電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法
【課題】低消費電力、高密度、及び大規模のＩＣの用途に適した電界発光ダイオードを実現する。
【解決手段】本発明の電界発光ダイオードは、下部電極１０２と上部電極１０８との間に蛍光体を含む蛍光体層１０６が設けられた構成であって、下部電極１０２は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部１０４を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっているので、低出力及び高密度化を実現することができ、大スケールのＩＣの用途に適したものになる。
【解決手段】本発明の電界発光ダイオードは、下部電極１０２と上部電極１０８との間に蛍光体を含む蛍光体層１０６が設けられた構成であって、下部電極１０２は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部１０４を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっているので、低出力及び高密度化を実現することができ、大スケールのＩＣの用途に適したものになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料のバンドギャップが直接遷移型あるいは間接遷移型であるかに関わらず、半導体素子（デバイス：device）から発光させることが可能である。高電場の逆バイアスｐｎ接合により、ホットキャリア群が生成される。このホットキャリアは、遊離光量子と再結合する。シリコン素子においては、発光効率が悪い事が知られており、光量子のエネルギーが約２ｅＶであるものがほとんどである。電気エネルギーを可視光エネルギーへ変換することは、電界発光（ＥＬ）と呼ばれている。室温で、少ない電気信号で動作可能な効率的な電界発光素子が製造されてきている。しかしながら、これらの素子は、シリコンと相性が悪い材料（例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、及びＧａＰといったＩＩＩ−Ｖ族の材料）の上に加工される。これら材料のうち１つの基板上に設けられた電界発光素子は、使用される特定の材料に応じて、可視領域を含む狭波長帯域の光を効率的に出射することが可能である。さらに、ＺｎＳｅといったＩＩ−ＶＩ族の材料が使用されている。また、ＺｎＳやＺｎＯといった他のＩＩ−ＶＩ族の材料は、交流バイアス(ac bias)条件下で電界発光を示すことが知られている。これらの素子は、発光素子として利用するために、シリコン上に堆積可能である。ただし、これは特定（従来とは異なる）のＣＭＯＳ工程が実行される場合に限られる。発光装置の他の分類としては、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）、ナノ結晶性シリコン（ｎｃ−Ｓｉ）、及び重合体ＬＥＤが挙げられる。
【０００３】
通常、ダイオードは、電流の伝導が可変可能になっている半導体材料である。導電率を改善するために、不純物またはドーパントが半導体材料に添加されることが多い。発光ダイオード（ＬＥＤ）では、順方向バイアス状態下で、電子はｎドープ領域からｐドープ領域へと流れ、正孔と再結合する。この再結合の間に、電子はエネルギーを失い、そのエネルギーが光エネルギーに変換されて発光するか、または、弾性エネルギーに変換されて熱を発生させる。同様に、正孔は、ｐドープ領域からｎドープ領域へと流れ、電子と再結合して、発光するか、または熱を発生させる。
【０００４】
接続手段として光学素子（発光素子及び光検出素子）が内蔵された大規模な集積回路においては、シリコンと相性が良く、直流電圧(dc voltage)により出力可能な、簡易でかつ効率的な発光素子が要望されている。シリコンベースの電界発光素子は、従来の金属処理と比較して、より迅速でありかつ信頼性がある、信号結合の手段を可能にする。大きなシステムオンチップ型(system-on-chip)の装置のチップ内配線(intra-chip connection)においては、光学手段による信号の経路設定(routing)が要望されている。チップ間通信(inter-chip communication)においては、導波路、または離間したシリコン部材間の光学的な結合により、チップ間の電気的接続がない状態での実装が可能になる。小型ディスプレイにおいては、可視光の小さな点光源を生成する方法により、簡単でかつ安価なディスプレイが形成可能になる。
【０００５】
Ｊ．Ｒｕａｎらは、ナノシリコン超格子発光素子の構造を提案している。この発光素子は、ナノシリコン層／酸化物層の重層からなる。この照射中心(radiation center)は、Ｓｉ＝Ｏ結合になっている。
【０００６】
Ｐｏｌｍａｎらは、ドーピングシリコンベースのエルビウム（Ｅｒ）含有材料（Ｅｒ密度が１０１９／ｃｍ２オーダーである）を提案している。このシリコンベースの材料は、純ケイ素(pure Si)、シリコン酸化物、ドープシリコン酸化物、またはガラスであってもよい。上述のＥｒ密度は、Ｓｉに対するＥｒの固体溶解度を増加させるために、酸化物との共ドープを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術では、以下の問題を生じる。
【０００８】
具体的には、Ｊ．Ｒｕａｎらにより提案された技術では、電子−正孔対(electron-hole pairs)を生成するために、高い交差極性を有する電圧パルスが必要になる。
【０００９】
また、Ｐｏｌｍａｎらにより提案された技術では、Ｅｒの照射中心が発光するためには、高エネルギーの電子及び正孔を生成し、Ｅｒドープ材料へ注入させる必要がある。
【００１０】
低出力、高密度、及び大スケールのＩＣの用途に適したシリコン電界発光ダイオードが製造されれば、好都合である。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低消費電力、高密度、及び大規模のＩＣの用途に適した電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の電界発光ダイオードは、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードであって、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の電界発光ダイオードは、ナノ突起ダイオード部に電界を発生させることにより発光する。それゆえ、大きな領域に電界を印加した場合と比較して、微小な領域に電圧を印加した場合の方が、同じ電圧でも高い電界強度を発生させることが可能になる。すなわち、上記の構成によれば、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっているので、低い電圧で印加しても強い電界強度を得ることができ、低い消費電力でも効率よく発光させることができる。また、ナノ突起ダイオード部における微小突起の面積が小さいため、ＩＣチップの限られた面積中に多数の微小突起を配置することが可能になり、高密度ＩＣを実現することができる。
【００１４】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記微小突起は、下部電極表面に形成されたｐドープシリコンからなるｐドープシリコン下端部と、上記ｐドープシリコン下端部に接続しており、ｎ＋ドープシリコンからなるｎ＋ドープシリコン上端部とを備えていることが好ましい。
【００１５】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなっていることが好ましい。
【００１６】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記蛍光体層には、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、及びテルビウム（Ｔｂ）の含む集団から選択された希土類元素がドープされていることが好ましい。
【００１７】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記上部電極は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、及び導電性プラスチックの含む集団から選択された材料からなっていることが好ましい。
【００１８】
本発明の電界発光ダイオードアレイは、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードが複数配列された電界発光ダイオードアレイであって、上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光素子の製造方法であって、上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がｐｎ接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成することを特徴としている。
【００２０】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、下部電極表面に、反応性イオンエッチングを施し、マスクとしての反応性イオンエッチング誘導ポリマーグラスを形成するマスク形成段階を含み、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングする一方、上記マスクに覆われている下部電極表面の領域にナノ突起ダイオード部を形成することが好ましい。
【００２１】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、ｐドープシリコン下端部としてのｐウェルを形成するｐウェル形成段階と、ｐウェルを覆うように、ｎ＋ドープシリコン上端部としてのｎ＋層を形成するｎ＋層形成段階とを含み、上記マスク形成段階では、ｎ＋層に反応性イオンエッチングを施し、ポリマーグラスを形成することが好ましい。
【００２２】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、マスクとしてのポリマーグラスに覆われていない上記ｎ＋層表面をエッチングし、ｐウェルを露出させることが好ましい。
【００２３】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記マスク形成段階では、下部電極表面に、酸素と四フッ化炭素との混合ガスを導入し、高周波励振下で反応性イオンエッチングを施すことが好ましい。
【００２４】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いて上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングし、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）ガスを用いて、エッチングされた下部電極表面を安定化することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電界発光ダイオードは、以上のように、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっている構成である。
【００２６】
また、本発明の電界発光ダイオードアレイは、以上のように、上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられている構成である。
【００２７】
また、本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、以上のように、上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がｐｎ接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成する構成である。
【００２８】
それゆえ、低い電圧で印加しても強い電界強度を得ることができ、低い消費電力でも効率よく発光させることができる。また、ナノ突起ダイオード部における微小突起の面積が小さいため、ＩＣチップの限られた面積中に多数の微小突起を配置することが可能になり、高密度ＩＣを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
概して集積回路（ＩＣ）作製に関するものであり、より具体的には、ナノ突起ダイオード部を使用して作製された電界発光素子に関するものである。
【００３０】
本発明の一実施形態について図１ないし図９に基づいて説明すると以下の通りである。
【００３１】
図１は、シリコン微小突起を有する電界発光（ＥＬ）ダイオードの部分断面図である。電界発光ダイオード１００は、複数のナノメートルオーダーの微小突起からなるダイオード部（以下、ナノ突起ダイオード部と記す）１０４を有する下部電極（ＢＥ）１０２と、上記ナノ突起ダイオード部１０４を覆う蛍光体層１０６とを備えている。上部電極（ＴＥ）１０８は、蛍光体層１０６を覆うように形成されている。図示されているように、蛍光体層１０６は、平坦な上面１１０を有しており、この上面１１０は、ナノ突起ダイオード部の端部１１２と同一平面上になっている。すなわち、蛍光体層の上面１１０は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）といった平坦化処理により形成されたものである。この平坦化処理では、堆積された蛍光体層の材料の一部を取り除き、ナノ突起ダイオード部の端部１１２のごく一部を含んだ状態にしている。
【００３２】
ここでいう「微小突起」とは、「ナノメートルオーダーの微小突起」のことを意味するものであり、一般的には「ｎａｎｏｔｉｐ」として知られている。また、「ナノメートルオーダー」とは、ナノメートル単位で表すことが可能な寸法であり、具体的には、１ナノメートルから５００ナノメートルまでの範囲にある寸法のことをいう。そして、この微小突起は、ある特定の物理的性質、形状、または寸法に限定されるものではない。微小突起は、ナノロッド、ナノチューブ、またはナノワイヤーとして知られているものであってもよい。また、ここでは示さないが、微小突起は、中空構造を形成していてもよい。さらに、ここでは示さないが、微小突起は、複数のチップ端から形成されていてもよい。微小突起１０４は、略鉛直、すなわち下部電極１０２の（水平）面に対し垂直に形成されている。しかしながら、微小突起の下部電極に対する配向(orientation)は、これに限定されるものではない。
【００３３】
図２は、完成前の製造工程における、図１の電界発光素子の部分断面図である。図２に示されるように、一時的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）用のポリマーグラスエッチングマスク２００が、シリコン（Ｓｉ）からなるｎ＋層２０４を覆うように形成されている。ｎ＋層２０４は、ｐウェル２０６を覆うように形成されている。図１のナノ突起ダイオード部は、上記一時マスク（ポリマーグラスエッチングマスク２００）のほぼ下にある領域に位置するようになっている。すなわち、各ナノ突起ダイオード部は、マスク２００のスタンプ(stump)２０２の下になるように形成される。なお、上記製造工程のさらなる詳細については、後述する。
【００３４】
図３は、図１を詳細に示す部分断面図である。下部電極１０２は、シリコン（Ｓｉ）の上面３００を含むものである。各ナノ突起ダイオード部１０４は、シリコン（Ｓｉ）からなるｐドープ下端部３０２と、シリコン（Ｓｉ）からなるｎ＋上端部３０４とを含むものである。ｐドープ下端部３０２は、下部電極の上面３００に接触して(attached)形成されており、ｎ＋上端部３０４は、ｐドープ下端部３０２に連結している。各ナノ突起ダイオード部１０４は、ｐｎ接合構造になっている。ｐドープ下端部３０２の長さ３０６は、２ナノメートル（ｎｍ）よりも大きくなっている。また、ｎ＋上端部３０４の長さは、１０ｎｍよりも大きくなっている。なお、図３では、ｐドープ下端部とｎ＋上端部とがほぼ同じ長さになっているが、必ずしも同じである必要はない。
【００３５】
ナノ突起ダイオード部１０４は、基底幅(a base size)３０８を有している。基底幅３０８は、約５０ナノメーター以下である。また、ナノ突起ダイオード部１０４は、突起高さ３１０を有している。この突起高さ３１０は、５ｎｍから５０ｎｍまでの範囲内である。また、ナノ突起ダイオード部１０４は、１平方マイクロメートルあたり１００（個）よりも多い密度となっている。すなわち、一般的に、下部電極１０２の１平方マイクロメートルの領域から成長しているナノ突起ダイオード部の数は、１００よりも大きい。
【００３６】
再び図１に戻って、一形態として、蛍光体層１０６がシリコン酸化物（ＳｉＯｘ、ここでｘは２未満）からなる蛍光体層である。例えば、ＳｉＯｘからなる蛍光体層１０６は、シリコン過剰シリコン酸化物（ＳＲＳＯ）層である。他の一例としては、蛍光体層１０６は、希土類元素がドープされた絶縁体からなっている。ここで、希土類は、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、またはテルビウム（Ｔｂ）といった材料である。また、上記絶縁体は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物であってもよい。しかしながら、上記絶縁体の材料として、従来公知の他の絶縁体材料が使用されてもよい。なお、電界発光素子は、特定のＳｉＯｘ蛍光体結晶またはドーピング限界に限定されるものではない。
【００３７】
上部電極１０８は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、または導電性プラスチックといった材料からなっていてもよい。しかしながら、上部電極１０８として、上記の材料以外のものを用いてもよい。
【００３８】
図４は、ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイ（配列）を示す部分断面図である。電界発光ダイオードアレイ４００では、下部電極４０２は互いに隔離した複数の領域を有する。図４では隔離領域４０４ａ・４０４ｂ・４０４ｎが示されている。しかしながら、電界発光ダイオードでは、この領域の数が、ある特定の数に限定されるものではない。隔離された各領域４０４（４０４ａ・４０４ｂ・４０４ｎ）は、複数のナノ突起ダイオード部４０６を備えている。（各ナノ突起ダイオード部の上に）蛍光体層の領域４０８が堆積されて、かつＣＭＰにより平坦化されることで、蛍光体層の領域４０８が各ダイオード配列領域４００を覆うようになる。また、上部電極４１０は、互いに隔離されて、各蛍光体層領域４０８を覆うように形成されている。
【００３９】
図１の電界発光素子は、電界発光ダイオードアレイ４００における隔離された領域４０４の一例であるともいえる。また、具体的に図示してはいないが、各上部電極が独立した制御線と接続して、電界発光ダイオードアレイの各セクション（例えば、図４に示された電界発光ダイオードアレイ４００ａ，４００ｂ，４００ｎ）が独立して、発光または非発光を切り換え可能になっていてもよい。この場合、電界発光ダイオードアレイ４００は、従来のＬＥＤアレイとして機能し得る。また、ここでは示していないが、他の一例としては、上記下部電極が複数のセクションに隔離され、ただ一つの上部電極が下部電極の全セクションに共通するように形成された構成が挙げられる。また、さらに他の一例としては、上記下部電極がｎドープされたシリコンからなる一方、ナノ突起の上部分がｐ＋ドープされたシリコンからなる構成であってもよい。
【００４０】
以下、本発明の電界発光素子の機能について説明する。
【００４１】
図５Ａおよび図５Ｂは、ポリマーグラスマスクエッチング処理（polymer grass masked etch process）によって形成されたシリコンナノ突起の画像である。
【００４２】
図６ないし図８は、ナノ突起ダイオード部を備えた電界発光素子の製造方法の各工程を示す部分断面図である。
【００４３】
ＬＥＤ素子製造工程の第１の例としては、以下の工程１〜工程８が挙げられる。
工程１． ウエハ洗浄およびｐウェル形成のための従来工程を行う。なお、ｐウェルのドーピング濃度は１０１６〜１０１８／ｃｍ３である。
工程２． リンイオン（またはヒ素イオン）をシリコン基板に注入する。なお、この際のエネルギーは、５０ｋｅＶ（ヒ素イオンの場合１００ｋｅＶ）から１００ｋｅＶまでである。
工程３． 酸素および四フッ化炭素の混合物を使用して、高周波励振(radio frequency excitation)下で上記シリコン基板をエッチングする。これによって上記シリコン基板上にポリマーが形成されることが知られている。この場合のポリマーは「グラス(grass)」と呼ばれることが多い。ポリマーを堆積させるための任意のエッチング用化学薬品が使用可能である。また、エッチングの時間は１０秒〜５分であり、時間が短いほど小さなシリコンナノ突起が得られる。
工程４． 工程３にて堆積されたポリマーをマスクとして使用し、シリコン基板をエッチングする。そのマスクの化学的成分(chemistry)は、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８となっている。エッチングの深さは、ｎ＋上部シリコン層よりも深くなる必要がある。一例としては、同量のｐドープＳｉおよびｎ＋シリコンが露出する（図６参照）。
工程５． 希土類元素（例えばエルビウム）がドープされた、ＳＥＯＳといったシリコン酸化物を、化学気相成長（ＣＶＤ）または回転塗布工程により堆積する。Ｅｒドープシリコン酸化物の代わりに、任意のＥｒドープ絶縁体を使用することができる。Ｅｒのドーピング濃度は、１ａｔ％〜５ａｔ％である。
工程６． ６００℃〜１２００℃で、１０分〜２００分間熱アニールを行う。
工程７． ＣＭＰを施し、シリコンナノ突起の上部を露出させる（図７参照）。
工程８． 上部電極を堆積しエッチングする（図８参照）。
【００４４】
工程６の間に、上記シリコンナノ突起の表面が酸化され、Ｅｒドープ酸化物からＳｉナノ突起へＥｒが拡散される。シリコンに対するＥｒの固溶度は比較的低い。それに関わらず、シリコンナノ突起におけるＥｒ濃度は、酸化物におけるＥｒ濃度とほぼ同じであり、約１ａｔ％〜５ａｔ％である。それゆえ、シリコンナノ突起ダイオード部は、Ｓｉ＝ＯおよびＥｒ発光中心を有する。
【００４５】
ＬＥＤ素子製造工程の第２の例としては、以下の工程１〜工程７が挙げられる。なお、工程１〜４は、上記第一の例と同じである。
工程５． 上記ウエハを熱酸化し、１〜５ｎｍの熱酸化物を成長させる。
工程６． シリコン酸化物を堆積させ、ＣＭＰを施しナノ突起ダイオード部の上部を露出させる。
工程７． 上部電極を堆積しエッチングする。
【００４６】
工程５または６の後にＥｒまたは他の希土元素をナノ突起ダイオード部に注入することにより、ナノ突起ダイオード部の発光特性をさらに促進させてもよい。
【００４７】
第１の例で上記シリコンナノ突起の表面がエルビウムドープＴＥＯＳにより表面安定化処理される点を除いて、第１の例により形成される電界発光素子の構成は、第２の例に示されたものと類似している。上記シリコンナノ突起の表面は、ＥｒドープＴＥＯＳの拡散源から融解したＥｒによって濃密にドーピングされる。
【００４８】
図９は、シリコンナノ突起を有する電界発光ダイオードの製造方法を示すフローチャートである。なお、当該方法は、明瞭に示すために、番号が振られた工程の順番として示しているが、特に明示されていないかぎり、これらの番号から順番が推断されるものではない。いくつかの工程は、飛ばされたり、平行して行われたり、または、順番を厳密に維持するという条件を満たさずに行われても良いことを理解されたい。この方法のいくつかの詳細は、上記図１〜図８の説明内容から理解される。上記方法は、工程９００から開始される。
【００４９】
工程９０２にて、複数のＳｉナノ突起ダイオード部を形成する。工程９０４では、ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する。工程９０６では、蛍光体層を覆うように上部電極を形成する。一例としては、ナノ突起ダイオード部を形成する工程９０２には、端部を有するナノ突起ダイオード部を形成する工程が含まれる。そして、上記蛍光体層を形成した後、工程９０５では、蛍光体層に化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を施し、ナノ突起ダイオード部の端部を露出させる。
【００５０】
変形例として、工程９０２では、基底幅が約５０ｎｍ以下であり、チップ高さが５０〜５００ｎｍであり、かつ、密度が１平方マイクロメートルあたり１００（個）以上であるナノ突起ダイオード部を形成する。
【００５１】
ナノ突起ダイオード部を形成する工程９０２は、サブ工程を含んでいてもよい。サブ工程９０２ａでは、ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成する前に、シリコンｐウェルを形成する。サブ工程９０２ｂでは、シリコンｐウェルを覆う、厚さ３０〜３００ナノメートル（ｎｍ）のシリコンｎ＋層を以下の(i),(ii)のように形成する。
(i) 立方センチメートルあたり１×１０１６〜１×１０１８（／ｃｍ３）の濃度でＳｉ基板のドーピングを行う。
(ii)２０ｋｅＶから１００ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーで、リンやヒ素といったイオンを注入する。
より一般的には、工程９０２ではｐｎ接合のナノ突起の構造を形成するともいえる。
【００５２】
サブ工程９０２ｃでは、上記基板上面に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）誘導ポリマーグラスを形成する。サブ工程９０２ｄでは、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、このマスクに覆われていない基板の領域をエッチングする。サブ工程９０２ｅでは、（予め）上記マスクに覆われていた基板の領域に、ナノ突起ダイオード部を形成する。
【００５３】
ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成するサブ工程９０２ｃに、酸素と四フッ化炭素との混合物を導入する工程、高周波（ＲＦ）を使用して該混合物を励振させる工程、およびシリコン基板を１０秒〜５分間エッチングする工程が含まれていてもよい。
【００５４】
他の一例として、ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し基板の領域をエッチングする工程（サブ工程９０２ｄ）は、エッチング用にＳＦ６を、表面安定化処理用にＣ４Ｆ８を使用する工程、ｎ＋層端部の露出部分をエッチングする工程、およびｐウェルが下に配された領域（ｐウェルの上に配された領域）を露出する工程が含まれる。例えば、ｐウェルが下に配された領域を露光する工程は、ｐウェルを２ｎｍよりも深くエッチングする工程を含んでいてもよい。本方法のいくつかの例においては、ｎ＋層とｐウェルとの両方における全体的なエッチング深さは、ナノ突起の高さを規定するものである。
【００５５】
一形態においては、蛍光体層を形成する工程９０４は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）からなる蛍光体層を形成する。このため、工程９０４は、サブ工程を含んでいてもよい。ｐウェルが下に配された領域を露出させた後、サブ工程９０４ａにて、残存ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを取り除き、ｎ＋シリコン領域を露出させる。サブ工程９０４ｂでは、露出したｎ＋シリコン領域およびｐウェルシリコン領域を熱酸化する。サブ工程９０４ｃでは、１〜５ｎｍのシリコン酸化物を成長させる。そして、サブ工程９０４ｄでは、熱成長させたシリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる。
【００５６】
別の形態では、蛍光体層を形成する工程９０４には、希土類元素がドープされた絶縁体の層を形成する工程を含む。なお、上記希土類元素は、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｐｒ、またはＴｂといった材料であり、上記絶縁体がシリコン酸化物またはシリコン窒化物といった材料である。
【００５７】
さらに別の形態では、蛍光体層を形成する工程は、代替的にサブ工程が含むものとなっている。サブ工程９０４ｄでは、希土類元素が１ａｔ％〜５ａｔ％の範囲内の濃度でドープされた絶縁体を堆積する。工程９０４ｅでは、６００℃〜１２００℃の範囲の温度で１０〜２００分間熱アニールを行う。
【００５８】
一形態において、工程９０６で上部電極を形成する工程は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、または導電性プラスチックといった材料から上部電極を形成する工程を含む。
【００５９】
上述した工程は、電界発光ダイオードアレイの製造に応用することができる。それゆえ、工程９０２では、隔離された領域を複数形成し、各領域に複数のナノ突起ダイオード部が含まれるようにする。そして、工程９０４では、各領域のナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層領域を形成する。工程９０６では、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する。
【００６０】
本発明は、Ｓｉナノ突起ダイオード部の構造を使用して製造された電界発光素子である。各ナノ突起は、シリコンｐｎ接合であり、蛍光体層とともに、ＬＥＤを形成するために使用できる。すなわち、電界発光素子の製造工程は、（１）シリコン基板上でマイクロエッチングマスク（micro-etch mask）を成長させる工程と、（２）上記シリコン基板をエッチングで取り除き鋭利な突起（ナノ突起）の配列を形成する工程とを含むものである。
【００６１】
上記製造工程の第一段階では、洗浄されたシリコン基板は、酸素と四フッ化炭素との特定の混合物により、高周波（ＲＦ）励振下で反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が施される。この工程により、フッ素ベースの化合物が、上記シリコン基板上に不規則に分布する切り株(stump)状に成長することになる。これらの切り株（以下、スタンプと記す）は、当業者には「ＲＩＥポリマーグラス（RIE polymer grass）」として知られている。これらのスタンプの寸法は、数百ナノメートルほどもなく、正確な値は処理時間およびガス組成によって異なる。処理時間が長くなり、スタンプが成長し隣接するスタンプと融合するにつれて、スタンプの気中濃度は減少する。これらのスタンプは、次の段階のためのマイクロエッチングマスクの構成要素となる。上記工程の第二段階では、上記基板（ここではマイクロエッチングマスクで覆われている）に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が施される。この第二段階は、表面安定化処理(passivation)と交互に起きる反応性イオンエッチングの周期（Bosch工程(Bosch process)）からなるものである。エッチングのサブ工程で使用されるガスは、六フッ化硫黄（ＳＦ６）であってもよく、表面安定化処理のサブ工程で使用されるガスはオクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）であってもよい。上記基板において、ＲＩＥグラス・スタブ（grass stub）の真下の部分はエッチングされない一方、スタブ間にある部分はエッチングされる。したがって、上記スタブおよび基板部分がエッチングで取り除かれた後、工程の最後に残った部分は、上記スタンプに覆われていた領域のシリコンスパイク(silicon spike)（ナノ突起）である。
【００６２】
したがって、本発明は、シリコンナノ突起を有する電界発光ダイオードを製造する方法を提供する。この方法には、複数のシリコンナノ突起ダイオード部を形成する工程、ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程と、蛍光体層を覆うように上部電極を形成する工程とが含まれる。
【００６３】
上記ナノ突起ダイオード部は、以下の工程により形成されている。すなわち、上面を有するシリコン基板を形成する工程、シリコンｐウェルを形成する工程、上記Ｓｉ Ｐウェルの上に重なる厚さ３０〜３００ナノメートル（ｎｍ）のシリコンｎ＋層を形成する工程、上記基板上面の上に重なるＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成する工程、ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、該マスクに覆われていない領域の基板をエッチングする工程、および、上記マスクに覆われた基板部分でナノ突起ダイオード部を形成する工程によって形成される。
【００６４】
一形態では、上記蛍光体層は、シリコン酸化物であり、以下のように：下にあるＰウェル領域の露光の後、残ったＲＩＥ誘導ポリマーグラスを取り除き、ｎ＋シリコン領域を露出する工程、露出されたｎ＋領域およびｐウェルシリコン領域を熱酸化する工程、１〜５ナノメートル（ｎｍ）のシリコン酸化物を成長させる工程、および、熱成長された該シリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる工程によって形成される。別法としては、上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物のような材料である絶縁体を有する希土類元素添加絶縁体であり得る。
【００６５】
別の形態では、エルビウム（Ｅｒ）のような希土類元素が上記Ｓｉナノチップ内に拡散される。上記ナノチップが形成された後、１〜５原子量パーセント（ａｔ％）希土類元素添加濃度を有する絶縁体が、蛍光体層として堆積される。その後、熱アニールが行われ、上記希土類元素を上記Ｓｉナノチップ内に拡散させる。
【００６６】
以上のことより、本発明は、以下のように言い換えることができる。
【００６７】
すなわち、本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、シリコン（Ｓｉ）ナノ突起電界発光（ＥＬ）ダイオードを製造する方法であって、この方法が、複数のＳｉナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード形成工程と、上記Ｓｉナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、上記蛍光体層を覆うように上部電極を形成する上部電極形成工程と、を含む構成であるともいえる。
【００６８】
この構成において、上記ナノ突起ダイオード形成工程が、上記基板の上面を覆うように反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）誘導ポリマーグラス（RIE-induced polymer grass）を形成する工程と、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、マスクに覆われていない基板の領域をエッチングする工程と、上記マスクに覆われた基板の領域にナノ突起ダイオード部を形成する工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００６９】
さらに、上記ナノ突起ダイオード形成工程が、上記ＲＩＥ誘導のポリマーグラスを形成する前に、シリコンｐウェルを形成するシリコンｐウェル形成工程と、シリコンｐウェルを覆うように、厚さ３０〜３００ナノメートル（ｎｍ）のシリコンｎ＋層を形成するシリコンｎ＋層形成工程とを含み、シリコンｎ＋層形成工程が、立方センチメートルあたり１×１０１６〜１×１０１８（／ｃｍ３）の範囲内の濃度でシリコン基板のドーピングを行う工程と、２０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲内のエネルギーで、リンおよびヒ素を含むグループから選択されたイオンを注入する工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７０】
さらに、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成する工程が、酸素と四フッ化炭素との混合物を導入する工程と、高周波（ＲＦ）を使用して上記混合物を励振させる工程と、上記シリコン基板を１０秒〜５分間エッチングする工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７１】
さらに、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、マスクに覆われていない基板の領域をエッチングする工程が、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８の化学薬品をエッチングに使用する工程と、上記ｎ＋層が露出された部分をエッチングする工程と、上記ｐウェルが下に配された領域を露出させる工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７２】
さらに、上記ｐウェルが下に配された領域を露出させる工程が、ｐウェル内を約２ナノメートル（ｎｍ）よりも深くエッチングする工程を含むことが好ましいといえる。
【００７３】
また、蛍光体層を形成する工程が、シリコン酸化物からなる蛍光体層を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００７４】
また、上記シリコン酸化物からなる蛍光層を形成する工程が、上記ｐウェルが下に配された領域を露出させた後、残存の上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを取り除き、ｎ＋シリコン領域を露出させる工程と、露出した上記ｎ＋シリコン領域および露出したｐウェルシリコン領域を熱酸化する工程と、１〜５ナノメートル（ｎｍ）のシリコン酸化物を成長させる工程と、上記熱成長したシリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７５】
また、上記ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、ｐｎ接合ナノチップ構造を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００７６】
また、上記蛍光体層を形成する工程は、希土類元素がドープされた絶縁体を形成する工程を含む、（ただし、上記希土類元素がエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、およびテルビウム（Ｔｂ）を含むグループから選択されたものであり、上記絶縁体がシリコン酸化物およびシリコン窒化物を含むグループから選択された材料である）ことが好ましいといえる。
【００７７】
また、上記蛍光体層を形成する工程が、希土類元素が１ａｔ％〜５ａｔ％（原子量パーセント）の範囲内のドーピング濃度でドープされた絶縁体を堆積する工程と、６００〜１２００℃で１０〜２００分間熱アニールを行う工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７８】
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、端部を有するナノ突起ダイオード部を形成する工程を含み、さらに、上記蛍光体層を形成した後に、その蛍光体層に化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を施し、上記ナノ突起ダイオード部の端部を露出させる工程、を含むことが好ましいといえる。
【００７９】
また、上記上部電極を形成する工程が、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛（Zinc oxyfluoride）、および導電性プラスチックを含むグループから選択された材料から上部電極を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８０】
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、基底幅が約５０ナノメートル以下であるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８１】
また、上記ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、チップ高さが５０〜５００ｎｍであるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８２】
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、密度が１平方マイクロメートルあたり１００以上であるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８３】
また、上記複数のＳｉナノ突起ダイオード部を形成する工程が、複数の隔離された領域を形成し、各領域に複数のナノ突起ダイオード部が含まれるようにする工程を含み、
また、上記ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程が、ナノ突起ダイオード部の各領域の各領域を覆う蛍光体層領域を形成する工程を含み、かつ、上記蛍光層を覆うように上部電極を形成する工程が、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８４】
本発明の電界発光ダイオードは、シリコンナノ突起を有する電界発光（ＥＬ）ダイオードであって、複数のナノ突起ダイオード部を有する下部電極と、上記ナノ突起ダイオード部を覆う蛍光層と、上記蛍光体層を覆う上部電極とを備えた構成であるともいえる。
【００８５】
また、本発明の電界発光ダイオードでは、一時的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）誘導ポリマーグラスエッチングマスク（RIE-induced polymer glass etch mask）をさらに備え、かつ、上記ナノ突起ダイオード部が、上記一時的なマスクの下に配されていることが好ましいといえる。
【００８６】
また、上記下部電極がシリコン（Ｓｉ）の上面を含み、かつ各ナノ突起ダイオードが、上記下部電極の上面に接触したｐドープシリコン下端部と、上記ｐドープシリコン下端部に接続されたｎ＋シリコン上端部とを備えたことが好ましいといえる。
【００８７】
また、ｐドープシリコン下端部の長さが２ナノメートル（ｎｍ）よりも大きいことが好ましいといえる。
【００８８】
また、ｎ＋ドープシリコン上端部の長さが１０ｎｍよりも大きいことが好ましいといえる。
【００８９】
また、各ナノ突起ダイオード部が、ｐｎ接合構造であることが好ましいといえる。
【００９０】
また、上記蛍光体層が、シリコン酸化物からなる蛍光体層であることが好ましいといえる。
【００９１】
また、上記蛍光体層が、希土類元素がドープされた絶縁体からなっており、上記希土類元素がエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、およびテルビウム（Ｔｂ）を含むグループから選択され、上記絶縁体がシリコン酸化物およびシリコン窒化物を含むグループから選択された材料であることが好ましいといえる。
【００９２】
また、上記上部電極が、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、および導電性プラスチックを含むグループから選択された材料からなっていることが好ましいといえる。
【００９３】
また、上記ナノ突起ダイオード部の基底幅が、約５０ナノメートル以下であることが好ましいといえる。
【００９４】
また、上記ナノ突起ダイオード部のチップ高さが、５０〜５００ｎｍであることが好ましいといえる。
【００９５】
また、上記ナノ突起ダイオード部の密度が、１平方マイクロメートルあたり１００よりも大きいことが好ましいといえる。
【００９６】
また、本発明の電界発光ダイオードアレイは、ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイであって、複数の隔離された領域を有し、各領域が複数のナノ突起ダイオードを備えた下部電極と、ダイオードアレイの各領域を覆う蛍光体層領域と、各蛍光体層領域を覆うように、隔離されて形成された上部電極とを備えた構成であるともいえる。
【００９７】
本発明においては、ナノ突起ダイオード部を備えた電界発光素子およびその製造方法が提供された。本発明を説明しやすくするために特定の材料および製造方法の詳細が例として示されているが、本発明は、あくまでもこれらの例に限定されるものではなく、他の変形および形態が当業者によってなされるであろう。
【００９８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明においては、低い電圧供給により高い電界を発生させる低出力の電界発光ダイオードを実現できるので、集積回路に適したものになる。それゆえ、本発明は、集積回路に関連する半導体産業に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は、シリコンナノチップエレクトロルミネセンス（ＥＬ）ダイオードの部分断面図である。
【図２】完成前の作製工程にある、図１の電界発光ダイオードの部分断面図である。
【図３】図１の電界発光ダイオードを詳細に示す部分断面図である。
【図４】ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイの部分断面図である。
【図５Ａ】ポリマーグラスマスクエッチング工程によって形成されたシリコンナノ突起の写真である。
【図５Ｂ】ポリマーグラスマスクエッチング工程によって形成されたシリコンナノ突起の写真である。
【図６】ナノ突起ダイオード部で電界発光素子を作製する工程を示す部分断面図である。
【図７】ナノ突起ダイオード部で電界発光素子を作製する工程を示す部分断面図である。
【図８】ナノ突起ダイオード部で電界発光素子を作製する工程を示す部分断面図である。
【図９】ＳｉナノチップＥＬダイオードを作製する方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０１】
１００ 電界発光ダイオード
１０２ 下部電極
１０４ ナノ突起ダイオード部
１０６ 蛍光体層
１０８ 上部電極
９０２ 工程（ナノ突起ダイオード部形成工程）
９０２ａ サブ工程（ｐウェル形成段階）
９０２ｂ サブ工程（ｎ＋層形成段階）
９０２ｃ サブ工程（マスク形成段階）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料のバンドギャップが直接遷移型あるいは間接遷移型であるかに関わらず、半導体素子（デバイス：device）から発光させることが可能である。高電場の逆バイアスｐｎ接合により、ホットキャリア群が生成される。このホットキャリアは、遊離光量子と再結合する。シリコン素子においては、発光効率が悪い事が知られており、光量子のエネルギーが約２ｅＶであるものがほとんどである。電気エネルギーを可視光エネルギーへ変換することは、電界発光（ＥＬ）と呼ばれている。室温で、少ない電気信号で動作可能な効率的な電界発光素子が製造されてきている。しかしながら、これらの素子は、シリコンと相性が悪い材料（例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、及びＧａＰといったＩＩＩ−Ｖ族の材料）の上に加工される。これら材料のうち１つの基板上に設けられた電界発光素子は、使用される特定の材料に応じて、可視領域を含む狭波長帯域の光を効率的に出射することが可能である。さらに、ＺｎＳｅといったＩＩ−ＶＩ族の材料が使用されている。また、ＺｎＳやＺｎＯといった他のＩＩ−ＶＩ族の材料は、交流バイアス(ac bias)条件下で電界発光を示すことが知られている。これらの素子は、発光素子として利用するために、シリコン上に堆積可能である。ただし、これは特定（従来とは異なる）のＣＭＯＳ工程が実行される場合に限られる。発光装置の他の分類としては、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤｓ）、ナノ結晶性シリコン（ｎｃ−Ｓｉ）、及び重合体ＬＥＤが挙げられる。
【０００３】
通常、ダイオードは、電流の伝導が可変可能になっている半導体材料である。導電率を改善するために、不純物またはドーパントが半導体材料に添加されることが多い。発光ダイオード（ＬＥＤ）では、順方向バイアス状態下で、電子はｎドープ領域からｐドープ領域へと流れ、正孔と再結合する。この再結合の間に、電子はエネルギーを失い、そのエネルギーが光エネルギーに変換されて発光するか、または、弾性エネルギーに変換されて熱を発生させる。同様に、正孔は、ｐドープ領域からｎドープ領域へと流れ、電子と再結合して、発光するか、または熱を発生させる。
【０００４】
接続手段として光学素子（発光素子及び光検出素子）が内蔵された大規模な集積回路においては、シリコンと相性が良く、直流電圧(dc voltage)により出力可能な、簡易でかつ効率的な発光素子が要望されている。シリコンベースの電界発光素子は、従来の金属処理と比較して、より迅速でありかつ信頼性がある、信号結合の手段を可能にする。大きなシステムオンチップ型(system-on-chip)の装置のチップ内配線(intra-chip connection)においては、光学手段による信号の経路設定(routing)が要望されている。チップ間通信(inter-chip communication)においては、導波路、または離間したシリコン部材間の光学的な結合により、チップ間の電気的接続がない状態での実装が可能になる。小型ディスプレイにおいては、可視光の小さな点光源を生成する方法により、簡単でかつ安価なディスプレイが形成可能になる。
【０００５】
Ｊ．Ｒｕａｎらは、ナノシリコン超格子発光素子の構造を提案している。この発光素子は、ナノシリコン層／酸化物層の重層からなる。この照射中心(radiation center)は、Ｓｉ＝Ｏ結合になっている。
【０００６】
Ｐｏｌｍａｎらは、ドーピングシリコンベースのエルビウム（Ｅｒ）含有材料（Ｅｒ密度が１０１９／ｃｍ２オーダーである）を提案している。このシリコンベースの材料は、純ケイ素(pure Si)、シリコン酸化物、ドープシリコン酸化物、またはガラスであってもよい。上述のＥｒ密度は、Ｓｉに対するＥｒの固体溶解度を増加させるために、酸化物との共ドープを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術では、以下の問題を生じる。
【０００８】
具体的には、Ｊ．Ｒｕａｎらにより提案された技術では、電子−正孔対(electron-hole pairs)を生成するために、高い交差極性を有する電圧パルスが必要になる。
【０００９】
また、Ｐｏｌｍａｎらにより提案された技術では、Ｅｒの照射中心が発光するためには、高エネルギーの電子及び正孔を生成し、Ｅｒドープ材料へ注入させる必要がある。
【００１０】
低出力、高密度、及び大スケールのＩＣの用途に適したシリコン電界発光ダイオードが製造されれば、好都合である。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低消費電力、高密度、及び大規模のＩＣの用途に適した電界発光ダイオード、電界発光ダイオードアレイ、及び電界発光ダイオードの製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の電界発光ダイオードは、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードであって、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の電界発光ダイオードは、ナノ突起ダイオード部に電界を発生させることにより発光する。それゆえ、大きな領域に電界を印加した場合と比較して、微小な領域に電圧を印加した場合の方が、同じ電圧でも高い電界強度を発生させることが可能になる。すなわち、上記の構成によれば、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっているので、低い電圧で印加しても強い電界強度を得ることができ、低い消費電力でも効率よく発光させることができる。また、ナノ突起ダイオード部における微小突起の面積が小さいため、ＩＣチップの限られた面積中に多数の微小突起を配置することが可能になり、高密度ＩＣを実現することができる。
【００１４】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記微小突起は、下部電極表面に形成されたｐドープシリコンからなるｐドープシリコン下端部と、上記ｐドープシリコン下端部に接続しており、ｎ＋ドープシリコンからなるｎ＋ドープシリコン上端部とを備えていることが好ましい。
【００１５】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなっていることが好ましい。
【００１６】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記蛍光体層には、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、及びテルビウム（Ｔｂ）の含む集団から選択された希土類元素がドープされていることが好ましい。
【００１７】
本発明の電界発光ダイオードでは、上記上部電極は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、及び導電性プラスチックの含む集団から選択された材料からなっていることが好ましい。
【００１８】
本発明の電界発光ダイオードアレイは、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードが複数配列された電界発光ダイオードアレイであって、上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、上記の課題を解決するために、下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光素子の製造方法であって、上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がｐｎ接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成することを特徴としている。
【００２０】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、下部電極表面に、反応性イオンエッチングを施し、マスクとしての反応性イオンエッチング誘導ポリマーグラスを形成するマスク形成段階を含み、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングする一方、上記マスクに覆われている下部電極表面の領域にナノ突起ダイオード部を形成することが好ましい。
【００２１】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、ｐドープシリコン下端部としてのｐウェルを形成するｐウェル形成段階と、ｐウェルを覆うように、ｎ＋ドープシリコン上端部としてのｎ＋層を形成するｎ＋層形成段階とを含み、上記マスク形成段階では、ｎ＋層に反応性イオンエッチングを施し、ポリマーグラスを形成することが好ましい。
【００２２】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、マスクとしてのポリマーグラスに覆われていない上記ｎ＋層表面をエッチングし、ｐウェルを露出させることが好ましい。
【００２３】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記マスク形成段階では、下部電極表面に、酸素と四フッ化炭素との混合ガスを導入し、高周波励振下で反応性イオンエッチングを施すことが好ましい。
【００２４】
本発明の電界発光ダイオードの製造方法では、上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いて上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングし、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）ガスを用いて、エッチングされた下部電極表面を安定化することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電界発光ダイオードは、以上のように、上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっている構成である。
【００２６】
また、本発明の電界発光ダイオードアレイは、以上のように、上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられている構成である。
【００２７】
また、本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、以上のように、上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がｐｎ接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成する構成である。
【００２８】
それゆえ、低い電圧で印加しても強い電界強度を得ることができ、低い消費電力でも効率よく発光させることができる。また、ナノ突起ダイオード部における微小突起の面積が小さいため、ＩＣチップの限られた面積中に多数の微小突起を配置することが可能になり、高密度ＩＣを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
概して集積回路（ＩＣ）作製に関するものであり、より具体的には、ナノ突起ダイオード部を使用して作製された電界発光素子に関するものである。
【００３０】
本発明の一実施形態について図１ないし図９に基づいて説明すると以下の通りである。
【００３１】
図１は、シリコン微小突起を有する電界発光（ＥＬ）ダイオードの部分断面図である。電界発光ダイオード１００は、複数のナノメートルオーダーの微小突起からなるダイオード部（以下、ナノ突起ダイオード部と記す）１０４を有する下部電極（ＢＥ）１０２と、上記ナノ突起ダイオード部１０４を覆う蛍光体層１０６とを備えている。上部電極（ＴＥ）１０８は、蛍光体層１０６を覆うように形成されている。図示されているように、蛍光体層１０６は、平坦な上面１１０を有しており、この上面１１０は、ナノ突起ダイオード部の端部１１２と同一平面上になっている。すなわち、蛍光体層の上面１１０は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）といった平坦化処理により形成されたものである。この平坦化処理では、堆積された蛍光体層の材料の一部を取り除き、ナノ突起ダイオード部の端部１１２のごく一部を含んだ状態にしている。
【００３２】
ここでいう「微小突起」とは、「ナノメートルオーダーの微小突起」のことを意味するものであり、一般的には「ｎａｎｏｔｉｐ」として知られている。また、「ナノメートルオーダー」とは、ナノメートル単位で表すことが可能な寸法であり、具体的には、１ナノメートルから５００ナノメートルまでの範囲にある寸法のことをいう。そして、この微小突起は、ある特定の物理的性質、形状、または寸法に限定されるものではない。微小突起は、ナノロッド、ナノチューブ、またはナノワイヤーとして知られているものであってもよい。また、ここでは示さないが、微小突起は、中空構造を形成していてもよい。さらに、ここでは示さないが、微小突起は、複数のチップ端から形成されていてもよい。微小突起１０４は、略鉛直、すなわち下部電極１０２の（水平）面に対し垂直に形成されている。しかしながら、微小突起の下部電極に対する配向(orientation)は、これに限定されるものではない。
【００３３】
図２は、完成前の製造工程における、図１の電界発光素子の部分断面図である。図２に示されるように、一時的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）用のポリマーグラスエッチングマスク２００が、シリコン（Ｓｉ）からなるｎ＋層２０４を覆うように形成されている。ｎ＋層２０４は、ｐウェル２０６を覆うように形成されている。図１のナノ突起ダイオード部は、上記一時マスク（ポリマーグラスエッチングマスク２００）のほぼ下にある領域に位置するようになっている。すなわち、各ナノ突起ダイオード部は、マスク２００のスタンプ(stump)２０２の下になるように形成される。なお、上記製造工程のさらなる詳細については、後述する。
【００３４】
図３は、図１を詳細に示す部分断面図である。下部電極１０２は、シリコン（Ｓｉ）の上面３００を含むものである。各ナノ突起ダイオード部１０４は、シリコン（Ｓｉ）からなるｐドープ下端部３０２と、シリコン（Ｓｉ）からなるｎ＋上端部３０４とを含むものである。ｐドープ下端部３０２は、下部電極の上面３００に接触して(attached)形成されており、ｎ＋上端部３０４は、ｐドープ下端部３０２に連結している。各ナノ突起ダイオード部１０４は、ｐｎ接合構造になっている。ｐドープ下端部３０２の長さ３０６は、２ナノメートル（ｎｍ）よりも大きくなっている。また、ｎ＋上端部３０４の長さは、１０ｎｍよりも大きくなっている。なお、図３では、ｐドープ下端部とｎ＋上端部とがほぼ同じ長さになっているが、必ずしも同じである必要はない。
【００３５】
ナノ突起ダイオード部１０４は、基底幅(a base size)３０８を有している。基底幅３０８は、約５０ナノメーター以下である。また、ナノ突起ダイオード部１０４は、突起高さ３１０を有している。この突起高さ３１０は、５ｎｍから５０ｎｍまでの範囲内である。また、ナノ突起ダイオード部１０４は、１平方マイクロメートルあたり１００（個）よりも多い密度となっている。すなわち、一般的に、下部電極１０２の１平方マイクロメートルの領域から成長しているナノ突起ダイオード部の数は、１００よりも大きい。
【００３６】
再び図１に戻って、一形態として、蛍光体層１０６がシリコン酸化物（ＳｉＯｘ、ここでｘは２未満）からなる蛍光体層である。例えば、ＳｉＯｘからなる蛍光体層１０６は、シリコン過剰シリコン酸化物（ＳＲＳＯ）層である。他の一例としては、蛍光体層１０６は、希土類元素がドープされた絶縁体からなっている。ここで、希土類は、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、またはテルビウム（Ｔｂ）といった材料である。また、上記絶縁体は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物であってもよい。しかしながら、上記絶縁体の材料として、従来公知の他の絶縁体材料が使用されてもよい。なお、電界発光素子は、特定のＳｉＯｘ蛍光体結晶またはドーピング限界に限定されるものではない。
【００３７】
上部電極１０８は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、または導電性プラスチックといった材料からなっていてもよい。しかしながら、上部電極１０８として、上記の材料以外のものを用いてもよい。
【００３８】
図４は、ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイ（配列）を示す部分断面図である。電界発光ダイオードアレイ４００では、下部電極４０２は互いに隔離した複数の領域を有する。図４では隔離領域４０４ａ・４０４ｂ・４０４ｎが示されている。しかしながら、電界発光ダイオードでは、この領域の数が、ある特定の数に限定されるものではない。隔離された各領域４０４（４０４ａ・４０４ｂ・４０４ｎ）は、複数のナノ突起ダイオード部４０６を備えている。（各ナノ突起ダイオード部の上に）蛍光体層の領域４０８が堆積されて、かつＣＭＰにより平坦化されることで、蛍光体層の領域４０８が各ダイオード配列領域４００を覆うようになる。また、上部電極４１０は、互いに隔離されて、各蛍光体層領域４０８を覆うように形成されている。
【００３９】
図１の電界発光素子は、電界発光ダイオードアレイ４００における隔離された領域４０４の一例であるともいえる。また、具体的に図示してはいないが、各上部電極が独立した制御線と接続して、電界発光ダイオードアレイの各セクション（例えば、図４に示された電界発光ダイオードアレイ４００ａ，４００ｂ，４００ｎ）が独立して、発光または非発光を切り換え可能になっていてもよい。この場合、電界発光ダイオードアレイ４００は、従来のＬＥＤアレイとして機能し得る。また、ここでは示していないが、他の一例としては、上記下部電極が複数のセクションに隔離され、ただ一つの上部電極が下部電極の全セクションに共通するように形成された構成が挙げられる。また、さらに他の一例としては、上記下部電極がｎドープされたシリコンからなる一方、ナノ突起の上部分がｐ＋ドープされたシリコンからなる構成であってもよい。
【００４０】
以下、本発明の電界発光素子の機能について説明する。
【００４１】
図５Ａおよび図５Ｂは、ポリマーグラスマスクエッチング処理（polymer grass masked etch process）によって形成されたシリコンナノ突起の画像である。
【００４２】
図６ないし図８は、ナノ突起ダイオード部を備えた電界発光素子の製造方法の各工程を示す部分断面図である。
【００４３】
ＬＥＤ素子製造工程の第１の例としては、以下の工程１〜工程８が挙げられる。
工程１． ウエハ洗浄およびｐウェル形成のための従来工程を行う。なお、ｐウェルのドーピング濃度は１０１６〜１０１８／ｃｍ３である。
工程２． リンイオン（またはヒ素イオン）をシリコン基板に注入する。なお、この際のエネルギーは、５０ｋｅＶ（ヒ素イオンの場合１００ｋｅＶ）から１００ｋｅＶまでである。
工程３． 酸素および四フッ化炭素の混合物を使用して、高周波励振(radio frequency excitation)下で上記シリコン基板をエッチングする。これによって上記シリコン基板上にポリマーが形成されることが知られている。この場合のポリマーは「グラス(grass)」と呼ばれることが多い。ポリマーを堆積させるための任意のエッチング用化学薬品が使用可能である。また、エッチングの時間は１０秒〜５分であり、時間が短いほど小さなシリコンナノ突起が得られる。
工程４． 工程３にて堆積されたポリマーをマスクとして使用し、シリコン基板をエッチングする。そのマスクの化学的成分(chemistry)は、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８となっている。エッチングの深さは、ｎ＋上部シリコン層よりも深くなる必要がある。一例としては、同量のｐドープＳｉおよびｎ＋シリコンが露出する（図６参照）。
工程５． 希土類元素（例えばエルビウム）がドープされた、ＳＥＯＳといったシリコン酸化物を、化学気相成長（ＣＶＤ）または回転塗布工程により堆積する。Ｅｒドープシリコン酸化物の代わりに、任意のＥｒドープ絶縁体を使用することができる。Ｅｒのドーピング濃度は、１ａｔ％〜５ａｔ％である。
工程６． ６００℃〜１２００℃で、１０分〜２００分間熱アニールを行う。
工程７． ＣＭＰを施し、シリコンナノ突起の上部を露出させる（図７参照）。
工程８． 上部電極を堆積しエッチングする（図８参照）。
【００４４】
工程６の間に、上記シリコンナノ突起の表面が酸化され、Ｅｒドープ酸化物からＳｉナノ突起へＥｒが拡散される。シリコンに対するＥｒの固溶度は比較的低い。それに関わらず、シリコンナノ突起におけるＥｒ濃度は、酸化物におけるＥｒ濃度とほぼ同じであり、約１ａｔ％〜５ａｔ％である。それゆえ、シリコンナノ突起ダイオード部は、Ｓｉ＝ＯおよびＥｒ発光中心を有する。
【００４５】
ＬＥＤ素子製造工程の第２の例としては、以下の工程１〜工程７が挙げられる。なお、工程１〜４は、上記第一の例と同じである。
工程５． 上記ウエハを熱酸化し、１〜５ｎｍの熱酸化物を成長させる。
工程６． シリコン酸化物を堆積させ、ＣＭＰを施しナノ突起ダイオード部の上部を露出させる。
工程７． 上部電極を堆積しエッチングする。
【００４６】
工程５または６の後にＥｒまたは他の希土元素をナノ突起ダイオード部に注入することにより、ナノ突起ダイオード部の発光特性をさらに促進させてもよい。
【００４７】
第１の例で上記シリコンナノ突起の表面がエルビウムドープＴＥＯＳにより表面安定化処理される点を除いて、第１の例により形成される電界発光素子の構成は、第２の例に示されたものと類似している。上記シリコンナノ突起の表面は、ＥｒドープＴＥＯＳの拡散源から融解したＥｒによって濃密にドーピングされる。
【００４８】
図９は、シリコンナノ突起を有する電界発光ダイオードの製造方法を示すフローチャートである。なお、当該方法は、明瞭に示すために、番号が振られた工程の順番として示しているが、特に明示されていないかぎり、これらの番号から順番が推断されるものではない。いくつかの工程は、飛ばされたり、平行して行われたり、または、順番を厳密に維持するという条件を満たさずに行われても良いことを理解されたい。この方法のいくつかの詳細は、上記図１〜図８の説明内容から理解される。上記方法は、工程９００から開始される。
【００４９】
工程９０２にて、複数のＳｉナノ突起ダイオード部を形成する。工程９０４では、ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する。工程９０６では、蛍光体層を覆うように上部電極を形成する。一例としては、ナノ突起ダイオード部を形成する工程９０２には、端部を有するナノ突起ダイオード部を形成する工程が含まれる。そして、上記蛍光体層を形成した後、工程９０５では、蛍光体層に化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を施し、ナノ突起ダイオード部の端部を露出させる。
【００５０】
変形例として、工程９０２では、基底幅が約５０ｎｍ以下であり、チップ高さが５０〜５００ｎｍであり、かつ、密度が１平方マイクロメートルあたり１００（個）以上であるナノ突起ダイオード部を形成する。
【００５１】
ナノ突起ダイオード部を形成する工程９０２は、サブ工程を含んでいてもよい。サブ工程９０２ａでは、ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成する前に、シリコンｐウェルを形成する。サブ工程９０２ｂでは、シリコンｐウェルを覆う、厚さ３０〜３００ナノメートル（ｎｍ）のシリコンｎ＋層を以下の(i),(ii)のように形成する。
(i) 立方センチメートルあたり１×１０１６〜１×１０１８（／ｃｍ３）の濃度でＳｉ基板のドーピングを行う。
(ii)２０ｋｅＶから１００ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーで、リンやヒ素といったイオンを注入する。
より一般的には、工程９０２ではｐｎ接合のナノ突起の構造を形成するともいえる。
【００５２】
サブ工程９０２ｃでは、上記基板上面に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）誘導ポリマーグラスを形成する。サブ工程９０２ｄでは、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、このマスクに覆われていない基板の領域をエッチングする。サブ工程９０２ｅでは、（予め）上記マスクに覆われていた基板の領域に、ナノ突起ダイオード部を形成する。
【００５３】
ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成するサブ工程９０２ｃに、酸素と四フッ化炭素との混合物を導入する工程、高周波（ＲＦ）を使用して該混合物を励振させる工程、およびシリコン基板を１０秒〜５分間エッチングする工程が含まれていてもよい。
【００５４】
他の一例として、ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し基板の領域をエッチングする工程（サブ工程９０２ｄ）は、エッチング用にＳＦ６を、表面安定化処理用にＣ４Ｆ８を使用する工程、ｎ＋層端部の露出部分をエッチングする工程、およびｐウェルが下に配された領域（ｐウェルの上に配された領域）を露出する工程が含まれる。例えば、ｐウェルが下に配された領域を露光する工程は、ｐウェルを２ｎｍよりも深くエッチングする工程を含んでいてもよい。本方法のいくつかの例においては、ｎ＋層とｐウェルとの両方における全体的なエッチング深さは、ナノ突起の高さを規定するものである。
【００５５】
一形態においては、蛍光体層を形成する工程９０４は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）からなる蛍光体層を形成する。このため、工程９０４は、サブ工程を含んでいてもよい。ｐウェルが下に配された領域を露出させた後、サブ工程９０４ａにて、残存ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを取り除き、ｎ＋シリコン領域を露出させる。サブ工程９０４ｂでは、露出したｎ＋シリコン領域およびｐウェルシリコン領域を熱酸化する。サブ工程９０４ｃでは、１〜５ｎｍのシリコン酸化物を成長させる。そして、サブ工程９０４ｄでは、熱成長させたシリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる。
【００５６】
別の形態では、蛍光体層を形成する工程９０４には、希土類元素がドープされた絶縁体の層を形成する工程を含む。なお、上記希土類元素は、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｐｒ、またはＴｂといった材料であり、上記絶縁体がシリコン酸化物またはシリコン窒化物といった材料である。
【００５７】
さらに別の形態では、蛍光体層を形成する工程は、代替的にサブ工程が含むものとなっている。サブ工程９０４ｄでは、希土類元素が１ａｔ％〜５ａｔ％の範囲内の濃度でドープされた絶縁体を堆積する。工程９０４ｅでは、６００℃〜１２００℃の範囲の温度で１０〜２００分間熱アニールを行う。
【００５８】
一形態において、工程９０６で上部電極を形成する工程は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、または導電性プラスチックといった材料から上部電極を形成する工程を含む。
【００５９】
上述した工程は、電界発光ダイオードアレイの製造に応用することができる。それゆえ、工程９０２では、隔離された領域を複数形成し、各領域に複数のナノ突起ダイオード部が含まれるようにする。そして、工程９０４では、各領域のナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層領域を形成する。工程９０６では、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する。
【００６０】
本発明は、Ｓｉナノ突起ダイオード部の構造を使用して製造された電界発光素子である。各ナノ突起は、シリコンｐｎ接合であり、蛍光体層とともに、ＬＥＤを形成するために使用できる。すなわち、電界発光素子の製造工程は、（１）シリコン基板上でマイクロエッチングマスク（micro-etch mask）を成長させる工程と、（２）上記シリコン基板をエッチングで取り除き鋭利な突起（ナノ突起）の配列を形成する工程とを含むものである。
【００６１】
上記製造工程の第一段階では、洗浄されたシリコン基板は、酸素と四フッ化炭素との特定の混合物により、高周波（ＲＦ）励振下で反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が施される。この工程により、フッ素ベースの化合物が、上記シリコン基板上に不規則に分布する切り株(stump)状に成長することになる。これらの切り株（以下、スタンプと記す）は、当業者には「ＲＩＥポリマーグラス（RIE polymer grass）」として知られている。これらのスタンプの寸法は、数百ナノメートルほどもなく、正確な値は処理時間およびガス組成によって異なる。処理時間が長くなり、スタンプが成長し隣接するスタンプと融合するにつれて、スタンプの気中濃度は減少する。これらのスタンプは、次の段階のためのマイクロエッチングマスクの構成要素となる。上記工程の第二段階では、上記基板（ここではマイクロエッチングマスクで覆われている）に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が施される。この第二段階は、表面安定化処理(passivation)と交互に起きる反応性イオンエッチングの周期（Bosch工程(Bosch process)）からなるものである。エッチングのサブ工程で使用されるガスは、六フッ化硫黄（ＳＦ６）であってもよく、表面安定化処理のサブ工程で使用されるガスはオクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）であってもよい。上記基板において、ＲＩＥグラス・スタブ（grass stub）の真下の部分はエッチングされない一方、スタブ間にある部分はエッチングされる。したがって、上記スタブおよび基板部分がエッチングで取り除かれた後、工程の最後に残った部分は、上記スタンプに覆われていた領域のシリコンスパイク(silicon spike)（ナノ突起）である。
【００６２】
したがって、本発明は、シリコンナノ突起を有する電界発光ダイオードを製造する方法を提供する。この方法には、複数のシリコンナノ突起ダイオード部を形成する工程、ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程と、蛍光体層を覆うように上部電極を形成する工程とが含まれる。
【００６３】
上記ナノ突起ダイオード部は、以下の工程により形成されている。すなわち、上面を有するシリコン基板を形成する工程、シリコンｐウェルを形成する工程、上記Ｓｉ Ｐウェルの上に重なる厚さ３０〜３００ナノメートル（ｎｍ）のシリコンｎ＋層を形成する工程、上記基板上面の上に重なるＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成する工程、ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、該マスクに覆われていない領域の基板をエッチングする工程、および、上記マスクに覆われた基板部分でナノ突起ダイオード部を形成する工程によって形成される。
【００６４】
一形態では、上記蛍光体層は、シリコン酸化物であり、以下のように：下にあるＰウェル領域の露光の後、残ったＲＩＥ誘導ポリマーグラスを取り除き、ｎ＋シリコン領域を露出する工程、露出されたｎ＋領域およびｐウェルシリコン領域を熱酸化する工程、１〜５ナノメートル（ｎｍ）のシリコン酸化物を成長させる工程、および、熱成長された該シリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる工程によって形成される。別法としては、上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物のような材料である絶縁体を有する希土類元素添加絶縁体であり得る。
【００６５】
別の形態では、エルビウム（Ｅｒ）のような希土類元素が上記Ｓｉナノチップ内に拡散される。上記ナノチップが形成された後、１〜５原子量パーセント（ａｔ％）希土類元素添加濃度を有する絶縁体が、蛍光体層として堆積される。その後、熱アニールが行われ、上記希土類元素を上記Ｓｉナノチップ内に拡散させる。
【００６６】
以上のことより、本発明は、以下のように言い換えることができる。
【００６７】
すなわち、本発明の電界発光ダイオードの製造方法は、シリコン（Ｓｉ）ナノ突起電界発光（ＥＬ）ダイオードを製造する方法であって、この方法が、複数のＳｉナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード形成工程と、上記Ｓｉナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、上記蛍光体層を覆うように上部電極を形成する上部電極形成工程と、を含む構成であるともいえる。
【００６８】
この構成において、上記ナノ突起ダイオード形成工程が、上記基板の上面を覆うように反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）誘導ポリマーグラス（RIE-induced polymer grass）を形成する工程と、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、マスクに覆われていない基板の領域をエッチングする工程と、上記マスクに覆われた基板の領域にナノ突起ダイオード部を形成する工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００６９】
さらに、上記ナノ突起ダイオード形成工程が、上記ＲＩＥ誘導のポリマーグラスを形成する前に、シリコンｐウェルを形成するシリコンｐウェル形成工程と、シリコンｐウェルを覆うように、厚さ３０〜３００ナノメートル（ｎｍ）のシリコンｎ＋層を形成するシリコンｎ＋層形成工程とを含み、シリコンｎ＋層形成工程が、立方センチメートルあたり１×１０１６〜１×１０１８（／ｃｍ３）の範囲内の濃度でシリコン基板のドーピングを行う工程と、２０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲内のエネルギーで、リンおよびヒ素を含むグループから選択されたイオンを注入する工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７０】
さらに、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを形成する工程が、酸素と四フッ化炭素との混合物を導入する工程と、高周波（ＲＦ）を使用して上記混合物を励振させる工程と、上記シリコン基板を１０秒〜５分間エッチングする工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７１】
さらに、上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスをマスクとして使用し、マスクに覆われていない基板の領域をエッチングする工程が、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８の化学薬品をエッチングに使用する工程と、上記ｎ＋層が露出された部分をエッチングする工程と、上記ｐウェルが下に配された領域を露出させる工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７２】
さらに、上記ｐウェルが下に配された領域を露出させる工程が、ｐウェル内を約２ナノメートル（ｎｍ）よりも深くエッチングする工程を含むことが好ましいといえる。
【００７３】
また、蛍光体層を形成する工程が、シリコン酸化物からなる蛍光体層を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００７４】
また、上記シリコン酸化物からなる蛍光層を形成する工程が、上記ｐウェルが下に配された領域を露出させた後、残存の上記ＲＩＥ誘導ポリマーグラスを取り除き、ｎ＋シリコン領域を露出させる工程と、露出した上記ｎ＋シリコン領域および露出したｐウェルシリコン領域を熱酸化する工程と、１〜５ナノメートル（ｎｍ）のシリコン酸化物を成長させる工程と、上記熱成長したシリコン酸化物を覆うようにシリコン酸化物を堆積させる工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７５】
また、上記ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、ｐｎ接合ナノチップ構造を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００７６】
また、上記蛍光体層を形成する工程は、希土類元素がドープされた絶縁体を形成する工程を含む、（ただし、上記希土類元素がエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、およびテルビウム（Ｔｂ）を含むグループから選択されたものであり、上記絶縁体がシリコン酸化物およびシリコン窒化物を含むグループから選択された材料である）ことが好ましいといえる。
【００７７】
また、上記蛍光体層を形成する工程が、希土類元素が１ａｔ％〜５ａｔ％（原子量パーセント）の範囲内のドーピング濃度でドープされた絶縁体を堆積する工程と、６００〜１２００℃で１０〜２００分間熱アニールを行う工程と、を含むことが好ましいといえる。
【００７８】
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、端部を有するナノ突起ダイオード部を形成する工程を含み、さらに、上記蛍光体層を形成した後に、その蛍光体層に化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を施し、上記ナノ突起ダイオード部の端部を露出させる工程、を含むことが好ましいといえる。
【００７９】
また、上記上部電極を形成する工程が、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛（Zinc oxyfluoride）、および導電性プラスチックを含むグループから選択された材料から上部電極を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８０】
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、基底幅が約５０ナノメートル以下であるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８１】
また、上記ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、チップ高さが５０〜５００ｎｍであるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８２】
また、ナノ突起ダイオード部を形成する工程が、密度が１平方マイクロメートルあたり１００以上であるナノ突起ダイオード部を形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８３】
また、上記複数のＳｉナノ突起ダイオード部を形成する工程が、複数の隔離された領域を形成し、各領域に複数のナノ突起ダイオード部が含まれるようにする工程を含み、
また、上記ナノ突起ダイオード部を覆うように蛍光体層を形成する工程が、ナノ突起ダイオード部の各領域の各領域を覆う蛍光体層領域を形成する工程を含み、かつ、上記蛍光層を覆うように上部電極を形成する工程が、各蛍光体層領域を覆うように、上部電極を隔離して形成する工程を含むことが好ましいといえる。
【００８４】
本発明の電界発光ダイオードは、シリコンナノ突起を有する電界発光（ＥＬ）ダイオードであって、複数のナノ突起ダイオード部を有する下部電極と、上記ナノ突起ダイオード部を覆う蛍光層と、上記蛍光体層を覆う上部電極とを備えた構成であるともいえる。
【００８５】
また、本発明の電界発光ダイオードでは、一時的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）誘導ポリマーグラスエッチングマスク（RIE-induced polymer glass etch mask）をさらに備え、かつ、上記ナノ突起ダイオード部が、上記一時的なマスクの下に配されていることが好ましいといえる。
【００８６】
また、上記下部電極がシリコン（Ｓｉ）の上面を含み、かつ各ナノ突起ダイオードが、上記下部電極の上面に接触したｐドープシリコン下端部と、上記ｐドープシリコン下端部に接続されたｎ＋シリコン上端部とを備えたことが好ましいといえる。
【００８７】
また、ｐドープシリコン下端部の長さが２ナノメートル（ｎｍ）よりも大きいことが好ましいといえる。
【００８８】
また、ｎ＋ドープシリコン上端部の長さが１０ｎｍよりも大きいことが好ましいといえる。
【００８９】
また、各ナノ突起ダイオード部が、ｐｎ接合構造であることが好ましいといえる。
【００９０】
また、上記蛍光体層が、シリコン酸化物からなる蛍光体層であることが好ましいといえる。
【００９１】
また、上記蛍光体層が、希土類元素がドープされた絶縁体からなっており、上記希土類元素がエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、およびテルビウム（Ｔｂ）を含むグループから選択され、上記絶縁体がシリコン酸化物およびシリコン窒化物を含むグループから選択された材料であることが好ましいといえる。
【００９２】
また、上記上部電極が、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、および導電性プラスチックを含むグループから選択された材料からなっていることが好ましいといえる。
【００９３】
また、上記ナノ突起ダイオード部の基底幅が、約５０ナノメートル以下であることが好ましいといえる。
【００９４】
また、上記ナノ突起ダイオード部のチップ高さが、５０〜５００ｎｍであることが好ましいといえる。
【００９５】
また、上記ナノ突起ダイオード部の密度が、１平方マイクロメートルあたり１００よりも大きいことが好ましいといえる。
【００９６】
また、本発明の電界発光ダイオードアレイは、ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイであって、複数の隔離された領域を有し、各領域が複数のナノ突起ダイオードを備えた下部電極と、ダイオードアレイの各領域を覆う蛍光体層領域と、各蛍光体層領域を覆うように、隔離されて形成された上部電極とを備えた構成であるともいえる。
【００９７】
本発明においては、ナノ突起ダイオード部を備えた電界発光素子およびその製造方法が提供された。本発明を説明しやすくするために特定の材料および製造方法の詳細が例として示されているが、本発明は、あくまでもこれらの例に限定されるものではなく、他の変形および形態が当業者によってなされるであろう。
【００９８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明においては、低い電圧供給により高い電界を発生させる低出力の電界発光ダイオードを実現できるので、集積回路に適したものになる。それゆえ、本発明は、集積回路に関連する半導体産業に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は、シリコンナノチップエレクトロルミネセンス（ＥＬ）ダイオードの部分断面図である。
【図２】完成前の作製工程にある、図１の電界発光ダイオードの部分断面図である。
【図３】図１の電界発光ダイオードを詳細に示す部分断面図である。
【図４】ナノ突起を有する電界発光ダイオードアレイの部分断面図である。
【図５Ａ】ポリマーグラスマスクエッチング工程によって形成されたシリコンナノ突起の写真である。
【図５Ｂ】ポリマーグラスマスクエッチング工程によって形成されたシリコンナノ突起の写真である。
【図６】ナノ突起ダイオード部で電界発光素子を作製する工程を示す部分断面図である。
【図７】ナノ突起ダイオード部で電界発光素子を作製する工程を示す部分断面図である。
【図８】ナノ突起ダイオード部で電界発光素子を作製する工程を示す部分断面図である。
【図９】ＳｉナノチップＥＬダイオードを作製する方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０１】
１００ 電界発光ダイオード
１０２ 下部電極
１０４ ナノ突起ダイオード部
１０６ 蛍光体層
１０８ 上部電極
９０２ 工程（ナノ突起ダイオード部形成工程）
９０２ａ サブ工程（ｐウェル形成段階）
９０２ｂ サブ工程（ｎ＋層形成段階）
９０２ｃ サブ工程（マスク形成段階）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードであって、
上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、
各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっていることを特徴とする電界発光ダイオード。
【請求項２】
上記微小突起は、
下部電極表面に形成されたｐドープシリコンからなるｐドープシリコン下端部と、
上記ｐドープシリコン下端部に接続しており、ｎ＋ドープシリコンからなるｎ＋ドープシリコン上端部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電界発光ダイオード。
【請求項３】
上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の電界発光ダイオード。
【請求項４】
上記蛍光体層には、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、及びテルビウム（Ｔｂ）の含む集団から選択された希土類元素がドープされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電界発光ダイオード。
【請求項５】
上記上部電極は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、及び導電性プラスチックの含む集団から選択された材料からなっていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電界発光ダイオード。
【請求項６】
下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードが複数配列された電界発光ダイオードアレイであって、
上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、
蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられていることを特徴とする電界発光ダイオードアレイ。
【請求項７】
下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光素子の製造方法であって、
上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、
ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がｐｎ接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成することを特徴とする電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項８】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、下部電極表面に、反応性イオンエッチングを施し、マスクとしての反応性イオンエッチング誘導ポリマーグラスを形成するマスク形成段階を含み、
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングする一方、上記マスクに覆われている下部電極表面の領域にナノ突起ダイオード部を形成することを特徴とする請求項７に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項９】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、
ｐドープシリコン下端部としてのｐウェルを形成するｐウェル形成段階と、
ｐウェルを覆うように、ｎ＋ドープシリコン上端部としてのｎ＋層を形成するｎ＋層形成段階とを含み、
上記マスク形成段階では、ｎ＋層に反応性イオンエッチングを施し、ポリマーグラスを形成することを特徴とする請求項８に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、マスクとしてのポリマーグラスに覆われていない上記ｎ＋層表面をエッチングし、ｐウェルを露出させることを特徴とする請求項９に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
上記マスク形成段階では、下部電極表面に、酸素と四フッ化炭素との混合ガスを導入し、高周波励振下で反応性イオンエッチングを施すことを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いて上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングし、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）ガスを用いて、エッチングされた下部電極表面を安定化することを特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１】
下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードであって、
上記下部電極は、ナノメートルオーダーの微小突起が下部電極表面に複数設けられたナノ突起ダイオード部を有するとともに、
各微小突起は、ｐｎ接合の構造になっていることを特徴とする電界発光ダイオード。
【請求項２】
上記微小突起は、
下部電極表面に形成されたｐドープシリコンからなるｐドープシリコン下端部と、
上記ｐドープシリコン下端部に接続しており、ｎ＋ドープシリコンからなるｎ＋ドープシリコン上端部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電界発光ダイオード。
【請求項３】
上記蛍光体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の電界発光ダイオード。
【請求項４】
上記蛍光体層には、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、及びテルビウム（Ｔｂ）の含む集団から選択された希土類元素がドープされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電界発光ダイオード。
【請求項５】
上記上部電極は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、オキシフッ化亜鉛、及び導電性プラスチックの含む集団から選択された材料からなっていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電界発光ダイオード。
【請求項６】
下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光ダイオードが複数配列された電界発光ダイオードアレイであって、
上記下部電極表面には、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード領域が形成されており、
蛍光体層及び上部電極は、各ナノ突起ダイオード領域に対応するように複数設けられていることを特徴とする電界発光ダイオードアレイ。
【請求項７】
下部電極と上部電極とからなる一対の電極を有し、下部電極と上部電極との間に蛍光体を含む蛍光体層が設けられた電界発光素子の製造方法であって、
上記下部電極表面に、ナノメートルオーダーの微小突起を有するナノ突起ダイオード部を形成するナノ突起ダイオード部形成工程を含み、
ナノ突起ダイオード形成工程では、上記微小突起がｐｎ接合の構造になるように、ナノ突起ダイオードを形成することを特徴とする電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項８】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、下部電極表面に、反応性イオンエッチングを施し、マスクとしての反応性イオンエッチング誘導ポリマーグラスを形成するマスク形成段階を含み、
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングする一方、上記マスクに覆われている下部電極表面の領域にナノ突起ダイオード部を形成することを特徴とする請求項７に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項９】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程は、
ｐドープシリコン下端部としてのｐウェルを形成するｐウェル形成段階と、
ｐウェルを覆うように、ｎ＋ドープシリコン上端部としてのｎ＋層を形成するｎ＋層形成段階とを含み、
上記マスク形成段階では、ｎ＋層に反応性イオンエッチングを施し、ポリマーグラスを形成することを特徴とする請求項８に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、マスクとしてのポリマーグラスに覆われていない上記ｎ＋層表面をエッチングし、ｐウェルを露出させることを特徴とする請求項９に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
上記マスク形成段階では、下部電極表面に、酸素と四フッ化炭素との混合ガスを導入し、高周波励振下で反応性イオンエッチングを施すことを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
上記ナノ突起ダイオード部形成工程では、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いて上記マスクに覆われていない下部電極表面の領域をエッチングし、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）ガスを用いて、エッチングされた下部電極表面を安定化することを特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載の電界発光ダイオードの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２６９４２１（Ｐ２００６−２６９４２１Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４０８９（Ｐ２００６−５４０８９）
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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