(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって可視光の蛍光を発する蛍光剤からなる蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記キャリアはホールであり、前記気相合成ダイヤモンド膜はアンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とするダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項２】
下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記気相合成ダイヤモンド膜は、１×１０１８（／ｃｍ３）未満のボロン濃度を有するボロンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とするダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項３】
前記下部電極は、白金又は白金を５０原子％以上含有する合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項４】
前記下部電極はその表面に凹凸を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項５】
前記キャリアはホールであることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項６】
前記ボロン濃度は前記気相合成ダイヤモンド層の厚さ方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項７】
前記気相合成ダイヤモンド膜は、前記下部電極側から１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１０１８（／ｃｍ３）以上である高ボロン濃度層を有することを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項８】
前記上部電極は透明導電膜からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項９】
前記下部電極の下面に電気絶縁性の基体を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイヤモンド膜を有する発光素子。
【請求項１０】
下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面に選択的に形成され前記キャリアの流量を制御するゲート電極と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記気相合成ダイヤモンド膜はアンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とする平面パネルディスプレイ。
【請求項１１】
下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面に選択的に形成され前記キャリアの流量を制御するゲート電極と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記気相合成ダイヤモンド膜は、１×１０１８（／ｃｍ３）未満のボロン濃度を有するボロンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とする平面パネルディスプレイ。
【請求項１２】
前記ゲート電極と前記気相合成ダイヤモンド膜との間に、電気絶縁性の中間層を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１３】
前記下部電極は、白金又は白金を５０原子％以上含有する合金からなることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１４】
前記下部電極はその表面に凹凸を有することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１５】
前記キャリアはホールであることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１６】
前記ボロン濃度は前記気相合成ダイヤモンド膜の厚さ方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項１１に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１７】
前記気相合成ダイヤモンド膜は前記下部電極側から１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１０１８（／ｃｍ３）以上である高ボロン濃度層を有することを特徴とする請求項１５に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１８】
前記上部電極は透明導電膜からなることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレイ。
【請求項１９】
前記下部電極の下面に電気絶縁性の基体を有することを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれか１項に記載の平面パネルディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイヤモンド膜を有する発光素子及び平面パネルディスプレイに関し、特に、低消費電力で高輝度の発光を得ることができる発光素子及び平面パネルディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは耐熱性が優れ、エネルギーギャップが５．５ｅＶと大きいことが特徴であり、通常は絶縁体であるが、不純物をドーピングすることにより半導体化することができる。また、ダイヤモンドは絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きいと共に、誘電率が小さいという優れた電気的特性を有する。更に、ダイヤモンドは熱伝導率が室温において種々の物質中で最高値を示し、比熱が小さいことも公知である。
【０００３】
ダイヤモンドの気相合成法としては、例えば、マイクロ波気相化学蒸着（マイクロ波ＣＶＤ）法がある（特公昭５９−２７７５４、特公昭６１−３３２０等）。また、他にも、高周波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、燃焼法及び熱ＣＶＤ法等がある。これらの気相合成法によると、非ダイヤモンド材料からなる基板上に、膜状のダイヤモンドを低コスト及び大面積で得ることができる。
【０００４】
近時、真空中でダイヤモンド膜に対向した位置に蛍光剤が塗布された電極を配置した発光素子が提案されている。これは、ダイヤモンド膜と電極との間に強い電圧を印加して、ダイヤモンド膜から真空中に電子を放出させ、真空中で電子を加速して蛍光剤を励起させることにより蛍光剤を発光させるものである。また、ダイヤモンド膜の代わりに、シリコン又は金属を使用した発光素子も提案されている（伊藤順司、「真空マイクロエレクトロニクス」、応用物理、第５９巻、第２号、１９９０年、及び横尾邦義、「真空マイクロエレクトロニクス−新しい真空素子の世界−」、電気学会誌、１１２巻、４号、１９９２（Journal of IEEE Japan, Vol.112, No.4(1992)））。
【０００５】
図１２はシリコンを使用した発光素子の一例を示す断面図である。以下、これを第１の従来例という。シリコン基板１は電気絶縁性基板１２の上に形成されており、その表面が微細加工されて、円錐形状のシリコン電子エミッタ２を有している。そして、エミッタ２が形成された面に対向して、これに離間した位置に蛍光電極６が配置されており、両者の間に形成された空間７は高真空状態に保持されている。この蛍光電極６は透明なガラス基板３上に透明電極４及び蛍光薄膜５を順次積層することにより形成されたものであり、蛍光薄膜５側をエミッタ２に対向させて配置されている。また、ガラス基板３及びシリコン基板１には電源９が接続されており、蛍光電極６とシリコン基板１との間に電圧を印加することができるようになっている。
【０００６】
このように形成された第１の従来例に係る発光素子においては、蛍光電極６とシリコン基板１との間に電圧を印加すると、シリコン電子エミッタ２から蛍光電極６に向かって電子８が放出され、この電子８が蛍光薄膜５を励起することにより蛍光を発する。
【０００７】
また、図１３はシリコンを使用した平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。以下、これを第２の従来例という。図１３に示す発光要素が第１の従来例に示す発光素子と異なる点は、シリコン基板１上にエミッタ２を取り囲む絶縁層１１が形成されており、この絶縁膜１１上にはエミッタ２の先端部を取り囲む穴が設けられたゲート電極１０が形成されている点のみである。従って、図１３において図１２に示すものと同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０００８】
図１３に示す平面パネルディスプレイの発光要素においても、蛍光電極６とシリコン基板１との間に電圧を印加すると、シリコン電子エミッタ２から蛍光電極６に向かって電子８が放出され、この電子８が蛍光薄膜５を励起することにより蛍光を発する。但し、第２の従来例においては、エミッタ２の先端部の周辺にゲート電極１０が配置されているので、このゲート電極１０に負電圧を印加することによって、電子８の流量を抑制することができる。従って、電子８の流量を調整することにより、輝度を制御することができる。
【０００９】
また、これらの第１及び第２の従来例においては、蛍光薄膜５の材料を変化させることにより、赤、黄及び青の３原色又はその中間色を自由に発光させることができ、単一の発光素子又は複数の発光素子を１次元又は２次元的に配列したディスプレイを構成することもできる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１及び第２の従来例に示す電子エミッタ２は、その材料としてシリコンが使用されているので、素子の動作中に発する熱によって電子エミッタ２の先端の曲率半径が大きくなり、エミッタの電子放出特性が急速に劣化するという問題点がある。また、図１２及び１３に示す空間７は高真空状態ではあるが、酸素等のガスが微量に存在するので、この酸素がシリコンと反応して、シリコン基板１及び電子エミッタ２の表面に電気絶縁性のＳｉＯ2膜が生成される。従って、これによっても電子エミッタ２の電子放出特性が劣化する。このように、従来のシリコン電子エミッタ素子は寿命が短く、大電力に耐えることができないので、実用化が困難であった。
【００１１】
ところで、ダイヤモンド薄膜に電圧を印加することにより電子放出が起こることは公知である（C.Wang, A.Garcia, D.C.Ingram, M.Lake and M.E.Kordesch, Electronics Letters, Vol.27, No.16, p.1459, August 1991）。そこで、電子エミッタの材料として、気相合成によって形成されたダイヤモンド粒子又はダイヤモンド膜を使用することもできる。また、ダイヤモンド膜中の電界が１０4（Ｖ／ｃｍ）以上であれば、電子がフォノンとの相互作用によって、エネルギーを失うことなくダイヤモンド膜中を移動することも報告されている（Z.-H.Huang et al, Applied Physics Letters, Vol.67, No.9, p.1235 (1995)）。
【００１２】
しかしながら、電子エミッタの材料としてダイヤモンド膜を使用した場合、電流量が１０（ｍＡ／ｃｍ2）となり、集積化したシリコン電子放出素子アレイの場合の１０００（ｍＡ／ｃｍ2）と比較して極めて小さく、発光輝度が小さいという問題点がある。また、このような電子エミッタを使用して平面ディスプレイを製造する場合、電子エミッタに対向する電子引き出し電極の間隔を厳密に一定に保持しないと、表示ムラが発生してしまう。しかし、ミクロン単位以下の精度で電極の間隔を厳密に一定に保つことは、極めて困難である。
【００１３】
上述の問題点は、全て電子放出材料がシリコン、金属及びダイヤモンド等のいずれの材料を使用しても回避することができない問題点であり、エミッタと蛍光電極との間に空間を有すること及びこの空間が真空であることが起因している。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、下部電極と蛍光膜との間を真空状態にすることなく、低消費電力で安定した発光を得ることができるダイヤモンド膜を有する発光素子及び平面パネルディスプレイを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダイヤモンド膜を有する発光素子は、下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって可視光の蛍光を発する蛍光剤からなる蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記キャリアはホールであり、前記気相合成ダイヤモンド膜はアンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とする。
また、本発明に係る他のダイヤモンド膜を有する発光素子は、下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記気相合成ダイヤモンド膜は、１×１０１８（／ｃｍ３）未満のボロン濃度を有するボロンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とする。
【００１６】
本発明の発光素子においては、キャリアを注入する下部電極と蛍光薄膜との間に、気相合成ダイヤモンド膜が形成されている。前述の如く、ダイヤモンド膜中の電界が１０4（Ｖ／ｃｍ）以上であれば、電子はフォノンとの相互作用によって、エネルギーを失うことなくダイヤモンド中を高速で移動することができる。即ち、このような高電界状態において、キャリアはダイヤモンド膜中を真空中の場合と同様に高速で移動させることができる。従って、従来の発光素子においては下部電極と蛍光薄膜との間に形成された空間が真空状態であったため、電子放出特性の劣化、エミッタ素子の寿命の低下及び大電力に対する耐性の低下等の問題点があったが、本発明においては、これらの種々の特性の劣化を防止することができる。
【００１７】
本発明においては、キャリアはホールとすることが可能である。
【００１８】
また、下部電極は、白金又は白金を５０原子％以上含有する合金からなることが好ましく、下部電極の表面は凹凸を有することが望ましい。下部電極の材料が上記の如く選択されていると、その上に蒸着するダイヤモンド膜の膜質を向上でき、下部電極の表面に凹凸が形成されていると、キャリアの注入効率を向上できる。従って、いずれの場合についても、より一層低電圧で高輝度の発光が得られる。
【００１９】
また、このボロン濃度は前記気相合成ダイヤモンド層の厚さ方向に連続的に変化していてもよい。更にまた、キャリアがホールである場合には、気相合成ダイヤモンド膜は、前記下部電極側から１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１０１８（／ｃｍ３）以上である高ボロン濃度層を有すると、ホールの注入効率が向上する。
【００２０】
更にまた、上部電極は透明導電膜とすることができる。この発光素子は前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界を１０4（Ｖ／ｃｍ）以上としたときに、視認できる強度で発光することが好ましい。なお、本発明においては、前記下部電極の下面に電気絶縁性の基体を有していてもよい。
【００２１】
本発明に係る平面パネルディスプレイは、下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面に選択的に形成され前記キャリアの流量を制御するゲート電極と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記気相合成ダイヤモンド膜はアンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とする。
本発明に係る他の平面パネルディスプレイは、下部電極と、前記下部電極の表面上に形成され前記下部電極から注入されたキャリアを輸送する気相合成ダイヤモンド膜と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面に選択的に形成され前記キャリアの流量を制御するゲート電極と、前記気相合成ダイヤモンド膜の表面上に形成され前記キャリアによる励起によって蛍光を発する蛍光膜と、前記蛍光膜の表面上に形成され前記キャリアが輸送される上部電極と、を有し、前記気相合成ダイヤモンド膜は、１×１０１８（／ｃｍ３）未満のボロン濃度を有するボロンドープダイヤモンド膜であり、前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界が１０４（Ｖ／ｃｍ）以上で発光することを特徴とする。
【００２２】
本発明の平面パネルディスプレイにおいては、発光素子と同様に、キャリアを注入する下部電極と蛍光薄膜との間に、気相合成ダイヤモンド膜が形成されているので、両者間を真空状態にすることなく、キャリアを高速で移動することができる。従って、電子放出特性の劣化、エミッタ素子の寿命の低下及び大電力に対する耐性の低下等を防止することができる。また、本発明においては、ダイヤモンド膜の表面にゲート電極が形成されているので、このゲート電極に電圧を印加することによって、下部電極から注入されるキャリアの流量を制御することができる。従って、ゲート電極に印加する電圧を変化させることにより、輝度を制御することができる。
【００２３】
本発明においては、キャリアをホールとすることが可能である。
【００２４】
また、この平面パネルディスプレイは、前記ゲート電極と前記気相合成ダイヤモンド膜との間に、電気絶縁性の中間層を有することが好ましい。ゲート電極と気相合成ダイヤモンド膜との間に電気絶縁性の中間層が形成されていると、ゲート電極からのリーク電流を抑制することができる。更に、下部電極が、白金又は白金を５０原子％以上含有する合金であると、ダイヤモンド膜の膜質が良好となり、下部電極の表面が凹凸を有すると、電界集中のために、キャリア注入効率が向上する。
【００２５】
また、このボロン濃度は前記気相合成ダイヤモンド層の厚さ方向に連続的に変化していてもよい。更に、気相合成ダイヤモンド膜は、前記下部電極側から１μｍ以下の領域に、ボロン濃度が１×１０１８（／ｃｍ３）以上である高ボロン濃度層を有すると、キャリアの注入効率が向上する。
【００２６】
更にまた、上部電極は透明導電膜とすることができる。この発光素子は前記気相合成ダイヤモンド膜中の電界を１０4（Ｖ／ｃｍ）以上としたときに、視認できる強度で発光することが好ましい。なお、本発明においては、前記下部電極の下面に電気絶縁性の基体を有していてもよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例に係る発光素子を示す断面図である。図１に示すように、基体３２上に下部電極２１が形成されており、下部電極２１上には気相合成によるダイヤモンド膜２７が形成されている。また、ダイヤモンド膜２７上には蛍光薄膜２５及び上部電極（透明電極）２４が順次積層されており、上部電極（透明電極）２４上には選択的に配線用電極２３が形成されている。更に、配線用電極２３及び下部電極２１は電源２９に接続されている。
【００２８】
このように構成された第１の実施例においては、例えば、下部電極２１に負の電圧を印加すると、下部電極２１からダイヤモンド膜２７にキャリア２８としての電子が注入される。そして、この電子はダイヤモンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２５を励起して蛍光を発し、更に、上部電極（透明電極）２４から配線用電極２３に移動する。一方、下部電極２１に正の電圧を印加すると、キャリア２８として、電子の代わりにホールが下部電極２１からダイヤモンド膜２７中に注入される。この場合においても同様に、ホールはダイヤモンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２５を励起することによって蛍光を発し、上部電極２４に到達する。
【００２９】
本実施例においては、キャリア（電子又はホール）２８を注入する下部電極２１と、このキャリア２８による励起によって蛍光を発する蛍光薄膜２５との間に、気相合成ダイヤモンド膜２７が形成されている。前述の如く、ダイヤモンド膜中の電界が１０4（Ｖ／ｃｍ）以上であれば、キャリア２８はフォノンとの相互作用によって、エネルギーを失うことなくダイヤモンド中を高速で移動することができる。即ち、このような高電界状態において、キャリア２８はダイヤモンド膜２７中を真空中の場合と同様に高速で移動することができる。従って、従来の発光素子においては、下部電極と蛍光薄膜との間に形成された空間が真空状態であったため、電子放出特性の劣化、エミッタ素子の寿命の低下及び大電力に対する耐性の低下等の問題点があったが、本実施例においてはこのような特性の劣化を防止することができる。
【００３０】
本実施例において、下部電極２１の材料としては、導電性を有するものであれば例えば、金属、セラミックス、ダイヤモンド等のどのような材料でも使用することができ、これらを積層した積層材を使用してもよい。但し、ダイヤモンド膜２７は気相合成により下部電極２１上に形成するので、下部電極２１は気相合成に必要とされる温度、例えば、４００乃至１０００℃の温度に対して、耐熱性を有するものである必要がある。
【００３１】
本願発明者等は、白金又は白金を５０原子％以上含有する合金を基板としてダイヤモンド膜を気相合成すると、結晶中の欠陥密度が小さく、結晶方位がそろった高品質のダイヤモンド膜を得ることができることを確認している。従って、白金又は白金を５０原子％以上含有する合金を下部電極２１として使用することが最も望ましい。また、ダイヤモンド膜を気相合成する下地（下部電極）として、白金等のような金属（金属薄膜）を使用すると、蛍光薄膜２５による発光を反射する効果も得ることができる。
【００３２】
図２は本発明の第２の実施例に係る発光素子を示す断面図である。図２に示す第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、基体及び下部電極の表面に凹凸を形成した点のみであるので、図２において図１に示すものと同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。即ち、第１の実施例においては、下部電極２１の表面は平坦であったが、第２の実施例は基体３２ａの表面に凹凸が形成されているので、その表面上に積層された下部電極２１ａにおいても、その表面に凹凸が形成されている。
【００３３】
このように構成された第２の実施例においても、第１に示す実施例と同様の効果を得ることができる。また、例えば、下部電極２１ａに負の電圧を印加することによって、下部電極２１ａからダイヤモンド膜２７にキャリア（電子）２８が注入されるが、下部電極２１ａの表面には凹凸が形成されているので、突起部３３の先端からキャリア２８が注入されやすくなり、第１の実施例と比較して、電子注入効率を向上させることができる。
【００３４】
なお、下部電極２１又は２１ａから注入されたキャリア２８は、ダイヤモンド膜２７中において加速されるので、ダイヤモンド膜２７は、欠陥密度が小さいことが望ましい。従って、ダイヤモンド膜２７はアンドープであるか、又はボロンが１×１０18（／ｃｍ3）未満の濃度範囲でダイヤモンド膜中にドープされていることが好ましい。また、ボロン濃度はダイヤモンド膜２７の厚さ方向に連続的に変化していても、同様の効果を得ることができる。
【００３５】
図３は本発明の第３の実施例に係る発光素子を示す断面図である。図３に示す第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、気相合成ダイヤモンド膜２７の下部電極２１側から約１μｍ以下の領域において、１×１０18（／ｃｍ3）以上の濃度でボロンがドープされた高ボロン濃度層３４を形成した点のみであるので、図３において図１に示すものと同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。このように構成された第３の実施例においては、下部電極２１に正の電圧を印加した場合、即ち、キャリア２８がホールである場合には、下部電極２１からのホールの注入効率が向上するので、より一層低電圧で発光を得ることができる。
【００３６】
図４は本発明の第４の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図４に示す平面パネルディスプレイの発光要素が第１の実施例に示す発光素子と異なる点は、気相合成ダイヤモンド膜２７の表面に絶縁層３６を介してゲート電極３５が設けられている点と、配線用電極２３の代わりにガラス板３７が配置されている点のみであるので、図４において図１と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
このように構成された第４の実施例においても、第１の実施例と同様に、下部電極２１に負電圧を印加した場合、キャリア（電子）２８が下部電極２１からダイヤモンド膜２７中に注入される。そして、キャリア２８はダイヤモンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２５を励起することによって蛍光を発し、上部電極２４に到達する。但し、本実施例においては、ダイヤモンド膜２７の表面にゲート電極３５が形成されているので、このゲート電極３５に負又は正の電圧を印加することによって、下部電極２１から注入される電子の流量を抑制又は増大させることができる。従って、ゲート電極３５に印加する電圧を変化させることにより、輝度を制御することができる。また、絶縁層３６は、ゲート電極３５と上部電極２４との電気絶縁性を維持する効果を有する。
【００３８】
一方、下部電極に正の電圧を印加すると、キャリア２８として、電子の代わりにホールが下部電極２１からダイヤモンド膜２７中に注入される。この場合においても同様に、ホールはダイヤモンド膜２７中において加速され、蛍光薄膜２５を励起することによって蛍光を発し、上部電極２４に到達する。このとき、ゲート電極３５に正又は負の電圧を印加することによってホールの流量を制御することができるので、輝度を制御することができる。なお、電子流及びホール流のいずれを使用する場合においても、各キャリアに対して感度が高い蛍光薄膜の材料を適切に選択するのみで、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
図５は本発明の第５の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図５に示す平面パネルディスプレイの発光要素が第２の実施例に示す発光素子と異なる点は、第４の実施例と同様に、ダイヤモンド膜２７の表面に絶縁層３６を介してゲート電極３５が設けられている点と、配線用電極２３の代わりにガラス基板３７が配置されている点のみである、従って、図５において図１及び図４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
このように構成された第５の実施例においても、その効果は第１及び第４の実施例と同様である。即ち、第４の実施例と比較して、下部電極２１ａの表面には凹凸が形成されているので、突起部３３の先端から電子等のキャリア２８が注入されやすくなり、電子注入効率を向上させることができ、これにより、低電圧で発光を得ることができる。
【００４１】
図６は本発明の第６の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図６に示す第６の実施例が第４の実施例と異なる点は、下部電極２１の表面に単一の突起部３８が形成されている点のみであるので、図６において図４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。第６の実施例に示すように、単一の突起部３８を下部電極２１の表面上の所定の位置に形成すると、蛍光薄膜２５上における発光位置を精密に制御することができる。
【００４２】
図７は本発明の第７の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図７に示す第７の実施例が第４の実施例と異なる点は、ゲート電極３５とダイヤモンド膜２７との界面に電気絶縁材料からなる中間層３９が形成されている点のみであるので、図７において図４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
第４乃至第６の実施例においては、ダイヤモンド膜２７の表面に直接ゲート電極３５が蒸着されていたが、本実施例に示すように、ゲート電極３５とダイヤモンド膜２７との界面に電気絶縁性の中間層３９が形成されていると、ゲート電極３５からのリーク電流を抑制することができる。なお、この中間層３９の材料としては、ＳｉＯ2及びＳｉ3Ｎ4等の電気絶縁材料を使用することができる。
【００４４】
第４乃至第７の実施例に示す平面パネルディスプレイの発光要素においては、ゲート電極３５が形成されていない第１乃至第３の実施例に示す発光素子と同様に、ダイヤモンド膜２７は欠陥密度が小さいことが望ましい。従って、ダイヤモンド膜２７はアンドープであるか、又はボロンが１×１０18（／ｃｍ3）未満の濃度範囲でダイヤモンド膜中にドープされていることが好ましい。また、ボロン濃度がダイヤモンド膜２７の厚さ方向に連続的に変化していても、同様の効果を得ることができる。
【００４５】
図８は本発明の第８の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。図８に示す第８の実施例が第７の実施例と異なる点は、第３の実施例に示す発光素子と同様に、気相合成ダイヤモンド膜２７の下部電極２１側から約１μｍ以下の領域において、１×１０18（／ｃｍ3）以上の濃度でボロンがドープされた高ボロン濃度層３４を形成した点のみであるので、図８において図３及び７と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
このように構成された第８の実施例においては、下部電極２１に正の電圧を印加した場合、即ち、キャリア２８がホールである場合には、下部電極２１からのホールの注入が容易になるので、より一層低電圧で発光を得ることができる。
【００４７】
上述の第１乃至第８の実施例に係る発光素子又は発光要素においては、蛍光薄膜２５からの発光を透過させるために、上部電極２４は透明導電膜により形成することができる。透明導電膜の材料としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2、ＺｎＯ2、ＳｎＯ2−Ｓｂ及びＣｄ2ＳｎＯ4等、公知の材料がある。
【００４８】
また、これらの実施例において、下部電極２１又は２１ａは基体３２又は３２ａ上に形成されているが、この基体３２及び３２ａは電気絶縁性の基体とすることができ、基体が形成されていないものでもよい。更に、発光素子は必ずしも点光源である必要はなく、直線、曲線、平面及び曲面等の自由な形状とすることができる。
【００４９】
更にまた、これらの実施例に示す発光素子及び発光要素は、集積化することにより１次元、２次元又は３次元のアレイ又はディスプレイを形成することができる。図９は本発明における発光素子又は発光要素を利用した２次元のディスプレイを示す模式図である。図９に示すように、円柱形状の発光素子（又は発光要素）４０を平面上に配列することにより、低消費電力で安定した発光を得ることができる２次元のディスプレイを得ることができる。
【００５０】
また、第４乃至第８の実施例に示す平面パネルディスプレイの発光要素を作製する場合、下部電極２１又は２１ａに対向する透明電極２４の間隔は、ダイヤモンド膜２７により一定に保持することができるので、表示ムラの発生を防止することができる。更にまた、上述の第４乃至第８の実施例に係る平面パネルディスプレイを作製すると、ダイヤモンドの熱伝導率が大きいために、素子からの発熱が速やかに拡散し、局部的な加熱が起こることを防止することができる。従って、長時間安定した発光を得ることができる。
【００５１】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係る発光素子及び平面パネルディスプレイを形成した結果について説明する。
【００５２】
実施例１
先ず、１０ｍｍ×１０ｍｍのアルミナ基体上に、スパッタ法により５μｍの膜厚で白金膜を蒸着し、これを基板として、マイクロ波ＣＶＤ法により３μｍの膜厚でアンドープダイヤモンド薄膜を合成した。次に、金属マスクを使用して、アンドープダイヤモンド薄膜上の直径１００μｍの領域に、蛍光剤及びインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を順次蒸着した。なお、蛍光剤としては、赤、青、黄用の発光剤を異なる領域に１μｍの膜厚で蒸着し、更に、ＩＴＯを１μｍの膜厚で蒸着した。そして、下部電極としての白金電極と、上部電極としてのＩＴＯとの間に印加する電圧を変化させて、青色発光領域の輝度を測定した。
【００５３】
図１０は縦軸に相対輝度をとり、横軸に電圧をとって、輝度と電圧との関係を示すグラフ図である。図１０に示すように、電界が１×１０4（Ｖ／ｃｍ）以上になると、発光強度が急激に増大した。
【００５４】
実施例２
上記実施例１において、アンドープダイヤモンド薄膜を合成する前の白金膜の表面に、約１０19（／ｃｍ3）の濃度でダイヤモンド膜にボロンをドープした高ボロン濃度層を０．１μｍの膜厚で形成し、その上にアンドープダイヤモンド薄膜を３μｍの膜厚で積層した。そして、実施例１と同様の方法で青色発光領域の輝度を測定した。その結果、輝度は実施例１と同様の値を得ることができたが、電流値は実施例１の８０％であった。
【００５５】
実施例３
窒化シリコン基体上に種々の原子濃度比を有する白金／金の合金薄膜を蒸着し、これを基板として、マイクロ波ＣＶＤにより３μｍの膜厚でアンドープダイヤモンド薄膜を合成した。そして、このダイヤモンド薄膜のラマンスペクトルを測定した。ダイヤモンドのラマンスペクトルは、約１３３３（／ｃｍ）の位置にダイヤモンド特有のピークが現れる。良質のダイヤモンドであるほど、このピークの半値幅は小さいことは公知である。
【００５６】
図１１は縦軸に約１３３３（／ｃｍ）の位置に現れたラマンスペクトルの半値幅をとり、横軸に白金濃度をとって、半値幅と白金濃度との関係を示すグラフ図である。図１１に示すように、金に対する白金の原子濃度が５０原子％以上であるときに、欠陥及び内部歪みが少ない良質のダイヤモンドを得ることができた。
【００５７】
実施例４
５０ｍｍ×５０ｍｍのアルミナ基体上に、スパッタ法により２μｍの膜厚で白金配線パターンを蒸着し、これを基板として、マイクロ波ＣＶＤ法により３μｍの膜厚でアンドープダイヤモンド薄膜を合成した。次に、アンドープダイヤモンド薄膜表面に直径３μｍの円形マスクを蒸着し、ＥＣＲプラズマエッチング装置により酸素ガスを使用して、マスク以外の領域を１．５μｍの深さでエッチングした。次いで、エッチングされた底部にアルミニウムからなるゲート電極配線パターンを形成し、更にその上の全面にＳｉＯ2膜を積層した後、中央部のダイヤモンド表面が露出するまで、その表面をスパッタにより平坦化した。
【００５８】
その後、予め、透明電極（ＩＴＯ）配線パターン及び蛍光薄膜が積層されたガラス基板を、蛍光薄膜をダイヤモンド膜側に向けて装着することにより、平面パネルディスプレイの発光要素を形成した。なお、ＩＴＯは膜厚を０．５μｍとした。そして、下部電極としての白金電極と、上部電極としてのＩＴＯとの間に、白金電極側を負として２５Ｖの電圧を印加し、ゲート電圧に印加する電圧を−２Ｖから＋２Ｖの間で変化させた。その結果、ゲート電圧に印加する電圧を変化させることにより、カラーの動画像を表示することができた。
【００５９】
実施例５
上記実施例４において、アンドープダイヤモンド薄膜を合成する前の白金膜の表面に、約１０19（／ｃｍ3）の濃度でダイヤモンド膜にボロンをドープした高ボロン濃度層を０．１μｍの膜厚で形成し、その上にアンドープダイヤモンド薄膜を３μｍの膜厚で積層した。その後、実施例４と同様の方法で平面パネルディスプレイを形成し、下部電極としての白金電極と、上部電極としてのＩＴＯとの間に、白金電極側を正として２５Ｖの電圧を印加し、ゲート電圧に印加する電圧を−２Ｖから２Ｖの間で変化させた。その結果、ゲート電圧に印加する電圧を変化させることにより、カラーの動画像を表示することができた。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、下部電極と蛍光膜との間に気相合成ダイヤモンド膜を形成するので、真空状態にすることなく赤、青及び黄の３原色、中間色及び白色光を発光することができるダイヤモンド膜を有する発光素子を得ることができる。また、下部電極と蛍光膜との間に気相合成ダイヤモンド膜を形成し、その表面にゲート電極を形成するので、低消費電力で高輝度を有する平面パネルディスプレイを得ることができる。これらの発光素子及び平面パネルディスプレイにおいて、下部電極の表面に凹凸が形成されていると、キャリアの注入効率を高めることができる。更に、ダイヤモンド膜にボロンをドープし、そのボロン濃度を適切に制御すると、より一層低電圧で発光が得られる。従って、本発明はこの種の技術分野の発展に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る発光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る発光素子を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。
【図６】本発明の第６の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。
【図７】本発明の第７の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。
【図８】本発明の第８の実施例に係る平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。
【図９】本発明における発光素子又は発光要素を利用した２次元のディスプレイを示す模式図である。
【図１０】縦軸に相対輝度をとり、横軸に電圧をとって、輝度と電圧との関係を示すグラフ図である。
【図１１】縦軸に約１３３３（／ｃｍ）の位置に現れたラマンスペクトルの半値幅をとり、横軸に白金濃度をとって、半値幅と白金濃度との関係を示すグラフ図である。
【図１２】シリコンを使用した発光素子の一例を示す断面図である。
【図１３】シリコンを使用した平面パネルディスプレイの発光要素を示す断面図である。
【符号の説明】
１；シリコン基板
２；エミッタ
３、３７；ガラス板
４；透明電極
５、２５；蛍光薄膜
６；蛍光電極
７；空間
８；電子
９、２９；電源
１０、３５；ゲート電極
１１、３６；絶縁層
１２；絶縁性基板
２１、２１ａ；下部電極
２３；配線用電極
２４；上部電極
２７；ダイヤモンド膜
２８；キャリア
３２、３２ａ；基体
３４；高ボロン濃度層
３９；中間層
４０；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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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