(57)【要約】      （修正有）【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。【選択図】図１
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【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。
【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（Ａｌ２Ｏ３）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−ＣＮｘ）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−ＣＮｘ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ＣＨ４（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，Ｎ２ガス，ＣＨ４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ｓｐ３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
【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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