JPH036065A - ダイヤモンドを用いた電子装置の作製方法 - 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】 「発明の利用分野」 本発明は、ダイヤモンドを用いた電子装置の作製方法、
特に発光素子の作製方法に関するものである。

Ｃ従来の技術」 発光素子に関しては、赤色発光はＧａＡｓ等の■−Ｖ化
合物半導体を用いることにより、既に１０年以上も以前
に成就している。しかしこの発光素子は、赤色であり、
青色、緑色を出すことはきわめて困難であり、いわんや
白色光等の連続可視光を結晶材料で出すことは全く不可
能であった。

ダイヤモンドを用いて発光素子を作るという試みは本発
明人により既に示され、例えば昭和５６年特許願１４６
９３０号（昭和５６年９月１７日出願）に示されている
。

ダイヤモンドは耐熱性を有し、きわめて化学的に安定で
あるという長所力仝あり、かつ原材料も炭素という安価
な材料であるため、発光素子の市場の大きさを考えると
、その工業的多量生産の可能性はきわめて大なるものが
ある。

しかし、このダイヤモンドを用いた発光素子、を安定に
、かつ高い歩留まりで作る方法またはそれに必要な構造
はこれまでまったく示されていない。

「従来の欠点」 本発明は、ダイヤモンドを用いた可視光発光素子を構成
せしめ、かつその歩留まりを大とし、また、発光効率を
高めるためなされたものである。

本発明人は、従来のダイヤモンドにおける発光中心がい
かなるものであるかを調べた。そしてこれまで大きな電
流を素子を構成する一対の電極に加えた時、多量の熱が
発生してしまい、十分な可視光の発光はないという欠点
を調査した。その結果、以下の事実が判明した。

従来のダイヤモンドを用いた発光素子はダイヤモンドが
基板上に柱状に多結晶成長をしているため、結晶粒界を
多数有する。この結晶粒界にはダイヤモンド成分ではな
く、グラファイト成分が偏折し、電気的に導電性になり
やすい。

また不本意に存在しやすい金属イオン等が、ダイヤモン
ド成長過程で、その周辺部の結晶粒界に偏って集まりや
すく、発光をさせるために、一対の電極間に電流を印加
すると、この電流は粒界で電気的にリーク電流となりや
すい。この結果、第１図に示した如き構造においては、
加えた入力電力に比例してダイヤモンド中を流れる発光
に寄与する電流がきわめて少ない。

即ち、第１図は基板（ここでは導電性基板）上にダイヤ
モンド（２）が柱状に成長し、ピンホル（５）、結晶粒
界（４）を有し、ダイヤモンド上に上側の電極（３）を
設だことを示している。電極材料がピンホール内を通り
下側基板にまで至っているため、ここでは電気的ショー
トが起き、またグラファイト成分が偏折している結晶粒
界（４）にて粒界が導電性のためのリークが起きてしま
う。

「発明の目的」 本発明は、かかる欠点を除去するために成されたもので
ある。即ち、印加した電流のすべてまたは大部分が、結
晶粒界ではなくダイヤモンド中（バルク）を流れるよう
にすることを目的とする。そしてダイヤモンド中の発光
源に効率よく電荷を注入し、再結合を発光中心間、バン
ド間（価電子帯−価電子帯間）、または発光中心−バン
ド（伝導帯または価電子帯）間でなさしめんとしたもの
である。

「発明の構成」 本発明は、半導体または導体等の基板上または絶縁物表
面を有する基板上に、ダイヤモンドとこのダイヤモンド
の上表面に１つまたは複数の電極を設けた電子装置の作
製方法に関する。

１つの電極の場合は基板を導体とし、この基板と電極と
の間にパルスまたは直流、交流電流を流すことにより可
視光を発生させる。また複数の電極を形成する場合は、
絶縁表面を有する基板上にダイヤモンドを設け、その上
の複数の電極間に同様の電流を流して電子装置、例えば
可視光発光装置を設けたものである。しかし一般にダイ
ヤモンドは多結晶構造を有し、それぞれのダイヤモンド
結晶の周辺部にはピンホールまたは凹部を有する。この
ため本発明は、これらに対応したピンホールまたは凹部
に絶縁物、例えば有機物または無機物の絶縁物を充填し
、前記ダイヤモンド表面と前記絶縁物表面上に１つまた
は複数の電極を設けるための作製方法に関する。

ダイヤモンドは基板上に柱状に形成された場合、その結
晶粒界が電流通路になりやすい。この結晶粒界にはその
上表面に凹部またはピンホールが一般に構成されている
。そのため、この凹部またはピンホールの内部に絶縁物
、例えば有機樹脂絶縁膜または溶融ガラスを充填するこ
とにより、この電流が通路（バス）に集中的に流れるこ
とを禁止したものである。そしてダイヤモンド中を電流
が流れ、バンド間遷移、ノマンドー再結合中心または発
光中心間の遷移、または再結合中心同士または発光中心
同土間での遷移によるキャリアの再結合が起き、結果と
してその再結合のエネルギバンド間隔（ギャップ）に従
って可視光発光をなさしめんとしたものである。特にそ
の可視光はこの遷移ハンド間に従って青色、緑を出すこ
とができる。さらに複数のバンド間の再結合中心のエネ
ルギレベルを作ることにより、白色光等の連続光をも作
ることが可能である。

以下に本発明を実施例に従って記す。

「実施例１」 本発明において、ダイヤモンドはシリコン半導体または
金属導体上に有磁場マイクロ波ＣｖＤ装置を用いて作製
した。この有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置により、ダイヤ
モンド膜を形成する方法等に関しては、本発明人の出願
になる特願昭６１−２９２８５９　（薄膜形成方法（昭
和６１年１２月８日出願））に示されている。その概要
を以下に示す。

Ｐ型に高濃度に添加された半導体基板を、ダイヤモンド
粒を混合した混合液中に浸して超音波を１０分〜１時間
加えた。するとこの半導体基板上に微小な損傷を多数形
成させることができる。この損傷はその後のダイヤモン
ド形成用の核のもととすることができる。この基板を有
磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ装置（以下単にプラズマ
ＣＶＤ装置ともいう）内に配設した。このプラズマＣＶ
Ｄ装置は２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を最大１
０に−まで加えることができる。また磁場をヘルムホル
ツコイルを用い、８７５ガウスの共鳴面を構成せしめる
ため、最大２ＫＷにまで加えた。このコイルの内部の基
板が配設された反応炉内を、１０−３〜１０−　’　ｔ
ｏｒｒまでに真空引きをした。この後これらに対して、
メチルアルコール（Ｃ１１：ｌ０Ｈ）またはエチルアル
コール（Ｃ２Ｈ５０）１）等のアルコールを水素で１〜
１５体積χ体積状して導入した。例えば、５χの体積比
で導入し、圧力は０．０１〜５０ｔｏｒｒ例えば０．１
ｔｏｒｒ　とした。２ＫＧ　（キロガウス）の磁場を加
え、基板の位置またはその近傍が８７５ガウスとなるよ
うにした。マイクロ波は５ＸＷを加えた。

するとこのマイクロ波エネルギで分解されプラズマ化し
たアルコール中の炭素は、基板上に成長し、単結晶のダ
イヤモンドを多数柱状に成長させることができる。同時
にこのダイヤモンド以外にグラファイト成分も形成され
やすいが、これは酸素および水素と反応し、炭酸ガスま
たはメタンガスとして再気化し、結果として結晶化した
炭素即ちダイヤモンドを０．５〜３μｍ例えば平均厚さ
１．３μｍ／２時間の成膜をさせることができた。

しかし結晶粒界はこの電気的導電性のグラファイト成分
が残存し、電気的リークパスを作りやすい。また結晶成
長であるため、このグラファイト成分の残存していると
ころが結晶粒界となり、凹部を上表面で構成する。

このダイヤモンドは基板より上方に向かって成長する多
結晶構造である。その１例として、第２図（Ａ）におい
ては、シリコン基板（１）上を柱状にダイヤモンド（２
）を成長させることができる。

しかしこのダイヤモンド（２）は多結晶であり、それぞ
れ結晶は互いに隣合い、そこに結晶粒界（４）を生じる
。時にはピンホール（上方より基板にまでおいている穴
即ち開孔ともいう）（５）をも有する。

この結晶粒界（４）をレーザラマン分光法で調べると、
ここにはグラファイト成分が多く存在し、電気的にはダ
イヤモンド（２）よりも１０２〜１０４倍も電流を流し
やすい領域であることが判明した。

この実施例においては、このためこれら全面にフォトレ
ジスト特にポジレジストをコートした。するとピンホー
ル（５）の内部にも絶縁物である有機物を充填すること
ができた。また多結晶ダイヤモンドの上表面の凹部例え
ば（４°）にも絶縁物である有機物を充填することがで
きた。

するとこのコートされた有機樹脂の上表面を平坦とする
ことができる。これはポジ型フォトレジスト、例えば０
ＦＰＲ８００（粘度Ｃ，Ｐ／Ａのものをさらに希釈して
調整した）をスピンコード法で塗布することにより成就
できる。

またこれらを公知のベーク（８０°Ｃ，２０分）をし、
紫外光の照射（強度２ｍＷ／ｃｍ２を６秒間）をした。

この照射時間を調整して、破線（１１）まで感光させた
。さらにこの感光した領域を（ＮＭＤ−３）の現像液を
用いて除去し、残ったレジストのまま、または必要に応
じて加熱硬化させた。するとダイヤモンド（２）の上表
面（２゛）を露呈させ、さらに凹部（４゛）またはピン
ホール（５）を絶縁物（４’）、　（５’）で充填させ
ることが可能となった。

次にこの上側に電極部材（７）を真空蒸着法、スパッタ
法で形成した。この電極としては透光性のｔｒｏ　＜ｕ
化インジューム・スズ）（７）とその上にアルミニウム
、銀、モリブデン等の金属（１２）を多層に形成した。

この電極としてアルミニウムのみまたはクロムまたはモ
リブデンとその上にアルミニウムとして多層膜としても
よい。クロム等は耐熱性金属で安定であり、またその上
のアルミニウムはワイヤボンディング用に適している。

以上の如き工程により、基板上に柱状の多結晶のダイヤ
モンドが形成され、その上表面が露呈し、直接電極部材
と密接し、さらに凹部またはピンホールは絶縁物で充填
され、電気的り−クパスの存在を防ぐことが可能となっ
た。

この第２図（Ｃ）の構造において、一対をなす電極即ち
基板（１）と電極（１２）との間に１０〜２００ｖ（直
流〜１０ＱＩＩｚデユーティー比１）例えば６０Ｖの電
圧で印加した。する七二のダイヤモンドの部分に電流を
流した後、ここから可視光発光特に緑色の発光をさせる
ことが可能となった。強度は１２カンデラ／　ｍ　Ｚを
有していた。

「実施例２」 この実施例においては、実施例１に加えて、基板として
は絶縁性表面を有せしめた、［１１ちシリコン単結晶基
板上に窒化珪素膜を０．５〜１μｍの厚さに形成した。

この上に実施例１に従い０．５〜３μｍ、例えば１．２
μｍの平均厚さでダイヤモンドを形成した。この後、こ
のダイヤモンド表面に対して実施例１で行ったと同様に
ダイヤモンド粒の混合した液体中で超音波を加えて、形
成されたダイヤモンド表面に損傷を与えた。

するとこのダイヤモンドの上表面には再結合中心例えば
発光中心を多数作ることができた。

この後は実施例１と同様に本発明方法の絶縁物を充填す
る工程とした。

第２図（Ｃ）のかわりに上側に複数の電極、例えば一対
の電極（７）　、　（１７）間に４０Ｖの電圧を印加し
た。するとここからは４５０ｎｍの波長の青色発光を認
めることができた。その強度は６力ンデラ／ｍ２を得る
ことができた。

第３図において、基板（１）はシリコン基板（２ｏ）と
窒化珪素膜Ｊｆ！（２１）とを総称している。第２図（
Ａ）　、　（Ｂ）に対応した工程では、簡単のため略し
た。またダイヤモンドに与えた損傷を（２２）として示
している。

「効果」 これまでは基板に３０Ｖの電圧を１０分加えるとダイヤ
モンドが５０’Ｃ近い温度となり、上側電極とダイヤモ
ンドとが反応し劣化してしまった。

しかし以上に示した本発明に示した構造とすることによ
り、６０Ｖの電圧を印加しても、可視光発光を成就する
に加えて、約１ケ月間連続で印加してもその発光輝度に
何らの低下もみられなかった。

本発明は１つの発光素子を作る場合を主として示した。

しかし同一基板上に複数のダイヤモンドを用いた発光装
置を作り、電極を形成した後適当な大きさにスクライブ
、ブレイクをして１つづつ単体または集積化した発光装
置とすることは有効である。さらにかかる発光装置を含
め、同じダイヤモンドを用いてダイオード、トランジス
タ、抵抗、コンデンサを一体化して複合した電子装置を
構成せしめるこきは有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のダイヤモンド発光素子を示す。 第２図は本発明のダイヤモンド発光素子の作製工程およ
びその纒断面図を示す。 第３図は本発明のダイヤモンドの他の１例を示す。 ４ｐ 弔 ］ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に多結晶のダイヤモンドを形成する工程と、
   該ダイヤモンドを覆って光透光性 有機樹脂を形成することにより、前記ダイ ヤモンドのピンホールまたは凹部に前記有 機樹脂を充填する工程と、前記有機樹脂を 選択的に除去して、前記ピンホールまたは 凹部の前記有機樹脂を残存させつつ、前記 ダイヤモンド上表面を露呈せしめる工程と、前記上表面
   に１つまたは複数の電極を形成 する工程を有することを特徴とするダイヤ モンドを用いた電子装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、ダイヤモンドはプ
   ラズマ気相反応方法により基板上 に柱状に多結晶を形成したことを特徴とす るダイヤモンドを用いた電子装置の作製方 法。