[0001]【産業上の利用分野】本発明は、結晶粒を異種材料の上に形成する方法に係わり、特に、量子サイズ効果の発する微小結晶粒を形成する方法に関する。本発明は、単体で、もしくはSi集積回路に搭載して光インター・コネクト用発光素子として用いる半導体装置に関する。性能を飛躍的に向上させてきた。0.1μmの壁を目の当たりにするところまで来た。0.1μm以降は、新たな動作原理の電子素子がLSIの発展を担わなければならない。Å以下のサイズの微小結晶粒に発現するクーロン・ブロッケイド現象を用いた単一電子素子が主眼である。many,その進展は著しい。この素子が新しく産業を支えるようになるためには、素子製造技術の開発も欠かせない。この分野はまだ黎明期にある。that,先に、SiO2上で生ずるSi原子のマイグレーションとその後の凝集現象により微小結晶粒を形成する技術を報告した。SiO2.【0003】また、今後のエレクトロニクスの潮流における新しい重要なうねりは、電子回路と光通信との融合である。States,職場でも家庭でも日常の光景になる。その際、LSIと光ケーブルとの接続部に光/電気変換素子が必要である。系の化合物半導体素子が代表的であるが、電子回路の主流であるSiLSIに搭載出来ない。互いにドーパントの関係にあり、化学的に相性が悪いためである。Therefore,Siを用いた光/電気変換素子が求められる。Si受光素子は、これまでにも開発の歴史があり、フォト・ダイオード、フォト・トランジスタなど、実用化もされている。発光に関しては、Siが間接遷移型のバンド構造を有するため実現が難しく、多孔質Siの可視発光が発見された近年ようやく研究・開発が始まった。Å)粒が内包されている。Å以下と極めて小さいため、量子サイズ効果によりバンド構造が直接遷移型にシフトし、発光が可能である。この陽極化成法では、Si粒のサイズを化成電流密度によって結果的に制御している。ÅのSi粒を制御して形成することは難しい。大きな時に安定して動作する。Cは粒が小さいほど小さい。Åが素子動作のための該当範囲である。Åがこれに応える粒径範囲になる。Si微小粒が求められる。Åの極微小径でSi粒を形成する技術が必要である。Å.【0005】発明者らが先に報告した結晶粒の形成技術は、基板温度とSiの堆積速度を制御して所望のサイズの結晶粒を堆積するものである。ÅのSi結晶粒を形成することも可能である。このように特にサイズが小さい微小粒を形成する場合には面内均一性や製造装置に関連して問題が生ずる。Åの間隔で形成しようとすると、連続膜の膜厚に換算して2Å程度の堆積をすることになる。850°C)で堆積するなら堆積時間は2秒ということになる。seconds.ところで、堆積開始、停止のためにビーム・シャッタを開閉すれば、Si照射ビームの断面形状は、シャッタが横切るのに対応して非対称に変形する。この間、基板へのSi照射は不均一になり、堆積量の基板面内均一性は低下する。開閉の遷移時間が定常照射の時間に比べて充分短ければこの問題は無視できる。秒であっても、堆積時間が2秒と短かければ、遷移時間の割合は3割に達し、実際のところ、無視できない。ignored.【0007】また、通常、膜厚の基板面内均一化のために堆積中に基板回転を行なうが、均一化を達成するためには、堆積終了までに最低でも1回転させなければならない。回転速度が必要である。いうのは真空内駆動装置としては速い回転速度であり、この場合、装置の故障頻度の増加という問題が生ずる。device.【0008】これらの問題を回避するには、より低速でSi粒を堆積できる技術が必要になる。Åの極微小サイズの粒堆積は出来ない。Åの極微小サイズの結晶粒を制御して形成する技術を提供することである。Si発光素子に関しては、本発明で形成した微小粒を利用した素子構造も提供する。以下の低速堆積で形成する本発明の手段は次のとおりである。基板温度を結晶相堆積の下限温度(240°C)以下にまで低温化し、非晶質Si微小粒を堆積する。(240°C)以上の熱処理を行ない、これを結晶化する。crystallized.【0011】また、本発明で形成した微小粒を用いて発光素子をなすためには次の構造を構成する。Åの極微小サイズの結晶粒の上下を薄い絶縁性の膜ではさみ、さらにその上下を導電性材料ではさんだ構造を形成する。この構造において導電性材料間に電圧をかけることにより、微粒子において発光現象を生ぜしめる。substrate)光を取り出すものがある。後者の場合には、絶縁性の膜および取り出し側の導電性材料に透明な材料を用いる。side.微粒子の層は一層でも複数層でもよい。Åの極微小サイズの結晶粒を低速堆積で形成する手段について。deposition.【0013】本発明の製造方法は、微小粒を乗せる絶縁膜を所望の温度に加熱しつつ、これに、微小粒の構成元素からなる原子もしくは分子を気相中から供給する。絶縁膜を昇温しておくことにより、膜上に供給した構成元素に熱エネルギーを与え、膜上移動(マイグレーション)、及びマイグレーションの結果として出会った元素どうしを凝集させ微小粒の形成を可能にする。膜表面に照射したときの、膜表面におけるSi原子のマイグレーション長を基板温度の関数として図1に示す。マイグレーションが終了した時点で凝集が生じSi粒が発生するため、マイグレーション長はおおよそSi粒の発生間隔に相当し、間隔いっぱいにSi粒を成長させるときの粒径にも相当する。gap.【0014】マイグレーション長は、図1に示すように、基板温度およびマイグレーション種の供給速度(堆積速度)により変化する。reduced,マイグレーション長は減少する。rate)を上げれば、単位面積当たりに存在するマイグレーション種の数が増加し、互いに出会う確率が増加する。わずかの移動距離で他のマイグレーション種と出会い合体して凝集体となり移動が停止してしまうので、マイグレーション長はやはり短くなる。基板温度と堆積速度を駆使して所望のサイズの結晶粒を堆積しようというのが従来法である。この方法では、結晶相で堆積する温度に下限があるため、既に述べたように、極微小サイズで微小粒を形成しようとすると無視できない困難が生ずる。参考のため従来法の堆積条件領域を図1中にライトグレーの領域(領域1)で示す。1).【0015】本発明は、結晶相堆積の下限温度よりもさらに充分に基板温度を低温化してSiを堆積する。することで、図1に示すように、遅い堆積速度でもマイグレーション長を充分短くすることができる。(本発明の堆積条件領域は、図1中、ダークグレーで示した領域(領域2)である。特性線のうち、この領域に入っている部分が堆積条件になる。結晶構造の最小単位のサイズである格子定数よりもマイグレーション長の短い領域は微小粒堆積には使わない。結晶の最小構造よりも小さい粒が堆積するので、結晶たり得ないからである)。結晶化温度より低温であるため、従来法のように堆積工程それだけで結晶粒を得るわけにはいかない。微小粒は非晶質状態で堆積する。堆積後に結晶化温度以上の温度で熱処理することにより、固相成長が生じ非晶質微小粒は結晶相の微結晶粒に遷移する。Åの極微小サイズの結晶粒を用いた発光素子における作用について。grain.【0017】絶縁性の膜を薄く形成しておくことにより、これをはさむ導電性材料(電極として用いる)に電圧をかけたとき、膜中にトンネル電流が流れる。絶縁性の膜は極微小結晶粒を挟み込んでいるから、トンネル電流は微小粒によるポテンシャルの井戸を介して流れる。grains.即ち、微小粒に電流が注入される。ポテンシャルの井戸にキャリアが注入されれば、キャリアの再結合が生ずる。この時、微小粒は量子サイズ効果により直接遷移型のバンド構造にシフトしているから、再結合により主としてフォトン即ち光が放出される。絶縁性の膜や電極に透明のものを使えば、これらのものを透過して光が放出され、電極側に光の出口を設けることができる。oxide(ITO)、などがある。Åの結晶Si微小粒を形成し、それをチャネルに用いて単一電子トランジスタを作製した例について述べる。manufactured(c)に示す。ゲート端子8に電圧がかかっていない時は、微小粒5において量子サイズ効果によって発現するクーロン・ブロッケイド現象のため、電流は流れない(OFF状態)。h;プランク定数,e;素電荷量)以下にすれば、クーロン・ブロッケイドが破れて、電流が流れる(ON状態)。state).【0020】以下、結晶Si微小粒およびそれを用いた単一電子トランジスタの作製について順に説明する。膜2を形成し、素子分離領域とした(図2(a)参照)。膜2を形成した(図2(b)参照)。タングステン膜3を堆積し、これをマスクを用いたドライ・エッチングにより図2(c)に示すようにパターニングした。これらは最終的にはそれぞれソース、ドレインとして用いる。堆積速度でSi原子を供給した。形成した(図3(a)参照)。速度で基板を10回転させた。°Cに昇温し、1時間の熱処理を行なって、非晶質Si微小粒4を結晶化した。した(図3(b)参照)。maskの形状に成形した(図3(c)参照)。(b)参照)及びパッシベーション膜形成を行ない、ゲート端子8、ソース端子9、ドレイン端子10、基板電位端子11を形成した(図4(c)参照)。therewith発光素子を作製した例について述べる。上部電極13、下部電極14間に電圧をかけてトンネル電流を流し、結晶Si微小粒5にキャリアを注入することにより発光を得る。5.【0028】以下、作製の流れにしたがって順に説明する。酸化膜を形成し、素子分離領域とした(図5(a)参照)。膜2を形成した(図5(b)参照)。堆積速度でSi原子を供給した。形成した(図5(c)参照)。この後、500°Cに昇温し、1時間の熱処理を行なって、非晶質Si微小粒4を結晶化した。sputtering2を堆積した。これをマスクを用いたエッチングで所望の形状の上部電極13に成形した。これは、結晶Si微小粒5を伝わって上部電極13間に不要な電流が流れるのを防ぐためである。5.【0032】その後に、集積回路の製造工程において通常に用いられている技術を使って、パッシベーションと配線を行ない、素子作製を完了した(図6(c)参照)。fabrication.【0033】こうしてできた素子の上部電極端子15と下部電極端子16に電圧を印加し観察したところ、青色発光が観察された。本発明により所望の発光素子が作製できたことを確認した。-処理の光/電気融合システムを実現することが可能になる。DRAWINGS【図1】本発明の製造方法の原理を説明する図である。invention.【図2】第1の実施例を示す図である。embodiment.【図3】第1の実施例を示す図である。embodiment.【図4】第1の実施例を示す図である。embodiment.【図5】本発明の半導体装置の構造と第2の実施例を示す図である。invention.【図6】本発明の半導体装置の構造と第2の実施例を示す図である。16...下部電極端子。claims]【請求項1】異種基板上に結晶粒を形成する方法において、結晶粒の構成元素を一旦非晶質の状態で微小粒として前記基板上に堆積し、これを熱処理することにより結晶化して前記基板上に結晶粒を形成することを特徴とする結晶粒の形成方法。substrate.【請求項2】上記構成元素の堆積が、真空中の原子・分子ビーム輸送により行なわれる請求項1記載の結晶粒の形成方法。2である請求項1記載の結晶粒の形成方法。2.【請求項4】上記結晶粒の構成元素を非晶質の状態で微少粒として基板上に形成する温度は240°C以下であり、熱処理して結晶化する温度は240°C以上であることを特徴とする請求項1記載の結晶粒の形成方法。wherein.【請求項5】上記結晶粒の大きさは10Å〜40Åであることを特徴とする請求項1記載の結晶粒の形成方法。Teた後240°C以上の温度で熱処理することによって形成された結晶粒が、該結晶粒よりもエネルギー・ギャップの大きい材料ではさまれ、それがさらに電極ではさまれた構造を具備してなり、前記電極間に電圧がかかることにより電荷が前記結晶粒に注入され、該結晶粒が発光する半導体装置。Teた後240°C以上の温度で熱処理することによって形成された結晶粒が、該結晶粒よりもエネルギー・ギャップの大きい材料ではさまれ、それがさらに電極ではさまれた構造を具備してなり、前記電極間に電圧がかかることにより電荷が前記結晶粒に注入される半導体装置。