３端子型結晶シリコン素子
【課題】所望の発光波長を高効率で引き出せ、波長可変も可能な結晶シリコン発光素子を得る。
【解決手段】単結晶からなるｐ型のシリコン基板１０と、このシリコン基板１０の一方の表面にこれと複数個のナノＳｉ柱１５が形成され、このナノＳｉ柱１５は、シリコン基板１０とホモ接合を形成して 円筒状の柱状突起の形態を成している。また、シリコン基板１０の表面には、ナノＳｉ柱１５の上面以外の領域にシリコン酸化膜１６と、少なくともナノＳｉ柱１５の側面の一部を覆うように設けられた第３の電極１７と、第３の電極１７の表面を覆う絶縁膜１８が形成されている。さらに、少なくともナノＳｉ柱１５の上面と接してショットキー障壁３０を形成する透明電極１９が設けられている。シリコン基板１０の他方の表面には、金属電極２０が形成されている。
【解決手段】単結晶からなるｐ型のシリコン基板１０と、このシリコン基板１０の一方の表面にこれと複数個のナノＳｉ柱１５が形成され、このナノＳｉ柱１５は、シリコン基板１０とホモ接合を形成して 円筒状の柱状突起の形態を成している。また、シリコン基板１０の表面には、ナノＳｉ柱１５の上面以外の領域にシリコン酸化膜１６と、少なくともナノＳｉ柱１５の側面の一部を覆うように設けられた第３の電極１７と、第３の電極１７の表面を覆う絶縁膜１８が形成されている。さらに、少なくともナノＳｉ柱１５の上面と接してショットキー障壁３０を形成する透明電極１９が設けられている。シリコン基板１０の他方の表面には、金属電極２０が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶シリコン素子に係り、より詳しくは、ナノサイズの結晶シリコンから構成された高効率・高機能な３端子型結晶シリコン素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流制御素子が真空管から固体半導体に置き換わったように、近年、照明素子も蛍光管からＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体などの固体発光素子に急速に置き換わりつつある。今後も発光素子の固体化の進展は疑う余地が無い。しかし、現在主流であるＧａ系化合物半導体では、高価なサファイヤ基板への低欠陥エピタキシャル成長が必要であり、また、ｐｎ接合や量子井戸構造を形成することが必要となる。そのために、Ａｌ、Ｐ、Ｉｎ、Ｎなどを含む複雑な多層膜構造にしなければならないなどの点で、安価な発光素子の提供が難しい。
【０００３】
かかる課題に対し、地球上に最も豊富に存在する材料であるシリコン（Ｓｉ）を用いて、安価な発光素子を得る試みがなされている。Ｓｉは、間接遷移型であり発光効率が低く、さらにバンドギャップが近赤外領域にあるため、可視光の発光材料としては不向きであると考えられてきた。しかし、例えば、陽極酸化によって形成したポーラスＳｉから可視発光が得られることが報告されてから、ナノサイズの結晶Ｓｉ（以下、ナノＳｉと略す）が可視発光素子の有力候補として注目されるようになった（例えば、非特許文献１参照）。
ナノＳｉによる発光現象は、Ｓｉ結晶をナノサイズに縮小して起こる量子閉じ込め効果（バンドギャップの拡大）と考えられている。３端子型結晶シリコン素子の具現化には、発光効率を実用レベルに高めることが不可欠であり、表面状態を含む結晶性の向上が最大の課題となる。また望みの発光色を引き出すためには波長制御が必要であり、ナノＳｉの結晶サイズも高精度に制御しなければならない。
【０００４】
前述のような陽極酸化法を用いたポーラスＳｉは、特異な酸化作用によってＳｉ表面をポーラス状に侵食するものである。そのため、結晶自体の品質は比較的よいが、表面積が非常に大きく発光特性の不安定性が指摘されている。さらに、形状が殆ど制御できないので、発光波長も制御できない問題があった。
これら問題点を解決する手段として、これまでいくつかの方法が提案されている。例えば、イオン注入法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて、基板上に粒状Ｓｉ結晶を形成し、加えてシリコン酸化物（ＳｉＯ２）などの安定な材料中に埋め込む工夫がなされてきた（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００５】
【非特許文献１】アプライド・フィジクス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、１９９０年、５７巻、１０４６頁
【特許文献１】特開平８−１７５７７号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６７８１号公報
【特許文献３】特開平８−３０７０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の方法は、何れもＳｉあるいはＳｉ化合物を注入または堆積させて形成するものであることから、結晶の均一性に課題があり、その粒径制御においても満足できるものではなかった。
また、従来の方法は、一対の電極からナノＳｉに注入された電荷が自然に再結合して発光する２端子型発光素子であるため、波長の制御された光を高効率で取り出すことは困難であった。
【０００７】
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、所望の可視光を高効率で引き出せる３端子型結晶シリコン発光素子等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもと、鋭意検討の結果、本発明者等は、発光効率を高めるにはナノＳｉの形状を略円柱状にして、その側面に電荷の流れを制御する第３の電極（制御電極）を設けることで発光効率を格段に向上できることを見出した。さらに、第３の電極に印加する電位を制御することにより、発光波長をも制御できることを見出した。
【０００９】
即ち、本発明の３端子型結晶シリコン素子は、結晶シリコンに電荷を注入する一対の電極と、電荷の流れを制御する第３の電極と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明の３端子型結晶シリコン素子は、一対の表面を持つ単結晶シリコン基板と、単結晶シリコン基板の一方の主表面と連続し、かつ略垂直に立つ複数個の略円柱状単結晶シリコンと、単結晶シリコン基板の他方の主表面側に位置する金属電極と、金属電極とともに一対の電極を形成して、略円柱状単結晶シリコンを挟み込む透明電極と、略円柱状単結晶シリコンを取り囲む第３の電極とを具備したことを特徴とする。
【００１０】
ここで、３端子型結晶シリコン素子において、第１の絶縁膜と、第２の絶縁膜を更に有し、金属電極は、単結晶シリコン基板とオーミック接触されてなり、第１の絶縁膜は第３の電極と略円柱状単結晶シリコンとを絶縁し、第２の絶縁膜は第３の電極と透明電極とを絶縁することが好ましい。
【００１１】
このような構成とすることで、一対の電極からナノＳｉ柱に注入された電荷（電子/正孔）が発光中心に効率よく再結合する。
具体的には、電極から注入された電荷と同一の極性を持つ電位（例えば透明電極から電子が注入されるような構成なら負電位）を上記第３の電極に印加することで、注入された電荷がナノＳｉ柱側面における発光に寄与しない表面再結合が低減されるので発光効率を格段に向上することができる。
【００１２】
また、透明電極は、略円柱状単結晶シリコンと接することによりショットキー接合を形成してもよい。
この場合、キャリア注入が低電圧化（注入効率向上）できるので、発光素子の低消費電力化を図ることができる点で優れている。
【００１３】
また更に、キャリアのトンネル注入が生じる第３の絶縁膜を更に有し、透明電極は、第３の絶縁膜を介して略円柱状単結晶シリコンに接合するようにしてもよい。
この場合、ナノＳｉが安定な絶縁膜で保護されるので、一層の発光効率向上と安定化が図れる点で好ましい。
【００１４】
あるいは、略円柱状単結晶シリコンは、高さ方向においてｐ型、ｎ型の２層構造から成るｐｎ接合を有し、透明電極は、略円柱状単結晶シリコンの上層に位置するｐ型あるいはｎ型の一方に接してオーミック接触を形成されてなるようにしてもよい。
この場合、透明電極より一方の導電形を介して他方導電形注入されるキャリアの再結合が、ナノＳｉ柱内部で起こるので発光に寄与しない表面再結合が減少し、一層の発光効率向上と安定化が図れる。更に、絶縁膜で構成した場合に比べても、キャリア注入が低電圧化（注入効率向上）できるので、発光素子の低消費電力化を図ることができる点で優れている。
【００１５】
尚、略円柱状単結晶シリコンの底面は、単結晶シリコン基板に接してホモ接合を形成していることが好ましい。
【００１６】
一方、本発明の３端子型結晶シリコン素子において、第３の電極に印加する電位を制御する手段を備えることが好ましい。
また、第３の電極に印加する電位を周波数制御する手段を備えることが好ましい。
【００１７】
この場合、ナノＳｉの導電型に対して反転層が形成されるような電位（例えばｐ型半導体に電子が注入される構成なら正電位）を上記第３の電極に印加すれば、ナノＳｉ柱内での電子の通路が狭められるので量子閉じ込め効果が増大し、発光波長を短波長に制御できる。即ち、従来技術では、ナノＳｉの直径で一義的に波長が決まっていたのに対し、本発明では第３の電極でも波長制御が可能である特徴がある。これは一つの結晶シリコン発光素子で、種々の単色発光を取り出せるだけでなく、第３の電極への印加電圧の大きさを周波数制御すれば白色発光を行うことができ、従来にない新規な機能を有している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、所望の発光波長を高効率で引き出せ、波長可変も可能な３端子型結晶シリコン発光素子等を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）について、添付図面を参照して詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００２０】
図１は本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の部分断面を示した図である。
また、図２は図１に示す３端子型結晶シリコン素子を鳥瞰図として示した図である。
【００２１】
この図１および図２に示すように、結晶シリコン素子としての３端子型結晶シリコン素子は、一対の表面を持つ単結晶からなるｐ型のシリコン基板１０と、このシリコン基板１０の一方の表面（主表面）側に、これと連続して、かつ略垂直に立つ複数個のナノＳｉ柱（略円柱状単結晶シリコン）１５が形成されている。
このナノＳｉ柱１５は、シリコン基板１０と直に接してホモ接合を形成して、シリコン基板１０の主表面に対して略垂直な円筒状の柱状突起の形態を成している。また、シリコン基板１０の主表面には、ナノＳｉ柱１５の上面以外の領域にシリコン酸化膜（絶縁膜）１６と、少なくともナノＳｉ柱１５の側面の一部を覆うように設けられた第３の電極（例えばアルミニウム）１７と、第３の電極１７の表面を覆う絶縁膜１８が形成されている。さらに、少なくともナノＳｉ柱１５の上面と接してショットキー障壁３０を形成するように設けられた透明電極（例えばＩＴＯ）１９が設けられている。シリコン基板１０の他方の主表面（他表面）側には、シリコン基板１０とオーミック接触されるように金属電極（例えばアルミニウム）２０が形成されている。
このように構成される３端子型結晶シリコン素子は、透明電極１９を陰極、金属電極２０を陽極、第３の電極１７を制御電極として電圧印加することで、高効率発光および波長可変発光素子として動作する。
【００２２】
図３は、図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の動作原理を説明するためのバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
図３に示すように、透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入した電子と、金属電極２０からシリコン基板１０を経由してナノＳｉ柱１５に注入した正孔は、ナノＳｉ柱１５の中で再結合中心にトラップされて発光する。近赤外のバンドギャップを有するシリコンが可視発光する理由は、結晶サイズ（円柱の直径）縮小による量子閉じ込め効果（バンドギャップの拡大）による。すなわちこのような構成を有する３端子型結晶シリコン素子は、第３の電極１７による電荷制御の無い場合であっても、ナノＳｉ柱１５の直径（Φｓｉ）制御によって、可視光を比較的効率よく取り出すことができる。
【００２３】
一方、図４は、図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の高効率化および波長可変の原理を説明するためのバンド構造と断面模式図を示す説明図である。
第３の電極１７に電位を印加しない場合は、図４（ａ）に示すような熱平衡状態でありシリコン酸化膜１６の界面でバンドは下向に曲がっている。
ここで、第３の電極１７に負電位を印加した場合には、図４（ｂ）に示すようにシリコン酸化膜１６の界面でバンドは上方に曲がり、蓄積層が形成される。このため透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子は、エネルギー準位の関係でシリコン酸化膜１６の界面よりもナノＳｉ柱１５の中心付近で再結合し易くなる。この結果、欠陥や表面準位が多く存在するシリコン酸化膜１６近傍での（発光に寄与しない）再結合が低減し、格段に高効率化が図れる。
一方、第３の電極１７に正電位を印加した場合には、図４（ｃ）に示すようにシリコン酸化膜１６の界面でバンドが下方へ大きく曲がり、反転層が形成され、さらに反転層の外側（ナノＳｉ柱１５の内部側）には空乏層が形成される。このため、透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子の通路が狭められ、バンドギャップが拡大する。
【００２４】
図５は、図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の波長可変原理を説明するため第３の電極１７に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
図５から分るように、より大きなバンド間遷移で再結合が生じ、より短波長の光が取り出せる。
換言すれば、第３の電極１７の印加電圧によって波長可変発光素子として機能することができ、電位をある周期で可変（周波数制御）することで白色発光素子として動作させることもできる。また、ナノＳｉの物理的なサイズで発光波長が一義的に決まる従来技術に比べて、所望波長の発光素子を製造する上でのナノＳｉのサイズばらつき許容度が大幅に改善できる特徴もある。
なお正電位を印加した場合も、負電位を印加した場合と同様に透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子は、エネルギー準位の関係でシリコン酸化膜１６の界面よりもナノＳｉ柱１５の中心付近で再結合し易くなるため、欠陥や表面準位が多く存在するシリコン酸化膜１６近傍での（発光に寄与しない）再結合が低減し、格段に高効率化が図れる。
【００２５】
図６は、図１に示す３端子型結晶シリコン素子の変形例を示す部分断面図である。
ここでは、説明の重複を避けるため、図１に示す例とは異なる部分を説明する。図６に示す変形例では、ナノＳｉ柱１５の上面に薄いシリコン酸化膜４０を設けることにより、ナノＳｉ柱１５と透明電極１９との間に絶縁膜障壁を形成するようにした。
すなわち、図１に示す例では、透明電極１９からナノＳｉ柱１５への電子注入が、ショットキー障壁を介したトンネル注入によって行われていた。一方、図６に示す変形例では、透明電極１９からナノＳｉ柱１５への電子注入が、絶縁膜障壁を介したトンネル注入によって行なわれる。本変形例では、ナノＳｉ柱１５の上面が安定なシリコン酸化膜４０で覆われているので、透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子の可視発光に寄与しない表面再結合が低減され、発光効率を向上することができる。
【００２６】
図７は、図１に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例を示す部分断面図である。
ここでは、説明の重複を避けるため、図１に示す例とは異なる部分を説明する。図７に示す変形例では、ナノＳｉ柱１５の高さ方向においてｐ型導電型、ｎ型導電型の２層構造から成るｐｎ接合５０を有し、上層に位置するｐ型あるいはｎ型の一方が透明電極１９と直に接してオーミック接触を形成している。
より具体的にはシリコン基板１０にｐ型導電層（ｐ層）を用いた場合には、ナノＳｉ柱１５上層部に高濃度ｎ型導電層（ｎ＋層）２１を設けることで、ｐｎ接合５０を形成する。勿論、ｐ型、ｎ型の位置関係が逆であっても構わない。
なおここで、高さ方向とは、ナノＳｉ柱１５が形成されているシリコン基板１０の主表面に略垂直な方向を言うものとする。
【００２７】
図８は、図７に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例の動作原理を説明するため第３の電極に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
本実施の形態では、透明電極１９からｎ＋層２１へ流れ込んだ電子が、ｐｎ接合５０を介して下層のｐ層に注入される。
このため、キャリアの再結合が、ナノＳｉ柱１５より深い位置で起こるようになるので、透明電極１９とナノＳｉ柱１５が接する領域での可視発光に寄与しない表面再結合、またはエネルギーの低い（波長の長い）光が低減され、より一層の発光効率の向上が図れる。
【００２８】
次に、本実施の形態が適用される３端子型結晶シリコン素子の製造方法について説明する。
図９は、本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の製造方法を示す部分断面図であり、製造工程順に製造方法が示されている。
ここでは、まず（１００）面から成る一対の表面を持つｐ型の単結晶シリコン基板１０を用意し、一方の表面（主表面）側にスピンコートによりブロック共重合体（例えばポリスチレン（ＰＳ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の共重合体）から成る薄膜ポリマー１１を約２５ｎｍの厚みで塗布した後、２２０℃で３時間ベーキング処理することで、ＰＳ層１１ａの薄膜中に球状のＰＭＭＡ層１１ｂを有する相分離構造を形成する。
例えば、ＰＳとＰＭＭＡがそれぞれ約９０，０００、約２０，０００の分子量から成る共重合ポリマーを用いた場合では、ピッチが約４０ｎｍで、球状のＰＭＭＡ層１１ｂの直径が約２０ｎｍから成る六回対称の相分離構造となった。ピッチおよび球体の直径は、ブロック共重合ポリマーの分子量およびその比率を調整することにより様々なサイズに制御できる（図９（ａ））。
【００２９】
次に、ＰＳとＰＭＭＡのエッチング速度差を利用した酸素ガスを用いたＲＩＥ法により、薄膜ポリマー１１の表面にナノサイズで六回対称の平面パターンを持つ細孔１２が形成できる。これは、酸素のプラズマ中では、ＰＭＭＡ層１１ｂがＰＳ層１１ａよりも３〜５倍エッチング速度が速いことによる（図９（ｂ））。
【００３０】
次に、無機系ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）をスピンコートによって塗布し、所定のベークを施すことで無機材から成る無機膜１３ａを形成する。ＳＯＧの粘度を適当に選択することによって、細孔１２が埋まって平坦化された無機膜１３ａを形成することができる（図９（ｃ））。
【００３１】
次に、ＲＩＥ法を用いて無機膜１３ａの表面を軽くエッチング（エッチバック）することにより、細孔１２にのみ残した無機膜１３ｂを形成する。次に、ＲＩＥ法を用いてエッチングし、無機膜１３ａで覆われていない領域のＰＳ層１１ａを除去して開口部１４ａを形成する（図９（ｄ））。
【００３２】
次に、無機膜１３ｂをマスクとして、シリコン基板１０の上層部（例えば１００ｎｍの深さ）を、ＲＩＥ法を用いてエッチングし、円筒状突起部（ナノＳｉ柱１５）と溝部１４ｂとを形成する（図９（ｅ））。
【００３３】
その後、例えばフッ酸系水溶液などでウェット処理して無機膜１３ｂを除去した後、８５０℃の酸化性雰囲気中で熱処理することにより、溝部１４ｂの底部およびナノＳｉ柱１５の表面にシリコン酸化膜１６を設ける。この時、シリコン酸化膜１６を所望の厚みにすることにより、ナノＳｉ柱１５の直径を約３．５ｎｍに制御した。
次にアルミニウムなどの低抵抗率の金属膜をスパッタリングした後、全面をエッチバックすることで溝部１４ｂに埋め込まれた第３の電極１７を形成する（図９（ｆ））。
【００３４】
次に、無機系ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）をスピンコートによって塗布し、所定のベークを施した後に、全面をエッチバックすることで無機材から成る絶縁膜１８を形成するとともに、ナノＳｉ柱１５の上面を露出させる（図９（ｇ））。
【００３５】
最後に、ナノＳｉ柱１５が設けられた主表面側に酸化インジウム系化合物からなる透明電極（ＩＴＯ）１９を形成し、他表面側にアルミニウムからなる金属電極２０を形成して（図９（ｈ））、図１に示すような３端子型結晶シリコン素子を得ることができる。
【００３６】
以上のような工程で作製した３端子型結晶シリコン素子のナノＳｉ柱１５のサイズは、直径約３．５ｎｍ、高さ約８０ｎｍであった。また金属電極２０を陽極、透明電極１９を陰極、第３の電極１７は零電位として通電した時、ピーク波長が約７００ｎｍの赤色の発光を確認できた。
この３端子型結晶シリコン素子は、ナノＳｉ柱１５は極めて結晶性のよいシリコン基板１０から作り込まれたものであるから、殆ど欠陥のない結晶性を持つことができる。このため、従来技術に比べ発光効率が向上できた。
【００３７】
さらに、第３の電極１７に負電位を加えた場合には、ナノＳｉ柱１５とシリコン酸化膜１６の界面近傍での可視発光に寄与しない再結合を低減でき、より高効率の赤色発光を達成できた。また、第３の電極１７に正電位を印加して、その大きさを変えることで赤〜青までの発光色を自在に可変して取り出せること、および第３の電極１７に印加する正電位の大きさを周期的に変動させる（周波数制御）ことで白色光にもできるという、従来に無い新しい機能を有することを確認した。
【００３８】
尚、ナノＳｉ柱１５は、ブロック共重合ポリマーの相分離によって得られる直径の揃った細孔１２をエッチングマスクの原型として加工すること、およびその後の酸化工程によって直径の微細化を制御するので、大きさの均一性に優れた３端子型結晶シリコン素子が形成できる。このため、従来技術に比較して発光波長の制御性が格段に優れている。実験によれば、サイズのばらつきを５％以下に抑えることができた。
また、ナノＳｉ柱１５を取り囲む厚いシリコン酸化膜１６は、透明電極１９との電気的絶縁分離を果たすと共に、ナノＳｉ柱１５の機械的強度を強化する効果もある。よって、波長の制御性に優れた高効率発光素子を、高い歩留で安価に提供することができる。
【００３９】
尚、第３の電極１７はアルミニウムを例示したが、低抵抗材であって加工し易い材料であれば、特に制限はない。透明電極１９はＩＴＯを例示したが、可視光に対して透明性を維持し電気導電性を有するものであれば、特に制限はない。また、金属電極２０はアルミニウムを例示したが、電気導電性に優れシリコン基板１０とオーミック接続できる材料であれば、特に制限はない。
更に、以上の実施の形態はシリコン基板１０にｐ型導電型を用いる例を示したが、ｎ型導電型であってもよい。この場合には、ｎ＋層２１はｐ＋層となり、陰極と陽極および第３の電極１７に印加する正負の関係も逆になる。
【００４０】
以上、詳述したように、本実施の形態によれば、略円柱状のナノＳｉ柱１５の側面に電荷の流れを制御する第３の電極（制御電極）１７を設けることで、発光効率と発光波長制御が格段に優れた３端子型結晶シリコン素子が実現できる。これにより、一つの素子で単色から白色に至る可視光を高効率で自在に取り出せる新規な３端子型結晶シリコン素子を安価に提供できる。
【００４１】
尚、図１、図６、図７に示した実施の形態では、ナノＳｉを用いた発光素子を例示したが、同一の構成で発電素子（光起電力素子）に応用することもできる。即ち、透明電極側からナノＳｉに光を照射するとキャリア（電子・正孔対）が生成され、一対の電極から電力を取り出すことができる。特に、可視光〜紫外光に対して高感度な発電素子が実現できる。
また、本実施の形態が適用される３端子型結晶シリコン素子は、通常のＩＣ製造に幾つかの製造工程を付加するだけで、容易かつ任意形状にて形成することができる。そこで、制御回路、増幅回路、メモリ回路、保護回路等と組み合わせて１チップ化してもよい。
即ち、各種回路と３端子型結晶シリコン素子を同一基板状でＩＣ化することにより、様々な機能付加及び機能向上、あるいは低コスト化を図ることができる。その応用は、発光素子や発電素子に留まらず、レーザー、レーダー、通信、メモリ、センサあるいは電子エミッタやディスプレイ等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の部分断面を示した図である。
【図２】図１に示す３端子型結晶シリコン素子を鳥瞰図として示した図である。
【図３】図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の動作原理を説明するためのバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
【図４】図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の高効率化および波長可変の原理を説明するためのバンド構造と断面模式図を示す説明図である。
【図５】図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の波長可変原理を説明するため第３の電極に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
【図６】図１に示す３端子型結晶シリコン素子の変形例を示す部分断面図である。
【図７】図１に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例を示す部分断面図である。
【図８】図７に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例の動作原理を説明するため第３の電極に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
【図９】本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の製造方法を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…シリコン基板、１１…薄膜ポリマー、１１ａ…ＰＳ層、１１ｂ…ＰＭＭＡ層、１２…細孔、１３ａ，１３ｂ…無機膜、１４ａ…開口部、１４ｂ…溝部、１５…ナノＳｉ柱、１６…シリコン酸化膜、１７…第３の電極、１８…絶縁膜、１９…透明電極、２０…金属電極、２１…ｎ型導電層（ｎ＋層）、３０…ショットキー障壁、４０…シリコン酸化膜、５０…ｐｎ接合
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶シリコン素子に係り、より詳しくは、ナノサイズの結晶シリコンから構成された高効率・高機能な３端子型結晶シリコン素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流制御素子が真空管から固体半導体に置き換わったように、近年、照明素子も蛍光管からＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体などの固体発光素子に急速に置き換わりつつある。今後も発光素子の固体化の進展は疑う余地が無い。しかし、現在主流であるＧａ系化合物半導体では、高価なサファイヤ基板への低欠陥エピタキシャル成長が必要であり、また、ｐｎ接合や量子井戸構造を形成することが必要となる。そのために、Ａｌ、Ｐ、Ｉｎ、Ｎなどを含む複雑な多層膜構造にしなければならないなどの点で、安価な発光素子の提供が難しい。
【０００３】
かかる課題に対し、地球上に最も豊富に存在する材料であるシリコン（Ｓｉ）を用いて、安価な発光素子を得る試みがなされている。Ｓｉは、間接遷移型であり発光効率が低く、さらにバンドギャップが近赤外領域にあるため、可視光の発光材料としては不向きであると考えられてきた。しかし、例えば、陽極酸化によって形成したポーラスＳｉから可視発光が得られることが報告されてから、ナノサイズの結晶Ｓｉ（以下、ナノＳｉと略す）が可視発光素子の有力候補として注目されるようになった（例えば、非特許文献１参照）。
ナノＳｉによる発光現象は、Ｓｉ結晶をナノサイズに縮小して起こる量子閉じ込め効果（バンドギャップの拡大）と考えられている。３端子型結晶シリコン素子の具現化には、発光効率を実用レベルに高めることが不可欠であり、表面状態を含む結晶性の向上が最大の課題となる。また望みの発光色を引き出すためには波長制御が必要であり、ナノＳｉの結晶サイズも高精度に制御しなければならない。
【０００４】
前述のような陽極酸化法を用いたポーラスＳｉは、特異な酸化作用によってＳｉ表面をポーラス状に侵食するものである。そのため、結晶自体の品質は比較的よいが、表面積が非常に大きく発光特性の不安定性が指摘されている。さらに、形状が殆ど制御できないので、発光波長も制御できない問題があった。
これら問題点を解決する手段として、これまでいくつかの方法が提案されている。例えば、イオン注入法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて、基板上に粒状Ｓｉ結晶を形成し、加えてシリコン酸化物（ＳｉＯ２）などの安定な材料中に埋め込む工夫がなされてきた（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００５】
【非特許文献１】アプライド・フィジクス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、１９９０年、５７巻、１０４６頁
【特許文献１】特開平８−１７５７７号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６７８１号公報
【特許文献３】特開平８−３０７０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の方法は、何れもＳｉあるいはＳｉ化合物を注入または堆積させて形成するものであることから、結晶の均一性に課題があり、その粒径制御においても満足できるものではなかった。
また、従来の方法は、一対の電極からナノＳｉに注入された電荷が自然に再結合して発光する２端子型発光素子であるため、波長の制御された光を高効率で取り出すことは困難であった。
【０００７】
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、所望の可視光を高効率で引き出せる３端子型結晶シリコン発光素子等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもと、鋭意検討の結果、本発明者等は、発光効率を高めるにはナノＳｉの形状を略円柱状にして、その側面に電荷の流れを制御する第３の電極（制御電極）を設けることで発光効率を格段に向上できることを見出した。さらに、第３の電極に印加する電位を制御することにより、発光波長をも制御できることを見出した。
【０００９】
即ち、本発明の３端子型結晶シリコン素子は、結晶シリコンに電荷を注入する一対の電極と、電荷の流れを制御する第３の電極と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明の３端子型結晶シリコン素子は、一対の表面を持つ単結晶シリコン基板と、単結晶シリコン基板の一方の主表面と連続し、かつ略垂直に立つ複数個の略円柱状単結晶シリコンと、単結晶シリコン基板の他方の主表面側に位置する金属電極と、金属電極とともに一対の電極を形成して、略円柱状単結晶シリコンを挟み込む透明電極と、略円柱状単結晶シリコンを取り囲む第３の電極とを具備したことを特徴とする。
【００１０】
ここで、３端子型結晶シリコン素子において、第１の絶縁膜と、第２の絶縁膜を更に有し、金属電極は、単結晶シリコン基板とオーミック接触されてなり、第１の絶縁膜は第３の電極と略円柱状単結晶シリコンとを絶縁し、第２の絶縁膜は第３の電極と透明電極とを絶縁することが好ましい。
【００１１】
このような構成とすることで、一対の電極からナノＳｉ柱に注入された電荷（電子/正孔）が発光中心に効率よく再結合する。
具体的には、電極から注入された電荷と同一の極性を持つ電位（例えば透明電極から電子が注入されるような構成なら負電位）を上記第３の電極に印加することで、注入された電荷がナノＳｉ柱側面における発光に寄与しない表面再結合が低減されるので発光効率を格段に向上することができる。
【００１２】
また、透明電極は、略円柱状単結晶シリコンと接することによりショットキー接合を形成してもよい。
この場合、キャリア注入が低電圧化（注入効率向上）できるので、発光素子の低消費電力化を図ることができる点で優れている。
【００１３】
また更に、キャリアのトンネル注入が生じる第３の絶縁膜を更に有し、透明電極は、第３の絶縁膜を介して略円柱状単結晶シリコンに接合するようにしてもよい。
この場合、ナノＳｉが安定な絶縁膜で保護されるので、一層の発光効率向上と安定化が図れる点で好ましい。
【００１４】
あるいは、略円柱状単結晶シリコンは、高さ方向においてｐ型、ｎ型の２層構造から成るｐｎ接合を有し、透明電極は、略円柱状単結晶シリコンの上層に位置するｐ型あるいはｎ型の一方に接してオーミック接触を形成されてなるようにしてもよい。
この場合、透明電極より一方の導電形を介して他方導電形注入されるキャリアの再結合が、ナノＳｉ柱内部で起こるので発光に寄与しない表面再結合が減少し、一層の発光効率向上と安定化が図れる。更に、絶縁膜で構成した場合に比べても、キャリア注入が低電圧化（注入効率向上）できるので、発光素子の低消費電力化を図ることができる点で優れている。
【００１５】
尚、略円柱状単結晶シリコンの底面は、単結晶シリコン基板に接してホモ接合を形成していることが好ましい。
【００１６】
一方、本発明の３端子型結晶シリコン素子において、第３の電極に印加する電位を制御する手段を備えることが好ましい。
また、第３の電極に印加する電位を周波数制御する手段を備えることが好ましい。
【００１７】
この場合、ナノＳｉの導電型に対して反転層が形成されるような電位（例えばｐ型半導体に電子が注入される構成なら正電位）を上記第３の電極に印加すれば、ナノＳｉ柱内での電子の通路が狭められるので量子閉じ込め効果が増大し、発光波長を短波長に制御できる。即ち、従来技術では、ナノＳｉの直径で一義的に波長が決まっていたのに対し、本発明では第３の電極でも波長制御が可能である特徴がある。これは一つの結晶シリコン発光素子で、種々の単色発光を取り出せるだけでなく、第３の電極への印加電圧の大きさを周波数制御すれば白色発光を行うことができ、従来にない新規な機能を有している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、所望の発光波長を高効率で引き出せ、波長可変も可能な３端子型結晶シリコン発光素子等を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）について、添付図面を参照して詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００２０】
図１は本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の部分断面を示した図である。
また、図２は図１に示す３端子型結晶シリコン素子を鳥瞰図として示した図である。
【００２１】
この図１および図２に示すように、結晶シリコン素子としての３端子型結晶シリコン素子は、一対の表面を持つ単結晶からなるｐ型のシリコン基板１０と、このシリコン基板１０の一方の表面（主表面）側に、これと連続して、かつ略垂直に立つ複数個のナノＳｉ柱（略円柱状単結晶シリコン）１５が形成されている。
このナノＳｉ柱１５は、シリコン基板１０と直に接してホモ接合を形成して、シリコン基板１０の主表面に対して略垂直な円筒状の柱状突起の形態を成している。また、シリコン基板１０の主表面には、ナノＳｉ柱１５の上面以外の領域にシリコン酸化膜（絶縁膜）１６と、少なくともナノＳｉ柱１５の側面の一部を覆うように設けられた第３の電極（例えばアルミニウム）１７と、第３の電極１７の表面を覆う絶縁膜１８が形成されている。さらに、少なくともナノＳｉ柱１５の上面と接してショットキー障壁３０を形成するように設けられた透明電極（例えばＩＴＯ）１９が設けられている。シリコン基板１０の他方の主表面（他表面）側には、シリコン基板１０とオーミック接触されるように金属電極（例えばアルミニウム）２０が形成されている。
このように構成される３端子型結晶シリコン素子は、透明電極１９を陰極、金属電極２０を陽極、第３の電極１７を制御電極として電圧印加することで、高効率発光および波長可変発光素子として動作する。
【００２２】
図３は、図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の動作原理を説明するためのバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
図３に示すように、透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入した電子と、金属電極２０からシリコン基板１０を経由してナノＳｉ柱１５に注入した正孔は、ナノＳｉ柱１５の中で再結合中心にトラップされて発光する。近赤外のバンドギャップを有するシリコンが可視発光する理由は、結晶サイズ（円柱の直径）縮小による量子閉じ込め効果（バンドギャップの拡大）による。すなわちこのような構成を有する３端子型結晶シリコン素子は、第３の電極１７による電荷制御の無い場合であっても、ナノＳｉ柱１５の直径（Φｓｉ）制御によって、可視光を比較的効率よく取り出すことができる。
【００２３】
一方、図４は、図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の高効率化および波長可変の原理を説明するためのバンド構造と断面模式図を示す説明図である。
第３の電極１７に電位を印加しない場合は、図４（ａ）に示すような熱平衡状態でありシリコン酸化膜１６の界面でバンドは下向に曲がっている。
ここで、第３の電極１７に負電位を印加した場合には、図４（ｂ）に示すようにシリコン酸化膜１６の界面でバンドは上方に曲がり、蓄積層が形成される。このため透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子は、エネルギー準位の関係でシリコン酸化膜１６の界面よりもナノＳｉ柱１５の中心付近で再結合し易くなる。この結果、欠陥や表面準位が多く存在するシリコン酸化膜１６近傍での（発光に寄与しない）再結合が低減し、格段に高効率化が図れる。
一方、第３の電極１７に正電位を印加した場合には、図４（ｃ）に示すようにシリコン酸化膜１６の界面でバンドが下方へ大きく曲がり、反転層が形成され、さらに反転層の外側（ナノＳｉ柱１５の内部側）には空乏層が形成される。このため、透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子の通路が狭められ、バンドギャップが拡大する。
【００２４】
図５は、図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の波長可変原理を説明するため第３の電極１７に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
図５から分るように、より大きなバンド間遷移で再結合が生じ、より短波長の光が取り出せる。
換言すれば、第３の電極１７の印加電圧によって波長可変発光素子として機能することができ、電位をある周期で可変（周波数制御）することで白色発光素子として動作させることもできる。また、ナノＳｉの物理的なサイズで発光波長が一義的に決まる従来技術に比べて、所望波長の発光素子を製造する上でのナノＳｉのサイズばらつき許容度が大幅に改善できる特徴もある。
なお正電位を印加した場合も、負電位を印加した場合と同様に透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子は、エネルギー準位の関係でシリコン酸化膜１６の界面よりもナノＳｉ柱１５の中心付近で再結合し易くなるため、欠陥や表面準位が多く存在するシリコン酸化膜１６近傍での（発光に寄与しない）再結合が低減し、格段に高効率化が図れる。
【００２５】
図６は、図１に示す３端子型結晶シリコン素子の変形例を示す部分断面図である。
ここでは、説明の重複を避けるため、図１に示す例とは異なる部分を説明する。図６に示す変形例では、ナノＳｉ柱１５の上面に薄いシリコン酸化膜４０を設けることにより、ナノＳｉ柱１５と透明電極１９との間に絶縁膜障壁を形成するようにした。
すなわち、図１に示す例では、透明電極１９からナノＳｉ柱１５への電子注入が、ショットキー障壁を介したトンネル注入によって行われていた。一方、図６に示す変形例では、透明電極１９からナノＳｉ柱１５への電子注入が、絶縁膜障壁を介したトンネル注入によって行なわれる。本変形例では、ナノＳｉ柱１５の上面が安定なシリコン酸化膜４０で覆われているので、透明電極１９からナノＳｉ柱１５に注入された電子の可視発光に寄与しない表面再結合が低減され、発光効率を向上することができる。
【００２６】
図７は、図１に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例を示す部分断面図である。
ここでは、説明の重複を避けるため、図１に示す例とは異なる部分を説明する。図７に示す変形例では、ナノＳｉ柱１５の高さ方向においてｐ型導電型、ｎ型導電型の２層構造から成るｐｎ接合５０を有し、上層に位置するｐ型あるいはｎ型の一方が透明電極１９と直に接してオーミック接触を形成している。
より具体的にはシリコン基板１０にｐ型導電層（ｐ層）を用いた場合には、ナノＳｉ柱１５上層部に高濃度ｎ型導電層（ｎ＋層）２１を設けることで、ｐｎ接合５０を形成する。勿論、ｐ型、ｎ型の位置関係が逆であっても構わない。
なおここで、高さ方向とは、ナノＳｉ柱１５が形成されているシリコン基板１０の主表面に略垂直な方向を言うものとする。
【００２７】
図８は、図７に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例の動作原理を説明するため第３の電極に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
本実施の形態では、透明電極１９からｎ＋層２１へ流れ込んだ電子が、ｐｎ接合５０を介して下層のｐ層に注入される。
このため、キャリアの再結合が、ナノＳｉ柱１５より深い位置で起こるようになるので、透明電極１９とナノＳｉ柱１５が接する領域での可視発光に寄与しない表面再結合、またはエネルギーの低い（波長の長い）光が低減され、より一層の発光効率の向上が図れる。
【００２８】
次に、本実施の形態が適用される３端子型結晶シリコン素子の製造方法について説明する。
図９は、本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の製造方法を示す部分断面図であり、製造工程順に製造方法が示されている。
ここでは、まず（１００）面から成る一対の表面を持つｐ型の単結晶シリコン基板１０を用意し、一方の表面（主表面）側にスピンコートによりブロック共重合体（例えばポリスチレン（ＰＳ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の共重合体）から成る薄膜ポリマー１１を約２５ｎｍの厚みで塗布した後、２２０℃で３時間ベーキング処理することで、ＰＳ層１１ａの薄膜中に球状のＰＭＭＡ層１１ｂを有する相分離構造を形成する。
例えば、ＰＳとＰＭＭＡがそれぞれ約９０，０００、約２０，０００の分子量から成る共重合ポリマーを用いた場合では、ピッチが約４０ｎｍで、球状のＰＭＭＡ層１１ｂの直径が約２０ｎｍから成る六回対称の相分離構造となった。ピッチおよび球体の直径は、ブロック共重合ポリマーの分子量およびその比率を調整することにより様々なサイズに制御できる（図９（ａ））。
【００２９】
次に、ＰＳとＰＭＭＡのエッチング速度差を利用した酸素ガスを用いたＲＩＥ法により、薄膜ポリマー１１の表面にナノサイズで六回対称の平面パターンを持つ細孔１２が形成できる。これは、酸素のプラズマ中では、ＰＭＭＡ層１１ｂがＰＳ層１１ａよりも３〜５倍エッチング速度が速いことによる（図９（ｂ））。
【００３０】
次に、無機系ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）をスピンコートによって塗布し、所定のベークを施すことで無機材から成る無機膜１３ａを形成する。ＳＯＧの粘度を適当に選択することによって、細孔１２が埋まって平坦化された無機膜１３ａを形成することができる（図９（ｃ））。
【００３１】
次に、ＲＩＥ法を用いて無機膜１３ａの表面を軽くエッチング（エッチバック）することにより、細孔１２にのみ残した無機膜１３ｂを形成する。次に、ＲＩＥ法を用いてエッチングし、無機膜１３ａで覆われていない領域のＰＳ層１１ａを除去して開口部１４ａを形成する（図９（ｄ））。
【００３２】
次に、無機膜１３ｂをマスクとして、シリコン基板１０の上層部（例えば１００ｎｍの深さ）を、ＲＩＥ法を用いてエッチングし、円筒状突起部（ナノＳｉ柱１５）と溝部１４ｂとを形成する（図９（ｅ））。
【００３３】
その後、例えばフッ酸系水溶液などでウェット処理して無機膜１３ｂを除去した後、８５０℃の酸化性雰囲気中で熱処理することにより、溝部１４ｂの底部およびナノＳｉ柱１５の表面にシリコン酸化膜１６を設ける。この時、シリコン酸化膜１６を所望の厚みにすることにより、ナノＳｉ柱１５の直径を約３．５ｎｍに制御した。
次にアルミニウムなどの低抵抗率の金属膜をスパッタリングした後、全面をエッチバックすることで溝部１４ｂに埋め込まれた第３の電極１７を形成する（図９（ｆ））。
【００３４】
次に、無機系ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）をスピンコートによって塗布し、所定のベークを施した後に、全面をエッチバックすることで無機材から成る絶縁膜１８を形成するとともに、ナノＳｉ柱１５の上面を露出させる（図９（ｇ））。
【００３５】
最後に、ナノＳｉ柱１５が設けられた主表面側に酸化インジウム系化合物からなる透明電極（ＩＴＯ）１９を形成し、他表面側にアルミニウムからなる金属電極２０を形成して（図９（ｈ））、図１に示すような３端子型結晶シリコン素子を得ることができる。
【００３６】
以上のような工程で作製した３端子型結晶シリコン素子のナノＳｉ柱１５のサイズは、直径約３．５ｎｍ、高さ約８０ｎｍであった。また金属電極２０を陽極、透明電極１９を陰極、第３の電極１７は零電位として通電した時、ピーク波長が約７００ｎｍの赤色の発光を確認できた。
この３端子型結晶シリコン素子は、ナノＳｉ柱１５は極めて結晶性のよいシリコン基板１０から作り込まれたものであるから、殆ど欠陥のない結晶性を持つことができる。このため、従来技術に比べ発光効率が向上できた。
【００３７】
さらに、第３の電極１７に負電位を加えた場合には、ナノＳｉ柱１５とシリコン酸化膜１６の界面近傍での可視発光に寄与しない再結合を低減でき、より高効率の赤色発光を達成できた。また、第３の電極１７に正電位を印加して、その大きさを変えることで赤〜青までの発光色を自在に可変して取り出せること、および第３の電極１７に印加する正電位の大きさを周期的に変動させる（周波数制御）ことで白色光にもできるという、従来に無い新しい機能を有することを確認した。
【００３８】
尚、ナノＳｉ柱１５は、ブロック共重合ポリマーの相分離によって得られる直径の揃った細孔１２をエッチングマスクの原型として加工すること、およびその後の酸化工程によって直径の微細化を制御するので、大きさの均一性に優れた３端子型結晶シリコン素子が形成できる。このため、従来技術に比較して発光波長の制御性が格段に優れている。実験によれば、サイズのばらつきを５％以下に抑えることができた。
また、ナノＳｉ柱１５を取り囲む厚いシリコン酸化膜１６は、透明電極１９との電気的絶縁分離を果たすと共に、ナノＳｉ柱１５の機械的強度を強化する効果もある。よって、波長の制御性に優れた高効率発光素子を、高い歩留で安価に提供することができる。
【００３９】
尚、第３の電極１７はアルミニウムを例示したが、低抵抗材であって加工し易い材料であれば、特に制限はない。透明電極１９はＩＴＯを例示したが、可視光に対して透明性を維持し電気導電性を有するものであれば、特に制限はない。また、金属電極２０はアルミニウムを例示したが、電気導電性に優れシリコン基板１０とオーミック接続できる材料であれば、特に制限はない。
更に、以上の実施の形態はシリコン基板１０にｐ型導電型を用いる例を示したが、ｎ型導電型であってもよい。この場合には、ｎ＋層２１はｐ＋層となり、陰極と陽極および第３の電極１７に印加する正負の関係も逆になる。
【００４０】
以上、詳述したように、本実施の形態によれば、略円柱状のナノＳｉ柱１５の側面に電荷の流れを制御する第３の電極（制御電極）１７を設けることで、発光効率と発光波長制御が格段に優れた３端子型結晶シリコン素子が実現できる。これにより、一つの素子で単色から白色に至る可視光を高効率で自在に取り出せる新規な３端子型結晶シリコン素子を安価に提供できる。
【００４１】
尚、図１、図６、図７に示した実施の形態では、ナノＳｉを用いた発光素子を例示したが、同一の構成で発電素子（光起電力素子）に応用することもできる。即ち、透明電極側からナノＳｉに光を照射するとキャリア（電子・正孔対）が生成され、一対の電極から電力を取り出すことができる。特に、可視光〜紫外光に対して高感度な発電素子が実現できる。
また、本実施の形態が適用される３端子型結晶シリコン素子は、通常のＩＣ製造に幾つかの製造工程を付加するだけで、容易かつ任意形状にて形成することができる。そこで、制御回路、増幅回路、メモリ回路、保護回路等と組み合わせて１チップ化してもよい。
即ち、各種回路と３端子型結晶シリコン素子を同一基板状でＩＣ化することにより、様々な機能付加及び機能向上、あるいは低コスト化を図ることができる。その応用は、発光素子や発電素子に留まらず、レーザー、レーダー、通信、メモリ、センサあるいは電子エミッタやディスプレイ等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の部分断面を示した図である。
【図２】図１に示す３端子型結晶シリコン素子を鳥瞰図として示した図である。
【図３】図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の動作原理を説明するためのバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
【図４】図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の高効率化および波長可変の原理を説明するためのバンド構造と断面模式図を示す説明図である。
【図５】図１および図２に示した３端子型結晶シリコン素子の波長可変原理を説明するため第３の電極に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
【図６】図１に示す３端子型結晶シリコン素子の変形例を示す部分断面図である。
【図７】図１に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例を示す部分断面図である。
【図８】図７に示す３端子型結晶シリコン素子の他の変形例の動作原理を説明するため第３の電極に正電位を印加した場合のバンド構造とキャリアの流れを示す説明図である。
【図９】本実施の形態に係る３端子型結晶シリコン素子の製造方法を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…シリコン基板、１１…薄膜ポリマー、１１ａ…ＰＳ層、１１ｂ…ＰＭＭＡ層、１２…細孔、１３ａ，１３ｂ…無機膜、１４ａ…開口部、１４ｂ…溝部、１５…ナノＳｉ柱、１６…シリコン酸化膜、１７…第３の電極、１８…絶縁膜、１９…透明電極、２０…金属電極、２１…ｎ型導電層（ｎ＋層）、３０…ショットキー障壁、４０…シリコン酸化膜、５０…ｐｎ接合
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シリコンを用いた結晶シリコン素子において、
前記結晶シリコンに電荷を注入する一対の電極と、
前記電荷の流れを制御する第３の電極と、
を具備したことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項２】
一対の表面を持つ単結晶シリコン基板と、
前記単結晶シリコン基板の一方の主表面と連続し、かつ略垂直に立つ複数個の略円柱状単結晶シリコンと、
前記単結晶シリコン基板の他方の主表面側に位置する金属電極と、
前記金属電極とともに一対の電極を形成して、前記略円柱状単結晶シリコンを挟み込む透明電極と、
前記略円柱状単結晶シリコンを取り囲む第３の電極と、
を具備したことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項３】
請求項２記載の３端子型結晶シリコン素子において、
第１の絶縁膜と、第２の絶縁膜を更に有し、
前記金属電極は、前記単結晶シリコン基板とオーミック接触されてなり、
前記第１の絶縁膜は前記第３の電極と前記略円柱状単結晶シリコンとを絶縁し、前記第２の絶縁膜は当該第３の電極と前記透明電極とを絶縁することを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項４】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、
前記透明電極は、前記略円柱状単結晶シリコンと接することによりショットキー接合を形成されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項５】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、
キャリアのトンネル注入が生じる第３の絶縁膜を更に有し、
前記透明電極は、前記第３の絶縁膜を介して前記略円柱状単結晶シリコンに接合されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項６】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、
前記略円柱状単結晶シリコンは、高さ方向においてｐ型、ｎ型の２層構造から成るｐｎ接合を有し、
前記透明電極は、前記略円柱状単結晶シリコンの上層に位置するｐ型あるいはｎ型の一方に接してオーミック接触を形成されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項７】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、前記略円柱状単結晶シリコンの底面は、前記単結晶シリコン基板に接してホモ接合を形成されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項８】
請求項１または２記載の３端子型結晶シリコン素子において、前記第３の電極に印加する電位を制御する手段を備えたことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項９】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、前記第３の電極に印加する電位を周波数制御する手段を備えたことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項１】
結晶シリコンを用いた結晶シリコン素子において、
前記結晶シリコンに電荷を注入する一対の電極と、
前記電荷の流れを制御する第３の電極と、
を具備したことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項２】
一対の表面を持つ単結晶シリコン基板と、
前記単結晶シリコン基板の一方の主表面と連続し、かつ略垂直に立つ複数個の略円柱状単結晶シリコンと、
前記単結晶シリコン基板の他方の主表面側に位置する金属電極と、
前記金属電極とともに一対の電極を形成して、前記略円柱状単結晶シリコンを挟み込む透明電極と、
前記略円柱状単結晶シリコンを取り囲む第３の電極と、
を具備したことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項３】
請求項２記載の３端子型結晶シリコン素子において、
第１の絶縁膜と、第２の絶縁膜を更に有し、
前記金属電極は、前記単結晶シリコン基板とオーミック接触されてなり、
前記第１の絶縁膜は前記第３の電極と前記略円柱状単結晶シリコンとを絶縁し、前記第２の絶縁膜は当該第３の電極と前記透明電極とを絶縁することを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項４】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、
前記透明電極は、前記略円柱状単結晶シリコンと接することによりショットキー接合を形成されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項５】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、
キャリアのトンネル注入が生じる第３の絶縁膜を更に有し、
前記透明電極は、前記第３の絶縁膜を介して前記略円柱状単結晶シリコンに接合されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項６】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、
前記略円柱状単結晶シリコンは、高さ方向においてｐ型、ｎ型の２層構造から成るｐｎ接合を有し、
前記透明電極は、前記略円柱状単結晶シリコンの上層に位置するｐ型あるいはｎ型の一方に接してオーミック接触を形成されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項７】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、前記略円柱状単結晶シリコンの底面は、前記単結晶シリコン基板に接してホモ接合を形成されてなることを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項８】
請求項１または２記載の３端子型結晶シリコン素子において、前記第３の電極に印加する電位を制御する手段を備えたことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【請求項９】
請求項３記載の３端子型結晶シリコン素子において、前記第３の電極に印加する電位を周波数制御する手段を備えたことを特徴とする３端子型結晶シリコン素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１３０７１２（Ｐ２００８−１３０７１２Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１２４６１（Ｐ２００６−３１２４６１）
【出願日】平成１８年１１月２０日（２００６．１１．２０）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２０日（２００６．１１．２０）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
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