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JP3449208B2 - Amorphous carbon nitride composition and method for producing the same - Google Patents
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JP3449208B2 - Amorphous carbon nitride composition and method for producing the same - Google Patents

Amorphous carbon nitride composition and method for producing the same

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JP3449208B2
JP3449208B2 JP04158098A JP4158098A JP3449208B2 JP 3449208 B2 JP3449208 B2 JP 3449208B2 JP 04158098 A JP04158098 A JP 04158098A JP 4158098 A JP4158098 A JP 4158098A JP 3449208 B2 JP3449208 B2 JP 3449208B2
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carbon nitride
nitride composition
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浩一 相澤
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子デバイスの分
野において電子材料として利用できるアモルファス窒化
炭素組成物及びその製造方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an amorphous carbon nitride composition that can be used as an electronic material in the field of electronic devices, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化炭素組成物の結晶体であるβ−C3
4 は、ダイヤモンドと同等以上の硬度、熱伝導率、体
積弾性率、音速などをもつことが予測されており、大き
な期待がもたれている材料の一つである。しかし、現在
はまだ単結晶構造のβ−C3 4 は得られておらず、そ
の物理特性、電気的特性、光学的特性などのデータも得
られておらず、実用的な利用には至っていないのが実情
である。
2. Description of the Related Art .beta.-C which is a crystal of a carbon nitride composition.3
NFourHas a hardness, thermal conductivity, and
It is predicted to have a product elastic modulus, sound velocity, etc.
It is one of the materials that has high expectations. But now
Is still single crystal β-C3N FourHas not been obtained,
Data such as physical properties, electrical properties, and optical properties of
The fact is that it has not been used and has not been practically used.
Is.

【0003】これに対し、アモルファス構造の窒化炭素
組成物は結晶体に比べて比較的容易に作製することがで
きることから、各所で研究開発が行われ、利用されてい
る。ここにおいて、アモルファス窒化炭素組成物は、一
般的にアモルファスシリコンやアモルファスカーボンと
同様、プラズマCVD法により形成され、原料ガスとし
てメタンガス、エタンガス、エチレンガスなどの炭化水
素ガスと、窒素ガス、アンモニアなどの窒素を含むガス
との混合ガスを用いている。プラズマCVD法により形
成されたアモルファス窒化炭素組成物は、高い硬度や高
い熱伝導率を持ち、安定性、耐湿性、耐薬品性、耐摩耗
性などに優れ、磁気的性質がないことが確認されてお
り、これらの特徴をいかした様々な材料や構造、工具、
電子デバイスや磁気デバイスの表面保護用コーティング
材料としての用途に用いることが提案されている。
On the other hand, since a carbon nitride composition having an amorphous structure can be produced relatively easily as compared with a crystalline body, research and development have been carried out in various places and utilized. Here, the amorphous carbon nitride composition is generally formed by the plasma CVD method like the amorphous silicon and the amorphous carbon, and the hydrocarbon gas such as methane gas, ethane gas, and ethylene gas as the source gas, the nitrogen gas, the ammonia, and the like. A mixed gas with a gas containing nitrogen is used. It has been confirmed that the amorphous carbon nitride composition formed by the plasma CVD method has high hardness and high thermal conductivity, is excellent in stability, moisture resistance, chemical resistance, wear resistance and the like and has no magnetic property. Various materials, structures, tools,
It has been proposed to be used as a coating material for surface protection of electronic devices and magnetic devices.

【0004】ところで、電子デバイスの分野に用いられ
る電子材料は、電気的特性、光学的特性などに応じて種
々の材料がある。以下、光伝導性材料、絶縁材料、発光
材料、冷陰極材料などの電子材料について説明する。 (1)光伝導材料は、光伝導性(絶縁体材料や半導体材
料の導電率が光の照射によって増加する特性であって、
光吸収により電子が価電子帯また不純物準位から励起さ
れて伝導電子又は正孔が生じるために起こる現象を光伝
導という)を持つ材料であって、光伝導セルやそれを応
用した光検知器、光増幅器、また撮像管や撮像素子な
ど、あるいはまた電子写真用感光体や電子写真用感光体
を応用した複写機、プリンタなどに利用される。また、
光伝導性を有する半導体にpn接合やショットキ接合な
どの障壁電場をもつような界面を形成することにより、
光起電力効果を生じさせることができ、光起電力効果を
利用した光起電力セルや光起電力セルを応用した太陽電
池、照度計、光検知器、フォトダイオード、フォトトラ
ンジスタ、イメージセンサなどを実現することができ
る。
By the way, there are various electronic materials used in the field of electronic devices depending on electrical characteristics, optical characteristics, and the like. Hereinafter, electronic materials such as photoconductive materials, insulating materials, light emitting materials, and cold cathode materials will be described. (1) The photoconductive material has photoconductivity (a characteristic that the conductivity of an insulator material or a semiconductor material is increased by irradiation of light,
A material having a photoconductive cell or a photodetector to which the photoconductive cell is applied, which is a phenomenon that occurs when electrons are excited from a valence band or an impurity level by light absorption to generate conduction electrons or holes. , An optical amplifier, an image pickup tube, an image pickup element, or the like, or an electrophotographic photoconductor or a copying machine or a printer to which the electrophotographic photoconductor is applied. Also,
By forming an interface having a barrier electric field such as a pn junction or a Schottky junction in a semiconductor having photoconductivity,
A photovoltaic cell that can generate a photovoltaic effect, a photovoltaic cell that uses the photovoltaic effect, a solar cell that applies the photovoltaic cell, an illuminometer, a photodetector, a photodiode, a phototransistor, an image sensor, etc. Can be realized.

【0005】光伝導材料としては、従来、単結晶あるい
は多結晶のセレン、硫化カドミウム、セレン化カドミウ
ム、テルル化カドミウム、硫化鉛、セレン化鉛、テルル
化鉛、ゲルマニウム、テルル、インジウムアンチモン、
インジウム砒素などや、アモルファス構造のセレン、セ
レン−テルル、セレン−砒素、セレン−砒素−テルルな
どのカルコゲナイド系アモルファス材料や、アモルファ
ス構造のシリコン、シリコン−カーボン、シリコン−ゲ
ルマニウムなどのテトラヘドラル系の水素化アモルファ
スシリコン材料や、あるいはまた、フタロシアニン顔
料、多環キノン顔料、アゾ顔料、ペリレン顔料などの各
種顔料やシアニン染料、スクワリリウム染料などの各種
染料のような有機半導体材料が用いられている。
Conventionally, as photoconductive materials, single crystal or polycrystal selenium, cadmium sulfide, cadmium selenide, cadmium telluride, lead sulfide, lead selenide, lead telluride, germanium, tellurium, indium antimony,
Indium arsenide, etc., chalcogenide-based amorphous materials such as selenium, selenium-tellurium, selenium-arsenic, selenium-arsenic-tellurium, etc. having an amorphous structure, and tetrahedral hydrogenation such as silicon, silicon-carbon, silicon-germanium, etc., having an amorphous structure. Amorphous silicon materials and / or organic pigments such as phthalocyanine pigments, polycyclic quinone pigments, azo pigments, perylene pigments, and organic semiconductor materials such as cyanine dyes and various dyes such as squarylium dyes are used.

【0006】(2)絶縁材料は、電気的絶縁性を有する
材料であって、電子デバイス、特に半導体デバイスの高
集積化が進むにつれて、同一基板上に形成された各種機
能素子間や電極間や素子表面を電気的に絶縁したり保護
したり、電子や正孔を外部電極から電界で制御したりす
る上で、素子間や電極間、素子表面及び電界制御用電極
と被制御構造との間で電気的絶縁性を確保するための絶
縁材料が重要となってきている。
(2) The insulating material is a material having an electrical insulating property, and as electronic devices, especially semiconductor devices, are highly integrated, various functional elements and electrodes formed on the same substrate, and In order to electrically insulate and protect the element surface, and to control electrons and holes with an electric field from an external electrode, between elements and between electrodes, between the element surface and the electric field control electrode and the controlled structure. Therefore, an insulating material for ensuring electrical insulation has become important.

【0007】半導体デバイスにおいて用いられる絶縁材
料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミ
ニウム、酸化タンタルなどが利用されている。 (3)発光材料の持つ光学的性質にルミネセンスがあ
る。ルミネセンスは電界や光などを加えることによっ
て、基底状態から励起された電子がもとの状態に戻る時
に光を放出する現象であり、この性質を持つ材料は発光
材料として利用することができる。特に、電界励起によ
るルミネセンス(エレクトロルミネセンス:通称ELと
称される)は、表示デバイスや照明などへの応用が可能
である。ELを利用した発光デバイスには、電流注入型
(注入型EL)のものと電圧励起型(真性EL)のもの
とがある。前者は、半導体のpn接合を利用し、順バイ
アスした時に注入される電子と正孔の再結合を利用した
発光デバイスであり、一般には発光ダイオードと呼ばれ
ているもので、発光効率の点から主に直接遷移型半導体
である単結晶のガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウムナ
イトライドなどの化合物系の混晶半導体が用いられてい
る。一方、後者は、発光材料中の電子を高電界などを利
用して高エネルギとし、この電子によって発光材料中に
存在する発光中心となる原子中の電子を励起発光させる
ものであって、一般的には多結晶やアモルファス構造の
薄膜材料が用いられ、薄膜形成技術によって前者に比べ
て容易に大面積の発光デバイスを作ることができる。
Silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, tantalum oxide and the like are used as insulating materials used in semiconductor devices. (3) The optical property of the light emitting material has luminescence. Luminescence is a phenomenon of emitting light when an excited electron returns from its ground state to an original state by applying an electric field or light, and a material having this property can be used as a light emitting material. In particular, luminescence by electric field excitation (electroluminescence: commonly called EL) can be applied to a display device, lighting, and the like. Light emitting devices utilizing EL include a current injection type (injection EL) type and a voltage excitation type (intrinsic EL) type. The former is a light emitting device that utilizes a pn junction of a semiconductor and utilizes recombination of electrons and holes that are injected when forward biased, and is generally called a light emitting diode. Compound crystal mixed crystal semiconductors such as single-crystal gallium arsenide, gallium phosphide, and gallium nitride, which are direct transition semiconductors, are mainly used. On the other hand, the latter is one in which electrons in a light-emitting material are made to have high energy by utilizing a high electric field, and the electrons in atoms serving as emission centers existing in the light-emitting material are excited by the electrons to emit light. A thin film material having a polycrystalline or amorphous structure is used for, and a large area light emitting device can be easily manufactured by the thin film forming technique compared to the former.

【0008】また、その他の発光材料としては、硫化亜
鉛やセレン化亜鉛にマンガンや希土類フッ化物を添加し
たものや、硫化ストロンチウムや硫化ストロンチウムガ
リウムにセリウムを添加したものなどの無機系薄膜材料
や、アルミニウムキノリノール錯体を代表とするキレー
ト金属錯体などの有機系薄膜材料が利用されている。 (4)冷陰極材料は、例えば、近年注目を集めている電
子デバイスの一つであるいわゆる真空マイクロエレクト
ロニクスデバイスに利用される材料である。真空マイク
ロエレクトロニクスデバイスは、真空中を走る電子を利
用することから、従来の固体デバイスを越える高速動作
の機能デバイスを実現できる可能性があり、また、ブラ
ウン管に変わる軽量薄型でフラットな大画面表示デバイ
ス、あるいは蛍光灯に代わる薄型平面型の照明装置へ利
用できる可能性もある。このような真空マイクロエレク
トロニクスデバイスには、電子放出用のエミッタが設け
られるが、特に、電子を表面から電界放出できる微小な
フィールドエミッタ及びフィールドエミッタを同一平面
に多数個並べたフィールドエミッタアレイが使われてい
る。このフィールドエミッタは、高い電子放出率をもつ
とともに、エミッタ表面のスパッタ現象や表面汚染に対
する機械的安定性、化学的安定性を確保でき、さらに局
所的に電流が流れることで発生する熱的な問題を防ぐた
めの高い熱伝導率を合わせもつ必要があることから、シ
リコンや金属材料などで形成したエミッタ表面に、冷陰
極材料のコーティングが施される。そのような特性をあ
わせもつ冷陰極材料としては、従来、ダイヤモンド、ダ
イヤモンド状炭素(diamond-like carbon )などが使わ
れている。
As other light emitting materials, inorganic thin film materials such as zinc sulfide or zinc selenide to which manganese or a rare earth fluoride is added, or strontium sulfide or strontium gallium sulfide to which cerium is added, Organic thin film materials such as chelate metal complexes typified by aluminum quinolinol complexes are used. (4) The cold cathode material is, for example, a material used for a so-called vacuum microelectronic device, which is one of the electronic devices that has been attracting attention in recent years. Since vacuum microelectronic devices utilize electrons that travel in vacuum, they have the potential to realize high-speed functional devices that surpass conventional solid-state devices, and are lightweight, thin, and flat large-screen display devices that can replace cathode ray tubes. Alternatively, there is a possibility that it can be used for a thin flat type lighting device that replaces a fluorescent lamp. Such a vacuum microelectronic device is provided with an emitter for electron emission, and in particular, a field emitter array in which a small number of field emitters capable of field emission of electrons from the surface and a large number of field emitters are arranged in the same plane are used. ing. This field emitter has a high electron emission rate, can secure mechanical stability and chemical stability against the spattering phenomenon and surface contamination of the emitter surface, and also has a thermal problem caused by local current flow. Since it is necessary to have a high thermal conductivity to prevent this, a cold cathode material coating is applied to the emitter surface formed of silicon or a metal material. Conventionally, diamond, diamond-like carbon and the like have been used as cold cathode materials having such characteristics.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の電子材料には以下に述べるような問題があった。 (1)従来の光伝導材料のうち、単結晶あるいは多結晶
のセレン、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テル
ル化カドミウム、硫化鉛、セレン化鉛、テルル化鉛、ゲ
ルマニウム、テルル、インジウムアンチモン、インジウ
ム砒素などや、アモルファス構造のセレン、セレン−テ
ルル、セレン−砒素、セレン−砒素−テルルなどのカル
コゲナイド系アモルファス材料は、人体や環境にとって
有害であったり危険なカドミウム、鉛、セレン、テル
ル、砒素、アンチモンなどを含んでいるので、製造時や
廃棄時に人体や環境への影響がないように、特別な管
理、対策、費用が必要になるという問題があった。ま
た、これらの材料は、カルコゲナイド系アモルファス材
料をはじめとして硬度があまり高くない(比較的柔らか
い)材料が多く、電子写真用感光体をその代表例とする
ように、表面が他の物と接触、摺動するような用途にお
いては、直ぐに摩耗が生じるので、寿命が非常に短いと
いう問題があった。
By the way, the above-mentioned conventional electronic materials have the following problems. (1) Among conventional photoconductive materials, single crystal or polycrystalline selenium, cadmium sulfide, cadmium selenide, cadmium telluride, lead sulfide, lead selenide, lead telluride, germanium, tellurium, indium antimony, indium arsenide Etc., and chalcogenide-based amorphous materials such as selenium, selenium-tellurium, selenium-arsenic, and selenium-arsenic-tellurium having an amorphous structure, cadmium, lead, selenium, tellurium, arsenic, and antimony that are harmful or dangerous to the human body and environment. Therefore, there is a problem that special management, measures, and costs are required so that the human body and the environment are not affected at the time of manufacturing or disposal. In addition, many of these materials have relatively low hardness (relatively soft), including chalcogenide-based amorphous materials, and their surfaces are in contact with other materials, as in electrophotographic photoreceptors. In a sliding application, there is a problem that the service life is very short because the wear occurs immediately.

【0010】また、アモルファス構造のシリコン、シリ
コン−カーボン、シリコン−ゲルマニウムなどのテトラ
ヘドラル系の水素化アモルファスシリコン材料は、プラ
ズマCVD法により作製するにあたって、原料ガスとし
て、シランガス、メタンガス、ゲルマンガス、ホスフィ
ンガス、ジボランガスなどの混合ガスを用いているの
で、装置、材料ともに特殊で高価である上、排ガス処理
設備などを含めた安全対策のコストが高くなるという問
題がある。また、これらの材料もカルコゲナイド系アモ
ルファス材料ほどではないが、電子写真用感光体などへ
応用するには耐摩耗性が十分でなく、水素化アモルファ
スシリコン材料の表面に窒化シリコンのような保護膜を
別途に形成する必要があった。また、電子写真用感光体
などへの応用にあたっては、光照射のない状態での導電
率、つまり暗導電率が低いほど帯電性能が良くなって電
荷の流れによる像のぼけが少なくなるが、上記テトラヘ
ドラル系の水素化アモルファスシリコン材料の暗導電率
は10-11 S/cmないし10-13 S/cmと比較的高
いので、電子写真用感光体として利用するには膜厚を1
0μmないし20μmにする必要があり、製膜に要する
時間が非常に長くなるという問題があった。また、有機
半導体材料は無機半導体材料に比べて、安定性、耐久性
などが充分でないという問題があった。
In addition, a tetrahedral hydrogenated amorphous silicon material such as amorphous silicon, silicon-carbon, silicon-germanium, etc., is used as a raw material gas for producing silane gas, methane gas, germane gas, and phosphine gas in the plasma CVD method. Since mixed gas such as diborane gas is used, there is a problem that the equipment and materials are special and expensive, and the cost of safety measures including exhaust gas treatment equipment is high. Although these materials are not as good as chalcogenide-based amorphous materials, they are not sufficiently wear-resistant to be applied to electrophotographic photoreceptors, and a protective film such as silicon nitride is formed on the surface of hydrogenated amorphous silicon materials. It had to be formed separately. In addition, in application to electrophotographic photoreceptors, the lower the conductivity without light irradiation, that is, the lower the dark conductivity, the better the charging performance and the less blurring of the image due to the flow of charges. Since the dark conductivity of the tetrahedral hydrogenated amorphous silicon material is relatively high at 10 -11 S / cm to 10 -13 S / cm, the film thickness is 1 for use as an electrophotographic photoreceptor.
It is necessary to make the thickness 0 μm to 20 μm, and there is a problem that the time required for film formation becomes extremely long. Further, there is a problem that the organic semiconductor material is not sufficient in stability and durability as compared with the inorganic semiconductor material.

【0011】(2)また、従来の絶縁材料のうち、窒化
シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどは、比
誘電率の値が6ないし20と比較的大きいので、これら
の材料を半導体デバイスなどへ利用すると、素子間容量
や電極間容量が大きくなってしまい、高速動作を必要と
するデバイスにおいて問題が生じる場合がある。また、
酸化シリコンは、作製方法によって4以下の比誘電率を
有するものが得られるが、窒化シリコンに比べて耐湿性
などが劣るという問題がある。また、これらの絶縁材料
の作製には、高温(数百℃以上)を必要とし、しかも、
原料ガスとしてシランガス、ジクロロシランガス、アン
モニアガスをはじめとした有毒なガスを用いる必要があ
り、安全対策を含めた設備が高価になってしまうという
問題があった。
(2) Among conventional insulating materials, silicon nitride, aluminum oxide, tantalum oxide and the like have relatively large relative permittivity values of 6 to 20, so these materials are used for semiconductor devices and the like. Then, the inter-element capacitance and inter-electrode capacitance increase, which may cause a problem in a device that requires high-speed operation. Also,
Although silicon oxide having a relative dielectric constant of 4 or less can be obtained depending on the manufacturing method, there is a problem in that the moisture resistance is inferior to that of silicon nitride. In addition, the production of these insulating materials requires high temperatures (several hundreds of degrees Celsius or higher), and
Since it is necessary to use toxic gases such as silane gas, dichlorosilane gas, and ammonia gas as the raw material gas, there is a problem that the equipment including safety measures becomes expensive.

【0012】(3)また、従来の発光材料のうち、注入
型EL用材料である単結晶の化合物系の混晶半導体は、
素子の大面積化が現状の技術では困難である上、結晶成
長にはMOCVD装置やMBE装置などの非常に高価な
装置を必要とするとともに、高価でしかも危険性の高い
原材料を必要とするという問題があった。一方、真性E
L用材料は、スパッタリング装置や真空蒸着装置などの
比較的安価な装置を用いて製膜でき、しかも比較的容易
に大面積にわたって製膜することができるという利点が
あるが、発光材料やその原材料には毒性の高いものが多
く、また希土類のような希少で高価な元素を使う必要が
あるなどの問題があった。また、真性EL用材料の発光
波長は発光材料中の母材と発光中心の原子で決まるの
で、発光波長を材料設計で自由に可変できるようにする
ことが難しいという問題があった。また、有機系薄膜材
料の場合には、安定性、信頼性があまり高くなく、寿命
が短いという問題があった。
(3) Among conventional light emitting materials, a single crystal compound-based mixed crystal semiconductor, which is a material for injection type EL, is
It is difficult to increase the area of the device with the current technology, and it requires very expensive equipment such as MOCVD equipment and MBE equipment for crystal growth, as well as expensive and dangerous raw materials. There was a problem. On the other hand, the true E
The material for L has the advantage that it can be formed into a film using a relatively inexpensive device such as a sputtering device or a vacuum vapor deposition device, and can be formed relatively easily over a large area. There is a problem that many of them are highly toxic and it is necessary to use rare and expensive elements such as rare earths. Further, since the emission wavelength of the intrinsic EL material is determined by the base material in the light emitting material and the atom at the emission center, it is difficult to freely change the emission wavelength by material design. Further, in the case of the organic thin film material, there is a problem that stability and reliability are not so high and life is short.

【0013】(4)また、冷陰極材料の応用例であるフ
ィールドエミッタは、電子放出をある特定の領域からの
み生じるように、エミッタとして働く領域の導電性を高
くするとともに、エミッタとして働かない領域の表面に
絶縁物を配設して構成するようになっているが、従来の
冷陰極材料であるダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素の
場合、電気伝導の制御(価電子制御)は不純物のドーピ
ングによる方法である上、現状の技術ではp形の制御し
か実現されておらず、フィールドエミッタとしての電気
伝導の制御が困難であって、フィールドエミッタとして
働く領域を自由に制御することができないという問題が
あった。
(4) Further, in the field emitter which is an application example of the cold cathode material, the conductivity of the region functioning as the emitter is increased so that the electron emission is generated only from a specific region, and the region not functioning as the emitter. It is designed to have an insulator on the surface of, but in the case of conventional cold cathode materials such as diamond and diamond-like carbon, the control of electrical conduction (valence electron control) is performed by the method of doping impurities. In addition, the current technology has realized only p-type control, and it is difficult to control electric conduction as a field emitter, and there is a problem that the region functioning as a field emitter cannot be freely controlled. .

【0014】以上のような従来の電子材料の有する問題
を解決するために、様々な材料の研究、開発が各所で行
われている。一方で、アモルファス構造の窒化炭素組成
物(以下、アモルファス窒化炭素組成物と称する)は、
上述のように、高い硬度や高い熱伝導率をもち、安定
性、耐湿性、耐薬品性、耐摩耗性に優れ、磁気的性質が
ないなどの特徴を有することが知られており、上記従来
の電子材料に代わるものとして注目されている。しかし
ながら、従来のアモルファス窒化炭素組成物の電気的特
性や光学的特性に関する報告例は少なく、光導電率と暗
導電率との比(光導電率/暗導電率)として3桁程度の
ものしか得られておらず、アモルファスシリコンにおけ
る光導電率と暗導電率との比に比べて1桁ないし2桁低
いものであった。また、従来のアモルファス窒化炭素組
成物の暗導電率は、10-13 S/cm程度と高い値であ
って、電子写真用感光体に用いる光伝導材料や絶縁材料
としては充分ではない。さらに、従来のアモルファス窒
化炭素組成物は、原料ガスとしてメタンガス、エタンガ
ス、エチレンガス等の炭化水素ガスやアンモニアガスな
どを用い、プラズマCVD法などによって作製されてい
るので、原料ガスの毒性や爆発など製造上の危険性があ
った。
In order to solve the above problems of conventional electronic materials, various materials have been researched and developed in various places. On the other hand, a carbon nitride composition having an amorphous structure (hereinafter referred to as an amorphous carbon nitride composition) is
As described above, it is known that it has high hardness and high thermal conductivity, is excellent in stability, moisture resistance, chemical resistance, wear resistance, and has no magnetic property. It is attracting attention as an alternative to the electronic materials of. However, there are few reports on the electrical properties and optical properties of conventional amorphous carbon nitride compositions, and only a ratio of photoconductivity to dark conductivity (photoconductivity / dark conductivity) of about 3 digits is obtained. However, it was lower than the ratio of photoconductivity and dark conductivity in amorphous silicon by one digit to two digits. Further, the conventional amorphous carbon nitride composition has a high dark conductivity of about 10 −13 S / cm, which is not sufficient as a photoconductive material or an insulating material used for an electrophotographic photoreceptor. Furthermore, since the conventional amorphous carbon nitride composition is produced by plasma CVD method or the like using a hydrocarbon gas such as methane gas, ethane gas, ethylene gas or the like as a raw material gas, a toxicity of the raw material gas, an explosion, etc. There was a manufacturing risk.

【0015】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、電子材料として利用できるアモルフ
ァス窒化炭素組成物およびその製造方法を提供すること
にある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an amorphous carbon nitride composition that can be used as an electronic material and a method for producing the same.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】請求項1ないし請求項3
の発明は、上記目的を達成するために、アモルファス窒
化炭素組成物であってエネルギバンド構造においてπ結
合に基づく局在状態密度が小さくσ結合による広がった
状態密度の方が支配的である炭素原子及び窒素原子で構
成された領域が存在するように表面に水素プラズマ処理
を施すことでグラファイト構造を減少させたことを特徴
とするものであり、前記領域では光照射により生成され
る電子、正孔が局在状態にトラップされることが少なく
なり、伝導に寄与するσ結合に基づく広がった状態のバ
ンドでのキャリア増加が大きくなるので、結果として光
照射による導電率の変化が大きくなる。また、π結合に
基づく局在状態が小さくなることで、光学ギャップや移
動度ギャップが実質的に大きくなるととともに、フェル
ミレベルもギャップ中央付近に移動し、しかも局在状態
にトラップされているキャリア数も少なくなるので、局
在状態から広がった状態のバンドへ移動するキャリアが
少なくなり、暗導電率が小さくなる。したがって、光照
射による導電率の変化が従来よりも大きく且つ従来より
も暗導電率の小さな領域がアモルファス窒化炭素組成物
に存在することになるので、組成物全体としても、光導
電率と暗導電率との比が従来に比べて大きくなり、良好
な光伝導性が得られるとともに、暗導電率を従来に比べ
て小さくすることができる。また、組成物全体をπ結合
に基づく局在状態密度を小さくし、σ結合による広がっ
た状態密度の方が支配的であるような炭素および窒素原
子で構成することにより、電子材料として用いる場合の
組成物全体の特性を向上させることができる。
Claims 1 to 3
In order to achieve the above object, the invention of (1) is a carbon atom having an amorphous carbon nitride composition in which the localized density of states based on π bonds in the energy band structure is small and the expanded state density due to σ bonds is more predominant. And hydrogen plasma treatment on the surface so that there is a region composed of nitrogen atoms
In this region, electrons and holes generated by light irradiation are less likely to be trapped in a localized state, which contributes to conduction. Since the increase in carriers in the band in the spread state due to the coupling becomes large, the change in the conductivity due to the light irradiation becomes large as a result. In addition, as the localized state based on π bond becomes smaller, the optical gap and mobility gap become substantially larger, the Fermi level also moves near the center of the gap, and the number of carriers trapped in the localized state is also increased. Therefore, the number of carriers moving from the localized state to the band in the spread state is reduced, and the dark conductivity is reduced. Therefore, since the region where the change in conductivity due to light irradiation is larger than that in the conventional case and the dark conductivity is smaller than that in the conventional case exists in the amorphous carbon nitride composition, the photoconductivity and the dark conductivity also exist in the composition as a whole. The ratio with the ratio becomes larger than that of the conventional one, and good photoconductivity can be obtained, and the dark conductivity can be made smaller than that of the conventional one. In addition, when the entire composition is made of carbon and nitrogen atoms in which the localized density of states based on the π bond is reduced and the spread state density due to the σ bond is more dominant, The properties of the entire composition can be improved.

【0017】さらに、請求項1の発明は、室温における
光導電率と暗導電率との比が3桁よりも大きい特性を
し、光伝導材料として用いてなることを特徴とし、炭素
と窒素との組成比を変えて光学的バンドギャップを1.
5eVないし3.0eVの範囲で可変することにより、
可視光から近赤外線領域にわたって感度を持たせたり透
明性を持たせたりでき、しかも高い硬度や高い熱伝導率
を持ち安定性、耐湿性、耐薬品性、耐摩耗性に優れ、光
導電率と暗導電率との比が大きく暗導電率が小さいの
で、光伝導セルや光伝導セルを応用した光検知器、光増
幅器、あるいは撮像管や撮像素子など、また光起電力セ
ルや光起電力セルを応用した太陽電池、照度計、光検知
器、フォトダイオード、フォトトランジスタ、イメージ
センサなどの光伝導性を利用した様々な用途への応用の
可能性がある。特に、電子写真用感光体として使用する
場合には、耐摩耗性に優れる上に暗導電率が小さいこと
から、膜厚を小さくしても像の流れることのない高性能
で長寿命の感光体ドラムを実現でき、ひいてはその感光
体ドラムを応用した高性能で長寿命な複写機やプリンタ
などを実現することが可能になる。
Furthermore, the invention of claim 1, have a greater characteristic than the ratio of 3-digit and photoconductivity and dark conductivity at room temperature
However, it is used as a photoconductive material, and the optical band gap is set to 1. by changing the composition ratio of carbon and nitrogen.
By varying in the range of 5 eV to 3.0 eV,
It can have sensitivity and transparency in the visible to near-infrared region, has high hardness and high thermal conductivity, and has excellent stability, moisture resistance, chemical resistance, abrasion resistance, and photoconductivity. Since the ratio of dark conductivity is large and the dark conductivity is small, a photoconductive cell, a photodetector using the photoconductive cell, an optical amplifier, an image pickup tube or an image pickup device, a photovoltaic cell or a photovoltaic cell, etc. There is a possibility of application to various applications utilizing photoconductivity such as solar cells, illuminometers, photodetectors, photodiodes, phototransistors, image sensors, etc. In particular, when used as an electrophotographic photoreceptor, the photoreceptor has excellent wear resistance and low dark conductivity, so that a high-performance and long-life photoreceptor in which an image does not flow even if the film thickness is reduced A drum can be realized, and by extension, a high-performance and long-life copier or printer to which the photosensitive drum is applied can be realized.

【0018】また、請求項2の発明は、室温における暗
導電率が1×10−13S/cmよりも小さい特性と比
誘電率が6以下である特性との少なくとも一方の特性を
有し、絶縁材料として用いてなることを特徴とし、炭素
と窒素との組成比を変えて光学的バンドギャップを1.
5eVないし3.0eVの範囲で可変することにより、
可視光から近赤外線領域にわたって透明性を持たせるこ
とができ、しかも高い硬度や高い熱伝導性を持ち、安定
性、耐湿性、耐薬品性、耐摩耗性に優れている上に、非
常に小さな暗導電率を示したり比誘電率の値が6以下の
ものを得ることができるので、素子間容量や電極間容量
が小さく信頼性の高い電子デバイスを実現することが可
能になる。
Further, the invention of claim 2 has at least one of a characteristic that the dark conductivity at room temperature is smaller than 1 × 10 −13 S / cm and a characteristic that the relative dielectric constant is 6 or less.
And has an optical band gap of 1. by changing the composition ratio of carbon and nitrogen.
By varying in the range of 5 eV to 3.0 eV,
It has transparency in the visible to near-infrared region, has high hardness and high thermal conductivity, and has excellent stability, moisture resistance, chemical resistance, and abrasion resistance. Since it is possible to obtain a material having a dark conductivity or a relative dielectric constant value of 6 or less, it is possible to realize an electronic device having a small inter-element capacitance or inter-electrode capacitance and high reliability.

【0019】[0019]

【0020】また、請求項3の発明は、室温における光
導電率と暗導電率との比が3桁よりも大きい特性を
し、フィールドエミッタとして働く領域の導電率を光を
用いて制御可能な冷陰極のフィールドエミッタとして働
く領域の材料として用いてなることを特徴とし、炭素と
窒素との組成比を変えて光学的バンドギャップを1.5
eVないし3.0eVの範囲で可変することにより、可
視光から近赤外線にわたって透明性を持たせたりでき、
しかも高い硬度や高い熱伝導率を持ち安定性、耐湿性、
耐薬品性、耐摩耗性に優れ、光導電率と暗導電率との比
が大きく暗導電率が小さいので、光を用いて容易に導電
率を制御することができ、フィールドエミッタとして働
く領域を光を用いて自由に制御可能なフィールドエミッ
タを実現することが可能になる。
Further, the invention of claim 3, have a greater characteristic than the ratio of 3-digit and photoconductivity and dark conductivity at room temperature
The conductivity of the region that acts as a field emitter.
Acts as a cold cathode field emitter controllable using
It is characterized in that it is used as a material for the black region, and the optical band gap is changed to 1.5 by changing the composition ratio of carbon and nitrogen.
By varying in the range of eV to 3.0 eV, it is possible to have transparency from visible light to near infrared,
Moreover, it has high hardness and high thermal conductivity, stability, moisture resistance,
It has excellent chemical resistance and abrasion resistance, and since the ratio of photoconductivity to dark conductivity is large and the dark conductivity is small, the conductivity can be easily controlled using light, and the region that functions as a field emitter can be controlled. It becomes possible to realize a freely controllable field emitter using light.

【0021】請求項の発明は、エネルギバンド構造に
おいてπ結合に基づく局在状態密度が小さくσ結合によ
る広がった状態密度の方が支配的である炭素原子及び窒
素原子で構成された領域が存在するアモルファス窒化炭
素組成物の製造方法であって、基板の一表面側にスパッ
タリング法によりアモルファス窒化炭素組成物を堆積さ
せる第1の工程と、第1の工程により堆積したアモルフ
ァス窒化炭素組成物の表面に水素プラズマ処理を施すこ
とでアモルファス窒化炭素組成物中のグラファイト構造
をエッチングする第2の工程とを有することを特徴と
し、比較的安価で容易に大面積に作製することができ
。また、水素プラズマ処理を行うことにより、sp
混成軌道からなる2重結合を有したグラファイト構造の
炭素が容易にエッチングされ、その一方でsp 混成軌
道からなる1重結合のみからなるダイヤモンド構造の炭
素はエッチングされ難いから、π結合に基づく局在状態
密度を小さくし、σ結合による広がった状態密度の方が
支配的であるような領域を持つように形成することがで
きる。 請求項5の発明は、請求項4の発明において、前
記第1の工程と前記第2の工程とを交互に複数回繰り返
すので、組成物全体を一度に水素プラズマ処理するので
はなく、薄い膜を堆積するごとに水素プラズマ処理を行
って積層することにより、厚み方向の全てにわたってπ
結合に基づく局在状態密度を小さくし、σ結合による広
がった状態密度の方が支配的であるようにすることがで
きる。
According to a fourth aspect of the invention, in the energy band structure, there is a region composed of carbon atoms and nitrogen atoms in which the localized density of states based on the π bond is small and the spread state density due to the σ bond is dominant. a manufacturing method of an amorphous carbon nitride composition, sputtering on one surface of the substrate
Sedimentary of the A Amorphous carbon nitride composition by Taringu method
The first step of applying and the amorph deposited by the first step
The surface of the carbon nitride composition is subjected to hydrogen plasma treatment.
Graphite structure in amorphous carbon nitride composition
And a second step of etching, and can be easily manufactured in a large area at a relatively low cost . In addition, by performing hydrogen plasma treatment, sp 2
Of graphite structure with double bonds composed of hybrid orbitals
Carbon is easily etched, while sp 3 hybrid gauge
Diamond structure charcoal consisting only of single bonds consisting of roads
Since the element is difficult to etch, the localized state based on π bond
If the density is reduced and the spread of densities of state due to σ coupling is
It can be formed to have an area that is dominant.
Wear. The invention of claim 5 is the same as the invention of claim 4,
The first step and the second step are alternately repeated a plurality of times.
Since the whole composition is treated with hydrogen plasma at once,
Instead, hydrogen plasma treatment is performed every time a thin film is deposited.
By stacking the
The local density of states based on the coupling is reduced, and the
It is possible to make the sharp density of states dominate.
Wear.

【0022】請求項の発明は、請求項4または請求項
5の発明において、スパッタガスとして少なくとも窒素
ガスを用いるので、危険性や環境への悪影響がなく、従
来のような毒性を有するガスを原料ガスとして用いてプ
ラズマCVD装置などにより作製する場合に比べて安全
性を高めることができ、安全対策を含めた設備のコスト
を低減することができる。また、窒素は地球に豊富に存
在するので、原料のコストを低減できる。
The invention of claim 6 is claim 4 or claim
In the invention of claim 5, since at least nitrogen gas is used as the sputtering gas, there is no danger or adverse effect on the environment, and compared with the conventional case where a gas having toxicity is used as a source gas by a plasma CVD apparatus or the like. The safety can be enhanced and the cost of the equipment including safety measures can be reduced. Further, since nitrogen is abundant in the earth, the cost of raw materials can be reduced.

【0023】請求項の発明は、請求項4ないし請求項
6の発明において、ターゲット材料として炭素を用いる
ので、危険性や環境への悪影響がなく、従来のような毒
性を有するガスを原料ガスとして用いてプラズマCVD
装置などにより作製する場合に比べて安全性を高めるこ
とができ、安全対策を含めた設備のコストを低減するこ
とができる。また、炭素は地球に豊富に存在するので、
原料のコストを低減できる。
The invention of claim 7 is the invention of claims 4 to 4.
In the invention of No. 6, since carbon is used as the target material, there is no danger or adverse effect on the environment, and plasma CVD is carried out using a conventional toxic gas as a source gas.
The safety can be improved as compared with the case where it is manufactured by an apparatus or the like, and the cost of equipment including safety measures can be reduced. Also, since carbon is abundant in the earth,
The cost of raw materials can be reduced.

【0024】[0024]

【0025】ところで、アモルファス窒化炭素組成物は
共有結合性を示し、σ結合のみからなるsp3 混成軌道
と、σ結合とπ結合からなるsp2 混成軌道あるいはs
p混成軌道の異なった結合状態が存在する。したがっ
て、アモルファス窒化炭素組成物は、エネルギバンド構
造において、σ結合に基づく広がった状態のバンドとπ
結合に基づく局在状態のバンドとが生じている。アモル
ファス窒化炭素組成物中にsp2 混成軌道あるいはsp
混成軌道の結合を多く含んでいるような場合には、π結
合に基づく局在状態密度が大きくなり、この場合には光
照射で生成される電子、正孔が局在状態にトラップされ
る割合が高くなるので、伝導に寄与するσ結合に基づく
広がった状態のバンドでのキャリア増加はあまり多くな
く、結果として光照射による導電率の変化が生じにくく
なるものと考えられる。また、π結合に基づく局在状態
密度が大きいと、局在状態にトラップされているキャリ
ア数も多いので、局在状態から広がった状態のバンドへ
のキャリアの移動が多くなり、暗導電率が比較的高くな
るものと考えられる。そこで、発明者は、アモルファス
窒化炭素組成物のエネルギバンド構造に注目して本発明
を行った。
By the way, the amorphous carbon nitride composition exhibits a covalent bond property, and an sp 3 hybrid orbital consisting of only σ bonds and an sp 2 hybrid orbital consisting of σ bonds and π bonds or s.
There are different binding states of p-hybrid orbitals. Therefore, the amorphous carbon nitride composition has an energy band structure in which a band in a spread state based on a σ bond and a π band are formed.
Localized bands due to binding are generated. Sp 2 hybrid orbital or sp in amorphous carbon nitride composition
When many hybrid orbital bonds are included, the localized state density based on π bond becomes large. In this case, the proportion of electrons and holes generated by light irradiation trapped in the localized state Therefore, it is considered that the increase of carriers in the band in a broadened state based on the σ bond that contributes to conduction is not so large, and as a result, the change in conductivity due to light irradiation is less likely to occur. Further, when the density of localized states based on π bond is large, the number of carriers trapped in the localized state is large, so that the number of carriers transferred from the localized state to the band in the expanded state is large and the dark conductivity is It is considered to be relatively high. Therefore, the inventor has carried out the present invention by paying attention to the energy band structure of the amorphous carbon nitride composition.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】(実施形態1)図1に本実施形態
のアモルファス窒化炭素組成物のエネルギバンド構造の
模式図を示す。図1の縦軸はエネルギ、横軸は状態密度
である。本実施形態のアモルファス窒化炭素組成物は、
図1に示すように、σ結合の結合準位に基づく広がった
状態の価電子帯状態1と反結合準位に基づく広がった状
態の伝導帯状態2とが(移動度端Ev と移動度端Ec と
が)移動度ギャップEmgを隔てて存在する。ところで、
グラファイト構造のような2重結合を含む構造が組成物
中に多量に存在すると、移動度ギャップEmg中に図1の
一点鎖線で示すようなπ結合に基づく大きな局在状態
4’が生じるが、本実施形態では、π結合に基づく局在
状態4の状態密度を小さくしてある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (Embodiment 1) FIG. 1 shows a schematic view of the energy band structure of the amorphous carbon nitride composition of the present embodiment. In FIG. 1, the vertical axis represents energy and the horizontal axis represents density of states. The amorphous carbon nitride composition of the present embodiment,
As shown in FIG. 1, a valence band state 1 in a broadened state based on the bond level of the σ bond and a conduction band state 2 in a broadened state based on the antibonding level (mobility edge Ev and mobility edge Ev Ec) exists across a mobility gap Emg. by the way,
When a large amount of a structure containing a double bond such as a graphite structure is present in the composition, a large localized state 4 ′ based on a π bond as shown by a dashed line in FIG. 1 occurs in the mobility gap Emg. In the present embodiment, the density of states of the localized state 4 based on π bond is reduced.

【0027】要するに、本実施形態では、アモルファス
窒化炭素組成物のバンド構造においてπ結合に基づく局
在状態密度が小さくσ結合により広がった状態密度の方
が支配的である炭素原子及び窒素原子で構成される領域
が存在し前記領域では光照射により生成される電子、正
孔が局在状態にトラップされることが少なく、伝導に寄
与するσ結合に基づく広がった状態のバンドでのキャリ
ア増加が大きくなるので、結果として光照射による導電
率の変化が大きくなり、また、π結合に基づく局在状態
が小さくなることで、光学ギャップや移動度ギャップE
mgが実質的に大きくなるととともに、フェルミレベルも
ギャップ中央付近に移動し、局在状態にトラップされて
いるキャリア数も少なくなるので、局在状態から広がっ
た状態のバンドへ移動するキャリアが少なくなり、暗導
電率が小さくなる。したがって、光照射による導電率の
変化が大きく且つ暗導電率の小さな領域がアモルファス
窒化炭素組成物に存在することになるので、組成物全体
としても光導電率と暗導電率との比が従来に比べて大き
く、良好な光伝導性が得られるとともに、暗導電率を従
来に比べて小さくすることができる。また、バンドギャ
ップ中の局在状態密度が大きいと、励起されたキャリア
が局在状態にトラップされたり非発光センタとして働く
ので、発光しなかったり発光効率が悪くなったりする
が、本実施形態では、π結合に基づく局在状態密度を小
さくしているので、局在状態がトラップや非発光センタ
として働く割合を少なくすることができ、結果として発
光効率を高めることができる。
In short, in the present embodiment, in the band structure of the amorphous carbon nitride composition, the localized density of states based on π bond is small, and the density of states spread by σ bond is more dominant, and is composed of carbon atoms and nitrogen atoms. In this region, electrons and holes generated by light irradiation are rarely trapped in a localized state, and carrier increase in a wide band due to σ bond contributing to conduction is large. As a result, the change in conductivity due to light irradiation becomes large, and the localized state based on π bond becomes small, so that the optical gap or the mobility gap E is reduced.
As mg substantially increases, the Fermi level moves near the center of the gap, and the number of carriers trapped in the localized state also decreases.Therefore, fewer carriers move from the localized state to the broadened band. , The dark conductivity decreases. Therefore, since a region having a large change in conductivity due to light irradiation and a small dark conductivity is present in the amorphous carbon nitride composition, the ratio of the photoconductivity and the dark conductivity of the composition as a whole is conventionally. It is larger than the conventional one and good photoconductivity can be obtained, and the dark conductivity can be made smaller than the conventional one. Further, if the density of localized states in the band gap is large, the excited carriers are trapped in the localized state or act as a non-radiative center, so that no light is emitted or the luminous efficiency is deteriorated. Since the density of localized states based on the .pi. Bond is reduced, it is possible to reduce the ratio of the localized states acting as traps and non-radiative centers, and as a result, it is possible to increase the luminous efficiency.

【0028】以下、アモルファス窒化炭素組成物の作製
方法について説明する。本実施形態では、プラズマ励起
源として周波数13.56MHzのRF発振器を備えた
高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて反応性
スパッタリングによりアモルファス窒化炭素組成物を基
板(例えば、シリコン基板やガラス基板など)上に堆積
させる。ここに、スパッタガスには、純度が99.99
%の純窒素ガスを用い、スパッタ用のターゲット材料と
しては純度が99.999%のグラファイトを用いてい
る。なお、スパッタガスとしては、純窒素ガスとアルゴ
ンガスとの混合ガスを用いてもよい。
The method for producing the amorphous carbon nitride composition will be described below. In the present embodiment, an amorphous carbon nitride composition is deposited on a substrate (for example, a silicon substrate or a glass substrate) by reactive sputtering using a high frequency magnetron sputtering apparatus equipped with an RF oscillator having a frequency of 13.56 MHz as a plasma excitation source. Let Here, the sputtering gas has a purity of 99.99.
% Pure nitrogen gas is used, and graphite having a purity of 99.999% is used as a target material for sputtering. A mixed gas of pure nitrogen gas and argon gas may be used as the sputtering gas.

【0029】次に、アモルファス窒化炭素組成物の表面
に、水素ガスによる放電処理(水素プラズマ処理)を施
すことにより上述の図1に示すようなエネルギバンド構
造を有するアモルファス窒化炭素組成物を形成すること
ができる。なお、本実施形態では、炭素と窒素の組成を
変えることにより、光学的バンドギャップを1.5eV
ないし3.0eVの範囲で変化させることができる。
Next, the surface of the amorphous carbon nitride composition is subjected to a discharge treatment (hydrogen plasma treatment) with hydrogen gas to form an amorphous carbon nitride composition having the energy band structure as shown in FIG. be able to. In this embodiment, the optical band gap is changed to 1.5 eV by changing the composition of carbon and nitrogen.
To 3.0 eV can be changed.

【0030】以下に、上述の作製方法で作製したアモル
ファス窒化炭素組成物の特性についいて説明する。スパ
ッタリング条件としては、スパッタリング時のガス圧
(真空度)を16Pa、放電電力(スパッタ電力)を1
00W、基板温度を200℃、スパッタリング時間を2
時間とした。また、水素プラズマ処理は高周波マグネト
ロンスパッタリング装置内においてターゲットがスパッ
タされないようにシャッタをセットして行い、水素プラ
ズマ処理の条件としては、ガス圧(真空度)を67P
a、放電電力を20W、処理時間を1.5時間とした。
The characteristics of the amorphous carbon nitride composition produced by the above production method will be described below. As the sputtering conditions, the gas pressure (vacuum degree) at the time of sputtering is 16 Pa, and the discharge power (sputter power) is 1
00W, substrate temperature 200 ° C, sputtering time 2
It was time. The hydrogen plasma treatment is performed by setting a shutter so that the target is not sputtered in the high frequency magnetron sputtering apparatus. The hydrogen plasma treatment is performed under the condition that the gas pressure (degree of vacuum) is 67 P.
a, the discharge power was 20 W, and the treatment time was 1.5 hours.

【0031】このような条件で作製したアモルファス窒
化炭素組成物の直流暗導電率は、室温(297K)にお
いて約1×10-15 S/cmであり、アモルファスシリ
コンの直流暗導電率(1×10-11 S/cmないし1×
10-13 S/cm)に比べて非常に低い値が得られた。
また、本実施形態のアモルファス窒化炭素組成物にキセ
ノンランンプを用いて100mW/cm2 の強度の光を
照射した時の光導電率は、室温(297K)において約
1×10-11 S/cm2 であった。したがって、本実施
形態では、光導電率と暗導電率との比(光導電率/暗導
電率)が4桁となり、従来のアモルファス窒化炭素組成
物における光導電率と暗導電率との比の3桁よりも大き
く、良好な光伝導特性が得られていることがわかる。
The DC dark conductivity of the amorphous carbon nitride composition produced under such conditions is about 1 × 10 −15 S / cm at room temperature (297K), and the DC dark conductivity of amorphous silicon (1 × 10 5). -11 S / cm or 1 ×
A very low value was obtained as compared with 10 -13 S / cm).
Further, the photoconductivity when the amorphous carbon nitride composition of the present embodiment is irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 using a xenon lamp is about 1 × 10 −11 S / cm at room temperature (297K). Was 2 . Therefore, in the present embodiment, the ratio of photoconductivity and dark conductivity (photoconductivity / dark conductivity) is four digits, and the ratio of photoconductivity and dark conductivity in a conventional amorphous carbon nitride composition is It is larger than 3 digits, and it can be seen that good photoconductive characteristics are obtained.

【0032】ところで、比較例として水素プラズマ処理
を施していないアモルファス窒化炭素組成物の直流暗導
電率および光導電率をそれぞれ上述と同じ条件で測定し
た結果、直流暗導電率は5×10-15S/cmであり、
光導電率は5×10-12S/cmであった。すなわち、
水素プラズマ処理を施すことにより、光導電率と暗導電
率との比が3桁から4桁へ向上し、また、暗導電率が約
5分の1に低下されていることがわかる。
By the way, as a comparative example, the DC dark conductivity and the photo conductivity of an amorphous carbon nitride composition not subjected to the hydrogen plasma treatment were measured under the same conditions as described above, and as a result, the DC dark conductivity was 5 × 10 −15. S / cm,
The photoconductivity was 5 × 10 -12 S / cm. That is,
It can be seen that by performing the hydrogen plasma treatment, the ratio of photoconductivity and dark conductivity is improved from 3 digits to 4 digits, and the dark conductivity is reduced to about 1/5.

【0033】また、水素プラズマ処理前のアモルファス
窒化炭素組成物の膜厚は約160nmであったが、水素
プラズマ処理後のアモルファス窒化炭素組成物の膜厚は
約100nmであり、しかも水素プラズマ処理を施した
ものでは、赤外線分光法などにより水素がほとんど検出
されなかったことから、水素プラズマ処理による組成物
中への水素の導入はほとんど行われず、水素プラズマ処
理によりアモルファス窒化炭素組成物がエッチングされ
ていることがわかった。また、このエッチングにおいて
は、アモルファス窒化炭素組成物中のグラファイト構造
のような不完全な構造部分が主にエッチングされ、ダイ
ヤモンド構造が残存するように働いていることを赤外線
分光法などの分析結果により見いだした。したがって、
本実施形態では、水素プラズマ処理によってアモルファ
ス窒化炭素組成物中のグラファイト構造を減少させるこ
とで、エネルギバンド構造におけるπ結合に基づく局在
状態のバンドを小さくでき、これによってσ結合による
広がった状態密度の方が支配的であるような領域を持つ
ように形成することができ、結果として良好な光伝導性
が得られるようになったものと考えられる。
The film thickness of the amorphous carbon nitride composition before the hydrogen plasma treatment was about 160 nm, but the film thickness of the amorphous carbon nitride composition after the hydrogen plasma treatment was about 100 nm, and the hydrogen plasma treatment was performed. In the applied sample, hydrogen was hardly detected by infrared spectroscopy, so that hydrogen was hardly introduced into the composition by the hydrogen plasma treatment, and the amorphous carbon nitride composition was etched by the hydrogen plasma treatment. I found out that In addition, in this etching, an incomplete structural portion such as a graphite structure in the amorphous carbon nitride composition was mainly etched, and it was confirmed by an analysis result such as infrared spectroscopy that the diamond structure worked to remain. I found it. Therefore,
In the present embodiment, by reducing the graphite structure in the amorphous carbon nitride composition by the hydrogen plasma treatment, the band of the localized state based on the π bond in the energy band structure can be made smaller, which results in the spread of the density of states due to the σ bond. It is considered that the film can be formed so as to have a region in which is more dominant, and as a result, good photoconductivity can be obtained.

【0034】本実施形態のアモルファス窒化炭素組成物
は、従来のアモルファス窒化炭素組成物と同様に高い硬
度や高い熱伝導率を持ち、安定性、耐湿性、耐薬品性、
耐摩耗性に優れている。 (実施形態2)本実施形態の基本構成は実施形態1と略
同じであって、アモルファス窒化炭素組成物を反応性ス
パッタリングにより堆積する第1の工程と、第1の工程
で堆積されたアモルファス窒化炭素組成物の表面に水素
プラズマ処理を行う第2の工程とを交互に繰り返すこと
により所望の厚さのアモルファス窒化炭素組成物を形成
している点に特徴がある。第1の工程では、実施形態1
と同様にガス圧(真空度)を16Pa、放電電力を10
0W、基板温度を200℃として、厚さ20nmのアモ
ルファス窒化炭素組成物を反応性スパッタリングにより
堆積し、第2の工程では、実施形態1と同様にガス圧
(真空度)を67Pa、放電電力を20Wとして、10
分の水素プラズマ処理を行っている。本実施形態では、
第1の工程と第2の工程とを交互に50回繰り返し行っ
た。すなわち、厚さ20nmのアモルファス窒化炭素組
成物を堆積する毎に水素プラズマ処理を行い、いわゆる
レイヤー・バイ・レイヤー法によりアモルファス窒化炭
素組成物を形成した。
The amorphous carbon nitride composition of the present embodiment has high hardness and high thermal conductivity like the conventional amorphous carbon nitride composition, and has stability, moisture resistance, chemical resistance,
It has excellent wear resistance. (Embodiment 2) The basic configuration of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1, and includes a first step of depositing an amorphous carbon nitride composition by reactive sputtering, and an amorphous nitride deposited in the first step. The feature is that an amorphous carbon nitride composition having a desired thickness is formed by alternately repeating the second step of performing hydrogen plasma treatment on the surface of the carbon composition. In the first step, the first embodiment
Similarly, the gas pressure (vacuum degree) is 16 Pa and the discharge power is 10
An amorphous carbon nitride composition having a thickness of 20 nm is deposited by reactive sputtering at 0 W and a substrate temperature of 200 ° C. In the second step, the gas pressure (vacuum degree) is 67 Pa and the discharge power is the same as in the first embodiment. 20W, 10
Minute hydrogen plasma treatment is performed. In this embodiment,
The first step and the second step were alternately repeated 50 times. That is, a hydrogen plasma treatment was performed every time an amorphous carbon nitride composition having a thickness of 20 nm was deposited, and an amorphous carbon nitride composition was formed by a so-called layer-by-layer method.

【0035】図2に本実施形態で作製したアモルファス
窒化炭素組成物の直流暗導電率と光導電率とのそれぞれ
の温度特性を示す。図2の縦軸は導電率、横軸は測定時
の絶対温度Tの逆数を1000倍したものである。な
お、図2中のイ(●)が直流暗導電率を示して、ロ
(○),ハ(○),ニ(○)が光導電率を示し、ロ,
ハ,ニは、キセノンランプの光強度が異なり、それぞ
れ、100mW/cm2 ,25mW/cm2 ,7.5m
W/cm2 の時の測定値である。
FIG. 2 shows temperature characteristics of direct current dark conductivity and photoconductivity of the amorphous carbon nitride composition produced in this embodiment. The vertical axis in FIG. 2 is the conductivity, and the horizontal axis is the reciprocal of the absolute temperature T during measurement multiplied by 1000. It should be noted that a (●) in FIG. 2 indicates DC dark conductivity, and b (○), c (○), and d (○) indicate photoconductivity, and b,
The light intensities of the xenon lamps for H and D are 100 mW / cm 2 , 25 mW / cm 2 , and 7.5 m, respectively.
It is the measured value when W / cm 2 .

【0036】図2から、本実施形態で作製したアモルフ
ァス窒化炭素組成物では、室温(297K)における直
流暗導電率が約1×10-18 S/cmであり、非常に小
さな値を示した。また、キセノンランプの光強度を10
0mW/cm2 として光を照射した場合の光導電率は室
温(297K)において約5×10-12 S/cmであっ
た。要するに、本実施形態では、室温において、光導電
率と暗導電率との比(光導電率/暗導電率)が5×10
6 という極めて大きな値が得られ、暗導電率も約1×1
-18 S/cmと極めて小さな値が得られ、実施形態1
に比べてさらに光伝導特性が向上していることがわか
る。これは、レイヤー・バイ・レイヤー法により、比較
的薄い膜厚のアモルファス窒化炭素組成物を堆積させる
度に水素プラズマ処理を施しているので、アモルファス
窒化炭素組成物の膜厚方向の全ての領域でグラファイト
構造のような不完全な構造部分が少なくなり、ダイヤモ
ンド構造が主体となっているためであると考えられる。
From FIG. 2, in the amorphous carbon nitride composition produced in this embodiment, the DC dark conductivity at room temperature (297K) was about 1 × 10 -18 S / cm, which was a very small value. In addition, the light intensity of the xenon lamp is set to 10
The photoconductivity when irradiated with light at 0 mW / cm 2 was about 5 × 10 −12 S / cm at room temperature (297K). In short, in the present embodiment, at room temperature, the ratio of photoconductivity to dark conductivity (photoconductivity / dark conductivity) is 5 × 10 5.
An extremely large value of 6 was obtained, and the dark conductivity was about 1 × 1.
A very small value of 0 -18 S / cm was obtained, and the first embodiment
It can be seen that the photoconductive characteristics are further improved as compared with. This is because the hydrogen plasma treatment is performed every time a relatively thin film of the amorphous carbon nitride composition is deposited by the layer-by-layer method. It is considered that this is because the number of incomplete structural parts such as a graphite structure is reduced, and the diamond structure is mainly used.

【0037】(実施形態3)図3に実施形態2と同様の
製造方法で作製したアモルファス窒化炭素を用いた光セ
ンサの断面図を示す。本実施形態では、基板10(例え
ば、シリコン基板上に酸化シリコンなどの絶縁膜を形成
したもの、または、ガラスのような絶縁性基板)上に金
属電極11を堆積させて、フォトリソグラフィ技術とエ
ッチング技術とによって金属電極11のパターニングを
行い、その後、実施形態2と同様に反応性スパッタリン
グと水素プラズマ処理とを交互に行うレイヤー・バイ・
レイヤー法により厚さ100nmのアモルファス窒化炭
素組成物12を形成した。次に、フォトリソグラフィ技
術とエッチング技術とによってアモルファス窒化炭素組
成物12のパターニングを行い、その後、酸化インジウ
ムと酸化錫とからなる透明電極13を堆積させ、フォト
リソグラフィ技術とエッチング技術とによって透明電極
13のパターニングを行うことにより図3に示す構造の
光センサを作製した。ここにおいて、金属電極11と透
明電極13との重なり合う部分の面積は約0.1cm2
とした。
(Embodiment 3) FIG. 3 shows a sectional view of an optical sensor using amorphous carbon nitride manufactured by the same manufacturing method as in Embodiment 2. In this embodiment, a metal electrode 11 is deposited on a substrate 10 (for example, a silicon substrate on which an insulating film such as silicon oxide is formed, or an insulating substrate such as glass) is deposited, and photolithography and etching are performed. Patterning of the metal electrode 11 according to the technique, and then the reactive sputtering and the hydrogen plasma treatment are alternately performed as in the second embodiment.
An amorphous carbon nitride composition 12 having a thickness of 100 nm was formed by the layer method. Next, the amorphous carbon nitride composition 12 is patterned by the photolithography technique and the etching technique, and then the transparent electrode 13 made of indium oxide and tin oxide is deposited, and the transparent electrode 13 is formed by the photolithography technique and the etching technique. The optical sensor having the structure shown in FIG. Here, the area of the overlapping portion of the metal electrode 11 and the transparent electrode 13 is about 0.1 cm 2.
And

【0038】本実施形態で作製した光センサの透明電極
13側から光を照射して特性を調べたところ、印加電圧
を5Vとしたときの光電流が0.2μA、暗電流が0.
1pAであり、光センサとして充分利用できる良好な明
暗特性が得られた。なお、アモルファス窒化炭素組成物
12の光学ギャップは略2.2eVであった。 (実施形態4)図4に実施形態2と同様の製造方法で作
製したアモルファス窒化炭素組成物を用いた光撮像管の
要部構成図を示す。
When the characteristics were examined by irradiating light from the transparent electrode 13 side of the photosensor manufactured in this embodiment, the photocurrent was 0.2 μA and the dark current was 0.1 when the applied voltage was 5V.
It was 1 pA, and good light-dark characteristics that could be sufficiently used as an optical sensor were obtained. The optical gap of the amorphous carbon nitride composition 12 was about 2.2 eV. (Embodiment 4) FIG. 4 shows a schematic diagram of a main part of an optical pickup tube using an amorphous carbon nitride composition produced by the same manufacturing method as in Embodiment 2.

【0039】本実施形態では、石英ガラス基板20上に
化インジウムと酸化錫とからなる透明電極21を堆積
させた後、実施形態2と同様に反応性スパッタリングと
水素プラズマ処理とを交互に行うレイヤー・バイ・レイ
ヤー法により厚さ2μmのアモルファス窒化炭素組成物
12を形成した。本実施形態では、透明電極21に正の
バイアスが印加されるように、直流電源23の正極が抵
抗24を介して透明電極21に接続されている。一方、
直流電源23の負極は、アモルファス窒化炭素組成物1
2に対向して配置されたカソード25に接続されてお
り、カソード25から放射される電子ビーム26がアモ
ルファス窒化炭素組成物12の表面を走査できるように
なっている。
[0039] In the present embodiment, after depositing the transparent electrode 21 made of a <br/> oxidation in indium on the quartz glass substrate 20 and tin oxide, as well as reactive sputtering and the hydrogen plasma treatment as in Embodiment 2 An amorphous carbon nitride composition 12 having a thickness of 2 μm was formed by a layer-by-layer method in which and are alternately performed. In the present embodiment, the positive electrode of the DC power supply 23 is connected to the transparent electrode 21 via the resistor 24 so that a positive bias is applied to the transparent electrode 21. on the other hand,
The negative electrode of the DC power supply 23 is the amorphous carbon nitride composition 1
2 is connected to a cathode 25 arranged so as to face the surface 2, and an electron beam 26 emitted from the cathode 25 can scan the surface of the amorphous carbon nitride composition 12.

【0040】本実施形態の光撮像管の特性を調べたとこ
ろ、蓄積容量が約1000pF、動作電圧が105 V/
cm、暗電流が0.1pA/cm2 であり、光撮像管と
して充分良好な特性が得られた。 (実施形態5)図5に実施形態2と同様の製造方法で作
製したアモルファス窒化炭素組成物を用いた電子写真用
感光体ドラムの断面図を示す。
When the characteristics of the optical pickup tube of this embodiment were examined, the storage capacitance was about 1000 pF and the operating voltage was 10 5 V /
cm, the dark current was 0.1 pA / cm 2 , and sufficiently good characteristics were obtained as an optical image pickup tube. (Embodiment 5) FIG. 5 shows a sectional view of an electrophotographic photosensitive drum using an amorphous carbon nitride composition produced by the same manufacturing method as in Embodiment 2.

【0041】本実施形態では、アルミニウム基板からな
るドラム30の上に、実施形態2と同様に反応性スパッ
タリングと水素プラズマ処理とを交互に行うレイヤー・
バイ・レイヤー法により厚さ100nmのアモルファス
窒化炭素組成物12を形成した。本実施形態では、アモ
ルファス窒化炭素組成物12が感光体材料を構成してお
り、アモルファス窒化炭素組成物12の表面に、コロナ
放電により表面電位が1000V程度になるように電荷
を与えた後、光の像をアモルファス窒化炭素組成物12
の表面に照射することで、光生成キャリアによって明暗
に応じた表面電位の分布が生じるようになっている。電
子写真用感光体ドラムでは、この表面電位の分布に応じ
て絶縁性トナーが静電吸着するので、これを紙に転写す
ることで画像が得られる。
In this embodiment, a layer for alternately performing reactive sputtering and hydrogen plasma treatment on the drum 30 made of an aluminum substrate as in the second embodiment.
An amorphous carbon nitride composition 12 having a thickness of 100 nm was formed by the bi-layer method. In the present embodiment, the amorphous carbon nitride composition 12 constitutes a photosensitive material, and after the surface of the amorphous carbon nitride composition 12 is charged by corona discharge so that the surface potential becomes about 1000 V, the Image of amorphous carbon nitride composition 12
By irradiating the surface of, the photogenerated carriers generate a surface potential distribution according to the brightness. In the electrophotographic photosensitive drum, the insulating toner is electrostatically adsorbed according to the distribution of the surface potential, so that an image can be obtained by transferring this to the paper.

【0042】本実施形態の電子写真用感光体ドラムは、
暗導電率が約1×10-18 S/cmであり、従来のアモ
ルファスシリコンを用いた電子写真用感光体ドラムの暗
導電率(1×10-11 S/cmないし1×10-13 S/
cm)や従来のアモルファスセレンを用いた電子写真用
感光体ドラムの暗導電率(1×10-15 S/cm程度)
に比べて極めて低いので、感光体であるアモルファス窒
化炭素組成物12の厚みが100nm程度の薄膜である
(従来のアモルファスシリコンを用いた電子写真用感光
体ドラムでは10μmないし30μmの厚さのアモルフ
ァスシリコンを形成している)にも関わらず保持電荷の
移動を少なくすることができ、また、それにともなって
保持電荷量を大きくすることができるので、画像流れが
生じにくい良好な感光特性が得られた。また、本実施形
態のアモルファス窒化炭素組成物は、従来の感光材料
(例えば、アモルファスセレン感光体やアモルファスシ
リコン感光体)に比べて硬く、耐摩耗性に優れているの
で、表面保護膜などを設けることなく長寿命の感光体ド
ラムを形成することができる。
The electrophotographic photosensitive drum of this embodiment is
The dark conductivity is about 1 × 10 −18 S / cm, and the dark conductivity (1 × 10 −11 S / cm to 1 × 10 −13 S / cm) of the conventional electrophotographic photosensitive drum using amorphous silicon is used.
cm) and the dark conductivity of a conventional electrophotographic photosensitive drum using amorphous selenium (about 1 × 10 −15 S / cm)
The thickness of the amorphous carbon nitride composition 12, which is a photoconductor, is a thin film having a thickness of about 100 nm (the thickness of the photoconductor drum for electrophotography using conventional amorphous silicon is 10 μm to 30 μm. The amount of retained charge can be reduced and the amount of retained charge can be increased accordingly, so that good photosensitivity is obtained in which image deletion does not easily occur. . Further, the amorphous carbon nitride composition of the present embodiment is harder than conventional photosensitive materials (for example, an amorphous selenium photosensitive body or an amorphous silicon photosensitive body) and is excellent in abrasion resistance, so that a surface protective film or the like is provided. It is possible to form a long-lifetime photosensitive drum without using the photosensitive drum.

【0043】(実施形態6) 図6に実施形態2と同様の製造方法で作製方法で作製し
たアモルファス窒化炭素組成物による電極配線間の電気
的絶縁分離構造の一例の断面図を示す。本実施形態で
は、絶縁基板40上にアルミニウムからなる第1の配線
電極41が所定形状に形成され、第1の配線電極41上
に実施形態2と同様に反応性スパッタリングと水素プラ
ズマ処理とを交互に行うレイヤー・バイ・レイヤー法に
より厚さ500nmのアモルファス窒化炭素組成物12
が形成され、アモルファス窒化炭素組成物12上に第2
の配線電極43が所定形状に形成され、アモルファス窒
化炭素組成物12が第1の配線電極41と第2の配線電
極43との間の絶縁分離膜を構成している。なお、本実
施形態では、各配線電極41,43の配線幅はともに1
0μmとしてあり、アモルファス窒化炭素組成物12の
比誘電率は6以下であった。本実施形態の電気的絶縁分
離構造において、第1の電極41と第2の電極43との
間の電気容量とリーク電流とを測定したところ、電気容
量が約10fF、リーク電流が0.1pA未満であり、
半導体デバイスなどの層間絶縁膜として利用できる充分
小さな値が得られた。すなわち、本実施形態におけるア
モルファス窒化炭素組成物12を絶縁材料として用いる
ことにより、素子間容量や電極間容量が小さく信頼性の
高い電子デバイスを実現することが可能になり、高速性
を要求される半導体デバイスなどへ応用できる可能性が
ある。
(Embodiment 6) FIG. 6 shows a cross-sectional view of an example of an electrically insulating and separating structure between electrode wirings made of an amorphous carbon nitride composition manufactured by a manufacturing method similar to that of Embodiment 2. In the present embodiment, the first wiring electrode 41 made of aluminum is formed in a predetermined shape on the insulating substrate 40, and reactive sputtering and hydrogen plasma treatment are alternately performed on the first wiring electrode 41 as in the second embodiment. Amorphous carbon nitride composition 12 having a thickness of 500 nm by the layer-by-layer method
And a second layer is formed on the amorphous carbon nitride composition 12.
The wiring electrode 43 is formed in a predetermined shape, and the amorphous carbon nitride composition 12 constitutes an insulating separation film between the first wiring electrode 41 and the second wiring electrode 43. In this embodiment, the wiring width of each wiring electrode 41, 43 is 1
The relative dielectric constant of the amorphous carbon nitride composition 12 was 6 or less. In the electrical insulation / separation structure of the present embodiment, the electric capacitance between the first electrode 41 and the second electrode 43 and the leakage current were measured, and the electric capacitance was about 10 fF and the leakage current was less than 0.1 pA. And
A sufficiently small value that can be used as an interlayer insulating film of a semiconductor device or the like was obtained. That is, by using the amorphous carbon nitride composition 12 of the present embodiment as an insulating material, it becomes possible to realize an electronic device having a small inter-element capacitance and inter-electrode capacitance and high reliability, and high speed is required. there is a possibility for response to such a semiconductor device.

【0044】(参考例) 図7に実施形態2と同様の製造方法で作製したアモルフ
ァス窒化炭素組成物を用いた発光素子の断面図を示す。
本参考例では、透明な石英ガラス基板50上に、酸化イ
ンジウムと酸化錫とからなる透明電極51を堆積させ
て、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによっ
て透明電極51のパターニングを行い、その後、実施形
態2と同様に反応性スパッタリングと水素プラズマ処理
とを交互に行うレイヤー・バイ・レイヤー法により厚さ
500nmのアモルファス窒化炭素組成物12を形成し
た。次に、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術と
によってアモルファス窒化炭素組成物12のパターニン
グを行い、その後、アルミニウムからなる背面電極53
を堆積させ、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術
とによって背面電極53のパターニングを行うことによ
り図7に示す構造の発光素子を作製した。本実施形態で
は、アモルファス窒化炭素組成物12での発光が透明電
極51及び石英ガラス基板50を通して外部へ放射され
る。
Reference Example FIG. 7 shows a cross-sectional view of a light emitting device using an amorphous carbon nitride composition manufactured by the same manufacturing method as in the second embodiment.
In this reference example, a transparent electrode 51 made of indium oxide and tin oxide is deposited on a transparent quartz glass substrate 50, and the transparent electrode 51 is patterned by a photolithography technique and an etching technique. Amorphous carbon nitride composition 12 having a thickness of 500 nm was formed by a layer-by-layer method in which reactive sputtering and hydrogen plasma treatment were alternately performed as in the case of form 2. Next, the amorphous carbon nitride composition 12 is patterned by the photolithography technique and the etching technique, and then the back electrode 53 made of aluminum.
Was deposited and the back electrode 53 was patterned by the photolithography technique and the etching technique to fabricate a light emitting device having a structure shown in FIG. In this embodiment, the light emission from the amorphous carbon nitride composition 12 is emitted to the outside through the transparent electrode 51 and the quartz glass substrate 50.

【0045】本参考例の発光素子の背面電極53と透明
電極51との間に150Vの交流電圧(周波数としては
例えば数十Hzないし数kHz)を印加したところ、波
長700nm付近にピークを有する発光54が得られ
た。 (実施形態) 図8に実施形態2と同様の製造方法で作製したアモルフ
ァス窒化炭素組成物を用いたフェールドエミッタアレイ
の断面図を示す。
When an AC voltage of 150 V (frequency of, for example, several tens Hz to several kHz) is applied between the back electrode 53 and the transparent electrode 51 of the light emitting device of this reference example, light emission having a peak near a wavelength of 700 nm is obtained. 54 was obtained. (Embodiment 7 ) FIG. 8 shows a cross-sectional view of a failed emitter array using an amorphous carbon nitride composition manufactured by the same manufacturing method as in Embodiment 2.

【0046】本実施形態では、シリコン基板60上に、
実施形態2と同様に反応性スパッタリングと水素プラズ
マ処理とを交互に行うレイヤー・バイ・レイヤー法によ
り厚さ50nmのアモルファス窒化炭素組成物12が形
成されている。また、アモルファス窒化炭素組成物12
上には、厚さ10μmの酸化シリコンよりなる絶縁層6
2が形成され、絶縁層62上にモリブデンからなるゲー
ト電極64が形成され、ゲート電極64及び絶縁層62
を所定形状にパターニングすることにより、アモルファ
ス窒化炭素組成物12からなる複数のフィールドエミッ
タ領域63が形成されている。
In this embodiment, on the silicon substrate 60,
Amorphous carbon nitride composition 12 having a thickness of 50 nm is formed by the layer-by-layer method in which reactive sputtering and hydrogen plasma treatment are alternately performed as in the second embodiment. In addition, the amorphous carbon nitride composition 12
An insulating layer 6 made of silicon oxide having a thickness of 10 μm is formed on the upper surface.
2 is formed, a gate electrode 64 made of molybdenum is formed on the insulating layer 62, and the gate electrode 64 and the insulating layer 62 are formed.
Are patterned into a predetermined shape to form a plurality of field emitter regions 63 made of the amorphous carbon nitride composition 12.

【0047】本実施例のフェールドエミッタアレイで
は、ゲート電極64に電圧を印加した状態でフィールド
エミッタ領域63の表面へ光65を照射すると、光65
が照射されたフィールドエミッタ領域63のみから電子
放出が観測された。したがって、本実施例のフィールド
エミッタアレイを用いることにより、外部からの光照射
パターンに応じた表示パターンを描くことが可能な表示
デバイスを実現することができる。
In the fail-emitter array of this embodiment, when the surface of the field emitter region 63 is irradiated with the light 65 with a voltage applied to the gate electrode 64, the light 65 is emitted.
Electron emission was observed only from the field emitter region 63 irradiated with. Therefore, by using the field emitter array of this embodiment, it is possible to realize a display device capable of drawing a display pattern according to a light irradiation pattern from the outside.

【0048】以上説明した各実施形態はそれぞれ本発明
の一実施形態を示すものであり、アモルファス窒化炭素
組成物12の作製条件、アモルファス窒化炭素組成物1
2を用いた素子の構造、応用デバイスなどは上記のもの
に限定されるものではない。要するに、本発明のアモル
ファス窒化炭素組成物12は、光伝導材料、絶縁材料、
発光デバイス、冷陰極材料などとして用いることができ
る。
Each of the embodiments described above represents one embodiment of the present invention. The conditions for producing the amorphous carbon nitride composition 12 and the amorphous carbon nitride composition 1 are as follows.
The structure of the element using 2 and the applied device are not limited to the above. In short, the amorphous carbon nitride composition 12 of the present invention comprises a photoconductive material, an insulating material,
It can be used as a light emitting device, a cold cathode material, and the like.

【0049】[0049]

【発明の効果】請求項1ないし請求項3の発明は、アモ
ルファス窒化炭素組成物であってエネルギバンド構造に
おいてπ結合に基づく局在状態密度が小さくσ結合によ
る広がった状態密度の方が支配的である炭素原子及び窒
素原子で構成された領域が存在するように表面に水素プ
ラズマ処理を施すことでグラファイト構造を減少させた
ので、前記領域では光照射により生成される電子、正孔
が局在状態にトラップされることが少なくなり、伝導に
寄与するσ結合に基づく広がった状態のバンドでのキャ
リア増加が大きくなり、結果として光照射による導電率
の変化が大きくなる。また、π結合に基づく局在状態が
小さくなることで、光学ギャップや移動度ギャップが実
質的に大きくなるととともに、フェルミレベルもギャッ
プ中央付近に移動し、しかも局在状態にトラップされて
いるキャリア数も少なくなるので、局在状態から広がっ
た状態のバンドへ移動するキャリアが少なくなり、暗導
電率が小さくなる。したがって、光照射による導電率の
変化が従来よりも大きく且つ従来よりも暗導電率の小さ
な領域がアモルファス窒化炭素組成物に存在することに
なるので、組成物全体としても、光導電率と暗導電率と
の比が従来に比べて大きくなり、良好な光伝導性が得ら
れるとともに、暗導電率を従来に比べて小さくすること
ができるという効果がある。また、組成物全体をπ結合
に基づく局在状態密度を小さくし、σ結合による広がっ
た状態密度の方が支配的であるような炭素および窒素原
子で構成することにより、電子材料として用いる場合の
組成物全体の特性を向上させることができる。
According to the inventions of claims 1 to 3, the amorphous carbon nitride composition is characterized in that the localized state density based on π bonds in the energy band structure is small and the spread state density due to σ bonds is dominant. On the surface so that there is a region composed of carbon and nitrogen atoms.
Reduced graphite structure by plasma treatment
Therefore , in the above region, electrons and holes generated by light irradiation are less likely to be trapped in the localized state, and the carrier increase in the wide band due to the σ bond that contributes to conduction becomes large. As a result, the change in conductivity due to light irradiation increases. In addition, as the localized state based on π bond becomes smaller, the optical gap and mobility gap become substantially larger, the Fermi level also moves near the center of the gap, and the number of carriers trapped in the localized state is also increased. Therefore, the number of carriers moving from the localized state to the band in the spread state is reduced, and the dark conductivity is reduced. Therefore, since the region where the change in conductivity due to light irradiation is larger than that in the conventional case and the dark conductivity is smaller than that in the conventional case exists in the amorphous carbon nitride composition, the photoconductivity and the dark conductivity also exist in the composition as a whole. There is an effect that the ratio with the ratio becomes larger than that in the conventional case, good photoconductivity is obtained, and the dark conductivity can be made smaller than that in the conventional case. In addition, when the entire composition is made of carbon and nitrogen atoms in which the localized density of states based on the π bond is reduced and the spread state density due to the σ bond is more dominant, The properties of the entire composition can be improved.

【0050】さらに、請求項1の発明は、室温における
光導電率と暗導電率との比が3桁よりも大きい特性を
し、光伝導材料として用いてなることを特徴とし、炭素
と窒素との組成比を変えて光学的バンドギャップを1.
5eVないし3.0eVの範囲で可変することにより、
可視光から近赤外線領域にわたって感度を持たせたり透
明性を持たせたりでき、しかも高い硬度や高い熱伝導率
を持ち安定性、耐湿性、耐薬品性、耐摩耗性に優れ、光
導電率と暗導電率との比が大きく暗導電率が小さいの
で、光伝導セルや光伝導セルを応用した光検知器、光増
幅器、あるいは撮像管や撮像素子など、また光起電力セ
ルや光起電力セルを応用した太陽電池、照度計、光検知
器、フォトダイオード、フォトトランジスタ、イメージ
センサなどの光伝導性を利用した様々な用途への応用の
可能性がある。特に、電子写真用感光体として使用する
場合には、耐摩耗性に優れる上に暗導電率が小さいこと
から、膜厚を小さくしても像の流れることのない高性能
で長寿命の感光体ドラムを実現でき、ひいてはその感光
体ドラムを応用した高性能で長寿命な複写機やプリンタ
などを実現することが可能になる。
[0050] Further, the invention of claim 1, have a greater characteristic than the ratio of 3-digit and photoconductivity and dark conductivity at room temperature
However, it is used as a photoconductive material, and the optical band gap is set to 1. by changing the composition ratio of carbon and nitrogen.
By varying in the range of 5 eV to 3.0 eV,
It can have sensitivity and transparency in the visible to near-infrared region, has high hardness and high thermal conductivity, and has excellent stability, moisture resistance, chemical resistance, abrasion resistance, and photoconductivity. Since the ratio of dark conductivity is large and the dark conductivity is small, a photoconductive cell, a photodetector using the photoconductive cell, an optical amplifier, an image pickup tube or an image pickup device, a photovoltaic cell or a photovoltaic cell, etc. There is a possibility of application to various applications utilizing photoconductivity such as solar cells, illuminometers, photodetectors, photodiodes, phototransistors, image sensors, etc. In particular, when used as an electrophotographic photoreceptor, the photoreceptor has excellent wear resistance and low dark conductivity, so that a high-performance and long-life photoreceptor in which an image does not flow even if the film thickness is reduced A drum can be realized, and by extension, a high-performance and long-life copier or printer to which the photosensitive drum is applied can be realized.

【0051】また、請求項2の発明は、室温における暗
導電率が1×10−13S/cmよりも小さい特性と比
誘電率が6以下である特性との少なくとも一方の特性を
有し、絶縁材料として用いてなることを特徴とし、室温
における暗導電率が1×10−13S/cmよりも小さ
い特性と比誘電率が6以下である特性との少なくとも一
方の特性を有することを特徴とし、炭素と窒素との組成
比を変えて光学的バンドギャップを1.5eVないし
3.0eVの範囲で可変することにより、可視光から近
赤外線領域にわたって透明性を持たせることができ、し
かも高い硬度や高い熱伝導性を持ち、安定性、耐湿性、
耐薬品性、耐摩耗性に優れている上に、非常に小さな暗
導電率を示したり比誘電率の値が6以下のものを得るこ
とができるので、素子間容量や電極間容量が小さく信頼
性の高い電子デバイスを実現することが可能になる。
The invention according to claim 2 provides at least one of the characteristics that the dark conductivity at room temperature is smaller than 1 × 10 −13 S / cm and the characteristic that the relative dielectric constant is 6 or less.
And has a characteristic that the dark conductivity at room temperature is smaller than 1 × 10 −13 S / cm and a characteristic that the relative dielectric constant is 6 or less. By changing the composition ratio of carbon and nitrogen to change the optical bandgap in the range of 1.5 eV to 3.0 eV, it is possible to provide transparency from the visible light to the near infrared region. In addition, it has high hardness and high thermal conductivity, stability, moisture resistance,
In addition to excellent chemical resistance and abrasion resistance, it is possible to obtain an extremely small dark conductivity and a relative permittivity value of 6 or less, so the inter-element capacitance and inter-electrode capacitance are small and reliable. It becomes possible to realize an electronic device with high flexibility.

【0052】[0052]

【0053】また、請求項3の発明は、室温における光
導電率と暗導電率との比が3桁よりも大きい特性を
し、フィールドエミッタとして働く領域の導電率を光を
用いて制御可能な冷陰極のフィールドエミッタとして働
く領域の材料として用いてなることを特徴とし、炭素と
窒素との組成比を変えて光学的バンドギャップを1.5
eVないし3.0eVの範囲で可変することにより、可
視光から近赤外線にわたって透明性を持たせたりでき、
しかも高い硬度や高い熱伝導率を持ち安定性、耐湿性、
耐薬品性、耐摩耗性に優れ、光導電率と暗導電率との比
が大きく暗導電率が小さいので、光を用いて容易に導電
率を制御することができ、フィールドエミッタとして働
く領域を光を用いて自由に制御可能なフィールドエミッ
タを実現することが可能になる。
[0053] The invention of claim 3, have a greater characteristic than the ratio of 3-digit and photoconductivity and dark conductivity at room temperature
The conductivity of the region that acts as a field emitter.
Acts as a cold cathode field emitter controllable using
It is characterized in that it is used as a material for the black region, and the optical band gap is changed to 1.5 by changing the composition ratio of carbon and nitrogen.
By varying in the range of eV to 3.0 eV, it is possible to have transparency from visible light to near infrared,
Moreover, it has high hardness and high thermal conductivity, stability, moisture resistance,
It has excellent chemical resistance and abrasion resistance, and since the ratio of photoconductivity to dark conductivity is large and the dark conductivity is small, the conductivity can be easily controlled using light, and the region that functions as a field emitter can be controlled. It becomes possible to realize a freely controllable field emitter using light.

【0054】請求項の発明は、エネルギバンド構造に
おいてπ結合に基づく局在状態密度が小さくσ結合によ
る広がった状態密度の方が支配的である炭素原子及び窒
素原子で構成された領域が存在するアモルファス窒化炭
素組成物の製造方法であって、基板の一表面側にスパッ
タリング法によりアモルファス窒化炭素組成物を堆積さ
せる第1の工程と、第1の工程により堆積したアモルフ
ァス窒化炭素組成物の表面に水素プラズマ処理を施すこ
とでアモルファス窒化炭素組成物中のグラファイト構造
をエッチングする第2の工程とを有するので、比較的安
価で容易に大面積に作製することができるという効果が
ある。また、水素プラズマ処理を行うことにより、sp
混成軌道からなる2重結合を有したグラファイト構造
の炭素が容易にエッチングされ、その一方でsp 混成
軌道からなる1重結合のみからなるダイヤモンド構造の
炭素はエッチングされ難いから、π結合に基づく局在状
態密度を小さくし、σ結合による広がった状態密度の方
が支配的であるような領域を持つように形成することが
できるという効果がある。 請求項5の発明は、請求項4
の発明において、前記第1の工程と前記第2の工程とを
交互に複数回繰り返すので、組成物全体を一度に水素プ
ラズマ処理するのではなく、薄い膜を堆積するごとに水
素プラズマ処理を行って積層することにより、厚み方向
の全てにわたってπ結合に基づく局在状態密度を小さく
し、σ結合による広がった状態密度の方が支配的である
ようにすることができるという効果がある。
According to a fourth aspect of the present invention, in the energy band structure, there is a region composed of carbon atoms and nitrogen atoms in which the localized density of states based on π bond is small and the spread state density due to σ bond is dominant. a manufacturing method of an amorphous carbon nitride composition, sputtering on one surface of the substrate
Sedimentary of the A Amorphous carbon nitride composition by Taringu method
The first step of applying and the amorph deposited by the first step
The surface of the carbon nitride composition is subjected to hydrogen plasma treatment.
Graphite structure in amorphous carbon nitride composition
Since the and a second step of etching, there is an effect that can be produced easily large area relatively inexpensive. In addition, by performing hydrogen plasma treatment, sp
Graphite structure with double bonds consisting of two hybrid orbitals
Carbon is easily etched, while sp 3 hybridized
Of a diamond structure consisting of only single bonds consisting of orbitals
Since carbon is difficult to etch, localized states based on π bonds
One with a smaller density of states and a broader density of states due to σ coupling
Can be formed to have an area in which
The effect is that you can do it. The invention of claim 5 relates to claim 4
In the invention described above, the first step and the second step are performed.
Alternately multiple times, so the entire composition can be
Rather than watering the water, each time a thin film is deposited
By applying elementary plasma treatment and stacking, the thickness direction
The local density of states based on π coupling is reduced over
However, the expanded density of states due to σ coupling is more dominant
There is an effect that can be done.

【0055】請求項の発明は、請求項4または請求項
5の発明において、スパッタガスとして少なくとも窒素
ガスを用いるので、危険性や環境への悪影響がなく、従
来のような毒性を有するガスを原料ガスとして用いてプ
ラズマCVD装置などにより作製する場合に比べて安全
性を高めることができ、安全対策を含めた設備のコスト
を低減することができるという効果がある。また、窒素
は地球に豊富に存在するので、原料のコストを低減でき
る。
The invention of claim 6 is claim 4 or claim
In the invention of claim 5, since at least nitrogen gas is used as the sputtering gas, there is no danger or adverse effect on the environment, and compared with the conventional case where a gas having toxicity is used as a source gas by a plasma CVD apparatus or the like. There is an effect that the safety can be enhanced and the cost of the equipment including safety measures can be reduced. Further, since nitrogen is abundant in the earth, the cost of raw materials can be reduced.

【0056】請求項の発明は、請求項4ないし請求項
6の発明において、ターゲット材料として炭素を用いる
ので、危険性や環境への悪影響がなく、従来のような毒
性を有するガスを原料ガスとして用いてプラズマCVD
装置などにより作製する場合に比べて安全性を高めるこ
とができ、安全対策を含めた設備のコストを低減するこ
とができるという効果がある。また、炭素は地球に豊富
に存在するので、原料のコストを低減できる。
The invention of claim 7 is the invention of claims 4 to 4.
In the invention of No. 6, since carbon is used as the target material, there is no danger or adverse effect on the environment, and plasma CVD is carried out using a conventional toxic gas as a source gas.
As compared with the case where the device is manufactured by the device, the safety can be improved, and the cost of the facility including the safety measures can be reduced. Further, since carbon is abundant in the earth, the cost of raw materials can be reduced.

【0057】[0057]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施形態1を示すエネルギバンド構造の模式図
である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an energy band structure showing a first embodiment.

【図2】実施形態2の導電率の温度依存性を示すグラフ
である。
FIG. 2 is a graph showing temperature dependence of electric conductivity of the second embodiment.

【図3】実施形態3の光センサの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of an optical sensor according to a third embodiment.

【図4】実施形態4の光撮像管の要部構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a main part of an optical image pickup tube according to a fourth embodiment.

【図5】実施形態5の電子写真用感光体ドラムの断面図
である。
FIG. 5 is a sectional view of an electrophotographic photosensitive drum according to a fifth embodiment.

【図6】実施形態6の電極配線間の電気的絶縁分離構造
の断面図である。
FIG. 6 is a sectional view of an electrically insulating and separating structure between electrode wirings according to a sixth embodiment.

【図7】参考例の発光素子の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a light emitting device of a reference example .

【図8】実施形態7のフィールドエミッタアレイの断面
図である。
FIG. 8 is a sectional view of a field emitter array according to a seventh embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 価電子帯状態 2 伝導体状態 4 局在状態 Emg 移動度ギャップ 1 valence band state 2 Conductor state 4 Localized state Emg Mobility gap

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−255314(JP,A) 特開 平9−227298(JP,A) 特開 平10−18040(JP,A) 米国特許5110679(US,A) 国際公開96/035640(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/203,21/363,31/0248 C30B 23/00 - 23/08 C01B 21/082 ─────────────────────────────────────────────────── Continued from the front page (56) References JP-A-9-255314 (JP, A) JP-A-9-227298 (JP, A) JP-A-10-18040 (JP, A) US Patent 5110679 (US , A) International publication 96/035640 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21 / 203,21 / 363,31 / 0248 C30B 23 / 00-23 / 08 C01B 21/082

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アモルファス窒化炭素組成物であってエ
ネルギバンド構造においてπ結合に基づく局在状態密度
が小さくσ結合による広がった状態密度の方が支配的で
ある炭素原子及び窒素原子で構成された領域が存在する
ように表面に水素プラズマ処理を施すことでグラファイ
ト構造を減少させたことにより室温における光導電率と
暗導電率との比が3桁よりも大きい特性を有し、光伝導
材料として用いてなることを特徴とするアモルファス窒
化炭素組成物。
1. An amorphous carbon nitride composition, which is composed of carbon atoms and nitrogen atoms whose energy band structure has a small localized density of states based on π bonds and is predominant on a broadened density of states due to σ bonds. Area exists
Is treated by hydrogen plasma treatment on the surface like
Due to the reduction of the photo structure, the ratio of the photoconductivity at room temperature to the dark conductivity is greater than three digits , and
An amorphous carbon nitride composition characterized by being used as a material .
【請求項2】 アモルファス窒化炭素組成物であってエ
ネルギバンド構造においてπ結合に基づく局在状態密度
が小さくσ結合による広がった状態密度の方が支配的で
ある炭素原子及び窒素原子で構成された領域が存在する
ように表面に水素プラズマ処理を施すことでグラファイ
ト構造を減少させたことにより室温における暗導電率が
1×10−13S/cmよりも小さい特性と比誘電率が
6以下である特性との少なくとも一方の特性を有し、絶
縁材料として用いてなることを特徴とするアモルファス
窒化炭素組成物。
2. An amorphous carbon nitride composition which is composed of carbon atoms and nitrogen atoms whose energy band structure has a small localized density of states based on π bonds and is predominant on a broadened density of states due to σ bonds. Area exists
Is treated by hydrogen plasma treatment on the surface like
Due to the reduction in the structure, the dark conductivity at room temperature has at least one of the characteristics of being smaller than 1 × 10 −13 S / cm and the characteristic of having a relative dielectric constant of 6 or less.
An amorphous carbon nitride composition characterized by being used as an edge material .
【請求項3】 アモルファス窒化炭素組成物であってエ
ネルギバンド構造においてπ結合に基づく局在状態密度
が小さくσ結合による広がった状態密度の方が支配的で
ある炭素原子及び窒素原子で構成された領域が存在する
ように表面に水素プラズマ処理を施すことでグラファイ
ト構造を減少させたことにより室温における光導電率と
暗導電率との比が3桁よりも大きい特性を有し、フィー
ルドエミッタとして働く領域の導電率を光を用いて制御
可能な冷陰極のフィールドエミッタとして働く領域の材
料として用いてなることを特徴とするアモルファス窒化
炭素組成物。
3. An amorphous carbon nitride composition, which is composed of carbon atoms and nitrogen atoms whose energy band structure has a small localized density of states based on π bonds and is more dominated by a spread state density due to σ bonds. Area exists
Is treated by hydrogen plasma treatment on the surface like
Due to the reduction of the structure, the ratio of photoconductivity to dark conductivity at room temperature is greater than 3 digits , and
Control of the conductivity of the region acting as a field emitter using light
Material in the region acting as a possible cold cathode field emitter
An amorphous carbon nitride composition, which is used as a material.
【請求項4】 エネルギバンド構造においてπ結合に基
づく局在状態密度が小さくσ結合による広がった状態密
度の方が支配的である炭素原子及び窒素原子で構成され
た領域が存在するアモルファス窒化炭素組成物の製造方
法であって、基板の一表面側にスパッタリング法により
アモルファス窒化炭素組成物を堆積させる第1の工程
と、第1の工程により堆積したアモルファス窒化炭素組
成物の表面に水素プラズマ処理を施すことでアモルファ
ス窒化炭素組成物中のグラファイト構造をエッチングす
る第2の工程とを有することを特徴とするアモルファス
窒化炭素組成物の製造方法。
4. An amorphous carbon nitride composition having a region composed of carbon atoms and nitrogen atoms in which the localized density of states based on π bonds is small in the energy band structure and the spread of densities of states due to σ bonds is more predominant. A method of manufacturing an object, comprising a first step of depositing an amorphous carbon nitride composition on one surface side of a substrate by a sputtering method, and a hydrogen plasma treatment on the surface of the amorphous carbon nitride composition deposited by the first step. And a second step of etching the graphite structure in the amorphous carbon nitride composition by applying the amorphous carbon nitride composition.
【請求項5】 前記第1の工程と前記第2の工程とを交
互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項4記載のア
モルファス窒化炭素組成物の製造方法。
5. The method for producing an amorphous carbon nitride composition according to claim 4, wherein the first step and the second step are alternately repeated a plurality of times.
【請求項6】 スパッタリング法においてスパッタガス
として少なくとも窒素ガスを用いることを特徴とする請
求項4または請求項5記載のアモルファス窒化炭素組成
物の製造方法。
6. The method for producing an amorphous carbon nitride composition according to claim 4 or 5, wherein at least nitrogen gas is used as a sputtering gas in the sputtering method.
【請求項7】 スパッタリング法においてターゲット材
料として炭素を用いることを特徴とする請求項4ないし
請求項6記載のアモルファス窒化炭素組成物の製造方
法。
7. The method for producing an amorphous carbon nitride composition according to claim 4, wherein carbon is used as a target material in the sputtering method.
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