JP2004114162A

JP2004114162A - 微細加工ダイヤモンド素子及び微細加工ダイヤモンド素子作製方法

Info

Publication number: JP2004114162A
Application number: JP2002276425A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Nishibayashi; 西林　良樹; Yutaka Ando; 安藤　豊; Takahiro Imai; 今井　貴浩
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-15
Also published as: KR100990786B1; US20040058539A1; US7147918B2; CN100395898C; CN1503381A; KR20040028517A; EP1401028A3; EP1401028A2

Abstract

【課題】発光効率を向上させる形状の微細加工ダイヤモンド素子を提供する。
【解決手段】ダイヤモンド素子１は、基板１１と、基板１１上に等間隔に配列されており、複数のダイヤモンドから成ると共に側面が平坦面である四角柱１２（微細突起）を備えている。端面１２ｆは、長辺の長さがａ［ｎｍ］、短辺の長さがｋａ［ｎｍ］の四角形であり、短辺側の側面にＳｉＯ_２薄膜１３が形成されている。ただし、長辺の長さａ［ｎｍ］、短辺の長さｋａ［ｎｍ］は下記式（１）及び（２）の関係式を満たす。
【数１】

Ｃ_１：四角柱１２の内部で発生した光が四角柱１２の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
λ：四角柱１２を構成するダイヤモンドの発光ピーク波長λ［ｎｍ］

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子等に用いられる微細加工ダイヤモンド素子及び微細加工ダイヤモンド素子作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光素子に用いられる微細加工ダイヤモンド素子としては、例えばＮｅｗ　Ｄｉａｍｏｎｄ　（Ｊａｐａｎ　Ｎｅｗ　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｆｏｒｕｍ）　Ｖｏｌ．１７　Ｎｏ．４　（２００１）　１０頁以下に示されているように任意の形状のダイヤモンド柱にＰＮ接合面を形成するものがあった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０７５１７１号公報
【非特許文献１】Ｎｅｗ　Ｄｉａｍｏｎｄ　（Ｊａｐａｎ　Ｎｅｗ　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｆｏｒｕｍ）　Ｖｏｌ．１７　Ｎｏ．４　（２００１）　１０頁以下
【非特許文献２】第４７回応用物理学関係連合講演会−講演予稿集　Ｎｏ．１　３０ａ−ＹＱ−３（３７７頁）
【非特許文献３】第４６回応用物理学関係連合講演会−講演予稿集　Ｎｏ．１　３０ｐ−Ｍ−１２（４１５頁）
【非特許文献４】第６２回応用物理学関係連合講演会−講演予稿集　Ｎｏ．３　１３ａ−ＺＫ−５（７８２頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の発光素子に用いられる微細加工ダイヤモンド素子では発光効率が不十分であった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、発光効率を向上させる形状の微細加工ダイヤモンド素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、基板上に、ダイヤモンドを含んで成る断面四角形の柱状体が少なくとも一つ形成されており、柱状体の断面における長辺及び短辺の長さが下記式（１）及び（２）；
【数９】

Ｃ_１：柱状体の内部で発生した光が柱状体の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
λ：ダイヤモンドの発光ピーク波長［ｎｍ］
ａ：長辺の長さ［ｎｍ］
ｋ：短辺の長さの長辺の長さに対する比
で表される関係式を満たすものであることを特徴とする。
【０００７】
また、上記課題を解決するために、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、基板上に、ダイヤモンドを含んで成る断面略正六角形の柱状体が少なくとも一つ形成されており、柱状体の断面における辺の長さが下記式（３）及び（４）；
【数１０】

Ｃ_２：柱状体の内部で発生した光が柱状体の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
λ：ダイヤモンドの発光ピーク波長［ｎｍ］
ｂ：辺の長さ［ｎｍ］
で表される関係式を満たすものであることを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題を解決するために、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、基板上に、ダイヤモンドを含んで成る断面円状の柱状体が少なくとも一つ形成されており、柱状体の断面における半径の長さがｒ［ｎｍ］であり、柱状体の内部で発生した光が柱状体の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの周回路が、中心から角までの距離がｒ［ｎｍ］である正多角形として表され、
正多角形の外周の長さＣ_３［ｎｍ］が下記式（５）及び（６）；
【数１１】

ｎ：任意の正の整数
λ：ダイヤモンドの発光ピーク波長［ｎｍ］
ｒ：半径［ｎｍ］
で表される関係式を満たすものであることを特徴とする。
【０００９】
柱状体の内部で発生した光の一部は柱状体の側面で反射しつつ、柱状体の内部を周回する。上記の関係式が満たされることにより、かかる周回路の一周分の距離は、ダイヤモンドの発光ピーク波長の略整数倍に該当することになる。そのため、発光ピーク波長の光（柱状体の長さ方向に対し垂直に進行する光及び柱状体の長さ方向に僅かな進行成分を含む光）が柱状体の内部で共振し、減衰することなく外部に取り出される。その結果、発光効率が向上する。
【００１０】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の側面がダイヤモンド結晶面から成る平坦面を含んで構成されていることが好適である。
【００１１】
また、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、ダイヤモンド結晶面が（１００）面であることが好適である。
【００１２】
側面がダイヤモンド結晶面から成るきれいな平坦面であることにより、側面における光の反射が規則的になる。そのため、柱状体の内部で発生した光が定常波になりやすい。ダイヤモンド結晶面が（１００）面であるときにもっともきれいな平坦面が形成される。
【００１３】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の幅ｗ_１が下記式（７）；
【数１２】

で表され、幅ｗ_１が５００ｎｍ以下であることが好適である。
【００１４】
また、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の幅ｗ_２が下記式（８）；
【数１３】

で表され、幅ｗ_２が５００ｎｍ以下であることが好適である。
【００１５】
また、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の直径が５００ｎｍ以下であることが好適である。
【００１６】
柱状体の幅（直径）が５００ｎｍ以下であるとき、キャリア（電子・正孔）の閉じ込めが十分なものとなり、再結合確率が増加して発光しやすい。柱状体の幅（直径）（サイズ）とカソードルミネッセンス強度との関係を表１に示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の幅ｗ_１が下記式（７）；
【数１４】

で表され、柱状体の高さの幅ｗ_１に対する比が２以上であることが好適である。
【００１９】
また、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の幅ｗ_２が下記式（８）；
【数１５】

で表され、柱状体の高さの幅ｗ_２に対する比が２以上であることが好適である。
【００２０】
また、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の高さの柱状体の直径に対する比が２以上であることが好適である。
【００２１】
アスペクト比（柱状体の高さの幅又は直径に対する比をアスペクト比という。）が２以上であるときに、キャリア（電子・正孔）が基板側に逃げにくくなり、再結合確率が増加して発光しやすくなる。アスペクト比とカソードルミネッセンス強度との関係を表２に示す。
【００２２】
【表２】

【００２３】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体における断面面積の柱状体全面積に対する比が１／１０以下であることが好適である。
【００２４】
柱状体における断面面積の柱状体全面積に対する比が１／１０以下のときに、キャリア（電子・正孔）が基板側に逃げにくくなり、再結合確率が増加して発光しやすくなる。面積比とカソードルミネッセンス強度との関係を表３に示す。
【００２５】
【表３】

【００２６】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体が等間隔に配列されていることが好適である。
【００２７】
かかる構成により微細加工ダイヤモンド素子を適用したデバイスが作製しやすくなる。一方、取り出した波長に合わせた周期を与えることによって単色化やレーザ化などに応用することが可能となる。
【００２８】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の側面の一部に、ダイヤモンドよりも屈折率の低い光透過膜が形成されたことが好適である。
【００２９】
柱状体の側面で反射を繰り返す光がこの光透過膜を介して外部に取り出される。
【００３０】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子製造方法は、反応室中にダイヤモンド基板に近接して金属を設置した上、反応室中でダイヤモンド基板に対してリアクティブイオンエッチングを行うエッチングステップを含むことを特徴とする。
【００３１】
フォトリソグラフィーでは不可能な微細なマスクを形成することができる。
【００３２】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子製造方法は、直径５００ｎｍ以下の整列された微細Ａｌドットをダイヤモンド基板にパターニングし、ＣＦ_４の流量比が３％以下であるＣＦ_４／Ｏ_２ガスが導入された反応室中でダイヤモンド基板をリアクティブイオンエッチングすることが好適である。
【００３３】
かかる製造方法により、整列した柱状体が形成される。また、取り出す波長に合わせた間隔で整列させることもでき、外部で共振させることにより単色化したり、レーザ光にすることができる。ここで、基板が単結晶のものや面内に高配向したものを利用すると、後のプロセスで柱状体の向きを自動的にそろえることができ好都合である。
【００３４】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子製造方法は、エッチングステップにおいて、反応室中に、反応ガスとしてＣＦ_４の流量比が３％以下であるＣＦ_４／Ｏ_２ガスが導入されることが好適である。
【００３５】
プラズマガスが酸素のみであると一つの突起の先端部に多数本の針状部が形成されるが、ＣＦ_４が１〜３％添加されることにより針状部の本数は個々の独立した一本になる。
【００３６】
本発明の微細加工ダイヤモンド素子製造方法は、エッチングステップにより微細突起が形成されたダイヤモンド基板を、主として水素から成るガスのプラズマに曝すダイヤモンド結晶面形成ステップを更に含むことが好適である。
【００３７】
柱状体の側面がダイヤモンド結晶面に再構成される。
【００３８】
上記課題を解決するために、本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、基板上に、ダイヤモンドを含んで成ると共に最大外径が５０ｎｍ以下である断面四角形の柱状体が少なくとも一つ形成されており、柱状体の断面における長辺及び短辺の長さが下記式（９）及び（１０）；
【数１６】

ｎ：任意の正の整数
ｍ：任意の正の整数
γ：ダイヤモンド中における電子又は正孔のドブロイ波長［ｎｍ］
ａ：長辺の長さ［ｎｍ］
ｋ：短辺の長さの長辺の長さに対する比
で表される関係式を満たすものであることを特徴とする。
【００３９】
長辺方向及び短辺方向に進行する電子（正孔）のドブロイ波が定常波を形成することにより、ダイヤモンド中の電子が励起されやすくなる。その効果は、電子（正孔）を閉じ込める柱状体が断面最大外径５０ｎｍ以下の狭い幅であるときに顕著になる。その結果、発光効率が向上する。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態の微細加工ダイヤモンド素子（ダイヤモンド素子１）の構造を説明する。図１は、ダイヤモンド素子１を簡略化した模式図である。ダイヤモンド素子１は、基板１１と、基板１１上に等間隔に配列されており、ダイヤモンドから成ると共に側面が平坦面である複数の四角柱１２（微細突起）を備えている。四角柱１２を構成するダイヤモンドは、電子ビーム照射、Ｘ線照射、光励起、電流注入、加熱などの励起手段に対して発光特性を有し、かつ発生する光のスペクトル全体はブロードであったり、急峻であったりするが、特に光度が強くなる波長（発光ピーク波長λ［ｎｍ］）を有する。なお、発光効率が劣ることになるが、発光ピーク波長に代えて他の波長成分に合わせて柱状体（四角柱１２）の断面形状を設計し、所望の波長成分の光を取り出すことも考えられる。
【００４２】
四角柱１２を構成するダイヤモンドとしてはヘテロエピタキシャルダイヤモンドや高配向ダイヤモンド膜（面方位が５°以内で揃っていることが好適である。）などを用いることもできる。また、基板１１の材質に限定はない。ただし、高配向ダイヤモンド膜基板においては粒子のサイズを突起のサイズの２倍程度にしておく必要がある。これによって電気的な供給を粒界の影響から除去しておく効果がある。
【００４３】
各四角柱１２の一側面にはＳｉＯ_２薄膜１３（図１には示されていない。）が形成されている。四角柱１２は、ダイヤモンド及びＳｉＯ_２よりも屈折率の低い物質で覆われている。この低屈折率物質の状態に制限はなく、気体でも、他の個体材質であってもよい。例えば空気を四角柱１２の周囲に充満させるのが好適である。また、四角柱１２の周囲は真空であってもよい。
【００４４】
図５は、四角柱１２の端面１２ｆの形状を示す。図５Ａに示すように、端面１２ｆは、長辺の長さがａ［ｎｍ］、短辺の長さがｋａ［ｎｍ］の四角形であり、短辺側の側面にＳｉＯ_２薄膜１３が形成されている。ただし、長辺の長さａ［ｎｍ］、短辺の長さｋａ［ｎｍ］は下記式（１）及び（２）の関係式を満たす。
【００４５】
【数１７】

Ｃ_１：四角柱１２の内部で発生した光が四角柱１２の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
【００４６】
四角柱１２の幅ｗ_１（下記式（７）で表されるように、対角線の長さで定義される。）は、四角柱１２の高さの１／２以下（アスペクト比が２以上）であり、かつ５００ｎｍ以下になるように調整されている。
【００４７】
【数１８】

【００４８】
また、端面１２ｆの面積は、四角柱１２の柱状体全面積の１／１０以下になるように調整されている。
【００４９】
次に、ダイヤモンド素子１の作用・効果を説明する。間接遷移型のバンド構造を有するダイヤモンドではキャリア（電子・正孔）の寿命が比較的長いので、上記のように四角柱１２を幅の狭い、縦長の形状にし、キャリア（電子・正孔）を狭いダイヤモンド結晶構造中に閉じ込めることにより、電子−正孔対が再結合して発光しやすくなる。
【００５０】
四角柱１２は低屈折率物質で覆われているので、四角柱１２内部で発生した光の一部は四角柱１２の側面で反射を繰り返す。図５Ａに、低い入射角度で側面に到達し、側面で反射しつつ進行する光の経路が示されている。かかる進行経路を一周する距離は、上記式（１）の右辺、すなわち端面１２ｆの対角線の長さの２倍に相当する。したがって、端面１２ｆの長辺の長さａ［ｎｍ］及び短辺の長さｋａ［ｎｍ］が上記式（１）の関係式を満たすように調整されることにより、光（柱状体の長さ方向に対し垂直に進行する光又は柱状体の長さ方向に僅かな進行成分を含む光）は進行経路において定常波となる。そのため、四角柱１２内部で光が共振し、減衰することなく光が外部に取り出される。四角柱１２内部で発生した光は、四角柱１２の側面又は端面１２ｆから少しずつ漏れていくが、本実施形態では一側面にダイヤモンド（屈折率：２．５）よりも屈折率の低いＳｉＯ_２薄膜１３（屈折率：１．５）が形成されているので、ＳｉＯ_２薄膜１３を介して光が外部に出射しやすくなる。
【００５１】
端面１２ｆの形状は正方形（ｋ＝１）であってもよい。図５Ｂに、端面１２ｆが正方形であるときに側面で反射しつつ進行する光の経路を示す。
【００５２】
四角柱１２の側面が平坦面であるので、側面における光の反射が規則的になる。そのため、四角柱１２内部で発生した光が定常波になりやすい。
【００５３】
なお、柱状体の長さ方向に僅かな進行成分を含む光が柱状体の上面から出射するためには、柱状体の上面が突起形状など平坦面でないことが好ましい。この場合、光を上部から取り出せるので、側面にダイヤモンドより屈折率の低い材料を形成しておく必要はない。
【００５４】
また、発光させるための励起手段は電子線照射のカソードルミネッセンスであってもよいし、Ｘ線による励起であってもよい。また、ｐｎ接合型あるいはｐｉｎ接合型への電気的注入による励起であってもよい。
【００５５】
基板１１に四角柱１２が形成されたダイヤモンド素子１は、トランジスタに適用することもできる。図８は、ダイヤモンド素子１を適用したトランジスタ８の縦断面図である。基板１１上には、各四角柱１２の間を埋めるように、順次、第１の絶縁膜８６、ゲート金属膜８４、第２の絶縁膜８６が積層されている。ゲート金属膜８４と四角柱１２は電気的に接続されている。第２の絶縁膜８６の上には、四角柱１２と電気的に接続するように電極金属膜８２が形成されている。基板１１及び四角柱１２を構成するダイヤモンドは、ホウ素を含有し導電性とされている。
【００５６】
ゲート金属膜８４と四角柱１２との間にはショットキー障壁があり、フェルミー準位の高いゲート金属膜８４から四角柱１２に電子が流れ込み、四角柱１２中に空乏層が生じる。ゲート金属膜８４に正負の電圧を印加することにより空乏層の厚さを増減させて、基板１１から電極金属膜８２へ流れる電流の強さを制御する。
【００５７】
四角柱１２の幅が狭いほど、電流の制御は容易になる。また、四角柱１２の数を多くすることにより高電流を流すことができる。
【００５８】
本実施形態のダイヤモンド素子１では、四角柱１２の側面が平坦になっているのでゲート金属膜８４との電気的接続が良好になる。そのため、空乏層の厚さの制御が容易になる。
【００５９】
（第２実施形態）
まず、第２実施形態の微細加工ダイヤモンド素子（ダイヤモンド素子２）の構造を説明する。図２は、ダイヤモンド素子２を簡略化した模式図である。ダイヤモンド素子２は、基板２１と、基板２１上に等間隔に配列されており、ダイヤモンドから成ると共に側面が平坦面である複数の六角柱２２（微細突起）を備えている。六角柱２２を構成するダイヤモンドは、電子ビーム照射、Ｘ線照射、光励起、電流注入、加熱などの励起手段に対して発光特性を有し、かつ発生する光のスペクトル全体はブロードであったり、急峻であったりするが、特に光度が強くなる波長（発光ピーク波長λ［ｎｍ］）を有する。なお、発光効率が劣ることになるが、発光ピーク波長に代えて他の波長成分に合わせて柱状体（六角柱２２）の断面形状を設計し、所望の波長成分の光を取り出すことも考えられる。
【００６０】
各六角柱２２の一側面にはＳｉＯ_２薄膜２３（図２には示されていない。）が形成されている。六角柱２２は、ダイヤモンド及びＳｉＯ_２よりも屈折率の低い物質で覆われている。
【００６１】
図６は、六角柱２２の端面２２ｆの形状を示す。図６に示すように、端面２２ｆは、一辺の長さがｂ［ｎｍ］の六角形であり、一側面にＳｉＯ_２薄膜２３が形成されている。ただし、一辺の長さｂ［ｎｍ］は下記式（３）及び（４）の関係式を満たす。
【００６２】
【数１９】

Ｃ_２：六角柱２２の内部で発生した光が六角柱２２の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
【００６３】
六角柱２２の幅ｗ_２（下記式（８）で表されるように、最長対角線の長さで定義される。）は、六角柱２２の高さの１／２以下（アスペクト比が２以上）であり、かつ５００ｎｍ以下になるように調整されている。
【００６４】
【数２０】

【００６５】
また、端面２２ｆの面積は、六角柱２２の柱状体全面積の１／１０以下になるように調整されている。
【００６６】
次に、ダイヤモンド素子２の作用・効果を説明する。六角柱２２は低屈折率物質で覆われているので、六角柱２２内部で発生した光の一部は六角柱２２の側面で反射を繰り返す。図６に、低い入射角度で側面に到達し、側面で反射しつつ進行する光の経路が示されている。かかる進行経路を一周する距離は、上記式（３）の右辺に相当する。したがって、端面２２ｆの一辺の長さｂ［ｎｍ］が上記式（３）の関係式を満たすように調整されることにより、光（柱状体の長さ方向に対し垂直に進行する光又は柱状体の長さ方向に僅かな進行成分を含む光）は進行経路において定常波となる。そのため、六角柱２２内部で光が共振し、減衰することなく光が外部に取り出される。六角柱２２内部で発生した光は、六角柱２２の側面又は端面２２ｆから少しずつ漏れていくが、本実施形態では一側面にダイヤモンド（屈折率：２．５）よりも屈折率の低いＳｉＯ_２薄膜２３（屈折率：１．５）が形成されているので、ＳｉＯ_２薄膜２３を介して光が外部に出射しやすくなる。その他実施形態１におけると同様の作用・効果を得ることができる。
【００６７】
（第３実施形態）
まず、第３実施形態の微細加工ダイヤモンド素子（ダイヤモンド素子３）の構造を説明する。図３は、ダイヤモンド素子４を簡略化した模式図である。ダイヤモンド素子３は、基板３１と、基板３１上に等間隔に配列されており、ダイヤモンドから成る複数の円柱３２（微細突起）を備えている。円柱３２を構成するダイヤモンドは、電子ビーム照射、Ｘ線照射、光励起、電流注入、加熱などの励起手段に対して発光特性を有し、かつ発生する光のスペクトル全体はブロードであったり、急峻であったりするが、特に光度が強くなる波長（発光ピーク波長λ［ｎｍ］）を有する。なお、発光効率が劣ることになるが、発光ピーク波長に代えて他の波長成分に合わせて柱状体（円柱３２）の断面形状を設計し、所望の波長成分の光を取り出すことも考えられる。
【００６８】
図７は、円柱３２の端面３２ｆの形状を示す。図７に示すように、端面３２ｆは、半径がｒ［ｎｍ］の円である。ただし、半径ｒ［ｎｍ］は、下記式（５）の関係式を満たす範囲内において、半径ｒの約６倍が発光ピーク波長の整数倍になるように調整されている。
【００６９】
【数２１】

Ｃ_３：円柱３２の内部で発生した光が円柱３２の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
【００７０】
円柱３２の直径は、円柱３２の高さの１／２以下（アスペクト比が２以上）であり、かつ５００ｎｍ以下になるように調整されている。
【００７１】
また、端面３２ｆの面積は、円柱３２の柱状体全面積の１／１０以下になるように調整されている。
【００７２】
次に、ダイヤモンド素子３の作用・効果を説明する。円柱３２は低屈折率物質で覆われているので、円柱３２内部で発生した光の一部は円柱３２の側面で反射を繰り返す。図７に、側面で反射しつつ進行する光の経路が示されている。かかる進行経路を一周する距離は、３（３^１／３）ｒ〜２πｒ［ｎｍ］の範囲内にある。したがって、端面３２ｆの半径ｒ［ｎｍ］が、上記式（５）の関係式を満たす範囲内において、半径ｒの約６倍が発光ピーク波長の整数倍になるように調整されることにより、光（柱状体の長さ方向に対し垂直に進行する光又は柱状体の長さ方向に僅かな進行成分を含む光）は進行経路において定常波となる。そのため、円柱３２内部で光が共振し、減衰することなく光が外部に取り出される。その他実施形態１におけると同様の作用・効果を得ることができる。
【００７３】
ダイヤモンドは間接遷移型であるが、非常に結合の強いエキシトンを形成し、エキシトン発光をする材料である。微量ではあるがフォノンを伴わないフリーエキシトンの発光が見られたり、ＴＯモードやＬＯモードのフォノンをｎ個伴うエキシトン発光が見られたりする。また、エキシトンが多数集まったドロプレットからの発光も見られる。さらに、ボロンや不純物が存在すると束縛されて、バウンドエキシトンの発光が見られたりする。このような発光は、２３０〜２４０ｎｍの間で材料中の不純物などの状態によって発光ピークの異なる発光が存在し、いろいろな発光波長の発光を実現できる。また、ボロンが多量に入ると２５０ｎｍでの発光が見られたり、欠陥が存在すると３００〜４００ｎｍ当たりに室温でブロードな発光が見られたり、バンドＡと呼ばれるブロードな発光が４２０ｎｍ当たりに存在する。また、窒素や欠陥起因によるＨ３センター、ＮＶセンター、ＧＲセンターなど５００ｎｍから７５０ｎｍにかけてあらゆる波長の発光が実現される。以上のように、２３０ｎｍから可視光にかけての発光波長を実現することができる。このような発光と幾何学的な加工形状を組み合わせることが可能である。
【００７４】
図４は、微細加工ダイヤモンド素子の別の実施形態を示す。本発明の微細加工ダイヤモンド素子は、柱状体の先端にダイヤモンドの孤立粒子が乗せられたような形状であってもよい。この場合は、孤立粒子と柱状体の先端との接合面積が小さいので、孤立粒子内部で発生したキャリア（電子・正孔）の閉じ込め効果が顕著になる。
【００７５】
上記実施形態では、柱状体の断面形状は、発光波長が共振するように設計されているが、それに代えてダイヤモンド中の電子又は正孔のドブロイ波長が共振するように設計してもよい。すなわち、下記の式（９）及び（１０）を満たすように設計される。この場合は、柱状体断面の幅又は直径を５０ｎｍ以下にする必要がある。
【００７６】
【数２２】

ｎ：任意の正の整数
ｍ：任意の正の整数
γ：ダイヤモンド中における電子又は正孔のドブロイ波長［ｎｍ］
ａ：長辺の長さ［ｎｍ］
ｋ：短辺の長さの長辺の長さに対する比
【００７７】
次に、微細加工トランジスタ素子製造方法の実施形態を説明する。まず、単結晶ダイヤモンド基板又は高配向ダイヤモンド膜若しくはヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜が形成されたダイヤモンド以外の材質の基板（Ｓｉなど）を用意する。
【００７８】
基板上にＡｌ、ＳｉＯ_２などのマスク材料の膜を形成し、フォトリソグラフィー技術でパターニングする。それをマスクとしてエッチングして、高アスペクト比のダイヤモンド突起を形成する。マスクのパターニングにより所望の突起の形状（四角形、正六角形、円形等）及び配列を得ることができる。
【００７９】
その後、水素を主原料とするガスのプラズマ中で突起を処理し、ダイヤモンド結晶を再構成することにより側面をダイヤモンド結晶面にすることができる。この場合、ダイヤモンドの面方位が変形する突起の形状に影響を与える。例えば、（１００）基板の場合は、側面及び端面に（１００）面が現れる四角柱となりやすい。（１１０）基板の場合は、側面に（１１０）面又は（１００）面が現れる四角柱又は六角柱となりやすい。（１１１）基板の場合は、側面に高指数面が表れる六角柱となりやすい。
【００８０】
突起が高配向ダイヤモンド膜から形成された場合は、プラズマ処理をしても角柱側面における面方位は揃わない。この場合は、プラズマ処理をせずにエッチングプロセスだけで突起の形状を成形することになる。
【００８１】
【実施例】
以下、実施例により、本発明の内容を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８２】
（実施例１）
まず、（１００）ダイヤモンド基板にＡｌ膜をスパッタリングや蒸着法で形成する。Ａｌ膜の厚さは５００Å〜２μｍ程度で、パターニングサイズや突起の高さに応じて決定する。Ａｌとダイヤモンドのエッチング比が１０以上であるので、５μｍ以下の高さの突起の場合は、０．５μｍの厚さのＡｌで十分であった。
【００８３】
形成されたＡｌ膜はフォトリソグラフィー技術によって微細パターンが形成された。パターンが微細である場合、Ａｌ膜の厚さが薄い方がエッチングしやすい。突起の端面パターンは四角でもよいが円形にした。かかるＡｌ膜をマスクとして、酸素中に１〜３％のＣＦ_４を添加したガス中でＲＩＥ技術によってエッチングした。プラズマガスが酸素のみであると一つの突起の先端部に多数本の針状部が形成されるが、ＣＦ_４が１〜３％添加されることにより針状部の本数は最適な一本になる。
【００８４】
エッチングがなされたダイヤモンド基板を表４に示される条件でプラズマ処理した。
【００８５】
【表４】

その結果、全ての場合において円形の突起は四角柱に整形された。条件によって処理時間の長短の違いはあったが、基本的にダイヤモンドが合成される条件であればメタン濃度を非常に下げ、水素過剰条件あるいは酸素添加条件にすることによって整形は可能であった。パワーが大きく、基板温度が高いほど処理時間は短くなり、整形は困難になった。また、ダイヤモンドが形成できずそれ以外のものができる条件では整形も不可能であった。表１に示す条件の中でも番号１、６及び９ないし１３の条件によると、四角柱の側面をきれいな平坦にすることができた。特に、圧力条件１０〜３０Ｔｏｒｒ、基板温度６５０〜８５０℃の範囲が良好であった。その中でも、圧力条件２５Ｔｏｒｒ、基板温度７５０℃の条件は制御性、形のきれいさの点で最も優れていた。
【００８６】
（実施例２）
（１００）ダイヤモンド基板上にフォトリソグラフィーにより等間隔に整列された円形Ａｌマスクを形成し、ＲＩＥを施した。その結果、整列した円柱状に近い針状突起が形成された。図９に、円形Ａｌマスクを用いて形成された突起を示す。針状のように見えるのは、Ａｌマスクが非常に小さかったこと、小さいマスクであるにも関わらず非常に深くエッチングすることができたことによる。円形Ａｌマスクが大きい場合は、見た目も円柱の突起ができる。
【００８７】
この針状突起に、Ｈ_２流用１００ｓｃｃｍ、圧力２５Ｔｏｒｒ、パワー１３００Ｗ、基板温度７５０℃、処理時間１０〜１５分の条件でプラズマ処理を施した。その結果、針状突起は四角柱に整形された。これは、基板の面方位が（１００）であったためである。特に細いもので一辺が５０ｎｍになった。図１０Ａに本実施例の四角柱を、図１０Ｂにその部分拡大図を示す。なお、図１０に示すように、四角柱の根元には裾が広がるようにダイヤモンドが堆積した。
【００８８】
図１１Ａに本実施例の四角柱の端面を、図１１Ｂにその部分拡大図を示す。図１１Ａに示すように、端面は正方形のものが多いが、長方形のものもある。これは円形Ａｌマスクのサイズ及び形状のばらつきによる。サイズ及び形状に関して円形Ａｌマスクのパターニング制御が精密であれば、全ての四角柱をほぼ同じ形と大きさに揃えることができる。
【００８９】
（実施例３）
反応室内に（１００）ダイヤモンド基板に近接して（５ｃｍ以内に）マスク材料となる金属を配置した上、このダイヤモンド基板にＲＩＥを施した。マスク材料の破片がダイヤモンド基板上に付着し、マイクロマスクとして機能した。その結果、ランダムに配列された針状突起が形成された。図１２に、マイクロマスクを用いて形成された突起を示す。本実施例の方法によって形成されるマイクロマスクのサイズは非常に小さいため、突起は実施例２の場合よりも細く、配列の細かいものになった。特に細いものは一辺が１０ｎｍ以下になった。
【００９０】
この針状突起に、実施例２と同じ条件でプラズマ処理を施した。その結果、針状突起は四角柱に整形された。これは、基板の面方位が（１００）であったためである。特に細いもので一辺が５０ｎｍになった。図１３Ａに本実施例の四角柱を、図１３Ｂにその部分拡大図を示す。図１４に本実施例の四角柱の端面を示す。
【００９１】
（実施例４）
（１１１）ダイヤモンド基板に、実施例２と同じエッチング及びプラズマ処理（ただし、処理時間は約３０分）を施した。その結果、六角柱が形成された。図１５に本実施例の六角柱を示す。図１６に本実施例の六角柱の端面を示す。図１６に示すように、正六角形からずれることもあるが正六角形にすることもできた。側面は低指数面ではないが、エッチングで形成される面よりもきれいな平坦面であった。
【００９２】
また、先端とそれを支えている部分との接合部の面積が小さく、孤立粒子が乗っているような突起も観察できた。図１７は、先端に孤立粒子のある形態における結晶構造を説明する図である。図１７に示すように、先端部だけ（１００）面が現れることによって孤立粒子となる。これを利用して、先端に孤立粒子のある形態を作製することができる。
【００９３】
（実施例５）
（１１０）ダイヤモンド基板に、実施例２と同じエッチング及びプラズマ処理（ただし、処理時間は約３０分）を施した。その結果、四角柱又は六角柱が形成された。図１８に本実施例の四角柱又は六角柱を示す。図１９に本実施例の四角柱又は六角柱の端面を示す。図１６に示すように、正六角形からずれることもあるが正六角形にすることもできた。Ａｌのサイズや形状を一定に制御することによって正六角形の均一な形状でも可能である。側面は２つの面は（１００）面である。残りの面は（１００）面又はその他の必ずしも低指数面ではない結晶面が現れたが、エッチングで形成される面よりもきれいな平坦面であった。
【００９４】
また、先端とそれを支えている部分との接合部の面積が小さく、孤立粒子が乗っているような突起も観察できた。図２０は、先端に孤立粒子のある形態における結晶構造を説明する図である。図２０に示すように、先端部だけ（１００）面が現れることによって孤立粒子となる。これを利用して、先端に孤立粒子のある形態を作製することができる。
【００９５】
（実施例６）
実施例２と同様のエッチングプロセスにより、円柱状の柱状体を備える微細加工ダイヤモンド素子を形成した。試料１として、発光ピーク波長が５００ｎｍとなるようにホウ素、窒素などの含有量が調整されたダイヤモンド基板が用いられた。また、試料２として、発光ピーク波長が４００ｎｍとなるようにホウ素、窒素などの含有量が調整されたダイヤモンド基板が用いられた。
【００９６】
（実験結果１）
試料１の微細加工ダイヤモンド素子のカソードルミネッセンス（波長５００ｎｍの分光成分）を観察したところ、基板も強い光度を示したが、柱状体の光度は更に強かった。
【００９７】
（実験結果２）
試料１の微細加工ダイヤモンド素子のカソードルミネッセンス（波長４００ｎｍの分光成分）を観察したところ、基板も柱状体も光らなかった。
【００９８】
（実験結果３）
試料２の微細加工ダイヤモンド素子のカソードルミネッセンス（波長５００ｎｍの分光成分）を観察したところ、基板は暗いが、柱状体の光度は強かった。
【００９９】
（実験結果４）
試料２の微細加工ダイヤモンド素子のカソードルミネッセンス（波長４００ｎｍの分光成分）を観察したところ、基板の光度は強かったが、逆に柱状体は暗かった。
【０１００】
以上の実験結果から、本実施形態の柱状体は、波長５００ｎｍの光を効率的に発光させるが、波長４００ｎｍの光を減衰させてしまうことがわかる。これにより、素材となるダイヤモンドの発光ピーク波長の光が共振するように柱状体の形状を調整することによって、言い換えれば柱状体の共振波長と発光ピーク波長が一致するようにダイヤモンドを調整することによって発光効率が向上するという本発明の原理が実証される。
【０１０１】
また、実験結果１及び３の結果から、柱状体の共振波長と発光ピーク波長が一致するときには、キャリア（電子・正孔）の閉じ込め効果により柱状体における発光効率が向上することがわかる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、発光効率を向上させる形状の微細加工ダイヤモンド素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイヤモンド素子１を簡略化した模式図である。
【図２】ダイヤモンド素子２を簡略化した模式図である。
【図３】ダイヤモンド素子３を簡略化した模式図である。
【図４】微細加工ダイヤモンド素子の別の実施形態を示す。
【図５】四角柱１２の端面１２ｆの形状を示す。
【図６】六角柱２２の端面２２ｆの形状を示す。
【図７】円柱３２の端面３２ｆの形状を示す。
【図８】ダイヤモンド素子１を適用したトランジスタ８の縦断面図である。
【図９】円形Ａｌマスクを用いて形成された突起を示す。
【図１０】図１０Ａは実施例２の四角柱を、図１０Ｂはその部分拡大図を示す。
【図１１】図１１Ａは実施例２の四角柱の端面を、図１１Ｂはその部分拡大図を示す。
【図１２】マイクロマスクを用いて形成された突起を示す。
【図１３】図１３Ａは実施例３の四角柱を、図１３Ｂはその部分拡大図を示す。
【図１４】実施例３の四角柱の端面を示す。
【図１５】実施例４の六角柱を示す。
【図１６】実施例４の六角柱の端面を示す。
【図１７】先端に孤立粒子のある形態における結晶構造を説明する図である。
【図１８】実施例５の四角柱又は六角柱を示す。
【図１９】実施例５の四角柱又は六角柱の端面を示す。
【図２０】先端に孤立粒子のある形態における結晶構造を説明する図である。
【符号の説明】
１、２、３…ダイヤモンド素子、１１、２１、３１…基板、１２…四角柱、２２…六角柱、３２…円柱、１２ｆ、２２ｆ、３２ｆ…端面、１３、２３…ＳｉＯ_２薄膜、８…トランジスタ、８２…電極金属膜、８４…ゲート金属膜、８６…絶縁膜。

Claims

基板上に、ダイヤモンドを含んで成る断面四角形の柱状体が少なくとも一つ形成されており、
前記柱状体の断面における長辺及び短辺の長さが下記式（１）及び（２）；

Ｃ_１：前記柱状体の内部で発生した光が前記柱状体の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
λ：前記ダイヤモンドの発光ピーク波長［ｎｍ］
ａ：前記長辺の長さ［ｎｍ］
ｋ：前記短辺の長さの前記長辺の長さに対する比
で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする微細加工ダイヤモンド素子。
基板上に、ダイヤモンドを含んで成る断面略正六角形の柱状体が少なくとも一つ形成されており、
前記柱状体の断面における辺の長さが下記式（３）及び（４）；

Ｃ_２：前記柱状体の内部で発生した光が前記柱状体の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの一周の距離［ｎｍ］
ｎ：任意の正の整数
λ：前記ダイヤモンドの発光ピーク波長［ｎｍ］
ｂ：前記辺の長さ［ｎｍ］
で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする微細加工ダイヤモンド素子。
基板上に、ダイヤモンドを含んで成る断面円状の柱状体が少なくとも一つ形成されており、
前記柱状体の断面における半径の長さがｒ［ｎｍ］であり、
前記柱状体の内部で発生した光が前記柱状体の側面で反射しつつ同一周回路を周回するときの周回路が、中心から角までの距離がｒ［ｎｍ］である正多角形として表され、
前記正多角形の外周の長さＣ_３［ｎｍ］が下記式（５）及び（６）；

ｎ：任意の正の整数
λ：前記ダイヤモンドの発光ピーク波長［ｎｍ］
ｒ：前記半径［ｎｍ］
で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の側面がダイヤモンド結晶面から成る平坦面を含んで構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記ダイヤモンド結晶面が（１００）面である
ことを特徴とする請求項４記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の幅ｗ_１が下記式（７）；

で表され、
前記幅ｗ_１が５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の幅ｗ_２が下記式（８）；

で表され、
前記幅ｗ_２が５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の直径が５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項３記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の幅ｗ_１が下記式（７）；

で表され、
前記柱状体の高さの前記幅ｗ_１に対する比が２以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の幅ｗ_２が下記式（８）；

で表され、
前記柱状体の高さの前記幅ｗ_２に対する比が２以上である
ことを特徴とする請求項２に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の高さの前記柱状体の直径に対する比が２以上である
ことを特徴とする請求項３に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体における断面面積の柱状体全面積に対する比が１／１０以下である
ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体が等間隔に配列されている
ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
前記柱状体の側面の一部に、前記ダイヤモンドよりも屈折率の低い光透過膜が形成された
ことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の微細加工ダイヤモンド素子。
反応室中にダイヤモンド基板に近接して金属を設置した上、前記反応室中で前記ダイヤモンド基板に対してリアクティブイオンエッチングを行うエッチングステップを含む
ことを特徴とする微細加工ダイヤモンド素子作製方法。
前記エッチングステップにおいて、前記反応室中に、反応ガスとしてＣＦ_４の流量比が３％以下であるＣＦ_４／Ｏ_２ガスが導入される
ことを特徴とする請求項１５記載の微細加工ダイヤモンド素子作製方法。
直径５００ｎｍ以下の整列された微細Ａｌドットをダイヤモンド基板にパターニングし、
ＣＦ_４の流量比が３％以下であるＣＦ_４／Ｏ_２ガスが導入された反応室中で前記ダイヤモンド基板をリアクティブイオンエッチングする
ことを特徴とする微細加工ダイヤモンド素子作製方法。
前記エッチングステップにより微細突起が形成された前記ダイヤモンド基板を、主として水素から成るガスのプラズマに曝すダイヤモンド結晶面形成ステップを更に含む
ことを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載の微細加工ダイヤモンド素子作製方法。
基板上に、ダイヤモンドを含んで成ると共に最大外径が５０ｎｍ以下である断面四角形の柱状体が少なくとも一つ形成されており、
前記柱状体の断面における長辺及び短辺の長さが下記式（９）及び（１０）；

ｎ：任意の正の整数
ｍ：任意の正の整数
γ：前記ダイヤモンド中における電子又は正孔のドブロイ波長［ｎｍ］
ａ：前記長辺の長さ［ｎｍ］
ｋ：前記短辺の長さの前記長辺の長さに対する比
で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする微細加工ダイヤモンド素子。