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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende
Vorrichtung, die Licht in einem sichtbaren Bereich bei Anwendung
einer Spannung emittiert. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Licht emittierende Vorrichtung, die Diamant
verwendet.
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Die Licht emittierende Diode ist eine Vorrichtung, die Licht
mit hoher Effizienz sogar bei einer niedrigen Spannung
emittiert, und sie wird weit verbreitet als eine Anzeigevorrichtung
verwendet. Die Licht emittierende Diode macht sich die spontane
Emission von Licht eines Halbleiters zunutze. Insbesondere wird
Überschußenergie, die durch die Rekombination von
Überschußladungsträgern erzeugt wird, an der p-n-Übergangsebene eines
Halbleiters in Licht umgewandelt. Die heute bekannten Licht
emittierenden Dioden sind in der Lage, Licht bei verschiedenen
Wellenlängen vom blauen Bereich bis zum infraroten Bereich zu
emittieren.
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Typische, für Licht emittierende Dioden verwendete Halbleiter
umfassen III-V-Verbundstoffe, wie GaAs, GaP, GaAsP und InP, und
II-VI-Verbundstoffe, wie ZnSe und CdS und SiC.
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Verglichen zu diesen Halbleitermaterialien hat Diamant eine
viel größere Bandlücke (5,47 eV). Daher haben Licht
emittierende Vorrichtungen, die Diamant verwenden, das Potential,
Licht in einem kürzeren Wellenlängenbereich, wie blaues oder
ultraviolettes Licht zu emittieren.
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Wie bereits erwähnt wurde, wird üblicherweise ein p-n-Übergang
als Mittel zum Injizieren von Ladungsträgern für die
Lichtemission verwendet. Ein Diamant mit einer
p-Typ-Leitungscharakteristik kann auf einfache Weise durch
Dotieren mit Bor (B) gebildet werden. Obwohl die Bildung eines
Diamants mit einer n-Typ-Leitungscharakteristik berichtet
worden ist, ist jedoch der Widerstand davon sehr hoch. Folglich
sind Licht emittierende Vorrichtungen, die Diamant verwenden,
nicht in der Lage, die gewünschte Lichtemission zu erzeugen,
solange nicht die Ladungsträgerinjektion auf andere Weise als
durch einen p-n-Übergang geschaffen wird. Theoretisch erfüllt
ein Punktkontakt diese Anforderungen, jedoch ist er für die
Anwendung in tatsächlichen Vorrichtungen nicht geeignet.
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Ein Schottky-Kontakt ist als Mittel zum Schaffen eines
Gleichrichtereffekts für Diamant berichtet worden. Collins et al.
berichteten, daß Gold einen wirkungsvollen Schottky-Übergang bei
Diamant bildet (J. Phys. D. Appl. Phys., 9, 951 (1976)). Geis
et al. berichteten, daß Wolfram ebenfalls einen wirkungsvollen
Schottky-Übergang für Diamant bildet (IEEE, Electron Device
Letters, EDL, 8, 341 (1987)).
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Ein Teil der Erfinder der vorliegenden Erfindung berichtete in
der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-75177, daß Wolfram ein
Metall darstellt, das in der Lage ist, einen Schottky-Übergang
zu einer Bor dotierten Epitaxial-Schicht zu bilden, die auf
einem einkristallinem Diamant-Substrat gewachsen wurde.
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Im Hinblick auf diesen Stand der Technik vermuteten die
vorliegenden Erfinder, daß eine Licht emittierende Vorrichtung aus
Diamant gebildet werden könnte, wenn die Ladungsträgerinjektion
mittels eines Schottky-Übergangs ausgeführt wird, der zwischen
den Diamant und einem der oben beschriebenen Metalle
ausgebildet ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aus
Diamant bestehende Licht emittierende Vorrichtung zu schaffen,
die einen Schottky-Übergang als ein Mittel zur
Ladungsträgerinjektion
verwendet.
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Die Licht emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
umfaßt ein Substrat aus einkristallinem Diamant, eine Bor
dotierte epitaktische Diamantschicht, die auf einer
Hauptoberfläche des Substrats durch Gasphasen-Syntheseverfahren
gewachsen wird und eine positive ohmsche und eine negative
Schottky-Elektrode, die auf der epitaktischen Schicht
ausgebildet sind, wobei die negative Elektrode aus einem aus der aus
Wolfram, Molybden, Gold und Aluminium bestehenden Gruppe
ausgewählten Metall hergestellt ist.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen
beschrieben werden. In den Figuren zeigen:
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Fig.1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der
Licht emittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Fig.2 eine grafische Darstellung, die die
Spannungs-Stromcharakteristik der Licht emittierenden Vorrichtung der
Fig. 1 zeigt; und
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Fig.3 eine grafische Darstellung, die das Emissionsspektrum
der Licht emittierenden Vorrichtung der Fig. 1 zeigt.
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Um eine Licht emittierende Vorrichtung aus Diamant
herzustellen, die in der Lage ist, Licht in einer hochgradig
reproduzierbaren Weise zu emittieren, ist es notwendig, daß der
Diamant, der die Betriebseigenschaften stark beeinflußt, von guter
Qualität ist und hochgradig reproduzierbare Eigenschaften hat.
Weiter muß ein Bereich mit niedrigem Widerstand gebildet
werden, da es notwendig ist, einen Strom leitenden Weg in dem
Diamant zu schaffen. Mit anderen Worten, es ist ein Bor
dotierter Diamant notwendig.
Katalysatormetalle, Stickstoff und andere Verunreinigungen
besitzen die Veranlagung, einen durch ein Ultrahochdruckverfahren
synthetisierten Diamant zu kontaminieren, so daß es schwierig
ist, einen stabilen, mit Bor dotierten Diamant zu erhalten.
Andererseits kann ein mit Bor dotierter Diamant mit stabilen
Eigenschaften dadurch erhalten werden, daß eine Bor dotierte
epitaktische Schicht auf der Hauptoberfläche eines Substrats
aus einkristallinem Diamant durch Gasphasen-Synthesetechniken
gewachsen wird. Wenn einkristalliner Diamant nicht als ein
Substrat verwendet wird, wird die wachsende Schicht
polykristallinen Diamant umfassen und eine labile Eigenschaft haben.
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Wenn eine Bor dotierte epitaktische Schicht auf einem durch ein
Ultrahochdruckverfahren hergestellten Diamant gewachsen wird,
kann eine Bor dotierte Diamantschicht gebildet werden, die von
hoher Reinheit ist und die keine Verunreinigungen außer der des
Bors einschließt und die stabile Eigenschaften hat.
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Erfindungsgemäß werden eine positive und eine negative
Elektrode auf der so gewachsenen epitaktischen Schicht gebildet.
Die negative Elektrode zeigt gute Schottky-Eigenschaften, wenn
sie aus einem aus der aus Wolfram, Molybden, Gold und Aluminium
bestehenden Gruppe ausgewählten Metall hergestellt ist. Die
positive Elektrode ist aus einem Metall gefertigt, das einen
guten ohmschen Kontakt mit Diamant schafft. Zum Beispiel wird
Titan als Material für die positive Elektrode verwendet.
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Die Spannungs-Stromcharakteristik, die zwischen der positiven
und negativen Elektrode erhalten werden kann, besitzt eine
Gleichrichternatur.
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Die Licht emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
emittiert Licht, das Komponenten kürzerer Wellenlängen im
Bereich von blauem zu grünem Licht hat, so daß sie als eine
blaues Licht emittierende Vorrichtung in Kombination mit einem
geeigneten Filter verwendet werden kann. Diese Licht
emittierende Vorrichtung ist für viele Anwendungen, wie
Anzeigevorrichtungen und LED-Fernsehgeräte, nützlich.
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Beim Bilden einer Bor dotierten epitaktischen Diamantschicht
ist es wichtig, ein Verfahren zu verwenden, das hochreine Filme
herstellen kann. Vorzugsweise werden elektrodenlose Plasma
unterstützte CVD-Techniken, wie Mikrowellen-Plasma unterstützte
CVD und RF-Plasma unterstützte CVD verwendet. Das Dotieren mit
Bor wird typischerweise durch Bereitstellen eines
Eingabematerials in Gasform ausgeführt, wobei dies jedoch nicht das
einzige Verfahren ist, das verwendet werden kann, sondern andere
Verfahren können natürlich ebenfalls verwendet werden.
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Der einkristalline Diamant, der als das Substrat für das
Wachsen der epitaktischen Schicht verwendet wird, ist
vorzugsweise ein Diamant eines Ib- oder IIa-Typs und nicht so sehr ein
Diamant eines Ia-Typs. Gleich gute Ergebnisse werden erzielt,
unabhängig davon, ob der Diamant natürlich vorkommend oder
künstlich synthetisiert ist.
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Um das Wachstum einer epitaktischen Schicht mit stabilen
Eigenschaften zu erzielen, hat die Hauptoberfläche des
einkristallinen Diamantsubstrats vorzugsweise die Miller-Indizes (100).
Die Miller-Indizes der Hauptoberfläche sind jedoch keinesfalls
auf (100) beschränkt.
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Die positive und negative Elektrode sind vorzugsweise auf der
epitaktischen Schicht durch Gasphasen-Synthesetechniken, wie
Vakuumbedampfung, Sputtern und CVD-Verfahren gebildet. Diese
Gasphasen-Synthesetechniken haben den Vorteil, daß ein
wirkungsvoller Übergang gebildet werden kann, ohne daß
irgendwelche ungewünschten Verunreinigungen an der Grenzfläche
zwischen einer der beiden Elektroden und der epitaktischen
Schicht eingeführt werden. Andere Verfahren können natürlich
auch verwendet werden, um die positive und negative Elektrode
zu bilden.
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Titan weist gute Eigenschaften für die Verwendung als ein
Material für die positive Elektrode auf, was einen ohmschen Kontakt
mit Diamant schafft. Natürlich können auch andere Metalle
verwendet werden, solange sie ähnliche Eigenschaften aufweisen.
Beispiel 1
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Ein synthetischer einkristalliner Diamant wurde geschnitten,
geschliffen und poliert, um ein Substrat einer Größe von 2 x 2
x 0,5 mm zu bilden. Die Hauptoberfläche dieses Substrats hatte
die Miller-Indizes (100) und eine Oberflächen-Rauhigkeit von
ungefähr 20 nm (200 A).
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Unter Verwendung einer Mischung von 1 % CH&sub4;, 0,00005 % B&sub2;H&sub6; und
Wasserstoffrestgas als ein reaktives Gas wurde eine Bor
dotierte Schicht auf der Hauptoberfläche des Substrats durch ein
bekanntes Mikrowellen-Plasma unterstütztes CVD-Verfahren
gebildet. Die Prozeßbedingungen waren 40 Torr und 900º C (Substrat-
Temperatur). Die Bor dotierte Schicht hatte eine Dicke von 0,5
um.
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Durch reflektive Hochenergieelektronenbeugung wurde
herausgefunden, daß die Bor dotierte Schicht einkristallinen Diamant
umfaßt. Es wurde daher geschlossen, daß diese Schicht
epitaktisch gewachsen war.
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Zwei Elektroden wurden auf der Bor dotierten epitaktischen
Schicht unter Verwendung einer Metallmaske gebildet. Die beiden
auf der epitaktischen Schicht ausgebildeten Elektroden sind
schematisch in der Fig. 1 gezeigt. Wie gezeigt, wurde die Bor
dotierte epitaktische Schicht 2 über der Hauptoberfläche des
einkristallinen Diamantsubstrats 1 gebildet, und die negative
Elektrode 3 und die positive Elektrode 4 wurden auf der
epitaktischen Schicht 2 gebildet.
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Die negative Elektrode 3 war eine Wolfram-Elektrode, die mit
einem Planar-Sputter-Gerät in einer Argon-(Ar)-Atmosphäre bei
10&supmin;² Torr gebildet wurde. Die positive Elektrode 4 war aus drei
Schichten aus Titan, Molybden und Gold aufgebaut. Die unterste
Schicht in Kontakt mit der epitaktischen Schicht 2 bestand aus
Titan, die mittlere Schicht 2 bestand aus Molybden, und die
oberste Schicht bestand aus Gold. Die dreischichtige Elektrode
4 wurde mittels Vakuumbedampfung bei einem Druck von 10&supmin;&sup5; Torr
gebildet.
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Die Titan-Schicht hatte eine Dicke von 0,5 um, die Molybden-
Schicht von 0,8 um und die Gold-Schicht von 0,5 um. Die
Wolfram-Elektrode hatte eine Dicke von 0,5 um.
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Es wurde herausgefunden, daß die Spannungs-Stromcharakteristik,
die zwischen der positiven Elektrode 4 und der negativen
Elektrode 3 erhalten wurde, eine wie in der Fig. 2 gezeigte
Gleichrichternatur hat.
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Wenn eine Gleichspannung von -40 Volt zwischen der negativen
Wolfram-Elektrode 3 und der dreischichtigen positiven Elektrode
4 mittels einer Wolfram-Prober-Spitze angelegt wurde, wurde
eine Lichtemission um die Wolfram-Elektrode 3 herum beobachtet.
Das Ergebnis von an dieser Lichtemission ausgeführter
Spektroskopie ist in der Fig. 3 gezeigt. Das Spektrum hat einen
Maximalwert von 530 nm.
Beispiel 2
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Ein gediegener Diamant eines IIa-Typs wurde geschnitten,
geschliffen und poliert, um ein Substrat einer Größe von 1,5 x
1,5 x 0,3 mm anzufertigen. Die Hauptoberfläche des Substrats
hatte die Miller-Indizes (100).
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Eine Bor dotierte Schicht aus Diamant wurde epitaktisch mit der
Hauptoberfläche des Substrats unter den gleichen Bedingungen
wie im Beispiel 1 gewachsen. Ein Wolfram-Film wurde auf der
epitaktischen Schicht durch ein die Zersetzung von WF&sub6;
beinhaltendes CVD-Verfahren gebildet. Danach wurde eine
Wolfram-Elektrode einer vorbestimmten Form durch ein photolithographisches
Verfahren, das in der Belichtung mit einem als Maske
verwendeten Photolackmuster und der Entwicklung (Ätzen) besteht,
hergestellt. Weiter wurde eine dreischichtige (Ti-Mo-Au) Elektrode
durch Vakuum-Bedampfung gebildet.
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Eine Gleichspannung von -50 Volt wurde auf die so hergestellte
Vorrichtung angelegt, wobei die Wolfram-Elektrode als eine
negative Elektrode wirkt. Die Vorrichtung emittierte Licht mit
einem Spektrum mit einem Maximumswert bei 470 nm.
Beispiel 3
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Eine Bor dotierte epitaktische Schicht wurde auf einem Substrat
gebildet, das gleich mit dem im Beispiel 1 verwendeten war. Das
Verfahren des epitaktischen Wachstums war ebenfalls das gleiche
wie das, das im Beispiel 1 verwendet wurde. Eine Goldschicht
wurde mit einer Dicke von 0,5 um auf der epitaktischen
Schicht durch Vakuum-Bedampfung bei 10&supmin;¹ Torr abgelagert, um
eine Schottky-Elektrode zu bilden, die als eine negative
Elektrode dienen sollte. Eine zusätzliche Probe wurde unter den
gleichen Prozeßbedingungen angefertigt, mit der Ausnahme, daß
eine Molybden-Schicht anstatt der Gold-Schicht abgelagert
wurde. Noch eine weitere Probe wurde unter den gleichen
Prozeßbedingungen angefertigt mit der Ausnahme, daß eine Aluminium-
Schicht anstelle der Gold-Schicht abgelagert wurde.
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Eine ohmsche Elektrode, die als eine positive Elektrode dienen
sollte, wurde auf jeder der drei Proben wie in Beispiel 1
gebildet.
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Wenn eine Gleichspannung von -50 Volt auf die die negative
Gold-Elektrode verwendende Probe angewendet wurde, emittierte
sie Licht mit einem spetralen Maximalwert bei 520 nm. Wenn eine
Gleichspannung von -40 Volt auf die die negative Molybden-
Elektrode verwendende Probe angewendet wurde, emittierte sie
Licht mit einem spektralen Maximalwert bei 530 nm. Wenn eine
Gleichspannung von -55 Volt auf die die negative
Aluminiumelektrode verwendende Probe angewendet wurde, emittierte sie Licht
mit einem spektralen Maximalwert bei 470 nm.