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JP4691722B2 - Diamond semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

この発明は、紫外線発光素子として実用化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。   The present invention relates to a diamond semiconductor light emitting device expected to be put to practical use as an ultraviolet light emitting device.

pn接合を基本にする半導体による発光素子は、半導体中の電子と正孔の再結合によって生じる発光プロセスを利用するものであるが、電子と正孔が再結合するとき光を放射するかどうかは、半導体材料の性質およびその品質に強く依存する。このため高効率の発光素子を得るには、通常電子と正孔が再結合のとき発光しやすい直接遷移型の半導体が用いられる。この場合の放射される光のエネルギーあるいはその逆数に比例する光の波長は、半導体材料のバンドギャップの大きさに依存する。したがって、短波長の発光素子を得るには、バンドギャップの大きな直接遷移型の半導体が候補になる。この観点から、青色発光ダイオードでよく知られているGaNやGaAlNのワイドギャップ半導体による発光素子が開発され実用化している。   A light-emitting element based on a semiconductor based on a pn junction uses a light-emitting process caused by recombination of electrons and holes in the semiconductor. Whether or not light is emitted when electrons and holes recombine is determined. Depends strongly on the nature of the semiconductor material and its quality. For this reason, in order to obtain a highly efficient light-emitting element, a direct transition type semiconductor that usually emits light when electrons and holes are recombined is used. In this case, the wavelength of light proportional to the energy of the emitted light or the inverse thereof depends on the size of the band gap of the semiconductor material. Therefore, in order to obtain a light emitting element having a short wavelength, a direct transition type semiconductor having a large band gap is a candidate. From this point of view, light-emitting elements using wide-gap semiconductors such as GaN and GaAlN, which are well known for blue light-emitting diodes, have been developed and put into practical use.

しかし、これら実用化されている発光素子の波長は400nm以上であり、これより短い波長をもつ発光素子は、材料製造の困難さ、またワイドギャップになればなるほど素子化プロセスが困難になることからまだ実用化されていない。   However, the wavelength of these light-emitting elements in practical use is 400 nm or more, and a light-emitting element having a wavelength shorter than this is difficult to manufacture the material, and the element formation process becomes more difficult as the gap becomes wider. Not yet commercialized.

一方、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。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、上記の短い波長の光を出力する発光素子として期待されている。そして、ダイヤモンドは単元素から構成されることより、高品質な材料が得られるようになっている。   On the other hand, diamond has great semiconductor and optical properties in addition to its mechanical, chemical and thermal properties, so it has attracted a great deal of attention as an electronic device material and a light emitting device material. Yes. In particular, when viewed as a light emitting device material, diamond has a large band gap of 5.5 eV, and is expected as a light emitting element that outputs light with the above short wavelength. Since diamond is composed of a single element, a high-quality material can be obtained.

ところで、ダイヤモンドは、電子と正孔が再結合するとき直接遷移することができない間接遷移型の半導体であり、このため従来の発光素子と同じ原理による発光過程が期待できない。それに代わるものとして、ダイヤモンドでは励起子による発光過程を利用した紫外線発光素子の提案が、例えば下記の特許文献1において本発明者等によってなされている。この特許文献1に記載された励起子による発光は235nmという紫外線であり、室温でも観測されている。
特開2001−35804号公報
By the way, diamond is an indirect transition type semiconductor that cannot make a direct transition when electrons and holes are recombined. Therefore, a light emission process based on the same principle as a conventional light emitting element cannot be expected. As an alternative to this, for the diamond, a proposal of an ultraviolet light emitting element using a light emission process by excitons has been made by the present inventors, for example, in Patent Document 1 below. The light emitted by the excitons described in Patent Document 1 is an ultraviolet ray of 235 nm and is observed even at room temperature.
JP 2001-35804 A

しかし、上記のダイヤモンドの発光は、実用のレベルまでには到達しておらず、ましてや、ダイヤモンド材料が有する5.5eVというバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光、すなわちバンドギャップから予測される発光波長である226nmよりも短い波長の光を放射しうる発光素子は、期待されつつもとても望めない状況である。   However, the light emission of the above diamond has not reached a practical level, and moreover, light having an energy higher than the band gap of 5.5 eV that the diamond material has, that is, an emission wavelength predicted from the band gap. A light-emitting element that can emit light having a wavelength shorter than 226 nm is in a situation where it cannot be expected.

この発明は上記に鑑み提案されたもので、間接遷移型ではあってもバンドギャップから予測される発光波長よりも短い波長の光を放射することができ、ダイヤモンドの発光を実用のレベルまで引き上げ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。   The present invention has been proposed in view of the above, and can emit light having a wavelength shorter than the emission wavelength predicted from the band gap even though it is an indirect transition type, and raises the emission of diamond to a practical level. An object of the present invention is to provide a diamond semiconductor light emitting device capable of achieving the above.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、基板上にマイクロ波プラズマCVD法で形成された平坦化ダイヤモンド層と、上記平坦化ダイヤモンド層上にマイクロ波プラズマCVD法で形成されたp型ダイヤモンド半導体層と、上記p型ダイヤモンド層上に形成されたn型アモルファスシリコン層と、上記p型ダイヤモンド半導体層とn型アモルファスシリコン層との間の界面に形成された活性領域と、を備え、上記p型ダイヤモンド半導体層とn型アモルファスシリコン層とのそれぞれに形成された電極に電流を注入することで、ダイヤモンド材料が有するバンドギャップから予測される発光波長である226nmよりも短い波長の光を上記活性領域の延伸方向に出力する、ことを特徴としている。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is formed by a planarized diamond layer formed on a substrate by a microwave plasma CVD method and on the planarized diamond layer by a microwave plasma CVD method. A p-type diamond semiconductor layer, an n-type amorphous silicon layer formed on the p-type diamond layer, an active region formed at an interface between the p-type diamond semiconductor layer and the n-type amorphous silicon layer, And a wavelength shorter than 226 nm, which is an emission wavelength predicted from a band gap of the diamond material, by injecting current into the electrodes formed in the p-type diamond semiconductor layer and the n-type amorphous silicon layer, respectively. Is output in the extending direction of the active region .

この発明では、間接遷移型のダイヤモンド半導体ではあっても、電流注入による電子と正孔の再結合を直接起こさせて高効率の紫外線発光を得ることができる。   In the present invention, even if it is an indirect transition type diamond semiconductor, recombination of electrons and holes by current injection can be directly caused to obtain highly efficient ultraviolet light emission.

またバンドギャップから予測される発光波長よりも短い波長の光を放射することができる。すなわち、従来バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を放射する発光素子は不可能であるという定説を覆す画期的なものである。   Further, it is possible to emit light having a wavelength shorter than the emission wavelength predicted from the band gap. In other words, it is an epoch-making thing that overturns the conventional theory that a light emitting element that emits light having energy higher than the band gap is impossible.

したがって、ダイヤモンドの発光を実用のレベルまで引き上げることができ、水銀不要の蛍光灯の実現、高密度光メモリー、紫外線顕微鏡、リソグラフィーなどへの応用が可能となる。   Therefore, the light emission of diamond can be raised to a practical level, and it becomes possible to realize a fluorescent lamp which does not require mercury, and to be applied to a high density optical memory, an ultraviolet microscope, lithography and the like.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1はこの発明のダイヤモンド半導体発光素子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CVD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。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a microwave plasma CVD apparatus used for manufacturing the diamond semiconductor light emitting device of the present invention. In the figure, a microwave plasma CVD apparatus 100 is of an end launch type in which microwaves are incident from the normal direction of the substrate 11, and the microwave source 1 oscillates microwaves of 2.45 GHz with a maximum output of 1 At .5 kW, the output can be adjusted as needed. A circulator 2 and a dummy load 3 are provided at the subsequent stage of the microwave source 1, and the reflected wave returned to the waveguide 12 among the microwaves emitted from the microwave source 1 is thermally absorbed as a water load. The reflected wave is prevented from adversely affecting the oscillator of the microwave source 1. In addition, a tuner 4 is provided in the subsequent stage of the circulator 2 and the impedance of the waveguide 12 is adjusted by three bars, so that reflection of microwaves can be suppressed and total incident power can be consumed by plasma. Further, an applicator 5 having an antenna protruding into the waveguide 12 is provided at the subsequent stage of the tuner 4 to convert the TE10 mode microwave traveling through the waveguide 12 into a concentric TM01 mode. By setting the microwave to the TM01 mode, the microwave is aligned with the cylindrical reaction vessel 13 and a stable plasma can be obtained.

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。   The source gas is a mixed gas of methane gas, which is a carbon source, hydrogen gas, and an impurity doping gas supplied as necessary. From each gas cylinder 15,..., A pressure reducing valve (not shown) and a mass flow controller 16,. Then, the gas is introduced from the gas introduction pipe 6 to the reaction vessel 13 and introduced into the reaction vessel 13 as a gas shower from the shower head 19 above the reaction vessel 13. As the mass flow controller 16 on the methane gas side, a high-precision one is used to obtain a mixing ratio (ratio of methane gas to hydrogen gas) of 0.5% or less.

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13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。   During the CVD diamond synthesis process, the process pump 18 is evacuated, and the gas pressure in the reaction vessel 13 is controlled to advance the diamond synthesis by plasma CVD. The turbo pump 7 is used for obtaining a high vacuum in preliminary exhaust, the rotary pump 17 is used for exhaust during synthesis, and the high-frequency induction heater 10 is used for temperature control of the substrate 11. The substrate 11 is set at a predetermined position by opening the sample exchange door 14.

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薄膜状のダイヤモンド半導体を作製し、このダイヤモンド半導体を用いて発光素子を構成した。   In the microwave plasma CVD apparatus described above, a thin-film diamond semiconductor was manufactured with a low methane gas concentration, and a light-emitting element was configured using the diamond semiconductor.

図2はこの発明のダイヤモンド半導体発光素子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、硼素Bをドープした高のp型ダイヤモンド半導体層23と、その上に接して形成された、アモルファスシリコン層24とを備えている。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the diamond semiconductor light emitting device of the present invention. In the figure, a diamond semiconductor light emitting device 20 of the present invention is formed on a high-quality planarized diamond layer 22 formed on a substrate 21, a high p-type diamond semiconductor layer 23 doped with boron B, and a top thereof. And an amorphous silicon layer 24 formed in contact therewith.

そして、p型ダイヤモンド半導体層23とアモルファスシリコン層24の双方間の界面に活性領域29を形成している。   An active region 29 is formed at the interface between both the p-type diamond semiconductor layer 23 and the amorphous silicon layer 24.

また、p型ダイヤモンド半導体層23およびアモルファスシリコン層24の上には、それぞれTi、Pt、Auの3層を積層してなる電極25,26を形成してオーミック接触の電極とし、この電極25,26によって、電流は電極25、p型ダイヤモンド半導体層23、アモルファスシリコン層24、および電極26の順に流れる。   On the p-type diamond semiconductor layer 23 and the amorphous silicon layer 24, electrodes 25 and 26 each formed by laminating three layers of Ti, Pt, and Au are formed to form ohmic contacts. The current flows through the electrode 25, the p-type diamond semiconductor layer 23, the amorphous silicon layer 24, and the electrode 26.

この構成のダイヤモンド半導体発光素子20は、電極25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って発光が現れ活性領域29から紫外光が出力される。   In the diamond semiconductor light emitting device 20 having this configuration, when current is injected into the electrode 25, holes are injected from the p side to the n side and electrons are injected from the n side to the p side. Then, the active region 29 in the middle of p and n becomes a region having a high electron and hole density, light emission appears, and ultraviolet light is output from the active region 29.

このダイヤモンド半導体発光素子20の、p型ダイヤモンド半導体層23とアモルファスシリコン層24との間の接合界面は、上層にアモルファスシリコン層24を形成したことが要因となって、物理的に極めて急峻なpn接合が形成され、急峻なバンド変化を有している。図3はこのpn接合部でのI−V特性を示しており、横軸はバイアス電圧、縦軸は接合界面間を流れる電流である。   The junction interface between the p-type diamond semiconductor layer 23 and the amorphous silicon layer 24 of the diamond semiconductor light emitting device 20 is a physically extremely steep pn due to the formation of the amorphous silicon layer 24 as an upper layer. A junction is formed and has a steep band change. FIG. 3 shows the IV characteristics at the pn junction, where the horizontal axis represents the bias voltage and the vertical axis represents the current flowing between the junction interfaces.

上記のダイヤモンド半導体発光素子20の発光スペクトルの測定結果を図4に示す。横軸は波長、縦軸はEL発光強度である。この図4に示すように、ダイヤモンド半導体発光素子20は、ダイヤモンド材料が有するバンドギャップから予測される発光波長の226nmよりも短い、215nmの波長の紫外線を放射している。すなわち、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を放射する発光素子は不可能であるという従来の定説を覆す画期的な結果が得られた。   The measurement results of the emission spectrum of the diamond semiconductor light emitting device 20 are shown in FIG. The horizontal axis represents wavelength, and the vertical axis represents EL emission intensity. As shown in FIG. 4, the diamond semiconductor light emitting element 20 emits ultraviolet light having a wavelength of 215 nm, which is shorter than the light emission wavelength 226 nm predicted from the band gap of the diamond material. That is, an epoch-making result was obtained that overturned the conventional theory that a light-emitting element that emits light having energy higher than the band gap is impossible.

このような結果が得られたのは、以下のような現象によるものと考えられる。   Such a result can be attributed to the following phenomenon.

1.pnダイオードに電圧を印加して、n形側からp形に電子が注入されると、注入した電子が接合部分に生じる静電ポテンシャルを受けてある量子状態に閉じ込める可能性がある。   1. When a voltage is applied to the pn diode and electrons are injected into the p-type from the n-type side, the injected electrons may be trapped in a certain quantum state by receiving an electrostatic potential generated at the junction.

2.電子がこの量子状態に閉じ込められ、その状態が満たされてしまうと電子は最後には系にある正孔と再結合して消滅する。このとき一般には熱的に再結合することができないないので光を放出する(熱的に再結合できる場合は量子状態に閉じ込められなくなるので効果は生じない)。   2. When electrons are confined in this quantum state and the state is satisfied, the electrons finally recombine with holes in the system and disappear. At this time, light cannot be recombined in general, and thus light is emitted.

3.この電子の量子状態は半導体のバンド構造に依存するが、電子の運動量の極小点のガンマ点でできる。   3. The quantum state of the electrons depends on the band structure of the semiconductor, but can be generated at the gamma point, which is the minimum of the momentum of the electrons.

4.この可能性が現実化するには、pn接合が急峻であること、半導体のバンド構造(特に自由電子が占める伝導帯端付近)が単純な波動関数で構成されていて、量子状態が容易に実現されることが必要である。   4). To realize this possibility, the pn junction is steep, the semiconductor band structure (especially near the conduction band edge occupied by free electrons) is composed of simple wave functions, and the quantum state is easily realized. It is necessary to be done.

5. ダイヤモンドのバンド構造は2s、2pの電子軌道から構成された、半導体としては最も単純な電子構造であり、今回の実施例のようにこのダイヤモンドとアモルファスシリコンからなる急峻なpn接合ができたことによって、達成されたものと考えられる。   5. The band structure of diamond is composed of 2s and 2p electron orbits, which is the simplest electronic structure for a semiconductor. As in this example, a steep pn junction made of this diamond and amorphous silicon was formed. This is considered to be achieved.

このように、この発明では、バンドギャップから予測される発光波長よりも短い波長の光を放射することができ、このため、間接遷移型のダイヤモンド半導体ではあっても、電流注入による電子と正孔の再結合を直接起こさせて高効率の紫外線発光を得ることができる。したがって、ダイヤモンドの発光を実用のレベルまで引き上げることができ、水銀不要の蛍光灯の実現、高密度光メモリー、紫外線顕微鏡、リソグラフィーなどへの応用が可能となる。   As described above, according to the present invention, light having a wavelength shorter than the emission wavelength predicted from the band gap can be emitted. Therefore, even if it is an indirect transition type diamond semiconductor, electrons and holes due to current injection are used. High-efficiency ultraviolet light emission can be obtained by directly causing recombination. Therefore, the light emission of diamond can be raised to a practical level, and it becomes possible to realize a fluorescent lamp which does not require mercury, and to be applied to a high density optical memory, an ultraviolet microscope, lithography and the like.

なお、上記の説明では、p型ダイヤモンド半導体層23の上にn型アモルファスシリコン層24を形成するようにしたが、n型アモルファスシリコン層に変えて、他のダイヤモンド以外の材料、例えば結晶シリコンやゲルマニュウム、シリコンカーバイド等からなるn型半導体層を設けるようにしてもよい。   In the above description, the n-type amorphous silicon layer 24 is formed on the p-type diamond semiconductor layer 23. However, instead of the n-type amorphous silicon layer, other materials other than diamond, such as crystalline silicon or An n-type semiconductor layer made of germanium, silicon carbide, or the like may be provided.

また、n型アモルファスシリコン層に変えて、n型ダイヤモンド半導体層を形成するようにしてもよい。   Further, an n-type diamond semiconductor layer may be formed instead of the n-type amorphous silicon layer.

この場合、p型ダイヤモンド半導体層との接合界面は、アモルファスシリコン層との接合界面の場合と同様に、急峻なバンド変化が得られるようにするのが好ましい。   In this case, it is preferable that a steep band change is obtained at the bonding interface with the p-type diamond semiconductor layer as in the case of the bonding interface with the amorphous silicon layer.

この発明のダイヤモンド半導体発光素子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。It is a figure which shows roughly the structure of the microwave plasma CVD apparatus used for manufacture of the diamond semiconductor light-emitting device of this invention. この発明のダイヤモンド半導体発光素子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the diamond semiconductor light-emitting device of this invention. p型ダイヤモンド半導体層とn型アモルファスシリコン層との接合界面におけるバイアス電圧と電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the bias voltage and electric current in the junction interface of a p-type diamond semiconductor layer and an n-type amorphous silicon layer. この発明のダイヤモンド半導体発光素子の発光スペクトルを測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the emission spectrum of the diamond semiconductor light-emitting device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
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
21 基板
22 平坦化ダイヤモンド層
23 p型ダイヤモンド半導体層
24 n型アモルファスシリコン層
25 電極
26 電極
29 活性領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Microwave source 2 Circulator 3 Dummy load 4 Tuner 5 Applicator 6 Gas introduction pipe 7 Turbo pump 10 High frequency induction heater 11 Substrate 12 Waveguide 13 Reaction container 14 Sample exchange door 15 Gas cylinder 16 Mass flow controller 17 Rotary pump 18 Process pump 19 Shower head 20 Diamond semiconductor light emitting element 21 Substrate 22 Planarized diamond layer 23 P-type diamond semiconductor layer 24 N-type amorphous silicon layer 25 Electrode 26 Electrode 29 Active region

Claims (1)

基板上にマイクロ波プラズマCVD法で形成された平坦化ダイヤモンド層と、
上記平坦化ダイヤモンド層上にマイクロ波プラズマCVD法で形成されたp型ダイヤモンド半導体層と、
上記p型ダイヤモンド層上に形成されたn型アモルファスシリコン層と、
上記p型ダイヤモンド半導体層とn型アモルファスシリコン層との間の界面に形成された活性領域と、を備え、
上記p型ダイヤモンド半導体層とn型アモルファスシリコン層とのそれぞれに形成された電極に電流を注入することで、ダイヤモンド材料が有するバンドギャップから予測される発光波長である226nmよりも短い波長の発光を上記活性領域の延伸方向に出力する、
ことを特徴とするダイヤモンド半導体発光素子。
A planarized diamond layer formed on a substrate by a microwave plasma CVD method ;
A p-type diamond semiconductor layer formed on the planarized diamond layer by a microwave plasma CVD method ;
An n-type amorphous silicon layer formed on the p-type diamond layer;
An active region formed at the interface between the p-type diamond semiconductor layer and the n-type amorphous silicon layer,
By injecting current into the electrodes formed on each of the p-type diamond semiconductor layer and the n-type amorphous silicon layer, light having a wavelength shorter than 226 nm, which is an emission wavelength predicted from the band gap of the diamond material, is emitted. Outputting in the stretching direction of the active region ,
A diamond semiconductor light emitting device characterized by the above.
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