JP4294170B2 - Diamond UV light emitting element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報記録/読出処理、フォトリソグラフイ、光加工、螢光体励起光源等の分野で用いることが可能な紫外線を発する、気相合成ダイヤモンドを用いた自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
紫外線は、波長が短いことからこれを用いた微細加工が可能となり、例えば、光記録/読出処理に用いて記録密度を上げる、半導体微細加工装置に用いて実装密度を上げる等のさまざまな需要がある。
【0003】
この紫外線の光源としては、重水素ランプやエキシマ・レーザなどが挙げられる。しかし、重水素ランプは紫外線発光が低効率で、低輝度である。また、エキシマ・レーザは、ガスを用いているために、大型でかつ水冷が必要で取り扱い不便であり、ハロゲンなどを使用するものもある。このように、従来の紫外光源には、いろいろ使用上の不便があった。
【0004】
また、ダイヤモンドも紫外線を発光する材料として知られていた。このダイヤモンド紫外線発光素子は、小型で高効率、高輝度であり、かつ安全性にも優れている。
特に、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor、金属−絶縁体−半導体)ダイオード構造を採用した場合、さらに発光の効率を向上させることが可能となる。これは、半導体/絶縁体界面に生じるエネルギー障壁によって、発光に寄与するキャリアを閉じ込める効果があるからである。MIS発光素子においては、発光部は絶縁層、および半導体層の絶縁層との境界付近となる。
【0005】
従来のダイヤモンドを絶縁層として用いたMISダイヤモンド発光素子としては、例えば(1)特開平4−240784号公報、(2)特開平7−307487号公報、(3)特開平8−330624号公報等に記載されている。
【0006】
これらの従来のMISダイヤモンド発光素子の紫外線発光は、半導体層を構成するダイヤモンドにホウ素を添加し、絶縁層は無添加ダイヤモンドを用いている。しかし、これらの従来のダイヤモンド発光素子の紫外線発光は、不純物または格子欠陥に起因する紫外線発光が支配的であり、ダイヤモンド固有の波長の短い自由励起子再結合発光は支配的ではなかった。
さらに、これらの刊行物には、自由励起子再結合発光についての説明があるが、これはダイヤモンドの特性を確認するために、外部から電子線を照射して発光させるカソードルミネセンス(CL)法によって測定した結果を説明しているにすぎない。
【0007】
すなわち、特開平4−240784号公報に開示された紫外線発光素子は、260nmに紫外線発光のピークがあるホウ素バンド発光によるものであって、自由励起子再結合発光は支配的ではない。
また、特開平7−307487号公報に開示された短波長発光素子は、238nmに紫外線発光のピークがあるホウ素束縛励起子再結合発光によるものであって、発光効率のよい自由励起子再結合発光による紫外線発光が支配的となっているものではない。
【0008】
MISダイヤモンド紫外線発光素子を考える場合、こうした不純物・欠陥起因の発光は固有発光より波長が長いために、短波長発光素子の機構としては不利である。また、発光強度を向上させるためには、高密度の欠陥もしくは高濃度の不純物を結晶に導入せねばならず、この結果として結晶品質が低下して紫外線発光の強度を低下させる。さらに、不純物・欠陥の導入で誘起された波長の異なる発光ピークが注入エネルギーの一部を消費してしまい、有用な紫外線発光の効率も低下させる。こうした理由で、不純物・欠陥起因の発光は、電流注入型発光素子の機構としては実用的でない。
【0009】
これに対し、自由励起子再結合発光は、各材料における固有の発光であり、一般にその材料から得られる発光の中で最も波長が短く、かつ状態密度も高いため、実用的な高輝度発光素子を実現する上で最も望ましい。ダイヤモンドにおいては、自由励起子再結合発光に関連する固有のスペクトルがカソードルミネセンス法などの分析手法により調べられている。室温でのダイヤモンドの自由励起子のエネルギーは波長229nmに相当するが、実際には、235nm、242nm、249nm、257nm付近に現われるフォノンサイドバンド群と呼ばれる発光が主として観測される。一般的には、これらを全て含めて「自由励起子再結合発光」と呼ばれるが、特に紫外線発光素子として好適なのは、235nm付近のエネルギーを有する発光であり、ここではこの発光を「自由励起子再結合発光」という。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、これまでのMISダイヤモンド紫外線発光素子は、発光層を形成しているダイヤモンド結晶の品質が十分でなく、多くの不純物や欠陥を含んでいた。このため、電流注入型発光素子として構成した場合、実用上最も有利な自由励起子再結合発光について、十分な発光強度を得ることができなかった。
【0011】
例えば、特開平7−307487号公報に記載されている発光素子のスペクトルにおいては、ダイヤモンド本来の発光である自由励起子再結合発光(235nm)の強度が、不純物・欠陥起因の一例である束縛励起子発光(238nm)の強度に対して明らかに小さく、数分の1以下となっている。すなわち、この発光素子は絶縁層が発光層となる構造を採用しているにもかかわらず、絶縁層に存在し得ない不純物起因の発光(238nm)が得られているということは、絶縁層が主な発光層として機能していないことを意味している。このことは、実用上重要な素子発光効率が低いことにつながるので、実用化の点で劣っている。
【0012】
これに対し、本発明のMISダイヤモンド発光素子の場合には、自由励起子再結合発光が、不純物・欠陥起因の一例である束縛励起子の発光強度に対して大きく、強度比において数倍以上であることを特徴としており、これを以って、自由励起子再結合発光が支配的な紫外線発光と定義する。
【0013】
本発明の目的は、ダイヤモンド固有の波長の短い自由励起子再結合発光が支配的な電流注入励起による発光素子を、ダイヤモンドMIS構造を用いて提供することにある。
【0014】
図4を用いてこれを説明する。
図4は、本発明にかかるMISダイヤモンド紫外線発光素子と、特開平7−307487号公報に示される従来のMISダイヤモンド紫外線発光素子の紫外領域における電流注入による発光状況を示す特性図である。実線は、本発明にかかるダイヤモンド発光素子の特性を、破線は従来のダイヤモンド発光素子の特性を示している。なお、図4において、比較のために実線と破線の縦軸のスケールは最大発光ピーク強度で規格化してある。
【0015】
図から明らかなように、本発明にかかるダイヤモンド発光素子は、自由励起子再結合発光による発光である235nmにピークが出現しており、不純物・欠陥起因の一例である束縛励起子発光である238nmの強度に比して極めて大きく、支配的となっている。
しかしながら、従来のダイヤモンド発光素子は不純物・欠陥起因の一例である束縛励起子発光である238nmにピークを生じ、自由励起子再結合発光による発光である235nmでは強度が小さくなっている。
すなわち、本発明では、自由励起子再結合発光が支配的な紫外線発光を得ることができる。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、ダイヤモンド結晶からなる半導体層と、該半導体層の一面に設けた無添加ダイヤモンド結晶からなる絶縁層とを有し、前記半導体層が窒素除去剤の存在の下で高温高圧法によって得たホウ素を添加したダイヤモンド結晶で構成され、前記絶縁層が気相合成法によって得た窒素濃度が90ppm以下のダイヤモンド結晶で構成され、電流注入により励起して発光する235nmの自由励起子再結合発光にピークを持ち波長300nm以下の領域で不純物や格子欠陥に起因する発光を観察しないダイヤモンド紫外線発光素子とした。
【0017】
請求項2の発明は、請求項1のダイヤモンド紫外線発光素子において、上記ダイヤモンド絶縁層が発光層として機能する素子とした。
【0020】
請求項の発明は、請求項1または請求項2のダイヤモンド紫外線発光素子において、上記気相合成ダイヤモンド絶縁層の結晶合成時におけるプラズマ中の窒素原子数を炭素原子数に対する比で200ppm以下の雰囲気下で気相合成されたダイヤモンド結晶とした。
【0021】
請求項の発明は、請求項1ないし請求項のいずれか1項のダイヤモンド紫外線発光素子において、上記ダイヤモンド絶縁層を、マイクロ波プラズマ気相合成法(MW−CVD法)により得たダイヤモンド結晶とした。
【0022】
請求項の発明は、請求項1ないし請求項のいずれか1項のダイヤモンド紫外線発光素子において、上記ダイヤモンド絶縁層をホモエピタキシャル成長により得たダイヤモンド結晶とした。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態にかかる気相合成ダイヤモンド結晶を用いた自由励起子再結合発光MISダイヤモンド紫外線発光素子の構造を、図1を用いて詳細に説明する。以下、この実施の形態によって得られた自由励起子再結合発光MISダイヤモンド紫外線発光素子を実施例1とする。
図1は、ダイヤモンド結晶基板上に設けた気相合成ダイヤモンド結晶を用いた自由励起子再結合発光するダイヤモンド紫外線発光素子10の構成を模式的に示す断面図である。
【0027】
自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子10は、ホウ素添加高圧ダイヤモンド結晶層(半導体層)1と、該ホウ素添加高圧ダイヤモンド結晶層の第1の面に気相合成によって成長させたダイヤモンド結晶層(絶縁層)3と、気相合成ダイヤモンド結晶層3の成長面に設けタングステン(W)からなる第1の電極5と、高圧合成ダイヤモンド結晶層1の第2の面に設けたタングステン(W)からなる第2の電極7とを有して構成される。
【0028】
第1の電極5にはワイヤ51を、第2の電極7にはワイヤ71を結線している。
【0029】
半導体層1と絶縁層3には、格子欠陥やドーパント以外の不純物を微量にしか含まない高品質なダイヤモンドを用いている。
【0030】
自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子10を構成するダイヤモンド結晶層1は、以下に述べる高温高圧法によって得られた高圧合成ダイヤモンド結晶からなる。
ここで、高温高圧法とは、いわゆる、温度差法であり、ダイヤモンドが安定に存在することのできる温度・圧力領域において、炭素原料を融剤金属に溶解させ、この炭素を種結晶(ダイヤモンド微結晶)上に析出させるダイヤモンド製造方法である。
温度差法を用いたダイヤモンド製造法は、例えば、特開平4−108532号公報、特開平5−200271号公報等に開示されている。
【0031】
融剤金属としては、炭素を十分に溶解することができ、かつ、ダイヤモンドの結晶成長を促進する触媒として機能し得る材料を用いる。融剤金属として、文献(例えば、神田ら,日本化学会誌1981,vol.9,p.1349〜1355)にあるとおり、具体的には、鉄(Fe)および/またはコバルト(Co)および/またはニッケル(Ni)を含む合金を用いる。
【0032】
高圧ダイヤモンド結晶層(半導体層)1は、温度差法(高温高圧法)を用いて以下の成長条件で製造される。
【0033】
[成長条件]
炭素原料:熱分解炭素;ドーパントとしてホウ素(B)を1000ppm添加
融剤金属:鉄(Fe)−コバルト(Co)合金
窒素除去剤:アルミニウム(Al),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr)
成長温度:1450℃
合成圧力:6.5GPa
成長時間:61.5時間
ここで、窒素除去剤とは、炭素より窒素との親和性が高く、融剤金属に添加することでダイヤモンド結晶中の窒素濃度を低減しうる金属を指す。文献(H.Sumiya and S.Satoh,Diam.Related Matter.,Vol.5,p.1359(1996)など)にあるとおり、具体的にはAl,Ti,Zrなどが挙げられる。
【0034】
上記条件で成長方向が[001]となるように種結晶を配置し、合成した。合成の結果、重量64.0mgの{100}と{111}のファセットを有する淡青色の単結晶を得た。
この結晶を、スカイフ盤研磨によって、厚さ0.5mm、2mm×2mmの板状に研磨加工した。
この結晶を赤外吸収分光法を用いて測定したところ、結晶中の実効アクセプタ濃度は9ppmであった。また、結晶中の窒素濃度に関しても同様に赤外分光法によって定量したところ、0.1ppm以下という値を得た。
【0035】
このホウ素添加ダイヤモンド半導体層1上に、MW−CVD法でホモエピタキシャル成長させた無添加ダイヤモンド絶縁層3を成長させる。
【0036】
ホモエピタキシャル成長によるダイヤモンド絶縁層3の成膜は、MW−CVD装置によって高純度のメタンガスと高純度の水素ガスを用いて、以下の条件で作製した。
合成に当たって、基板表面を清浄にするために、H2プラズマ処理を10分間施した。
【0037】
[成長条件]
基板:ホウ素添加高圧ダイヤモンド結晶
MW出力:500W
ガス:CH4;0.2%,H2;99.8%
ガス純度:CH4;99.9999%,H2;99.99999%
流量:500ml/min
合成圧力:40Torr
合成時間:20min
【0038】
上記条件で得たダイヤモンド絶縁層の膜厚は、およそ20nmであった。通常気相合成法で作製したダイヤモンド膜の表面には水素終端導電層が形成されているので、試料をクロム混酸で10分間処理して表面を絶縁化した。
【0039】
この無添加絶縁性気相合成ダイヤモンド膜(絶縁層)3上に、タングステンからなる第1の電極5をスパッタリング法を用いて以下のように形成した。
【0040】
[スパッタリング条件]
ターゲット金属:タングステン(W)
ガス:Ar;30ml/min,圧力;5mTorr
基板温度:200℃
電圧:700V
電流:1A
成膜時間:2min
膜厚:360Å
【0041】
次いで、タングステン層(第1の電極)5上に、例えばスピンコーティングによりポジフォトレジスト層を形成(フォトレジスト粘度:15Cp,回転数:3,500rpm,時間:30秒間)した後、大気中で80℃の温度で30分間乾燥後、マスクアライナーを用いて不必要部分に紫外線を露光(紫外線露光量:350mJ/cm2)し、フォトレジスト用現像液で露光部分を除去し、大気中で130℃の温度で30分間乾燥することでレジスト膜を形成する。
【0042】
このレジスト膜を用いて、タングステン層を王水(塩酸:硝酸=3:1)によって3分間エッチングする。
その後、アセトンを用いて超音波洗浄を3分間行い、レジストを除去して電極5を形成する。
【0043】
続いて試料下面にも上記第1の電極5の作製方法と同様にして第2の電極7を作製した。
【0044】
このようにして得た、気相合成ダイヤモンド結晶を用いた自由励起子再結合発光MISダイヤモンド紫外線発光素子10の電流電圧特性を図2を用いて説明する。図2は横軸に第1の電極5と第2の電極7の間に印加する電圧(V)を、縦軸は第1の電極5から第2の電極7に流れる電流(mA)を示す。
【0045】
図から明らかなように、第1の電極5が正電位となるように逆バイアス電圧を印加した場合には、200V印加時まで漏れ電流は0.1mA以下である。第1の電極5が負となるように電圧を印加する順バイアス時には、−120V程度から急に電流が増大する。この結果はMIS構造によってダイオード特性が得られていることを意味している。
【0046】
図3を用いて、電流注入発光スペクトルを測定した結果を説明する。
図は、電極間に140Vの電圧を印加して4mAの電流を流したときの発光を測定したもので、横軸は波長(nm)を、縦軸は発光強度(任意目盛)を示している。
【0047】
図から明らかなように、紫外領域で極めて強い自由励起子再結合発光(主ピーク波長235nm、および副ピーク(フォノンサイドバンド)波長242nm)を得ることができており、波長300nm以下の領域では不純物や格子欠陥に起因する発光を観察することができない。この結果は、本発明の素子においてはもっとも実用上有利である自由励起子再結合発光が支配的なダイヤモンド発光素子が得られていることを示している。
【0048】
一方、図5は、同一条件下の高温高圧法で作製したホウ素添加ダイヤモンド半導体に、タングステン電極を実施例1と同様にして作製した発光素子を電流注入動作させたときの発光スペクトルである。この場合には、不純物起因であるホウ素束縛励起子再結合発光(波長238nm)が現われている。この結果との対比から、本発明の素子においてはホウ素添加ダイヤモンド半導体層からの発光の寄与が相対的に小さく、ダイヤモンド絶縁層が主たる発光層として機能していることを意味している。
【0049】
すなわち、本発明によれば、電流注入によって生じる紫外線発光は、効率の高い自由励起子再結合発光がほとんどであり、効率の悪い不純物・格子欠陥起因の発光がほとんど生じないので、全体として高い発光効率で自由励起子再結合発光するMIS構造のダイヤモンド紫外線発光素子を得ることができる。
さらに、本発明によれば、ダイヤモンド絶縁層が主たる発光層として機能しうる、発光効率の高いMIS構造のダイヤモンド紫外線発光素子を得ることができる。
【0050】
以上のように、本発明によれば、電流注入により動作する、自由励起子再結合発光が支配的であるMIS構造ダイヤモンド紫外線発光素子を提供することができる。
【0051】
以上の説明における、絶縁性のダイヤモンド結晶膜1は、単結晶であってもよくもしくは多結晶であってもよい。
【0052】
本発明にかかる電流注入による自由励起子再結合発光MISダイヤモンド紫外線発光素子の他の実施の形態を図6を用いて説明する。
図6は、ダイヤモンド結晶基板上に設けた気相合成ダイヤモンド結晶を用いた自由励起子再結合発光が支配的であるMIS構造ダイヤモンド紫外線発光素子20の構成を模式的に示す断面図である。以下、このMIS構造ダイヤモンド紫外線発光素子20を実施例2とする。
【0053】
自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子20は、高温高圧法によって得た無添加ダイヤモンド結晶からなる高圧ダイヤモンド結晶基板21と、該高圧ダイヤモンド結晶基板21の表面に気相合成によって成長させたホウ素添加気相合成ダイヤモンド結晶層(半導体層)22と、ホウ素添加気相合成ダイヤモンド結晶層22の成長面の一部に気相合成によって成長させた無添加で高品質の気相合成ダイヤモンド結晶層(絶縁層)23と、該高品質の気相合成ダイヤモンド結晶層(絶縁層)23の表面に設けたタングステン(W)からなる第1の電極24と、前記ホウ素添加気相合成ダイヤモンド結晶層(半導体層)22の表面の一部に設けた設けたタングステン(W)からなる第2の電極25とを有して構成される。
【0054】
第1の電極24にはワイヤ26を、第2の電極25にはワイヤ27を結線している。
【0055】
自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子20の基板となるダイヤモンド結晶基板21は、第1の実施の形態に示したダイヤモンド結晶層と同様に高温高圧法によって得られた高圧合成ダイヤモンド結晶からなる。
【0056】
第1の実施の形態と同様に、高圧合成ダイヤモンド結晶基板21は、温度差法(高温高圧法)を用いて以下の成長条件で製造される。
【0057】
[成長条件]
原料炭素:熱分解炭素
融剤金属:鉄(Fe)−コバルト(Co)合金
窒素除去剤:アルミニウム(Al),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr)
成長温度:1450℃
合成圧力:6.5GPa
成長時間:90時間
【0058】
上記条件で成長方向が[001]となるように種結晶を配置し、合成した。合成の結果、重量70.5mgの{100}と{111}のファセットを有する無色の単結晶を得た。
この結晶を、スカイフ盤研磨によって、厚さ0.5mm、2mm×2mmの板状に研磨加工した。
【0059】
この無添加高圧合成ダイヤモンド結晶基板21の上に、MW−CVD法でホモエピタキシャル成長させたホウ素添加ダイヤモンド半導体層22を成長させる。
【0060】
ホモエピタキシャル成長によるホウ素添加気相合成ダイヤモンド半導体層22の成膜は、MW−CVD装置によって高純度のメタンガスと高純度の水素ガスを用いて、以下の条件で作製した。
合成に当たって、基板表面を清浄にするために、H2プラズマ処理を10分間施した。
【0061】
[成長条件]
基板:IIa(100)高圧ダイヤモンド結晶
MW出力:600W
ガス:CH4;0.1%、H2;99.9%
ガス純度:CH4;99.9999%,H2;99.99999%
ホウ素ソース:トリメチルボロン(B(CH33
気相合成時のプラズマ中の窒素原子数と炭素原子数の比(B/C):100ppm
流量:500ml/min
合成圧力:40Torr
温度:850〜900℃
合成時間:30時間
膜厚:5μm
【0062】
このホウ素添加ダイヤモンド半導体層22上に、MW−CVD法でホモエピタキシャル成長させた無添加ダイヤモンド絶縁層23を成長させる。
【0063】
ホモエピタキシャル成長による無添加高品質ダイヤモンド絶縁層23の成膜は、MW−CVD装置によって高純度のメタンガスと高純度の水素ガスを用いて、以下の条件で作製した。
【0064】
[成長条件]
MW出力:600W
ガス:CH4;0.2%、H2;99.8%
ガス純度:CH4;99.9999%,H2;99.99999%
流量:500ml/min
合成圧力:40Torr
温度:850〜900℃
合成時間:2時間
膜厚:0.2μm
【0065】
この無添加気相合成ダイヤモンド絶縁層23上に、アルミニウムマスクをフォトリソグラフィにより形成した。
【0066】
リアクティブイオンエッチング(RIE)法によって無添加気相合成ダイヤモンド結晶層(絶縁層)23の一部を除去する。マスクはアルミニウムを用い、以下の条件でエッチングを行った。
[エッチング条件]
ガス:O2;20ml/min、CF4;2.5ml/min、圧力;50mTorr
RFパワー:200W
エッチング時間:12min
【0067】
上記エッチング処理によって露出したホウ素添加気相合成ダイヤモンド結晶層(半導体層)22の表面と、エッチング処理によって残った無添加気相合成ダイヤモンド結晶層(絶縁層)23の表面に実施例1と同様にしてフォトリソグラフィによってタングステン電極24,25を作製する。
タングステン電極成膜条件は下記のようであった。
【0068】
[スパッタリング条件]
ガス:Ar;30ml/min,圧力;5mTorr
基板温度:200℃
電圧:700V
電流:1A
成膜時間:2min
膜厚:360Å
【0069】
このようにして、気相合成ダイヤモンド結晶を用いたMISダイヤモンド紫外線発光素子20を形成する。
【0070】
上記構造のMISダイヤモンド紫外線発光素子20に電流注入を行ったところ、図5と同様な235nmピークの自由励起子再結合発光を得た。
【0071】
以下、図1に示した実施例1のMIS構造ダイヤモンド紫外線発光素子の電流注入動作時の自由励起子再結合発光の絶縁層3中の窒素濃度依存性について説明する。
窒素はダイヤモンド結晶中に取り込まれやすい不純物であり、自由励起子再結合発光を阻害する。したがって、主な発光層であるダイヤモンド絶縁層内の窒素濃度の制御は、本発明にかかわる自由励起子再結合発光が支配的なMIS構造ダイヤモンド紫外線発光素子を得るために大変重要である。
【0072】
上記ダイヤモンド絶縁層をMW−CVD合成法で作製する際に、プラズマ中の窒素濃度を変化させて、以下の試料を作製した。他の条件は実施例1の条件と同一である。
【0073】
各試料の合成時のプラズマ中の窒素原子数Nと炭素原子数Cの比N/Cは、実施例1では100ppm以下、実施例3では200ppm、比較例1では2000ppm、比較例2では20000ppmであった。なお、実施例1では意図的な窒素添加を行っていないが、合成に用いた水素およびメタンガスの成分分析の結果、および合成装置のリーク量から計算した窒素濃度を記載した。
これらの試料について、電流注入動作時における自由励起子再結合(FE)発光の有無について調べた結果を表1に示す。
【0074】
【表1】

Figure 0004294170
【0075】
表1から明らかなように、絶縁層合成時のプラズマ中の窒素濃度が、2000ppm以上となる比較例1および比較例2の試料では、電流流入による自由励起子再結合発光を得ることができない。その一方で、窒素濃度200ppm以下の実施例1および実施例3の試料では、電流注入による自由励起子再結合発光が得られている。
したがって、本発明にかかる自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子を得るには、合成時のプラズマ中の窒素濃度の上限が200ppmであることが理解できる。
【0076】
また、実施例3の自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子におけるダイヤモンド絶縁層中の窒素濃度を2次イオン質量分析法(SIMS)で分析したところ、約90ppmという値を得た。
この結果から、本発明にかかる自由励起子再結合発光ダイヤモンド紫外線発光素子を得るには、ダイヤモンド絶縁層中の窒素濃度の上限が90ppmであることが理解できる。
【0077】
【発明の効果】
上記の説明のように、本発明にかかる気相合成ダイヤモンド結晶を用いた自由励起子再結合発光MISダイヤモンド紫外線発光素子は、短い波長の紫外線を電流注入により発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるダイヤモンド紫外線発光素子の構成を示す概念図。
【図2】本発明にかかるダイヤモンド紫外線発光素子のダイオード特性図。
【図3】本発明にかかるダイヤモンド紫外線発光素子の電流注入による自由励起子再結合発光(紫外線発光)の特性図。
【図4】本発明にかかるダイヤモンド紫外線発光素子と従来のダイヤモンド紫外線発光素子の紫外線発光特性図。
【図5】本発明にかかるホウ素添加半導体ダイヤモンドと同一の条件下で作製した試料からの、電流注入発光スペクトル図。
【図6】本発明の第2の実施の形態にかかるダイヤモンド紫外線発光素子の構成を示す概念図。
【符号の説明】
1 ホウ素添加ダイヤモンド結晶層(半導体層)
3 無添加ダイヤモンド層(絶縁層)
5 第1の電極(W)
7 第2の電極(W)
10,20 ダイヤモンド紫外線発光素子
21 無添加ダイヤモンド結晶基板層
22 ホウ素添加ダイヤモンド結晶層(半導体層)
23 気相合成無添加ダイヤモンド結晶層(絶縁層)
24 第1の電極(W)
25 第2の電極(W)
26,27 ワイヤ
51,71 ワイヤ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a free exciton recombination luminescent diamond using vapor-phase synthetic diamond that emits ultraviolet rays that can be used in the fields of optical information recording / reading processing, photolithography, optical processing, phosphor excitation light source, etc. The present invention relates to an ultraviolet light emitting element.
[0002]
[Prior art]
Ultraviolet light has a short wavelength and can be used for microfabrication. For example, there are various demands such as increasing recording density using optical recording / reading processing and increasing mounting density using semiconductor microprocessing equipment. is there.
[0003]
Examples of the ultraviolet light source include a deuterium lamp and an excimer laser. However, the deuterium lamp has low efficiency and low brightness in ultraviolet emission. In addition, since excimer lasers use gas, they are large, require water cooling, are inconvenient to handle, and some use halogen or the like. As described above, the conventional ultraviolet light source has various inconveniences in use.
[0004]
Diamond has also been known as a material that emits ultraviolet rays. This diamond ultraviolet light emitting device is small, highly efficient, high in luminance, and excellent in safety.
In particular, when a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) diode structure is employed, the light emission efficiency can be further improved. This is because the energy barrier generated at the semiconductor / insulator interface has an effect of confining carriers contributing to light emission. In the MIS light emitting element, the light emitting portion is near the boundary between the insulating layer and the insulating layer of the semiconductor layer.
[0005]
Conventional MIS diamond light emitting devices using diamond as an insulating layer include, for example, (1) JP-A-4-240784, (2) JP-A-7-307487, (3) JP-A-8-330624, and the like. It is described in.
[0006]
In the ultraviolet light emission of these conventional MIS diamond light emitting elements, boron is added to diamond constituting the semiconductor layer, and additive-free diamond is used for the insulating layer. However, the ultraviolet light emission of these conventional diamond light emitting elements is dominated by ultraviolet light emission due to impurities or lattice defects, and free exciton recombination light emission having a short wavelength inherent to diamond is not dominant.
In addition, these publications describe free exciton recombination emission, which is a cathodoluminescence (CL) method in which an electron beam is emitted from the outside in order to confirm the characteristics of diamond. It only explains the results measured by.
[0007]
That is, the ultraviolet light-emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-240784 is based on boron band light emission having a peak of ultraviolet light emission at 260 nm, and free exciton recombination light emission is not dominant.
Further, the short wavelength light emitting element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-307487 is based on boron-bound exciton recombination light emission having a peak of ultraviolet light emission at 238 nm, and is free exciton recombination light emission having good light emission efficiency. The UV emission by is not dominant.
[0008]
When considering the MIS diamond ultraviolet light emitting element, the light emission caused by such impurities and defects has a longer wavelength than the intrinsic light emission, which is disadvantageous as the mechanism of the short wavelength light emitting element. In order to improve the emission intensity, high-density defects or high-concentration impurities must be introduced into the crystal. As a result, the crystal quality is lowered and the intensity of ultraviolet light emission is reduced. Furthermore, emission peaks with different wavelengths induced by the introduction of impurities / defects consume a part of the implantation energy, and the useful ultraviolet emission efficiency is also lowered. For these reasons, light emission due to impurities and defects is not practical as a mechanism of a current injection type light emitting device.
[0009]
On the other hand, free exciton recombination light emission is intrinsic light emission in each material, and generally has the shortest wavelength and the highest density of states among the light emission obtained from the material. It is most desirable to realize In diamond, an intrinsic spectrum related to free exciton recombination emission is examined by an analytical method such as cathodoluminescence. The energy of free excitons of diamond at room temperature corresponds to a wavelength of 229 nm, but actually light emission called a phonon sideband group appearing in the vicinity of 235 nm, 242 nm, 249 nm, and 257 nm is mainly observed. In general, all of these are referred to as “free exciton recombination emission”, and particularly suitable as an ultraviolet light emitting element is emission having an energy of around 235 nm. Here, this emission is referred to as “free exciton recombination”. This is called “coupled emission”.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional MIS diamond ultraviolet light emitting elements have insufficient quality of diamond crystals forming the light emitting layer, and contain many impurities and defects. For this reason, when configured as a current injection type light emitting device, sufficient emission intensity could not be obtained for free exciton recombination light emission which is most advantageous in practical use.
[0011]
For example, in the spectrum of a light-emitting element described in JP-A-7-307487, the intensity of free exciton recombination emission (235 nm), which is the original emission of diamond, is an example of constrained excitation due to impurities and defects. It is clearly small with respect to the intensity of the child light emission (238 nm), which is less than a fraction. That is, although this light emitting element employs a structure in which the insulating layer is a light emitting layer, light emission (238 nm) due to impurities that cannot be present in the insulating layer is obtained. This means that it does not function as the main light emitting layer. This leads to low practical device light emission efficiency, which is inferior in practical use.
[0012]
On the other hand, in the case of the MIS diamond light-emitting device of the present invention, free exciton recombination light emission is larger than the emission intensity of bound excitons, which are an example of impurities and defects, and the intensity ratio is several times or more. This is characterized by the fact that it is defined as ultraviolet light emission in which free exciton recombination light emission is dominant.
[0013]
An object of the present invention is to provide a light emitting element by current injection excitation in which free exciton recombination light emission having a short wavelength intrinsic to diamond is dominant, using a diamond MIS structure.
[0014]
This will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the light emission state by current injection in the ultraviolet region of the MIS diamond ultraviolet light emitting device according to the present invention and the conventional MIS diamond ultraviolet light emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-307487. The solid line shows the characteristics of the diamond light emitting device according to the present invention, and the broken line shows the characteristics of the conventional diamond light emitting device. In FIG. 4, the scales of the vertical axis of the solid line and the broken line are normalized by the maximum light emission peak intensity for comparison.
[0015]
As is clear from the figure, the diamond light-emitting device according to the present invention has a peak at 235 nm, which is emission due to free exciton recombination emission, and is 238 nm, which is emission of bound exciton, which is an example of impurities and defects. It is extremely large and dominant in comparison with the strength of.
However, the conventional diamond light-emitting element has a peak at 238 nm, which is a bound exciton emission, which is an example of impurities and defects, and has a low intensity at 235 nm, which is emission by free exciton recombination emission.
That is, in the present invention, ultraviolet light emission in which free exciton recombination light emission is dominant can be obtained.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is provided with a semiconductor layer made of a diamond crystal and one surface of the semiconductor layer. Additive-free An insulating layer made of diamond crystals, The semiconductor layer is composed of diamond crystals added with boron obtained by a high temperature and high pressure method in the presence of a nitrogen removing agent, and the insulating layer is composed of diamond crystals obtained by vapor phase synthesis with a nitrogen concentration of 90 ppm or less. , Emits light when excited by current injection 235nm Free exciton recombination emission Do not observe light emission due to impurities and lattice defects in the region with a peak and a wavelength of 300 nm or less A diamond ultraviolet light emitting element was obtained.
[0017]
A second aspect of the present invention is the diamond ultraviolet light emitting element according to the first aspect, wherein the diamond insulating layer functions as a light emitting layer.
[0020]
Claim 3 The invention of claim 1 or claim 2 In the diamond ultraviolet light-emitting device, the number of nitrogen atoms in the plasma at the time of crystal synthesis of the gas phase synthetic diamond insulating layer is 200 ppm or less as a ratio to the number of carbon atoms. Crystals synthesized in a gas phase under various atmospheres It was.
[0021]
Claim 4 The invention of claim 1 to claim 1 3 In the diamond ultraviolet light-emitting device according to any one of the above, the diamond insulating layer is a diamond crystal obtained by a microwave plasma vapor phase synthesis method (MW-CVD method).
[0022]
Claim 5 The invention of claim 1 to claim 1 4 In the diamond ultraviolet light-emitting device according to any one of the above, the diamond insulating layer is a diamond crystal obtained by homoepitaxial growth.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The structure of a free exciton recombination luminescence MIS diamond ultraviolet light emitting device using the vapor phase synthetic diamond crystal according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. Hereinafter, a free exciton recombination light-emitting MIS diamond ultraviolet light-emitting device obtained in this embodiment is referred to as Example 1.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a diamond ultraviolet light emitting element 10 that emits free exciton recombination using a vapor phase synthetic diamond crystal provided on a diamond crystal substrate.
[0027]
A free exciton recombination light-emitting diamond ultraviolet light-emitting device 10 includes a boron-added high-pressure diamond crystal layer (semiconductor layer) 1 and a diamond crystal layer grown by vapor-phase synthesis on the first surface of the boron-added high-pressure diamond crystal layer ( Insulating layer) 3, first electrode 5 made of tungsten (W) provided on the growth surface of vapor-phase synthetic diamond crystal layer 3, and tungsten (W) provided on the second surface of high-pressure synthetic diamond crystal layer 1. And the second electrode 7.
[0028]
A wire 51 is connected to the first electrode 5, and a wire 71 is connected to the second electrode 7.
[0029]
The semiconductor layer 1 and the insulating layer 3 are made of high-quality diamond that contains only trace amounts of impurities other than lattice defects and dopants.
[0030]
The diamond crystal layer 1 constituting the free exciton recombination light emitting diamond ultraviolet light emitting element 10 is made of a high pressure synthetic diamond crystal obtained by a high temperature high pressure method described below.
Here, the high-temperature and high-pressure method is a so-called temperature difference method, in which a carbon raw material is dissolved in a flux metal in a temperature and pressure region where diamond can stably exist, and the carbon is seed crystal (diamond fine crystal). This is a method for producing diamond deposited on a crystal.
Diamond manufacturing methods using the temperature difference method are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 4-108532 and 5-200271.
[0031]
As the flux metal, a material capable of sufficiently dissolving carbon and functioning as a catalyst for promoting the crystal growth of diamond is used. As the flux metal, as described in the literature (for example, Kanda et al., Journal of Chemical Society of Japan 1981, vol. 9, p. 1349 to 1355), specifically, iron (Fe) and / or cobalt (Co) and / or An alloy containing nickel (Ni) is used.
[0032]
The high-pressure diamond crystal layer (semiconductor layer) 1 is manufactured under the following growth conditions using a temperature difference method (high-temperature high-pressure method).
[0033]
[Growth conditions]
Carbon raw material: pyrolytic carbon; boron (B) added as a dopant at 1000 ppm
Flux metal: Iron (Fe) -Cobalt (Co) alloy
Nitrogen remover: Aluminum (Al), Titanium (Ti), Zirconium (Zr)
Growth temperature: 1450 ° C
Synthesis pressure: 6.5 GPa
Growth time: 61.5 hours
Here, the nitrogen removing agent refers to a metal that has a higher affinity for nitrogen than carbon and can be added to the flux metal to reduce the nitrogen concentration in the diamond crystal. Specific examples include Al, Ti, Zr and the like as described in the literature (H. Sumiya and S. Satoh, Diam. Related Matter., Vol. 5, p. 1359 (1996), etc.).
[0034]
A seed crystal was arranged and synthesized so that the growth direction was [001] under the above conditions. As a result of the synthesis, a light blue single crystal having {100} and {111} facets weighing 64.0 mg was obtained.
This crystal was polished into a plate having a thickness of 0.5 mm, 2 mm × 2 mm by Skyf disk polishing.
When this crystal was measured using infrared absorption spectroscopy, the effective acceptor concentration in the crystal was 9 ppm. Further, when the nitrogen concentration in the crystal was similarly quantified by infrared spectroscopy, a value of 0.1 ppm or less was obtained.
[0035]
On this boron-added diamond semiconductor layer 1, an additive-free diamond insulating layer 3 that is homoepitaxially grown by the MW-CVD method is grown.
[0036]
The diamond insulating layer 3 was formed by homoepitaxial growth using a MW-CVD apparatus using high-purity methane gas and high-purity hydrogen gas under the following conditions.
In the synthesis, in order to clean the substrate surface, H 2 Plasma treatment was applied for 10 minutes.
[0037]
[Growth conditions]
Substrate: Boron-added high-pressure diamond crystal
MW output: 500W
Gas: CH Four ; 0.2%, H 2 99.8%
Gas purity: CH Four 99.9999%, H 2 ; 99.9999%
Flow rate: 500ml / min
Composite pressure: 40 Torr
Synthesis time: 20min
[0038]
The film thickness of the diamond insulating layer obtained under the above conditions was approximately 20 nm. Since a hydrogen-terminated conductive layer is formed on the surface of a diamond film usually produced by a gas phase synthesis method, the sample was treated with a mixed chrome acid for 10 minutes to insulate the surface.
[0039]
A first electrode 5 made of tungsten was formed on the additive-free insulating vapor-phase synthetic diamond film (insulating layer) 3 by sputtering as follows.
[0040]
[Sputtering conditions]
Target metal: Tungsten (W)
Gas: Ar; 30 ml / min, pressure: 5 mTorr
Substrate temperature: 200 ° C
Voltage: 700V
Current: 1A
Deposition time: 2 min
Film thickness: 360mm
[0041]
Next, a positive photoresist layer is formed on the tungsten layer (first electrode) 5 by, for example, spin coating (photoresist viscosity: 15 Cp, rotation speed: 3,500 rpm, time: 30 seconds), and then 80 in the atmosphere. After drying at a temperature of 30 ° C. for 30 minutes, a mask aligner is used to expose unnecessary portions with ultraviolet rays (ultraviolet light exposure: 350 mJ / cm 2 The exposed portion is removed with a photoresist developer, and the resist film is formed by drying in the atmosphere at a temperature of 130 ° C. for 30 minutes.
[0042]
Using this resist film, the tungsten layer is etched with aqua regia (hydrochloric acid: nitric acid = 3: 1) for 3 minutes.
Thereafter, ultrasonic cleaning is performed using acetone for 3 minutes, the resist is removed, and the electrode 5 is formed.
[0043]
Subsequently, a second electrode 7 was also formed on the lower surface of the sample in the same manner as the first electrode 5 was formed.
[0044]
The current-voltage characteristics of the free exciton recombination luminescence MIS diamond ultraviolet light emitting element 10 using the vapor phase synthetic diamond crystal thus obtained will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the voltage (V) applied between the first electrode 5 and the second electrode 7 on the horizontal axis, and the current (mA) flowing from the first electrode 5 to the second electrode 7 on the vertical axis. .
[0045]
As is apparent from the figure, when a reverse bias voltage is applied so that the first electrode 5 has a positive potential, the leakage current is 0.1 mA or less until 200 V is applied. At the time of forward bias in which a voltage is applied so that the first electrode 5 becomes negative, the current suddenly increases from about −120V. This result means that diode characteristics are obtained by the MIS structure.
[0046]
The result of measuring the current injection emission spectrum will be described with reference to FIG.
In the figure, light emission was measured when a voltage of 140 V was applied between the electrodes and a current of 4 mA was applied. The horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents light emission intensity (arbitrary scale). .
[0047]
As is clear from the figure, extremely strong free exciton recombination emission (main peak wavelength 235 nm and sub peak (phonon sideband) wavelength 242 nm) can be obtained in the ultraviolet region, and impurities are emitted in the region of wavelength 300 nm or less. In addition, light emission caused by lattice defects cannot be observed. This result shows that a diamond light-emitting device in which free exciton recombination light emission is dominant is obtained which is most practically advantageous in the device of the present invention.
[0048]
On the other hand, FIG. 5 shows an emission spectrum when a light-emitting element in which a tungsten electrode is manufactured in the same manner as in Example 1 is subjected to a current injection operation in a boron-added diamond semiconductor manufactured by a high-temperature and high-pressure method under the same conditions. In this case, boron-bound exciton recombination emission (wavelength: 238 nm) caused by impurities appears. From the comparison with this result, in the device of the present invention, the contribution of light emission from the boron-added diamond semiconductor layer is relatively small, which means that the diamond insulating layer functions as a main light emitting layer.
[0049]
That is, according to the present invention, the ultraviolet light emission generated by current injection is mostly free exciton recombination light emission with high efficiency, and light emission due to inefficient impurities / lattice defects hardly occurs. A diamond ultraviolet light emitting element having a MIS structure that emits free exciton recombination efficiently can be obtained.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to obtain a diamond ultraviolet light emitting element having a MIS structure with high luminous efficiency, in which the diamond insulating layer can function as a main light emitting layer.
[0050]
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a MIS structure diamond ultraviolet light emitting element that operates by current injection and in which free exciton recombination light emission is dominant.
[0051]
In the above description, the insulating diamond crystal film 1 may be single crystal or polycrystalline.
[0052]
Another embodiment of a free exciton recombination luminescence MIS diamond ultraviolet light emitting device by current injection according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a MIS structure diamond ultraviolet light emitting element 20 in which free exciton recombination light emission using a gas phase synthetic diamond crystal provided on a diamond crystal substrate is dominant. Hereinafter, this MIS structure diamond ultraviolet light emitting element 20 is referred to as Example 2.
[0053]
A free exciton recombination luminescent diamond ultraviolet light emitting device 20 includes a high-pressure diamond crystal substrate 21 made of an additive-free diamond crystal obtained by a high-temperature and high-pressure method, and boron-added grown on the surface of the high-pressure diamond crystal substrate 21 by vapor phase synthesis. Gas phase synthesized diamond crystal layer (semiconductor layer) 22 and boron-added gas phase synthesized diamond crystal layer 22 are grown on a part of the growth surface by gas phase synthesis, and an additive-free high quality gas phase synthesized diamond crystal layer (insulating) Layer) 23, a first electrode 24 made of tungsten (W) provided on the surface of the high-quality vapor-phase synthetic diamond crystal layer (insulating layer) 23, and the boron-added vapor-phase synthetic diamond crystal layer (semiconductor layer) ) 22 and a second electrode 25 made of tungsten (W) provided on a part of the surface of 22.
[0054]
A wire 26 is connected to the first electrode 24, and a wire 27 is connected to the second electrode 25.
[0055]
A diamond crystal substrate 21 serving as a substrate of the free exciton recombination luminescent diamond ultraviolet light emitting element 20 is made of a high-pressure synthetic diamond crystal obtained by a high-temperature high-pressure method in the same manner as the diamond crystal layer shown in the first embodiment.
[0056]
Similar to the first embodiment, the high-pressure synthetic diamond crystal substrate 21 is manufactured under the following growth conditions using a temperature difference method (high-temperature high-pressure method).
[0057]
[Growth conditions]
Raw material carbon: pyrolytic carbon
Flux metal: Iron (Fe) -Cobalt (Co) alloy
Nitrogen remover: Aluminum (Al), Titanium (Ti), Zirconium (Zr)
Growth temperature: 1450 ° C
Synthesis pressure: 6.5 GPa
Growth time: 90 hours
[0058]
A seed crystal was arranged and synthesized so that the growth direction was [001] under the above conditions. As a result of synthesis, a colorless single crystal having a facet of {100} and {111} weighing 70.5 mg was obtained.
This crystal was polished into a plate having a thickness of 0.5 mm, 2 mm × 2 mm by Skyf disk polishing.
[0059]
On this additive-free high-pressure synthetic diamond crystal substrate 21, a boron-added diamond semiconductor layer 22 that is homoepitaxially grown by the MW-CVD method is grown.
[0060]
The boron-added vapor phase synthetic diamond semiconductor layer 22 was formed by homoepitaxial growth using a high-purity methane gas and a high-purity hydrogen gas by a MW-CVD apparatus under the following conditions.
In the synthesis, in order to clean the substrate surface, H 2 Plasma treatment was applied for 10 minutes.
[0061]
[Growth conditions]
Substrate: IIa (100) high-pressure diamond crystal
MW output: 600W
Gas: CH Four ; 0.1%, H 2 99.9%
Gas purity: CH Four 99.9999%, H 2 ; 99.9999%
Boron source: Trimethylboron (B (CH Three ) Three )
Ratio of the number of nitrogen atoms and the number of carbon atoms in the plasma during vapor phase synthesis (B / C): 100 ppm
Flow rate: 500ml / min
Composite pressure: 40 Torr
Temperature: 850-900 ° C
Synthesis time: 30 hours
Film thickness: 5μm
[0062]
On the boron-added diamond semiconductor layer 22, an additive-free diamond insulating layer 23 that is homoepitaxially grown by the MW-CVD method is grown.
[0063]
The additive-free high-quality diamond insulating layer 23 was formed by homoepitaxial growth using a MW-CVD apparatus using high-purity methane gas and high-purity hydrogen gas under the following conditions.
[0064]
[Growth conditions]
MW output: 600W
Gas: CH Four ; 0.2%, H 2 99.8%
Gas purity: CH Four 99.9999%, H 2 ; 99.9999%
Flow rate: 500ml / min
Composite pressure: 40 Torr
Temperature: 850-900 ° C
Synthesis time: 2 hours
Film thickness: 0.2 μm
[0065]
An aluminum mask was formed on the additive-free gas phase synthetic diamond insulating layer 23 by photolithography.
[0066]
A part of the additive-free gas phase synthetic diamond crystal layer (insulating layer) 23 is removed by reactive ion etching (RIE). The mask was made of aluminum and etched under the following conditions.
[Etching conditions]
Gas: O 2 ; 20 ml / min, CF Four 2.5 ml / min, pressure; 50 mTorr
RF power: 200W
Etching time: 12 min
[0067]
The surface of the boron-added gas phase synthetic diamond crystal layer (semiconductor layer) 22 exposed by the etching process and the surface of the additive-free gas phase synthetic diamond crystal layer (insulating layer) 23 left by the etching process are the same as in Example 1. Then, tungsten electrodes 24 and 25 are produced by photolithography.
The conditions for forming the tungsten electrode were as follows.
[0068]
[Sputtering conditions]
Gas: Ar; 30 ml / min, pressure: 5 mTorr
Substrate temperature: 200 ° C
Voltage: 700V
Current: 1A
Deposition time: 2 min
Film thickness: 360mm
[0069]
Thus, the MIS diamond ultraviolet light emitting element 20 using the vapor phase synthetic diamond crystal is formed.
[0070]
When current was injected into the MIS diamond ultraviolet light emitting element 20 having the above structure, free exciton recombination light emission having a 235 nm peak similar to FIG. 5 was obtained.
[0071]
Hereinafter, the dependence of the free exciton recombination emission on the nitrogen concentration in the insulating layer 3 during the current injection operation of the MIS structure diamond ultraviolet light emitting device of Example 1 shown in FIG. 1 will be described.
Nitrogen is an impurity that is easily incorporated into diamond crystals and inhibits free exciton recombination luminescence. Therefore, control of the nitrogen concentration in the diamond insulating layer, which is the main light emitting layer, is very important for obtaining a MIS structure diamond ultraviolet light emitting device in which free exciton recombination light emission is dominant according to the present invention.
[0072]
When the diamond insulating layer was produced by the MW-CVD synthesis method, the following samples were produced by changing the nitrogen concentration in the plasma. Other conditions are the same as those in Example 1.
[0073]
The ratio N / C between the number of nitrogen atoms N and the number of carbon atoms C in the plasma during synthesis of each sample was 100 ppm or less in Example 1, 200 ppm in Example 3, 2000 ppm in Comparative Example 1, and 20000 ppm in Comparative Example 2. there were. In addition, in Example 1, although intentional nitrogen addition was not performed, the result of the component analysis of the hydrogen and methane gas used for the synthesis, and the nitrogen concentration calculated from the leak amount of the synthesizer are described.
Table 1 shows the results of examining these samples for the presence or absence of free exciton recombination (FE) emission during the current injection operation.
[0074]
[Table 1]
Figure 0004294170
[0075]
As is clear from Table 1, in the samples of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which the nitrogen concentration in the plasma at the time of synthesizing the insulating layer is 2000 ppm or more, free exciton recombination emission due to current inflow cannot be obtained. On the other hand, in the samples of Example 1 and Example 3 having a nitrogen concentration of 200 ppm or less, free exciton recombination emission by current injection was obtained.
Therefore, in order to obtain the free exciton recombination luminescent diamond ultraviolet light emitting device according to the present invention, it can be understood that the upper limit of the nitrogen concentration in the plasma during synthesis is 200 ppm.
[0076]
Moreover, when the nitrogen concentration in the diamond insulating layer in the free exciton recombination luminescent diamond ultraviolet light emitting device of Example 3 was analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS), a value of about 90 ppm was obtained.
From this result, it can be understood that the upper limit of the nitrogen concentration in the diamond insulating layer is 90 ppm in order to obtain the free exciton recombination light emitting diamond ultraviolet light emitting device according to the present invention.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, the free exciton recombination luminescence MIS diamond ultraviolet light emitting element using the vapor phase synthetic diamond crystal according to the present invention can generate ultraviolet light having a short wavelength by current injection.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of a diamond ultraviolet light emitting device according to the present invention.
FIG. 2 is a diode characteristic diagram of the diamond ultraviolet light emitting element according to the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram of free exciton recombination light emission (ultraviolet light emission) by current injection in the diamond ultraviolet light emitting element according to the present invention.
FIG. 4 is an ultraviolet light emission characteristic diagram of a diamond ultraviolet light emitting device according to the present invention and a conventional diamond ultraviolet light emitting device.
FIG. 5 is a current injection emission spectrum diagram of a sample manufactured under the same conditions as the boron-added semiconductor diamond according to the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a configuration of a diamond ultraviolet light emitting element according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Boron-added diamond crystal layer (semiconductor layer)
3 Additive-free diamond layer (insulating layer)
5 First electrode (W)
7 Second electrode (W)
10,20 Diamond UV light emitting device
21 Additive-free diamond crystal substrate layer
22 Boron-added diamond crystal layer (semiconductor layer)
23 Gas phase synthesis additive-free diamond crystal layer (insulating layer)
24 1st electrode (W)
25 Second electrode (W)
26, 27 wires
51, 71 wire

Claims (5)

ダイヤモンド結晶からなる半導体層と、該半導体層の一面に設けた無添加ダイヤモンド結晶からなる絶縁層とを有し、
前記半導体層が窒素除去剤の存在の下で高温高圧法によって得たホウ素を添加したダイヤモンド結晶で構成され、
前記絶縁層が気相合成法によって得た窒素濃度が90ppm以下のダイヤモンド結晶で構成され、
電流注入により励起して発光する、235nmの自由励起子再結合発光にピークを持ち波長300nm以下の領域で不純物や格子欠陥に起因する発光を観察しないダイヤモンド紫外線発光素子。
A semiconductor layer made of a diamond crystal and an insulating layer made of an additive-free diamond crystal provided on one surface of the semiconductor layer;
The semiconductor layer is composed of diamond crystals added with boron obtained by a high temperature and high pressure method in the presence of a nitrogen removing agent,
The insulating layer is composed of diamond crystals having a nitrogen concentration of 90 ppm or less obtained by a vapor phase synthesis method,
A diamond ultraviolet light emitting element that emits light by excitation by current injection , has a peak in recombination light emission at 235 nm, and does not observe light emission due to impurities or lattice defects in a wavelength region of 300 nm or less .
上記ダイヤモンド絶縁層が発光層として機能する、請求項1に記載のダイヤモンド紫外線発光素子。  The diamond ultraviolet light emitting element according to claim 1, wherein the diamond insulating layer functions as a light emitting layer. 上記気相合成ダイヤモンド絶縁層が結晶合成時におけるプラズマ中の窒素原子数が炭素原子数に対する比で200ppm以下の雰囲気下で気相合成されたダイヤモンド結晶である請求項または請求項2に記載のダイヤモンド紫外線発光素子。 Nitrogen atoms in the plasma during the CVD diamond insulating layer crystal synthesis according to claim 1 or claim 2 is a gas phase synthesized diamond crystals under the following atmosphere 200ppm the ratio to the number of carbon atoms Diamond ultraviolet light emitting element. 上記ダイヤモンド絶縁層が、マイクロ波プラズマ気相合成法により得たダイヤモンド結晶である請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のダイヤモンド紫外線発光素子。The diamond ultraviolet light emitting element according to any one of claims 1 to 3, wherein the diamond insulating layer is a diamond crystal obtained by a microwave plasma vapor phase synthesis method. 上記気相合成ダイヤモンド絶縁層が、ホモエピタキシャル成長により得たダイヤモンド結晶である請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のダイヤモンド紫外線発光素子。The diamond ultraviolet light emitting element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the vapor phase synthetic diamond insulating layer is a diamond crystal obtained by homoepitaxial growth .
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