JP3411989B2 - ダイヤモンド半導体発光素子 - Google Patents
ダイヤモンド半導体発光素子Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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-
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
-
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- H01S5/3223—IV compounds
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、発光素子（発光
デバイス）としての展開が期待されるダイヤモンド半導
体発光素子に関するものである。
デバイス）としての展開が期待されるダイヤモンド半導
体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、ダイヤモンドは、その機械的、化
学的および熱的特性に加え、優れた半導体的特性や光学
特性を持つことから、電子デバイス用材料として、また
発光デバイス用材料として、大いに注目され期待されて
いる。また、その高性能、高機能に加えて、従来の材料
では実現不可能な過酷な環境下でも使用できる可能性を
持っており、この点でも注目され期待されている。
学的および熱的特性に加え、優れた半導体的特性や光学
特性を持つことから、電子デバイス用材料として、また
発光デバイス用材料として、大いに注目され期待されて
いる。また、その高性能、高機能に加えて、従来の材料
では実現不可能な過酷な環境下でも使用できる可能性を
持っており、この点でも注目され期待されている。
【０００３】特に発光デバイス用材料としてみたとき、
ダイヤモンドは５．５ｅＶという大きなバンドギャップ
をもっており、いろいろな不純物原子などによって、バ
ンドギャップ中に多くの発光センタを形成することが知
られている。したがって、これらの発光センタを利用し
た可視光線から紫外線領域の発光デバイスあるいはレー
ザデバイスヘの応用の可能性がある。実際、これらの発
光センタを利用したレーザ発振が確認されている。
ダイヤモンドは５．５ｅＶという大きなバンドギャップ
をもっており、いろいろな不純物原子などによって、バ
ンドギャップ中に多くの発光センタを形成することが知
られている。したがって、これらの発光センタを利用し
た可視光線から紫外線領域の発光デバイスあるいはレー
ザデバイスヘの応用の可能性がある。実際、これらの発
光センタを利用したレーザ発振が確認されている。
【０００４】ダイヤモンドは間接遷移の半導体ではある
が、不純物原子などの外因的な発光センタでなく、励起
子と呼ばれる材料固有な電子状態による発光過程が室温
でも観測できる特徴がある。この励起子による発光は、
室温で２３５ｎｍという紫外線である。
が、不純物原子などの外因的な発光センタでなく、励起
子と呼ばれる材料固有な電子状態による発光過程が室温
でも観測できる特徴がある。この励起子による発光は、
室温で２３５ｎｍという紫外線である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この励起子
による発光過程にレーザ発振の条件に必要な非線形な光
学特性をダイヤモンドが有しているとすると、これを利
用したダイヤモンドの発光・レーザデバイスが考えられ
るが、現在までダイヤモンドでの励起子による紫外線発
光の報告の例はあるが、非線形性を見出した例はない。
による発光過程にレーザ発振の条件に必要な非線形な光
学特性をダイヤモンドが有しているとすると、これを利
用したダイヤモンドの発光・レーザデバイスが考えられ
るが、現在までダイヤモンドでの励起子による紫外線発
光の報告の例はあるが、非線形性を見出した例はない。
【０００６】一方、紫外線領域における固体単体による
レーザデバイスは、超大容量光メモリを実現するための
要素技術の一つとして、いろいろな材料での研究・開発
が試みられているが、まだ実現されていない。また、ダ
イヤモンドを用いた紫外線の発光デバイスの提案はいく
つかあるが、実用につながらないのは、発光デバイスと
して実現する鍵となる非線形な光学特性をもつダイヤモ
ンドの結晶成長技術が現状ではないという理由による。
レーザデバイスは、超大容量光メモリを実現するための
要素技術の一つとして、いろいろな材料での研究・開発
が試みられているが、まだ実現されていない。また、ダ
イヤモンドを用いた紫外線の発光デバイスの提案はいく
つかあるが、実用につながらないのは、発光デバイスと
して実現する鍵となる非線形な光学特性をもつダイヤモ
ンドの結晶成長技術が現状ではないという理由による。
【０００７】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
ダイヤモンドを紫外光の発光材料として有効に活用し、
発光デバイスやレーザレバイスを確実に実現することが
できるダイヤモンド半導体発光素子を提供することを目
的とする。
ダイヤモンドを紫外光の発光材料として有効に活用し、
発光デバイスやレーザレバイスを確実に実現することが
できるダイヤモンド半導体発光素子を提供することを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明のダイヤモンド半導体発光素
子は、ｎ型ダイヤモンド半導体層と、ｐ型ダイヤモンド
半導体層と、上記ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイ
ヤモンド半導体層との間に介在するアンドープダイヤモ
ンド半導体層と、を備え、上記アンドープダイヤモンド
半導体層と、ｎ型ダイヤモンド半導体層およびｐ型ダイ
ヤモンド半導体層との少なくとも一方は、エネルギ注入
に応じて室温で紫外光を発光する程度に高品質であり、
ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイヤモンド半導体層
とのそれぞれに直接接してまたは間接的に形成した電極
に電流を注入したとき、アンドープダイヤモンド半導体
層から光波長３００ｎｍ以下の励起子発光が出力すると
ともに、その励起子発光は電流値に対して非線形に変化
し、しきい値以上の電流に対して急激に増大する、こと
を特徴としている。
に、請求項１に記載の発明のダイヤモンド半導体発光素
子は、ｎ型ダイヤモンド半導体層と、ｐ型ダイヤモンド
半導体層と、上記ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイ
ヤモンド半導体層との間に介在するアンドープダイヤモ
ンド半導体層と、を備え、上記アンドープダイヤモンド
半導体層と、ｎ型ダイヤモンド半導体層およびｐ型ダイ
ヤモンド半導体層との少なくとも一方は、エネルギ注入
に応じて室温で紫外光を発光する程度に高品質であり、
ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイヤモンド半導体層
とのそれぞれに直接接してまたは間接的に形成した電極
に電流を注入したとき、アンドープダイヤモンド半導体
層から光波長３００ｎｍ以下の励起子発光が出力すると
ともに、その励起子発光は電流値に対して非線形に変化
し、しきい値以上の電流に対して急激に増大する、こと
を特徴としている。
【０００９】また、請求項２に記載の発明のダイヤモン
ド半導体発光素子は、ｎ型ダイヤモンド半導体層と、ｐ
型ダイヤモンド半導体層と、上記ｎ型ダイヤモンド半導
体層とｐ型ダイヤモンド半導体層との間の界面に形成さ
れた活性化領域層と、を備え、上記ｎ型ダイヤモンド半
導体層およびｐ型ダイヤモンド半導体層は、エネルギ注
入に応じて室温で紫外光を発光する程度に高品質であ
り、ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイヤモンド半導
体層とのそれぞれに直接接してまたは間接的に形 成した
電極に電流を注入したとき、活性化領域層から光波長３
００ｎｍ以下の励起子発光が出力するとともに、その励
起子発光は電流値に対して非線形に変化し、しきい値以
上の電流に対して急激に増大する、ことを特徴としてい
る。
ド半導体発光素子は、ｎ型ダイヤモンド半導体層と、ｐ
型ダイヤモンド半導体層と、上記ｎ型ダイヤモンド半導
体層とｐ型ダイヤモンド半導体層との間の界面に形成さ
れた活性化領域層と、を備え、上記ｎ型ダイヤモンド半
導体層およびｐ型ダイヤモンド半導体層は、エネルギ注
入に応じて室温で紫外光を発光する程度に高品質であ
り、ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイヤモンド半導
体層とのそれぞれに直接接してまたは間接的に形 成した
電極に電流を注入したとき、活性化領域層から光波長３
００ｎｍ以下の励起子発光が出力するとともに、その励
起子発光は電流値に対して非線形に変化し、しきい値以
上の電流に対して急激に増大する、ことを特徴としてい
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。
面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】図１は本発明のダイヤモンド半導体の製造
に用いるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を概略的
に示す図である。図において、マイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ装置１００は、マイクロ波を基板１１の法線方向から
入射するエンドランチ型のものであり、マイクロ波源１
は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振し、最大出力が
１．５ｋＷで、出力は必要に応じて調整可能である。こ
のマイクロ波源１の後段には、サーキュレータ２および
ダミーロード３を設け、マイクロ波源１から出たマイク
ロ波のうち、反射して導波管１２に戻ってきた反射波を
水負荷として熱吸収し、反射波がマイクロ波源１の発振
器に悪影響を及ぼすのを防止している。また、サーキュ
レータ２の後段にチューナ４を設け、導波管１２のイン
ピーダンスを３本の棒で調整することで、マイクロ波の
反射を押さえ全入射電力をプラズマで消費できるように
している。さらに、チューナ４の後段に、導波管１２内
に突き出たアンテナを持つアプリケータ５を設け、導波
管１２を進行してきたＴＥ１０モードのマイクロ波を同
心円状のＴＭ０１モードに変換している。マイクロ波を
ＴＭ０１モードにすることで、円筒の反応容器１３にマ
イクロ波が整合し、安定したプラズマが得られるように
なる。
に用いるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を概略的
に示す図である。図において、マイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ装置１００は、マイクロ波を基板１１の法線方向から
入射するエンドランチ型のものであり、マイクロ波源１
は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振し、最大出力が
１．５ｋＷで、出力は必要に応じて調整可能である。こ
のマイクロ波源１の後段には、サーキュレータ２および
ダミーロード３を設け、マイクロ波源１から出たマイク
ロ波のうち、反射して導波管１２に戻ってきた反射波を
水負荷として熱吸収し、反射波がマイクロ波源１の発振
器に悪影響を及ぼすのを防止している。また、サーキュ
レータ２の後段にチューナ４を設け、導波管１２のイン
ピーダンスを３本の棒で調整することで、マイクロ波の
反射を押さえ全入射電力をプラズマで消費できるように
している。さらに、チューナ４の後段に、導波管１２内
に突き出たアンテナを持つアプリケータ５を設け、導波
管１２を進行してきたＴＥ１０モードのマイクロ波を同
心円状のＴＭ０１モードに変換している。マイクロ波を
ＴＭ０１モードにすることで、円筒の反応容器１３にマ
イクロ波が整合し、安定したプラズマが得られるように
なる。
【００１２】原料ガスは、炭素源であるメタンガスと水
素ガスと必要に応じて供給される不純物ドープ用ガスと
の混合ガスであり、各ガスボンベ１５，…から減圧弁
（図示省略）およびマスフローコントローラ１６，…を
経て、ガス導入管６から反応容器１３に導かれ、反応容
器１３上部のシャワーヘッド１９からガスシャワーとし
て反応容器１３内に導入される。メタンガス側のマスフ
ローコントローラ１６には、０．５％以下の混合比（水
素ガスに対するメタンガスの割合）を得るために精度の
高いものを用いる。
素ガスと必要に応じて供給される不純物ドープ用ガスと
の混合ガスであり、各ガスボンベ１５，…から減圧弁
（図示省略）およびマスフローコントローラ１６，…を
経て、ガス導入管６から反応容器１３に導かれ、反応容
器１３上部のシャワーヘッド１９からガスシャワーとし
て反応容器１３内に導入される。メタンガス側のマスフ
ローコントローラ１６には、０．５％以下の混合比（水
素ガスに対するメタンガスの割合）を得るために精度の
高いものを用いる。
【００１３】なお、ＣＶＤダイヤモンド合成プロセス中
は、プロセスポンプ１８による排気を行い、反応容器１
３内のガス圧を制御してプラズマＣＶＤによるダイヤモ
ンド合成を進行させるようにしている。また、ターボポ
ンプ７は予備排気において高真空を得るために使用し、
ロータリポンプ１７は合成中の排気に使用し、さらに、
高周波誘導加熱ヒータ１０は基板１１の温度制御に使用
している。基板１１は、試料交換扉１４を開けて所定位
置にセッティングされる。すなわち、反応容器１３内に
は、ステージ１３１上にグラファイト製のサセプタ１３
２が設けてあり、基板１１は、このサセプタ１３２上に
設置した基板フォルダ１３３にセッティングされる。
は、プロセスポンプ１８による排気を行い、反応容器１
３内のガス圧を制御してプラズマＣＶＤによるダイヤモ
ンド合成を進行させるようにしている。また、ターボポ
ンプ７は予備排気において高真空を得るために使用し、
ロータリポンプ１７は合成中の排気に使用し、さらに、
高周波誘導加熱ヒータ１０は基板１１の温度制御に使用
している。基板１１は、試料交換扉１４を開けて所定位
置にセッティングされる。すなわち、反応容器１３内に
は、ステージ１３１上にグラファイト製のサセプタ１３
２が設けてあり、基板１１は、このサセプタ１３２上に
設置した基板フォルダ１３３にセッティングされる。
【００１４】上記のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置にお
いて、メタンガス濃度を低濃度としてダイヤモンド薄膜
層を作製し、その作製したダイヤモンド薄膜層の膜質評
価をカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定装置（ここで
は、日立製作所製、型式Ｓ４５０）を用いて行った。
いて、メタンガス濃度を低濃度としてダイヤモンド薄膜
層を作製し、その作製したダイヤモンド薄膜層の膜質評
価をカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定装置（ここで
は、日立製作所製、型式Ｓ４５０）を用いて行った。
【００１５】図２はメタンガス濃度を低濃度にして作製
したダイヤモンド薄膜層の紫外光範囲でのＣＬスペクト
ルを示す図である。図において、（ａ）はメタンガス濃
度を極低濃度、例えば０．０１６％〜０．０２５％とし
て作製したダイヤモンド薄膜層のＣＬスペクトルであ
り、（ｂ）はメタンガス濃度を低濃度、例えば０．５％
として作製したダイヤモンド薄膜層のＣＬスペクトルで
ある。
したダイヤモンド薄膜層の紫外光範囲でのＣＬスペクト
ルを示す図である。図において、（ａ）はメタンガス濃
度を極低濃度、例えば０．０１６％〜０．０２５％とし
て作製したダイヤモンド薄膜層のＣＬスペクトルであ
り、（ｂ）はメタンガス濃度を低濃度、例えば０．５％
として作製したダイヤモンド薄膜層のＣＬスペクトルで
ある。
【００１６】（ａ）（ｂ）のダイヤモンド薄膜層は、い
ずれも波長２３５ｎｍのＣＬ強度が大きくなっている
が、この波長２３５ｎｍの発光はダイヤモンドの自由励
起子再結合による５．２７ｅＶの紫外光発光である。
（ａ）のダイヤモンド薄膜層は、室温においてダイヤモ
ンドに固有のバンド端発光を顕著に示している。一方、
（ｂ）のダイヤモンド薄膜層は、不純物や欠陥などが膜
中に存在するため、バンドギャップ中に発光を妨げる再
結合中心が現れ、このため（ａ）のダイヤモンド薄膜層
のように顕著ではないものの、それでも室温においてダ
イヤモンドに固有のバンド端発光を示している。
ずれも波長２３５ｎｍのＣＬ強度が大きくなっている
が、この波長２３５ｎｍの発光はダイヤモンドの自由励
起子再結合による５．２７ｅＶの紫外光発光である。
（ａ）のダイヤモンド薄膜層は、室温においてダイヤモ
ンドに固有のバンド端発光を顕著に示している。一方、
（ｂ）のダイヤモンド薄膜層は、不純物や欠陥などが膜
中に存在するため、バンドギャップ中に発光を妨げる再
結合中心が現れ、このため（ａ）のダイヤモンド薄膜層
のように顕著ではないものの、それでも室温においてダ
イヤモンドに固有のバンド端発光を示している。
【００１７】この点を鑑みると、メタンガス濃度を極低
濃度および低濃度として作製した（ａ）（ｂ）のダイヤ
モンド薄膜層は、良質（高品質）の膜構成であることが
分かる。このようなダイヤモンド薄膜からのバンド端発
光は、液体窒素温度以下の低温では報告例があるが、室
温においては我々のグループが初めて観測した。
濃度および低濃度として作製した（ａ）（ｂ）のダイヤ
モンド薄膜層は、良質（高品質）の膜構成であることが
分かる。このようなダイヤモンド薄膜からのバンド端発
光は、液体窒素温度以下の低温では報告例があるが、室
温においては我々のグループが初めて観測した。
【００１８】なお、この場合の室温における発光は、カ
ソードルミネッセンス測定装置での電子ビーム注入に対
応して現れたものであるが、電子ビームに限らず、電流
注入、Ｘ線注入、イオン注入等、各種のエネルギ注入に
対応して現れることを確認することができた。
ソードルミネッセンス測定装置での電子ビーム注入に対
応して現れたものであるが、電子ビームに限らず、電流
注入、Ｘ線注入、イオン注入等、各種のエネルギ注入に
対応して現れることを確認することができた。
【００１９】なお、この実施形態で使用するダイヤモン
ド薄膜層は、上記のようにエネルギ注入に対応して室温
で紫外光を発光する程度に高品質のものである。
ド薄膜層は、上記のようにエネルギ注入に対応して室温
で紫外光を発光する程度に高品質のものである。
【００２０】この実施形態では、上記したマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ装置１００を用い、メタンガス濃度を０．
０２５％および０．５％として、２種類のダイヤモンド
薄膜層を作製し、その２種類のダイヤモンド薄膜層の各
々に、上記したカソードルミネッセンス測定装置を用い
て電子ビームを注入し、そのときの発光強度を測定し
た。次に、その測定結果について説明する。なお、メタ
ンガス濃度を０．０２５％および０．５％として作製し
たダイヤモンド薄膜層のＣＬスペクトルには、上記した
図２の（ａ）（ｂ）に示すＣＬスペクトルと同等の波長
位置にＣＬ強度のピークが観測された。
ラズマＣＶＤ装置１００を用い、メタンガス濃度を０．
０２５％および０．５％として、２種類のダイヤモンド
薄膜層を作製し、その２種類のダイヤモンド薄膜層の各
々に、上記したカソードルミネッセンス測定装置を用い
て電子ビームを注入し、そのときの発光強度を測定し
た。次に、その測定結果について説明する。なお、メタ
ンガス濃度を０．０２５％および０．５％として作製し
たダイヤモンド薄膜層のＣＬスペクトルには、上記した
図２の（ａ）（ｂ）に示すＣＬスペクトルと同等の波長
位置にＣＬ強度のピークが観測された。
【００２１】図３は上記ダイヤモンド薄膜層の発光強度
特性を示す図である。図中、横軸はダイヤモンド薄膜層
（試料）に照射した電子ビームの電流値（プローブ電流
値）であり、縦軸は励起子（エキシトン）発光強度であ
る。また、（ａ）はメタンガス濃度を０．０２５％とし
て作製した試料であり、（ｂ）は０．５％として作製し
た試料である。測定は、試料温度を３００Ｋに保持し、
また電子ビームの加速電圧を３０ｋＶとして行った。プ
ローブ電流の測定には試料近傍に設置したファラデーカ
ップを使用した。発光強度は、２３５ｎｍ（５．２７ｅ
Ｖ）の自由励起子発光ピークをガウシアン（Ｇａｕｓｓ
ｉａｎ）関数によりフィッティングして決定した。な
お、この試料作製に使用した基板からは、励起子発光は
観察されていない。
特性を示す図である。図中、横軸はダイヤモンド薄膜層
（試料）に照射した電子ビームの電流値（プローブ電流
値）であり、縦軸は励起子（エキシトン）発光強度であ
る。また、（ａ）はメタンガス濃度を０．０２５％とし
て作製した試料であり、（ｂ）は０．５％として作製し
た試料である。測定は、試料温度を３００Ｋに保持し、
また電子ビームの加速電圧を３０ｋＶとして行った。プ
ローブ電流の測定には試料近傍に設置したファラデーカ
ップを使用した。発光強度は、２３５ｎｍ（５．２７ｅ
Ｖ）の自由励起子発光ピークをガウシアン（Ｇａｕｓｓ
ｉａｎ）関数によりフィッティングして決定した。な
お、この試料作製に使用した基板からは、励起子発光は
観察されていない。
【００２２】図に示すように、この発明に係るダイヤモ
ンド薄膜層は、照射した電子ビームの強度に応じてその
励起子発光強度が非線形に変化している。すなわち、発
光強度は、プローブ電流に比例して増加し、あるプロー
ブ電流値を境に指数関数的な強度の増加を観測した。プ
ローブ電流に対する急激な強度増加に対する実験値は、
最小二乗法によりフィットし、そのしきい値は、おおよ
そ（ａ）の試料で３０μＡ、（ｂ）の試料で６０μＡで
あることがわかった。このように、しきい値は、０．５
％のメタンガス濃度の雰囲気中で合成して得られたダイ
ヤモンド薄膜に対し、０．０２５％の極低メタンガス濃
度の雰囲気中で合成して得られた薄膜では約１／２に減
少している。
ンド薄膜層は、照射した電子ビームの強度に応じてその
励起子発光強度が非線形に変化している。すなわち、発
光強度は、プローブ電流に比例して増加し、あるプロー
ブ電流値を境に指数関数的な強度の増加を観測した。プ
ローブ電流に対する急激な強度増加に対する実験値は、
最小二乗法によりフィットし、そのしきい値は、おおよ
そ（ａ）の試料で３０μＡ、（ｂ）の試料で６０μＡで
あることがわかった。このように、しきい値は、０．５
％のメタンガス濃度の雰囲気中で合成して得られたダイ
ヤモンド薄膜に対し、０．０２５％の極低メタンガス濃
度の雰囲気中で合成して得られた薄膜では約１／２に減
少している。
【００２３】このように、非線形な発光強度特性を有す
るダイヤモンド半導体として、メタンガス濃度の雰囲気
中で合成し、室温で紫外光を発光する程度に高品質のも
のを用いるようにしたので、その高品質の度合いをメタ
ンガス濃度に応じて制御することができ、このため、非
線形の光学特性のしきい値をそのメタンガス濃度に応じ
て低く制御することができ、したがって、さらに効率良
く紫外光の発光を行わせることができるようになる。
るダイヤモンド半導体として、メタンガス濃度の雰囲気
中で合成し、室温で紫外光を発光する程度に高品質のも
のを用いるようにしたので、その高品質の度合いをメタ
ンガス濃度に応じて制御することができ、このため、非
線形の光学特性のしきい値をそのメタンガス濃度に応じ
て低く制御することができ、したがって、さらに効率良
く紫外光の発光を行わせることができるようになる。
【００２４】図３の測定結果は、照射電子ビームにより
発生した電子・正孔対が励起子を生成する過程に、何ら
かの増幅作用があり、その増幅作用は照射電子ビームの
強度を上げるほど、より大となることを示している。こ
の結果が実際にダイヤモンド半導体に特有のものであれ
ば、レーザを含むダイヤモンド半導体の紫外線発光デバ
イスを作る上での基本的原理を提供することになる。そ
こで、以下に図４および図５を用いて、図３の測定結果
が、この発明に係るダイヤモンド薄膜に特有なものであ
ることを明らかにする。なお、図４および図５の測定結
果は、図３の場合と同様に、上記のカソードルミネッセ
ンス測定装置を用いて得られたものであり、その測定
は、試料温度を３００Ｋに保持し、また電子ビームの加
速電圧を３０ｋＶとして行った。
発生した電子・正孔対が励起子を生成する過程に、何ら
かの増幅作用があり、その増幅作用は照射電子ビームの
強度を上げるほど、より大となることを示している。こ
の結果が実際にダイヤモンド半導体に特有のものであれ
ば、レーザを含むダイヤモンド半導体の紫外線発光デバ
イスを作る上での基本的原理を提供することになる。そ
こで、以下に図４および図５を用いて、図３の測定結果
が、この発明に係るダイヤモンド薄膜に特有なものであ
ることを明らかにする。なお、図４および図５の測定結
果は、図３の場合と同様に、上記のカソードルミネッセ
ンス測定装置を用いて得られたものであり、その測定
は、試料温度を３００Ｋに保持し、また電子ビームの加
速電圧を３０ｋＶとして行った。
【００２５】図４はダイヤモンド薄膜と窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）薄膜の各バンド端スペクトルの測定結果を
示す図である。図中、横軸はフォトンエネルギ、縦軸は
ＣＬ強度である。ＡｌＮ薄膜は、室温で５．９ｅＶの直
接遷移型バンドギャップを持つワイドバンドギャップ半
導体の一つであり、ダイヤモンド薄膜とＡｌＮ薄膜の発
光ビークは、それぞれ５．２８ｅＶ、５．８５ｅＶで観
測された。相対的な発光強度はほぼ同等である。
ム（ＡｌＮ）薄膜の各バンド端スペクトルの測定結果を
示す図である。図中、横軸はフォトンエネルギ、縦軸は
ＣＬ強度である。ＡｌＮ薄膜は、室温で５．９ｅＶの直
接遷移型バンドギャップを持つワイドバンドギャップ半
導体の一つであり、ダイヤモンド薄膜とＡｌＮ薄膜の発
光ビークは、それぞれ５．２８ｅＶ、５．８５ｅＶで観
測された。相対的な発光強度はほぼ同等である。
【００２６】図５は図４で観測したダイヤモンド薄膜と
ＡｌＮ薄膜に対する励起電子ビームのプローブ電流と発
光強度の関係を示す図である。ダイヤモンド薄膜は、プ
ローブ電流の増加に対し指数関数的に発光強度が増加す
るのに対し、ＡｌＮ薄膜は、プローブ電流に比例して増
加し、ダイヤモンド薄膜で観測されるプローブ電流に対
する非線形な特性は観測されなかった。
ＡｌＮ薄膜に対する励起電子ビームのプローブ電流と発
光強度の関係を示す図である。ダイヤモンド薄膜は、プ
ローブ電流の増加に対し指数関数的に発光強度が増加す
るのに対し、ＡｌＮ薄膜は、プローブ電流に比例して増
加し、ダイヤモンド薄膜で観測されるプローブ電流に対
する非線形な特性は観測されなかった。
【００２７】しきい値以下のプローブ電流に対し、Ａｌ
Ｎ薄膜からの発光強度がダイヤモンド薄膜より勝ってい
るのは、おそらくＡｌＮ薄膜の発光プロセスが直接遷移
型に起因した直接バンド間遷移であるためと考えられ
る。したがって、これは直接遷移と間接遷移による発光
効率に関係した発光強度の差であり矛盾がない。一方、
しきい値以上のプローブ電流領域で発光強度が相対的に
逆転している。これは、ダイヤモンド薄膜において、し
きい値を境に低励起強度領域と高励起強度領域で発光メ
カニズムが変化していることを示唆する。
Ｎ薄膜からの発光強度がダイヤモンド薄膜より勝ってい
るのは、おそらくＡｌＮ薄膜の発光プロセスが直接遷移
型に起因した直接バンド間遷移であるためと考えられ
る。したがって、これは直接遷移と間接遷移による発光
効率に関係した発光強度の差であり矛盾がない。一方、
しきい値以上のプローブ電流領域で発光強度が相対的に
逆転している。これは、ダイヤモンド薄膜において、し
きい値を境に低励起強度領域と高励起強度領域で発光メ
カニズムが変化していることを示唆する。
【００２８】この結果から、ダイヤモンド薄膜から観測
された、プローブ電流の増加に対し指数関数的に立ち上
がる励起子発光強度の振舞いは、ダイヤモンド本来の物
性に由来した発光メカニズムにより発現されていること
がわかる。そして、この指数関数的に立ち上がる励起子
発光強度の振舞いは、ダイヤモンド薄膜を用いた紫外線
発光デバイスの実現に大きく寄与するものである。
された、プローブ電流の増加に対し指数関数的に立ち上
がる励起子発光強度の振舞いは、ダイヤモンド本来の物
性に由来した発光メカニズムにより発現されていること
がわかる。そして、この指数関数的に立ち上がる励起子
発光強度の振舞いは、ダイヤモンド薄膜を用いた紫外線
発光デバイスの実現に大きく寄与するものである。
【００２９】上記では、薄膜状のダイヤモンド半導体の
電子ビーム注入による励起子発光について説明したが、
次に、このダイヤモンド半導体を用いて構成した発光素
子（発光デバイス）について、図６および図７を用いて
説明する。
電子ビーム注入による励起子発光について説明したが、
次に、このダイヤモンド半導体を用いて構成した発光素
子（発光デバイス）について、図６および図７を用いて
説明する。
【００３０】図６はこの発明のダイヤモンド半導体発光
素子の第１の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０は、基板２１上
に形成した高品質な平坦化ダイヤモンド層２２の上に形
成され、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３と、ｐ型ダイヤ
モンド半導体層２４と、このｎ型ダイヤモンド半導体層
２３とｐ型ダイヤモンド半導体層２４との間に介在する
高品質のアンドープダイヤモンド半導体層２５ｑと、を
備えている。また、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３およ
びｐ型ダイヤモンド半導体層２４の上には、Ｔｉからな
る電極２６，２７を形成し、オーミック接触の電極を設
けている。この電極２６，２７によって、電流は電極２
７、ｐ型ダイヤモンド半導体層２４、アンドープダイヤ
モンド半導体層２５ｑ、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３
および電極２６の順に流れる。
素子の第１の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０は、基板２１上
に形成した高品質な平坦化ダイヤモンド層２２の上に形
成され、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３と、ｐ型ダイヤ
モンド半導体層２４と、このｎ型ダイヤモンド半導体層
２３とｐ型ダイヤモンド半導体層２４との間に介在する
高品質のアンドープダイヤモンド半導体層２５ｑと、を
備えている。また、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３およ
びｐ型ダイヤモンド半導体層２４の上には、Ｔｉからな
る電極２６，２７を形成し、オーミック接触の電極を設
けている。この電極２６，２７によって、電流は電極２
７、ｐ型ダイヤモンド半導体層２４、アンドープダイヤ
モンド半導体層２５ｑ、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３
および電極２６の順に流れる。
【００３１】上記したｎ型ダイヤモンド半導体層２３お
よびｐ型ダイヤモンド半導体層２４はそれぞれ、ＣＶＤ
法を用いて気相合成中のガスフェーズの下で不純物をド
ープすることで形成してもよいし、またアンドープダイ
ヤモンド薄膜層に不純物をイオン注入することで形成し
てもよい。
よびｐ型ダイヤモンド半導体層２４はそれぞれ、ＣＶＤ
法を用いて気相合成中のガスフェーズの下で不純物をド
ープすることで形成してもよいし、またアンドープダイ
ヤモンド薄膜層に不純物をイオン注入することで形成し
てもよい。
【００３２】上記構成のダイヤモンド半導体発光素子２
０において、電極２７に電流を注入すると、その電流注
入により、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子
がそれぞれ注入され、ｐとｎとの中間にある高品質のア
ンドープダイヤモンド薄膜層２５は、電子と正孔の密度
の高い領域となり、励起子発光が現れてアンドープダイ
ヤモンド薄膜層２５ｑから紫外光が出力される。
０において、電極２７に電流を注入すると、その電流注
入により、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子
がそれぞれ注入され、ｐとｎとの中間にある高品質のア
ンドープダイヤモンド薄膜層２５は、電子と正孔の密度
の高い領域となり、励起子発光が現れてアンドープダイ
ヤモンド薄膜層２５ｑから紫外光が出力される。
【００３３】図７はこの発明のダイヤモンド半導体発光
素子の第２の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ａが上記した第
１の構成例におけるダイヤモンド半導体発光素子２０と
相異している点は、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑと
ｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとの双方を高品質なも
のとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑと
ｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとを接した状態に形成
し、双方２３ｑ，２４ｑの間の界面に活性領域２９を形
成するようにした点である。この構成のダイヤモンド半
導体発光素子２０Ａは、上記した第１の構成例の場合と
同様に、電極２７に電流を注入すると、その電流注入に
より、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子がそ
れぞれ注入される。そして、ｐとｎとの中間にある活性
領域２９は、電子と正孔の密度の高い領域となり、励起
子発光が現れて活性領域２９から紫外光が出力される。
素子の第２の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ａが上記した第
１の構成例におけるダイヤモンド半導体発光素子２０と
相異している点は、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑと
ｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとの双方を高品質なも
のとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑと
ｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとを接した状態に形成
し、双方２３ｑ，２４ｑの間の界面に活性領域２９を形
成するようにした点である。この構成のダイヤモンド半
導体発光素子２０Ａは、上記した第１の構成例の場合と
同様に、電極２７に電流を注入すると、その電流注入に
より、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子がそ
れぞれ注入される。そして、ｐとｎとの中間にある活性
領域２９は、電子と正孔の密度の高い領域となり、励起
子発光が現れて活性領域２９から紫外光が出力される。
【００３４】図８はこの発明のダイヤモンド半導体発光
素子の第３の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｂは、基板２１
および平坦化ダイヤモンド層２２の上に積層して形成さ
れ、ｐ型ダイヤモンド半導体層２４と、その上に形成し
た高品質のアンドープダイヤモンド半導体層２５ｑと、
その上に形成したｎ型ダイヤモンド半導体層２４とを備
えている。また、上記した第１、第２の構成例の場合と
同様に、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３およびｐ型ダイ
ヤモンド半導体層２４の上には、Ｔｉからなる電極２
６，２７を形成してオーミック接触の電極とし、この電
極２６，２７によって、電流は電極２７、ｐ型ダイヤモ
ンド半導体層２４、アンドープダイヤモンド半導体層２
５ｑ、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３、および電極２６
の順に流れる。
素子の第３の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｂは、基板２１
および平坦化ダイヤモンド層２２の上に積層して形成さ
れ、ｐ型ダイヤモンド半導体層２４と、その上に形成し
た高品質のアンドープダイヤモンド半導体層２５ｑと、
その上に形成したｎ型ダイヤモンド半導体層２４とを備
えている。また、上記した第１、第２の構成例の場合と
同様に、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３およびｐ型ダイ
ヤモンド半導体層２４の上には、Ｔｉからなる電極２
６，２７を形成してオーミック接触の電極とし、この電
極２６，２７によって、電流は電極２７、ｐ型ダイヤモ
ンド半導体層２４、アンドープダイヤモンド半導体層２
５ｑ、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３、および電極２６
の順に流れる。
【００３５】上記構成のダイヤモンド半導体発光素子２
０Ｂは、上記したダイヤモンド半導体発光素子２０，２
０Ａと同様の作用を発揮する。すなわち、この構成のダ
イヤモンド半導体発光素子２０Ｂは、電極２７に電流を
注入すると、その電流注入により、ｐ側からｎ側へ正孔
が、ｎ側からｐ側へ電子がそれぞれ注入される。そし
て、ｐとｎの間に介在している高品質のアンドープダイ
ヤモンド半導体層２５ｑは、電子と正孔の密度の高い領
域となり、励起子発光が現れてこのアンドープダイヤモ
ンド半導体層２５ｑから紫外光が出力される。
０Ｂは、上記したダイヤモンド半導体発光素子２０，２
０Ａと同様の作用を発揮する。すなわち、この構成のダ
イヤモンド半導体発光素子２０Ｂは、電極２７に電流を
注入すると、その電流注入により、ｐ側からｎ側へ正孔
が、ｎ側からｐ側へ電子がそれぞれ注入される。そし
て、ｐとｎの間に介在している高品質のアンドープダイ
ヤモンド半導体層２５ｑは、電子と正孔の密度の高い領
域となり、励起子発光が現れてこのアンドープダイヤモ
ンド半導体層２５ｑから紫外光が出力される。
【００３６】図９はこの発明のダイヤモンド半導体発光
素子の第４の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｃが上記した第
３の構成例におけるダイヤモンド半導体発光素子２０Ｂ
と相異している点は、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑ
とｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとの双方を高品質な
ものとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑ
とｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとを接した状態に形
成し、双方２３ｑ，２４ｑの間の界面に活性領域２９を
形成するようにした点である。この構成のダイヤモンド
半導体発光素子２０Ｃは、上記した第３の構成例の場合
と同様に、電極２７に電流を注入すると、その電流注入
により、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子が
それぞれ注入される。そして、ｐとｎとの中間にある活
性領域２９は、電子と正孔の密度の高い領域となり、励
起子発光が現れて活性領域２９から出力される。
素子の第４の構成例を示す図である。図において、この
発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｃが上記した第
３の構成例におけるダイヤモンド半導体発光素子２０Ｂ
と相異している点は、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑ
とｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとの双方を高品質な
ものとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３ｑ
とｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとを接した状態に形
成し、双方２３ｑ，２４ｑの間の界面に活性領域２９を
形成するようにした点である。この構成のダイヤモンド
半導体発光素子２０Ｃは、上記した第３の構成例の場合
と同様に、電極２７に電流を注入すると、その電流注入
により、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子が
それぞれ注入される。そして、ｐとｎとの中間にある活
性領域２９は、電子と正孔の密度の高い領域となり、励
起子発光が現れて活性領域２９から出力される。
【００３７】図１０はこの発明のダイヤモンド半導体発
光素子の第５の構成例を示す図である。図において、こ
の発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｄは、基板２
１上に、ｐ型ダイヤモンド半導体層２４と、高品質のア
ンドープダイヤモンド半導体層２５ｑと、ｎ型ダイヤモ
ンド半導体層２３とを層状に備えている。また、ｎ型ダ
イヤモンド半導体層２３ｑの上面側、および基板２１の
裏面側には、それぞれ一面にＴｉからなる電極２６，２
７を形成してオーミック接触の電極としている。この電
極２６，２７によって、電流は電極２７、基板２１、ｐ
型ダイヤモンド半導体層２４、アンドープダイヤモンド
半導体層２５ｑ、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３、およ
び電極２６の順に流れる。
光素子の第５の構成例を示す図である。図において、こ
の発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｄは、基板２
１上に、ｐ型ダイヤモンド半導体層２４と、高品質のア
ンドープダイヤモンド半導体層２５ｑと、ｎ型ダイヤモ
ンド半導体層２３とを層状に備えている。また、ｎ型ダ
イヤモンド半導体層２３ｑの上面側、および基板２１の
裏面側には、それぞれ一面にＴｉからなる電極２６，２
７を形成してオーミック接触の電極としている。この電
極２６，２７によって、電流は電極２７、基板２１、ｐ
型ダイヤモンド半導体層２４、アンドープダイヤモンド
半導体層２５ｑ、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３、およ
び電極２６の順に流れる。
【００３８】上記構成のダイヤモンド半導体発光素子２
０Ｄは、上記したダイヤモンド半導体発光素子２０，２
０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと同様の作用を発揮する。すなわ
ち、この構成のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｄは、
電極２７に電流を注入すると、その電流注入により、ｐ
側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子がそれぞれ注
入される。そして、ｐとｎの間に介在している高品質の
アンドープダイヤモンド半導体層２５ｑは、電子と正孔
の密度の高い領域となり、励起子発光が現れてこのアン
ドープダイヤモンド半導体層２５ｑから紫外光が出力さ
れる。
０Ｄは、上記したダイヤモンド半導体発光素子２０，２
０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと同様の作用を発揮する。すなわ
ち、この構成のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｄは、
電極２７に電流を注入すると、その電流注入により、ｐ
側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子がそれぞれ注
入される。そして、ｐとｎの間に介在している高品質の
アンドープダイヤモンド半導体層２５ｑは、電子と正孔
の密度の高い領域となり、励起子発光が現れてこのアン
ドープダイヤモンド半導体層２５ｑから紫外光が出力さ
れる。
【００３９】図１１はこの発明のダイヤモンド半導体発
光素子の第６の構成例を示す図である。図において、こ
の発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｅが上記した
第５の構成例におけるダイヤモンド半導体発光素子２０
Ｄと相異している点は、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３
ｑとｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとの双方を高品質
なものとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３
ｑとｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとを接した状態に
形成し、双方２３ｑ，２４ｑの間の界面に活性領域２９
を形成するようにした点である。この構成のダイヤモン
ド半導体発光素子２０Ｅは、上記した第５の構成例の場
合と同様に、電極２７に電流を注入すると、その電流注
入により、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子
がそれぞれ注入される。そして、ｐとｎとの中間にある
活性領域２９は、電子と正孔の密度の高い領域となり、
励起子発光が現れて活性領域２９から紫外光が出力され
る。
光素子の第６の構成例を示す図である。図において、こ
の発明のダイヤモンド半導体発光素子２０Ｅが上記した
第５の構成例におけるダイヤモンド半導体発光素子２０
Ｄと相異している点は、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３
ｑとｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとの双方を高品質
なものとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導体層２３
ｑとｐ型ダイヤモンド半導体層２４ｑとを接した状態に
形成し、双方２３ｑ，２４ｑの間の界面に活性領域２９
を形成するようにした点である。この構成のダイヤモン
ド半導体発光素子２０Ｅは、上記した第５の構成例の場
合と同様に、電極２７に電流を注入すると、その電流注
入により、ｐ側からｎ側へ正孔が、ｎ側からｐ側へ電子
がそれぞれ注入される。そして、ｐとｎとの中間にある
活性領域２９は、電子と正孔の密度の高い領域となり、
励起子発光が現れて活性領域２９から紫外光が出力され
る。
【００４０】このように、上記した各構成例におけるダ
イヤモンド半導体発光素子２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０
Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅのいずれにおいても、紫外光を出力
するが、第１、第３および第５の構成例では、アンドー
プダイヤモンド半導体層２５ｑを高品質なものとし、ま
た第２、第４、第６の構成例では、ｎ型およびｐ型のダ
イヤモンド半導体層２３ｑ，２４ｑを高品質なものとし
たので、その高品質領域の存在により、紫外光の強度
は、電流を増加させると非線形に指数関数的に立ち上が
るようになり、極めて効率の良い発光素子を構成するこ
とができる。
イヤモンド半導体発光素子２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０
Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅのいずれにおいても、紫外光を出力
するが、第１、第３および第５の構成例では、アンドー
プダイヤモンド半導体層２５ｑを高品質なものとし、ま
た第２、第４、第６の構成例では、ｎ型およびｐ型のダ
イヤモンド半導体層２３ｑ，２４ｑを高品質なものとし
たので、その高品質領域の存在により、紫外光の強度
は、電流を増加させると非線形に指数関数的に立ち上が
るようになり、極めて効率の良い発光素子を構成するこ
とができる。
【００４１】ダイヤモンド薄膜のエキシトンで非線形性
を導き出した原因の一つは、ダイヤモンド薄膜内にエキ
シトンを非常に高密度の状態まで安定に存在できる環境
（高品質な薄膜）が得られたためと考えられる。これ
は、ダイヤモンド薄膜結晶内の欠陥濃度の低減と高純度
下により励起されたキャリアの消滅とエキシトンが非発
光プロセスにより再結合する割合が減少し、結晶内に生
成されたエキシトン寿命が拡大されたためと推測され
る。この結果、高密度エキシトン状態に基づいた特有な
現象、あるいは未知の現象が発現されていると考えられ
る。
を導き出した原因の一つは、ダイヤモンド薄膜内にエキ
シトンを非常に高密度の状態まで安定に存在できる環境
（高品質な薄膜）が得られたためと考えられる。これ
は、ダイヤモンド薄膜結晶内の欠陥濃度の低減と高純度
下により励起されたキャリアの消滅とエキシトンが非発
光プロセスにより再結合する割合が減少し、結晶内に生
成されたエキシトン寿命が拡大されたためと推測され
る。この結果、高密度エキシトン状態に基づいた特有な
現象、あるいは未知の現象が発現されていると考えられ
る。
【００４２】また、上記した各発光素子においてアンド
ープダイヤモンド半導体層２５ｑまたは活性領域２９か
ら出力した紫外光を鏡面等で反射させて共振器を構成
し、レーザ発振を行わせることによって、極めて効率の
良い発光素子を実現することができる。
ープダイヤモンド半導体層２５ｑまたは活性領域２９か
ら出力した紫外光を鏡面等で反射させて共振器を構成
し、レーザ発振を行わせることによって、極めて効率の
良い発光素子を実現することができる。
【００４３】なお、上記の第１、第３および第５の構成
例では、アンドープダイヤモンド半導体層２５ｑのみを
高品質なものとしたが、さらにｎ型ダイヤモンド半導体
層２３とｐ型ダイヤモンド半導体層２４との双方あるい
は一方を高品質のものとしてもよい。また、逆に、アン
ドープダイヤモンド半導体層を通常の品質のものとし、
ｎ型ダイヤモンド半導体層およびｐ型ダイヤモンド半導
体層を高品質なものとして構成してもよい。
例では、アンドープダイヤモンド半導体層２５ｑのみを
高品質なものとしたが、さらにｎ型ダイヤモンド半導体
層２３とｐ型ダイヤモンド半導体層２４との双方あるい
は一方を高品質のものとしてもよい。また、逆に、アン
ドープダイヤモンド半導体層を通常の品質のものとし、
ｎ型ダイヤモンド半導体層およびｐ型ダイヤモンド半導
体層を高品質なものとして構成してもよい。
【００４４】以上述べたように、この発明の実施形態で
は、薄膜状のダイヤモンド半導体が、非線形に変化する
励起子発光の発光強度特性を有するので、極めて効率良
く紫外光を発光させることができるようになり、したが
って、ダイヤモンドを紫外光の発光材料として有効に用
いることが可能となり、発光デバイスやレーザデバイス
を確実に実現に至らせることができる。
は、薄膜状のダイヤモンド半導体が、非線形に変化する
励起子発光の発光強度特性を有するので、極めて効率良
く紫外光を発光させることができるようになり、したが
って、ダイヤモンドを紫外光の発光材料として有効に用
いることが可能となり、発光デバイスやレーザデバイス
を確実に実現に至らせることができる。
【００４５】また、非線形な発光強度特性を有するダイ
ヤモンド半導体をメタンガス濃度の雰囲気中で合成し、
室温で紫外光を発光する程度に高品質のものとしたの
で、その高品質の度合いをメタンガス濃度に応じて制御
することができ、このため、非線形の光学特性のしきい
値をそのメタンガス濃度に応じて低く制御することがで
き、したがって、さらに効率良く紫外光の発光を行わせ
ることができるようになる。
ヤモンド半導体をメタンガス濃度の雰囲気中で合成し、
室温で紫外光を発光する程度に高品質のものとしたの
で、その高品質の度合いをメタンガス濃度に応じて制御
することができ、このため、非線形の光学特性のしきい
値をそのメタンガス濃度に応じて低く制御することがで
き、したがって、さらに効率良く紫外光の発光を行わせ
ることができるようになる。
【００４６】また、この薄膜状のダイヤモンド半導体を
用いて発光素子を構成するとき、各ダイヤモンド半導体
の非線形な光学特性により、ダイヤモンド半導体発光素
子も極めて効率の良い発光素子とすることができる。
用いて発光素子を構成するとき、各ダイヤモンド半導体
の非線形な光学特性により、ダイヤモンド半導体発光素
子も極めて効率の良い発光素子とすることができる。
【００４７】
【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。
以下に説明するような効果を奏することができる。
【００４８】本発明では、ダイヤモンド半導体が、非線
形に変化する励起子発光の発光強度特性を有するので、
極めて効率良く紫外光を発光させることができるように
なり、したがって、ダイヤモンドを紫外光の発光材料と
して有効に用いることが可能となり、発光デバイスやレ
ーザデバイスを確実に実現に至らせることができる。
形に変化する励起子発光の発光強度特性を有するので、
極めて効率良く紫外光を発光させることができるように
なり、したがって、ダイヤモンドを紫外光の発光材料と
して有効に用いることが可能となり、発光デバイスやレ
ーザデバイスを確実に実現に至らせることができる。
【００４９】また、本発明では、エネルギ注入に応じて
室温で紫外光を発光する程度に高品質のダイヤモンド半
導体を用いるので、高品質の度合いに応じてその非線形
の光学特性のしきい値を低くすることができ、したがっ
て、さらに効率良く紫外光の発光を行わせることができ
る。
室温で紫外光を発光する程度に高品質のダイヤモンド半
導体を用いるので、高品質の度合いに応じてその非線形
の光学特性のしきい値を低くすることができ、したがっ
て、さらに効率良く紫外光の発光を行わせることができ
る。
【００５０】また、本発明では、ｎ型とｐ型とに介在さ
せるアンドープダイヤモンド半導体層を高品質のものと
したので、紫外光の強度も、電流を増加させると非線形
に指数関数的に立ち上がるようになり、極めて効率の良
い発光素子を構成することができる。
せるアンドープダイヤモンド半導体層を高品質のものと
したので、紫外光の強度も、電流を増加させると非線形
に指数関数的に立ち上がるようになり、極めて効率の良
い発光素子を構成することができる。
【００５１】さらに、本発明では、ｎ型とｐ型との双方
を高品質なものとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導
体層とｐ型ダイヤモンド半導体層とを接した状態に形成
し、双方の間の界面に活性領域を形成するようにしたの
で、紫外光の強度も、電流を増加させると非線形に指数
関数的に立ち上がるようになり、極めて効率の良い発光
素子を構成することができる。
を高品質なものとするとともに、ｎ型ダイヤモンド半導
体層とｐ型ダイヤモンド半導体層とを接した状態に形成
し、双方の間の界面に活性領域を形成するようにしたの
で、紫外光の強度も、電流を増加させると非線形に指数
関数的に立ち上がるようになり、極めて効率の良い発光
素子を構成することができる。
【図１】本発明のダイヤモンド半導体の製造に用いるマ
イクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を概略的に示す図で
ある。
イクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を概略的に示す図で
ある。
【図２】メタンガス濃度を低濃度にして作製したダイヤ
モンド薄膜層の紫外光範囲でのＣＬスペクトルを示す図
である。
モンド薄膜層の紫外光範囲でのＣＬスペクトルを示す図
である。
【図３】図２に示すダイヤモンド薄膜層の発光強度特性
を示す図である。
を示す図である。
【図４】ダイヤモンド薄膜と窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）薄膜の各バンド端スペクトルの測定結果を示す図で
ある。
Ｎ）薄膜の各バンド端スペクトルの測定結果を示す図で
ある。
【図５】図４で観測したダイヤモンド薄膜とＡｌＮ薄膜
に対する励起電子ビームのプローブ電流と発光強度の関
係を示す図である。
に対する励起電子ビームのプローブ電流と発光強度の関
係を示す図である。
【図６】この発明のダイヤモンド半導体発光素子の第１
の構成例を示す図である。
の構成例を示す図である。
【図７】この発明のダイヤモンド半導体発光素子の第２
の構成例を示す図である。
の構成例を示す図である。
【図８】この発明のダイヤモンド半導体発光素子の第３
の構成例を示す図である。
の構成例を示す図である。
【図９】この発明のダイヤモンド半導体発光素子の第４
の構成例を示す図である。
の構成例を示す図である。
【図１０】この発明のダイヤモンド半導体発光素子の第
５の構成例を示す図である。
５の構成例を示す図である。
【図１１】この発明のダイヤモンド半導体発光素子の第
６の構成例を示す図である。
６の構成例を示す図である。
１ マイクロ波源
２ サーキュレータ
３ ダミーロード
４ チューナ
５ アプリケータ
６ ガス導入管
７ ターボポンプ
１０ 高周波誘導加熱ヒータ
１１ 基板
１２ 導波管
１３ 反応容器
１３１ ステージ
１３２ サセプタ
１３３ 基板フォルダ
１４ 試料交換扉
１５ ガスボンベ
１６ マスフローコントローラ
１７ ロータリポンプ
１８ プロセスポンプ
１９ シャワーヘッド
２０ ダイヤモンド半導体発光素子
２０Ａ ダイヤモンド半導体発光素子
２１ 基板
２２ 平坦化ダイヤモンド層
２３ ｎ型ダイヤモンド半導体層
２３ｑ 高品質のｎ型ダイヤモンド半導体層
２４ ｐ型ダイヤモンド半導体層
２４ｑ 高品質のｐ型ダイヤモンド半導体層
２５ｑ アンドープダイヤモンド半導体層
２６ 電極
２７ 電極
２９ 活性領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平７−307487（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−126922（ＪＰ，Ａ)
特開2001−68687（ＪＰ，Ａ)
電総研ニュース，590（1999），ｐ.
５−９
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
C30B 29/04
H01S 5/00 - 5/50
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 ｎ型ダイヤモンド半導体層と、 ｐ型ダイヤモンド半導体層と、 上記ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイヤモンド半導
体層との間に介在するアンドープダイヤモンド半導体層
と、を備え、 上記アンドープダイヤモンド半導体層と、ｎ型ダイヤモ
ンド半導体層およびｐ型ダイヤモンド半導体層との少な
くとも一方は、エネルギ注入に応じて室温で紫外光を発
光する程度に高品質であり、ｎ型ダイヤモンド半導体層
とｐ型ダイヤモンド半導体層とのそれぞれに直接接して
または間接的に形成した電極に電流を注入したとき、ア
ンドープダイヤモンド半導体層から光波長３００ｎｍ以
下の励起子発光が出力するとともに、その励起子発光は
電流値に対して非線形に変化し、しきい値以上の電流に
対して急激に増大する、 ことを特徴とするダイヤモンド半導体発光素子。 - 【請求項２】 ｎ型ダイヤモンド半導体層と、 ｐ型ダイヤモンド半導体層と、 上記ｎ型ダイヤモンド半導体層とｐ型ダイヤモンド半導
体層との間の界面に形成された活性化領域層と、を備
え、 上記ｎ型ダイヤモンド半導体層およびｐ型ダイヤモンド
半導体層は、エネルギ注入に応じて室温で紫外光を発光
する程度に高品質であり、ｎ型ダイヤモンド半導体層と
ｐ型ダイヤモンド半導体層とのそれぞれに直接接してま
たは間接的に形成した電極に電流を注入したとき、活性
化領域層から光波長３００ｎｍ以下の励起子発光が出力
するとともに、その励起子発光は電流値に対して非線形
に変化し、しきい値以上の電流に対して急激に増大す
る、 ことを特徴とするダイヤモンド半導体発光素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000089516A JP3411989B2 (ja) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | ダイヤモンド半導体発光素子 |
| EP00310801.6A EP1139437B1 (en) | 2000-03-28 | 2000-12-05 | Diamond semiconductor light-emitting device |
| US09/731,789 US20010025955A1 (en) | 2000-03-28 | 2000-12-08 | Diamond semiconductor and diamond semiconductor light-emitting device that uses the semiconductor |
| US10/793,798 US6815721B2 (en) | 2000-03-28 | 2004-03-08 | Diamond semiconductor and diamond semiconductor light-emitting device that uses the semiconductor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000089516A JP3411989B2 (ja) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | ダイヤモンド半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001274455A JP2001274455A (ja) | 2001-10-05 |
| JP3411989B2 true JP3411989B2 (ja) | 2003-06-03 |
Family
ID=18605262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000089516A Expired - Lifetime JP3411989B2 (ja) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | ダイヤモンド半導体発光素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20010025955A1 (ja) |
| EP (1) | EP1139437B1 (ja) |
| JP (1) | JP3411989B2 (ja) |
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| JP5273635B2 (ja) * | 2006-08-25 | 2013-08-28 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 高効率間接遷移型半導体紫外線発光素子 |
| US8246746B2 (en) * | 2007-01-29 | 2012-08-21 | Carnegie Institution Of Washington | Laser uses for single-crystal CVD diamond |
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| RU2386193C1 (ru) * | 2008-10-24 | 2010-04-10 | Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ), Федеральное государственное учреждение | Светоизлучающий диод (варианты) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP3462514B2 (ja) * | 1992-09-16 | 2003-11-05 | 住友電気工業株式会社 | 固体レーザ |
| JP4071833B2 (ja) * | 1993-09-10 | 2008-04-02 | 住友電気工業株式会社 | ダイヤモンド半導体デバイス |
| JP3835830B2 (ja) * | 1994-05-12 | 2006-10-18 | 株式会社神戸製鋼所 | 短波長発光素子 |
| JPH11126922A (ja) * | 1997-10-22 | 1999-05-11 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 半導体装置およびこれを使用した発光素子 |
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-
2000
- 2000-03-28 JP JP2000089516A patent/JP3411989B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 2000-12-05 EP EP00310801.6A patent/EP1139437B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-12-08 US US09/731,789 patent/US20010025955A1/en not_active Abandoned
-
2004
- 2004-03-08 US US10/793,798 patent/US6815721B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 電総研ニュース，５９０（１９９９），ｐ．５−９ |
Also Published As
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|---|---|
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| EP1139437B1 (en) | 2015-09-02 |
| JP2001274455A (ja) | 2001-10-05 |
| EP1139437A3 (en) | 2005-06-22 |
| US20010025955A1 (en) | 2001-10-04 |
| US20040169178A1 (en) | 2004-09-02 |
| EP1139437A2 (en) | 2001-10-04 |
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