説明

アモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。

【課題】演色性の良好な白色発光素子を、従来のように青色発光素子を用いることなく単一素子により作製することが出来、青色発光素子と黄色蛍光体からなる白色LEDに生じる構造の複雑化、高価化を回避する。
【解決手段】基板にはSiもしくはGaAs(100)面を用い,その上に2層の水素化アモルファス窒化炭素を成長させる。まず,基板上に緑,赤色発光の水素化アモルファス窒化炭素を成長させる。その上に青色発光のアモルファス窒化炭素を成長させる。この2層成長後、熱処理をほどこして、赤色から青色の発光領域にわたりほぼ均一の強度で発光するようにさせて演色性を向上させる。

【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】

【技術分野】
【0001】
本発明は、アモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
20世紀中には無理とされていたGaN系半導体を用いた青色の発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)が開発され、光の三原色R(赤),G(緑),B(青)が揃ったことによって,RGBの調整次第であらゆる光を実現することができるようになった。現在,青色LEDにYAG:Ce系の蛍光体を塗布することによって実現された白色LEDが,携帯電話のバックライトや車の車内ランプなどに使用されており、さらに白熱灯や蛍光灯に代わる21世紀の灯りとして活躍の場を広げている。しかし,現在のLEDは初期設置費用が蛍光灯に比べ高いことや,LEDの単価が高いことが問題とされている。
【0003】
現在,白色発光素子は単一素子では作製されておらず,青色発光素子にYAG:Ce系の蛍光体を塗布することにより作製されている。この青色発光素子は一般的に発光層にInGaN系材料,基板としてサファイア(Al)が用いられている.サファイア基板は絶縁体であるため放熱特性が悪く,構造が複雑になり,高価であるという欠点がある。新たに開発されたGaN半導体基板を用いた青色発光素子は,実験的には高輝度化を実現したものの高価であり実用化への道のりは遠いと考えられる。
【0004】
アモルファス窒化炭素(a−CN)は近年PL(Photoluminescence)論文1),CL(Cathodeluminescence)論文2),EL(Electroluminescence)論文3)等の光学特性が報告されている.特に論文3)ではEL発光素子がRFスパッタ法で作製され,暗室において青白EL発光の確認が報告されている。このようにa−CNは新白色発光素子材料として期待できる。
論文1)H.K.Jang et.al.,J.Vac.Sci.Technol.,Vol.A17(5)(1999)p.2607
論文2)W.J.Hsieh et.al.,Diam.Relat.Mater.,Vol.14(2005)p.93
論文3)R.Reyes et.al.,Appl.Phys.Lett.,Vol.82(2003)p.4017
【0005】
現在まで窒化炭素を用いた発光素子に関する公開特許としては以下の2件がある。
【特許文献1】特開平09−227298号公報
【特許文献2】特開2003−282237号公報
特許文献1では、窒化炭素単結晶作製に関する特許であり、発光素子として応用可能と書いてあるが具体的な発光素子については言及していない。
特許文献2では、窒化炭素膜を有機EL素子などの発光素子の保護膜として応用することが書かれており、窒化炭素膜を直接用いた発光素子ではない。
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明によれば、演色性の良好な白色発光素子を、従来のように青色発光素子を用いることなく単一素子により作製することが出来、青色発光素子と黄色蛍光体からなる白色LEDに生じる構造の複雑化、価格が高価といった問題点を回避できる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明名は導体、半導体もしくは絶縁体基板上に、赤色発光が強い水素化アモルファス窒化炭素の第一の薄膜、および青色発光の強い水素化アモルファス窒化炭素の第二の薄膜を、積層もしくは近接する別領域に成長し、全体の熱処理を行った後に電圧印加することにより発光させることを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子に関するものであり、簡単な構造でかつ安価な高演色性を持った白色発光素子を実現できる。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下実施例を用いて発明の実施の形態を述べる。
【実施例1】
【0009】
図1に示すように、基板としてはSiもしくはGaAsの(100)面8を用いる。まず一層目の水素化アモルファス窒化炭素薄膜7をRFスパッタ法で成長する。材料としてはカーボンターゲットを用い、水素供給源としてCH(メタン)ガスを、窒素及びアルゴンガスとともにベルジャ内に導入する。成長条件としては基板温度を100℃にして、基板には−15ボルトを印加する。導入ガス流量は窒素8ccm、アルゴン2ccm、メタンガス1ccmである。成長はRFスパッタ法で行い、RFパワーは200ワットである。このようにして1.5時間成長した膜厚は300ナノメータで、膜中の窒素と炭素の比は1.36であり、窒素が炭素より多く入っていることが判った。その発光スペクトルを図2に示す。図より判るようにこのスペクトルでは500〜750ナノメータの緑色から赤色に渡っての強度が強く、青色の強度はきわめて弱い。
【0010】
次にこの膜7の上に二層目の水素化アモルファス窒化炭素薄膜6をECRプラズマCVD法で成長させる。ガス源にはArガス,Nガス,CHガスを用いてそれぞれの流量を、4ccm,4ccm,0.8ccmとし、室温で18時間の成長をおこなう。その後50〜100℃の温度で真空中で10分熱処理をおこなう。この熱処理は必ずしも必要ではないが、結晶性の改善という意味でおこなっている。
【0011】
このように2回成長を行った最終膜厚は450ナノメータであった。したがってECRプラズマCVDだけでの成長膜厚は150ナノメータである。ただ2層成長したにもかかわらず、両者の界面は不明確となり、かつ最終表面での窒素の炭素に対する含有比が、SiもしくはGaAs基板に直接ECRプラズマCVD法で成長した膜の含有比よりかなり大きくなっていた。このことは、RFスパッタ膜中の窒素が、ECRプラズマCVD成長膜に取り込まれていることを示している。ECRプラズマCVD法での成長膜は成長速度が遅い分、非常に緻密になりしたがって炭素と多量の窒素のsp結合が多くなって青色発光成分が大きくなったと考えられる。その後図1に示すように、SiもしくはGaAs基板側にAl電極9を、2層成長した表面側にAl電極5を蒸着し、図に示すようにバイアスすれば白色ELが得られる。そのEL発光スペクトルを図5の「測定結果」と書いたスペクトルに示す。
【実施例2】
【0012】
図2に示すように、ガラス基板10上の領域1に水素化アモルファス窒化炭素薄膜7をRFスパッタ法で成長する。成長条件は[0009]で述べたのと同じである。次に同一基板上で領域1の近傍の領域2の上に水素化アモルファス窒化炭素薄膜6をECRプラズマCVD法で成長させる。成長条件は[0010]で述べたのと同じである。その後50〜100℃の温度で真空中で10分熱処理をおこなう。このようにしてガラス基板側にAl電極9を、表面側にAl電極5を蒸着し、図に示すようにバイアスすれば白色ELが得られる。領域1のスペクトルは図2に示したものと同じであるが、領域2単独でのスペクトルは図4に示したものとなり450〜550ナノメータの青色から緑色に渡っての強度が強い。図3のようにバイアスした時のEL発光スペクトルを図5の「スペクトルの和」と書いたスペクトルに示す。
【0013】
図5のスペクトルの演色評価指数を求めたところ、80〜85であり、青色LEDと黄色蛍光体を用いた白色発光素子のそれ(約70)に比べて明らかに改善されている。また基板にSiもしくはGaAsなどの低価格半導体あるいはガラスを用い、単一白色発光素子として作製できるので、価格も大幅に下げることが出来る。
【発明の効果】
【0014】
以上述べたように、薄膜材料として地球上のいたるところで入手することが可能である炭素や窒素を用いていることや,基板にSi、GaAsやガラスを用いていることより,低コスト白色発光素子の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施例1に基づき作製された白色発光素子の構造とバイアス状態図
【図2】RFスパッタ法により作製された薄膜水素化アモルファス窒化炭素膜の発光スペクトル
【図3】実施例2に基づき作製された白色発光素子の構造とバイアス状態図
【図4】ECRプラズマCVD報により作製された薄膜水素化アモルファス窒化炭素膜の発光スペクトル
【図5】実施例1および2の白色発光素子のスペクトル
【符号の説明】
【0016】
5 Al電極
6 ECRプラズマCVD法での水素化アモルファス窒化炭素膜
7 RFスパッタ法での水素化アモルファス窒化炭素膜
8 SiもしくはGaAs基板
9 Al電極
10 ガラス基板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
導体、半導体もしくは絶縁体基板上に、赤色発光が強い水素化アモルファス窒化炭素の第一の薄膜、および青色発光の強い水素化アモルファス窒化炭素の第二の薄膜を、積層もしくは近接する別領域に成長し、全体の熱処理を行った後に電圧印加することにより発光させることを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。
【請求項2】
導体、半導体もしくは絶縁体基板上に、赤色発光が強い水素化アモルファス窒化炭素の第一の薄膜を成長し、その上に青色発光の強い水素化アモルファス窒化炭素の第二の薄膜の成長を行い、この2層構造に熱処理を行った後に電圧印加することにより発光させることを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。
【請求項3】
導体、半導体もしくは絶縁体基板上に、赤色発光が強い水素化アモルファス窒化炭素の第一の薄膜を第一の領域に成長し、同一基板上で前記第一の領域の近傍にある第二の領域に青色発光の強い水素化アモルファス窒化炭素の第二の薄膜の成長を行い、この2つの領域の成長層に熱処理を行った後に、各領域に電圧印加することにより得られた各々の発光を混合することにより得られることを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。
【請求項4】
上記請求項1において基板としてシリコン、砒化ガリウムもしくはガラスを用いることを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。
【請求項5】
上記請求項1において、第一の薄膜をスパッタ装置で成長し、第二の薄膜をプラズマCVD装置で成長させたことを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。
【請求項6】
上記請求項1において、第一の薄膜成長の原料としてカーボンターゲット、アルゴンガス、窒素ガス、メタンガスを用い、第二の薄膜成長の原料としてアルゴンガス、窒素ガス、メタンガスを用いたことを特徴とするアモルファス窒化炭素を用いた白色発光素子。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−18896(P2012−18896A)
【公開日】平成24年1月26日(2012.1.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−169779(P2010−169779)
【出願日】平成22年7月8日(2010.7.8)
【出願人】(504237050)独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Fターム(参考)】