次に、本発明を実施例に基づいてさらに具� ��的に説明するが、本発明は、以下の実施例� ��よって何ら限定されるものではない。
 図5(a)、(b)、(c)は、それぞれ、実施例1~4で製 造した ¹² Cダイヤモンド薄膜と ¹³ Cダイヤモンド薄膜の積層構造を模式的に示� �ものである。図中、1は、 ¹³ Cダイヤモンド薄膜、2は、 ¹² Cダイヤモンド薄膜、3は、基板に使用した高� ��高温合成ダイヤモンドを示す。

 (実施例1)
 本実例では、基板として、結晶構造(001)表� �を有する、高圧高温合成された単結晶ダイ� �モンドプレートを用い、ステンレス製の反� �容器を持つエンドランチ型マイクロ波プラ� �マCVD装置により、図5(a)に示す構造の積層体� ��製造した。なお、マイクロ波電源部は、最� ��出力1.5kW、周波数2.45GHzのマグネトロンを使� ��した。
 前記ダイヤモンドプレートは、反応容器へ� ��ットする前に、酸過水の加熱洗浄、ふっ酸� ��浄、有機溶剤による超音波洗浄、及び超純� ��煮沸洗浄を行って、表面の汚染物の除去を� ��った。
 原料ガスには、商用レベルの高純度水素ガ� ��及び同位体精製された高純度メタンガスを� ��用し、該水素ガスはメタンガスとの混合す� ��直前で、白金触媒の化学吸着方式による水� ��精製器により、一酸化炭素(CO)、炭酸ガス(CO ₂ )、炭化水素(CH ₄ 等)などの水素ガス中の残留不純物を除去し� �、純度9Nの水素ガスとした。

 洗浄されたダイヤモンドプレートを反応容� ��内のステージにセットし、反応容器内を10 ^-8 Torr台の真空度を保ち、分圧計により炭素系� �留ガスが10 ^-9 Torr台もしくは検出限界以下であることを確� �した。
 ついで、ダイヤモンド薄膜を堆積させる前� ��、反応容器内の残留炭素系ガスの除去を行� ��ために、上述した水素精製によりさらに純� ��された水素ガスをフローさせながら、基板� ��800℃に5時間以上保った。
 その後、上述した混合ガスを、マスフロー� ��ントローラーによって流量制御された状態� ��、マニホールドによって均一に混合し、混� ��されたガスを反応容器上部のシャワーヘッ� ��からガスシャワーとして反応容器に導入し� ��基板温度800℃、マイクロ波パワー750W、全ガ ス圧力25Torr、全ガス流量400SCCM、水素/メタン� ��合比0.15%の条件で、 ¹² Cダイヤモンド薄膜及び ¹³ Cダイヤモンド薄膜を交互に堆積された。こ� �ときのガスの混合比は、99.85%が水素で、残� �0.15%がメタンであった。
 なお、積層構造を形成するために同位体ガ� ��を変更するときは、基板を反応容器から取� ��出すことなく、高純度に純化された水素ガ� ��のフロー及び基板の加熱によって反応容器� ��の残留炭素系ガスの除去を行った。

 実施例1で得られたダイヤモンドの積層構造 を確認するため、得られた試料について、二 次イオン質量分析法(SIMS)による結晶組成分析 を行った結果を図6に示す。SIMS観測は、試料� ��面に5.5kVに加速されたO ²⁺ イオンビームを使用した。図中、実線は ¹² Cダイヤモンド薄膜、点線は ¹³ Cダイヤモンド薄膜を示す。
 図6から分かるように、 ¹² Cダイヤモンド薄膜と ¹³ Cダイヤモンド薄膜は約350nmの膜厚により積層 された構造が実現されている。

 本発明によると、図3の結果から ¹³ Cダイヤモンド薄膜と比較して相対的にバン� �ギャップの小さい ¹² Cダイヤモンド薄膜においてキャリアを半導� �層に閉じこめることができる量子井戸の状� �を作り出せることになる。
 そこで、図5(a)構造の電子状態を調べるため にカソードルミネッセンス法による評価結果 を行った。図7は、その結果を示す。発光ス� �クトル観測には、電子ビーム加速電圧13kV、� ��子ビーム電流2μAを使用した。発光スペクト ルの観測温度は80Kである。電子ビームの進入 長(観測深さ)は1.4μmである。
 該図からわかるように、明瞭なエキシトン� ��ら発光が観測されている。このとき、図6(a) に示したとおり、結晶構造は明らかに ¹² Cダイヤモンド薄膜と ¹³ Cダイヤモンド薄膜の組み合わせによって構� �されているのにもかかわらず、図7に示した� ��光スペクトルは、そのピーク位置から ¹² Cダイヤモンド薄膜からのみの発光となって� �る。この結果は、キャリアの再結合領域が ¹² Cダイヤモンド薄膜で限定されており、いわ� �る超格子の特徴の一つである「キャリアの� �じ込め作用」を裏付ける結果である。この� �層構造にキャリアを外部からの刺激(光・電� ��ビーム・放射線・x線・荷電粒子・電界等)� �より生成させることにより、生成されたキ� �リアは ¹² Cダイヤモンド薄膜へ蓄積される。キャリア� �井戸となる半導体層に蓄積されることから� �結合確率が自由空間に比べて増加し、効率� �く再結合が行われることにより発光強度の� �加を導く。

 図8にその概念図を示す。図中、1と2は、そ� ��ぞれ ¹³ Cダイヤモンド薄膜と ¹² Cダイヤモンド薄膜を示し、4は、そのキャリ� ��の流れを示す。また、5と6は、電子と正孔� �ある。そして、7と8は、それぞれエキシトン と ₁₂ Cダイヤモンド薄膜からの再結合発光過程を� �す。

 図9(a)は、同一励起条件の電子ビームを各試 料に照射したときに発光するエキシトンから のカソードルミネッセンス強度をプロットし た結果を示す。ここで、「natural-C」は、同位 体精製されていないCH ₄ ガスを使用して合成されたダイヤモンド、「 ¹² C」は、 ¹² Cダイヤモンド薄膜、そして、「( ¹² C ¹³ C) _n 」は、図5(a))構造の試料を示す。図では、比� ��のためnatural-Cからの積分発光強度を1とした ときの相対的な変化を示す。図に示すとおり 、同位体組成比が天然存在比のままであるnat ural-C試料と ¹² Cダイヤモンド薄膜試料と比較すると、積層� �造を持つ図5(a)構造の試料[( ¹² C ¹³ C) _n 試料]で発光強度が一桁近く改善されている� �

 (実施例2)
 図6より算出された成長速度から、合成時間 のみを変化させた以外は、実施例1と同様に� �て、図5(b)に示す構造を有する同位体ダイヤ� ��ンド積層体を製造した。得られたダイヤモ� ��ド薄膜の膜厚は、それぞれ、上から875nm、35 0nm、1750nmであった。実施例1で得られた図5(a)� ��造が多重積層(または量子井戸)構造とする� �らば、本実施例では単一積層(または量子井� ��)構造といえる。
 図9(b)は、実施例2の結果を示す図である。� �9(b)から分かるように、図5(b)構造[( ¹³ C ¹² C ¹³ C)]からも図5(a)構造と同様に光の増幅作用が� �認される。この構造は単純であるため、最� �な障壁高さや障壁間幅を調整するためのテ� �ト構造にも用いることができる。

 (実施例3)
 基板温度900℃、マイクロ波パワー1200W、全� �ス圧力80Torr、全ガス流量100SCCM、水素/メタン 混合比1.2%の条件とした以外は実施例2と同様� ��して、図5(b)に示す構造を有する同位体ダイ ヤモンド積層体を製造した。得られたダイヤ モンド薄膜の膜厚は、それぞれ、上から875nm� ��350nm、1750nmであった。図5(a)及び図5(b)と同様 に、光の増幅作用が確認された。このことか ら、本発明は合成条件によらないということ がわかる。

 (実施例4)
 図6より算出された成長速度から、合成時間 のみを変化させた以外は、実施例1と同様に� �て、図5(c)に示す構造を有する同位体ダイヤ� ��ンド積層体を製造した。得られたダイヤモ� ��ド薄膜の膜厚は、それぞれ上から350nm、3150n mであった。
 図10は、実施例3の結果を示す図であり、(a)� ��ペクトルと(b)発光強度の変化を示す。図10(a )からわかるように、スペクトルには2つのピ� ��クが観測された。それぞれのピーク位置か� ��低エネルギー側に位置するピークが ¹² Cダイヤモンド薄膜であり、高エネルギー側� �位置するピークが ¹³ Cダイヤモンド薄膜からの発光と帰属するこ� �ができる。これは、エキシトンの再結合発� �が ¹³ Cダイヤモンド薄膜でも起こっていることが� �かり、これは、電子ビーム励起によって発� �したキャリアの拡散長に起因すると考えら� �る。しかし、図10(b)に示すとおり、 ¹² Cダイヤモンド薄膜の自由空間(試料タイプ ¹² C)と比較して図5(c)の構造を作るだけで発光強 度が単位量あたりの換算で約2倍に増大され� �いる。この結果は、図5(c)のような構造、つ� ��り、 ¹² Cダイヤモンド薄膜の一方が真空レベルにあ� �ような状態であっても、本発明の効果が有� �であることを示している。このことは、図5( c)のような構造を最小単位とし、 ¹² Cダイヤモンド薄膜の一方の状態は、キャリ� �の障壁となれば接合物に制約されないこと� �意味する。