JPH07283434A

JPH07283434A - ダイヤモンド発光素子

Info

Publication number: JPH07283434A
Application number: JP6920194A
Authority: JP
Inventors: Kimitsugu Saitou; 公続斉藤; Koichi Miyata; 浩一宮田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-04-07
Filing date: 1994-04-07
Publication date: 1995-10-27
Also published as: US5612548A

Abstract

(57)【要約】【目的】低駆動電圧で高輝度の発光が得られるダイヤ
モンド発光素子を提供する。【構成】銅板１上に導電性基板２が配置されており、
両者はオーミック接合されている。導電性基板２の上に
は第１ダイヤモンド層３が形成されており、第１ダイヤ
モンド層３のＢ原子濃度は１０¹⁹ｃｍ^-3以上である。第
１ダイヤモンド層３上には更に第２ダイヤモンド層４が
形成されており、この第２ダイヤモンド層４は１０¹¹ｃ
ｍ^-2以上の結晶欠陥密度を有する。第２ダイヤモンド層
４の上には第２電極５が形成されている。この第２電極
５と銅板１との間に電源６を接続し、電圧を印加する
と、第１ダイヤモンド層３のホールと第２電極５の電子
とが第２ダイヤモンド層４の欠陥準位を介して結合して
発光する。この場合に、第２ダイヤモンド層４中の欠陥
準位は増加しているので、低駆動電圧でも高輝度が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光材料にダイヤモンド
を使用した高輝度のダイヤモンド発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは約５．４ｅＶの広いバン
ドギャップを有しており、短波長領域での発光が可能で
あるため、ダイヤモンドを発光材料として使用した発光
素子の開発が進められている。

【０００３】図１１乃至図１３は従来のダイヤモンドを
発光材料に使用した発光素子であって、特にＥＬ発光素
子を示すものである（特開平３−２８１５９４）。図１
１のＥＬ発光素子においては、ダイヤモンド発光層５１
の上面及び下面に夫々電極５２が形成されている。

【０００４】また、図１２に示すＥＬ発光素子は、ダイ
ヤモンド発光層５１の下面に電極５２が形成されている
と共に、発光層５１の上面には絶縁層５３が形成され、
更に絶縁層５３の上には電極５２が形成されている。

【０００５】更に、図１３に示す発光素子は、ダイヤモ
ンド発光層５１を挟むようにして１対の絶縁層５３が形
成されており、各絶縁層５３の上には電極５２が形成さ
れている。

【０００６】これらのダイヤモンド発光層５１には、
Ｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇａ又はＩｎ等の不純
物がドーピングされており、これらの不純物が発光中心
となる。

【０００７】このように構成された各発光素子におい
て、１対の電極５２間に交流電界を印加することにより
ダイヤモンド層５１からの発光が得られる。

【０００８】図１４乃至図１６はいずれも従来の他の発
光素子を示す断面図である（特開平１−１０２８９
３）。図１４はＥＬ素子構造の発光素子を示す断面図で
ある。この発光素子の半導体ダイヤモンド発光層５４は
Ａｌ又はＢがドーピングされた半導体ダイヤモンドによ
り形成され、この半導体ダイヤモンド発光層５４の全面
は、絶縁層５５により被覆されている。この絶縁層５５
の下面には金属電極５６が形成されており、絶縁層５５
の上面には透明電極５７が形成されている。

【０００９】この場合に、透明電極５７と金属電極５６
との間に交流電界を印加することにより、半導体ダイヤ
モンド発光層５４が発光する。

【００１０】また、図１５はＭＳ構造（電極／半導体ダ
イヤモンド）の発光素子を示す断面図である。この発光
素子は基板５８の下面の所定領域に金属電極５６が形成
されている。そして、基板５８の上面には半導体ダイヤ
モンド発光層５４が形成されており、更にこの半導体ダ
イヤモンド発光層５４の上面の所定領域には金属電極５
６が形成されている。

【００１１】この、ＭＳ構造の発光素子は１対の金属電
極５６間に順方向電流を流すと半導体ダイヤモンド発光
層５４が発光する（キャリア注入型）。即ち、発光はバ
ンドギャップ中に形成されたドナ準位とＡｌ又はＢによ
るアクセプタ準位を介した電子遷移により、ホールと電
子とが結合して発光する。

【００１２】更に、図１６はＭＩＳ構造（電極／アンド
ープ絶縁性ダイヤモンド／半導体ダイヤモンド）の発光
素子を示す断面図である。この発光素子は図１５に示す
ＭＳ構造の発光素子において、半導体ダイヤモンド発光
層５４と金属電極５６との間にアンドープ絶縁性ダイヤ
モンド層５９が形成されたものである。

【００１３】そして、このＭＩＳ構造の発光素子は、Ｍ
Ｓ構造の発光素子と同様に、１対の金属電極５６間に順
方向電流を流すことにより半導体ダイヤモンド発光層５
４が発光する（キャリア注入型）。即ち、発光はバンド
ギャップ中に形成されたドナ準位とＡｌ又はＢによるア
クセプタ準位を介した電子遷移により、ホールと電子と
がこれらの準位を介して結合して発光する。

【００１４】また、図１７乃至図１９はいずれも他の従
来の発光素子を示す断面図である（特開平３−１２２０
９３）。図１７に示した発光素子は、基板６０上にダイ
ヤモンド発光層６１が形成され、そのダイヤモンド発光
層６１の上面に金属電極６２が局部的に形成されてい
る。

【００１５】一方、図１８に示した発光素子は、図１７
に示した発光素子に対し、基板６０とダイヤモンド発光
層６１との間に低抵抗膜６３を形成したものである。

【００１６】また、図１９に示した発光素子は、図１８
に示した発光素子に対し、ダイヤモンド発光層６１と金
属電極６２との間に絶縁膜又は半導体膜６４を形成した
ものである。

【００１７】なお、図１７乃至図１９に示した発光素子
いずれも基板６０と金属電極６２との間に順方向電流を
流すことにより発光する。そして、ダイヤモンド発光層
６１にＢをドーピングした場合は、各発光素子は緑色に
発光する。また、発光層６１の合成時に原料ガス中にＯ
₂ を添加して欠陥の導入を助長した場合は、各発光素子
は赤色に発光する。更に、原料ガス中にＨ₂ Ｏを添加す
ることにより欠陥の導入を抑制した場合は、各発光素子
は青色に発光する。

【００１８】図２０は他の発光素子の断面図を示す（特
開平３−２２２３７６）。この発光素子は、導電性基板
６５の下面の所定領域に金属電極６６が形成されている
と共に、導電性基板６５の上面にはｐ型又はｎ型の半導
体ダイヤモンド発光層６７が形成されている。半導体ダ
イヤモンド発光層６７の上面にはアンドープ絶縁性ダイ
ヤモンド膜６８が形成されており、更にこのアンドープ
絶縁性ダイヤモンド膜６８の上面の所定領域に金属電極
６６が形成されている。

【００１９】このような発光素子の１対の電極６６間に
順方向に電圧を印加することにより、半導体ダイヤモン
ド発光層６７中の欠陥準位を介して電子とホールとが結
合することにより発光する。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の発光素子は夫々以下に示す問題点を有している。
図１１乃至図１４に示したＥＬ素子は駆動電圧が３００
Ｖ以上と高く、実用には適さない。

【００２１】また、図１５及び図１６に示した発光素子
においては、発光にはＮ等の混入によりダイヤモンド発
光層５４に形成されたドナ準位が関与しているが、この
ドナ準位の密度が低いため、輝度が低いという難点があ
る。

【００２２】更に、図１７乃至図１９に示した発光素子
においては、Ｂをドーピングした場合及び原料ガスへＨ
₂ Ｏを添加した場合は、発光に関与する欠陥準位の生成
が抑制されるため、十分に高い輝度を得ることができな
い。また、Ｏ₂ を添加して欠陥準位の生成を促進した場
合においても、欠陥準位の密度が低く、輝度が低いとい
う欠点がある。

【００２３】更にまた、図２０に示した発光素子におい
て、発光に関与する欠陥準位は結晶欠陥に起因するが、
欠陥準位の密度が低く、輝度が低い。

【００２４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、駆動電圧が低いと共に、輝度が高いダイヤ
モンド発光素子を提供することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド発光素子は、半導体の第１ダイヤモンド層と、この半
導体第１ダイヤモンド層に積層された第２ダイヤモンド
層と、前記第１及び第２ダイヤモンド層に個別に給電す
る第１及び第２電極とを有し、前記第２ダイヤモンド層
は１０¹¹ｃｍ^-2以上の欠陥密度を有することを特徴とす
る。

【００２６】また、前記第２ダイヤモンド層には、Ｂ、
Ｌｉ，Ｂｅ、Ｏ、Ｆ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎ、Ａｓ及びＡｌから
なる群から選択された少なくとも１種の不純物をドーピ
ングすることもできる。この第２ダイヤモンド層の厚さ
は、０．００１乃至１００μｍであることが好ましい。

【００２７】更に、前記第１ダイヤモンド層は１０¹⁹ｃ
ｍ^-3以上のＢを含む半導体層とすることができる。

【００２８】更にまた、前記第１電極は前記第１ダイヤ
モンド層に接触するオーミック電極とすることができ
る。

【００２９】更にまた、前記第１ダイヤモンド層を導電
性基板の上に形成し、前記第１電極を前記導電性基板に
より構成することができる。

【００３０】更にまた、前記第１及び第２半導体並びに
第１及び第２電極は、その一部又は全面がアンドープダ
イヤモンド、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素及
び窒化アルミニウムからなる群から選択された少なくと
も１種の材料からなる単層又は積層膜の絶縁性保護膜に
より被覆することができる。

【００３１】

【作用】本発明に係るダイヤモンド発光素子において
は、半導体の第１ダイヤモンド層上に第２ダイヤモンド
層が形成されており、両層がダイヤモンドで形成されて
いるため、第２ダイヤモンド層が絶縁体又は半導体であ
っても、第１ダイヤモンド層から第２ダイヤモンド層へ
キャリア（ホール）を注入することができる。

【００３２】そして、第１電極と第２電極との間に、例
えば、第１ダイヤモンド層側から第２ダイヤモンド層側
に電流が流れるように電圧を印加すると、第１ダイヤモ
ンド層から第２ダイヤモンド層へホールが移動し、第２
電極から第２ダイヤモンド層へ電子が移動する。そし
て、第２ダイヤモンド層中の欠陥準位を介してホールと
電子とが結合して発光する。このように、本発明の発光
素子は、キャリア注入型の発光素子であるので、ＥＬ素
子と異なり、高い励起エネルギーを必要とせず、低い駆
動電圧で発光し、高い輝度が得られる。即ち、本発明に
係るダイヤモンド発光素子の駆動電圧は約１０Ｖ以上
と、ＥＬ素子の場合よりも低く、駆動方法にもよるが、
高々１０００Ｖである。電力の供給方法は直流、交流又
は直流と交流との組み合わせのいずれでもよい。

【００３３】また、本発明に係るダイヤモンド発光素子
においては、第２ダイヤモンド層に意図的に結晶欠陥が
導入されており、その欠陥密度が１０¹¹ｃｍ^-2以上に規
定されている点が従来のダイヤモンド発光素子とは根本
的に異なる。そして、第１電極と第２電極との間に電圧
を印加すると、第１ダイヤモンド層中のホールと第２電
極中の電子とが第２ダイヤモンド層中の欠陥準位を介し
て遷移し結合する。この結合を介する欠陥準位の密度が
高いため、ホールと電子との結合が多量に行われる。こ
の結果、高輝度の発光が生じる。この場合に、所望の高
輝度の発光を得るためには、結晶欠陥密度が１０¹¹ｃｍ
^-2以上であることが必要である。

【００３４】

【実施例】次に、本発明について更に詳細に説明する。
上述の如く、第２ダイヤモンド層は１０¹¹ｃｍ^-2以上の
結晶欠陥密度を有するが、この第２ダイヤモンド層の形
成方法は種々選択することができる。例えば、公知のマ
イクロ波プラズマＣＶＤ（化学気相蒸着）法、ＥＣＲ
（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法、ＤＣ
（直流）プラズマＣＶＤ法、ＲＦ（高周波）プラズマＣ
ＶＤ法、ＤＣプラズマジェットＣＶＤ法、熱フィラメン
トＣＶＤ法、電子衝撃ＣＶＤ法及び燃焼法等の種々の気
相合成方法により第２ダイヤモンド層を形成することが
でき、第２ダイヤモンド層に１０¹¹ｃｍ^-2以上の結晶欠
陥密度が導入されるように合成条件が設定されていれ
ば、いずれの方法を使用してもよい。

【００３５】なお、この結晶欠陥の導入は、第２ダイヤ
モンド層の合成時に原料ガス中のＣを含む化合物ガスの
濃度を増加させることにより行うことができる。この場
合の化合物ガスとしては、メタン、エタン及びプロパン
等の炭化水素ガス並びにメタノール及びエタノール等の
アルコール類並びに二酸化炭素及び一酸化炭素等のガス
を使用することができる。

【００３６】また、第２ダイヤモンド層の合成時に、原
料ガス中にＢ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｏ、Ｆ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎ、Ａ
ｓ及びＡｌからなる群から選択された少なくとも１種の
不純物を含むガスを添加することにより、結晶欠陥を第
２ダイヤモンド層中に導入することができる。特に、Ｂ
を他の不純物元素と共にドーピングすることにより、第
２ダイヤモンド層中にアクセプタ準位が形成され、欠陥
準位とアクセプタ準位とを同時に形成することができ
る。これにより、波長が異なった発光が得られる。

【００３７】第２ダイヤモンド層の厚さは０．００１乃
至１００μｍであることが好ましい。第２ダイヤモンド
層の厚さが０．００１μｍ未満の場合は、トンネル効果
により第２電極と第１ダイヤモンド層との間をキャリア
が直接透過し、発光効率が低下する。また、第２ダイヤ
モンド層の厚さが１００μｍを超えると、直列抵抗が増
大して電流が減少するため、輝度が低下する。

【００３８】一方、第１ダイヤモンド層を１０¹⁹ｃｍ^-3
以上のＢを含む半導体層とすることにより、第２ダイヤ
モンド層に大電流を流すことができ、輝度が一層高ま
る。この第１ダイヤモンド層は、第２ダイヤモンド層と
同様に、公知の気相合成法により形成することができ
る。この場合に、原料ガスにはＣを含む化合物ガス、Ｂ
を含む化合物ガス及び水素ガスの混合ガスを使用する。

【００３９】また、第１ダイヤモンド層は、後述するダ
イヤモンド基板上にＢをイオン注入して半導体化するこ
とにより形成してもよい。この場合に、Ｂ原子の濃度が
１０¹⁹ｃｍ^-3以上であればよい。これにより、気相合成
法により第１ダイヤモンド層を形成した場合と同様に、
第２ダイヤモンド層に大電流を流すことができ、輝度が
一層高まる。

【００４０】更に、第１ダイヤモンド層を導電性基板上
に形成することにより、第１電極を導電性基板により構
成することができる。

【００４１】更にまた、ダイヤモンド発光素子を高温の
大気中等の腐食環境下で使用する場合は、ダイヤモンド
発光素子が損傷しないように、絶縁性保護膜を形成する
必要がある。この絶縁性保護膜で第１及び第２ダイヤモ
ンド層並びに第１及び第２電極の一部又は全面を被覆す
ることにより、ダイヤモンド発光素子が損傷を受けるこ
とを防止できる。この場合に、前記絶縁性保護膜は、ア
ンドープダイヤモンド、酸化珪素、酸化アルミニウム、
窒化珪素、窒化アルミニウム及び窒化硼素からなる群か
ら選択された少なくとも１種の材料により形成すること
ができ、これらの１種の材料の単層又は複数の材料の積
層膜とすることができる。

【００４２】特に、熱膨張率及びダイヤモンド発光素子
と絶縁性保護膜との界面特性の点から、ダイヤモンド発
光素子上にアンドープダイヤモンド膜が形成され、更に
その上に窒化珪素膜が形成された構造又はダイヤモンド
発光素子上にアンドープダイヤモンド膜が形成され、更
にその上に窒化珪素膜が形成され、更にその上に酸化珪
素膜が形成された構造であることが好ましい。

【００４３】以下、本発明の実施例について添付の図面
を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１の実
施例に係るダイヤモンド発光素子を示す断面図である。
銅板１の上に導電性基板２が配置されており、この導電
性基板２の上に、第１ダイヤモンド層３及び第２ダイヤ
モンド層４が順次形成され、第２ダイヤモンド層４上に
透明電極５が局部的に形成されている。そして、透明電
極５と銅板１との間には電源６が接続されている。

【００４４】次に、このように構成された発光素子を製
造し、その特性を比較例と比較した結果について説明す
る。先ず、この発光素子の製造方法について説明する。
銅板１の上に導電性基板２を配置し、両者の間をＡｇペ
ーストによりオーミック接合した。この導電性基板２は
単結晶ｐ型Ｓｉ基板であり、比抵抗が約０．０１Ω・ｃ
ｍであると共に、その上面はダイヤモンドペーストで約
１時間研磨されている。そして、導電性基板２上に第１
ダイヤモンド層３を形成した。この第１ダイヤモンド層
３はマイクロ波ＣＶＤ法を使用して気相合成されたｐ型
半導体層であり、下記の合成条件で形成されている。第１ダイヤモンド層の合成条件反応ガス；ＣＨ₄ 濃度：０．５％、Ｂ₂ Ｈ₆ 濃度：２ｐ
ｐｍ、Ｈ₂ 基板温度；８００℃ ガス圧力；３５Ｔｏｒｒ合成時間；１４時間膜厚；３μｍドーピング濃度；１０²⁰ｃｍ^-3（ＳＩＭＳによる測
定）。

【００４５】そして、第１ダイヤモンド層３の上に第２
ダイヤモンド層４をマイクロ波ＣＶＤ法により下記条件
で合成した。第２ダイヤモンド層の合成条件反応ガス；ＣＨ₄ 濃度：０．５％、ＮＨ₃ 濃度：０．１
ｐｐｍ、Ｂ₂ Ｈ₆ 濃度：０．０１ｐｐｍ、Ｈ₂ 基板温度；８００℃ ガス圧力；３５Ｔｏｒｒ合成時間；２時間膜厚；０．５μｍ。

【００４６】そして、この第２ダイヤモンド層４上に透
明電極５を局部的に形成した。この場合に、透明電極５
を形成する前に第２ダイヤモンド層４の上面をクロム酸
及び濃硫酸の混液で加熱洗浄し、次いで王水洗浄し、更
にＲＣＡ洗浄した。

【００４７】透明電極５の材料はＩＴＯであり、スパッ
タリング法により第２ダイヤモンド層４上に形成した。
透明電極５の形状は直径３ｍｍの円形であり、そのパタ
ーン形成にはフォトリソグラフィ技術を使用した。な
お、透明電極５の材料はＩＴＯに限らず、ＳｎＯ₂ 、Ｚ
ｎＯ、ＳｎＯ₂-Ｓｂ及びＣｄ₂ ＳｎＯ₄ 等を使用するこ
とができる。

【００４８】次に、本実施例のダイヤモンド発光素子の
発光スペクトルを測定した結果について説明する。な
お、第１の比較例として第２ダイヤモンド層の気相合成
時に、第１の実施例で使用した反応ガスからＮＨ₃ を除
いたガスを使用し、その他は実施例と同様の方法でダイ
ヤモンド発光素子を作製したものを用意した。この第２
ダイヤモンド層の合成方法は従来技術と同様のものであ
る。この比較例のダイヤモンド発光素子についても発光
スペクトルを測定した。なお、実施例及び比較例のいず
れも透明電極５に４０Ｖの負バイアスを印加して発光さ
せている。

【００４９】図２にこれらのダイヤモンド発光素子の発
光スペクトルを示す。図２は横軸に波長をとり、縦軸に
発光強度をとって発光強度の分布を示すグラフ図であ
る。実線７は本実施例のダイヤモンド発光素子の発光ス
ペクトルであり、実線８は第１の比較例の発光スペクト
ルである。

【００５０】図２から明らかなように、本実施例のダイ
ヤモンド発光素子の発光強度は、従来技術による第１の
比較例のダイヤモンド発光素子の発光強度の１０倍以上
になっている。従って、本実施例のダイヤモンド発光素
子によれば、駆動電圧が低く、且つ輝度が高いダイヤモ
ンド発光素子を得ることができる。

【００５１】一方、第２の比較例として、実施例の第２
ダイヤモンド層４と同一の条件でダイヤモンド層を形成
したＥＬ素子を作製した。図３にこのＥＬ素子の断面図
を示す。このＥＬ素子は石英製の基板１０上に形成され
ている。基板１０上には透明電極１１が形成され、更に
透明電極１１の上には絶縁層１２が形成されている。こ
の絶縁層１２は酸化珪素からなる。そして、絶縁層１２
の上にはダイヤモンド層１３が形成されている。このダ
イヤモンド層１３は第１の実施例のダイヤモンド発光素
子の第２ダイヤモンド層４と同じ条件で形成されてい
る。このダイヤモンド層１３の上には絶縁層１２が形成
され、絶縁層１２の上にはＡｌ電極１４が形成されてい
る。

【００５２】このように構成されたダイヤモンド発光素
子の透明電極１１とＡｌ電極１４との間に電源６を接続
し、周波数５０Ｈｚ、電圧が２５０Ｖの交流電圧を印加
してダイヤモンド層１３を発光させ、発光強度を測定し
た。この結果、第２の比較例の発光素子は第１実施例の
ダイヤモンド発光素子の約１／２の発光強度しか得られ
なかった。従って、キャリア注入型の発光素子である本
実施例のダイヤモンド発光素子は同じ条件で形成したダ
イヤモンド層１３を備えて交流電圧で駆動されるＥＬ素
子（図３）に比して、低い駆動電圧で高い輝度が得られ
ることがわかる。

【００５３】次に、第２ダイヤモンド層の結晶欠陥密度
の影響を調べるため、下記表１に示す５種類のダイヤモ
ンド発光素子を作成した。これらのダイヤモンド発光素
子の構造は図１に示すものと同一である。この実施例
２，３及び比較例３，４，５の第２ダイヤモンド層は、
その形成時にＮＨ₃ の濃度を下記表１に示すように種々
変えて気相合成されている。

【００５４】そして、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で実
施例２，３及び比較例３，４，５の第２ダイヤモンド層
４を観察すると、転位及び積層欠陥等によるコントラス
トが観察された。更に、結晶の欠陥密度も測定したの
で、その結果も併せて表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】そして、これらの発光素子について透明電
極５に４０Ｖの負バイアスを印加して夫々の発光強度を
測定した。その測定結果を図４に示す。図４は横軸に波
長をとり、縦軸に発光強度をとって発光強度の分布を示
すグラフ図である。図４において実線１５乃至１９は夫
々実施例２，３、比較例３，４，５の発光スペクトルを
示している。

【００５７】このグラフから明らかなように、実施例２
及び３においては、高輝度の発光が得られている。この
ように、第２ダイヤモンド層が１０¹¹ｃｍ^-2以上の欠陥
密度を有するためには、第２ダイヤモンド層の気相合成
時に０．０１ｐｐｍ以上の濃度のＮＨ₃ を添加すること
が必要である。

【００５８】また、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｏ、Ｆ、Ｐ、Ｓｉ、Ａ
ｓ及びＡｌからなる群から選択された少なくとも１種の
不純物をドーピングした場合においても、第２ダイヤモ
ンド層の欠陥密度が１０¹¹ｃｍ^-2以上のときは、Ｎをド
ーピングした場合の実施例２，３と同様に高輝度のダイ
ヤモンド発光素子が得られた。

【００５９】更に、第２ダイヤモンド層の気相合成時
に、反応ガス中に不純物ガスを導入せず、反応ガス中の
炭素原子濃度を種々変化させた場合にも、第２ダイヤモ
ンド層の欠陥密度が１０¹¹ｃｍ^-2以上であれば、高輝度
のダイヤモンド発光素子が得られた。

【００６０】以上により、輝度の高いダイヤモンド発光
素子を作製するためには、第２ダイヤモンド層に１０¹¹
ｃｍ^-2以上の欠陥密度を導入することが必要である。

【００６１】次に、第１ダイヤモンド層のＢ原子の濃度
の影響について説明する。第１の実施例において、第１
ダイヤモンド層３の気相合成時に使用した反応ガス中の
Ｂ₂Ｈ₆ 濃度を下記表２に示すように変化させ、図１と
同様の構造を有する実施例７乃至１１の５つのダイヤモ
ンド発光素子を作製した。そして、透明電極５に４０Ｖ
の負バイアスを印加して夫々の実施例の発光スペクトル
を測定した。

【００６２】

【表２】

【００６３】この実施例４乃至８の発光強度を測定した
結果、実施例７及び８においては実施例４乃至６に比し
て高輝度の発光が得られた。従って、高輝度のダイヤモ
ンド発光素子を作製するためには、ｐ型半導体である第
１ダイヤモンド層の形成時に１．０ｐｐｍ以上のＢ₂ Ｈ
₆ ガスを添加して第１ダイヤモンド層を気相合成するこ
とが好ましい。即ち、このＢ原子濃度は１×１０¹⁹ｃｍ
^-3であることが好ましい。

【００６４】一方、第１ダイヤモンド層を形成する基板
の材料としては、Ｓｉ、ＢＮ及びＳｉＣ等の半導体並び
にＭｏ、Ｃｕ及びＮｉ等の金属並びに石英ガラス、酸化
アルミニウム及び窒化珪素等の絶縁物並びにダイヤモン
ド等を使用することができる。

【００６５】特に、ダイヤモンド基板の場合、天然若し
くは高圧合成による単結晶ダイヤモンド、非ダイヤモン
ド基板上に形成された多結晶ダイヤモンド又は高配向性
ダイヤモンドが使用できる。そして、製造コストの面か
らは多結晶ダイヤモンド又は高配向性ダイヤモンドを使
用することが好ましく、また、品質の点からは、単結晶
ダイヤモンド又は高配向性ダイヤモンドを使用すること
が好ましい。

【００６６】なお、高配向性ダイヤモンドとは、気相合
成によって非ダイヤモンド基板上に形成されたダイヤモ
ンド薄膜において、その表面積の６０％以上がダイヤモ
ンドの（１００）結晶面又は（１１１）結晶面から構成
されており、隣接する（１００）結晶面又は（１１１）
結晶面について、その結晶面方位を表すオイラー角
｛α，β，γ｝の差｛Δα，Δβ，Δγ｝が｜Δα｜≦
７°｜Δβ｜≦７°｜Δγ｜≦７°を同時に満足させる
ものである。

【００６７】図５は（１００）結晶面が高度に配向した
ダイヤモンド薄膜の表面の構造を模式的に示す。薄膜面
内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、薄膜表面の
放線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれに隣接する
ｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を表す方位を
表すオイラー角を夫々｛α_i，β_i，γ_i｝、｛α_j，
β_j，γ_j｝とした。

【００６８】なお、本発明の実施例に係るダイヤモンド
発光素子は第１の実施例の構造に限らない。図６乃至８
に他の構造のダイヤモンド発光素子を示す。図６に実施
例１２のダイヤモンド発光素子を示す。

【００６９】図６は平面型ダイヤモンド発光素子を示す
断面図である。このダイヤモンド発光素子は基板２０の
上に第１ダイヤモンド層３が形成されている。この第１
ダイヤモンド層３は図１に示す発光素子の場合と同様の
方法で形成することができる。この第１ダイヤモンド層
３の上の一部に第２ダイヤモンド層４が形成されてい
る。この第２ダイヤモンド層４も図１に示す発光素子と
同様の方法により形成することができる。また、第２ダ
イヤモンド層４の上には電極５が形成されている。更
に、第１ダイヤモンド層３の上には第２ダイヤモンド層
４から離隔した位置にオーミック電極２１が形成されて
いる。

【００７０】このように構成されたダイヤモンド発光素
子のオーミック電極２１と第２電極５との間に電圧を印
加すると、キャリアが第１ダイヤモンド層３から第２ダ
イヤモンド層４に注入されて発光する。

【００７１】次いで、図７を参照して本発明の他の実施
例のダイヤモンド発光素子について説明する。この発光
素子は第１ダイヤモンド層３を基板（図示せず）上に形
成した後、この基板を取り除いた構造のダイヤモンド発
光素子であり、縦型のダイヤモンド発光素子である。こ
のダイヤモンド発光素子は第１ダイヤモンド層３の下に
オーミック電極２１が形成されている。また、第１ダイ
ヤモンド層３の上には第２ダイヤモンド層４が形成さ
れ、更にその上に第２電極５が形成されている。

【００７２】図６に示す実施例と同じく、ダイヤモンド
発光素子のオーミック電極２１と第２電極５との間に電
圧を印加すると、キャリアが第１ダイヤモンド層３から
第２ダイヤモンド層４に注入されて発光する。

【００７３】図８は本発明の更に他の実施例の横型のダ
イヤモンド発光素子を示す断面図である。このダイヤモ
ンド発光素子も図７に示す実施例と同じく、第１ダイヤ
モンド層３を基板（図示せず）上に形成した後、この基
板を取り除いた構造のダイヤモンド発光素子である。こ
のダイヤモンド発光素子は第１ダイヤモンド層３の上面
の一部に第２ダイヤモンド層４が形成されている。ま
た、第２ダイヤモンド層４の上には電極５が形成されて
いる。更に、第１ダイヤモンド層３の上の第２ダイヤモ
ンド層４から離隔した位置に、オーミック電極２１が形
成されている。

【００７４】この実施例のダイヤモンド発光素子もダイ
ヤモンド発光素子のオーミック電極２１と第２電極５と
の間に電圧を印加すると、キャリアが第２ダイヤモンド
層に注入されて発光する。

【００７５】これらの図６乃至図８に示す実施例におい
ても、図１に示す第１の実施例と同様の効果を奏する。
また、図７，８に示す実施例は基板が取り除かれている
ため、発光素子が薄型化している。

【００７６】また、本発明の実施例に係るダイヤモンド
発光素子は集積化して１次元又は２次元のディスプレイ
を形成することができる。図９は１次元ディスプレイの
斜視図を示す。１次元ディスプレイは導電性基板３２上
に作製されており、この導電性基板３２上に断面が矩形
の第１ダイヤモンド層３３が一方向に延びるように形成
されている。そして、この第１ダイヤモンド層３３の表
面及び側面を覆うように第２ダイヤモンド層３４が形成
され、第２ダイヤモンド層３４も第１ダイヤモンド層３
３の長手方向に沿って延びている。

【００７７】そして、導電性基板３２上には、第２ダイ
ヤモンド層３４に接するようにして絶縁層２２が形成さ
れている。また、第２ダイヤモンド層３４上に、複数個
の透明電極３５が相互に適長間隔をおいて形成されてい
る。この透明電極３５はその長手方向が第２ダイヤモン
ド層３４の長手方向と直角になっている。そして、透明
電極３５の１端部は絶縁層２２上に延びている。

【００７８】このように構成された１次元ディスプレイ
の夫々の電極３５に夫々独立に電圧を印加することによ
り、夫々の電極の位置の第２ダイヤモンド層３４の部分
を発光させ、１次元ディスプレイとして動作させること
が可能になる。

【００７９】また、図１０に２次元ディスプレイの斜視
図を示す。この２次元ディスプレイは平面状の第１ダイ
ヤモンド層３６上に形成されている。この第１ダイヤモ
ンド層３６の端部にはオーミック電極３９が一方向に延
びるように形成されている。また、第１ダイヤモンド層
３６上には複数の第２ダイヤモンド層３７が配列されて
いる。第２ダイヤモンド層３７は平面視で正方形の板状
をなし、第１ダイヤモンド層３６の縦方向及び横方向に
等間隔で離隔して配置されている。各第２ダイヤモンド
層３７の上には透明電極３８が形成されている。この透
明電極３８は配線（図示せず）により夫々電源に接続さ
れており、各透明電極３８に独立に電圧を印加すること
により、第２ダイヤモンド層３７を独立に発光させるこ
とができ、２次元のディスプレイとして動作させること
ができる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
発光する第２ダイヤモンド層が１０¹¹ｃｍ^-2以上の結晶
欠陥密度を有するので、多数の欠陥準位を介して多数の
電子とホールとを結合することができ、低駆動電圧で高
輝度の発光が得られるダイヤモンド発光素子を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るダイヤモンド発光
素子を示す断面図である。

【図２】ダイヤモンド発光素子の発光スペクトルを示す
グラフ図である。

【図３】比較例のダイヤモンド発光素子を示す断面図で
ある。

【図４】ダイヤモンド発光素子の発光スペクトルを示す
グラフ図である。

【図５】高配向性ダイヤモンド膜を説明するための模式
図である。

【図６】本発明の他の実施例のダイヤモンド発光素子を
示す断面図である。

【図７】本発明の更に他の実施例のダイヤモンド発光素
子を示す断面図である。

【図８】本発明の更に他の実施例のダイヤモンド発光素
子を示す断面図である。

【図９】本発明を１次元ディスプレイに適用した例を示
す斜視図である。

【図１０】本発明を２次元ディスプレイに適用した例を
示す斜視図である。

【図１１】従来のＥＬ構造のダイヤモンド発光素子を示
す断面図である。

【図１２】同じく他のダイヤモンド発光素子を示す断面
図である。

【図１３】同じく他のダイヤモンド発光素子を示す断面
図である。

【図１４】従来のＥＬ構造のダイヤモンド発光素子を示
す断面図である。

【図１５】従来のＭＳ構造のダイヤモンド発光素子を示
す断面図である。

【図１６】従来のＭＩＳ構造のダイヤモンド発光素子を
示す断面図である。

【図１７】従来の他のダイヤモンド発光素子を示す断面
図である。

【図１８】同じく他のダイヤモンド発光素子を示す断面
図である。

【図１９】同じく他のダイヤモンド発光素子を示す断面
図である。

【図２０】同じく他のダイヤモンド発光素子を示す断面
図である。

【符号の説明】

１；銅板２，３２，３６，６０；導電性基板３，３３，３７；第１ダイヤモンド層４，３４；第２ダイヤモンド層５；第２電極６；電源１０，２０，５８，６０；基板１１，３５，３８，５７；透明電極１２，２２，５３，５５；絶縁層１３；ダイヤモンド層１４；Ａｌ電極２１，３９；オーミック電極５１，６１；ダイヤモンド発光層５２；電極５４；半導体ダイヤモンド発光層５６，６２；金属電極５７；絶縁性ダイヤモンド層５９；アンドープ絶縁性ダイヤモンド層６３；低抵抗膜６４；絶縁膜又は半導体膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体の第１ダイヤモンド層と、この半
導体第１ダイヤモンド層に積層された第２ダイヤモンド
層と、前記第１及び第２ダイヤモンド層に個別に給電す
る第１及び第２電極とを有し、前記第２ダイヤモンド層
は１０¹¹ｃｍ^-2以上の欠陥密度を有することを特徴とす
るダイヤモンド発光素子。
【請求項２】前記第２ダイヤモンド層には、Ｂ、Ｌ
ｉ、Ｂｅ、Ｏ、Ｆ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎ、Ａｓ及びＡｌからな
る群から選択された少なくとも１種の不純物がドーピン
グされていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤ
モンド発光素子。
【請求項３】前記第２ダイヤモンド層の厚さは、０．
００１乃至１００μｍであ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発光素子。
【請求項４】前記第１ダイヤモンド層は１０¹⁹ｃｍ^-3
以上のＢを含む半導体層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発光素
子。
【請求項５】前記第１電極は前記第１ダイヤモンド層
に接触するオーミック電極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発光素
子。
【請求項６】前記第１ダイヤモンド層は導電性基板の
上に形成されており、前記第１電極は前記導電性基板に
より構成されてい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発光素子。
【請求項７】前記第１及び第２ダイヤモンド層並びに
第１及び第２電極は、その一部又は全面がアンドープダ
イヤモンド、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化硼素、
窒化珪素及び窒化アルミニウムからなる群から選択され
た少なくとも１種の材料からなる単層又は積層膜の絶縁
性保護膜により被覆されていることを特徴とする請求項
１乃至６のいずれか１項に記載のダイヤモンド発光素
子。