JP3150488B2 - ダイヤモンド発光素子 - Google Patents
ダイヤモンド発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は結晶粒子が無秩序に配列
した多結晶ダイヤモンド薄膜とは異なり、結晶粒子が高
度に配向した高配向性ダイヤモンド薄膜を使用した高輝
度のダイヤモンド発光素子に関する。
した多結晶ダイヤモンド薄膜とは異なり、結晶粒子が高
度に配向した高配向性ダイヤモンド薄膜を使用した高輝
度のダイヤモンド発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性及び熱伝導性に優
れており、そのバンドギャップは約５．４ｅＶと大き
い。ダイヤモンドは電気的に絶縁体であり、その絶縁破
壊電圧は、例えば、シリコンの約３０倍以上もある。ダ
イヤモンド薄膜を気相より合成する技術は特公昭５９−
２７７５４号及び６１−３３２０号に開示されている。
また、ダイヤモンド薄膜にボロン（Ｂ）原子をドーピン
グすることによりｐ型半導体を合成する技術は、特開昭
５９−１３７３９６号に開示されている。更に、単結晶
ダイヤモンド基板上に気相合成により単結晶ダイヤモン
ド薄膜を合成できることは公知である。
れており、そのバンドギャップは約５．４ｅＶと大き
い。ダイヤモンドは電気的に絶縁体であり、その絶縁破
壊電圧は、例えば、シリコンの約３０倍以上もある。ダ
イヤモンド薄膜を気相より合成する技術は特公昭５９−
２７７５４号及び６１−３３２０号に開示されている。
また、ダイヤモンド薄膜にボロン（Ｂ）原子をドーピン
グすることによりｐ型半導体を合成する技術は、特開昭
５９−１３７３９６号に開示されている。更に、単結晶
ダイヤモンド基板上に気相合成により単結晶ダイヤモン
ド薄膜を合成できることは公知である。
【０００３】一方、ダイヤモンド薄膜を使用した発光素
子は特開平１−１０２８９３号（以下、従来例１とい
う）、特開平３−１２２０９３号（以下、従来例２とい
う）、特開平３−２８１５９４号（以下、従来例３とい
う）、特開平４−４４２７９号（以下、従来例４とい
う）及び文献（谷口靖：NEW DIAMOND, Vol,5, No.4, p.
44(1989)）（以下、従来例５という）に開示されてい
る。この従来例１及び２は整流接触を利用したもので、
ダイヤモンド層に高電界をかけてキャリアを注入するこ
とにより発光させるダイオード型発光素子が開示されて
いる。また、従来例３乃至５では、ダイヤモンド層に高
周波を印加して発光させるエレクトロルミネッセンスに
よる発光素子が開示されている。
子は特開平１−１０２８９３号（以下、従来例１とい
う）、特開平３−１２２０９３号（以下、従来例２とい
う）、特開平３−２８１５９４号（以下、従来例３とい
う）、特開平４−４４２７９号（以下、従来例４とい
う）及び文献（谷口靖：NEW DIAMOND, Vol,5, No.4, p.
44(1989)）（以下、従来例５という）に開示されてい
る。この従来例１及び２は整流接触を利用したもので、
ダイヤモンド層に高電界をかけてキャリアを注入するこ
とにより発光させるダイオード型発光素子が開示されて
いる。また、従来例３乃至５では、ダイヤモンド層に高
周波を印加して発光させるエレクトロルミネッセンスに
よる発光素子が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、特公昭５９−
２７７５４号及び６１−３３２０号に記載された方法で
は、基板上にダイヤモンドの結晶が無秩序に配列した所
謂多結晶の薄膜しか合成することができない。このよう
な多結晶薄膜では、薄膜表面の凹凸が０．１から０．５
μｍと大きく、ダイヤモンド結晶粒子間に存在する粒界
でキャリアが散乱又はトラップされるため、電気的特性
が劣るという問題がある。また、この従来方法により形
成された薄膜はダイヤモンド粒子内部の結晶格子欠陥密
度が高いという欠点がある。
２７７５４号及び６１−３３２０号に記載された方法で
は、基板上にダイヤモンドの結晶が無秩序に配列した所
謂多結晶の薄膜しか合成することができない。このよう
な多結晶薄膜では、薄膜表面の凹凸が０．１から０．５
μｍと大きく、ダイヤモンド結晶粒子間に存在する粒界
でキャリアが散乱又はトラップされるため、電気的特性
が劣るという問題がある。また、この従来方法により形
成された薄膜はダイヤモンド粒子内部の結晶格子欠陥密
度が高いという欠点がある。
【０００５】単結晶ダイヤモンド基板上に形成された単
結晶薄膜ではこのような問題は少ないが、通常、入手で
きる単結晶基板の面積が高々５mm×５mmにすぎず、また
価格が高いので、実際上、電子部品又は光学部品への応
用には不適当である。
結晶薄膜ではこのような問題は少ないが、通常、入手で
きる単結晶基板の面積が高々５mm×５mmにすぎず、また
価格が高いので、実際上、電子部品又は光学部品への応
用には不適当である。
【０００６】また、従来例１，２，４，５の発光素子
は、輝度及び寿命が実用上十分ではないという難点があ
る。この主な原因は気相合成で形成されたダイヤモンド
薄膜の膜質が悪く、膜中の高密度の結晶格子欠陥を含む
ことによる。
は、輝度及び寿命が実用上十分ではないという難点があ
る。この主な原因は気相合成で形成されたダイヤモンド
薄膜の膜質が悪く、膜中の高密度の結晶格子欠陥を含む
ことによる。
【０００７】なお、従来例４では、配向性のダイヤモン
ド薄膜を用いた発光素子が示されているものの、配向性
が高度ではないため、輝度は従来法に比して、高々３０
％しか向上しておらず、依然として実用上十分な特性を
有しているとはいえない。
ド薄膜を用いた発光素子が示されているものの、配向性
が高度ではないため、輝度は従来法に比して、高々３０
％しか向上しておらず、依然として実用上十分な特性を
有しているとはいえない。
【０００８】また、従来例３ではダイヤモンド結晶に取
り込まれにくい不純物元素の添加が提案されているが、
これらの元素添加によりダイヤモンド結晶中に高密度の
欠陥が発生し、発光効率が低いという問題点がある。
り込まれにくい不純物元素の添加が提案されているが、
これらの元素添加によりダイヤモンド結晶中に高密度の
欠陥が発生し、発光効率が低いという問題点がある。
【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、発光輝度が高く、大面積の発光領域が得ら
れると共に、ダイヤモンド本来の化学的に安定で長寿命
であるという利点を生かし、更に低コストのダイヤモン
ド発光素子を提供することを目的とする。
のであって、発光輝度が高く、大面積の発光領域が得ら
れると共に、ダイヤモンド本来の化学的に安定で長寿命
であるという利点を生かし、更に低コストのダイヤモン
ド発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド発光素子は、気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、薄膜表面積の８０％以上がダイヤモン
ドの（１００）結晶面又は（１１１）結晶面から構成さ
れていると共に、隣接する（１００）結晶面又は（１１
１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角｛α，β，
γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向
性ダイヤモンド薄膜により発光部を構成したことを特徴
とする。
ド発光素子は、気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、薄膜表面積の８０％以上がダイヤモン
ドの（１００）結晶面又は（１１１）結晶面から構成さ
れていると共に、隣接する（１００）結晶面又は（１１
１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角｛α，β，
γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向
性ダイヤモンド薄膜により発光部を構成したことを特徴
とする。
【００１１】上記の課題は、本発明による高度に配向し
たダイヤモンド薄膜（図１参照）を用いることにより解
決できる。
たダイヤモンド薄膜（図１参照）を用いることにより解
決できる。
【００１２】図１は本発明に係る（１００）結晶面が高
度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示
す。薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、
薄膜表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれ
に隣接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を
表すオイラー角を夫々｛αi，βi，γi｝、｛αj，
βj，γj｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝
とする。
度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示
す。薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、
薄膜表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれ
に隣接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を
表すオイラー角を夫々｛αi，βi，γi｝、｛αj，
βj，γj｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝
とする。
【００１３】オイラー角｛α，β，γ｝は基準結晶面を
基準座標のＺ、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に
回転して得られる結晶面の配向を表す。
基準座標のＺ、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に
回転して得られる結晶面の配向を表す。
【００１４】本発明においては、｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向
性ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向し、
単結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。
β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向
性ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向し、
単結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。
【００１５】（１１１）結晶面についても同様にオイラ
ー角の角度差の絶対値が｜△α｜≦５°、｜△β｜≦１
０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する場合に、結晶が
高度に配向し、キャリアの移動度が高くなる。このよう
な高配向性ダイヤモンド薄膜は、例えば、シリコン基板
を鏡面研磨した後、メタンガスを含有する気相中で基板
に負のバイアスを印加しつつマイクロ波を照射すること
により形成することができる。
ー角の角度差の絶対値が｜△α｜≦５°、｜△β｜≦１
０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する場合に、結晶が
高度に配向し、キャリアの移動度が高くなる。このよう
な高配向性ダイヤモンド薄膜は、例えば、シリコン基板
を鏡面研磨した後、メタンガスを含有する気相中で基板
に負のバイアスを印加しつつマイクロ波を照射すること
により形成することができる。
【００１６】
【作用】本発明においては、合成されたダイヤモンド薄
膜表面の８０％以上が（１１１）又は（１００）結晶面
で覆われている。同種の結晶面は同一の成長速度を有す
るために、長時間ダイヤモンド薄膜の合成を継続すれ
ば、薄膜表面の凹凸は消失するか、又は多結晶ダイヤモ
ンド薄膜に比して極めて小さくなる。また、薄膜成長を
続けると、前記結晶面間の間隔は減少し、終局的には、
結晶面同士が直接に接触するか、又は重なるかして、薄
膜表面のほぼ１００％が結晶面で覆いつくされる。
膜表面の８０％以上が（１１１）又は（１００）結晶面
で覆われている。同種の結晶面は同一の成長速度を有す
るために、長時間ダイヤモンド薄膜の合成を継続すれ
ば、薄膜表面の凹凸は消失するか、又は多結晶ダイヤモ
ンド薄膜に比して極めて小さくなる。また、薄膜成長を
続けると、前記結晶面間の間隔は減少し、終局的には、
結晶面同士が直接に接触するか、又は重なるかして、薄
膜表面のほぼ１００％が結晶面で覆いつくされる。
【００１７】図１に示したような高配向性ダイヤモンド
薄膜でも、ダイヤモンド結晶粒子間には粒界が存在する
が、高配向性ダイヤモンド薄膜は、結晶面が強く配向し
ているために結晶面間の角度差が小さく、従来の多結晶
薄膜に比べると、キャリア散乱が大幅に低下する。ま
た、粒界に存在する欠陥密度が低下するために、キャリ
アのトラップも低減する。このような理由で、本発明の
高配向性ダイヤモンド薄膜の電気特性は従来の多結晶薄
膜に比して大幅に向上する。
薄膜でも、ダイヤモンド結晶粒子間には粒界が存在する
が、高配向性ダイヤモンド薄膜は、結晶面が強く配向し
ているために結晶面間の角度差が小さく、従来の多結晶
薄膜に比べると、キャリア散乱が大幅に低下する。ま
た、粒界に存在する欠陥密度が低下するために、キャリ
アのトラップも低減する。このような理由で、本発明の
高配向性ダイヤモンド薄膜の電気特性は従来の多結晶薄
膜に比して大幅に向上する。
【００１８】このような疑似単結晶ともいえる特性は、
被覆率及び｜△α｜、｜△β｜、｜△γ｜の条件が前述
の範囲を満足する場合に得られ、これらの条件を満たさ
ない高配向性ダイヤモンド薄膜は、発光素子としての電
気的特性の改善効果が低く、発光現象は生じても輝度が
低い。
被覆率及び｜△α｜、｜△β｜、｜△γ｜の条件が前述
の範囲を満足する場合に得られ、これらの条件を満たさ
ない高配向性ダイヤモンド薄膜は、発光素子としての電
気的特性の改善効果が低く、発光現象は生じても輝度が
低い。
【００１９】本発明の高配向性ダイヤモンド薄膜は直径
数インチのシリコンウエハ等に成膜できるので、単結晶
ダイヤモンドにおけるような形成面積に対する制約はな
い。また、本発明で規定した高配向ダイヤモンド薄膜
は、多結晶薄膜に比して結晶欠陥密度が大幅に減少して
いる。これは本発明の場合にはラマン散乱スペクトルが
ダイヤモンド単結晶に極めて近いことから明らかであ
る。
数インチのシリコンウエハ等に成膜できるので、単結晶
ダイヤモンドにおけるような形成面積に対する制約はな
い。また、本発明で規定した高配向ダイヤモンド薄膜
は、多結晶薄膜に比して結晶欠陥密度が大幅に減少して
いる。これは本発明の場合にはラマン散乱スペクトルが
ダイヤモンド単結晶に極めて近いことから明らかであ
る。
【００２０】一方、本発明の高配向性ダイヤモンド薄膜
は、従来例４のように単に（１００）又は（１１１）結
晶面が薄膜上に出現しているだけではなく、その相互の
配向方向が揃っている。即ち、粒界が存在しても異なる
粒子の結晶方位はほぼ揃っている。このために、粒界の
存在にも拘らず、結晶欠陥密度及びキャリア移動度等の
電気的特性が従来の多結晶ダイヤモンド薄膜に比して著
しく優れてる。
は、従来例４のように単に（１００）又は（１１１）結
晶面が薄膜上に出現しているだけではなく、その相互の
配向方向が揃っている。即ち、粒界が存在しても異なる
粒子の結晶方位はほぼ揃っている。このために、粒界の
存在にも拘らず、結晶欠陥密度及びキャリア移動度等の
電気的特性が従来の多結晶ダイヤモンド薄膜に比して著
しく優れてる。
【００２１】このため、例えば、このような高品質ダイ
ヤモンド薄膜を用いて製作したダイオード型の発光素子
では、従来の素子よりも輝度が１０倍以上向上する。一
方、エレクトロルミネッセンス型の発光素子についても
発光強度は従来の多結晶ダイヤモンド薄膜を用いた場合
に比して１０倍以上向上する。
ヤモンド薄膜を用いて製作したダイオード型の発光素子
では、従来の素子よりも輝度が１０倍以上向上する。一
方、エレクトロルミネッセンス型の発光素子についても
発光強度は従来の多結晶ダイヤモンド薄膜を用いた場合
に比して１０倍以上向上する。
【００２２】また、請求項６にて規定したように、ダイ
ヤモンド薄膜中にドーピングする元素として、周期率表
の第１周期の元素を使用した場合は、これらの元素は原
子半径が小さいため、ダイヤモンド結晶中に取り込ま
れ、しかもダイヤモンドの結晶構造を破壊することがな
い。このため、不純物元素がドーピングされたダイヤモ
ンド薄膜でも結晶性は劣化せず、発光強度が低下するこ
とはない。
ヤモンド薄膜中にドーピングする元素として、周期率表
の第１周期の元素を使用した場合は、これらの元素は原
子半径が小さいため、ダイヤモンド結晶中に取り込ま
れ、しかもダイヤモンドの結晶構造を破壊することがな
い。このため、不純物元素がドーピングされたダイヤモ
ンド薄膜でも結晶性は劣化せず、発光強度が低下するこ
とはない。
【００２３】なお、配向したダイヤモンド粒子の合成に
ついて記載した文献がある（例えば、B.R.Stoner and
J.T.Glass, Applied Physics Letters, Vol.60, No.6,
p.698, 1992年）。しかし、この従来技術においては、
約５０％の粒子が配向しているだけで、残余の粒子の配
列は無秩序である。このため、この従来技術は、本発明
にて規定した高配向性膜とは異なり、その電気的特性が
低い。
ついて記載した文献がある（例えば、B.R.Stoner and
J.T.Glass, Applied Physics Letters, Vol.60, No.6,
p.698, 1992年）。しかし、この従来技術においては、
約５０％の粒子が配向しているだけで、残余の粒子の配
列は無秩序である。このため、この従来技術は、本発明
にて規定した高配向性膜とは異なり、その電気的特性が
低い。
【００２４】
【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。図２は本発明の第１の実施
例に係るダイヤモンド発光素子を示す断面図である。基
板１上に絶縁性ダイヤモンド層２が形成されており、こ
の絶縁性ダイヤモンド層２上に半導体ダイヤモンド層３
が形成されている。そして、この半導体ダイヤモンド層
３上にはリング状の低抵抗ダイヤモンド層４が選択的に
形成されており、この低抵抗ダイヤモンド層４上にリン
グ状の外部リング電極５が形成されている。外部リング
電極５の中央には円形の絶縁性ダイヤモンド層６が形成
されており、この絶縁性ダイヤモンド層６上に円形電極
７が形成されている。そして、この円形電極７と外部リ
ング電極５との間に電源８が接続されている。
参照して具体的に説明する。図２は本発明の第１の実施
例に係るダイヤモンド発光素子を示す断面図である。基
板１上に絶縁性ダイヤモンド層２が形成されており、こ
の絶縁性ダイヤモンド層２上に半導体ダイヤモンド層３
が形成されている。そして、この半導体ダイヤモンド層
３上にはリング状の低抵抗ダイヤモンド層４が選択的に
形成されており、この低抵抗ダイヤモンド層４上にリン
グ状の外部リング電極５が形成されている。外部リング
電極５の中央には円形の絶縁性ダイヤモンド層６が形成
されており、この絶縁性ダイヤモンド層６上に円形電極
７が形成されている。そして、この円形電極７と外部リ
ング電極５との間に電源８が接続されている。
【００２５】本実施例においては、絶縁性ダイヤモンド
層２、半導体ダイヤモンド層３及び低抵抗ダイヤモンド
層４の少なくとも一部が前述の高配向ダイヤモンド薄膜
で形成されている。そして、円形電極７と外部リング電
極５との間に所定の電圧を印加すると、半導体ダイヤモ
ンド層３にて発光が生じる。
層２、半導体ダイヤモンド層３及び低抵抗ダイヤモンド
層４の少なくとも一部が前述の高配向ダイヤモンド薄膜
で形成されている。そして、円形電極７と外部リング電
極５との間に所定の電圧を印加すると、半導体ダイヤモ
ンド層３にて発光が生じる。
【００２６】次に、本第１実施例の構造のダイヤモンド
発光素子を実際に製造してその特性を評価した結果につ
いて説明する。
発光素子を実際に製造してその特性を評価した結果につ
いて説明する。
【００２７】実施例１ （ステップ１）高配向性ダイヤモンド薄膜を形成する基
板として直径１インチ、方位（１００）のシリコンウエ
ハを用いた。基板１をマイクロ波化学気相蒸着装置に入
れ、メタン２．５％、水素９７．５％、ガス圧２８Tor
r、ガス流量３００cc/min、基板温度６７０℃で２５分
間処理した。マイクロ波入力パワーはほぼ１０００Ｗで
あったが、基板温度を７００℃に維持するように微調整
した。これと同時に基板１に負バイアス電圧を印加し
た。負バイアスによる電流量は１０mA/cm2であった。
板として直径１インチ、方位（１００）のシリコンウエ
ハを用いた。基板１をマイクロ波化学気相蒸着装置に入
れ、メタン２．５％、水素９７．５％、ガス圧２８Tor
r、ガス流量３００cc/min、基板温度６７０℃で２５分
間処理した。マイクロ波入力パワーはほぼ１０００Ｗで
あったが、基板温度を７００℃に維持するように微調整
した。これと同時に基板１に負バイアス電圧を印加し
た。負バイアスによる電流量は１０mA/cm2であった。
【００２８】（ステップ２）その後、メタン０．５％、
水素９９．４％、酸素０．１％、ガス圧３０Torr、ガス
流量３００cc/min、基板温度８００℃で８０時間合成を
続けた。この結果、膜厚が約２０μｍで、高配向したダ
イヤモンド薄膜２を合成することができた。電子顕微鏡
観察から、この膜表面の約９０％が（１００）結晶面で
覆われていることが分かった。また、薄膜の断面写真か
ら各結晶面の高低差は０．１μｍ以下であった。更に、
この薄膜表面の法線方向から±１０°の角度で２枚の電
子顕微鏡写真を撮影し、各写真の（１００）結晶面の傾
きを測定したところ、隣接する結晶面の傾きは｜△α｜
≦５°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°であった。
水素９９．４％、酸素０．１％、ガス圧３０Torr、ガス
流量３００cc/min、基板温度８００℃で８０時間合成を
続けた。この結果、膜厚が約２０μｍで、高配向したダ
イヤモンド薄膜２を合成することができた。電子顕微鏡
観察から、この膜表面の約９０％が（１００）結晶面で
覆われていることが分かった。また、薄膜の断面写真か
ら各結晶面の高低差は０．１μｍ以下であった。更に、
この薄膜表面の法線方向から±１０°の角度で２枚の電
子顕微鏡写真を撮影し、各写真の（１００）結晶面の傾
きを測定したところ、隣接する結晶面の傾きは｜△α｜
≦５°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°であった。
【００２９】（ステップ３）この高配向性膜上に更にＰ
型半導体ダイヤモンド薄膜３を積層した。合成条件はメ
タン０．５％、水素９９．５％、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）
０．１ppm、ガス圧３０Torr、ガス流量３００cc/min、
基板温度８００℃、合成時間７時間である。この結果、
下地の高配向性膜と同一の表面形態をもつ厚さ１．５μ
ｍのＰ型半導体ダイヤモンド薄膜３が積層された。
型半導体ダイヤモンド薄膜３を積層した。合成条件はメ
タン０．５％、水素９９．５％、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）
０．１ppm、ガス圧３０Torr、ガス流量３００cc/min、
基板温度８００℃、合成時間７時間である。この結果、
下地の高配向性膜と同一の表面形態をもつ厚さ１．５μ
ｍのＰ型半導体ダイヤモンド薄膜３が積層された。
【００３０】この半導体ダイヤモンド薄膜３のホール移
動度を測定したところ、８５cm2／Vsであり、この値は
通常の多結晶ダイヤモンド薄膜（約１cm2／V s）より著
しく高い。
動度を測定したところ、８５cm2／Vsであり、この値は
通常の多結晶ダイヤモンド薄膜（約１cm2／V s）より著
しく高い。
【００３１】実施例２ （ステップ４）（ステップ１）の条件を下記表１に示す
ように種々変えて同様の実験を繰り返し、高配向性絶縁
性ダイヤモンド薄膜２及びＰ型半導体ダイヤモンド薄膜
３を形成した。なお、表１の試験番号１の条件は、上記
（ステップ１）の条件である。
ように種々変えて同様の実験を繰り返し、高配向性絶縁
性ダイヤモンド薄膜２及びＰ型半導体ダイヤモンド薄膜
３を形成した。なお、表１の試験番号１の条件は、上記
（ステップ１）の条件である。
【００３２】
【表１】
【００３３】（ステップ５）この半導体ダイヤモンド薄
膜３上に、ステップ３と同一の条件で選択成長により直
径１００μｍ、膜厚０．３μｍの絶縁性ダイヤモンド層
６を形成した。
膜３上に、ステップ３と同一の条件で選択成長により直
径１００μｍ、膜厚０．３μｍの絶縁性ダイヤモンド層
６を形成した。
【００３４】（ステップ６）ステップ５にて形成した絶
縁性ダイヤモンド層６上にフォトリソグラフィ技術によ
り図２に示すような同心円状の電極７を形成し、更に外
部リング電極５を形成した。内部の円形電極７は厚さ１
０００ÅのＡｌ薄膜であり、ステップ５にて形成した絶
縁性ダイヤモンド層６上に形成した。外部リング電極５
については、図２に示すように電極下の領域にまずＢが
高濃度にドーピングされた低抵抗ダイヤモンド層４を選
択的に形成し、その上に厚さ１００ÅのＴｉと厚さ２０
００ÅのＡｕを積層した。これにより、外部電極５と低
抵抗ダイヤモンド層４はオーミック接触となった。
縁性ダイヤモンド層６上にフォトリソグラフィ技術によ
り図２に示すような同心円状の電極７を形成し、更に外
部リング電極５を形成した。内部の円形電極７は厚さ１
０００ÅのＡｌ薄膜であり、ステップ５にて形成した絶
縁性ダイヤモンド層６上に形成した。外部リング電極５
については、図２に示すように電極下の領域にまずＢが
高濃度にドーピングされた低抵抗ダイヤモンド層４を選
択的に形成し、その上に厚さ１００ÅのＴｉと厚さ２０
００ÅのＡｕを積層した。これにより、外部電極５と低
抵抗ダイヤモンド層４はオーミック接触となった。
【００３５】（ステップ７）図２の内部電極７を正、外
部電極５を負として、電圧を印加した。この印加電圧を
高くしていくと、印加電圧が１０００Ｖ以上の場合に緑
青色の発光が見られ、電圧の上昇と共に、発光強度も増
大した。図３はこの発光スペクトルを示す。図３におい
て、試料１乃至５は、夫々表１の試験番号１乃至５の条
件で形成されたダイヤモンド薄膜である。
部電極５を負として、電圧を印加した。この印加電圧を
高くしていくと、印加電圧が１０００Ｖ以上の場合に緑
青色の発光が見られ、電圧の上昇と共に、発光強度も増
大した。図３はこの発光スペクトルを示す。図３におい
て、試料１乃至５は、夫々表１の試験番号１乃至５の条
件で形成されたダイヤモンド薄膜である。
【００３６】試料２では、薄膜表面の８５％が（１０
０）結晶面で覆われ、１５％が面間の間隙であった。隣
接するいずれの結晶面についても｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°が成り立った。これに対
し、試料４，５では各薄膜表面の７０％，６０％が（１
００）結晶面で覆われ、また、隣接するいずれの結晶面
でも｜△α｜＞５°、｜△β｜＞１０°、｜△γ｜＞５
°となった。試料３では薄膜表面の７５％が（１００）
結晶面で覆われ、△α、△γの絶対値については５°以
下の場合も、５°以上の場合も見られた。△βの絶対値
も、１０°以上の場合と１０°以下の場合の双方があっ
た。
０）結晶面で覆われ、１５％が面間の間隙であった。隣
接するいずれの結晶面についても｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°が成り立った。これに対
し、試料４，５では各薄膜表面の７０％，６０％が（１
００）結晶面で覆われ、また、隣接するいずれの結晶面
でも｜△α｜＞５°、｜△β｜＞１０°、｜△γ｜＞５
°となった。試料３では薄膜表面の７５％が（１００）
結晶面で覆われ、△α、△γの絶対値については５°以
下の場合も、５°以上の場合も見られた。△βの絶対値
も、１０°以上の場合と１０°以下の場合の双方があっ
た。
【００３７】図３から分かるように、試料１，２と試料
４，５では発光強度が大きく異なる。これにより、発光
素子として電気的特性が優れた高配向膜を得るために
は、請求項１，２にて規定した条件が必要となることが
分かる。実施例３ 実施例１で合成したダイヤモンド薄膜（試料１）のラマ
ン散乱スペクトルを図４に示す。従来の多結晶膜では、
図４に併せて示すように、１３３３ｃｍ-1の半値全幅
（ＦＷＨＭ；Full Width at Half Maximum）は１２cm-1
と大きいのに対し、本発明による高配向膜では２cm-1と
小さく、天然又は人工ダイヤモンド結晶の値１．５cm-1
に極めて近い。これは本発明による高配向膜の結晶性が
単結晶ダイヤモンドと同等の特性を有していることを示
している。
４，５では発光強度が大きく異なる。これにより、発光
素子として電気的特性が優れた高配向膜を得るために
は、請求項１，２にて規定した条件が必要となることが
分かる。実施例３ 実施例１で合成したダイヤモンド薄膜（試料１）のラマ
ン散乱スペクトルを図４に示す。従来の多結晶膜では、
図４に併せて示すように、１３３３ｃｍ-1の半値全幅
（ＦＷＨＭ；Full Width at Half Maximum）は１２cm-1
と大きいのに対し、本発明による高配向膜では２cm-1と
小さく、天然又は人工ダイヤモンド結晶の値１．５cm-1
に極めて近い。これは本発明による高配向膜の結晶性が
単結晶ダイヤモンドと同等の特性を有していることを示
している。
【００３８】次に、図５を参照して本発明の第２の実施
例に係る縦型の発光ダイオードについて説明する。半導
体ダイヤモンド層１２の表面に絶縁性ダイヤモンド層１
３が形成されており、この絶縁性ダイヤモンド層１３上
には上部電極１４が形成されている。また、半導体ダイ
ヤモンド層１２の下面上には低抵抗ダイヤモンド層１１
が形成され、更にこの低抵抗ダイヤモンド層１１の上に
は下部電極１０が形成されている。そして、下部電極１
０と上部電極１４とは、電源１５が接続されており、こ
の電源１５から電極１０，１４間に所定の電圧が印加さ
れるようになっている。
例に係る縦型の発光ダイオードについて説明する。半導
体ダイヤモンド層１２の表面に絶縁性ダイヤモンド層１
３が形成されており、この絶縁性ダイヤモンド層１３上
には上部電極１４が形成されている。また、半導体ダイ
ヤモンド層１２の下面上には低抵抗ダイヤモンド層１１
が形成され、更にこの低抵抗ダイヤモンド層１１の上に
は下部電極１０が形成されている。そして、下部電極１
０と上部電極１４とは、電源１５が接続されており、こ
の電源１５から電極１０，１４間に所定の電圧が印加さ
れるようになっている。
【００３９】本実施例においても、半導体ダイヤモンド
層１２、低抵抗ダイヤモンド層１１及び絶縁性ダイヤモ
ンド層１３の少なくとも一部が前述の高配向性ダイヤモ
ンド薄膜により形成されている。そして、電極１０，１
４に所定の電圧を印加することにより半導体ダイヤモン
ド層１２にて発光が生じる。
層１２、低抵抗ダイヤモンド層１１及び絶縁性ダイヤモ
ンド層１３の少なくとも一部が前述の高配向性ダイヤモ
ンド薄膜により形成されている。そして、電極１０，１
４に所定の電圧を印加することにより半導体ダイヤモン
ド層１２にて発光が生じる。
【００４０】図６は本発明の第３の実施例に係るエレク
トロルミネッセンス型発光素子を示す断面図である。ア
ンドープ又は不純物をドープしたダイヤモンド層２２の
表面及び裏面に夫々絶縁層２３，２１が形成されてお
り、各絶縁層２３，２１上には夫々上部電極２４、下部
電極２０が形成されている。絶縁層２１，２３は、絶縁
性ダイヤモンド若しくはその他の絶縁物からなる層又は
これらの層の絶縁体により形成されている。また、ダイ
ヤモンド層２２及び絶縁性ダイヤモンド層は前述の高配
向性ダイヤモンド薄膜により形成されている。更に、電
極２０，２４には高周波電源２５が接続されている。
トロルミネッセンス型発光素子を示す断面図である。ア
ンドープ又は不純物をドープしたダイヤモンド層２２の
表面及び裏面に夫々絶縁層２３，２１が形成されてお
り、各絶縁層２３，２１上には夫々上部電極２４、下部
電極２０が形成されている。絶縁層２１，２３は、絶縁
性ダイヤモンド若しくはその他の絶縁物からなる層又は
これらの層の絶縁体により形成されている。また、ダイ
ヤモンド層２２及び絶縁性ダイヤモンド層は前述の高配
向性ダイヤモンド薄膜により形成されている。更に、電
極２０，２４には高周波電源２５が接続されている。
【００４１】本実施例においては、高周波電源２５によ
り上部電極２４と下部電極２０との間に高周波電圧を印
加すると、ダイヤモンド層２２にてルミネッセンスによ
り発光する。
り上部電極２４と下部電極２０との間に高周波電圧を印
加すると、ダイヤモンド層２２にてルミネッセンスによ
り発光する。
【００４２】これらの図５及び図６に示す実施例におい
ても、図２に示す実施例の場合と同様に従来の１０倍以
上の発光強度が得られる。
ても、図２に示す実施例の場合と同様に従来の１０倍以
上の発光強度が得られる。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、発光領域に高配向性ダ
イヤモンド薄膜を使用したので、従来よりも発光輝度が
極めて高く、しかもその発光領域が大面積であると共
に、ダイヤモンドが化学的反応性が低く薄膜表面の酸化
が生じにくく長寿命であるという利点を生かした低コス
トの発光素子が得られる。
イヤモンド薄膜を使用したので、従来よりも発光輝度が
極めて高く、しかもその発光領域が大面積であると共
に、ダイヤモンドが化学的反応性が低く薄膜表面の酸化
が生じにくく長寿命であるという利点を生かした低コス
トの発光素子が得られる。
【図１】本発明の高配向性ダイヤモンド薄膜の表面とオ
イラー角との関係を示す図であって、図１（ａ）は結晶
面の基準配向を示す図、図１（ｂ）は（１００）結晶面
が高度に配向したダイヤモンド薄膜の表面形態を示す図
である。
イラー角との関係を示す図であって、図１（ａ）は結晶
面の基準配向を示す図、図１（ｂ）は（１００）結晶面
が高度に配向したダイヤモンド薄膜の表面形態を示す図
である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る発光素子を示す断
面図である。
面図である。
【図３】同じくその発光スペクトルを従来例と比較して
示すグラフ図である。
示すグラフ図である。
【図４】同じくそのラマンスペクトルを示すグラフ図で
ある。
ある。
【図５】本発明の第２の実施例に係る縦型発光素子を示
す断面図である。
す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係るエレクトルミネッ
サンス型発光素子を示す断面図である。
サンス型発光素子を示す断面図である。
１；基板 ２，１３；絶縁性ダイヤモンド層 ３，１２；半導体ダイヤモンド層 ４，１１；低抵抗ダイヤモンド層 ５；外部リング電極 ６；絶縁性ダイヤモンド層 ７；円形電極 １０，２０；下部電極 １４，２４；上部電極 １５；電源 ２１，２３；絶縁層 ２２；ダイヤモンド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 久 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究 所内 (72)発明者 斉藤 公続 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究 所内 (56)参考文献 特開 平４−44279（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−58487（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅ．Ｖ ｏｌ．62 Ｎｏ．11（1993）ｐ．1215− 1217 1993年（平成５年）春季第40回応用物 理学関係連合講演会予稿集 31ｐ−Ｓ− 15 ｐ．479 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 C30B 29/04
Claims (7)
- 【請求項１】 気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、薄膜表面積の８０％以上がダイヤモン
ドの（１００）結晶面から構成されていると共に、隣接
する（１００）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角
｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦
５°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足
する高配向性ダイヤモンド薄膜により発光部を構成した
ことを特徴とするダイヤモンド発光素子。 - 【請求項２】 気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、薄膜表面積の８０％以上がダイヤモン
ドの（１１１）結晶面から構成されていると共に、隣接
する（１１１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角
｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦
５°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足
する高配向性ダイヤモンド薄膜により発光部を構成した
ことを特徴とするダイヤモンド発光素子。 - 【請求項３】 前記高配向性ダイヤモンド薄膜はその少
なくとも一部が半導体ダイヤモンド薄膜であることを特
徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド発光素
子。 - 【請求項４】 前記半導体ダイヤモンド薄膜がボロン原
子を含むＰ型半導体であることを特徴とする請求項３に
記載のダイヤモンド発光素子。 - 【請求項５】 前記高配向性ダイヤモンド薄膜が不純物
元素を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
１項に記載のダイヤモンド発光素子。 - 【請求項６】 前記不純物元素がＨ，Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ，
Ｏ及びＦからなる群から選択された１種類以上の元素で
あることを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンド発
光素子。 - 【請求項７】 前記発光部は、複数層の絶縁性及び半導
体ダイヤモンド薄膜を積層した高配向性ダイヤモンド薄
膜により構成されていることを特徴とする請求項１乃至
６のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11200793A JP3150488B2 (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | ダイヤモンド発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11200793A JP3150488B2 (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | ダイヤモンド発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06326355A JPH06326355A (ja) | 1994-11-25 |
| JP3150488B2 true JP3150488B2 (ja) | 2001-03-26 |
Family
ID=14575635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11200793A Expired - Lifetime JP3150488B2 (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | ダイヤモンド発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3150488B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999034646A1 (fr) | 1997-12-29 | 1999-07-08 | Tokyo Gas Co., Ltd. | Dispositif emetteur de rayons ultraviolets a diamant par injection de courant |
-
1993
- 1993-05-14 JP JP11200793A patent/JP3150488B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| １９９３年（平成５年）春季第４０回応用物理学関係連合講演会予稿集 ３１ｐ−Ｓ−１５ ｐ．４７９ |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅ．Ｖｏｌ．６２ Ｎｏ．１１（１９９３）ｐ．１２１５−１２１７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06326355A (ja) | 1994-11-25 |
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