JP2798462B2 - ダイヤモンド半導体発光素子 - Google Patents

ダイヤモンド半導体発光素子

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    • C09K11/65Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing carbon
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ダイヤモンド半導体を用いて短波長(青
色から紫外領域)の光を発光させる新規な素子構造を有
する、ダイヤモンド半導体発光素子に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
周知のように、ダイヤモンドは、5.5eVの広いバンド
ギャップをもっており、短波長領域の固体発光材料とし
て期待されている。
気相合成法などの合成技術によりB(ホウ素)をドー
プしたp型ダイヤモンド半導体が得られるが、これを利
用して、短波長の光を発光させるダイヤモンド半導体発
光素子の研究開発が進められており、第4図に示すよう
な構造の素子が提案されている(応用物理学会、1989年
春期学会講演予稿集、第2分冊、p.481)。
同図において、51はダイヤモンド単結晶基板、52はこ
のダイヤモンド単結晶基板51上に気相合成によりBをド
ープして形成されたp型ダイヤモンド半導体層、53はp
型ダイヤモンド半導体層52に対しショットキー型接触を
示すW(タングステン)からなるショットキー電極、54
はp型ダイヤモンド半導体層52に対しオーミック接触を
示すTi(チタン)からなるオーミック電極である。
上記構成になるダイヤモンド半導体発光素子の発光機
構を第5図に基づいて説明する。第5図は上記第4図に
示すダイヤモンド半導体発光素子においてショットキー
電極53に正の電圧を印加した場合のエネルギーバンド図
であって、同図において、Vは印加電圧、EFはフェルミ
準位、ECはp型ダイヤモンド半導体層52の伝導帯下端の
エネルギー、EVはその価電子帯上端のエネルギー、白丸
は正孔、黒丸は電子を示す。両電極間にショットキー電
極53が正となるような電圧Vを印加すると、正孔がトン
ネル効果によりショットキー電極53からp型ダイヤモン
ド半導体層52へ移動し、この移動した正孔が欠陥準位で
電子と再結合して青白色の発光を生じる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら上記従来のダイヤモンド半導体発光素子
では、p型ダイヤモンド半導体層に対しショットキー型
接触を示すショットキー電極を設け、いわゆる金属電極
・半導体の整流性接触特性(ショットキー特性)を用い
たものであるから、このショットキー特性はp型ダイヤ
モンド半導体層中にドープされたB濃度や半導体層の表
面状態に強く依存するため、金属電極・半導体接合にお
いて所定のショットキー特性を示すショットキー電極を
形成するのは容易でない。また、発光波長は発光層であ
るp型ダイヤモンド半導体層への不純物のドーピング量
に強く依存するので、所定のショットキー特性を確保し
た上でドーピング量を変化させることがむずかしく、こ
のため、短波長域において異なる発光色が容易に得られ
難いという欠点がある。さらに、ショットキー電極側に
正の電圧を印加する逆方向バイアス状態で発光させる構
成であるため、発光する電圧範囲は絶縁破壊が起こる直
前の狭い範囲に限られており、発光強度を変えるための
電圧制御が容易でないという欠点もある。
この発明は、上記従来の欠点を解決した新規な素子構
造を有するダイヤモンド半導体発光素子の提供を目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
上記従来の欠点を解決するため、この発明によるダイ
ヤモンド半導体発光素子は、導電性基板上に順次ダイヤ
モンド半導体層とダイヤモンド絶縁体層とを備え、前記
ダイヤモンド絶縁体層上に非ショットキー性接触材料よ
りなる表電極を設け、更に前記導電性基板に対しオーム
性接触を有する裏電極を設けてなることを特徴とする。
また、前記ダイヤモンド半導体層がp型のものにおい
て、前記表電極は、多層構造を有し、前記ダイヤモンド
絶縁体層の直上の直上電極層がTiよりなるものである。
また、前記ダイヤモンド半導体層がp型のものにおい
て、前記表電極は、Au/Tiの2層構造よりなるものであ
る。
〔作 用〕
上記のように構成されるこの発明によるダイヤモンド
半導体発光素子の発光機構を以下に説明する。第2図は
ダイヤモンド半導体層がp型の場合の発光機構の説明図
である。
この場合、この発明によるダイヤモンド半導体発光素
子は、その模式構造図の第2図(a)に示すように、導
電性基板11上に、順次、p型ダイヤモンド半導体層12a
とダイヤモンド絶縁体層13とを積層し、ダイヤモンド絶
縁体層13上に、p型ダイヤモンド半導体層12aに対し例
えば非ショットキー性接触を示す材料よりなる表電極14
を設け、さらに、導電性基板11上に該基板11に対しオー
ミック接触を示す例えば金属からなる裏電極15を設けて
なるものである。
第2図(b)は順方向バイアス状態におけるエネルギ
ーバンド図である。第2図(b)では、ダイヤモンド絶
縁体層13、p型ダイヤモンド半導体層12aそれぞれにお
いて、伝導帯下端のエネルギーをEC1,EC2、価電子帯上
端のエネルギーをEV1,VV2として示す。また、フェルミ
準位をEF、正孔を白丸、電子を黒丸として示す。
第2図(b)において、両電極間14、15に表電極14が
負となるような電圧Vを印加すると、つまり表電極14側
からみてp型ダイヤモンド半導体層12aに正の電圧を印
加する順方向バイアス状態にすると、ダイヤモンド絶縁
体層13のエネルギーバンドはp型ダイヤモンド半導体層
12aとの界面方向へそのEC1,EV1が下降するように曲が
る。その結果、p型ダイヤモンド半導体層12a表面のエ
ネルギーバンドは図に示すように下向きに曲がり、界面
付近の伝導帯側にエネルギーバンドのくびれが形成され
る。このことにより、電子がトンネル効果により表電極
14からこのくびれへ移動して蓄積され、この電子がp型
ダイヤモンド半導体層12a中の格子欠陥による欠陥準位
などで正孔と再結合して発光を生じる。
次に、ダイヤモンド半導体層がn型の場合の発光機構
をその説明図の第3図に基づいて以下に説明する。この
場合、この発明によるダイヤモンド半導体発光素子は、
その模式構造図の第3図(a)に示すように、導電性基
板11上に、順次、n型のダイヤモンド半導体層12bとダ
イヤモンド絶縁体層13とを積層し、ダイヤモンド絶縁体
層13上に、n型ダイヤモンド半導体層12bに対し例えば
非ショットキー性接触を示す材料よりなる表電極14を設
け、さらに、導電性基板11上にオーミック接触を示す裏
電極15を設けてなる構造をしている。
第3図(b)は順方向バイアス状態におけるエネルギ
ーバンド図であって、同図では、ダイヤモンド絶縁体層
13、n型ダイヤモンド半導体層12bそれぞれにおいて、
伝導帯下端のエネルギーをEC1,EC2、価電子帯上端のエ
ネルギーをEV1,EV2として示す。また、フェルミ準位をE
F、正孔を白丸、電子を黒丸として示す。
第3図(b)において、両電極間14、15に表電極14が
正となるような電圧Vを印加すると、つまり順方向バイ
アス状態にすると、ダイヤモンド絶縁体層13のエネルギ
ーバンドはn型ダイヤモンド半導体層12bとの界面方向
へそのEC1,EV1が上昇するように曲がり、その結果、n
型ダイヤモンド半導体層12b表面のエネルギーバンドは
図に示すように上向きに曲がり、界面付近の価電子帯側
にエネルギーバンドのくびれが形成される。このことに
より、正孔がトンネル効果により表電極14からこのくび
れへ移動して蓄積され、この正孔がn型ダイヤモンド半
導体層12b中の格子欠陥による欠陥準位などで電子と再
結合して発光を生じる。
〔実施例〕
以下、実施例に基づいてこの発明を説明する。
第1図はこの発明の一実施例によるダイヤモンド半導
体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。同図に
示すように、低抵抗のSi基板(シリコンウエハ)1上
に、選択成長技術を用いて、所定の大きさの厚み10μm
のp型ダイヤモンド半導体層2aを気相合成した。p型ダ
イヤモンド半導体層2aの気相合成は、マイクロ波プラズ
マCVD法でメタン0.3vol%、ジボラン(B2H6)0.00005Vo
l%、残り水素(vol%)とする反応ガスを使用して行っ
た。
次いで、このBをドープしたp型ダイヤモンド半導体
層2a上に、メタン0.3vol%、水素99.7vol%とする反応
ガスを用いて厚み0.5μmのノンドープのダイヤモンド
絶縁体層3をマイクロ波プラズマCVD法により形成し
た。
さらに、ダイヤモンド絶縁体層3上には、微細加工技
術を用いて、ダイヤモンド絶縁体層3に対する密着性に
優れるとともに、p型ダイヤモンド半導体層2aに対し非
ショットキー性接触を示す材料であるTiを蒸着して直上
電極層を形成し、次いで該Tiの酸化を防止するためのAu
を蒸着して該Ti直上電極層上に積層してなるAu/Tiの2
層構造よりなる表電極4を形成した。また、図に示すよ
うに、Si基板1のp型ダイヤモンド半導体層2a側の面上
には、このSi基板1に対しオーミック接触を示すAuを蒸
着してなる裏電極5を形成した。
このようにして作製したダイヤモンド半導体発光素子
の両電極間4,5に表電極4側が負となるように350V程度
の電圧を印加すると、緑白色の発光が得られた。また、
印加電圧を上げることにより絶縁破壊を生じることなく
発光強度を容易に高め調整することができた。なお、ダ
イヤモンド絶縁体層3の厚みを変えることによっても印
加電圧と発光強度との関係を変化させることができる。
また、上記実施例では第1図に示すように低抵抗Si基
板1に対して同じ側になるように両電極4,5を配したい
わゆる横形の構造としたが、該基板1のp型ダイヤモン
ド半導体層2aとは反対側の面に裏電極5を形成したいわ
ゆる縦形の構造としてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明によるダイヤモンド半
導体発光素子は、表電極とダイヤモンド半導体層との間
にダイヤモンド絶縁体層を挟み、前記ダイヤモンド絶縁
体層が前記ダイヤモンド半導体層との界面付近にエネル
ギーバンドの「くびれ」を形成して前記表電極から注入
される少数キャリアを該絶縁体層の前記「くびれ」に蓄
積することで、発光を得る素子構造としたものであるか
ら、表電極はダイヤモンド半導体層に対しショットキー
接触を示すものである必要がなく、よって従来のものと
は違って、ダイヤモンド半導体層への不純物のドーピン
グ量を表電極・ダイヤモンド半導体層の接合特性に制約
されることなく設定でき、これにより、短波長領域にお
いて異なる発光色が容易に得られる。また、発光を得る
にあたり、ダイヤモンド半導体層に対し順方向バイアス
状態で電圧を印加すればよいので、発光強度の調整はこ
の順方向に印加する電圧を調整することにより行うこと
ができて、絶縁破壊を起こす心配がなく、さらに、ダイ
ヤモンド絶縁体層の厚みを変えることによって印加電圧
と発光強度との関係を変化させることができ、短波長領
域の発光素子として実用的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例によるダイヤモンド半導体
発光素子の構造を模式的に示す断面図、第2図はこの発
明によるダイヤモンド半導体発光素子のダイヤモンド半
導体層がp型の場合の発光機構の説明図、第3図はこの
発明によるダイヤモンド半導体発光素子のダイヤモンド
半導体層がn型の場合の発光機構の説明図、第4図は従
来のダイヤモンド半導体発光素子の構成を説明するため
の図、第5図は第4図に示す従来のダイヤモンド半導体
発光素子の発光機構を説明するためのエネルギーバンド
図である。 1,11……低抵抗のSi基板(導電性基板)、2a,12a……p
型ダイヤモンド半導体層、3,13……ダイヤモンド絶縁体
層、4,14……表電極、5,15……裏電極、12b……n型ダ
イヤモンド半導体層。
フロントページの続き (72)発明者 松居 祐一 兵庫県神戸市灘区篠原伯母野山町2―3 ―1 (56)参考文献 特開 平3−145773(JP,A) 特開 平2−17631(JP,A) 特開 平2−17632(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 33/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性基板上に順次ダイヤモンド半導体層
    とダイヤモンド絶縁体層とを備え、前記ダイヤモンド絶
    縁体層上に非ショットキー性接触材料よりなる表電極を
    設け、更に前記導電性基板に対しオーム性接触を有する
    裏電極を設けてなることを特徴とするダイヤモンド半導
    体発光素子。
  2. 【請求項2】前記ダイヤモンド半導体層がp型のものに
    おいて、前記表電極が多層構造を有し、前記ダイヤモン
    ド絶縁体層の直上の直上電極層がTiよりなるものである
    ことを特徴とする請求項(1)記載のダイヤモンド半導
    体発光素子。
  3. 【請求項3】前記表電極がAu/Tiの2層構造よりなるも
    のであることを特徴とする請求項(2)記載のダイヤモ
    ンド半導体発光素子。
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