專利名稱：微制造金鋼石元件以及制造微制造金鋼石元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件及其它中使用的微制造金鋼石(diamond)元件，以及制造微制造金鋼石(diamond)元件的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)發(fā)光器件中使用的微制造金鋼石元件為在任意形狀的金鋼石柱體中帶有PN結(jié)的金鋼石元件，如“新金鋼石(New Diamond)”(日本新金鋼石論談)2001年第4期第17卷中的第10頁及后續(xù)各頁中所描(文獻(xiàn)2)。
下列其它文獻(xiàn)也披露了與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)。
日本專利申請公開第2002-075171號。
“新金鋼石”(日本新金鋼石論壇)2001年第4期第17卷中的第10頁及后續(xù)頁；[文獻(xiàn)3]推廣摘要(第47屆春季會議)；日本應(yīng)用物理社及相關(guān)社，第130a-YQ-3期(第377頁)；[文獻(xiàn)4]推廣文摘(第46屆春季會議)；日本應(yīng)用物理社及相關(guān)社，第130p-M-12期(第415頁)；[文獻(xiàn)5]推廣摘要(第62屆秋季會議)；日本應(yīng)用物理社及相關(guān)社，第313a-ZK-5期(第782頁)。
然而，傳統(tǒng)發(fā)光器件中使用的微制造金鋼石元件的發(fā)光效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在充分研究上述問題的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，本發(fā)明的目的在于提供一種其形狀可提高發(fā)光效率的微制造金鋼石元件。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的微制造金鋼石元件是這樣一種微制造金鋼石元件其中至少一個包含金鋼石的橫斷面為四邊形的柱體形成在基片上，且其中柱體的橫斷面中長邊與短邊的長度滿足下述公式(1)和公式(2)表示的關(guān)系表達(dá)式C1=2a1+k2···(1)]]>nλ≈C1...(2).
C1柱體內(nèi)部生成的光經(jīng)該棱柱體側(cè)面反射時，環(huán)繞特定某一特定環(huán)道，一圈的距離為[nm]。
n一個任意正整數(shù)；λ金鋼石的發(fā)射峰值波長[nm]；a長邊的長度[nm]，以及k短邊長度與長邊長度之比。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一微制造金鋼石元件是這樣一種微制造金鋼石元件其中至少一個包含金鋼石的橫斷面實質(zhì)為正六邊形的柱體形成在基片上，并且其中柱體橫斷面中邊的長度滿足下述公式(3)和公式(4)表示的關(guān)系表達(dá)式C2=33b···(3);]]>nλ≈C2...(4)C2柱體內(nèi)部生成的光在經(jīng)該柱體側(cè)面反射時，環(huán)繞某一特定環(huán)路，一圈的距離[nm]；n一任意正整數(shù)；λ金鋼石的發(fā)射峰值波長[nm]；以及b邊的長度[nm]。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一微制造金鋼石元件是這樣一種微制造金鋼石元件其中至少一個包含金鋼石的橫斷面為圓形的柱體形成在基片上；并且其中當(dāng)柱體橫斷面的半徑長度為r[nm]時，經(jīng)該棱柱體側(cè)面反射時，柱體內(nèi)部生成的光環(huán)繞的特定環(huán)路表示為一個正多邊形，其中從中心到角的距離為r[nm]，正多邊形的周長C3[nm]滿足下述公式(5)和(6)表示的關(guān)系表達(dá)式
33r<C3<2πr···(5);]]>nλ≈C3...(6)n一任意正整數(shù)；以及λ金鋼石的發(fā)射峰值波長[nm]。
經(jīng)柱體的多個側(cè)面或一個側(cè)面反射時，柱體內(nèi)部生成的部分光在柱體內(nèi)部環(huán)繞。當(dāng)滿足上述關(guān)系表達(dá)式時，沿環(huán)路一周的距離大致等于金鋼石發(fā)射峰值波長某一整數(shù)倍(“發(fā)射峰值波長”的定義將在后續(xù)實施例的說明中描述)。因此，發(fā)射峰值波長的光(沿垂直于柱體縱向傳播的光以及包括沿柱體縱向較少的傳播分量的光)在柱體內(nèi)部會發(fā)生諧振，而引到外部時不會發(fā)生衰減。因此，發(fā)光效率得到提高。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件優(yōu)選地是一種其中柱體的每個側(cè)面均為由金鋼石晶面構(gòu)成的平面的微制造金鋼石元件。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件也優(yōu)選地是一種其中金鋼石晶體表面是一個(100)平面的微制造金鋼石元件。
當(dāng)側(cè)面為組成金鋼石晶面的非常平坦的表面時，光在側(cè)面均勻或規(guī)則地反射。因此，柱體內(nèi)部生成的光易于形成駐波。當(dāng)金鋼石晶體表面為(100)表面時，形成的這些平面具有最佳平直度。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件優(yōu)選地是一種其中柱體的寬度w1由下述公式(7)表示的微制造金鋼石元件w1=a1+k2···(7)]]>其中寬度w1不超過500nm。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件也優(yōu)選地是其中柱體的寬度w2由下述公式(8)表達(dá)的微制造金鋼石元件w2＝2b...(8)其中寬度w2不超過500nm。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件也優(yōu)選地是其中柱體的直徑不超過500nm的微制造金鋼石元件。
當(dāng)柱體的寬度(直徑)不超過500nm時，可有效約束載流子(電子或空穴)以提高再結(jié)合的概率，從而促進發(fā)光。表1給出了柱體寬度(尺寸)與陰極發(fā)光強度之間的關(guān)系。


注)給出的強度為相對于基片(強度設(shè)為1)的強度。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件優(yōu)選地是一種其中柱體的寬度w1由下述公式(7)表達(dá)的微制造金鋼石元件w1=a1+k2···(7)]]>其中，柱體的高度與寬度w1之比不小于2。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件也優(yōu)選地是一種其中柱體的寬度w2由下述公式(8)表達(dá)的微制造金鋼石元件w2＝2b...(8)其中，柱體的高度與寬度w2之比不小于2。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件也優(yōu)選地是一種其中柱體高度與柱體直徑之比不小于2的微制造金鋼石元件。
當(dāng)縱橫比(縱橫比定義為柱體高度與寬度或直徑之比)不小于2時，載流子(電子或空穴)則不太可能移開而到基片一邊，這樣就可以提高再結(jié)合的概率而有利于發(fā)光。表2給出了縱橫比與陰極發(fā)光強度之間的關(guān)系。
〔表2〕

注)給出的強度為相對于基片(強度設(shè)為1)的強度。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件也優(yōu)選地是一種其中垂直于柱體縱向的橫斷面的面積與柱體的總外露面積之比不超過1/10的微制造金鋼石元件。
當(dāng)垂直于柱體縱向的橫斷面的面積與柱體的總的外露面積之比不超過1/10時，載流子(電子或空穴)就不太可能移開而到達(dá)基片一側(cè)，這樣就可以提再高結(jié)合概率而有利于發(fā)光。
表3給出了面積比與陰極發(fā)光強度之間的關(guān)系。


注給出的強度為相對于基片(強度設(shè)為1)的強度。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件優(yōu)選地是一種其中柱體等間隔地排列的微制造金鋼石元件。
上述設(shè)置有利于制造應(yīng)用微制造金鋼石元件的器件。特別地，當(dāng)柱體設(shè)置的周期與引出的光波長匹配時，就可以應(yīng)用發(fā)單色光的微制造金鋼石元件，并可將其應(yīng)用到激光器件中。
本發(fā)明的微制造金鋼石元件優(yōu)選地是一種其中折射率小于金鋼石折射率的光學(xué)透明膜形成在柱體側(cè)面部分的微制造金鋼石元件。
在柱體多個側(cè)面或一個側(cè)面反復(fù)反射的光從光學(xué)透明薄被引出到外部。
根據(jù)本發(fā)明的微制造金鋼石元件的制造方法是一種制造微制造金鋼石元件的方法，包括一道蝕刻工序?qū)⒛撤N與金鋼石基片鄰近或接觸的金屬放置到反應(yīng)室內(nèi)；然后在反應(yīng)室內(nèi)對金鋼石基片實施反應(yīng)或活性離子蝕刻。
該方法能夠形成光刻無法形成的精細(xì)圖案掩膜。
根據(jù)本發(fā)明的微制造金鋼石元件的另一制造方法優(yōu)選地是一種制造微制造金鋼石元件的方法，包括一道在金鋼石基片(基片上帶有某種排列狀態(tài)的直徑不超過500nm的微細(xì)鋁(Al)點)上形成圖案的工序；以及一道對反應(yīng)室內(nèi)(在CF4的流量比不超過3％的條件下反應(yīng)室內(nèi)引入了CF4/O2氣體)的金鋼石基片實施反應(yīng)離子蝕刻的工序。
排列的柱體是利用上述制造方法形成的。它們排列的間隔也能夠與引出光的波長匹配。在這種情況中，通過在外部實現(xiàn)諧振，就可以將該元件應(yīng)用到發(fā)單色光的器件上以及激光器件上。在這里，適宜使用某種單晶基片或平面高度定向的基片，這是因為柱體的方位可以在后處理中自動校直。
根據(jù)本發(fā)明的微制造金鋼石元件的制造方法優(yōu)選地是這樣一種方法其中蝕刻工序包括一道將作為反應(yīng)氣體的CF4的流量比不超過3％的某種CF4/O2氣體引入到反應(yīng)室中的工序。
如果等離子氣體僅包括氧氣，則突起的頂部會形成許多針形部分；但加入1-3％的CF4時，突起的每個頂部將只有一個針形部分。
根據(jù)本發(fā)明的微制造金鋼石元件的制造方法優(yōu)選地是這樣的一種方法，它進一步包括一道金鋼石晶體表面形成工序?qū)⒕哂形g刻步驟形成微突的金鋼石基片暴露主要由氫組成的氣體等離子體中。
柱體的側(cè)面重新構(gòu)成金鋼石晶體表面。
為了解決上述問題，本發(fā)明的另一種微制造金鋼石元件是一種微制造金鋼石元件其中至少一個由金鋼石組成的橫斷面為四邊形且最大直徑不超過50nm的柱體形成在基片上，并且其中柱體橫斷面中長邊與短邊的長度滿足下述公式(9)和公式(10)表示的關(guān)系表達(dá)式nγ≈2a...(9)mγ≈2ka...(10)n一任意正整數(shù)；m一任意正整數(shù)；γ金鋼石中電子或空穴的德布羅意(de Broglie)波長[nm]；a長邊[nm]的長度，以及k短邊長度與長邊長度之比。
由于沿長邊方向和短邊方向移動的電子(或空穴)的德布羅意(deBroglie)波形成了一個駐波，所以金鋼石中的電子就可能被激活。當(dāng)約束電子(空穴)的柱體寬度很窄，而不超過其橫斷面的最大直徑50nm時，這種效果會更顯著。因此，發(fā)光效率得到提高。


圖1為金鋼石元件1的簡化形式示意圖。
圖2為金鋼石元件2的簡化形式示意圖。
圖3為金鋼石元件3的簡化形式示意圖。
圖4A-4C顯示了具有孤立粒子的微制造金鋼石元件的另一實施例；圖5A和圖5B顯示了四棱柱12的端面12f的形狀；圖6顯示了六棱柱22的端面22f的形狀；圖7A-7C顯示了圓柱32的端面32f的形狀；圖8為應(yīng)用了金鋼石元件1的晶體管8的縱向斷面圖。
圖9顯示了使用圓形鋁(Al)掩膜形成的突起；圖10A顯示了實例2中的四棱柱，圖10B為其局部放大圖；圖11A顯示了實例2中的四棱柱的端面，圖11B為其局部放大圖；圖12顯示了使用微掩膜形成的突起；圖13A顯示了實例3中的四棱柱，圖13B為其局部放大圖；圖14顯示了實例3中四棱柱的端面；圖15顯示了實例4中的六棱柱；圖16顯示了實例4中六棱柱的端面；圖17為解釋末端具有孤立粒子的晶體結(jié)構(gòu)圖。
圖18顯示了實例5中的四棱柱或六棱柱；圖19顯示了實例5中四棱柱或六棱柱的端面；圖20為解釋頂端具有孤立粒子的晶體結(jié)構(gòu)示圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各優(yōu)選實施例。
(第一實施例)首先，將描述第一實施例中的微制造金鋼石元件(金鋼石元件1)的結(jié)構(gòu)。圖1為金鋼石元件1的簡化形式示意圖。金鋼石元件1由基片11以及在基片11上等間隔排列的許多四棱柱12(微型突起)組成，四棱柱由金鋼石制成的且側(cè)面為平面。金鋼石制成的四棱柱12顯現(xiàn)有相對于激發(fā)方法(如電了束照射、X-光照射、光激發(fā)、電流注入、加熱等相類似方法)的發(fā)光特性；并且，其發(fā)出的光具有寬或極狹窄(或斜度大的)(sharp)的總光譜，在特定波長上具有特別高的發(fā)光強度。在本說明中，這種波長稱為“發(fā)射峰值波長λ[nm]”。
本發(fā)明也可以將柱體(四棱柱12)的斷面形狀設(shè)計與另一個波長分量(而不是發(fā)射峰值波長)一致；雖然在這種情況中發(fā)光效率會下降，但可以引出任何期望波長成分的光。
金鋼石制成的四棱柱12優(yōu)選地為異型外延(異相外延)金鋼石，或者是高方向性金鋼石膜(其中平面方向優(yōu)選地校直在5°內(nèi))。對基片11的材料不作限制。在使用高方向性金鋼石膜基片時，有必要將粒子的大小設(shè)定為突起大小(寬度)的兩倍左右。這可以防止供電受到晶界的影響。
SiO2薄膜13(圖1中未示出)形成在每一個四棱柱12的一個側(cè)面上。四棱柱12被某種折射率比金鋼石和SiO2更低的物質(zhì)包圍。對這種低折射率的物質(zhì)的狀態(tài)沒有限制，這種低折射率的物質(zhì)可以是氣體或任何其它固體材料。在優(yōu)選實例中，氣體遍布在四棱柱12周圍的空間。四棱柱12周圍的空間可以保持為真空。
圖5A顯示了四棱柱12的端面12f的形狀；如圖5A所示，端面12f為四邊形形狀，其長邊的邊長為a[nm]，短邊邊長為ka[nm]，一層SiO2薄膜13形成在短邊一側(cè)的側(cè)面上。對此，需要注意長邊的長度a[nm]和短邊的長度ka[nm]滿足下列公式(1)和(2)的關(guān)系表達(dá)式C1=2a1+k2···(1)]]>nλ≈C1...(2)C1四棱柱12內(nèi)部生成的光在該四棱柱12的側(cè)面反射時，環(huán)繞某一特定環(huán)路，一圈的距離[nm]，且n一任意正整數(shù)；調(diào)整四棱柱12的寬度w1(如下述公式(7)表示，定義為對角線的長度)以便不超過四棱柱12高度的一半(即，縱橫比不小于2)并不超過500nm。
w1=a1+k2···(7)]]>
調(diào)整端面12f的面積以便不超過四棱柱12總的外露面積的1/10。金鋼石元件1的操作及作用將在下面描述。由于載流子(電子或空穴)在具有間接躍遷型波段結(jié)構(gòu)的金鋼石中的壽命相當(dāng)長，在四棱柱12縱向或垂直方向長而利用狹窄的寬度將載流子(電子或空穴)約束在狹窄的金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的情況中，電子-空穴對就更易于重組發(fā)光。
由于四棱柱12周圍環(huán)繞有低折射率的物質(zhì)，所以四棱柱12內(nèi)部生成光的部分就會反復(fù)在四棱柱12的側(cè)面上反射。圖5A顯示了以較小入射角到達(dá)某一側(cè)面以及經(jīng)多個側(cè)面反射傳波的路徑。環(huán)繞這種傳波路徑的一圈的距離等于上述公式(1)右側(cè)部分，即兩倍于端面12f的對角線長度。因此，當(dāng)調(diào)整端面12f的長邊長度a[nm]和短邊長度ka[nm]以滿足上述公式(1)的關(guān)系表述式時，光(垂直于柱體的縱向傳波的光或在柱體縱向中有較小傳波分量的光)在傳波路徑中就變了一個駐波。因此，光在四棱柱12內(nèi)部發(fā)生諧振，光抽取到外部不會衰減。四棱柱12內(nèi)部生成的光一點點從四棱柱12的側(cè)面或端面12f泄露出來。在本實施例中，由于在一個側(cè)面上形成有一層折射率小于金鋼石折射率(折射率2.5)的SiO2薄膜13(折射率1.5)，光就能穿過SiO2薄膜13傳波到外部。
端面12f的形狀可以為方形(k＝1)。當(dāng)端面12f為方型的情況中，圖5B顯示了光經(jīng)側(cè)面反射時傳波的路徑。
由于四棱柱12的側(cè)面為平面，光會在側(cè)面上均勻或規(guī)則地發(fā)生反射。因此，四棱柱12內(nèi)部生成的光就可能形成駐波。
要從柱體的頂面提取在柱體的縱向有少量傳波成分的光，柱體的頂面優(yōu)選不是平面，而是一種突出形狀。在這種情況中，光能夠從頂部提取，因此在側(cè)面上無需形成比金鋼石折射率更小的材料。
激發(fā)發(fā)光方式可以為電子束輻射的陰極發(fā)光或使用X射線激發(fā)。也可以通過將電注入PN結(jié)或針結(jié)(PIN結(jié))激發(fā)。
在基片11上形成有四棱柱12的金鋼石元件1也可以應(yīng)用于晶體管。圖8為應(yīng)用了金鋼石元件1的晶體管8的縱斷面圖。第一絕緣膜86、柵極金屬薄膜84以及第二絕緣薄膜86依次堆疊在基片11上，以填充四棱柱12之間的空間。柵極金屬薄膜84與四棱柱12電連通。電極金屬薄膜82形成在第二絕緣薄膜86上，以與四棱柱12電連通。金鋼石制成的基片11和四棱柱12包括硼，因此可導(dǎo)電。
在柵極金屬薄膜84和四棱柱12之間有一種肖特基勢壘(Schottkybarrier)，這樣電子便從具有較高柵極費米能級(Fermi level)的柵極金屬薄膜84流入四棱柱12而在四棱柱12中以在四棱柱12中形成耗盡層。通過向柵級金屬薄膜84施加正電壓或負(fù)電壓，耗盡層的厚度便會增加或減小，從而可控制基片11到電極金屬薄膜82的電流強度。
隨著四棱柱12的寬度的減小，電流的控制則會更容易。隨著四棱柱12數(shù)量的增加，流經(jīng)的電流則更高。
在本實施例的金鋼石元件1中，由于四棱柱12的側(cè)面是平坦的，則可以與柵極金屬薄膜84建立很好的電連接。因此，對耗盡層厚度的控制就更加容易。
(第二實施例)首先，將要介紹第二實施例中的微制造金鋼石元件(金鋼石元件2)的結(jié)構(gòu)。圖2為金鋼石元件2的簡化形式示意圖。金鋼石元件2由基片21以及許多六棱柱22(微型突起)構(gòu)成，這些六棱柱由金鋼石組成，其側(cè)面為平面，等間隔地排列在基片上。金鋼石構(gòu)成的六棱柱22具有相對于激發(fā)方法(如電了束照射、X-光照射、光激發(fā)、電流注入、加熱等相類似方法)的發(fā)光特性，其生成的光的總光譜較寬或極窄(或斜度大)(sharp)，在特定波長上具有特別高的光強度。(發(fā)射峰值波長λ[nm])。
本發(fā)明也可以將柱體(六棱柱22)的斷面形狀設(shè)計與另一個波長成分一致或匹配(而不是發(fā)射峰值波長)；在這種情況下，雖然發(fā)光效率會下降，但可以引出任何期望的波長成分的光。
SiO2薄膜23(圖2未示出)形成在每一個六棱柱22的一個側(cè)面。六棱柱22由某種折射率比金鋼石和SiO2的折射率更低的物質(zhì)包圍。
圖6顯示了六棱柱22的端面22f的形狀。如圖6所示，端面22f為每個邊的長度均為b[nm]的六邊型，SiO2膜23形成在一個側(cè)面上。每個邊的長度b[nm]滿足下述公式(3)和(4)的關(guān)系表達(dá)式。
C2=33b···(3)]]>nλ≈C2...(4)C2六棱柱22內(nèi)部生成的光經(jīng)在六棱柱22側(cè)面反射時，環(huán)繞特定環(huán)路，這種情況中一圈的距離[nm]，以及n一任意正整數(shù)；調(diào)整六棱柱22的寬度w2(如下述公式(8)表示，定義為最長對角線的長度)以便不超過六棱柱22高度的一半(即，縱橫比不小于2)且不超過500nm。
w2＝2b...(8)調(diào)整端面22f的面積以便不超過六棱柱22總外露面積的1/10。
金鋼石元件2的操作及效果將在下面進行描述。由于六棱柱22周圍環(huán)繞有低折射率的物質(zhì)，所以每個六棱柱22內(nèi)部生成的部分光就會反復(fù)在六棱柱22的側(cè)面上反射。圖6顯示了以較小入射角到達(dá)一個側(cè)面以及經(jīng)多個側(cè)面反射，光傳波的路徑。環(huán)繞傳波路徑一圈的距離等于上述公式(3) 的右側(cè)的值。因此，當(dāng)調(diào)整端面22f的每個邊的長度b[nm]以滿足上述公式(3)的關(guān)系表達(dá)式時，光(沿垂直于柱體的縱向方向傳波的光或包含少量沿柱體的縱向傳波分量的光)就在傳波路徑中形成駐波。因此，光在六棱柱22內(nèi)部發(fā)生諧振，光抽取到外部不會衰減。六棱柱22內(nèi)部生成的光一點點從六棱柱22的側(cè)面或端面22f泄露出來。在本實施例中，由于折射率小于金鋼石折射率(折射率2.5)的SiO2膜23(折射率1.5)形成在一個側(cè)面上，光就可能通過SiO2膜23傳波到外部。在其它方面，本實施例可以實現(xiàn)實施例1中相似的操作或效果。
(第三實施例)首先，將要介紹第三實施例中微制造金鋼石元件(金鋼石元件3)的結(jié)構(gòu)。圖3為金鋼石元件3的簡化形式示意圖。金鋼石元件3由基片31以及許多由圓柱32(微型突起)構(gòu)成，這些圓柱由金鋼石構(gòu)成，等間隔地排列在基片31上。金鋼石構(gòu)成的圓柱32具有相對于激發(fā)方法(如電了束照射、X-光照射、光激發(fā)、電流注入、加熱等相類似方法)的發(fā)光特性，其生成的光具有較寬或極窄(或斜度大的)(sharp)總光譜，在特定波長時具有特別高的光強度(發(fā)射峰值波長λ[nm])。
本發(fā)明也可以將柱體(圓柱32)的斷面形狀設(shè)計與其它波長成分一致(而不是發(fā)射峰值波長)；在這種情況中，雖然發(fā)光效率會下降，但可以引出任何期望的波長成分的光。
圖7顯示了圓柱32的端面32f的形狀；如圖7所示，端面32f是半徑為r[nm]的圓。調(diào)整半徑r[nm]以便半徑r的6倍約等于滿足下述公式(5)和(6)的關(guān)系表達(dá)式的范圍內(nèi)的發(fā)射峰值波長的某一整數(shù)倍。
33r<C3<2πr···(5)]]>nλ＝C3≈6γ...(6)C3圓柱32內(nèi)部生成的光經(jīng)該圓柱32側(cè)面反射時環(huán)繞特定環(huán)路，這種情況中一圈的距離[nm]，以及n一任意正整數(shù)；調(diào)整圓柱32的直徑以便使其不超過圓柱32高度的一半(即，縱橫比不小于2)并且不超過500nm。
調(diào)整端面32f的面積以便不超過圓柱32總的外露面積的1/10。
金鋼石元件3的操作及效果將在下面進行描述。由于每個圓柱32四周是低折射率的物質(zhì)，所以圓柱32內(nèi)部生成的部分光就會在圓柱32的側(cè)面上反復(fù)反射。圖7顯示了經(jīng)側(cè)面反射時，光傳波的路徑。環(huán)繞傳波路徑一圈的距離為在3(31/3)r到2πr[nm]的范圍內(nèi)。因此，當(dāng)調(diào)整端面32f的半徑r[nm]以便半徑r的6倍約等于在滿足上述公式(5)的關(guān)系表達(dá)式的范圍內(nèi)的發(fā)射峰值波長的某一整數(shù)倍時，光(沿垂直于柱體縱向方向傳波的光或包括沿柱體的縱向有少量傳波成分的光)就在傳波路徑中形成駐波。因此，光在圓柱32內(nèi)部發(fā)生諧振，光提取到外部不會衰減。在其它方面，本實例可以實現(xiàn)實施例1中相似的操作或效果。
金鋼石為間接躍遷型材料，其會形成強結(jié)合的激子而導(dǎo)致激子發(fā)光。它也會發(fā)出無任何聲子的自由激子的微量發(fā)光，以及具有TO方式和LO方式的n個聲子的激子發(fā)光。它也顯現(xiàn)出從包含許多激子的小滴發(fā)光。
此外，如果存在硼或雜質(zhì)，激子便會結(jié)合而產(chǎn)生出結(jié)合激子發(fā)光。在230nm和240nm之間根據(jù)材料中的雜質(zhì)和其它物質(zhì)的狀態(tài)，這種發(fā)光包括不同發(fā)射峰值的發(fā)光，因此可以得到不同發(fā)光波長的發(fā)光。如果加入大量的硼，就可以在250nm發(fā)光。如果存在缺陷，在室溫下將出現(xiàn)大約300-400nm的寬帶發(fā)光，或者出現(xiàn)稱為帶A的接近420nm的寬帶發(fā)光。由于氮(nitrogen)或缺陷，它也可以實現(xiàn)在500nm到750nm范圍內(nèi)任何波長的發(fā)光，如H3中心、NV中心、GR中心等。如上所述，也可以實現(xiàn)從230nm到可見光的發(fā)光波長。這種發(fā)光可以與幾何學(xué)的加工形狀結(jié)合。
圖4顯示了微制造金鋼石元件的另一個實施例。本發(fā)明的微制造金鋼石元件可具有柱體頂部有金鋼石孤立粒子的形狀。在這種情況中，孤立粒子與柱體頂部之間的結(jié)合面積很小，因此約束孤立粒子中生成的載流子(電子或空穴)的效果很明顯。
在上述實施例中，設(shè)計柱體橫斷面形狀以在發(fā)射波長上產(chǎn)生諧振，但也可以設(shè)計為在金鋼石中的電子或空穴的德布羅意(de Broglie)波長上產(chǎn)生諧振。也就是說，設(shè)計柱體的橫斷面以滿足下述公式(9)和(10)。在這種情況中，柱體的橫斷面的寬度或直徑需要不能超過50nm。
nγ≈2a...(9)mγ≈2ka...(10)n一任意正整數(shù)；m一任意正整數(shù)；γ金鋼石中電子或空穴的德布羅意(de Broglie)波長[nm]；a長邊的長度[nm]，以及k短邊長度與長邊長度之比。
下面，將描述制造微制造晶體管元件的方法的實施例。首先，準(zhǔn)備一個單晶體金鋼石基片，或者是除金鋼石外的一種材料(硅(Si)或相類似物質(zhì))的基片，其上面形成有一層高度方向性(或定向)的金鋼石膜或一層異質(zhì)外延的金鋼石膜。
一層如鋁(Al)、二氧化硅(SiO2)等的掩膜材料膜形成在該基片上，膜利用光刻法形成圖案。使用形成圖案的薄膜作為掩膜實施蝕刻，以形成高縱橫比的金鋼石突起。利用掩膜圖案，可以得到突出的任何期望形狀(四邊形、規(guī)則六邊形、圓形等)和排列。
此后，在主要成分為氫的氣體的等離子體中處理突起，以重新構(gòu)造金鋼石晶體，這樣側(cè)面就能夠由金鋼石晶面形成。在這種情況中，金鋼石的平面方向會影響變形的突起的形狀。例如，對于一個(100)基片，突起趨向于成為四棱柱，其中(100)面出現(xiàn)在側(cè)面和端面。對于一個(110)基片，突起趨向于成為四棱柱或六棱柱，其中(110)面或(100)面出現(xiàn)在側(cè)面。對于一個(111)基片，突起趨向于成為六棱柱，其中更高指數(shù)的面出現(xiàn)在側(cè)面。
當(dāng)突起由高方向性金鋼石膜構(gòu)成時，矩形柱側(cè)面的平面方向即使經(jīng)過等離子處理也不會對齊。在這種情況中，突起的形狀僅由蝕刻處理形成，而不是等離子處理。
以下將通過實例更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，但需要注意本發(fā)明在任何情況下也不局限于這些實例。
(實例1)首先，通過濺射淀積或汽相淀積在每個(100)金鋼石基片上形成一層鋁(Al)膜。鋁(Al)膜的厚度約為500A-2μm，根據(jù)圖案的尺寸或突起的高度來確定。由于金鋼石對鋁的蝕刻率/腐蝕速度比為10或更高，所以對于高度不超過5μm的突起，厚度為0.5μm鋁膜就足夠了。
利用光刻技術(shù)，精微圖案就形成在如此形成的鋁膜中。當(dāng)圖案很微小時，隨著鋁膜厚度的減小，蝕刻會更加容易。突起端面的圖案可以為四邊形，但在這里它們?yōu)閳A型。使用這種鋁膜作為掩膜時，利用RIE技術(shù)的蝕刻要在含有1-3％CF4的氧氣中進行。如果等離子氣體僅包括氧氣，則突起的頂部會形成許多針形部分；但加入1-3％的CF4，則突起的每個頂部將優(yōu)化為只有一個針形部分。
在表4給出的條件下，經(jīng)蝕刻后的金鋼石基片進行等離子處理。


結(jié)果，圓形突起在所有樣本中均形成四棱柱。雖然根據(jù)條件的不同而處理時間的長短也有所不同，倘若甲烷濃度很低而氣體處于氫氣過剩情況或加入氧氣的情況，則整形基本上可以在任何條件下實現(xiàn)而影響金鋼石的合成。隨著功率的增加或基片溫度的增加，處理時間變得更短而整形則更難。在未形成金鋼石而形成其它物質(zhì)的情況下，則無法做到整形。在表4中給出的第1、6以及9-13條件下，四棱柱的合成側(cè)面會非常平。特別地，適宜條件為壓力在10-30托(torr)而基片溫度在650-850℃。其中，就控制能力及形狀的精良或細(xì)度而言，最佳條件為壓力為25托(torr)而基片溫度為750℃。
(實例2)等間隔排列的圓形鋁掩膜通過光刻法形成在一個(100)金鋼石基片上，基片接受RIE技術(shù)處理。因此，底邊上的圓柱體的針狀突起以一種排列狀態(tài)形成。圖9顯示了使用圓形鋁(Al)掩膜形成的突起。突起看上去為針狀的原因在于鋁掩膜非常小，而盡管掩膜很小而蝕刻卻很深。當(dāng)圓形鋁掩膜大時，會形成柱狀突起。
針狀突起在下述條件下接受等離子處理H2流動速度/流量為100sccm、壓力為25托、功率為1300瓦、基片溫度為750℃，而處理時間為10-15分鐘。結(jié)果，針型突起形成四棱柱。這是因為基片的平面方向為(100)。某一特別細(xì)的突起的水平截面的一邊為50nm。圖10A顯示了實例2中的四棱柱，圖10B為其局部放大圖；如圖10A和10B所示，金鋼石以底部擴展的形式沉積在每個四棱柱的根部。
圖11A顯示了本實例中四棱柱的端面，圖11B為其局部放大圖；如圖11A所示，許多端面為正方形，而一些為矩型。這是由圓形鋁掩膜的大于和形狀的不同造成的。如果圓形鋁掩膜的圖案控制對尺寸和形狀很精確的話，實際上所有四棱柱都可以具有實質(zhì)相同的形狀和尺寸。
(實例3)將與(100)金鋼石基片(5厘米內(nèi))接觸或鄰近的作為掩膜材料的金屬放置在反應(yīng)室內(nèi)，該金鋼石基片接受RIE處理。掩膜材料的碎片附著在金鋼石基片上，起到微掩膜的作用。結(jié)果，便形成任意排列的尖形突起。圖12顯示了使用微掩膜形成的突起。由于利用本實例的方法形成的微掩膜的尺寸非常小，則形成的突起要比實例2中的細(xì)，因此其排列也很細(xì)密。某一特別細(xì)的突起的水平截面的一條邊不超過10nm。
針狀突起在如實例2中相同的條件下接受等離子處理。結(jié)果，針型突起形成四棱柱。這是因為基片的平面方向為(100)。經(jīng)等離子處理后某一特別細(xì)的突起的水平截面的一邊為50nm。圖13A顯示了實例3中的四棱柱，圖13B為其局部放大圖；圖14顯示了本實例中四棱柱的端面。
(實例4)一個(111)金鋼石基片經(jīng)過實例2中相同的蝕刻和等離子處理(其中處理時間約為30分鐘)。結(jié)果，形成六棱柱。圖15顯示了本實例中的六棱柱；圖16顯示了本實例中六棱柱的端面；如圖16所示，一些端面已與規(guī)則正六邊形偏離，而其它的端面為正六邊形。這些側(cè)面雖然不是低系數(shù)表面，但比起蝕刻形成的表面已相當(dāng)平了。
而且，可以觀察到突起，它們在端部與支撐其的主體之間的結(jié)合部分面積很小，即上面具有孤立粒子的柱體。圖17為解釋頂端具有孤立粒子的晶體結(jié)構(gòu)示圖。如圖17所示，當(dāng)僅在頂端出現(xiàn)(100)表面時，形成孤立粒子。利用它，可以制造出頂部具有孤立粒子的形式。
(實例5)一個(110)金鋼石基片經(jīng)過實例2中相同的蝕刻和等離子處理(其中處理時間約為30分鐘)。結(jié)果，形成四棱柱或六棱柱。圖18顯示了本實例中的四棱柱或六棱柱。圖19顯示了實例5中四棱柱或六棱柱的端面。如圖19所示，一些端面已與規(guī)則正六邊形偏離，而其它的端面為正六邊形。通過控制鋁掩膜的大小與形狀，可以將柱體制成統(tǒng)一形狀的正六邊形，使其恒定。兩個側(cè)面為(100)面。其它面為(100)面或不總是低指數(shù)面的其它晶體面，但它們要比蝕刻形成的面更好的相當(dāng)平的面。
也可以觀察到突起，突起在頂部與支撐其的主體之間的結(jié)合部分面積很小，即上面具有孤立粒子的柱體。圖20為解釋頂端具有孤立粒子的晶體結(jié)構(gòu)示圖。如圖20所示，當(dāng)在頂端僅出現(xiàn)(100)表面時，形成孤立粒子。利用它，可以制造出頂部具有孤立粒子的形式。
(實例6)柱體為圓柱形的微制造金鋼石元件通過實例2中相似的蝕刻過程形成。樣本1是使用金鋼石基片制成的，其中硼、氮等成分經(jīng)過調(diào)整以得到500nm的發(fā)射峰值波長。樣本2是使用金鋼石基片制成的，其中通過調(diào)整硼、氮等成分以得到400nm的發(fā)射峰值波長。
(實驗結(jié)果1)
對于實例1的微制造金鋼石元件，觀察陰極發(fā)光(波長為500nm的光譜分量)。結(jié)果是基片顯示出很強的發(fā)光強度而柱體發(fā)出強度更強的光。
(實驗結(jié)果2)對于實例1的微制造金鋼石元件，觀察陰極發(fā)光(波長為400nm的光譜分量)。結(jié)果是基片和柱體均不發(fā)光。
(實驗結(jié)果3)對于樣本2的微制造金鋼石元件，觀察陰極發(fā)光(波長為500nm的光譜分量)。結(jié)果是基片暗而柱體以很強的光強度發(fā)光。
(實驗結(jié)果4)對于樣本2的微制造金鋼石元件，觀察陰極發(fā)光(波長為400nm的光譜分量)。其結(jié)果是基片以很強的發(fā)光強度發(fā)光，而相反柱體暗。
從上述實驗結(jié)果，可以知道本實施例的柱體有效地發(fā)出波長為500nm的光，而衰減波長為400nm的光。這正驗證了本發(fā)明的準(zhǔn)則通過調(diào)整柱體的形狀以引發(fā)波長為金鋼石材料的發(fā)射峰值波長的光發(fā)生諧振，從而可提高發(fā)光效率；換言之，通過調(diào)整金鋼石以便將柱體的諧振波長與發(fā)射峰值波長匹配。從實驗結(jié)果1和3中，也可以看到當(dāng)柱體的諧振波長與發(fā)射峰值波長一致時，通過限制載流子(電子或空穴)的結(jié)果，可以提高柱體的發(fā)光效率。
權(quán)利要求
1.一種微制造金鋼石元件，其中至少有一個橫斷面為四邊形包括金鋼石的柱體形成在基片上，且其中，在柱體的橫斷面中，長邊長度和短邊的長度滿足下列公式(1)和(2)表示的關(guān)系表達(dá)式C1=2a1+k2···(1)]]>nλ≈C1...(2)C1柱體內(nèi)部生成的光在經(jīng)該柱體側(cè)面反射時，環(huán)繞某一特定環(huán)路，一圈的距離[nm]；n一個任意正整數(shù)；λ金鋼石的發(fā)射峰值波長[nm]；a長邊的長度[nm]，以及k短邊長度與長邊長度之比。
2.一種微制造金鋼石元件，其中至少有一個橫斷面大體為正六邊形包含金鋼石的柱體形成在基片上，且其中柱體橫斷面中邊的長度滿足下列公式(3)和(4)的表示的關(guān)系表達(dá)式C2=33b···(3)]]>nλ≈C2...(4)C2柱體內(nèi)部生成的光在經(jīng)該柱體側(cè)面反射時，環(huán)繞某一特定環(huán)路，一圈的距離[nm]，n一個任意正整數(shù)；λ金鋼石的發(fā)射峰值波長[nm]；以及b邊的長度[nm]。
3.一種微制造的金鋼石元件，其中至少一個由金鋼石構(gòu)成的斷面為圓形的柱體形成在基片上，且其中，當(dāng)柱體的橫斷面半徑長度為r[nm]而柱體內(nèi)部生成的光經(jīng)柱體的側(cè)面反射時環(huán)繞的特定環(huán)路由一個正多邊形表示時，其中中心到角的距離為r[nm]，正多邊形的周長C3[nm]滿足下述公式(5)和(6)表示的關(guān)系表達(dá)式33r<C3<2πr···(5)]]>nλ≈C3...(6)n任意正整數(shù)；以及λ金鋼石的發(fā)射峰值波長[nm]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微制造金鋼石元件，其中柱體的每個側(cè)面均為平面，所述平面由金鋼石晶面構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的微制造金鋼石元件，其中金鋼石晶面為一種(100)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微制造金鋼石元件，其中柱體的寬度w1由下述公式(7)表示；w1=a1+k2···(7)]]>其中，寬度w1不超過500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的微制造金鋼石元件，其中柱體的寬度w2由下述公式(8)表示w2＝2b...(8)其中，寬度w2不超過500nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的微制造金鋼石元件，其中柱體的直徑不超過500nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微制造金鋼石元件，其中柱體的寬度w1由下述公式(7)表示w1=a1+k2···(7)]]>其中，柱體的高度與寬度w1之比不小于2。
10.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的微制造金鋼石元件，其中柱體的寬度w2由下述公式(8)表示w2＝2b...(8)其中，柱體的高度與寬度w2之比不小于2。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微制造金鋼石元件，其中柱體高度與柱體直徑之比不小于2。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微制造金鋼石元件，其中與柱體縱向垂直的橫斷面面積與柱體的總的外露面積之比不超過1/10。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微制造金鋼石元件，其中柱體等間隔地排列。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微制造金鋼石元件，其中折射率小于金鋼石折射率的一種光學(xué)透明膜形成于柱體的側(cè)面的部分。
15.一種制造微制造金鋼石元件的方法，包括一蝕刻工序，即將某種與金鋼石基片鄰近或接觸的金屬放置到反應(yīng)室內(nèi)；然后在反應(yīng)室內(nèi)實現(xiàn)對金鋼石基片的反應(yīng)離子蝕刻。
16.根據(jù)權(quán)利要求15中所述的方法，其中蝕刻工序包括這樣一道工序?qū)⒆鳛榉磻?yīng)氣體的CF4/O2氣體引入到反應(yīng)室中，其中CF4的流量比不超過3％。
17.一種制造微制造金鋼石元件的方法，包括一在金鋼石基片上形成圖案的工序，其中基片上帶有某種排列狀態(tài)的直徑不超過500nm的微細(xì)鋁Al點；以及一在反應(yīng)室內(nèi)在金鋼石基片上實現(xiàn)反應(yīng)離子蝕刻的工序，其中反應(yīng)室內(nèi)在CF4的流量比不超過3％的情況下引入了CF4/O2氣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括一金鋼石晶面形成工序?qū)в形g刻步驟形成的微突起的金鋼石基片暴露在主要由氫組成的氣體的等離子區(qū)。
19.一種微制造金鋼石元件，其中至少一個金鋼石構(gòu)成的橫斷面為四邊形且最大直徑不超過50nm的柱體形成在基片上，且其中，柱體橫斷面中的長邊和短邊的長度滿足下列公式(9)和(10)的表述的關(guān)系表達(dá)式nγ≈2a...(9)mγ≈2ka...(10)n一個任意正整數(shù)；m一個任意正整數(shù)；γ金鋼石中電子或空穴的德布羅意(de Broglie)波長[nm]；a長邊的長度[nm]，以及k短邊長度與長邊長度之比。
全文摘要
一種金鋼石電子發(fā)射元件，其設(shè)置有一個基片以及許多由金鋼石構(gòu)成且側(cè)面為平面的四棱柱(微型突起)，這些四棱柱等間隔地排列在基片上。頂端面(水平截面)為四邊形形狀，其長邊邊長為a[nm]，短邊邊長為ka[nm]，且在短邊一側(cè)的一個側(cè)面上形成有一層二氧化硅(SiO
文檔編號B82B3/00GK1503381SQ0315871
公開日2004年6月9日 申請日期2003年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者西林良樹, 安藤豐, 今井貴浩, 浩 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社, 財團法人精細(xì)陶瓷中心