JPH02260470A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電圧の印加によって可視光領域で発光する
発光素子に関し、特にダイヤモンドを用いた発光素子に
関するものである。

［従来の技術］ 発光ダイオードは、低電圧で発光する高効率の発光素子
であり、表示素子として広く利用されている。発光ダイ
オードは、半導体からの自然放出による光を利用してい
る。具体的には、主として半導体のｐｎ接合面における
過剰のキャリアの再結合によって発生する過剰なエネル
ギが光に変換される。現在では、青色光から赤外光まで
種々の光の波長を出す発光ダイオードが知られている。

発光ダイオードに利用されている代表的な半導体として
は、ＧａＡａｓ　ＧａＰｂ　ＧａＡｓＰ、１ｎＰ等の■
−ｖ族化合物半導体、Ｚｎ５ｅ、ＣｄＳ等のＩＩ−Ｖｌ
族化合物半導体あるいはＳｉＣ等が知られている。

上述のような材料に対して、ダイヤモンドははるかに大
きなバンドギャップを有している（５゜４７ｅＶ）。し
たがって、ダイヤモンドを用いた発光素子は、青色光お
よび紫外光といった短波長領域の光を出す可能性がある
。

前述したように、発光させるためのキャリアの注入とし
ては、ｐｎ接合が一般的に用いられている。ｐ型の導電
特性を有するダイヤモンドに関しては、硼素（Ｂ）のド
ーピングによって容易に作ることができる。しかし、ｎ
型の導電特性を有するダイヤモンドに関しては、その生
成が報告されているものの、その抵抗値が非常に高い。

したがって、ダイヤモンドを用いる発光素子に関しては
、ｐｎ接合以外の手段によってキャリア注入を行なわな
ければ所望の発光を得ることができない。−数的には、
ポイント接触が上記条件を満足するが、デバイスとして
利用することはできない。

ダイヤモンドに対しで整流作用を得る手段として、ショ
ットキ接合が報告されている。Ｃｏ１ｔｉｎｓ達は、Ｊ
、Ｐｈｙｓ、Ｄ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、９，９５１　（
１９７６）において、ダイヤモンドに対して金が良好な
ショットキ接合を作ることを報告している。また、Ｇｅ
１ｓ達は、ＷＥＥＥ、ＥＬＥＣＴＲＯＮ　　ＤＥＶＩＣ
Ｅ　　ＬＥＴＴＥＲＳ　　ＥＤＬ、８，３４１　（１９
８７）において、ダイヤモンドに対してタングステンが
良好なジョツキ接合を作ることを報告している。

さらに、本件出願の発明者の一部は、特願昭６３−７５
１７７号において、ダイヤモンド単結晶の上に硼素をド
ーピングしたエピタキシャル層を成長させ、このエピタ
キシャル層に対してショットキ接合する金属としてタン
グステンを報告している。

本件出願の発明者は、ダイヤモンドと上述のような金属
とのショットキ接合を用いてキャリア注入を行なえば、
ダイヤモンドの発光素子が形成できるであろうと推測し
た。

すなわち、この発明の目的は、ショットキ接合を利用し
たダイヤモ〉・ドの発光素子を提供することである。

［発明の構成〕 この発明に従った発光素子は、単結晶ダイヤモンドの基
板の主表面に、気相合成法によって硼素をドーピングし
たエピタキシャル層を成長させ、このエピタキシャル層
の上に正極と負極とを形成し、前記負極材料として、タ
ングステン、モリブデン、金、アルミニウムを含む群か
ら選ばれた金属を用いることを特徴とする。

［発明の作用効果］ ダイヤモンドを用いた発光素子において、再現性良く発
光する発光素子を作製するためには、動作特性に大きな
影響を及ぼすダイヤモンドが良質で再現性の良い特性を
有していることが必要である。また、ダイヤモンドに電
流を流す必要があることから、低抵抗の領域を形成する
必要がある。

つまり、硼素をドーピングしたダイヤモンドが必要にな
る。

超高圧法で形成するダイヤモンドには、触媒や窒素など
が不純物として入りやすい。そのために、安定したＢド
ープダイヤモンドを得にくい。一方、ダイヤモンド単結
晶の基板の主表面上に気相合成法によって単結晶ダイヤ
モンドをエピタキシャル成長させ、このとき硼素をドー
ピングすると、安定した特性のＢドープダイヤモンドが
得られる。

基板としてダイヤモンド単結晶を用いない場合には、成
長層が多結晶ダイヤモンドとなり、その特性が不安定と
なる。

超高圧法で作製したダイヤモンドに、硼素をドーピング
したエピタキシャル層を成長させると、硼素以外の不純
物を含まない高純度で、しかも特性の安定したＢドープ
ダイヤセン１層を形成することができる。

上述のようにして形成されたエピタキシャル層の上に、
正極と負極とを形成する。負極材料として、タングステ
ン、モリブデン、金、アルミニウムを含む群から選ばれ
た金属を用いると、良好なショットキ特性を示す。正極
材料としては、たとえば、ダイヤモンドに対してオーミ
ック接合する金属が選ばれる。たとえば、チタンが正極
材料として用いられる。

正極と負極との間の電圧−電流特性は、整流特性を示す
。

この発明に従った発光素子は、青色から緑色までの短波
長成分を含むので、適当なフィルタ等を用いることによ
って青色発光素子として使用され得る。このような発光
素子は、表示素子、ＬＥＤテレビ等多くの分野に利用さ
れ得る。

硼素をドーピングしたダイヤモンドエピタキシャル層の
形成にあたっては、高純度の膜の形成方法を用いること
が重要である。たとえば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法
やＲＦプラズマＣＶＤ法等の無電極型のプラズマＣＶＤ
法を採用するのが好ましい。硼素をドーピングする方法
としては、典型的にはガスから原料を供給する方法であ
るが、その方法に限定されるものではない。

基板となるべき単結晶ダイヤモンドとしては、いわゆる
Ｉａ型ダイヤモンドよりもＩｂ型ダイヤモンドまたはＩ
ｌａ型ダイヤモンドが好ましい。このようなダイヤモン
ドは、天然ダイヤモンドであっても人工合成ダイヤモン
ドであっても同様の効果を発揮する。

特性の安定したエピタキシャル成長を実現するためには
、単結晶ダイヤモンドの基板の主表面の面指数を（１０
０）にするのが好ましい。しかし、必ずしもこの面指数
に限定されるものでもない。

正電極および負電極の形成方法としては、真空蒸着法、
スパッタリング法、ＣＶＤ法等の気相合成法が望ましい
。このような気相合成法によれば、界面に不純物を生じ
ることがなく、良好な接合を得ることができる。しかし
、このような方法に限定されるものでもない。

オーミック接合する正極電極としてはＴｉが良好な特性
を示すが、同様な特性を示す他の金属であっても差し支
えない。

［実施例］ 実施例１ 人工合成ダイヤモンド単結晶を切断研摩して、その大き
さが２Ｘ２ＸＯ，５ｍｍの基板を作製した。基板の主表
面の面指数は（１００）面であり、表面粗さは２００八
程度であった。

上記基板の主表面に、公知のマイクロ波ブラズｖＣＶＤ
法によッテ、ＣＲ２（１％）−８２Ｈ。

（０，００００５％）−Ｈ２（残）の反応ガスがら、Ｂ
ドープ層を形成した。処理条件は、圧力が４０Ｔｏｒｒ
で基板温度が９００℃であった。Ｂドープ層の厚みは０
．５μｍであった。

上記Ｂドープ層は、反射電子線回折によりダイモンド単
結晶であることが確認された。したがって、エピタキシ
ャル成長していると判断される。

Ｂドープエピタキシャル層の上に、金属マスクを用いて
２つの電極を形成した。２つの電極が形成されている状
態を第１図に示す。

第１図を参照して、ダイヤモンド単結晶基板１の主表面
上にＢドープエピタキシャル層２が形成され、さらにそ
の上に負極となるべ′き、一方の電極３と正極となるべ
き他方の電極４とが形成されている。

一方の電極３は、タングステン電極であり、１Ｏ−２Ｔ
ｏｒｒのＡ「雰囲気下で平面型スパッタリング装置によ
って形成された。他方の電極４は、チタンとモリブデン
と金とからなる３層構造の電極である。Ｂドープエピタ
キシャル層２に接する最下層としてチタンが用いられ、
中間層としてモリブデンが用いられ、最上層として金が
用いられている。この３層電極は、ｌＯ−’Ｔｏｒｒの
真空度で真空蒸着によって形成された。

３層電極を構成するチタンの膜厚は０．　５μｍ。

モリブデンの膜厚は０．８μｍ１金の膜厚は０゜５μｍ
であった。タングステン電極３の膜厚は０゜５μｍであ
った。

正極４と負極３との間の電流特性を調べた結果、第２図
に示すような整流特性が現われた。

タングステン電極３を負極とし、３層構造の電極４を正
極として、両電極間にタングステンのプローブで一４０
Ｖの直流電圧を印加したところ、タングステン電極３の
周辺部分で発光が見られた。

この発光を分光分析したところ、第３図に示すスペクト
ルが得られた。ピーク波長は５３０１ｍであった。

実施例２ 天然のｎａ型ダイヤモンドを切断研摩して、その大きさ
が１．５Ｘ１．５ＸＯ，３ｍｍの基板を形成した。基板
の主表面の面指数を（１００）面とした。

上記基板の主表面上に、実施例１と同様の条件でＢドー
プダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させた。さらに
、エピタキシャル層の上に、ＷＦ６の分解によるＣＶＤ
法によってタングステン膜を形成し、その後レジストパ
ターンをマスクにした露光処理、王水を用いた現像処理
によって所定形状のタングステン電極を作った。さらに
、真空蒸着法によって、Ｔｉ＼Ｍｏ＼Ａｕの３層電極も
形成した。

上述のようにして得られた素子において、タングステン
電極を負極として一５０Ｖの直流電圧を印加したところ
、４７０ｎｍをピークとするスペクトルの発光が見られ
た。

実施例３ 実施例１と同様の基板を用いて、同様の処理方法でＢド
ープエピタキシャル層を形成した。このエピタキシャル
層の上に、負極となるべきショットキ電極として、ＩＯ
−’Ｔｏｒｒの真空度で真空蒸着法によって膜厚０６５
μｍの金を堆積した。

同一の処理条件で金の代わりにモリブデンを堆積したも
のも作った。さらに、同一の処理条件で金の代わりにア
ルミニウムを堆積したものも作った。

上記３つの試料に対して、それぞれ、正極となるべきオ
ーミック電極として、実施例１と同様の電極を形成した
。

負極として金電極を用いたサンプルに一５０Ｖの直流電
圧を印加したところ、発光が見られそのピーク波長は５
２０ｎｍであった。負極電極としてモリブデン電極を用
いたサンプルに一４０Ｖの直流電圧を印加したところ、
発光が見られそのピーク波長は５３０ｎｍであった。さ
らに、負極電極としてアルミニウム電極を用いたサンプ
ルに一５５Ｖの直流電圧を印加したところ、発光が見ら
れそのピーク波長は４７０ｎｍであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１で作製された発光素子の構造を示す
斜視図である。 第２図は、実施例１で作製した発光素子の電圧−電流特
性を示す図である。 第３図は、実施例１で作製した発光素子の発光スペクト
ルを示す図である。 図において、１はダイヤモンド単結晶基板、２はＢドー
プエピタキシャル層、３は負極としてのタングステン電
極、４は正極としてのチタン＼モリブデン＼金の３層構
造電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単結晶ダイヤモンドの基板の主表面に、気相合成法によ
   って硼素をドーピングしたエピタキシャル層を成長させ
   、このエピタキシャル層の上に正極と負極とを形成し、
   前記負極材料として、タングステン、モリブデン、金、
   アルミニウムを含む群から選ばれた金属を用いることを
   特徴とする、発光素子。