(57)【要約】【課題】高い歩留まりで安価に製造するために最適な端面構造を有する結晶シリコン素子を提供する。【解決手段】一対の表面を持つ単結晶シリコン基板１０と、単結晶シリコン基板１０の主表面に形成された複数個の結晶シリコン１２と、単結晶シリコン基板１０の他表面側に位置する金属電極１６と、金属電極１６とともに一対の電極を形成して、結晶シリコン１２を挟み込む透明電極１５とを有し、金属電極１６は、単結晶シリコン基板１０とはオーミック接合し、透明電極１５は、結晶シリコン素子の内周部では結晶シリコン１２に導電性をもって接続され、結晶シリコン素子の外周部では結晶シリコン１２および単結晶シリコン基板１０とは絶縁分離されていることを特徴とする結晶シリコン素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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に形成された複数個の結晶シリコンと、
前記単結晶シリコン基板の他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、前記結晶シリコンを挟み込む透明電極と、を有し、
前記金属電極と前記単結晶シリコン基板とは、オーミック接合し、
前記透明電極は、結晶シリコン素子の内周部では前記結晶シリコンに導電性をもって接続され、当該結晶シリコン素子の外周部では当該結晶シリコンおよび前記単結晶シリコン基板とは絶縁分離されていることを特徴とする結晶シリコン素子。
【請求項２】
前記透明電極と前記単結晶シリコン基板とを前記結晶シリコン素子の外周部において絶縁分離し、当該透明電極と当該単結晶シリコン基板との間に位置する絶縁膜をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の結晶シリコン素子。
【請求項３】
前記透明電極と前記結晶シリコンとを前記結晶シリコン素子の外周部において絶縁分離し、当該透明電極と当該結晶シリコンとの間に位置する絶縁膜をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の結晶シリコン素子。
【請求項４】
前記透明電極は、前記単結晶シリコン基板の内周部に配され、当該単結晶シリコン基板の外周部には配されないことにより、当該透明電極と前記結晶シリコンとを前記結晶シリコン素子の外周部において絶縁分離することを特徴とする請求項１に記載の結晶シリコン素子。
【請求項５】
前記結晶シリコン素子の外周部は、当該結晶シリコン素子を切り出すためのスクライブ領域を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の結晶シリコン素子。
【請求項６】
前記スクライブ領域の幅は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の結晶シリコン素子。
【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関し、より詳しくは、高い歩留まりで安価に製造するために最適な端面構造を有する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属化合物半導体等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る。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、発光素子の構造を、Ａｌ、Ｐ、Ｉｎ、Ｎ等を含む複雑な多層膜構造にしなければならない等の点で、安価な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、それ以後、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。）。
【０００４】
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。ナノＳｉ発光素子の具現化には、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課題となる。
【０００５】
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良いが、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、形状を制御することが殆ど困難なので、発光波長も制御できない問題がある。
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）法等を用いて、基板上に粒状Ｓｉ結晶を形成し、さらにこの粒状Ｓｉ結晶をシリコン酸化物（ＳｉＯ２）等の安定な材料中に埋め込む工夫がなされている（例えば、特許文献１、２、３参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・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】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の方法は、何れも実際に結晶シリコン素子を製造し使用する際の問題までは考慮されていない。
図６は、ナノＳｉを用いた結晶シリコン素子の一例を説明する図である。
図６における結晶シリコン素子は、一対の表面を有する単結晶からなる単結晶シリコン基板６０（図６では、「単結晶Ｓｉ基板」と表示した。）と、この単結晶シリコン基板６０の一方の表面（主表面）側に、単結晶シリコン基板６０と同一の結晶面方位を有する複数個のナノＳｉ柱（結晶シリコン）６２が形成されている。
このナノＳｉ柱６２は、単結晶シリコン基板６０と直に接してホモ結合を形成して、単結晶シリコン基板６０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、単結晶シリコン基板６０の主表面には、ナノＳｉ柱６２の上面以外の領域に設けたシリコン酸化膜６３および絶縁膜６４と、ナノＳｉ発光素子の内周部では少なくともナノＳｉ柱６２の上面と接し、これらを覆うように設けられた透明電極（例えば、ＩＴＯ）６５が設けられている。単結晶シリコン基板６０の他方の表面（他表面）側には、単結晶シリコン基板６０とオーミック接合されるように金属電極（例えば、アルミニウム）６６が形成されている。
【０００８】
このように構成される結晶シリコン素子は、透明電極６５を陰極とし、金属電極６６を陽極として電圧印加することで、可視の発光素子として動作する。
具体的には、透明電極６５からショットキー障壁を介してナノＳｉ柱６２に注入した電子と、金属電極６６から単結晶シリコン基板６０を経由してナノＳｉ柱６２に注入した正孔は、ナノＳｉ柱６２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。このような構成を有する結晶シリコン素子は、ナノＳｉ柱６２の直径（ΦＳｉ）制御によって、様々な波長成分を取り出すことができる点に特徴がある。
【０００９】
ここで、実際に結晶シリコン素子を製造し使用する場合について考慮すると、製造歩留まり向上の点で結晶シリコン素子の端面構造が重要となる。
図７は、結晶シリコン素子が作製された基板の部分平面図である。
図７において、ターミネーション領域（スクライブ領域）をダイシングすることにより、個々の結晶シリコン素子を切り出してチップが完成する。この際に、結晶シリコン素子の端面処理がなされていないと透明電極とナノＳｉ柱および単結晶シリコン基板との間に短絡が生じるため、実用上使用できず、歩留まりが極端に落ちることになる。
よって、実際に結晶シリコン素子を製造する際には、透明電極とナノＳｉ柱および単結晶シリコン基板との短絡を防ぐ端面の絶縁構造が不可欠である。
【００１０】
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、高い歩留まりで安価に製造するために最適な端面構造を有する結晶シリコン素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を行った結果、結晶シリコン素子の外周部に絶縁部を設けることにより、高い歩留まりで安価に結晶シリコン素子を製造できることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成した。
【００１２】
即ち、本発明の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に形成された複数個の結晶シリコンと、単結晶シリコン基板の他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、結晶シリコンを挟み込む透明電極と、を有し、金属電極と単結晶シリコン基板とは、オーミック接合し、透明電極は、結晶シリコン素子の内周部では結晶シリコンに導電性をもって接続され、結晶シリコン素子の外周部では結晶シリコンおよび単結晶シリコン基板とは絶縁分離されていることを特徴とする。
【００１３】
ここで、透明電極と単結晶シリコン基板とを結晶シリコン素子の外周部において絶縁分離し、透明電極と単結晶シリコン基板との間に位置する絶縁膜をさらに有することが好ましい。
また、透明電極と結晶シリコンとを結晶シリコン素子の外周部において絶縁分離し、透明電極と結晶シリコンとの間に位置する絶縁膜をさらに有することが好ましい。
そして、透明電極は、単結晶シリコン基板の内周部に配され、単結晶シリコン基板の外周部には配されないことにより、透明電極と結晶シリコンとを結晶シリコン素子の外周部において絶縁分離することが好ましい。
【００１４】
一方、結晶シリコン素子の外周部は、結晶シリコン素子を切り出すためのスクライブ領域を兼ねることが好ましい。そして、スクライブ領域の幅は、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高い歩留まりで安価に製造するために最適な端面構造を有する結晶シリコン素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る結晶シリコン素子を説明するための部分断面図である。
また、図２は、図１に示した結晶シリコン素子の部分鳥瞰図である。
図１および図２に示した結晶シリコン素子は、一対の表面を有する単結晶からなる単結晶シリコン基板１０（図１では、「単結晶Ｓｉ基板」と表示した。）と、この単結晶シリコン基板１０の一方の表面（主表面）側に、単結晶シリコン基板１０と同一の結晶面方位を持つ複数個のナノＳｉ柱（結晶シリコン）１２が形成されている。
このナノＳｉ柱１２は、単結晶シリコン基板１０と直に接してホモ接合を形成して、単結晶シリコン基板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、単結晶シリコン基板１０の主表面には、ナノＳｉ柱１２の上面以外の領域に設けたシリコン酸化膜１３および絶縁膜１４と、ナノＳｉ発光素子の内周部では少なくともナノＳｉ柱１２の上面と接し、外周部では絶縁膜１１で絶縁分離されて、これらを覆うように設けられた透明電極（例えば、ＩＴＯ）１５が設けられている。単結晶シリコン基板１０の他方の表面（他表面）側には、単結晶シリコン基板１０とオーミック接合されるように金属電極（例えば、アルミニウム）１６が形成されている。
【００１８】
図６に示した結晶シリコン素子と比較すると、図１に示した結晶シリコン素子はその外周部において透明電極１５と単結晶シリコン基板１０との間に絶縁膜１１を設けたことに特徴がある。
結晶シリコン素子の外周部で透明電極１５と単結晶シリコン基板１０とを絶縁分離することにより、この部分で短絡が生じるのを防止することができる。
なお、可視光での発光および発光効率向上の観点から、ナノＳｉ柱１２の直径は、４ｎｍ以下にし、そして、その高さは、直径の２倍乃至５０倍、好ましくは、２倍乃至２５倍の範囲内にすることが望ましい。
そして、シリコン酸化膜１３の厚さは、通常５ｎｍ〜５０ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度である。
【００１９】
図３は、図１に示した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に示した結晶シリコン素子とは異なる部分を説明する。
図１に示した結晶シリコン素子の外周部では、ナノＳｉ柱１２は形成されず、絶縁膜１１は、透明電極１５と単結晶シリコン基板１０との間に位置している。
一方、図３に示した結晶シリコン素子には、外周部においても、ナノＳｉ柱１２が形成され、絶縁膜１４’は透明電極１５とナノＳｉ柱１２との間に配置されている。
結晶シリコン素子の外周部で透明電極１５とナノＳｉ柱１２とを絶縁分離することにより、この部分で短絡が生じるのを防止することができる。
【００２０】
図４は、図１に示した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に示した例とは異なる部分を説明する。
図１および図３で示した結晶シリコン素子と異なり、図４における結晶シリコン素子は、透明電極１５が結晶シリコン素子の外周部では形成されていない。
結晶シリコン素子の外周部において透明電極１５を設けないことにより、この部分で透明電極１５と単結晶シリコン基板１０およびナノＳｉ柱１２とを絶縁分離することができる。
【００２１】
次に、本実施の形態が適用される結晶シリコン素子の製造方法について図１に示した結晶シリコン素子を例に挙げて説明する。
図５は、本実施の形態に係る結晶シリコン素子の製造方法の一例を説明した図である。ここでは、製造工程順に製造方法を示した。
【００２２】
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）側に熱酸化法によりシリコン酸化膜を形成した後、通常のホトリソグラフィーとエッチング技術により、所望サイズの開口部を持つシリコン酸化膜である絶縁膜１１を形成する（図５（ａ））。
【００２３】
次に、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２１を約２５ｎｍの厚みで塗布した後、非酸化性雰囲気中で２２０℃、３時間ベーキング処理することにより、ポリスチレン層２１ａの薄膜中に球状のポリメチルメタクリレート層２１ｂを有する相分離構造を形成する（図５（ｂ））。
例えば、ポリスチレンブロックとポリメチルメタクリレートブロックがそれぞれ約４０，０００、約１０，０００の分子量から成る共重合体を用いた場合では、ピッチが約２８ｎｍで、球状のポリメチルメタクリレート層２１ｂの直径が約１２ｎｍから成る六回対称の相分離構造となる。また、ピッチおよび球体の直径はブロック共重合体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。
【００２４】
次に、ポリスチレンとポリメチルメタクリレートのエッチング速度差を利用した酸素ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ；ＲＩＥ）法により、薄膜ポリマー２１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部２２を形成する。酸素のプラズマ中では、ポリメチルメタクリレート層２１ｂがポリスチレン層２１ａよりも３倍〜５倍エッチング速度が速いため、図示したような構造が生じる（図５（ｃ））。
【００２５】
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２３ａを形成する。無機系ＳＯＧの粘度を適当に選択することによって、細孔部２２が埋まって平坦化された無機膜２３ａを形成することができる（図５（ｄ））。
【００２６】
次に、例えば四フッ化炭素と酸素の混合ガスによるＲＩＥ法により、全面をエッチング（エッチバック）することにより、細孔部２２（図５（ｃ）参照）にのみ残した無機膜２３ｂを形成する（図５（ｅ））。
【００２７】
次に、無機膜２３ｂおよび絶縁膜１１をマスクとして、単結晶シリコン基板１０の上層部（例えば、１００ｎｍの深さ）を、ＲＩＥ法により、開口部２４（図５（ｅ）参照）の部分をエッチングし、ナノＳｉ柱（円筒状突起部）１２と溝部２５とを形成する（図５（ｆ））。
【００２８】
その後、四フッ化炭素ガスを用いたＲＩＥ法により、無機膜２３ｂを除去した後、酸化性雰囲気で熱処理することにより、溝部２５の底部及びナノＳｉ柱１２の側面にシリコン酸化膜１３を設ける（図５（ｇ））。
このとき、シリコン酸化膜１３を所望の厚みにすることにより、ナノＳｉ柱１２の直径を量子閉じ込め効果が発現するサイズ（例えば、約２.５ｎｍ）に制御した。
【００２９】
次に、無機系ＳＯＧ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、四フッ化炭素ガスを用いたＲＩＥ法により、全面をエッチバックすることにより、溝部２５に絶縁膜１４を形成するとともに、ナノＳｉ柱１２の上面を露出させる（図５（ｈ））。
【００３０】
最後に、ナノＳｉ柱１２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）１５を形成し、他表面側にアルミニウムからなる金属電極１６を形成して、図１に示すような結晶シリコン素子を得ることができる（図５（ｉ））。
【００３１】
以上のような工程で作製した結晶シリコン素子は、ターミネーション領域をダイシングして、個々の素子に切り出して用いられる。結晶シリコン素子の外周部をターミネーション領域とすることで、絶縁膜１１が透明電極１５と単結晶シリコン基板１０および金属電極１６との間の短絡を防止することができる。この結果、結晶シリコンによる発光素子（本実施の形態では緑色発光素子）を高い歩留まりで安価に製造できることを確認した。
なお、通常用いられるダイシング用ブレードでもっとも狭いものは約３０μｍであるので、スクライブ領域（ターミネーション領域）は、最小でも５０μｍが必要である。ターミネーション領域は、結晶シリコン素子の内周部である発光領域（アクティブ領域）として機能しないので、できるだけ狭い方が望ましく、一般的には１００μｍ以下とする。
【００３２】
次に、図３および図４に示した結晶シリコン素子の製造方法について簡単に説明する。
図３に示した結晶シリコン素子は、図５（ａ）の工程を行わず図５（ｂ）の工程より製造を開始する。
その結果、図５（ａ）等に示した絶縁膜１１の下部にもナノＳｉ柱１２が形成されることになる。
その後は、図５（ｃ）〜図５（ｉ）の一連の工程を行うが、図５（ｈ）と図５（ｉ）の間において、通常のホトリソグラフィーとエッチング技術により、絶縁膜１４’を絶縁膜１１の部分に形成する。
これにより、図３に示した結晶シリコン素子を製造することができる。
【００３３】
また、図４に示した結晶シリコン素子の製造方法については、同様に、図５（ａ）の工程を行わず図５（ｂ）の工程より製造を開始する。
そして図５（ｃ）〜図５（ｉ）の一連の工程の終了後、最後にホトリソグラフィーを用いて外周部の透明電極１５をエッチング除去する。
これにより、図４に示した結晶シリコン素子が製造される。
【００３４】
図１に示した結晶シリコン素子と図３に示した結晶シリコン素子を比較した場合、図３に示した結晶シリコン素子の製造上の利点としては、絶縁膜１４’をスピンコートなどで形成した後、外周部をレジストで保護してアクティブ領域のみをエッチバックして形成できるので、簡便・安定等の利点がある。
一方、工程の最初に絶縁膜１１を設ける図１に示した結晶シリコン素子では、後の工程で絶縁膜１１がエッチングされたりしてダメージを受ける可能性がある。
しかし、図５（ｂ）に示したブロック共重合体の相分離工程等の他の工程との組合せの相性などを考慮すると、図５に示した製造方法により、図１に示した結晶シリコン素子を製造するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施の形態に係る結晶シリコン素子を説明するための部分断面図である。
【図２】図１に示した結晶シリコン素子の部分鳥瞰図である。
【図３】図１に示した結晶シリコン素子の変形例を示す部分断面図である。
【図４】図１に示した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５】本実施の形態に係る結晶シリコン素子の製造方法の一例を説明した図である。
【図６】ナノＳｉを用いた結晶シリコン素子の一例を説明する図である。
【図７】結晶シリコン素子が作製された基板の部分平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０，６０…単結晶シリコン基板、１１，１４，１４’，６４…絶縁膜、１２，６２…ナノＳｉ柱、１３，６３…シリコン酸化膜、１５，６５…透明電極、１６，６６…金属電極、２１…薄膜ポリマー、２１ａ…ポリスチレン層、２１ｂ…ポリメチルメタクリレート層、２２…細孔部、２３ａ，２３ｂ…無機膜、２４…開口部、２５…溝部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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