JPH10144474A

JPH10144474A - ダイヤモンド膜を有する発光素子及び平面パネルディスプレイ

Info

Publication number: JPH10144474A
Application number: JP8304762A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobashi; 宏司小橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-05-29
Anticipated expiration: 2016-11-15
Also published as: JP3970965B2; US6072275A

Abstract

(57)【要約】【課題】下部電極と蛍光膜との間を真空状態にするこ
となく、低消費電力で安定した発光を得ることができる
ダイヤモンド膜を有する発光素子及び平面パネルディス
プレイを提供する。【解決手段】基体３２上に下部電極２１が形成されて
おり、下部電極２１上には気相合成によるダイヤモンド
膜２７が形成されている。また、ダイヤモンド膜２７上
には蛍光薄膜２５及び上部電極２４が順次積層されてお
り、上部電極２４上には選択的に配線用電極２３が形成
されている。更に、配線用電極２３及び下部電極２１は
電源２９に接続されている。そして、例えば、下部電極
２１に正の電圧を印加すると、下部電極２１からダイヤ
モンド膜２７にホールが注入される。更に、このホール
はダイヤモンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２
５をエネルギー励起して蛍光を発し、上部電極２４に到
達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンド膜を有
する発光素子及び平面パネルディスプレイに関し、特
に、低消費電力で高輝度の発光を得ることができる発光
素子及び平面パネルディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性が優れ、エネルギ
ーギャップが５．５ｅＶと大きいことが特徴であり、通
常は絶縁体であるが、不純物をドーピングすることによ
り半導体化することができる。また、ダイヤモンドは絶
縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きいと共に、誘電
率が小さいという優れた電気的特性を有する。更に、ダ
イヤモンドは熱伝導率が室温において種々の物質中で最
高値を示し、比熱が小さいことも公知である。

【０００３】ダイヤモンドの気相合成法としては、例え
ば、マイクロ波気相化学蒸着（マイクロ波ＣＶＤ）法が
ある（特公昭５９−２７７５４、特公昭６１−３３２０
等）。また、他にも、高周波プラズマＣＶＤ法、熱フィ
ラメントＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、プラズマジ
ェット法、燃焼法及び熱ＣＶＤ法等がある。これらの気
相合成法によると、非ダイヤモンド材料からなる基板上
に、膜状のダイヤモンドを低コスト及び大面積で得るこ
とができる。

【０００４】近時、真空中でダイヤモンド膜に対向した
位置に蛍光剤が塗布された電極を配置した発光素子が提
案されている。これは、ダイヤモンド膜と電極との間に
強い電圧を印加して、ダイヤモンド膜から真空中に電子
を放出させ、真空中で電子を加速して蛍光剤を励起させ
ることにより蛍光剤を発光させるものである。また、ダ
イヤモンド膜の代わりに、シリコン又は金属を使用した
発光素子も提案されている（伊藤順司、「真空マイクロ
エレクトロニクス」、応用物理、第５９巻、第２号、１
９９０年、及び横尾邦義、「真空マイクロエレクトロニ
クス−新しい真空素子の世界−」、電気学会誌、１１２
巻、４号、１９９２（Journal of IEEEJapan, Vol.112,
No.4(1992)））。

【０００５】図１２はシリコンを使用した発光素子の一
例を示す断面図である。以下、これを第１の従来例とい
う。シリコン基板１は電気絶縁性基板１２の上に形成さ
れており、その表面が微細加工されて、円錐形状のシリ
コン電子エミッタ２を有している。そして、エミッタ２
が形成された面に対向して、これに離間した位置に蛍光
電極６が配置されており、両者の間に形成された空間７
は高真空状態に保持されている。この蛍光電極６は透明
なガラス基板３上に透明電極４及び蛍光薄膜５を順次積
層することにより形成されたものであり、蛍光薄膜５側
をエミッタ２に対向させて配置されている。また、ガラ
ス基板３及びシリコン基板１には電源９が接続されてお
り、蛍光電極６とシリコン基板１との間に電圧を印加す
ることができるようになっている。

【０００６】このように形成された第１の従来例に係る
発光素子においては、蛍光電極６とシリコン基板１との
間に電圧を印加すると、シリコン電子エミッタ２から蛍
光電極６に向かって電子８が放出され、この電子８が蛍
光薄膜５を励起することにより蛍光を発する。

【０００７】また、図１３はシリコンを使用した平面パ
ネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。以
下、これを第２の従来例という。図１３に示す発光要素
が第１の従来例に示す発光素子と異なる点は、シリコン
基板１上にエミッタ２を取り囲む絶縁層１１が形成され
ており、この絶縁膜１１上にはエミッタ２の先端部を取
り囲む穴が設けられたゲート電極１０が形成されている
点のみである。従って、図１３において図１２に示すも
のと同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省
略する。

【０００８】図１３に示す平面パネルディスプレイの発
光要素においても、蛍光電極６とシリコン基板１との間
に電圧を印加すると、シリコン電子エミッタ２から蛍光
電極６に向かって電子８が放出され、この電子８が蛍光
薄膜５を励起することにより蛍光を発する。但し、第２
の従来例においては、エミッタ２の先端部の周辺にゲー
ト電極１０が配置されているので、このゲート電極１０
に負電圧を印加することによって、電子８の流量を抑制
することができる。従って、電子８の流量を調整するこ
とにより、輝度を制御することができる。

【０００９】また、これらの第１及び第２の従来例にお
いては、蛍光薄膜５の材料を変化させることにより、
赤、黄及び青の３原色又はその中間色を自由に発光させ
ることができ、単一の発光素子又は複数の発光素子を１
次元又は２次元的に配列したディスプレイを構成するこ
ともできる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１及
び第２の従来例に示す電子エミッタ２は、その材料とし
てシリコンが使用されているので、素子の動作中に発す
る熱によって電子エミッタ２の先端の曲率半径が大きく
なり、エミッタの電子放出特性が急速に劣化するという
問題点がある。また、図１２及び１３に示す空間７は高
真空状態ではあるが、酸素等のガスが微量に存在するの
で、この酸素がシリコンと反応して、シリコン基板１及
び電子エミッタ２の表面に電気絶縁性のＳｉＯ₂膜が生
成される。従って、これによっても電子エミッタ２の電
子放出特性が劣化する。このように、従来のシリコン電
子エミッタ素子は寿命が短く、大電力に耐えることがで
きないので、実用化が困難であった。

【００１１】ところで、ダイヤモンド薄膜に電圧を印加
することにより電子放出が起こることは公知である（C.
Wang, A.Garcia, D.C.Ingram, M.Lake and M.E.Kordesc
h, Electronics Letters, Vol.27, No.16, p.1459, Aug
ust 1991）。そこで、電子エミッタの材料として、気相
合成によって形成されたダイヤモンド粒子又はダイヤモ
ンド膜を使用することもできる。また、ダイヤモンド膜
中の電界が１０⁴（Ｖ／ｃｍ）以上であれば、電子がフ
ォノンとの相互作用によって、エネルギーを失うことな
くダイヤモンド膜中を移動することも報告されている
（Z.-H.Huang etal, Applied Physics Letters, Vol.6
7, No.9, p.1235 (1995)）。

【００１２】しかしながら、電子エミッタの材料として
ダイヤモンド膜を使用した場合、電流量が１０（ｍＡ／
ｃｍ²）となり、集積化したシリコン電子放出素子アレ
イの場合の１０００（ｍＡ／ｃｍ²）と比較して極めて
小さく、発光輝度が小さいという問題点がある。また、
このような電子エミッタを使用して平面ディスプレイを
製造する場合、電子エミッタに対向する電子引き出し電
極の間隔を厳密に一定に保持しないと、表示ムラが発生
してしまう。しかし、ミクロン単位以下の精度で電極の
間隔を厳密に一定に保つことは、極めて困難である。

【００１３】上述の問題点は、全て電子放出材料がシリ
コン、金属及びダイヤモンド等のいずれの材料を使用し
ても回避することができない問題点であり、エミッタと
蛍光電極との間に空間を有すること及びこの空間が真空
であることが起因している。

【００１４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、下部電極と蛍光膜との間を真空状態にする
ことなく、低消費電力で安定した発光を得ることができ
るダイヤモンド膜を有する発光素子及び平面パネルディ
スプレイを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド膜を有する発光素子は、キャリアを注入する下部電極
と、前記下部電極の表面上に形成され前記キャリアを輸
送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤ
モンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起に
よって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形
成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有する
ことを特徴とする。

【００１６】本発明の発光素子においては、キャリアを
注入する下部電極と蛍光薄膜との間に、気相合成ダイヤ
モンド膜が形成されている。前述の如く、ダイヤモンド
膜中の電界が１０⁴（Ｖ／ｃｍ）以上であれば、電子は
フォノンとの相互作用によって、エネルギーを失うこと
なくダイヤモンド中を高速で移動することができる。即
ち、このような高電界状態において、キャリアはダイヤ
モンド膜中を真空中の場合と同様に高速で移動させるこ
とができる。従って、従来の発光素子においては下部電
極と蛍光薄膜との間に形成された空間が真空状態であっ
たため、電子放出特性の劣化、エミッタ素子の寿命の低
下及び大電力に対する耐性の低下等の問題点があった
が、本発明においては、これらの種々の特性の劣化を防
止することができる。

【００１７】本発明においては、キャリアはホールとす
ることが可能である。

【００１８】また、下部電極は、白金又は白金を５０原
子％以上含有する合金からなることが好ましく、下部電
極の表面は凹凸を有することが望ましい。下部電極の材
料が上記の如く選択されていると、その上に蒸着するダ
イヤモンド膜の膜質を向上でき、下部電極の表面に凹凸
が形成されていると、キャリアの注入効率を向上でき
る。従って、いずれの場合についても、より一層低電圧
で高輝度の発光が得られる。

【００１９】更に、気相合成ダイヤモンド膜はアンドー
プダイヤモンド膜又は１×１０¹⁸（／ｃｍ³）未満のボ
ロン濃度を有するボロンドープダイヤモンド膜であって
もよい。また、このボロン濃度は前記気相合成ダイヤモ
ンド層の厚さ方向に連続的に変化していてもよい。更に
また、キャリアがホールである場合には、気相合成ダイ
ヤモンド膜は、前記下部電極側から１μｍ以下の領域
に、ボロン濃度が１×１０¹⁸（／ｃｍ³）以上である高
ボロン濃度層を有すると、ホールの注入効率が向上す
る。

【００２０】更にまた、上部電極は透明導電膜とするこ
とができる。この発光素子は前記気相合成ダイヤモンド
膜中の電界を１０⁴（Ｖ／ｃｍ）以上としたときに、視
認できる強度で発光することが好ましい。なお、本発明
においては、前記下部電極の下面に電気絶縁性の基体を
有していてもよい。

【００２１】本発明に係る平面パネルディスプレイは、
キャリアを注入する下部電極と、前記下部電極の表面上
に形成され、前記キャリアを輸送する気相合成ダイヤモ
ンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面に選択的
に形成され、前記キャリアの流量を制御するゲート電極
と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され、
前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜
と、前記蛍光膜の表面上に形成され、前記キャリアが輸
送される上部電極と、を有する発光要素を有することを
特徴とする。

【００２２】本発明の平面パネルディスプレイにおいて
は、発光素子と同様に、キャリアを注入する下部電極と
蛍光薄膜との間に、気相合成ダイヤモンド膜が形成され
ているので、両者間を真空状態にすることなく、キャリ
アを高速で移動することができる。従って、電子放出特
性の劣化、エミッタ素子の寿命の低下及び大電力に対す
る耐性の低下等を防止することができる。また、本発明
においては、ダイヤモンド膜の表面にゲート電極が形成
されているので、このゲート電極に電圧を印加すること
によって、下部電極から注入されるキャリアの流量を制
御することができる。従って、ゲート電極に印加する電
圧を変化させることにより、輝度を制御することができ
る。

【００２３】本発明においては、キャリアをホールとす
ることが可能である。

【００２４】また、この平面パネルディスプレイは、前
記ゲート電極と前記気相合成ダイヤモンド膜との間に、
電気絶縁性の中間層を有することが好ましい。ゲート電
極と気相合成ダイヤモンド膜との間に電気絶縁性の中間
層が形成されていると、ゲート電極からのリーク電流を
抑制することができる。更に、下部電極が、白金又は白
金を５０原子％以上含有する合金であると、ダイヤモン
ド膜の膜質が良好となり、下部電極の表面が凹凸を有す
ると、電界集中のために、キャリア注入効率が向上す
る。

【００２５】更にまた、気相合成ダイヤモンド膜はアン
ドープダイヤモンド膜又は１×１０¹⁸（／ｃｍ³）未満
のボロン濃度を有するボロンドープダイヤモンド膜であ
ってもよい。また、このボロン濃度は前記気相合成ダイ
ヤモンド層の厚さ方向に連続的に変化していてもよい。
更に、気相合成ダイヤモンド膜は、前記下部電極側から
１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１０¹⁸（／ｃｍ
³）以上である高ボロン濃度層を有すると、キャリアの
注入効率が向上する。

【００２６】更にまた、上部電極は透明導電膜とするこ
とができる。この発光素子は前記気相合成ダイヤモンド
膜中の電界を１０⁴（Ｖ／ｃｍ）以上としたときに、視
認できる強度で発光することが好ましい。なお、本発明
においては、前記下部電極の下面に電気絶縁性の基体を
有していてもよい。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施例に係
る発光素子を示す断面図である。図１に示すように、基
体３２上に下部電極２１が形成されており、下部電極２
１上には気相合成によるダイヤモンド膜２７が形成され
ている。また、ダイヤモンド膜２７上には蛍光薄膜２５
及び上部電極（透明電極）２４が順次積層されており、
上部電極（透明電極）２４上には選択的に配線用電極２
３が形成されている。更に、配線用電極２３及び下部電
極２１は電源２９に接続されている。

【００２８】このように構成された第１の実施例におい
ては、例えば、下部電極２１に負の電圧を印加すると、
下部電極２１からダイヤモンド膜２７にキャリア２８と
しての電子が注入される。そして、この電子はダイヤモ
ンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２５を励起し
て蛍光を発し、更に、上部電極（透明電極）２４から配
線用電極２３に移動する。一方、下部電極２１に正の電
圧を印加すると、キャリア２８として、電子の代わりに
ホールが下部電極２１からダイヤモンド膜２７中に注入
される。この場合においても同様に、ホールはダイヤモ
ンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２５を励起す
ることによって蛍光を発し、上部電極２４に到達する。

【００２９】本実施例においては、キャリア（電子又は
ホール）２８を注入する下部電極２１と、このキャリア
２８による励起によって蛍光を発する蛍光薄膜２５との
間に、気相合成ダイヤモンド膜２７が形成されている。
前述の如く、ダイヤモンド膜中の電界が１０⁴（Ｖ／ｃ
ｍ）以上であれば、キャリア２８はフォノンとの相互作
用によって、エネルギーを失うことなくダイヤモンド中
を高速で移動することができる。即ち、このような高電
界状態において、キャリア２８はダイヤモンド膜２７中
を真空中の場合と同様に高速で移動することができる。
従って、従来の発光素子においては、下部電極と蛍光薄
膜との間に形成された空間が真空状態であったため、電
子放出特性の劣化、エミッタ素子の寿命の低下及び大電
力に対する耐性の低下等の問題点があったが、本実施例
においてはこのような特性の劣化を防止することができ
る。

【００３０】本実施例において、下部電極２１の材料と
しては、導電性を有するものであれば例えば、金属、セ
ラミックス、ダイヤモンド等のどのような材料でも使用
することができ、これらを積層した積層材を使用しても
よい。但し、ダイヤモンド膜２７は気相合成により下部
電極２１上に形成するので、下部電極２１は気相合成に
必要とされる温度、例えば、４００乃至１０００℃の温
度に対して、耐熱性を有するものである必要がある。

【００３１】本願発明者等は、白金又は白金を５０原子
％以上含有する合金を基板としてダイヤモンド膜を気相
合成すると、結晶中の欠陥密度が小さく、結晶方位がそ
ろった高品質のダイヤモンド膜を得ることができること
を確認している。従って、白金又は白金を５０原子％以
上含有する合金を下部電極２１として使用することが最
も望ましい。また、ダイヤモンド膜を気相合成する下地
（下部電極）として、白金等のような金属（金属薄膜）
を使用すると、蛍光薄膜２５による発光を反射する効果
も得ることができる。

【００３２】図２は本発明の第２の実施例に係る発光素
子を示す断面図である。図２に示す第２の実施例が第１
の実施例と異なる点は、基体及び下部電極の表面に凹凸
を形成した点のみであるので、図２において図１に示す
ものと同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は
省略する。即ち、第１の実施例においては、下部電極２
１の表面は平坦であったが、第２の実施例は基体３２ａ
の表面に凹凸が形成されているので、その表面上に積層
された下部電極２１ａにおいても、その表面に凹凸が形
成されている。

【００３３】このように構成された第２の実施例におい
ても、第１に示す実施例と同様の効果を得ることができ
る。また、例えば、下部電極２１ａに負の電圧を印加す
ることによって、下部電極２１ａからダイヤモンド膜２
７にキャリア（電子）２８が注入されるが、下部電極２
１ａの表面には凹凸が形成されているので、突起部３３
の先端からキャリア２８が注入されやすくなり、第１の
実施例と比較して、電子注入効率を向上させることがで
きる。

【００３４】なお、下部電極２１又は２１ａから注入さ
れたキャリア２８は、ダイヤモンド膜２７中において加
速されるので、ダイヤモンド膜２７は、欠陥密度が小さ
いことが望ましい。従って、ダイヤモンド膜２７はアン
ドープであるか、又はボロンが１×１０¹⁸（／ｃｍ³）
未満の濃度範囲でダイヤモンド膜中にドープされている
ことが好ましい。また、ボロン濃度はダイヤモンド膜２
７の厚さ方向に連続的に変化していても、同様の効果を
得ることができる。

【００３５】図３は本発明の第３の実施例に係る発光素
子を示す断面図である。図３に示す第３の実施例が第１
の実施例と異なる点は、気相合成ダイヤモンド膜２７の
下部電極２１側から約１μｍ以下の領域において、１×
１０¹⁸（／ｃｍ³）以上の濃度でボロンがドープされた
高ボロン濃度層３４を形成した点のみであるので、図３
において図１に示すものと同一物には同一符号を付し
て、その詳細な説明は省略する。このように構成された
第３の実施例においては、下部電極２１に正の電圧を印
加した場合、即ち、キャリア２８がホールである場合に
は、下部電極２１からのホールの注入効率が向上するの
で、より一層低電圧で発光を得ることができる。

【００３６】図４は本発明の第４の実施例に係る平面パ
ネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図４
に示す平面パネルディスプレイの発光要素が第１の実施
例に示す発光素子と異なる点は、気相合成ダイヤモンド
膜２７の表面に絶縁層３６を介してゲート電極３５が設
けられている点と、配線用電極２３の代わりにガラス板
３７が配置されている点のみであるので、図４において
図１と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は
省略する。

【００３７】このように構成された第４の実施例におい
ても、第１の実施例と同様に、下部電極２１に負電圧を
印加した場合、キャリア（電子）２８が下部電極２１か
らダイヤモンド膜２７中に注入される。そして、キャリ
ア２８はダイヤモンド膜２７中において加速され、蛍光
薄膜２５を励起することによって蛍光を発し、上部電極
２４に到達する。但し、本実施例においては、ダイヤモ
ンド膜２７の表面にゲート電極３５が形成されているの
で、このゲート電極３５に負又は正の電圧を印加するこ
とによって、下部電極２１から注入される電子の流量を
抑制又は増大させることができる。従って、ゲート電極
３５に印加する電圧を変化させることにより、輝度を制
御することができる。また、絶縁層３６は、ゲート電極
３５と上部電極２４との電気絶縁性を維持する効果を有
する。

【００３８】一方、下部電極に正の電圧を印加すると、
キャリア２８として、電子の代わりにホールが下部電極
２１からダイヤモンド膜２７中に注入される。この場合
においても同様に、ホールはダイヤモンド膜２７中にお
いて加速され、蛍光薄膜２５を励起することによって蛍
光を発し、上部電極２４に到達する。このとき、ゲート
電極３５に正又は負の電圧を印加することによってホー
ルの流量を制御することができるので、輝度を制御する
ことができる。なお、電子流及びホール流のいずれを使
用する場合においても、各キャリアに対して感度が高い
蛍光薄膜の材料を適切に選択するのみで、同様の効果を
得ることができる。

【００３９】図５は本発明の第５の実施例に係る平面パ
ネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図５
に示す平面パネルディスプレイの発光要素が第２の実施
例に示す発光素子と異なる点は、第４の実施例と同様
に、ダイヤモンド膜２７の表面に絶縁層３６を介してゲ
ート電極３５が設けられている点と、配線用電極２３の
代わりにガラス基板３７が配置されている点のみであ
る、従って、図５において図１及び図４と同一物には同
一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【００４０】このように構成された第５の実施例におい
ても、その効果は第１及び第４の実施例と同様である。
即ち、第４の実施例と比較して、下部電極２１ａの表面
には凹凸が形成されているので、突起部３３の先端から
電子等のキャリア２８が注入されやすくなり、電子注入
効率を向上させることができ、これにより、低電圧で発
光を得ることができる。

【００４１】図６は本発明の第６の実施例に係る平面パ
ネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図６
に示す第６の実施例が第４の実施例と異なる点は、下部
電極２１の表面に単一の突起部３８が形成されている点
のみであるので、図６において図４と同一物には同一符
号を付して、その詳細な説明は省略する。第６の実施例
に示すように、単一の突起部３８を下部電極２１の表面
上の所定の位置に形成すると、蛍光薄膜２５上における
発光位置を精密に制御することができる。

【００４２】図７は本発明の第７の実施例に係る平面パ
ネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図７
に示す第７の実施例が第４の実施例と異なる点は、ゲー
ト電極３５とダイヤモンド膜２７との界面に電気絶縁材
料からなる中間層３９が形成されている点のみであるの
で、図７において図４と同一物には同一符号を付して、
その詳細な説明は省略する。

【００４３】第４乃至第６の実施例においては、ダイヤ
モンド膜２７の表面に直接ゲート電極３５が蒸着されて
いたが、本実施例に示すように、ゲート電極３５とダイ
ヤモンド膜２７との界面に電気絶縁性の中間層３９が形
成されていると、ゲート電極３５からのリーク電流を抑
制することができる。なお、この中間層３９の材料とし
ては、ＳｉＯ₂及びＳｉ₃Ｎ₄等の電気絶縁材料を使用す
ることができる。

【００４４】第４乃至第７の実施例に示す平面パネルデ
ィスプレイの発光要素においては、ゲート電極３５が形
成されていない第１乃至第３の実施例に示す発光素子と
同様に、ダイヤモンド膜２７は欠陥密度が小さいことが
望ましい。従って、ダイヤモンド膜２７はアンドープで
あるか、又はボロンが１×１０¹⁸（／ｃｍ³）未満の濃
度範囲でダイヤモンド膜中にドープされていることが好
ましい。また、ボロン濃度がダイヤモンド膜２７の厚さ
方向に連続的に変化していても、同様の効果を得ること
ができる。

【００４５】図８は本発明の第８の実施例に係る平面パ
ネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図８
に示す第８の実施例が第７の実施例と異なる点は、第３
の実施例に示す発光素子と同様に、気相合成ダイヤモン
ド膜２７の下部電極２１側から約１μｍ以下の領域にお
いて、１×１０¹⁸（／ｃｍ³）以上の濃度でボロンがド
ープされた高ボロン濃度層３４を形成した点のみである
ので、図８において図３及び７と同一物には同一符号を
付して、その詳細な説明は省略する。

【００４６】このように構成された第８の実施例におい
ては、下部電極２１に正の電圧を印加した場合、即ち、
キャリア２８がホールである場合には、下部電極２１か
らのホールの注入が容易になるので、より一層低電圧で
発光を得ることができる。

【００４７】上述の第１乃至第８の実施例に係る発光素
子又は発光要素においては、蛍光薄膜２５からの発光を
透過させるために、上部電極２４は透明導電膜により形
成することができる。透明導電膜の材料としては、イン
ジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ₂、ＳｎＯ
₂−Ｓｂ及びＣｄ₂ＳｎＯ₄等、公知の材料がある。

【００４８】また、これらの実施例において、下部電極
２１又は２１ａは基体３２又は３２ａ上に形成されてい
るが、この基体３２及び３２ａは電気絶縁性の基体とす
ることができ、基体が形成されていないものでもよい。
更に、発光素子は必ずしも点光源である必要はなく、直
線、曲線、平面及び曲面等の自由な形状とすることがで
きる。

【００４９】更にまた、これらの実施例に示す発光素子
及び発光要素は、集積化することにより１次元、２次元
又は３次元のアレイ又はディスプレイを形成することが
できる。図９は本発明における発光素子又は発光要素を
利用した２次元のディスプレイを示す模式図である。図
９に示すように、円柱形状の発光素子（又は発光要素）
４０を平面上に配列することにより、低消費電力で安定
した発光を得ることができる２次元のディスプレイを得
ることができる。

【００５０】また、第４乃至第８の実施例に示す平面パ
ネルディスプレイの発光要素を作製する場合、下部電極
２１又は２１ａに対向する透明電極２４の間隔は、ダイ
ヤモンド膜２７により一定に保持することができるの
で、表示ムラの発生を防止することができる。更にま
た、上述の第４乃至第８の実施例に係る平面パネルディ
スプレイを作製すると、ダイヤモンドの熱伝導率が大き
いために、素子からの発熱が速やかに拡散し、局部的な
加熱が起こることを防止することができる。従って、長
時間安定した発光を得ることができる。

【００５１】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る発光素子及び平
面パネルディスプレイを形成した結果について説明す
る。

【００５２】実施例１先ず、１０ｍｍ×１０ｍｍのアルミナ基体上に、スパッ
タ法により５μｍの膜厚で白金膜を蒸着し、これを基板
として、マイクロ波ＣＶＤ法により３μｍの膜厚でアン
ドープダイヤモンド薄膜を合成した。次に、金属マスク
を使用して、アンドープダイヤモンド薄膜上の直径１０
０μｍの領域に、蛍光剤及びインジウム錫酸化物（ＩＴ
Ｏ）を順次蒸着した。なお、蛍光剤としては、赤、青、
黄用の発光剤を異なる領域に１μｍの膜厚で蒸着し、更
に、ＩＴＯを１μｍの膜厚で蒸着した。そして、下部電
極としての白金電極と、上部電極としてのＩＴＯとの間
に印加する電圧を変化させて、青色発光領域の輝度を測
定した。

【００５３】図１０は縦軸に相対輝度をとり、横軸に電
圧をとって、輝度と電圧との関係を示すグラフ図であ
る。図１０に示すように、電界が１×１０⁴（Ｖ／ｃ
ｍ）以上になると、発光強度が急激に増大した。

【００５４】実施例２上記実施例１において、アンドープダイヤモンド薄膜を
合成する前の白金膜の表面に、約１０¹⁹（／ｃｍ³）の
濃度でダイヤモンド膜にボロンをドープした高ボロン濃
度層を０．１μｍの膜厚で形成し、その上にアンドープ
ダイヤモンド薄膜を３μｍの膜厚で積層した。そして、
実施例１と同様の方法で青色発光領域の輝度を測定し
た。その結果、輝度は実施例１と同様の値を得ることが
できたが、電流値は実施例１の８０％であった。

【００５５】実施例３窒化シリコン基体上に種々の原子濃度比を有する白金／
金の合金薄膜を蒸着し、これを基板として、マイクロ波
ＣＶＤにより３μｍの膜厚でアンドープダイヤモンド薄
膜を合成した。そして、このダイヤモンド薄膜のラマン
スペクトルを測定した。ダイヤモンドのラマンスペクト
ルは、約１３３３（／ｃｍ）の位置にダイヤモンド特有
のピークが現れる。良質のダイヤモンドであるほど、こ
のピークの半値幅は小さいことは公知である。

【００５６】図１１は縦軸に約１３３３（／ｃｍ）の位
置に現れたラマンスペクトルの半値幅をとり、横軸に白
金濃度をとって、半値幅と白金濃度との関係を示すグラ
フ図である。図１１に示すように、金に対する白金の原
子濃度が５０原子％以上であるときに、欠陥及び内部歪
みが少ない良質のダイヤモンドを得ることができた。

【００５７】実施例４５０ｍｍ×５０ｍｍのアルミナ基体上に、スパッタ法に
より２μｍの膜厚で白金配線パターンを蒸着し、これを
基板として、マイクロ波ＣＶＤ法により３μｍの膜厚で
アンドープダイヤモンド薄膜を合成した。次に、アンド
ープダイヤモンド薄膜表面に直径３μｍの円形マスクを
蒸着し、ＥＣＲプラズマエッチング装置により酸素ガス
を使用して、マスク以外の領域を１．５μｍの深さでエ
ッチングした。次いで、エッチングされた底部にアルミ
ニウムからなるゲート電極配線パターンを形成し、更に
その上の全面にＳｉＯ₂膜を積層した後、中央部のダイ
ヤモンド表面が露出するまで、その表面をスパッタによ
り平坦化した。

【００５８】その後、予め、透明電極（ＩＴＯ）配線パ
ターン及び蛍光薄膜が積層されたガラス基板を、蛍光薄
膜をダイヤモンド膜側に向けて装着することにより、平
面パネルディスプレイの発光要素を形成した。なお、Ｉ
ＴＯは膜厚を０．５μｍとした。そして、下部電極とし
ての白金電極と、上部電極としてのＩＴＯとの間に、白
金電極側を負として２５Ｖの電圧を印加し、ゲート電圧
に印加する電圧を−２Ｖから＋２Ｖの間で変化させた。
その結果、ゲート電圧に印加する電圧を変化させること
により、カラーの動画像を表示することができた。

【００５９】実施例５上記実施例４において、アンドープダイヤモンド薄膜を
合成する前の白金膜の表面に、約１０¹⁹（／ｃｍ³）の
濃度でダイヤモンド膜にボロンをドープした高ボロン濃
度層を０．１μｍの膜厚で形成し、その上にアンドープ
ダイヤモンド薄膜を３μｍの膜厚で積層した。その後、
実施例４と同様の方法で平面パネルディスプレイを形成
し、下部電極としての白金電極と、上部電極としてのＩ
ＴＯとの間に、白金電極側を正として２５Ｖの電圧を印
加し、ゲート電圧に印加する電圧を−２Ｖから２Ｖの間
で変化させた。その結果、ゲート電圧に印加する電圧を
変化させることにより、カラーの動画像を表示すること
ができた。

【００６０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
下部電極と蛍光膜との間に気相合成ダイヤモンド膜を形
成するので、真空状態にすることなく赤、青及び黄の３
原色、中間色及び白色光を発光することができるダイヤ
モンド膜を有する発光素子を得ることができる。また、
下部電極と蛍光膜との間に気相合成ダイヤモンド膜を形
成し、その表面にゲート電極を形成するので、低消費電
力で高輝度を有する平面パネルディスプレイを得ること
ができる。これらの発光素子及び平面パネルディスプレ
イにおいて、下部電極の表面に凹凸が形成されている
と、キャリアの注入効率を高めることができる。更に、
ダイヤモンド膜にボロンをドープし、そのボロン濃度を
適切に制御すると、より一層低電圧で発光が得られる。
従って、本発明はこの種の技術分野の発展に多大の貢献
をなす。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】本発明の第２の実施例に係る発光素子を示す断
面図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る発光素子を示す断
面図である。

【図４】本発明の第４の実施例に係る平面パネルディス
プレイの発光要素を示す断面図である。

【図５】本発明の第５の実施例に係る平面パネルディス
プレイの発光要素を示す断面図である。

【図６】本発明の第６の実施例に係る平面パネルディス
プレイの発光要素を示す断面図である。

【図７】本発明の第７の実施例に係る平面パネルディス
プレイの発光要素を示す断面図である。

【図８】本発明の第８の実施例に係る平面パネルディス
プレイの発光要素を示す断面図である。

【図９】本発明における発光素子又は発光要素を利用し
た２次元のディスプレイを示す模式図である。

【図１０】縦軸に相対輝度をとり、横軸に電圧をとっ
て、輝度と電圧との関係を示すグラフ図である。

【図１１】縦軸に約１３３３（／ｃｍ）の位置に現れた
ラマンスペクトルの半値幅をとり、横軸に白金濃度をと
って、半値幅と白金濃度との関係を示すグラフ図であ
る。

【図１２】シリコンを使用した発光素子の一例を示す断
面図である。

【図１３】シリコンを使用した平面パネルディスプレイ
の発光要素を示す断面図である。

【符号の説明】

１；シリコン基板２；エミッタ３、３７；ガラス板４；透明電極５、２５；蛍光薄膜６；蛍光電極７；空間８；電子９、２９；電源１０、３５；ゲート電極１１、３６；絶縁層１２；絶縁性基板２１、２１ａ；下部電極２３；配線用電極２４；上部電極２７；ダイヤモンド膜２８；キャリア３２、３２ａ；基体３４；高ボロン濃度層３９；中間層４０；発光素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部電極と、前記下部電極の表面上に形
成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する
気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド
膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって
蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され
前記キャリアが輸送される上部電極と、を有することを
特徴とするダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項２】前記下部電極は、白金又は白金を５０原
子％以上含有する合金からなることを特徴とする請求項
１に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項３】前記下部電極はその表面に凹凸を有する
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
膜を有する発光素子。
【請求項４】前記キャリアはホールであることを特徴
とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のダイヤモ
ンド膜を有する発光素子。
【請求項５】前記気相合成ダイヤモンド膜はアンドー
プダイヤモンド膜である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膜を有する発光
素子。
【請求項６】前記気相合成ダイヤモンド膜は、１×１
０¹⁸（／ｃｍ³）未満のボロン濃度を有するボロンドー
プダイヤモンド膜である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膜を有する発光
素子。
【請求項７】前記ボロン濃度は前記気相合成ダイヤモ
ンド層の厚さ方向に連続的に変化していることを特徴と
する請求項６に記載のダイヤモンド膜を有する発光素
子。
【請求項８】前記気相合成ダイヤモンド膜は、前記下
部電極側から１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１
０¹⁸（／ｃｍ³）以上である高ボロン濃度層を有するこ
とを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド膜を有す
る発光素子。
【請求項９】前記上部電極は透明導電膜からなること
を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダ
イヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項１０】前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界
を１０⁴（Ｖ／ｃｍ）以上としたときに、視認できる強
度で発光することを特徴とする請求項１乃至９のいずれ
か１項に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項１１】前記下部電極の下面に電気絶縁性の基
体を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれ
か１項に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項１２】下部電極と、前記下部電極の表面上に
形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送す
る気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモン
ド膜の表面に選択的に形成され前記キャリアの流量を制
御するゲート電極と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表
面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を
発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キ
ャリアが輸送される上部電極と、を有する発光要素を有
することを特徴とする平面パネルディスプレイ。
【請求項１３】前記ゲート電極と前記気相合成ダイヤ
モンド膜との間に、電気絶縁性の中間層を有することを
特徴とする請求項１２に記載の平面パネルディスプレ
イ。
【請求項１４】前記下部電極は、白金又は白金を５０
原子％以上含有する合金からなることを特徴とする請求
項１２又は１３に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１５】前記下部電極はその表面に凹凸を有す
ることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項
に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１６】前記キャリアはホールであることを特
徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の平
面パネルディスプレイ。
【請求項１７】前記気相合成ダイヤモンド膜はアンド
ープダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項１２
乃至１６のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレ
イ。
【請求項１８】前記気相合成ダイヤモンド膜は、１×
１０¹⁸（／ｃｍ³）未満のボロン濃度を有するボロンド
ープダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項１２
乃至１６のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレ
イ。
【請求項１９】前記ボロン濃度は前記気相合成ダイヤ
モンド膜の厚さ方向に連続的に変化していることを特徴
とする請求項１８に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項２０】前記気相合成ダイヤモンド膜は前記下
部電極側から１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１
０¹⁸（／ｃｍ³）以上である高ボロン濃度層を有するこ
とを特徴とする請求項１６に記載の平面パネルディスプ
レイ。
【請求項２１】前記上部電極は透明導電膜からなるこ
とを特徴とする請求項１２乃至２０のいずれか１項に記
載の平面パネルディスプレイ。
【請求項２２】前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界
を１０⁴（Ｖ／ｃｍ）以上としたときに、視認できる強
度で発光することを特徴とする請求項１２乃至２１のい
ずれか１項に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項２３】前記下部電極の下面に電気絶縁性の基
体を有することを特徴とする請求項１２乃至２２のいず
れか１項に記載の平面パネルディスプレイ。