結晶質シリコン内在ＳｉＯｘ成形体の製造方法とその用途
【課題】ナノメートルオーダーの結晶質シリコン粒子を提供すること、そしてこれを半導体素子として利用できるようにすること。
【解決手段】粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子に、光、好ましくはレーザー光、を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子とすることを特徴とするＳｉＯｘ粒子の製造方法であり、好ましくは、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子が、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得たものであることを特徴とする前記のＳｉＯｘ粒子の製造方法である。
【解決手段】粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子に、光、好ましくはレーザー光、を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子とすることを特徴とするＳｉＯｘ粒子の製造方法であり、好ましくは、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子が、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得たものであることを特徴とする前記のＳｉＯｘ粒子の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶質シリコンを内在するＳｉＯｘ粒子の製造方法、前記製法で得られたＳｉＯｘ粉末、成形体、更に前記成形体から得られる半導体素子、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートルオーダーの粒径を有するシリコン粒子は、単結晶シリコンを初めとするバルクのシリコンとは著しく異なる物理的、化学的性質を有しており、新規機能性材料への応用が期待されている。
【０００３】
半導体や金属等の超微粒子のうち、電子の波長（１０ｎｍ程度）より小さい、言い換えればナノメートルオーダー以下の粒径を有するものは、電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるため、バルク体とは異なる特異な物性を示すことが知られている。
【０００４】
各種半導体材料の中で最も重要な位置を占めるシリコンについても、その粒径がナノサイズまで微細化された粒子について、シリコン単結晶のバルク体とは異なる波長の発光が報告されており、バンド構造や表面準位効果がバルク体とは異なるものになっていることが示されている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】日経先端技術２００３．０１．２７号、１〜４頁
【０００５】
ナノメートルオーダー以下の粒径を有する結晶質シリコン粒子は、数個から数百個のシリコン原子からなる集合体で、その個数に応じて数オングストロームから数ｎｍの粒径をとり、例えばＳｉ１０ならば６オングストローム（０．６ｎｍ）前後となる。
【０００６】
また、構造的には、バルク体のシリコン単結晶と同様にダイヤモンド構造を有する結晶質シリコン粒子の他に、ダイヤモンド構造をとらない結晶質シリコン粒子も存在する。
【０００７】
このように結晶質シリコン粒子は様々な大きさや原子配置をとることが出来、それぞれに異なる物性を発現する。したがってサイズや原子配列が適切に制御された結晶質シリコン粒子を作製することができれば、新機能性材料に適用できる可能性がある。
【０００８】
従来、ナノメートルオーダー以下の粒径を有する結晶質シリコン粒子を製造する方法としては、気体状シリコン化合物に紫外光レーザービームを照射する方法（特許文献１参照）、シリコンターゲットのレーザーアブレーションを行う方法（特許文献２参照）、アルゴンプラズマ中でＳｉＨ２ラジカルからＳｉ単結晶微粒子の核を生成した後に結晶成長させる方法（特許文献３参照）、非晶質シリコン膜にレーザー光を照射する方法（特許文献４参照）等、が知られている。
【特許文献１】特開平０６−０７２７０５号公報。
【特許文献２】特開２００１−２５７３６８公報。
【特許文献３】特開２００２−０７６３５８公報。
【特許文献４】特開２００２−１７６１８０公報。
【０００９】
特許文献１、２の方法で得られる結晶質シリコン粒子は、単独のシリコン粒子である。特許文献３の方法で得られるシリコン粒子は、単独のシリコン粒子であるが必要に応じ表面が酸化物膜や窒化物膜等によって被覆される。これらの結晶質シリコン粒子は、基材上で特定のパターンに配列して半導体素子を形成させようとする場合、ナノメートルオーダーの微細な粒子であるため、配列が困難であるという問題点を有する。
【００１０】
また、特許文献４の方法で得られる結晶質シリコン粒子は、非晶質シリコン膜中に存在するため、レーザー光の照射方法によって、粒子をパターン状に配列させて形成することも可能ではあるが、マトリックスが絶縁体ではなく、結晶質シリコン粒子と同様に半導体の非晶質シリコンであり、配列粒子とマトリックスの電気的特性が類似しているため、そのままでは半導体素子として機能させることが困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記従来技術の状況に鑑みてなされたもので、ナノメートルオーダーの結晶質シリコン粒子を提供すること、そしてこれを半導体素子として利用できるようにすることを最終目的としてなされたものである。
【００１２】
本発明者は、半導体素子として利用可能なように結晶質シリコン粒子を特定のパターンで容易に配列できる方法について種々検討していた経過において、ＳｉＯｘ（ｘ＝０．５〜２．０）粉末を用いて、これに光を照射することによって、１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子が形成できるという新たな知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１３】
また、本発明者は、前記検討の過程に於いて、更に、前記の結晶質シリコン粒子はＳｉＯｘ粒子中に形成されるため、結晶質シリコンを内在するＳｉＯｘ粒子からなる粉末（以下、ＳｉＯｘ粉末という）を成形体（膜状或いは所望形状の肉薄の塊状体等を含む）にした後に、前記成形体に光をパターン状に照射することによって、絶縁性のＳｉＯｘマトリックス中に結晶質シリコン粒子が特定のパターンで配列した半導体素子が形成できること、及びこれが発光素子あるいは電子部品として利用できること、を新たに見出し、本発明に至ったものである。
【００１４】
即ち、本発明は、より具体的には、１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を提供すること、また前記シリコン粒子がＳｉＯｘマトリックス中に配列してなり、発光素子或いは電子部品として利用可能な半導体素子を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子に、光、好ましくはレーザー光、を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子とすることを特徴とするＳｉＯｘ粒子の製造方法であり、好ましくは、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子が、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得たものであることを特徴とする前記のＳｉＯｘ粒子の製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記のＳｉＯｘ粒子の製造方法で得られたＳｉＯｘ粒子からなることを特徴とするＳｉＯｘ粉末であり、前記粉末を用いてなることを特徴とする半導体素子である。
【００１７】
さらに、本発明は、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得た、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含有する粉末を、成形して成形体とした後、当該成形体に光、好ましくはレーザー光、を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含む成形体とすることを特徴とするＳｉＯｘ成形体の製造方法であり、前記ＳｉＯｘ成形体の製造方法で得られた成形体を用いてなることを特徴とする半導体素子である。
【００１８】
加えて、本発明は、前記の半導体素子を用いてなることを特徴とする発光素子である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内包するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粉末、成形体又は膜が提供されるが、当該結晶質シリコン粒子はナノサイズの粒径であるが故に、電子の運動に対するサイズ有限性の影響を大きく受け、Ｓｉ単結晶バルク体では見られない、発光、電子放出等の特異な現象を生ぜしめる特徴を呈する。そして、本発明の結晶質シリコン粒子を内包するＳｉＯｘ粉末、成形体は半導体素子を提供することができ、新規な発光素子や電子部品等の機能性材料として種々の用途で好適に使用できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、特定のＳｉＯｘ粒子に、光を照射して、前記ＳｉＯｘ粒子内に特定粒径の結晶質シリコン粒子を形成せしめることを本質的としている。
【００２１】
本発明に用いられるＳｉＯｘ粒子については、粒径０．５〜５ｎｍ、更に好ましくは０．５〜３ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子であれば良い。前記ＳｉＯｘ粒子は、前記の特徴を有するものであれば、その製造履歴には拠らないが、次に示す方法が容易に安定して得ることができるので、好ましい。
【００２２】
即ち、原料にモノシランガスを用い、これを酸化する時に、低温でＳｉＯｘ粒子を形成することが可能となり、モノシランガス以外のケイ素含有ガスを酸化する方法において発生しやすい、炉材等からの不純物混入を極限まで低下させることができる。そして、その結果として、原料にモノシランガスを用いて、これを酸化する時には、生成するＳｉＯｘ粒子、それからなるＳｉＯｘ粉末が高純度で、超微粉のものが得られる。更に、理由は明らかでないが、原料にモノシランガスを用いて、これを酸化する方法に拠る時には、広い製造条件範囲に於いて、得られるＳｉＯｘ粒子中には粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコンを内在させることができるので、本発明に用いるＳｉＯｘ粒子が容易に安定して得られるという特徴がある。
【００２３】
前記の方法で用いるモノシラン（ＳｉＨ４）ガスは、市販品を用いることができる。モノシランガスは、塩素を構成成分としていない点でトリクロルシラン等のシラン系ガスよりも環境に及ぼす負荷が低く、優れている。また、モノシランの酸化性ガス（以下、単に「酸化性ガス」という。）としては、酸素ガス、乾燥空気の他に、モノシランに対して酸化性を有する例えばＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等のガスを用いることができる。これらの酸化性ガスは、不純物が極限まで除去されていることが好ましい。
【００２４】
モノシランガスと酸化性ガスの反応は、圧力１０〜１０００ｋＰａの非酸化性ガス雰囲気下、温度５００〜１０００℃で行わせることが好ましい。圧力が１０ｋＰａ未満であると、生成したＳｉＯｘが膜状に生成するので、反応容器壁面に付着成長し、排出部を閉塞することから、長期操業が容易でなくなることがある。一方、１０００ｋＰａをこえると、反応装置の耐圧を高めるのに大がかりな設備が必要になるうえ、不純物が増加する傾向となるから好ましくない。前記圧力範囲の中で、より好ましい圧力は、５０〜３００ｋＰａである。
【００２５】
また、反応場の温度が５００℃未満であると、主としてＳｉＯ２が生成し易く、また１０００℃をこえるとＳｉの単体が生成し易くなると共に、炉材等からの不純物がより多く混入する恐れが高くなることから、いずれの場合も高純度・超微粉ＳｉＯｘ粉の製造が容易でなくなる。前記温度範囲の中では、５５０〜９５０℃がより好ましく、更に６５０〜８５０℃が一層好ましい範囲である。
【００２６】
モノシランガスと酸化性ガスの反応は、必要に応じて、非酸化性ガスからなる希釈ガスの存在下で行われる。これによって、生成したＳｉＯｘ粉の容器壁への付着をより少なくすることができる。非酸化性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムのような不活性ガスが最適であるが、反応を妨げない範囲で、Ｈ２、Ｎ２、ＮＨ３、ＣＯ等を用いることもできる。
【００２７】
酸化性ガスとして乾燥空気を用いた場合、非酸化性ガスと酸化性ガスの両方を用いたことになる。非酸化性ガスの量は、モノシランガス量と酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量との合計量よりも多くすることが好ましく、モル比で２倍以上、特に１０倍以上であることが好ましい。ここで、酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量とは、たとえば乾燥空気の場合には、それに含まれる酸素量であり、ＮＯ２とＣＯ２の場合は、それを構成する酸素原子分の酸素量である。
【００２８】
モノシランガスを酸化する場合の反応容器としては、石英ガラス等の高純度材料で製作されたものが使用できる。その形状は、底付きのコップ形状とすることもできるが、管状が好ましく、その向きは縦型設置、横型設置のいずれであっても良い。反応容器の加熱方法については、抵抗加熱発熱体、高周波加熱、赤外輻射加熱等の手段を用いることができる。
【００２９】
反応容器内で生成したＳｉＯｘ粉末は、非酸化性ガス及び副成ガスと共に系外に排出され、バッグフィルター等の従来公知の粉末回収装置を用いて回収される。
【００３０】
モノシランガスと酸化性ガスの比率を変えることによって、ｘ値すなわちＯ／Ｓｉモル比の異なるＳｉＯｘ粉末を制御して製造できる。
【００３１】
本発明に係るＳｉＯｘ粒子のｘ値は０．５以上２．０未満である。ｘ値が０．５未満であると、内包される非晶質シリコン粒子の大きさが１ｎｍを超えてしまい、レーザー光を照射しても粉末内部に粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子が生成しなくなるので望ましくない。本発明者の実験的検討に基づけば、好ましいｘ値は０．８〜１．６である。尚、ｘ値は、ＳｉＯｘ中のＳｉモル量をＪＩＳ−Ｒ；６１２４（炭化けい素質研削材の化学分析）に準じて測定し、また酸素モル量をＯ／Ｎ同時分析装置（例えばＬＥＣＯ社「ＴＣ−４３６」）を用いて測定し、それらのモル比から算出することができる。
【００３２】
本発明の原料のＳｉＯｘ粒子について、非晶質シリコン粒子を内包すること並びに当該非晶質シリコン粒子の大きさは、粉末Ｘ線回折測定及びラマン分光分析におけるシリコン粒子に帰属されるピークの有無、位置及び形態によって確認できる。内包されるシリコン粒子が非晶質の場合、Ｘ線回折図に結晶質シリコン特有の回折線が認められない。また、シリコンのラマンスペクトルのピーク位置（ラマンシフト値）及びラマンスペクトルの線幅は、粒子径が小さくなるにつれて、大型のシリコン結晶の値とは異なることが明らかにされており、これらのラマンシフト値や線幅を測定することによって、シリコン粒子径を算出することができる（非特許文献２〜３参照）。
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０，２０８６（１９９２）
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６９（２），２００（１９９６）
【００３３】
次に、前記ＳｉＯｘ粒子より、光を照射することによって、本発明の粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を得る方法について、詳述する。
【００３４】
本発明において、光を照射する際におけるＳｉＯｘの形態は粉末のままでも良いが、膜や薄肉の塊状体等の成形体とすることが、後述する用途に直ぐに適用可能である成形体を容易に得られることから、好ましい。
【００３５】
成形体を形成する方法は、例えば粉末を成形用金型に充填した後プレス成形する方法や、さらにその後冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形する方法等が挙げられる。一方、膜を形成する方法は、例えば水または有機溶剤及び必要に応じこれらに少量の結合剤（バインダー）を溶解させた溶媒中にＳｉＯｘ粉末を分散させたスラリーを作製し、これを基材に塗布後加熱してバインダーを揮発させると同時に乾固させる方法等が挙げられる。
【００３６】
前記の方法で得た成形体は、そのまま用いても良いが、機械的強度を付与するため加熱・焼成後に用いても良い。但し、加熱・焼成温度が６００℃以上になると、ＳｉＯｘ中に結晶質シリコン粒子がランダムに発生し始め、ＳｉＯｘ中に結晶質シリコン粒子を所定の配置となるように形成できなくなるので、６００℃未満の温度で加熱・焼成しなければならない。
【００３７】
本発明において光を用いることが本質的であり、光が照射された場合に、好ましくはレーザー光が照射された場合に、結晶質シリコン粒子が形成される。この理由については明らかではないが、０．５〜５ｎｍ、すなわちナノメートルオーダー以下の粒径を有する非晶質シリコン粒子は、電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるため、バルク体とは異なる特異な光応答性を有すると考えられ、この特性が関与していると考えられる。
【００３８】
本発明における光として特にレーザー光が好適に用いられる。この理由についても明らかではないが、レーザー光が他の光とは異なり、レーザー独自の性質を有すること、例えば色々な光が混じり合っておらず純粋な一つの色の光であること（単色性）や光の位相が揃っているため干渉性が良いこと（可干渉性）、或いは収束させれば太陽光の数百倍ものパワー密度が得られること（高出力性）等が関与していると考えられる。
【００３９】
本発明で用いられる光としては、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、アークランプ、アルゴンランプ、クリプトンランプ、キセノンランプ、発光ダイオード等を光源とする光を用いることができる。これらの光はそのまま用いても良いが、分光した後フィルターを通して単色化して用いることもできるし、レンズを用いて集束させて用いることもできる。また、レーザー光としては、発振源がヘリウム−ネオン、アルゴン、二酸化炭素等からなる気体レーザー、有機色素溶液からなる液体レーザー、ルビー、ネオジム：イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、ネオジム：イットリウムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）等からなる固体レーザー又はインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）等からなる半導体レーザーの何れであっても用いることができる。
【００４０】
以下、光に関しては、レーザー光の適用を中心に説明する。本発明において好適なレーザー光の出力値は、発振源の種類によって異なるが、例えば励起波長６３３ｎｍのヘリウム−ネオンレーザーの場合には０．１〜１０ｍＷ、波長５３２．４ｎｍのネオジム：イットリウムバナデートレーザーの場合には、５〜１００ｍＷ等である。出力値が小さいと結晶質シリコン粒子の径が１ｎｍ未満になるか又は結晶質粒子自体が形成しない。また出力値が大きいと結晶質シリコン粒子の粒径が１０ｎｍを超えてしまう。
【００４１】
一方、好適なレーザー光の照射時間は、発振源の種類によって異なるが、大凡１０秒〜１時間程度である。照射時間が短いと結晶質シリコン粒子の径が１ｎｍよりも小さくなるかシリコン粒子が形成しない。また照射時間を必要以上に長くしても、それ以上結晶質シリコン粒子が成長しなくなる。
【００４２】
また、照射するレーザーのビーム径については、ミクロンオーダーまで微細化することが可能である。従って、ＳｉＯｘ成形体や膜に、微細なレーザービームの走査線を照射することによって、結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ粒子を非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ粒子のマトリックスの中に、パターン状に形成させることができる。この手法により、ＳｉＯｘからなる絶縁性マトリックス上に、半導体の結晶質シリコン粒子を微細パターン状に形成させて、新規な電子部品等の半導体素子として使用することができる。また、当該ＳｉＯｘ粒子は、１〜１０ｎｍの大きさの結晶質シリコンを含有していることから、橙色に発光するフォトルミネッセンス（ＰＬ）を呈するので、発光素子としても有用である。
【００４３】
尚、ＳｉＯｘ粒子中の結晶質シリコン粒子の大きさは、先の非晶質シリコン粒子と同様、ラマンスペクトルから求めることができる。また粒子が結晶質であることは、Ｘ線回折測定又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察等によって確認することができる。
【実施例１】
【００４４】
以下、実施例、比較例をあげて更に詳細に本発明を説明する。
【００４５】
（実施例１〜５、比較例１〜３）モノシランガス、窒素ガス、酸素ガス（いずれも、純度が９９．９９９質量％以上）を用意し、それぞれのガスを、質量流量計を通じて石英ガラス製反応容器（内径６０ｍｍ×長さ１５００ｍｍ）に導入した。モノシランガスは、石英ガラス製のモノシランガス導入管（内径５ｍｍ）を通し、窒素ガスと混合して反応容器内に吹き出すようにして供給した。また酸素ガスは、石英ガラス製の酸化性ガス導入管（内径５ｍｍ）を通し、窒素ガスと混合して反応容器内に吹き出すようにして供給し、ＳｉＯｘ粉末を合成した。
【００４６】
ここで、反応容器は、その外周を巻回させたニクロム線ヒーターに通電を行い、所定の反応温度に保たれるように加熱されている。温度調整は、反応容器中央部中心に設置された熱電対で測温し、ニクロム線ヒーターの電力を制御して行った。
【００４７】
反応容器内の圧力は、多くの実験では大気圧下（１０１ｋＰａ）に近い８０〜１００ｋＰａ程度で実施した。反応容器内の大気圧未満の減圧は、排出側に設けた真空ポンプで減圧しつつバルブの開度を調節することによって行った。反応温度、圧力及び他の反応条件は、表１にまとめて示した。
【表１】
【００４８】
生成したＳｉＯｘ粉末は、副生ガス、窒素ガスと共に、排出管から排出され、途中に設けられたバグフィルターで回収された。回収した粉末について、先ずＸ線回折測定によって結晶質シリコン粒子の存否を調べた。
【００４９】
その後、シリコンのモル量をＪＩＳ−Ｒ；６１２４（炭化けい素質研削材の化学分析）に準じて測定し、酸素モル量をＯ／Ｎ同時分析装置（ＬＥＣＯ社製、製品名ＴＣ−４３６）を用いて測定し、それらのモル比からＳｉＯｘ粉のｘ値を算出した。
【００５０】
また、比表面積計（日本ベル製、ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉ）を用い、ＢＥＴ多点法により前記粉末について、比表面積値を測定した。
【００５１】
さらに、顕微ラマン分光装置（ＪＯＢＩＮ ＹＶＯＮ製 製品名ＬａｂＲａｍ ＨＲ−８００）を用いて測定したＳｉのラマンスペクトルのシフト値から、ＳｉＯｘ粉が内包するシリコン粒子の径を算出した。それらの結果を表２に示す。
【表２】
【００５２】
前記のいろいろなＳｉＯｘ粉末に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ、出力、サンプル位置における出力０．１ｍＷ〜１０ｍＷ）又はネオジム：イットリウムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザー（波長５３２．４ｎｍ、出力５〜１００ｍＷ）を所定時間照射した後、先の実施例、比較例と同様にＳｉＯｘ粉が内包するＳｉ粒子について、Ｘ線回折測定による結晶質の存否調査及びラマン分光分析による粒子径算出を行った。それらの結果を表３に示した。
【表３】
【実施例２】
【００５３】
（実施例６、比較例４）実施例１のＳｉＯｘ粉末に、バインダーとして１質量％のポリビニルアルコールを含む水溶液を質量比で１０：１の割合で混合し、粉末成形用金型及びプレス成形機を用いて１０ＭＰａの成形圧で直径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの成形体を作製した後、大気中２５０℃で２時間加熱してバインダーを揮発・乾固させ、さらに大気中５００℃で３０分間加熱・焼成した。
【００５４】
こうして得たＳｉＯｘ成形体の表面に、Ｈｅ−Ｎｅレーザービーム（ビーム径１μｍ、波長６３３ｎｍ、サンプル位置における出力１ｍＷ）を、特定のパターン状にスキャンして照射した。レーザービームを照射した個所を、顕微ラマン分光装置（ＪＯＢＩＮＹＶＯＮ製 製品名ＬａｂＲａｍ ＨＲ−８００）を用いて測定し、得られたＳｉのラマンスペクトルのシフト値から、ＳｉＯｘ成形体が内包するシリコン粒子の径を算出したところ２ｎｍであった。その後、波長３６５ｎｍの紫外線を照射しながら光学顕微鏡で成形体表面を観察した。その結果レーザービームを照射した個所が、スキャンしたパターンと同形状で橙色に発光するフォトルミネッセンス（ＰＬ）が観測されたため、ＳｉＯｘ膜に内包される結晶質シリコン粒子が発光し、光学素子に適用できることが示された。
【００５５】
一方、比較例１のＳｉＯｘ粉末を用い、上記と同様に作製した成形体ではこのような発光（ＰＬ）は認められなかった。
【実施例３】
【００５６】
（実施例７、比較例５）実施例２のＳｉＯｘ粉末に、バインダーとして１質量％のポリビニルブチラールを含むエタノール溶液を、質量比で１０：１２の割合で混合してスラリーを作製した。これを用い、厚さ約０．５ｍｍのタングステン（Ｗ）製の板上に、スクリーン印刷機により厚さ約２０μｍの塗膜を形成した。これをアルゴン中５００℃で１時間加熱してバインダーを揮発させると共に焼成を行った。
【００５７】
得られたＳｉＯｘ膜の表面に、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザービーム（ビーム径１μｍ、波長５３２．４ｎｍ、出力１０ｍＷ）を、特定のパターン状にスキャンして照射した。レーザービームを照射した個所を、顕微ラマン分光装置（前出）を用いて測定し、得られたＳｉのラマンスペクトルのシフト値から、ＳｉＯｘ膜が内包するシリコン粒子の径を算出した結果、５ｎｍであった。その後、ＳｉＯｘ膜の表面に金（Ａｕ）膜を蒸着した。
【００５８】
前記のタングステン、ＳｉＯｘ膜及びＡｕ膜からなる積層体を真空チャンバー内に装入し、次いでガラス板上に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層及び蛍光体層を順に形成させた積層体を、蛍光体層が先の積層体のＡｕ膜面に２．５ｃｍの空間を隔てて平行に対向するように配置した。
【００５９】
真空チャンバー内を１．３３×１０−５Ｐａまで真空排気した後、タングステン、ＳｉＯｘ膜及びＡｕ膜からなる積層体のタングステンとＡｕ膜との間に、Ａｕ膜が陽極となるように１２Ｖの直流電圧を印加し、更にこのＡｕ膜と、ガラス板、ＩＴＯ層及び蛍光体層からなる積層体のＩＴＯ層との間に、ＩＴＯ層が陽極となるように５００Ｖの直流電圧を印加した。その結果、ＳｉＯｘ膜のレーザービーム照射パターンに対応して、ガラス板上の蛍光体層がパターン状に発光したため、タングステン、ＳｉＯｘ膜及びＡｕ膜からなる積層体のＳｉＯｘ膜に内包される結晶質シリコン粒子が電子を放出し、電子部品の一種である冷陰極として適用できることが判った。
【００６０】
一方、比較例２のＳｉＯｘ粉末を用い、上記と同様に作製した膜ではこのような電子放出現象は認められなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、粒径１〜１０ｎｍの結晶質Ｓｉ粒子を内包するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子、粉末、成形体が安定して提供される。そして、本発明の結晶質シリコン粒子はナノサイズの特定な粒径を有しているので、発光、電子放出等の面で特異な現象を生ぜしめるので、いろいろな特性を有する半導体素子が提供される特徴を有している。従い、本発明は、新規な発光素子や電子部品等の機能性材料として種々の用途で好適に使用でき、産業上非常に有用である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶質シリコンを内在するＳｉＯｘ粒子の製造方法、前記製法で得られたＳｉＯｘ粉末、成形体、更に前記成形体から得られる半導体素子、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートルオーダーの粒径を有するシリコン粒子は、単結晶シリコンを初めとするバルクのシリコンとは著しく異なる物理的、化学的性質を有しており、新規機能性材料への応用が期待されている。
【０００３】
半導体や金属等の超微粒子のうち、電子の波長（１０ｎｍ程度）より小さい、言い換えればナノメートルオーダー以下の粒径を有するものは、電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるため、バルク体とは異なる特異な物性を示すことが知られている。
【０００４】
各種半導体材料の中で最も重要な位置を占めるシリコンについても、その粒径がナノサイズまで微細化された粒子について、シリコン単結晶のバルク体とは異なる波長の発光が報告されており、バンド構造や表面準位効果がバルク体とは異なるものになっていることが示されている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】日経先端技術２００３．０１．２７号、１〜４頁
【０００５】
ナノメートルオーダー以下の粒径を有する結晶質シリコン粒子は、数個から数百個のシリコン原子からなる集合体で、その個数に応じて数オングストロームから数ｎｍの粒径をとり、例えばＳｉ１０ならば６オングストローム（０．６ｎｍ）前後となる。
【０００６】
また、構造的には、バルク体のシリコン単結晶と同様にダイヤモンド構造を有する結晶質シリコン粒子の他に、ダイヤモンド構造をとらない結晶質シリコン粒子も存在する。
【０００７】
このように結晶質シリコン粒子は様々な大きさや原子配置をとることが出来、それぞれに異なる物性を発現する。したがってサイズや原子配列が適切に制御された結晶質シリコン粒子を作製することができれば、新機能性材料に適用できる可能性がある。
【０００８】
従来、ナノメートルオーダー以下の粒径を有する結晶質シリコン粒子を製造する方法としては、気体状シリコン化合物に紫外光レーザービームを照射する方法（特許文献１参照）、シリコンターゲットのレーザーアブレーションを行う方法（特許文献２参照）、アルゴンプラズマ中でＳｉＨ２ラジカルからＳｉ単結晶微粒子の核を生成した後に結晶成長させる方法（特許文献３参照）、非晶質シリコン膜にレーザー光を照射する方法（特許文献４参照）等、が知られている。
【特許文献１】特開平０６−０７２７０５号公報。
【特許文献２】特開２００１−２５７３６８公報。
【特許文献３】特開２００２−０７６３５８公報。
【特許文献４】特開２００２−１７６１８０公報。
【０００９】
特許文献１、２の方法で得られる結晶質シリコン粒子は、単独のシリコン粒子である。特許文献３の方法で得られるシリコン粒子は、単独のシリコン粒子であるが必要に応じ表面が酸化物膜や窒化物膜等によって被覆される。これらの結晶質シリコン粒子は、基材上で特定のパターンに配列して半導体素子を形成させようとする場合、ナノメートルオーダーの微細な粒子であるため、配列が困難であるという問題点を有する。
【００１０】
また、特許文献４の方法で得られる結晶質シリコン粒子は、非晶質シリコン膜中に存在するため、レーザー光の照射方法によって、粒子をパターン状に配列させて形成することも可能ではあるが、マトリックスが絶縁体ではなく、結晶質シリコン粒子と同様に半導体の非晶質シリコンであり、配列粒子とマトリックスの電気的特性が類似しているため、そのままでは半導体素子として機能させることが困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記従来技術の状況に鑑みてなされたもので、ナノメートルオーダーの結晶質シリコン粒子を提供すること、そしてこれを半導体素子として利用できるようにすることを最終目的としてなされたものである。
【００１２】
本発明者は、半導体素子として利用可能なように結晶質シリコン粒子を特定のパターンで容易に配列できる方法について種々検討していた経過において、ＳｉＯｘ（ｘ＝０．５〜２．０）粉末を用いて、これに光を照射することによって、１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子が形成できるという新たな知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１３】
また、本発明者は、前記検討の過程に於いて、更に、前記の結晶質シリコン粒子はＳｉＯｘ粒子中に形成されるため、結晶質シリコンを内在するＳｉＯｘ粒子からなる粉末（以下、ＳｉＯｘ粉末という）を成形体（膜状或いは所望形状の肉薄の塊状体等を含む）にした後に、前記成形体に光をパターン状に照射することによって、絶縁性のＳｉＯｘマトリックス中に結晶質シリコン粒子が特定のパターンで配列した半導体素子が形成できること、及びこれが発光素子あるいは電子部品として利用できること、を新たに見出し、本発明に至ったものである。
【００１４】
即ち、本発明は、より具体的には、１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を提供すること、また前記シリコン粒子がＳｉＯｘマトリックス中に配列してなり、発光素子或いは電子部品として利用可能な半導体素子を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子に、光、好ましくはレーザー光、を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子とすることを特徴とするＳｉＯｘ粒子の製造方法であり、好ましくは、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子が、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得たものであることを特徴とする前記のＳｉＯｘ粒子の製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記のＳｉＯｘ粒子の製造方法で得られたＳｉＯｘ粒子からなることを特徴とするＳｉＯｘ粉末であり、前記粉末を用いてなることを特徴とする半導体素子である。
【００１７】
さらに、本発明は、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得た、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含有する粉末を、成形して成形体とした後、当該成形体に光、好ましくはレーザー光、を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含む成形体とすることを特徴とするＳｉＯｘ成形体の製造方法であり、前記ＳｉＯｘ成形体の製造方法で得られた成形体を用いてなることを特徴とする半導体素子である。
【００１８】
加えて、本発明は、前記の半導体素子を用いてなることを特徴とする発光素子である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内包するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粉末、成形体又は膜が提供されるが、当該結晶質シリコン粒子はナノサイズの粒径であるが故に、電子の運動に対するサイズ有限性の影響を大きく受け、Ｓｉ単結晶バルク体では見られない、発光、電子放出等の特異な現象を生ぜしめる特徴を呈する。そして、本発明の結晶質シリコン粒子を内包するＳｉＯｘ粉末、成形体は半導体素子を提供することができ、新規な発光素子や電子部品等の機能性材料として種々の用途で好適に使用できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、特定のＳｉＯｘ粒子に、光を照射して、前記ＳｉＯｘ粒子内に特定粒径の結晶質シリコン粒子を形成せしめることを本質的としている。
【００２１】
本発明に用いられるＳｉＯｘ粒子については、粒径０．５〜５ｎｍ、更に好ましくは０．５〜３ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子であれば良い。前記ＳｉＯｘ粒子は、前記の特徴を有するものであれば、その製造履歴には拠らないが、次に示す方法が容易に安定して得ることができるので、好ましい。
【００２２】
即ち、原料にモノシランガスを用い、これを酸化する時に、低温でＳｉＯｘ粒子を形成することが可能となり、モノシランガス以外のケイ素含有ガスを酸化する方法において発生しやすい、炉材等からの不純物混入を極限まで低下させることができる。そして、その結果として、原料にモノシランガスを用いて、これを酸化する時には、生成するＳｉＯｘ粒子、それからなるＳｉＯｘ粉末が高純度で、超微粉のものが得られる。更に、理由は明らかでないが、原料にモノシランガスを用いて、これを酸化する方法に拠る時には、広い製造条件範囲に於いて、得られるＳｉＯｘ粒子中には粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコンを内在させることができるので、本発明に用いるＳｉＯｘ粒子が容易に安定して得られるという特徴がある。
【００２３】
前記の方法で用いるモノシラン（ＳｉＨ４）ガスは、市販品を用いることができる。モノシランガスは、塩素を構成成分としていない点でトリクロルシラン等のシラン系ガスよりも環境に及ぼす負荷が低く、優れている。また、モノシランの酸化性ガス（以下、単に「酸化性ガス」という。）としては、酸素ガス、乾燥空気の他に、モノシランに対して酸化性を有する例えばＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等のガスを用いることができる。これらの酸化性ガスは、不純物が極限まで除去されていることが好ましい。
【００２４】
モノシランガスと酸化性ガスの反応は、圧力１０〜１０００ｋＰａの非酸化性ガス雰囲気下、温度５００〜１０００℃で行わせることが好ましい。圧力が１０ｋＰａ未満であると、生成したＳｉＯｘが膜状に生成するので、反応容器壁面に付着成長し、排出部を閉塞することから、長期操業が容易でなくなることがある。一方、１０００ｋＰａをこえると、反応装置の耐圧を高めるのに大がかりな設備が必要になるうえ、不純物が増加する傾向となるから好ましくない。前記圧力範囲の中で、より好ましい圧力は、５０〜３００ｋＰａである。
【００２５】
また、反応場の温度が５００℃未満であると、主としてＳｉＯ２が生成し易く、また１０００℃をこえるとＳｉの単体が生成し易くなると共に、炉材等からの不純物がより多く混入する恐れが高くなることから、いずれの場合も高純度・超微粉ＳｉＯｘ粉の製造が容易でなくなる。前記温度範囲の中では、５５０〜９５０℃がより好ましく、更に６５０〜８５０℃が一層好ましい範囲である。
【００２６】
モノシランガスと酸化性ガスの反応は、必要に応じて、非酸化性ガスからなる希釈ガスの存在下で行われる。これによって、生成したＳｉＯｘ粉の容器壁への付着をより少なくすることができる。非酸化性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムのような不活性ガスが最適であるが、反応を妨げない範囲で、Ｈ２、Ｎ２、ＮＨ３、ＣＯ等を用いることもできる。
【００２７】
酸化性ガスとして乾燥空気を用いた場合、非酸化性ガスと酸化性ガスの両方を用いたことになる。非酸化性ガスの量は、モノシランガス量と酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量との合計量よりも多くすることが好ましく、モル比で２倍以上、特に１０倍以上であることが好ましい。ここで、酸化性ガスの酸化反応に与る酸素量とは、たとえば乾燥空気の場合には、それに含まれる酸素量であり、ＮＯ２とＣＯ２の場合は、それを構成する酸素原子分の酸素量である。
【００２８】
モノシランガスを酸化する場合の反応容器としては、石英ガラス等の高純度材料で製作されたものが使用できる。その形状は、底付きのコップ形状とすることもできるが、管状が好ましく、その向きは縦型設置、横型設置のいずれであっても良い。反応容器の加熱方法については、抵抗加熱発熱体、高周波加熱、赤外輻射加熱等の手段を用いることができる。
【００２９】
反応容器内で生成したＳｉＯｘ粉末は、非酸化性ガス及び副成ガスと共に系外に排出され、バッグフィルター等の従来公知の粉末回収装置を用いて回収される。
【００３０】
モノシランガスと酸化性ガスの比率を変えることによって、ｘ値すなわちＯ／Ｓｉモル比の異なるＳｉＯｘ粉末を制御して製造できる。
【００３１】
本発明に係るＳｉＯｘ粒子のｘ値は０．５以上２．０未満である。ｘ値が０．５未満であると、内包される非晶質シリコン粒子の大きさが１ｎｍを超えてしまい、レーザー光を照射しても粉末内部に粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子が生成しなくなるので望ましくない。本発明者の実験的検討に基づけば、好ましいｘ値は０．８〜１．６である。尚、ｘ値は、ＳｉＯｘ中のＳｉモル量をＪＩＳ−Ｒ；６１２４（炭化けい素質研削材の化学分析）に準じて測定し、また酸素モル量をＯ／Ｎ同時分析装置（例えばＬＥＣＯ社「ＴＣ−４３６」）を用いて測定し、それらのモル比から算出することができる。
【００３２】
本発明の原料のＳｉＯｘ粒子について、非晶質シリコン粒子を内包すること並びに当該非晶質シリコン粒子の大きさは、粉末Ｘ線回折測定及びラマン分光分析におけるシリコン粒子に帰属されるピークの有無、位置及び形態によって確認できる。内包されるシリコン粒子が非晶質の場合、Ｘ線回折図に結晶質シリコン特有の回折線が認められない。また、シリコンのラマンスペクトルのピーク位置（ラマンシフト値）及びラマンスペクトルの線幅は、粒子径が小さくなるにつれて、大型のシリコン結晶の値とは異なることが明らかにされており、これらのラマンシフト値や線幅を測定することによって、シリコン粒子径を算出することができる（非特許文献２〜３参照）。
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０，２０８６（１９９２）
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６９（２），２００（１９９６）
【００３３】
次に、前記ＳｉＯｘ粒子より、光を照射することによって、本発明の粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を得る方法について、詳述する。
【００３４】
本発明において、光を照射する際におけるＳｉＯｘの形態は粉末のままでも良いが、膜や薄肉の塊状体等の成形体とすることが、後述する用途に直ぐに適用可能である成形体を容易に得られることから、好ましい。
【００３５】
成形体を形成する方法は、例えば粉末を成形用金型に充填した後プレス成形する方法や、さらにその後冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形する方法等が挙げられる。一方、膜を形成する方法は、例えば水または有機溶剤及び必要に応じこれらに少量の結合剤（バインダー）を溶解させた溶媒中にＳｉＯｘ粉末を分散させたスラリーを作製し、これを基材に塗布後加熱してバインダーを揮発させると同時に乾固させる方法等が挙げられる。
【００３６】
前記の方法で得た成形体は、そのまま用いても良いが、機械的強度を付与するため加熱・焼成後に用いても良い。但し、加熱・焼成温度が６００℃以上になると、ＳｉＯｘ中に結晶質シリコン粒子がランダムに発生し始め、ＳｉＯｘ中に結晶質シリコン粒子を所定の配置となるように形成できなくなるので、６００℃未満の温度で加熱・焼成しなければならない。
【００３７】
本発明において光を用いることが本質的であり、光が照射された場合に、好ましくはレーザー光が照射された場合に、結晶質シリコン粒子が形成される。この理由については明らかではないが、０．５〜５ｎｍ、すなわちナノメートルオーダー以下の粒径を有する非晶質シリコン粒子は、電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるため、バルク体とは異なる特異な光応答性を有すると考えられ、この特性が関与していると考えられる。
【００３８】
本発明における光として特にレーザー光が好適に用いられる。この理由についても明らかではないが、レーザー光が他の光とは異なり、レーザー独自の性質を有すること、例えば色々な光が混じり合っておらず純粋な一つの色の光であること（単色性）や光の位相が揃っているため干渉性が良いこと（可干渉性）、或いは収束させれば太陽光の数百倍ものパワー密度が得られること（高出力性）等が関与していると考えられる。
【００３９】
本発明で用いられる光としては、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、アークランプ、アルゴンランプ、クリプトンランプ、キセノンランプ、発光ダイオード等を光源とする光を用いることができる。これらの光はそのまま用いても良いが、分光した後フィルターを通して単色化して用いることもできるし、レンズを用いて集束させて用いることもできる。また、レーザー光としては、発振源がヘリウム−ネオン、アルゴン、二酸化炭素等からなる気体レーザー、有機色素溶液からなる液体レーザー、ルビー、ネオジム：イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、ネオジム：イットリウムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）等からなる固体レーザー又はインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）等からなる半導体レーザーの何れであっても用いることができる。
【００４０】
以下、光に関しては、レーザー光の適用を中心に説明する。本発明において好適なレーザー光の出力値は、発振源の種類によって異なるが、例えば励起波長６３３ｎｍのヘリウム−ネオンレーザーの場合には０．１〜１０ｍＷ、波長５３２．４ｎｍのネオジム：イットリウムバナデートレーザーの場合には、５〜１００ｍＷ等である。出力値が小さいと結晶質シリコン粒子の径が１ｎｍ未満になるか又は結晶質粒子自体が形成しない。また出力値が大きいと結晶質シリコン粒子の粒径が１０ｎｍを超えてしまう。
【００４１】
一方、好適なレーザー光の照射時間は、発振源の種類によって異なるが、大凡１０秒〜１時間程度である。照射時間が短いと結晶質シリコン粒子の径が１ｎｍよりも小さくなるかシリコン粒子が形成しない。また照射時間を必要以上に長くしても、それ以上結晶質シリコン粒子が成長しなくなる。
【００４２】
また、照射するレーザーのビーム径については、ミクロンオーダーまで微細化することが可能である。従って、ＳｉＯｘ成形体や膜に、微細なレーザービームの走査線を照射することによって、結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ粒子を非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ粒子のマトリックスの中に、パターン状に形成させることができる。この手法により、ＳｉＯｘからなる絶縁性マトリックス上に、半導体の結晶質シリコン粒子を微細パターン状に形成させて、新規な電子部品等の半導体素子として使用することができる。また、当該ＳｉＯｘ粒子は、１〜１０ｎｍの大きさの結晶質シリコンを含有していることから、橙色に発光するフォトルミネッセンス（ＰＬ）を呈するので、発光素子としても有用である。
【００４３】
尚、ＳｉＯｘ粒子中の結晶質シリコン粒子の大きさは、先の非晶質シリコン粒子と同様、ラマンスペクトルから求めることができる。また粒子が結晶質であることは、Ｘ線回折測定又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察等によって確認することができる。
【実施例１】
【００４４】
以下、実施例、比較例をあげて更に詳細に本発明を説明する。
【００４５】
（実施例１〜５、比較例１〜３）モノシランガス、窒素ガス、酸素ガス（いずれも、純度が９９．９９９質量％以上）を用意し、それぞれのガスを、質量流量計を通じて石英ガラス製反応容器（内径６０ｍｍ×長さ１５００ｍｍ）に導入した。モノシランガスは、石英ガラス製のモノシランガス導入管（内径５ｍｍ）を通し、窒素ガスと混合して反応容器内に吹き出すようにして供給した。また酸素ガスは、石英ガラス製の酸化性ガス導入管（内径５ｍｍ）を通し、窒素ガスと混合して反応容器内に吹き出すようにして供給し、ＳｉＯｘ粉末を合成した。
【００４６】
ここで、反応容器は、その外周を巻回させたニクロム線ヒーターに通電を行い、所定の反応温度に保たれるように加熱されている。温度調整は、反応容器中央部中心に設置された熱電対で測温し、ニクロム線ヒーターの電力を制御して行った。
【００４７】
反応容器内の圧力は、多くの実験では大気圧下（１０１ｋＰａ）に近い８０〜１００ｋＰａ程度で実施した。反応容器内の大気圧未満の減圧は、排出側に設けた真空ポンプで減圧しつつバルブの開度を調節することによって行った。反応温度、圧力及び他の反応条件は、表１にまとめて示した。
【表１】
【００４８】
生成したＳｉＯｘ粉末は、副生ガス、窒素ガスと共に、排出管から排出され、途中に設けられたバグフィルターで回収された。回収した粉末について、先ずＸ線回折測定によって結晶質シリコン粒子の存否を調べた。
【００４９】
その後、シリコンのモル量をＪＩＳ−Ｒ；６１２４（炭化けい素質研削材の化学分析）に準じて測定し、酸素モル量をＯ／Ｎ同時分析装置（ＬＥＣＯ社製、製品名ＴＣ−４３６）を用いて測定し、それらのモル比からＳｉＯｘ粉のｘ値を算出した。
【００５０】
また、比表面積計（日本ベル製、ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉ）を用い、ＢＥＴ多点法により前記粉末について、比表面積値を測定した。
【００５１】
さらに、顕微ラマン分光装置（ＪＯＢＩＮ ＹＶＯＮ製 製品名ＬａｂＲａｍ ＨＲ−８００）を用いて測定したＳｉのラマンスペクトルのシフト値から、ＳｉＯｘ粉が内包するシリコン粒子の径を算出した。それらの結果を表２に示す。
【表２】
【００５２】
前記のいろいろなＳｉＯｘ粉末に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ、出力、サンプル位置における出力０．１ｍＷ〜１０ｍＷ）又はネオジム：イットリウムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザー（波長５３２．４ｎｍ、出力５〜１００ｍＷ）を所定時間照射した後、先の実施例、比較例と同様にＳｉＯｘ粉が内包するＳｉ粒子について、Ｘ線回折測定による結晶質の存否調査及びラマン分光分析による粒子径算出を行った。それらの結果を表３に示した。
【表３】
【実施例２】
【００５３】
（実施例６、比較例４）実施例１のＳｉＯｘ粉末に、バインダーとして１質量％のポリビニルアルコールを含む水溶液を質量比で１０：１の割合で混合し、粉末成形用金型及びプレス成形機を用いて１０ＭＰａの成形圧で直径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの成形体を作製した後、大気中２５０℃で２時間加熱してバインダーを揮発・乾固させ、さらに大気中５００℃で３０分間加熱・焼成した。
【００５４】
こうして得たＳｉＯｘ成形体の表面に、Ｈｅ−Ｎｅレーザービーム（ビーム径１μｍ、波長６３３ｎｍ、サンプル位置における出力１ｍＷ）を、特定のパターン状にスキャンして照射した。レーザービームを照射した個所を、顕微ラマン分光装置（ＪＯＢＩＮＹＶＯＮ製 製品名ＬａｂＲａｍ ＨＲ−８００）を用いて測定し、得られたＳｉのラマンスペクトルのシフト値から、ＳｉＯｘ成形体が内包するシリコン粒子の径を算出したところ２ｎｍであった。その後、波長３６５ｎｍの紫外線を照射しながら光学顕微鏡で成形体表面を観察した。その結果レーザービームを照射した個所が、スキャンしたパターンと同形状で橙色に発光するフォトルミネッセンス（ＰＬ）が観測されたため、ＳｉＯｘ膜に内包される結晶質シリコン粒子が発光し、光学素子に適用できることが示された。
【００５５】
一方、比較例１のＳｉＯｘ粉末を用い、上記と同様に作製した成形体ではこのような発光（ＰＬ）は認められなかった。
【実施例３】
【００５６】
（実施例７、比較例５）実施例２のＳｉＯｘ粉末に、バインダーとして１質量％のポリビニルブチラールを含むエタノール溶液を、質量比で１０：１２の割合で混合してスラリーを作製した。これを用い、厚さ約０．５ｍｍのタングステン（Ｗ）製の板上に、スクリーン印刷機により厚さ約２０μｍの塗膜を形成した。これをアルゴン中５００℃で１時間加熱してバインダーを揮発させると共に焼成を行った。
【００５７】
得られたＳｉＯｘ膜の表面に、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザービーム（ビーム径１μｍ、波長５３２．４ｎｍ、出力１０ｍＷ）を、特定のパターン状にスキャンして照射した。レーザービームを照射した個所を、顕微ラマン分光装置（前出）を用いて測定し、得られたＳｉのラマンスペクトルのシフト値から、ＳｉＯｘ膜が内包するシリコン粒子の径を算出した結果、５ｎｍであった。その後、ＳｉＯｘ膜の表面に金（Ａｕ）膜を蒸着した。
【００５８】
前記のタングステン、ＳｉＯｘ膜及びＡｕ膜からなる積層体を真空チャンバー内に装入し、次いでガラス板上に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層及び蛍光体層を順に形成させた積層体を、蛍光体層が先の積層体のＡｕ膜面に２．５ｃｍの空間を隔てて平行に対向するように配置した。
【００５９】
真空チャンバー内を１．３３×１０−５Ｐａまで真空排気した後、タングステン、ＳｉＯｘ膜及びＡｕ膜からなる積層体のタングステンとＡｕ膜との間に、Ａｕ膜が陽極となるように１２Ｖの直流電圧を印加し、更にこのＡｕ膜と、ガラス板、ＩＴＯ層及び蛍光体層からなる積層体のＩＴＯ層との間に、ＩＴＯ層が陽極となるように５００Ｖの直流電圧を印加した。その結果、ＳｉＯｘ膜のレーザービーム照射パターンに対応して、ガラス板上の蛍光体層がパターン状に発光したため、タングステン、ＳｉＯｘ膜及びＡｕ膜からなる積層体のＳｉＯｘ膜に内包される結晶質シリコン粒子が電子を放出し、電子部品の一種である冷陰極として適用できることが判った。
【００６０】
一方、比較例２のＳｉＯｘ粉末を用い、上記と同様に作製した膜ではこのような電子放出現象は認められなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、粒径１〜１０ｎｍの結晶質Ｓｉ粒子を内包するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子、粉末、成形体が安定して提供される。そして、本発明の結晶質シリコン粒子はナノサイズの特定な粒径を有しているので、発光、電子放出等の面で特異な現象を生ぜしめるので、いろいろな特性を有する半導体素子が提供される特徴を有している。従い、本発明は、新規な発光素子や電子部品等の機能性材料として種々の用途で好適に使用でき、産業上非常に有用である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子に、光を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子とすることを特徴とするＳｉＯｘ粒子の製造方法。
【請求項２】
光がレーザー光であることを特徴とする請求項１記載のＳｉＯｘ粒子の製造方法。
【請求項３】
粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子が、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得たものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＳｉＯｘ粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２又は請求項３記載のＳｉＯｘ粒子の製造方法で得られたＳｉＯｘ粒子からなることを特徴とするＳｉＯｘ粉末。
【請求項５】
請求項４記載の粉末を用いてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項６】
モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得た、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含有する粉末を、成形して成形体とした後、当該成形体に光を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含む成形体とすることを特徴とするＳｉＯｘ成形体の製造方法。
【請求項７】
光がレーザー光であることを特徴とする請求項６記載のＳｉＯｘ成形体の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載されたＳｉＯｘ成形体の製造方法で得られた成形体を用いてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項９】
請求項５又は請求項８に記載された半導体素子を用いてなることを特徴とする発光素子。
【請求項１】
粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子に、光を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子とすることを特徴とするＳｉＯｘ粒子の製造方法。
【請求項２】
光がレーザー光であることを特徴とする請求項１記載のＳｉＯｘ粒子の製造方法。
【請求項３】
粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子が、モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得たものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＳｉＯｘ粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２又は請求項３記載のＳｉＯｘ粒子の製造方法で得られたＳｉＯｘ粒子からなることを特徴とするＳｉＯｘ粉末。
【請求項５】
請求項４記載の粉末を用いてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項６】
モノシランガスとモノシランガスを酸化するための酸化性ガスとを、圧力１０〜１０００ｋＰａ、温度５００〜１０００℃の条件下で反応して得た、粒径０．５〜５ｎｍの非晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含有する粉末を、成形して成形体とした後、当該成形体に光を照射して、粒径１〜１０ｎｍの結晶質シリコン粒子を内在するＳｉＯｘ（Ｘは０．５以上２．０未満）粒子を含む成形体とすることを特徴とするＳｉＯｘ成形体の製造方法。
【請求項７】
光がレーザー光であることを特徴とする請求項６記載のＳｉＯｘ成形体の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載されたＳｉＯｘ成形体の製造方法で得られた成形体を用いてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項９】
請求項５又は請求項８に記載された半導体素子を用いてなることを特徴とする発光素子。
【公開番号】特開２００６−８９３５６（Ｐ２００６−８９３５６Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８００５３（Ｐ２００４−２８００５３）
【出願日】平成１６年９月２７日（２００４．９．２７）
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人 電気通信大学 (383)
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２７日（２００４．９．２７）
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人 電気通信大学 (383)
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
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