリー
セル部１９１，１９２゜１９３と、各メモリーセル部へ
の記録の書込み。

読み出し、およびメモリーセル部間の接続１９７に電子
放出素子アレイ１９４，１９５，１９６を用いた。上記
電子放出素子アレイは第１５図と同様な素子から成る。

従来の集積回路ではＦＥＴや、バイポーラトランジスタ
を用い素子間連結に基板上に形成したＡＱの配線を用い
ていた。この様な配線方式では、素子の集積度が１００
メガビット以上、配線幅０．３μｍ以下になると配線自
体の電気抵抗と分布容量により、信号伝達の時間遅れが
増大する。集積回路自体の動作速度を低下させずにその
高速性を向上するには、配線方式をやめ、空間伝播方式
を採用するのが良い。

第２１図に示した集積回路は各電子放出素子アレイに含
まれる真空半導体素子が信号伝達用電子の放出源になっ
ている。一方、他の真空半導体素子から飛来する電子は
別の真空半導体素子のアノードに到達して信号電流とな
る。

第２２図は集積回路チップ間の連結に上述の方式を用い
た場合の概略図である。集積回路基板２００．２０１，
２０２，２０３のそれぞれの連結では、チップ間の信号
伝達距離がチップ内の信号伝達距離より長いため本方式
の効果がより明瞭に現れる。

なお、第２１図、第２２図に示すメモリーセル部間接続
１９７、集積回路基板間接続２０４には電子の空間伝播
を用いているが、光伝播方式にしても良いことは言うま
でもない。

光伝播方式を採用した場合には、電子放呂素子アレイ１
９４，１９５，１９６は、第７図に示した量子細線発光
素子で置き換える。

いずれの方式にしても、針状結晶を使った素子がその基
本になっており、針状結晶自体は４００℃程度の温度で
成長できるから、Ｓｉ集積回路のＡＱ配線材料を損傷し
ない製造工程を構成できる。

［実施例１０］ 針状結晶を電子放出源（エミッタ）として用い、超小型
の真空測定素子とした。

第２３図は当該素子の断面構造の一部と全体の斜視図で
ある。

第２３図（ａ）；素子の断面構造は第１５図と類似であ
るが、ここでは、絶縁物２１１と電子の引き出し電極用
金属２１２の積層膜に１〜１００μｍ程度の穴２１３を
多数形成する。金属２１２をマスクとして、有機金属熱
分解法により、穴２１３の内部で基板表面が露出してい
る部分にＧａＡｓ針状結晶２１４を成長させる。ここで
、１つの穴には複数の針状結晶が成長してよい。

第２３図（ｂ）；基板２１０上に上記針状結晶２１４を
形成した穴２１３．電子の引き出し用電極金属２１２に
タングステン（Ｗ）を用いた。素子の寸法はたて、よこ
、高さが０．５Ｘ０．５ＸＯ１２ＩＩＩ１１２であり、
従来の電離真空計が５〜ｌ０ＣＩＩ＋程度の寸法であっ
たのに比較して大幅に小型化している。

第２３図（ｂ）で引き出し電極用金属２１２に５０ボル
トの電圧をかけ、ｌＸｌ０−’パスカルの真空で５ｍＡ
のエミッタ電流が得られたことから、当該素子が１０−
８パスカル以下の超高真空計測用に使用できることがわ
かった。

また、０．１〜１パスカル程度の圧力範囲では、従来の
電離真空系は熱陰極を使用しているため真空計測には用
いられなかったが、本発明の素子は冷陰極エミッタ方式
のため充分使用できることがわかった。

〔発明の効果〕

以上の実施例で説明したように本発明によれば、量子細
線結晶を周囲が空気または空気と同等以上の屈折率を有
する媒質中に形成できるので、発光素子等１種々の素子
作製が容易になる。従って。

量子効果を利用した様々な素子への応用の道が開ける。

また、針状結晶を電子放出材料として用いれば、針状結
晶先端部の曲率半径を小さくできるので、電子放出効率
が向上する。従って、冷陰極として安定した陰極電流が
得られる小型の真空半導体素子への応用の道が開ける。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の量子細線の模式的断面図、第２図、及
び第３図は、従来の量子細線の構造を示す模式的断面図
、第４図（ａ）（ｂ）は本発明による量子細線形成機構
を示す模式的断面図、第５図は量子細線の太さと成長時
間との関係を示すグラフ、第６図、第７図は本発明の他
の実施例になる素子の模式的断面図、第８図は本発明の
一実施例になる素子の電流対電圧特性を示すグラフ、第
９図は従来例および本発明における量子細線のエネルギ
ーバンド図、第１０図（ａ）（ｂ）及び第１１図（ａ）
（ｂ）（ｃ）は本発明による針状結晶の形成方法を示す
模式図、第１２図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明に
よる針状結晶または量子細線の成長軸方向を説明するた
めの原子結合の模式図、第１３図（ａ）（ｂ）（ｃ）は
本発明による針状結晶作製工程を示す模式的断面図、第
１４図は、従来の半導体素子の構造を示す模式的断面図
、第１５図〜第２３図は本発明による素子および応用例
を示す模式図である。 １・・・基板、２・・・絶縁膜、３・・・窓５４・・・
量子細線、２１・・・基板、２２・・・ノンドープＧａ
Ａｓ、２３・・・ノンドープＡΩＧａＡｓ、２４・・・
ＳｉドープＡＱＧａＡｓ、２５・・・ノンドープＧａＡ
ｓ、２６・・・集束イオンビーム注入部、２７・・・２
次元電子ガス、３１・・・基板、３２・・・Ｓｉｎ、、
３３・・・ノンドープＧａＡｓ、３４−・・ノンドープ
Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ、３５−　Ｓ　ｉドープＡＱＧ
ａＡｓ、３６−２次元電子ガス、４１・・・基板、４２
・・・成長側、４３・・・絶縁膜、４４・・・成長種、
４５・・・原料、４６・・・量子細線、５１−・・基板
、５２＝ＳｉＯ，，５３＝ＡＲＧａＡｓ、５４−　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ、５５−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ量子細線、６１・・
・基板、６２−５ｉｎ、、６３＝ＡＱＧａＡｓ、６４・
・・ｎ形Ｇａ、Ａｓ、６５・・・ソース電極、６６・・
・ｐ形ＧａＡｓ、６７・・・ゲート電極、６８・・・ド
レイン電極、６９−　ｎ形ＧａＡｓ、７０−ｎ形ＧａＡ
ｓ、７１・・・ｐ形ＧａＡｓ、７２・・・電極、７３・
・埋め込み層、７４・・・基板、７５・・・ガリウムイ
オンビーム、７６・・・ガリウムイオン注入部、７７・
・・針状結晶、８０・・・基板、８１・・・スクライバ
、８２・・・溝、８３・・・非切削面、８４・・・針状
結晶、９０・・・基板、９１・・・絶縁物、９２・・・
金属、９３・・・絶縁物、９４・・・金属、９５・・・
針状結晶、１００・・・基板、１０１・・・エミッタ、
１０２・・・絶縁物、１０３・・・ゲート、１０４・・
・アノード、１１０・・・基板、１１１・・・絶縁物、
１１２・・・金属、１１３・・・絶縁物、１１４・・・
金属、１１５・・・針状結晶、１２０・・・基板、１２
１・・・絶縁物、１２２・・・金属ゲート、１２３・・
・絶縁物、１２４・・・金属アノード、１２５・・・針
状結晶エミッタ。 １３０・・・基板、１３１・・・絶縁膜、１３２〜１３
４・・・ゲート電極、１３５・・・電子放出セル、１３
６・・・支柱、１３７・・・青色蛍光スクリーン、１３
８・・・絶色蛍光スクリーン、１３９・・・赤色蛍光ス
クリーン、１４０・・・ガラス板、１４１・・・透明電
極、１４２・・・ベース部、１５０・・・基板、１５１
・・・絶縁物、１５２・・・ゲート電極、１５３・・・
針状結晶、１５４・・・ベース部、１６０・・・デイス
プレー面、１６１・・・ガラス板、１６２・・・ベース
電極列、１６３・・・ゲート電極列、１７０・・・基板
、１７１・・・絶縁膜、１７２・・・弓き出し電極、１
７３・・・エミッタ、１７４・・・アパチャ、１７５・
・電子ビーム、１７６・・・レンズ、１７７・・・ブラ
ンキング電極、１７８・・・レンズ、１７９・・・アパ
チャ、１８０・・・レンズ、１８１・・・偏向電極、１
８２・・・試料、１９０・・・集積回路基板、１９１〜
１９３・・・電子集積回路メモリーセル部、１９４〜１
９６・・・電子放出素子アレイ、１９７・・・メモリー
セル部間接続、２００〜２０３・・・集積回路基板、２
０４・・・集積回′路基板間接続、２１ｏ・・・基板、
２１１・・・絶縁物、２１２・・・金属、２１３・・・
穴。 楽 」 図 ス 図 第 図 ０ＯＩＥ 、寥百晶方イ１［ ｃｌｒｏ］ 第 品 （ｂ） 跳 図 ５−ノ（−、 −−シ（−ｍ−、 晃 ？ 臼 噂 斤 （ボ°ルＹ） 閉 ｑ 図 （久ン （ν） Ｏ Ｏ ｖ　ｔＯ図 （久） ＣＴ（ＩＡｓ（ 邦 （し） ￥−Ｊ７７　　口 （幻 （し） ＜ｄ） ・ｒ２ａ 某 団 （し） （Ｑ） 第 拓 図 纂 ｂ 図 Ｉ２り 某 ノｑ 図 ノ３ｂ χ擾１ 案 Ｉ？ ノ５４ ベース仰 犠 ｌり 図 第 ２θ 因 浦 釦 第 凹 第 （し）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板と該基板上に設けられた開口部を有するマスク
   を介して、マスクの開口部領域で露出された基板表面上
   に形成された半導体量子細線結晶よりなることを特徴と
   する半導体装置。 ２、上記半導体量子細線結晶は、その周囲が空気または
   空気と同等な屈折率を有する媒質中に抽出可能であり、
   その細線部分が１００ｎｍないしはそれ以下の寸法であ
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 ３、上記半導体量子細線結晶は、III−Ｖ族化合物半導
   体、IV−VI族化合物半導体、元素半導体のいずれか少な
   くとも一者からなることを特徴とする請求項１もしくは
   ２記載の半導体装置。 ４、上記III−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＡｓ、ＡｎＧ
   ａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧ
   ａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂからなる群から選ばれるいず
   れか少なくとも一者であることを特徴とする請求項３記
   載の半導体装置。 ５、上記IV−VI族化合物半導体はＨｇＴｅ、ＺｎＳｅ、
   ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、 ＰｂＨｇＴｅからなる群から選ばれるいずれか少なくと
   も一者であることを特徴とする請求項３記載の半導体装
   置。 ６、上記元素半導体はＧｅ、Ｓｉからなる群から選ばれ
   るいずれか少なくとも一者からなることを特徴とする請
   求項３記載の半導体装置。 ７、上記半導体量子細線結晶は、導電型が相異なる接合
   を有することを特徴とする請求項１〜６記載の半導体装
   置。 ８、上記半導体量子細線結晶は、III−Ｖ族化合物半導
   体、VI−VI族化合物半導体、元素半導体に含まれる半導
   体のヘテロ接合（異種接合）を有することを特徴とする
   請求項１〜６に記載の半導体装置。 ９、上記半導体量子細線結晶と、トランジスタとが同一
   基板上に形成されてなることを特徴とする請求項７記載
   の半導体装置。 １０、基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と
   、該開口部領域内に半導体量子細線結晶を成長せしめる
   工程とを少なくとも有してなることを特徴とする半導体
   装置の製造方法。 １１、上記半導体量子細線結晶の形成は、有機金属化合
   物の熱分解を利用した気相化学堆積法で形成することを
   特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。 １２、上記半導体量子細線結晶の形成は、真空中での基
   板表面における有機金属化合物の表面分解反応を利用し
   て形成することを特徴とする請求項１０記載の半導体装
   置の製造方法。 １３、上記半導体量子細線結晶の形成は、Ｇａ、Ａｓ、
   Ａｌ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ｈｇ、Ｔｅ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｓｉ
   からなる群から選ばれるいずれか少なくとも一者の元素
   の、有機金属化合物もしくは水素化物を原料として用い
   ることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造
   方法。 １４、基板表面上に形成されたイオンビーム注入領域を
   有し、当該イオンビーム注入領域に形成された半導体針
   状結晶よりなることを特徴とする半導体装置。 １５、基板表面上に形成された溝部を有し、当該溝部以
   外の基板表面部に形成された半導体針状結晶よりなるこ
   とを特徴とする半導体装置。 １６、基板と基板表面において、基板表面を構成する元
   素の原子結合手の方向（結合方向）に半導体針状結晶の
   成長方向が形成されてなることを特徴とする半導体装置
   。 １７、特許請求の範囲１４〜１６における半導体針状結
   晶は、その周囲が空気または空気と同等な屈折率を有す
   る媒質中に抽出可能であり、その細線部分が１μｍない
   しはそれ以下の寸法であることを特徴とする半導体装置
   。