JPH06103754B2 - ダイヤモンドを用いた発光装置およびその作製方法 - Google Patents

ダイヤモンドを用いた発光装置およびその作製方法

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JPH06103754B2
JPH06103754B2 JP1143552A JP14355289A JPH06103754B2 JP H06103754 B2 JPH06103754 B2 JP H06103754B2 JP 1143552 A JP1143552 A JP 1143552A JP 14355289 A JP14355289 A JP 14355289A JP H06103754 B2 JPH06103754 B2 JP H06103754B2
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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可視光発光装置および
その作製方法に関するものである。
「従来の技術」 発光素子に関しては、赤色発光はGaAs等のIII−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146930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
あるという長所があり、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。
ショットキ接合が十分安定な機能を有さないため、必要
異常に高い電圧を印加しなければならない。またその電
圧もショットキ接合の程度が素子毎にバラつき、高い製
造歩留まりを期待できない。
またダイヤモンドはI型(真性)およびP型の導電型は
作りやすいが、N型の伝導型を作ることはきわめて困難
であり、結果としてダイヤモンドのみを用いてPIN接合
またはPN接合を構成させることが困難であった。
「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、上側に配設された電極とI型またはP型の
導電型を有するダイヤモンドとの間にN型の導電型を有
する珪素または炭化珪素を単層または多層に設けたもの
である。特にこのバッファ層材料は、電極材料とダイヤ
モンド材料との局部的な異常化学反応を進行させない効
果をも合わせて有せしめた。そしてダイヤモンド中に発
生源に効率よく電荷を注入して、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、P型の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、P型のダイヤモンドと、こ
のダイヤモンドの上表面にN型の炭化珪素または珪素の
単層または多層の層(以下バッファ層ともいう)を介し
て1つまたは複数の電極を設ける。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
様の電流を流して発光装置、例えば可視光発光装置を設
けたものである。この上側の電極とダイヤモンドとの間
にN型の珪素、炭化珪素またはこれらの多層膜を設け、
結果的にP型またはI型のダイヤモンド上にN型導電体
層として電極材料とダイヤモンドとが直接密接しないよ
うにして長期間の実使用条件下での信頼性を向上せしめ
た。即ち構造としてはP型(珪素基板)−PまたはI
(ダイヤモンド)−N(炭化珪素、珪素または炭化珪素
上に珪素)接合を安定に生ぜしめたものである。
さらに本発明は、青色発光をより有効に発生させるた
め、このダイヤモンド中にVIb族の不純物を添加物とし
て加えた。即ちS(イオウ),Se(セレン),Te(テル
ル)より選ばれた元素を添加した。またダイヤモンド合
成にはメタノール(CH3OH)等の炭素と酸素との化合物を
用いた。具体的にはH2S,H2Se,H2Te,(CH3)2S,(CH3)2Se,
(CH3)2Teをダイヤモンド成膜中に添加して加えた。
また他の方法としては、O,S,Se,Teをイオン注入法によ
りダイヤモンド成膜後添加してもよい。かくするとダイ
ヤモンド中に損傷を作り、かつ不純物も同様に添加でき
るため、再結合中心または発光中心をより多く作ること
ができる。
このイオン注入法を用いる場合、この後大気中でアニー
ル、例えば300〜600℃にしても損傷がそのまま残り、原
子的な意味での歪エネルギが緩和されるのみであるた
め、発光効率を高めることができる。
そしてこれらの結果、電極とダイヤモンドとの界面を化
学的に安定にし、かつダイヤモンド中を電流が流れ、バ
ンド間遷移、バンド−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士間での遷
移によるキャリアの再結合が起きて、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、この遷移バ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
金属導体上に第2図に示す有磁場マイクロ波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
粒を混合したアルコールを用いた混合液中に浸し、超音
波を1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(1)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CVD装置は、2.45GHzの周波数のマイク
ロ波エネルギを最大10KWまでマイクロ波発振器(18),
アテニュエイタ(16),石英窓(15)より反応室(19)
に加えることができる。また磁場(17),(17′)でヘ
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2.2KG(キロガウス)にまで加えた。こ
のコイルの内部の基板(1)をホルダ(13)に基板をお
さえ(14)で配設させた。また基板位置移動機構(12)
で反応炉内での位置を調節した。さらに10-3〜10-6torr
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(CH3OH)またはエチルアルコール(C2H5OH)等
のアルコール(22)を水素(21)で40〜200体積%(100
体積%の時はCH3OH:H2=1:1に対応)に希釈して導入し
た。さらに必要に応じてP型不純物としてトリメチルボ
ロン(B(CH3)3)を系(23)よりB(CH3)3/CH3OH=0.5〜3
%導入して、ダイヤモンドをP型化した。さらにドーパ
ントとしてS,Se,Teを添加する場合、系24より例えば(H2
Sまたは(CH3)2S)/CH3OH=0.1〜3%添加した。これはダ
イヤモンドの上部(基板から離れた側)に主として添加
した。圧力は0.01〜3torr例えば0.26torrとした。2.2KG
(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5KWを加
え、このマイクロ波の熱エネルギで基板の温度を200〜1
000℃、例えば800℃とした。
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(2)を第1図(A)に示した如
く、0.5〜3μm例えば平均厚さ1.3μm(成膜時間2時
間)の成膜をさせることができた。
即ち、第1図において、P型珪素基板(1)上にBが添
加されたダイヤモンドの層(2−1),ノンドープ、S,
SeまたはTeが添加されたダイヤモンド層(2−2)より
なるダイヤモンド(2)をそれぞれ0.7μm、0.6μmの
厚さに形成した。
さらに第1図(B)に示すようにこれらの上側にN型の
導電型の珪素膜(3)をプラズマCVDにて300Å〜0.3μ
mの厚さに形成した。この形成をダイヤモンドと同様の
単なるプラズマCVD装置を用い、マイクロ波エネルギを1
KW以下とすると基板の温度が100〜400℃であるため、珪
素膜を形成することができる。またこれを2〜10KW例え
ば4KWとすると、下地のダイヤモンドとアロイ反応を
し、成膜中に炭化珪素とすることができる。
これらの成膜はP型、N型と異なる不純物を添加するた
め、マルチチャンバ方式としてP型用不純物が添加され
たダイヤモンド成膜用反応室、発光センサ生成用不純物
が添加されたダイヤモンド成膜用反応室、N型半導体層
成膜用反応室として、それらを互いに連結して多量生産
を図ることは有効である。
第1図(C)はN型の導電膜を作り、これを加熱処理
し、珪素の下部接合をダイヤモンド上部と互いに反応さ
せ、炭化珪素化した。この炭化珪素膜にはVIb族の不純
物と、N型不純物とが混在し、その上に珪素にはN型不
純物のみが添加された構造となっている。
次にこの上側に電極部材(4),(5)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ITO
(酸化インジューム・スズ)とその上にアルミニウム、
銀、クロム、モリブデン等の金属を多層に形成した。
この電極を形成する他の方法は、クロムを形成し、それ
を珪素と反応させてCrSi化合物(透光性かつ導電性)を
10〜50Å形成し、その後残った金属クロムを除去し、こ
のクロム珪素合金上にアルミニウムをワイヤボンディン
グ用に形成した。
するとP型珪素基板−P型ダイヤモンド−N型の珪素ま
たは炭化珪素−透光性のクロム珪素合金−アルミニウム
構成とし、光をクロム珪素の透光性を利用して外部に発
生させる構造にすることができる。
この第1図(C)の構造において、一対をなす電極即ち
基板(1)と透光性電極(4),外部連続用電極(5)
との間に10〜200V(直流〜100Hzデューティ比1)例え
ば60Vの電圧で印加した。するとこ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青色の発
光をさせることが可能となった。強度は16カンデラ/m2
を有していた。接合部において酸素のみの非意図的な添
加とし、イオウ、セレンまたはテルルを添加しない場
合、発光強度は8カンデラ/m2しか有さなかった。
「実施例2」 この実施例においては、第1図に示す実施例1におい
て、P型シリコン単結晶基板上に実施例1に従い0.5〜
3μm、例えば1.2μm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、ダイヤ
モンド粒の混合したアルコール液体中で超音波を加え
て、形成されたダイヤモンド表面および上部に損傷層を
形成した。
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。
さらにこの上にN型の炭化珪素を0.1〜0.5μmの厚さに
形成した。
その他は実施例1と同一工程とした。
第2図(C)のかわりに上側に複数の電極を設け、例え
ば一対の電極間に40Vの電圧を印加した。するとここか
らは480nmの波長の青色発光を認めることができた。そ
の強度は25カンデラ/m2と実施例1よりさらに明るくす
ることができた。
「実施例3」 実施例1において、ダイヤモンドを単にP型のホウ素添
加層のみとした。この後、このダイヤモンドにVIb族の
元素をイオン注入法により50〜200KeVの加速電圧を用い
て1×1019〜3×1020cm-3の濃度に添加した。
すると、この不純物は上部のダイヤモンドを損傷し、か
つ発光中心としての不純物添加をすることができた。
この後、これを大気中でアニールし、さらにこれらの上
にN型の炭化珪素を形成した。さらに上側の電極を実施
例1と同様に形成した。
その結果、長期安定性を有するに加えて、青色発光を波
長480nm,20カンデラ/m2以上の強さに作ることができ
た。
「効果」 これまでは基板に40Vの電圧を10分加えるとダイヤモン
ドが60℃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の
構造とすることにより、60Vのパルス電圧を印加して
も、可視光発光を成就するに加えて、約1ヶ月間連続で
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またこの上または下側
のシリコン半導体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作り、複合した集積化電
子装置を構成せしめることは有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のダイヤモンド発光素子の作製工程およ
びその縦断面図を示す。 第2図は本発明のダイヤモンドを形成するための有磁場
マイクロ波装置の1例を示す。 1……P型珪素基板 2……ダイヤモンド 3……珪素膜 4……透光性電極 5……外部連続用電極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】P型珪素基板上にダイヤモンドと、該ダイ
    ヤモンド上にN型の炭化珪素または珪素が設けられたこ
    とを特徴とするダイヤモンドを用いた発光装置。
  2. 【請求項2】P型基板上にプラズマ気相法によりダイヤ
    モンドを形成する工程と、該ダイヤモンド上にN型の炭
    化珪素または珪素を形成する工程と、電極を形成する工
    程とを有することを特徴とするダイヤモンドを用いた発
    光装置作製方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項において、ダイヤモ
    ンド内部に発光中心または再結合中心となる不純物を有
    することを特徴とするダイヤモンドを用いた発光装置。
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