JP2006261506A - ダイヤモンド発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光効率が高く、高い紫外線の発光輝度が得られるダイヤモンド発光素子を提供する。
【解決手段】 低抵抗ダイヤモンド層１の一方の面上に、低抵抗ダイヤモンド層１よりも抵抗値が高い高抵抗ダイヤモンド層２を形成し、この低抵抗ダイヤモンド層１及び高抵抗ダイヤモンド層２によりキャリア発生層を構成する。また、高抵抗ダイヤモンド層２上には、発光層となるｐ型半導体ダイヤモンド層３を選択的に形成する。更に、低抵抗ダイヤモンド層１の一方の面上に電極５を形成し、低抵抗ダイヤモンド層１の他方の面上に、電極５と共にキャリア発生層に電界を印加する電極４を形成する。更にまた、ｐ型半導体ダイヤモンド層３上に、電極５と共に発光層に電界を印加する電極６を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光材料にダイヤモンドを使用したダイヤモンド発光素子に関する。

従来、発光材料にダイヤモンドを使用したダイヤモンド発光素子が提案されている（例えば、特許文献１乃至３及び非特許文献１参照）。従来のダイヤモンド発光素子としては、発光層である半導体ダイヤモンド層と金属電極とが直接接触しているＭＳ（Metal/Semiconductor）型の発光素子がある。このＭＳ型発光素子は、例えば、基板の一方の面上にｐ型半導体ダイヤモンド層が形成されており、このｐ型半導体ダイヤモンド層上及び基板の他方の面上に夫々金属電極が形成されている。

また、特許文献１及び２並びに非特許文献１には、発光層である半導体ダイヤモンド層と金属電極との間に絶縁層が形成されたＭＩＳ（Metal/Insulator/Semiconductor）型のダイヤモンド発光素子が開示されている。図４は特許文献１に記載の発光素子の構造を示す断面図であり、図５は特許文献２に記載の発光素子の構造を示す断面図である。図４に示すように、特許文献１に記載のダイヤモンド発光素子１００は、金属電極１０１上に導電性基板１０２が配置されており、これらはオーミック接合されている。また、導電性基板１０２上には、発光層であるホウ素（Ｂ）ドープダイヤモンド層１０３と、絶縁層であるアンドープダイヤモンド層１０４がこの順に積層されており、アンドープダイヤモンド層１０４上には金属電極１０５が形成されている。そして、金属電極１０１及び金属電極１０５には外部電源１０６が接続され、これらの間に電圧が印加される。

更に、図５に示すように、特許文献２に記載の発光素子１１０は、発光層であるＢドープダイヤモンド層１１１の一方の面上に絶縁層であるアンドープダイヤモンド層１１２が形成されており、このアンドープダイヤモンド層１１２上及びＢドープダイヤモンド層１１１の他方の面上に、夫々金属電極１１４及び金属電極１１３が形成されている。このようなＭＩＳ型及び前述のＭＳ型のダイヤモンド発光素子は、外部電源等により２つの金属電極間に電圧を印加して、順方向に電流を流すことによって発光する。

更にまた、従来、アンドープダイヤモンド等からなり発光層となる真性半導体層の表面に、Ｂドープダイヤモンド等からなる２つのｐ型半導体層が形成され、この２つのｐ型半導体層に夫々接触するように２つの金属電極が形成されたｐｉｐ（p-type-Semiconductor/intrinsic-Semiconductor/p-type-Semiconductor）型のダイヤモンド発光素子が提案されている。一方、アンドープダイヤモンド等からなり発光層となる真性半導体層の表面に、Ｂドープダイヤモンド等からなるｐ型半導体層が１つだけ形成され、２つの金属電極のうち一方がｐ型半導体層に接触するように形成され、他方が真性半導体層上に直接形成されたＭｉｐ（Metal/intrinsic-Semiconductor/p-type-Semiconductor）型のダイヤモンド発光素子も提案されている。

これらｐｉｐ型発光素子及びＭｉｐ型発光素子においては、ｐ型半導体層から真性半導体層へ高エネルギーの正孔が注入され、真性半導体層において電子と正孔とが再結合して電子−正孔対が生じる。このとき、真性半導体層の発光領域から青、緑及びオレンジ色の発光が生じる。また、真性半導体層として、例えばカソードルミネッセンス・スペクトルにおいて励起子の再結合発光が観察されるような結晶品質が優れたダイヤモンド層を使用すると、電子が金属電極からｐ型半導体層へ注入されるため、従来よりも短波長の３００ｎｍ以下に発光強度のピークをもつ発光スペクトルが得られる。

このようなｐｉｐ型ダイヤモンド発光素子における発光機構は、以下のように考えられている。Ｂドープダイヤモンド層からアンドープダイヤモンド層中にダイヤモンドバンドギャップ（約５．５ｅＶ）以上の高エネルギーをもった正孔が注入されると、アンドープダイヤモンド層において、印加された電界により正孔が加速される。この加速された正孔は、ダイヤモンドの構成元素である炭素原子と衝突して価電子帯から伝導体に励起し、これにより、アンドープダイヤモンド層中に電子−正孔対が生じる。そして、この電子−正孔対が再結合してエネルギーを失う際に発光が生じる。

また、ｐｉｐ型発光素子におけるｐ型半導体層は、電力損失なしに真性半導体層に正孔を注入することができるという特徴があり、ｐｉｐ型発光素子の発光強度を増加させるためには、高エネルギーの正孔を高密度に真性半導体層に注入すればよい。そこで、特許文献３に記載のダイヤモンド発光素子においては、真性半導体層における発光領域上に絶縁膜を介して電極を形成し、この電極に電圧を印加することにより発光領域を流れる電流量を増加させている。

図６は特許文献３に記載の発光素子の構造を示す断面図である。図６に示すように、特許文献３に記載の発光素子１２０は、発光層であるアンドープダイヤモンド層１２１の表面に、ｐ型半導体層としてＢが高濃度にドープされた高濃度Ｂドープダイヤモンド層１２２及び１２３が形成されており、適長間隔をあけて形成されている。また、アンドープダイヤモンド層１２１上には、高濃度Ｂドープダイヤモンド層１２２及び１２３に接触するように、夫々金属電極１２４及び１２５が形成されている。そして、アンドープダイヤモンド層１２１における高濃度Ｂドープダイヤモンド層１２２及び１２３間の領域上には、酸化シリコン等からなる絶縁層１２７を介して金属電極１２８が形成されている。即ち、発光領域１２６上に絶縁膜１２７を介して金属電極１２８が形成されている。この発光素子１２０においては、金属電極１２８に印加する電圧を変えることにより、発光領域１２６に流れる電流量が変化し、これにより、発光輝度を調節することができる。

特開平７−２８３４３４号公報 特開平７−３０７４８７号公報 特開平８−２５５９２４号公報 横田 嘉宏、外３名，「ダイヤモンド紫外線ＬＥＤ」，ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ，２０００年１月２５日，第１６巻，第１号，ｐ．２０−２１

しかしながら、前述の従来のダイヤモンド発光素子は、紫外線発光の輝度が十分ではなく、紫外線発光素子としては実用に適さないという問題点がある。例えば、ｐｉｐ型発光素子の場合、紫外線発光はｐ型半導体層に電子が到達し、正孔と再結合することにより生じるが、この電子−正孔対はｐ型半導体層から空間的に遠く離れた部分で生じる。正孔と電子は正負が逆であるため、この電子及び正孔は、印加された電界によって元来た方向に戻り、再びｐ型半導体層に注入され、再結合して発光する。このとき、紫外線発光が観察されるためには、電子が高速で真性半導体層を通過しなければならないが、実際は、発生した直後の電子の運動エネルギーは、極めて小さく、また真性半導体層には多数の正孔が存在し、この正孔と電子が容易に再結合するため、発生した電子の大部分はｐ型半導体層には到達しない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、発光効率が高く、更に、高い紫外線の発光輝度が得られるダイヤモンド発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係るダイヤモンド発光素子は、ダイヤモンドからなり電子−正孔対が発生するキャリア発生層と、ダイヤモンドからなり前記キャリア発生層から電子が注入され発光する発光層と、前記キャリア発生層及び前記発光層に方向が相互に異なる電界を印加する手段と、を有することを特徴とする。

本発明においては、キャリア発生層と発光層とを異なる層により形成し、更に、これらの層に方向が相互に異なる電界を印加するため、発光せずに再結合する電子が減少し、発光効率が増加すると共に、高い紫外線発光輝度が得られる。

前記キャリア発生層は、低抵抗ダイヤモンド層と、この低抵抗ダイヤモンド層の一方の面上に形成され前記低抵抗ダイヤモンド層よりも抵抗値が高い高抵抗ダイヤモンド層と、を有し、前記発光層は、前記高抵抗ダイヤモンド層上に選択的に形成されていてもよい。これにより、発光層に注入された電子が、高抵抗ダイヤモンド層中の正孔と再結合することを防止することができ、従来のＭＩＳ型ダイヤモンド発光素子に比べて、発光効率及び紫外線の発光輝度が高いＭＩＳ型ダイヤモンド発光素子が得られる。

その場合、前記電界印加手段は、前記低抵抗ダイヤモンド層の他方の面上に形成された第１の電極と、前記高抵抗ダイヤモンド層の前記発光層が形成されていない領域上に形成された第２の電極と、前記発光層上に形成された第３の電極とを有し、例えば、前記第１及び第２の電極により前記キャリア発生層に電界を印加し、前記第２及び第３の電極により前記発光層に電界を印加する。

前記低抵抗ダイヤモンド層及び／又は前記発光層は、Ｂがドーピングされたｐ型半導体ダイヤモンド層でもよく、その場合、前記ｐ型半導体ダイヤモンド層は、Ｂドーピング濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

また、前記高抵抗ダイヤモンド層は、真性ダイヤモンドにより形成することができ、前記高抵抗ダイヤモンド層の残留不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。

又は、前記キャリア層は、真性ダイヤモンド層と、前記真性ダイヤモンド層上に選択的に形成された第１及び第２のｐ型半導体ダイヤモンド層と、を有し、前記発光層は、前記真性ダイヤモンド層上における前記第１のｐ型半導体ダイヤモンド層及び前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層間の領域以外の領域に形成されていてもよい。これにより、発光層に注入された電子が、高抵抗ダイヤモンド層中の正孔と再結合することを防止することができるため、従来のｐｉｐ型ダイヤモンド発光素子に比べて、発光効率及び紫外線の発光輝度が高いｐｉｐ型ダイヤモンド発光素子が得られる。

その場合、前記電界印加手段は、前記第１のｐ型半導体ダイヤモンド層上に形成された第１の電極と、前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層上に形成された第２の電極と、前記発光層上に形成された第３の電極とを有し、例えば、前記第１及び第２の電極により前記キャリア発生層に電界を印加し、前記第２及び第３の電極により前記発光層に電界を印加する。

前記発光層は、前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層側に形成することができる。また、前記発光層は、前記第１のｐ型半導体ダイヤモンド層及び前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層間の領域の両側に形成されていてもよい。

更に、前記第１及び第２のｐ型半導体ダイヤモンド層は、例えば、Ｂドーピング濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上である。更にまた、前記真性ダイヤモンド層の残留不純物濃度は、例えば、１×１０^１７ｃｍ^−３以下である。

これらのダイヤモンド発光素子においては、前記キャリア発生層に、前記発光層よりも大きな電界を印加することもできる。これにより、キャリア発生量が増加し、発光効率をより向上させることができる。

本発明によれば、キャリア発生層とは別に発光層を設け、このキャリア発生層及び発光層に方向が相互に異なる電界を印加するため、発光に寄与する電子の数が増加し、発光効率が向上すると共に、高い紫外線発光輝度が得られる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る発光素子について説明する。図１は本実施形態の発光素子を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の発光素子１０は、抵抗値が例えば１Ω・ｃｍ以下である低抵抗ダイヤモンド層１の一方の面上に、低抵抗ダイヤモンド層１よりも抵抗値が高く、例えば１００Ω・ｃｍ以上である高抵抗ダイヤモンド層２が形成されており、この低抵抗ダイヤモンド層１及び高抵抗ダイヤモンド層２がキャリア発生層となる。また、高抵抗ダイヤモンド層２上には、発光層となるｐ型半導体ダイヤモンド層３が例えば円環状に形成されている。更に、低抵抗ダイヤモンド層１の他方の面上には電極４が形成され、低抵抗ダイヤモンド層１の一方の面におけるｐ型半導体ダイヤモンド層３に囲まれた領域上には電極５が形成され、ｐ型半導体ダイヤモンド層３上には例えば円環状に電極６が形成されている。

この発光素子１０における低抵抗ダイヤモンド層１は、例えばＢがドーピングされたｐ型半導体ダイヤモンドにより形成することができ、その場合、低抵抗ダイヤモンド層１中のＢドーピング濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上であることが望ましい。また、高抵抗ダイヤモンド層２は、例えばアンドープダイヤモンド又は極微量のＢがドーピングされたダイヤモンドにより形成することができ、その場合、高抵抗ダイヤモンド層２における残留不純物濃度は1×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが望ましい。これら低抵抗ダイヤモンド層１、高抵抗ダイヤモンド層２及びｐ型半導体ダイヤモンド層３は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により形成することができる。更に、電極４乃至６は、金属及び低抵抗シリコン等の導電材料により形成することができ、電極４乃至６は、夫々、低抵抗ダイヤモンド層１、高抵抗ダイヤモンド層２及びｐ型半導体ダイヤモンド層３とオーミック接合している。

次に、本実施形態の発光素子１０の動作について説明する。本実施形態の発光素子１０は、電極５をアースに接続すると共に、電極４及び電極６に正の電位を印加する。このとき、電極４及び電極５間に生じる電界が、電極５及び電極６間に生じる電界よりも大きくなるようにする。これにより、電極４と電極５との間に印加された電圧によって、低抵抗ダイヤモンド層１から高抵抗ダイヤモンド層２に、正孔による空間電荷制限電流が流れ、大電流が得られる。そして、高抵抗ダイヤモンド層１に注入された正孔は、電極４と電極５との間に生じた電界により加速され、電極５の近傍において電子−正孔対を形成する。その後、この電子−正孔対における正孔は電極５に注入され、一方、電子の一部は、電極５と電極６との間に生じた電界によって、ｐ型半導体ダイヤモンド層３に注入される。これにより、ｐ型半導体ダイヤモンド層３において、電子−正孔の再結合が生じ、発光する。このように、本実施形態の発光素子１０においては、低抵抗ダイヤモンド層１及び高抵抗ダイヤモンド層２において電子−正孔対が形成され、ｐ型半導体ダイヤモンド層３において発光が生じる。

本実施形態の発光素子１０においては、ＭＩＳ型ダイヤモンド発光素子において、キャリア発生層（低抵抗ダイヤモンド層１及び高抵抗ダイヤモンド層２）と、発光層（ｐ型半導体ダイヤモンド層３）とを異なる層により構成すると共に、発光層にキャリア発生層とは異なる方向に電界を印加する電極を設けているため、発光層であるｐ型ダイヤモンド層３に注入された電子が、高抵抗ダイヤモンド層２中に存在する正孔と再結合することを防止することができる。その結果、従来のＭＩＳ型ダイヤモンド発光素子に比べて、発光に寄与する電子の数を増加させることができるため、発光効率が向上すると共に、高い紫外線の発光輝度が得られる。なお、前述の特許文献３に記載の発光素子には、発光領域上に絶縁膜を介して金属電極が形成されているが、この金属電極は、注入された正孔の密度を調整して、電子−正孔対の数を変化させるものであり、本実施形態の発光素子１０のように、発生した電子−正孔対から効率よく電子を取り出すことはできない。

また、本実施形態の発光素子１０において、電極４と電極５との間に印加する電圧は、直流電圧の他、パルス電圧でもよい。特に、電極４と電極５との間に印加する電圧をパルス電圧又はパルス電圧と直流電圧との重畳とし、高周波数で駆動させると、電極４と電極５との間に形成され、電子を引き寄せ、発光効率を向上させるための電界を、極めて短い時間に限定することができるため、発生したキャリアが電極４に戻ることを防止でき、より発光効率を向上させることができる。従って、本実施形態の発光素子１０は、その利用価値及び技術的価値が極めて高い。

更に、本実施形態の発光素子１０においては、発光層であるｐ型半導体ダイヤモンド層３及び電極６を円環状に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ｐ型半導体層３は、高抵抗ダイヤモンド層２上に選択的に形成されていればよく、また、電極６は、ｐ型半導体ダイヤモンド層３に接触するように形成されていればよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る発光素子について説明する。図２は本実施形態の発光素子を示す平面図であり、図３は図２に示すＡ−Ａ線による断面図である。図２及び図３に示すように、本実施形態の発光素子２０は、真性ダイヤモンド層１１上に、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２及び１３が適長間隔をあけて形成されており、この真性ダイヤモンド層１１並びにｐ型半導体ダイヤモンド層１２及び１３がキャリア発生層となる。また、真性ダイヤモンド層１１上には、ｐ型半導体ダイヤモンド層１３の近傍で、且つｐ型半導体ダイヤモンド層１２及びｐ型半導体ダイヤモンド層１３間の領域以外の領域に、発光層となるｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂが形成されている。このｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂは、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２及びｐ型半導体ダイヤモンド層１３間の領域を挟むように形成されている。更に、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２及び１３上には、夫々電極１５及び１６が形成されており、ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂ上には、夫々電極１７ａ及び１７ｂが形成されている。

この発光素子２０における真性ダイヤモンド層１１は、例えばアンドープダイヤモンド又は極微量のＢがドーピングされたダイヤモンドにより形成することができ、その場合、高抵抗ダイヤモンド層２における残留不純物濃度は1×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが望ましい。また、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２、１３、１４ａ及び１４ｂは、例えばＢがドーピングされたダイヤモンドにより形成することができ、その場合、これらのｐ型半導体ダイヤモンド層におけるＢドーピング濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上であることが望ましい。特に、発光層であるｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂにおけるＢドーピング濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上であることがより望ましい。更に、各ダイヤモンド層は、ＣＶＤ法等により形成することができる。更にまた、各電極は、金属及び低抵抗シリコン等の導電材料により形成することができ、電極１５及び１６は、夫々、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２及び１３とオーミック接合しており、電極１７ａ及び１７ｂは、夫々、ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂとオーミック接合している。

次に、本実施形態の発光素子２０の動作について説明する。本実施形態の発光素子２０は、電極１６をアースに接続すると共に、電極１５並びに電極１７ａ及び１７ｂに正の電位を印加する。このとき、電極１５と電極１６との間に生じる電界が、電極１６と電極１７ａ及び１７ｂとの間に生じる電界よりも大きくなるようにする。これにより、電極１５と電極１６との間に生じた電界によって、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２から高抵抗ダイヤモンド層１１に、正孔による空間電荷制限電流が流れ、大電流が得られる。そして、高抵抗ダイヤモンド層１１に注入された正孔は、電極１５と電極１６との間に生じた電界により加速され、電極１６の近傍において電子−正孔対を形成する。その後、この電子−正孔対における正孔はｐ型半導体ダイヤモンド層１３を介して電極１６に注入され、一方、電子の一部は、電極１６と電極１７ａ及び１７ｂとの間に生じた電界によって、ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂに注入される。これにより、ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂにおいて、電子−正孔の再結合が生じ、発光する。このように、本実施形態の発光素子２０においては、高抵抗ダイヤモンド層１１において電子−正孔対が形成され、ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂにおいて発光が生じる。

本実施形態の発光素子２０においては、ｐｉｐ型ダイヤモンド発光素子において、キャリア発生層（高抵抗ダイヤモンド層１１、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２及び１３）と、発光層（ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂ）とを異なる層により構成すると共に、発光層にキャリア発生層とは異なる方向に電界を印加する電極を設けているため、発光層であるｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂに注入された電子が、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２とｐ型半導体ダイヤモンド層１３との間に存在する抵抗によって正孔と再結合することを防止することができる。その結果、従来のｐｉｐ型ダイヤモンド発光素子に比べて、発光に寄与する電子の数を増加させることができるため、発光効率が向上すると共に、高い紫外線の発光輝度が得られる。従って、本実施形態の発光素子２０は、その利用価値及び技術的価値が極めて高い。

なお、本実施形態の発光素子２０においては、前述の第１の実施形態の発光素子１０と同様に、電極１５と電極１６との間に印加する電圧は、直流電圧の他、パルス電圧でもよく、この電極１５と電極１６との間に印加する電圧をパルス電圧又はパルス電圧と直流電圧との重畳とし、高周波数で駆動させることにより、電極１５と電極１６との間に生じる電界を、極めて短い時間に限定することができるため、発生したキャリアが電極１５に戻ることを防止できる。その結果、より発光効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本発明の実施例１として、図１に示す構造の発光素子を作製した。具体的には、ダイヤモンドの核発生密度を増加させるために、表面を１時間研磨した単結晶ｐ型低抵抗シリコン基板（比抵抗０．０１Ω・ｃｍ）上に、プラズマＣＶＤ法により、低抵抗ダイヤモンド層１として、厚さが２μｍのＢドープダイヤモンド層を形成した。その際、原料ガスには、０．５体積％のメタン（ＣＨ_４）と９９．５体積％の水素（Ｈ_２）との混合ガスに、ドーピングガスとしてジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を添加したものを使用した。なお、原料ガス中の炭素（Ｃ）に対するホウ素（Ｂ）の原子数比（以下、Ｂ／Ｃという）は、２ｐｐｍとした。また、基板温度は８００℃、ガス圧は６．６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、合成時間は１２時間とした。引き続き、プラズマＣＶＤ法により、Ｂドープダイヤモンド層上に、高抵抗ダイヤモンド層２として厚さが０．５μｍのアンドープダイヤモンド層を形成した。その際の合成条件は、原料ガスにジボランを添加しない以外は、Ｂドープダイヤモンド層と同様にし、合成時間は２時間とした。

次に、アンドープダイヤモンド層の表面にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより、ｐ型半導体ダイヤモンド層３形成予定領域以外の部分のフォトレジストを除去した。そして、フォトレジストマスクが形成されたアンドープダイヤモンド層上に、マグネトロンスパッタ法によりＳｉＯ_２膜を形成した後、フォトレジストを溶解除去することにより、ｐ型半導体ダイヤモンド層３形成予定領域以外の部分にＳｉＯ_２マスクを形成した。次に、前述の低抵抗ダイヤモンド層１と同様の方法及び条件で２時間ダイヤモンドを合成した後、フッ酸によりＳｉＯ_２マスクを除去してｐ型半導体ダイヤモンド層３としてＢドープダイヤモンド層を形成した。

次に、表面に付着したダイヤモンド以外の炭素成分を除去するために、重クロム酸による洗浄を行い、その後王水でリンスした。更に、純水で洗浄後、フォトリドグラフィーにより電極をパターニングし、マグネトロンスパッタリング法により白金を蒸着した後、リフトオフして白金からなる電極４乃至６を形成した。なお、電極５とｐ型半導体ダイヤモンド層３との間隔は、５μｍとした。その後、シリコン基板をチップ状に切断することにより分離された素子を、ハーメチックシール上に固定し、各電極に金線をワイヤボンディングすることにより、実施例１の発光素子を得た。

次に、本発明の実施例２として、図２及び図３に示す発光素子を作製した。具体的には、表面を１時間研磨した単結晶ｐ型低抵抗シリコン基板（比抵抗０．０１Ω・ｃｍ）上に、プラズマＣＶＤ法により、真性ダイヤモンド層１１として厚さが２μｍのアンドープダイヤモンド層を形成した。その際、原料ガスには、０．５体積％のＣＨ_４と９９．５体積％のＨ_２との混合ガスを使用した。また、基板温度は８００℃、ガス圧は６．６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）合成時間は１２時間とした。その後、このアンドープダイヤモンド層上に、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２、１３、１４ａ及び１４ｂとして、選択的に厚さが０．１μｍのＢドープダイヤモンド層を形成した。その際の合成条件は、原料ガスには、０．５体積％のＣＨ_４と９９．５体積％のＨ_２との混合ガスに、ドーピングガスとしてジボランＢ_２Ｈ_６を添加したものを使用した。なお、原料ガス中のＢ／Ｃは、１０００ｐｐｍとした。また、基板温度は８００℃、ガス圧は６．６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、合成時間は２時間とした。なお、ｐ型半導体ダイヤモンド層１２とｐ型半導体ダイヤモンド層１３との間隔は５μｍとし、ｐ型半導体ダイヤモンド層１３とｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂとの間隔は１μｍとした。

次に、表面に付着したダイヤモンド以外の炭素成分を除去するために、重クロム酸による洗浄を行い、その後王水でリンスした。更に、純水で洗浄後、フォトリドグラフィーにより電極をパターニングし、マグネトロンスパッタリング法により、厚さが５００Åのチタン膜を蒸着した後、厚さが１０００Åの金膜を蒸着し、電極１５、１６、１７ａ及び１７ｂを形成した。その後、シリコン基板をチップ状に切断することにより分離された素子を、ハーメチックシール上に固定し、各電極に金線をワイヤボンディングすることにより、実施例２の発光素子を得た。

次に、本発明の比較例１として、ｐ型半導体ダイヤモンド層３及び電極６を形成せず、それ以外は、前述の実施例１と同様の構成の発光素子を作製した。また、本発明の比較例２として、ｐ型半導体ダイヤモンド層１４ａ及び１４ｂ並びに電極１７ａ及び１７ｂを形成せず、それ以外は、前述の実施例２と同様の構成の発光素子を作製した。

上述の実施例１及び２並びに比較例１及び２の発光素子の特性を評価した。先ず、実施例１の発光素子は、電極５をアースに接続すると共に、電極４と電極５との間に１５０Ｖの電圧を印加し、電極５と電極６との間に１００Ｖの電圧を印加した。また、実施例２の発光素子は、電極１６をアースに接続すると共に、電極１５と電極１６との間に１５０Ｖの電圧を印加し、電極１６と電極１７ａ及び１７ｂとの間に１５０Ｖの電圧を印加した。その結果、実施例１及び２の発光素子は、発光層から波長が２４８ｎｍの紫外線発光が生じた。また、実施例１及び実施例２の発光素子は、比較例１及び比較例２の発光素子に比べて、夫々２０倍及び１００倍の紫外線発光強度が得られた。

本発明の第１の実施形態の発光素子を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の発光素子を示す平面図である。 図２に示すＡ−Ａ線による断面図である。 特許文献１に記載の従来の発光素子を示す断面図である。 特許文献２に記載の従来の発光素子を示す断面図である。 特許文献３に記載の従来の発光素子を示す断面図である。

符号の説明

１；低抵抗ダイヤモンド層
２；高抵抗ダイヤモンド層
３、１２、１３、１４ａ、１４ｂ；ｐ型半導体ダイヤモンド層
４、５、６、１５、１６、１７ａ、１７ｂ、１０１、１０５、１１３、１１４、１２４、１２５、１２８；電極
１０、２０、１００、１１０、１２０；発光素子
１１；真性ダイヤモンド層
１０２；導電性基板
１０３、１１１；Ｂドープダイヤモンド層
１０４、１１２、１２１；アンドープダイヤモンド層
１０６；電源
１２２、１２３；高濃度Ｂドープダイヤモンド層
１２６；発光領域
１２７；絶縁層

Claims (15)

1. ダイヤモンドからなり電子−正孔対が発生するキャリア発生層と、ダイヤモンドからなり前記キャリア発生層から電子が注入され発光する発光層と、前記キャリア発生層及び前記発光層に方向が相互に異なる電界を印加する手段と、を有することを特徴とするダイヤモンド発光素子。
2. 前記キャリア発生層は、低抵抗ダイヤモンド層と、この低抵抗ダイヤモンド層の一方の面上に形成され前記低抵抗ダイヤモンド層よりも抵抗値が高い高抵抗ダイヤモンド層と、を有し、前記発光層は、前記高抵抗ダイヤモンド層上に選択的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド発光素子。
3. 前記電界印加手段は、前記低抵抗ダイヤモンド層の他方の面上に形成された第１の電極と、前記高抵抗ダイヤモンド層の前記発光層が形成されていない領域上に形成された第２の電極と、前記発光層上に形成された第３の電極とを有し、前記第１及び第２の電極により前記キャリア発生層に電界を印加し、前記第２及び第３の電極により前記発光層に電界を印加することを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド発光素子。
4. 前記低抵抗ダイヤモンド層は、Ｂがドーピングされたｐ型半導体ダイヤモンド層であることを特徴とする請求項２又は３に記載のダイヤモンド発光素子。
5. 前記発光層は、Ｂがドーピングされたｐ型半導体ダイヤモンド層であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
6. 前記ｐ型半導体ダイヤモンド層は、Ｂドーピング濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載のダイヤモンド発光素子。
7. 前記高抵抗ダイヤモンド層は、真性ダイヤモンドにより形成されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
8. 前記高抵抗ダイヤモンド層の残留不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
9. 前記キャリア層は、真性ダイヤモンド層と、前記真性ダイヤモンド層上に選択的に形成された第１及び第２のｐ型半導体ダイヤモンド層と、を有し、前記発光層は、前記真性ダイヤモンド層上における前記第１のｐ型半導体ダイヤモンド層及び前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層間の領域以外の領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド発光素子。
10. 前記電界印加手段は、前記第１のｐ型半導体ダイヤモンド層上に形成された第１の電極と、前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層上に形成された第２の電極と、前記発光層上に形成された第３の電極とを有し、前記第１及び第２の電極により前記キャリア発生層に電界を印加し、前記第２及び第３の電極により前記発光層に電界を印加することを特徴とする請求項９に記載のダイヤモンド発光素子。
11. 前記発光層は、前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層側に形成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のダイヤモンド発光素子。
12. 前記発光層は、前記第１のｐ型半導体ダイヤモンド層及び前記第２のｐ型半導体ダイヤモンド層間の領域の両側に形成されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
13. 前記第１及び第２のｐ型半導体ダイヤモンド層は、Ｂドーピング濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
14. 前記真性ダイヤモンド層の残留不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
15. 前記キャリア発生層には、前記発光層よりも大きな電界が印加されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。

Images