JP3374866B2 - 半導体ダイヤモンド及びその形成方法 - Google Patents
半導体ダイヤモンド及びその形成方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイオード、トランジ
スタ等の半導体デバイスに使用可能な半導体ダイヤモン
ドに関する。
スタ等の半導体デバイスに使用可能な半導体ダイヤモン
ドに関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドに関しては、高温下、放射
線照射下等の厳しい環境下で安定に動作するデバイスと
して、あるいは高出力での動作にも耐え得るデバイスと
しての応用が注目されている。
線照射下等の厳しい環境下で安定に動作するデバイスと
して、あるいは高出力での動作にも耐え得るデバイスと
しての応用が注目されている。
【０００３】ダイヤモンドが高温下でも動作可能な理由
としては、バンドギャップが５．５ｅＶと大きいことが
挙げられている。このことは、半導体のキャリアが制御
されなくなる温度範囲（真性領域）が１４００℃以下に
は存在しないことを示しているためである。
としては、バンドギャップが５．５ｅＶと大きいことが
挙げられている。このことは、半導体のキャリアが制御
されなくなる温度範囲（真性領域）が１４００℃以下に
は存在しないことを示しているためである。
【０００４】しかしながら、ダイヤモンドでは低抵抗の
ｎ型半導体が現在に至るまで得られておらず、このこと
はデバイスの応用製品開発において、非常に大きな障害
となっていた。
ｎ型半導体が現在に至るまで得られておらず、このこと
はデバイスの応用製品開発において、非常に大きな障害
となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ダイ
ヤモンド半導体の低抵抗ｎ型半導体及びその形成方法を
提供することにある。
ヤモンド半導体の低抵抗ｎ型半導体及びその形成方法を
提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】ダイヤモンドは、シリコ
ン（Ｓｉ）と同様に、III 族元素の添加によりｐ型半導
体となり、Ｖ族元素を添加するとｎ型半導体となること
が期待される。しかしながら、ダイヤモンドを構成する
炭素は原子半径が小さく且つ密度が大きいため、どの様
な不純物でもダイヤモンド中に混入が可能というわけで
はなく、ボロン、窒素、あるいはリンといった比較的原
子半径の小さな元素が混入可能である。
ン（Ｓｉ）と同様に、III 族元素の添加によりｐ型半導
体となり、Ｖ族元素を添加するとｎ型半導体となること
が期待される。しかしながら、ダイヤモンドを構成する
炭素は原子半径が小さく且つ密度が大きいため、どの様
な不純物でもダイヤモンド中に混入が可能というわけで
はなく、ボロン、窒素、あるいはリンといった比較的原
子半径の小さな元素が混入可能である。
【０００７】しかしながら、窒素原子をドナーとしてダ
イヤモンド中にドーピングすると、そのドナーレベルは
非常に深く（１ｅＶから２ｅＶ程度に）なってしまう。
これは、ボロンのアクセプターレベル（０．３７ｅＶ）
に比較しても非常に大きいため、単に窒素原子をドナー
としてダイヤモンド中にドーピングしたのでは、低抵抗
のｎ型半導体は得られない。
イヤモンド中にドーピングすると、そのドナーレベルは
非常に深く（１ｅＶから２ｅＶ程度に）なってしまう。
これは、ボロンのアクセプターレベル（０．３７ｅＶ）
に比較しても非常に大きいため、単に窒素原子をドナー
としてダイヤモンド中にドーピングしたのでは、低抵抗
のｎ型半導体は得られない。
【０００８】本発明者は鋭意研究の結果、ダイヤモンド
中の窒素原子濃度を非常に高くすることにより、窒素の
準位間でキャリアの伝導が可能となり、室温においても
低抵抗の伝導性が得られることを見い出だした。
中の窒素原子濃度を非常に高くすることにより、窒素の
準位間でキャリアの伝導が可能となり、室温においても
低抵抗の伝導性が得られることを見い出だした。
【０００９】本発明の半導体ダイヤモンドは、上記知見
に基づくものであり、より詳しくは、ダイヤモンド中に
窒素原子が１×１０19ｃｍ-3以上ドーピングされたこと
を特徴とするものである。
に基づくものであり、より詳しくは、ダイヤモンド中に
窒素原子が１×１０19ｃｍ-3以上ドーピングされたこと
を特徴とするものである。
【００１０】上述したように本発明によれば、窒素原子
濃度を非常に高くすることにより低抵抗ｎ型のダイヤモ
ンド半導体が得られる。バンドギャップが１．１ｅＶの
純粋なＳｉは非常に抵抗率の大きなものであることを考
慮すれば、不純物準位が１〜２ｅＶもあるようなドーパ
ント（窒素原子）を用いて低抵抗半導体を得るという本
発明の発想は、従来のそれとは全く異質のものである。
濃度を非常に高くすることにより低抵抗ｎ型のダイヤモ
ンド半導体が得られる。バンドギャップが１．１ｅＶの
純粋なＳｉは非常に抵抗率の大きなものであることを考
慮すれば、不純物準位が１〜２ｅＶもあるようなドーパ
ント（窒素原子）を用いて低抵抗半導体を得るという本
発明の発想は、従来のそれとは全く異質のものである。
【００１１】本発明者は更に研究を進めた結果、ダイヤ
モンド中に、窒素原子のみならずボロン原子を特定の濃
度範囲でドーピングすることが、上記した課題の解決に
極めて効果的であることを見い出だした。
モンド中に、窒素原子のみならずボロン原子を特定の濃
度範囲でドーピングすることが、上記した課題の解決に
極めて効果的であることを見い出だした。
【００１２】したがって本発明によれば、更に、ダイヤ
モンド中に窒素原子およびボロン原子がドーピングされ
ており、且つ、窒素原子の濃度（ＣＮ）と、ボロン原子
の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にあ
ることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンドが提供され
る。
モンド中に窒素原子およびボロン原子がドーピングされ
ており、且つ、窒素原子の濃度（ＣＮ）と、ボロン原子
の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にあ
ることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンドが提供され
る。
【００１３】本発明者の知見によれば、ダイヤモンド中
に低濃度で窒素原子をドープした場合において窒素の準
位が深いのは、ダイヤモンド中に窒素原子が入ることに
よって、結晶構造が局部的に歪んでいるためと考えられ
る。したがって本発明者の知見によれば、窒素原子のダ
イヤモンドへの混入によって生じた格子の歪みを、上記
したようなボロン原子の添加によって緩和させて窒素の
準位を浅くすることにより、室温においても、低抵抗の
伝導性が得られるものと考えられる。
に低濃度で窒素原子をドープした場合において窒素の準
位が深いのは、ダイヤモンド中に窒素原子が入ることに
よって、結晶構造が局部的に歪んでいるためと考えられ
る。したがって本発明者の知見によれば、窒素原子のダ
イヤモンドへの混入によって生じた格子の歪みを、上記
したようなボロン原子の添加によって緩和させて窒素の
準位を浅くすることにより、室温においても、低抵抗の
伝導性が得られるものと考えられる。
【００１４】
【作用】ダイヤモンドは、バンドギャップが５．５ｅＶ
と大きいため、真性領域に相当する温度領域は、ダイヤ
モンドが熱的に安定な１４００℃以下には存在せず、更
に、ダイヤモンドは化学的にも非常に安定である。ま
た、ダイヤモンドの熱伝導率は２０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と
Ｓｉの１０倍以上であり、放熱性にも優れている。更
に、ダイヤモンドは、キャリアの移動度が大きい（電子
移動度：２０００（ｃｍ2 ／Ｖ・秒）、ホール移動度：
２１００（ｃｍ2 ／Ｖ・秒）、３００Ｋ）、誘導率が小
さい（Ｋ＝５．５）、破壊電界が大きい（Ｅ＝５×１０
6 Ｖ／ｃｍ）などの特徴を有しているため、ダイヤモン
ドを用いることにより高周波で大電力用のデバイスを作
製することができる。
と大きいため、真性領域に相当する温度領域は、ダイヤ
モンドが熱的に安定な１４００℃以下には存在せず、更
に、ダイヤモンドは化学的にも非常に安定である。ま
た、ダイヤモンドの熱伝導率は２０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と
Ｓｉの１０倍以上であり、放熱性にも優れている。更
に、ダイヤモンドは、キャリアの移動度が大きい（電子
移動度：２０００（ｃｍ2 ／Ｖ・秒）、ホール移動度：
２１００（ｃｍ2 ／Ｖ・秒）、３００Ｋ）、誘導率が小
さい（Ｋ＝５．５）、破壊電界が大きい（Ｅ＝５×１０
6 Ｖ／ｃｍ）などの特徴を有しているため、ダイヤモン
ドを用いることにより高周波で大電力用のデバイスを作
製することができる。
【００１５】本発明は、ダイヤモンドデバイスにおいて
不可欠なｎ型又はｐ型半導体を実現するために、ダイヤ
モンドの中に多量の窒素原子のドーピングを行い、ある
いは窒素原子と同時にボロン原子をダイヤモンド中にド
ーピングしている。
不可欠なｎ型又はｐ型半導体を実現するために、ダイヤ
モンドの中に多量の窒素原子のドーピングを行い、ある
いは窒素原子と同時にボロン原子をダイヤモンド中にド
ーピングしている。
【００１６】以下、本発明を更に詳細に説明する。
【００１７】（半導体性ダイヤモンド）本発明が適用可
能な半導体性ダイヤモンドは、特に制限されない。例え
ば、ダイヤモンドが人工（高圧合成）のバルク単結晶で
あっても、気相合成法による薄膜多結晶あるいは薄膜単
結晶（エピタキシャル膜）であっても、本発明の効果は
変わらない。
能な半導体性ダイヤモンドは、特に制限されない。例え
ば、ダイヤモンドが人工（高圧合成）のバルク単結晶で
あっても、気相合成法による薄膜多結晶あるいは薄膜単
結晶（エピタキシャル膜）であっても、本発明の効果は
変わらない。
【００１８】本発明の半導体ダイヤモンドは、ｎ型であ
ってもｐ型であってもよいが、素子への適用上は、ｎ型
である方が好ましい。
ってもｐ型であってもよいが、素子への適用上は、ｎ型
である方が好ましい。
【００１９】本発明の半導体性ダイヤモンドの抵抗率
は、１×１０5 Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、更
には１０００Ω・ｃｍ以下（特に１００Ω・ｃｍ以下）
であることが好ましい。
は、１×１０5 Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、更
には１０００Ω・ｃｍ以下（特に１００Ω・ｃｍ以下）
であることが好ましい。
【００２０】上記抵抗率の測定においては、例えば、以
下の測定条件が好適に使用可能である。
下の測定条件が好適に使用可能である。
【００２１】測定法：四端子法
測定条件：一定電流（１０μＡ〜１ｍＡ）のもとで電圧
測定（１〜１００ｖ）を行なう。
測定（１〜１００ｖ）を行なう。
【００２２】（ダイヤモンド形成方法）ダイヤモンド膜
を気相合成により形成する場合、その形成方法としては
例えば以下のような各種の方法を用いることが可能であ
る。
を気相合成により形成する場合、その形成方法としては
例えば以下のような各種の方法を用いることが可能であ
る。
【００２３】（１）直流または交流電界により放電を起
こし、原料ガスを活性化する方法、（２）熱電子放射材
を加熱し、原料ガスを活性化する方法、（３）ダイヤモ
ンドを成長させる表面を、イオンで衝撃する方法、
（４）レーザーや紫外線などの光で原料ガスを励起する
方法、及び（５）原料ガスを燃焼させる方法上記いずれ
の方法も本発明に用いることが可能であり、いずれの方
法を用いた場合にも、発明の効果は変わらない。
こし、原料ガスを活性化する方法、（２）熱電子放射材
を加熱し、原料ガスを活性化する方法、（３）ダイヤモ
ンドを成長させる表面を、イオンで衝撃する方法、
（４）レーザーや紫外線などの光で原料ガスを励起する
方法、及び（５）原料ガスを燃焼させる方法上記いずれ
の方法も本発明に用いることが可能であり、いずれの方
法を用いた場合にも、発明の効果は変わらない。
【００２４】本発明においてダイヤモンドに窒素原子を
ドーピングする方法としては、ドーパント量の調節が容
易な点からは、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）を用いる
ことが好ましい。
ドーピングする方法としては、ドーパント量の調節が容
易な点からは、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）を用いる
ことが好ましい。
【００２５】（ＣＶＤ法）ＣＶＤ法において用いられる
反応ガス（ないし原料ガス）は、基板上へのダイヤモン
ドの析出・成長が可能である限り特に制限されない。よ
り具体的には例えば、この反応ガスとしては、ＣＨ4 を
Ｈ2 で希釈した混合ガス、エチルアルコール又はアセト
ンをＨ2 で希釈した混合ガス、あるいはＣＯをＨ2 で希
釈した混合ガス等が好適に使用可能である。
反応ガス（ないし原料ガス）は、基板上へのダイヤモン
ドの析出・成長が可能である限り特に制限されない。よ
り具体的には例えば、この反応ガスとしては、ＣＨ4 を
Ｈ2 で希釈した混合ガス、エチルアルコール又はアセト
ンをＨ2 で希釈した混合ガス、あるいはＣＯをＨ2 で希
釈した混合ガス等が好適に使用可能である。
【００２６】本発明において、窒素原子をドープしたダ
イヤモンドを得る場合、上記反応ガスに、所望の窒素原
子濃度に対応した量の窒素原子含有ガスを添加して用い
ればよい。このような窒素原子含有ガスとしては、例え
ば、Ｎ2 、Ｎ2 Ｏ、ＮＯ2 、ＮＨ3 等が好適に使用可能
である。
イヤモンドを得る場合、上記反応ガスに、所望の窒素原
子濃度に対応した量の窒素原子含有ガスを添加して用い
ればよい。このような窒素原子含有ガスとしては、例え
ば、Ｎ2 、Ｎ2 Ｏ、ＮＯ2 、ＮＨ3 等が好適に使用可能
である。
【００２７】本発明において、窒素原子およびボロン原
子をドープしたダイヤモンドを得る場合、上記反応ガス
に、所望の窒素原子濃度およびボロン原子濃度にそれぞ
れ対応した量の窒素原子含有ガスおよびボロン原子含有
ガスを添加して用いればよい。このようなボロン原子含
有ガスとしては、例えば、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｏ3 、Ｂ
2（ＣＨ3 ）3 、Ｂ2 （ＯＣＨ3 ）3 等が好適に使用可
能である。
子をドープしたダイヤモンドを得る場合、上記反応ガス
に、所望の窒素原子濃度およびボロン原子濃度にそれぞ
れ対応した量の窒素原子含有ガスおよびボロン原子含有
ガスを添加して用いればよい。このようなボロン原子含
有ガスとしては、例えば、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｏ3 、Ｂ
2（ＣＨ3 ）3 、Ｂ2 （ＯＣＨ3 ）3 等が好適に使用可
能である。
【００２８】（高圧合成法）高圧合成法を用いる場合、
原料、溶媒、及び／又は高圧合成容器中に窒素を含む原
料を添加して、高圧合成法で窒素含有ダイヤモンドを形
成しても、あるいは窒素とボロンを含む原料を添加して
高圧合成法で窒素およびボロンを含有するダイヤモンド
を形成しても、本発明の効果は変わらない。
原料、溶媒、及び／又は高圧合成容器中に窒素を含む原
料を添加して、高圧合成法で窒素含有ダイヤモンドを形
成しても、あるいは窒素とボロンを含む原料を添加して
高圧合成法で窒素およびボロンを含有するダイヤモンド
を形成しても、本発明の効果は変わらない。
【００２９】（イオン注入法）また、イオン注入によっ
て窒素を添加する方法も利用可能である。この場合、注
入直後の試料においては、通常は上記の効果を得ること
が困難であるが、例えば注入の条件を調節する（高温状
態で注入する等）か、結晶性の回復の処理（水素プラズ
マ処理等）を調節することによって、上記の効果を得る
ことが可能である。
て窒素を添加する方法も利用可能である。この場合、注
入直後の試料においては、通常は上記の効果を得ること
が困難であるが、例えば注入の条件を調節する（高温状
態で注入する等）か、結晶性の回復の処理（水素プラズ
マ処理等）を調節することによって、上記の効果を得る
ことが可能である。
【００３０】（窒素原子の濃度）本発明の半導体ダイヤ
モンドにドーピングされた窒素原子の濃度は１×１０19
ｃｍ-3以上であることが好ましい。他のドーパントとと
もに窒素原子をダイヤモンドにドーピングする場合、半
導体としての特性の点からは該窒素原子の濃度は１×１
０17ｃｍ-3以上であることが好ましい。
モンドにドーピングされた窒素原子の濃度は１×１０19
ｃｍ-3以上であることが好ましい。他のドーパントとと
もに窒素原子をダイヤモンドにドーピングする場合、半
導体としての特性の点からは該窒素原子の濃度は１×１
０17ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３１】上記窒素原子の濃度は、例えば、２次イオ
ン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することが可能で
ある。このＳＩＭＳにおいては、例えば、以下の測定条
件が好適に使用可能である。
ン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することが可能で
ある。このＳＩＭＳにおいては、例えば、以下の測定条
件が好適に使用可能である。
【００３２】
（Ｎ分析） （Ｂ分析）
１次イオン： Ｃｓ+ Ｏ2 +
加速電圧： １０ｋＶ １５ｋＶ
電流： ５８０ｎＡ ２０００ｎＡ
ラスタサイズ：２５０μｍ角 ２５０μｍ角
分析面積： 直径６２μｍφ ６２μｍφ
（ボロン原子の濃度）本発明のｎ型半導体ダイヤモンド
に窒素原子およびボロン原子がドーピングされている場
合、ドーピングされた窒素原子の濃度（ＣＮ）とボロン
原子の濃度（ＣＢ）とは、ｎ型半導体としての特性と伝
導性とのバランスの点からは、１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢ
の関係を有していることが好ましく、更には１０ＣＢ≧
ＣＮ＞ＣＢの関係を有していることが好ましい。この場
合、伝導性の点からは、窒素原子の濃度は１０17ｃｍ-3
以上であることが好ましい。
に窒素原子およびボロン原子がドーピングされている場
合、ドーピングされた窒素原子の濃度（ＣＮ）とボロン
原子の濃度（ＣＢ）とは、ｎ型半導体としての特性と伝
導性とのバランスの点からは、１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢ
の関係を有していることが好ましく、更には１０ＣＢ≧
ＣＮ＞ＣＢの関係を有していることが好ましい。この場
合、伝導性の点からは、窒素原子の濃度は１０17ｃｍ-3
以上であることが好ましい。
【００３３】上記ボロン原子の濃度は、例えば、上記Ｓ
ＩＭＳにより測定することができ、このＳＩＭＳ測定に
おいては、上記に示した測定条件（Ｂ分析）を用いるこ
とができる。
ＩＭＳにより測定することができ、このＳＩＭＳ測定に
おいては、上記に示した測定条件（Ｂ分析）を用いるこ
とができる。
【００３４】（キャリア濃度）本発明の半導体ダイヤモ
ンドにおいては、伝導性の点から、キャリア濃度は１×
１０16ｃｍ-3以上であることが好ましい。
ンドにおいては、伝導性の点から、キャリア濃度は１×
１０16ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３５】上記キャリア濃度は、例えば、ホール係数
の測定に基づいて求めることが可能である（例えば、青
木昌治、南日康夫共訳「半導体の物理」４６頁、１９６
９年、産業図書を参照）。
の測定に基づいて求めることが可能である（例えば、青
木昌治、南日康夫共訳「半導体の物理」４６頁、１９６
９年、産業図書を参照）。
【００３６】このホール係数の測定においては、例え
ば、以下の測定条件が好適に使用可能である。
ば、以下の測定条件が好適に使用可能である。
【００３７】印加磁場： ５０００ガウス
試料電流： ０．０１〜１ｍＡ（この範囲では、電流の
値はキャリア濃度の測定結果にほとんど影響を与えな
い。） （結晶性）本発明の半導体ダイヤモンドの結晶性は、Ｘ
線回折の２結晶法（Double-crystal method ）によって
評価することが可能である。より具体的には、本発明の
半導体ダイヤモンドにおいては、Ｘ線回折の２結晶法に
おけるロッキングカーブ（rocking curve ）の半値幅
は、４０秒以下（更には２０秒以下、特に１０秒以下）
であることが好ましい。
値はキャリア濃度の測定結果にほとんど影響を与えな
い。） （結晶性）本発明の半導体ダイヤモンドの結晶性は、Ｘ
線回折の２結晶法（Double-crystal method ）によって
評価することが可能である。より具体的には、本発明の
半導体ダイヤモンドにおいては、Ｘ線回折の２結晶法に
おけるロッキングカーブ（rocking curve ）の半値幅
は、４０秒以下（更には２０秒以下、特に１０秒以下）
であることが好ましい。
【００３８】ここに、「Ｘ線回折の２結晶法」とは、１
結晶法における試料である第２結晶Ｃ2 の前に、もう一
つの結晶Ｃ1 （モノクロメータおよびコリメータの働き
をする第１結晶）を置いて、Ｘ線回折の平行性および単
色性を向上させた方法をいう。本発明においては、
Ｃ1 、Ｃ2 の反射によるＸ線ビームの進路のふれが逆方
向になるような配置（−配置）で、且つ、Ｃ1 による反
射の次数（ｍ）およびＣ2による反射の次数（ｎ）が等
しい配置（−平行配置）を用いる。この「−平行配置」
は、角度に対する分解能が極めて高い。一方、「ロッキ
ングカーブ」とは、結晶に単色Ｘ線をあて、ブラッグ条
件を満たす方位付近で結晶を回転したときの回折線の強
度分布曲線をいう。
結晶法における試料である第２結晶Ｃ2 の前に、もう一
つの結晶Ｃ1 （モノクロメータおよびコリメータの働き
をする第１結晶）を置いて、Ｘ線回折の平行性および単
色性を向上させた方法をいう。本発明においては、
Ｃ1 、Ｃ2 の反射によるＸ線ビームの進路のふれが逆方
向になるような配置（−配置）で、且つ、Ｃ1 による反
射の次数（ｍ）およびＣ2による反射の次数（ｎ）が等
しい配置（−平行配置）を用いる。この「−平行配置」
は、角度に対する分解能が極めて高い。一方、「ロッキ
ングカーブ」とは、結晶に単色Ｘ線をあて、ブラッグ条
件を満たす方位付近で結晶を回転したときの回折線の強
度分布曲線をいう。
【００３９】上記した２結晶法によって測定されるロッ
キングカーブの半値幅（ΔＷD ）は、近似的に次式で与
えられる。
キングカーブの半値幅（ΔＷD ）は、近似的に次式で与
えられる。
【００４０】（−配置の場合）（ΔＷD ）2 ＝（Δ
Ｗ1 ）2 ＋（ΔＷ2 ）2 ＋δ2 ここに、ΔＷ1 とΔＷ2 は、それぞれ第１および第２結
晶のDarwin plateuxの幅であり、 δ＝（Δλ／λ）（tan θB1−tan θB2） である。上式において、θB1とθB2とは、それぞれの結
晶におけるブラッグ角であり、λはＸ線の波長であり、
Δλは特性Ｘ線の半値幅（例えば、ＣｕＫα1 線につい
ては５．８×１０-4オングストローム）である。なお、
上記した「Ｘ線回折の２結晶法」の詳細については、文
献（西林他、第５３回秋季応物予稿集、４０８頁、１９
９２年；「ダイヤモンド単結晶の２結晶法による評
価」）を参照することができる。
Ｗ1 ）2 ＋（ΔＷ2 ）2 ＋δ2 ここに、ΔＷ1 とΔＷ2 は、それぞれ第１および第２結
晶のDarwin plateuxの幅であり、 δ＝（Δλ／λ）（tan θB1−tan θB2） である。上式において、θB1とθB2とは、それぞれの結
晶におけるブラッグ角であり、λはＸ線の波長であり、
Δλは特性Ｘ線の半値幅（例えば、ＣｕＫα1 線につい
ては５．８×１０-4オングストローム）である。なお、
上記した「Ｘ線回折の２結晶法」の詳細については、文
献（西林他、第５３回秋季応物予稿集、４０８頁、１９
９２年；「ダイヤモンド単結晶の２結晶法による評
価」）を参照することができる。
【００４１】上記ロッキングカーブの測定においては、
例えば、以下の測定条件が好適に使用可能である。
例えば、以下の測定条件が好適に使用可能である。
【００４２】Ｘ線管、３５ｋＶ、１０ｍＡ
ダイヤモンド（００４）平行配置
以下、実施例に基づき、本発明を更に具体的に説明す
る。
る。
【００４３】
【実施例】実施例１
高圧高温合成法により合成した人工の単結晶ダイヤモン
ド基板（Ｉｂ型）の（１００）面上、およびＳｉ基板上
に、それぞれ、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によってノ
ンドープ・ダイヤモンド層を形成し、該ノンドープ層の
上に、更に窒素ドープ・ダイヤモンド層を形成した試料
を用意した。それぞれの膜は、典型的には次の条件で成
膜した。
ド基板（Ｉｂ型）の（１００）面上、およびＳｉ基板上
に、それぞれ、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によってノ
ンドープ・ダイヤモンド層を形成し、該ノンドープ層の
上に、更に窒素ドープ・ダイヤモンド層を形成した試料
を用意した。それぞれの膜は、典型的には次の条件で成
膜した。
【００４４】（ノンドープ層）
Ｈ2 流量： １００ＳＣＣＭ
ＣＨ4 流量：０．５〜６ＳＣＣＭ
圧力： ４０Ｔｏｒｒ
パワー： ３００Ｗ
基板温度：約８００℃
膜厚： 約２μｍ
（窒素ドープ層）
Ｈ2 流量： １００ＳＣＣＭ
ＣＨ4 流量：０．５〜６ＳＣＣＭ
ＮＨ3 流量：５ＳＣＣＭ
圧力： ４０Ｔｏｒｒ
パワー： ３００Ｗ
基板温度： 約８００℃
膜厚： 約１μｍ
一方、比較のための試料として、窒素ドープ膜を形成し
ないノンドープ・ダイヤモンド層（膜厚：２μｍ）のみ
の試料も形成した。このようにして形成した比較用試料
の膜の伝導性は、抵抗率が極めて大きかったため特定で
きなかった。該抵抗率は、１０10Ω・ｃｍ以上であっ
た。
ないノンドープ・ダイヤモンド層（膜厚：２μｍ）のみ
の試料も形成した。このようにして形成した比較用試料
の膜の伝導性は、抵抗率が極めて大きかったため特定で
きなかった。該抵抗率は、１０10Ω・ｃｍ以上であっ
た。
【００４５】上記のようにして形成した窒素ドープ試料
の膜（窒素ドープ層）のホール効果を測定したところ、
その伝導型はｎ型であることが判明した。該窒素ドープ
層に含有される窒素原子の量をＳＩＭＳにより測定し、
且つ、その抵抗率を４端子法により測定した。測定結果
をまとめて下記表１（ダイヤモンド基板上に成膜した場
合）に示す。
の膜（窒素ドープ層）のホール効果を測定したところ、
その伝導型はｎ型であることが判明した。該窒素ドープ
層に含有される窒素原子の量をＳＩＭＳにより測定し、
且つ、その抵抗率を４端子法により測定した。測定結果
をまとめて下記表１（ダイヤモンド基板上に成膜した場
合）に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】表１に示したように、膜中の窒素原子濃度
が１×１０19ｃｍ-3以上において、低抵抗のｎ型半導体
ダイヤモンドが形成できた。
が１×１０19ｃｍ-3以上において、低抵抗のｎ型半導体
ダイヤモンドが形成できた。
【００４８】更に、上記窒素ドープ膜のキャリア濃度の
温度依存性を調べたところ、図１（ダイヤモンド基板上
に成膜した場合）に示すような結果が得られた。図１に
示したように、窒素原子濃度（Ｎ）が一定値以上の場合
には、キャリア濃度は、ほとんど温度の影響を受けない
ことが判明した。また、上記測定の結果から、キャリア
濃度が１×１０16ｃｍ-3以上であれば、１×１０5 Ω・
ｃｍ以下の抵抗率が得られることも判明した。
温度依存性を調べたところ、図１（ダイヤモンド基板上
に成膜した場合）に示すような結果が得られた。図１に
示したように、窒素原子濃度（Ｎ）が一定値以上の場合
には、キャリア濃度は、ほとんど温度の影響を受けない
ことが判明した。また、上記測定の結果から、キャリア
濃度が１×１０16ｃｍ-3以上であれば、１×１０5 Ω・
ｃｍ以下の抵抗率が得られることも判明した。
【００４９】窒素ドープ膜の成膜条件を変えた以外は、
上記と同様にして窒素ドープ膜を形成した。得られた結
果を、下記表２（ダイヤモンド基板上に成膜した場合）
に示す。
上記と同様にして窒素ドープ膜を形成した。得られた結
果を、下記表２（ダイヤモンド基板上に成膜した場合）
に示す。
【００５０】
【表２】
【００５１】Ｓｉ基板上に窒素ドープ膜を形成した場合
にも、表１、表２、および図１に示した結果（単結晶ダ
イヤモンド基板上に成膜した場合）と同様の傾向が見ら
れた。Ｓｉ基板上に窒素ドープ膜を形成した場合に比べ
て、単結晶ダイヤモンド基板上に窒素ドープ膜を成膜し
た場合の方が、より抵抗率が低く、良好な窒素ドープ膜
が得られた。
にも、表１、表２、および図１に示した結果（単結晶ダ
イヤモンド基板上に成膜した場合）と同様の傾向が見ら
れた。Ｓｉ基板上に窒素ドープ膜を形成した場合に比べ
て、単結晶ダイヤモンド基板上に窒素ドープ膜を成膜し
た場合の方が、より抵抗率が低く、良好な窒素ドープ膜
が得られた。
【００５２】実施例２
人工の単結晶ダイヤモンド基板（Ｉｂ型）の（１００）
面上、およびＳｉ基板上に、それぞれ、マイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法によってノンドープ・ダイヤモンド層を形
成し、該ノンドープ層上に窒素とボロンを同時にドープ
したダイヤモンド層を形成した試料を用意した。それぞ
れの膜は、典型的には次の条件で成膜を行った。
面上、およびＳｉ基板上に、それぞれ、マイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法によってノンドープ・ダイヤモンド層を形
成し、該ノンドープ層上に窒素とボロンを同時にドープ
したダイヤモンド層を形成した試料を用意した。それぞ
れの膜は、典型的には次の条件で成膜を行った。
【００５３】（ノンドープ層）
Ｈ2 流量： １００ＳＣＣＭ
ＣＨ4 流量：０．５〜６ＳＣＣＭ
圧力： ４０Ｔｏｒｒ
パワー： ３００Ｗ
基板温度： 約８５０℃
膜厚： 約２μｍ
（窒素およびボロンドープ層）
Ｈ2 流量： １００ＳＣＣＭ
ＣＨ4 流量：０．５〜６ＳＣＣＭ
Ｂ2 Ｈ6 （水素希釈１００ｐｐｍ）流量：１ＳＣＣＭ
ＮＨ3 流量：０．５ＳＣＣＭ
圧力： ４０Ｔｏｒｒ
パワー： ３００Ｗ
基板温度： 約８５０℃
膜厚： 約１μｍ
一方比較のための試料として、窒素およびボロンドープ
膜を形成しないノンドープ・ダイヤモンド層（膜厚：２
μｍ）のみの試料も形成した。このようにして形成した
比較用試料の膜の抵抗率は、実施例１と同様に１０10Ω
・ｃｍ以上であった。
膜を形成しないノンドープ・ダイヤモンド層（膜厚：２
μｍ）のみの試料も形成した。このようにして形成した
比較用試料の膜の抵抗率は、実施例１と同様に１０10Ω
・ｃｍ以上であった。
【００５４】上記のようにして形成した窒素およびボロ
ンドープ試料の膜（窒素・ボロンドープ層）のホール効
果を測定したところ、その伝導型はｎ型であることが判
明した。該窒素・ボロンドープ層に含有される窒素原子
およびボロン原子の量をＳＩＭＳにより測定し、且つ、
その抵抗率を４端子法により測定した。測定結果（膜の
窒素原子の量、ボロン原子の量、および抵抗率）をまと
めて下記表３（ダイヤモンド基板上に成膜した場合）に
示す。
ンドープ試料の膜（窒素・ボロンドープ層）のホール効
果を測定したところ、その伝導型はｎ型であることが判
明した。該窒素・ボロンドープ層に含有される窒素原子
およびボロン原子の量をＳＩＭＳにより測定し、且つ、
その抵抗率を４端子法により測定した。測定結果（膜の
窒素原子の量、ボロン原子の量、および抵抗率）をまと
めて下記表３（ダイヤモンド基板上に成膜した場合）に
示す。
【００５５】
【表３】
【００５６】表３に示したように、窒素原子の濃度（Ｃ
Ｎ）と、ボロン原子の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧Ｃ
Ｎ＞ＣＢを満たす範囲において、低抵抗のｎ型半導体ダ
イヤモンドが形成できた。
Ｎ）と、ボロン原子の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧Ｃ
Ｎ＞ＣＢを満たす範囲において、低抵抗のｎ型半導体ダ
イヤモンドが形成できた。
【００５７】更に、上記窒素・ボロンドープ膜のキャリ
ア濃度の温度依存性を調べたところ、図２（ダイヤモン
ド基板上に成膜した場合）に示すような結果が得られ
た。図２１に示したように、活性化エネルギーは、ボロ
ンを含有していない膜と比較して、非常に小さくなって
おり、室温でも低抵抗を実現していることが判明した。
ア濃度の温度依存性を調べたところ、図２（ダイヤモン
ド基板上に成膜した場合）に示すような結果が得られ
た。図２１に示したように、活性化エネルギーは、ボロ
ンを含有していない膜と比較して、非常に小さくなって
おり、室温でも低抵抗を実現していることが判明した。
【００５８】窒素・ボロンドープ膜の成膜条件を変えた
以外は、上記と同様にして窒素・ボロンドープ膜を形成
した。得られた結果を、下記表４（ダイヤモンド基板上
に成膜した場合）に示す。
以外は、上記と同様にして窒素・ボロンドープ膜を形成
した。得られた結果を、下記表４（ダイヤモンド基板上
に成膜した場合）に示す。
【００５９】
【表４】
【００６０】Ｓｉ基板上に窒素・ボロンドープ膜を形成
した場合にも、表３、表４、および図２に示した結果
（単結晶ダイヤモンド基板上に成膜した場合）と同様の
結果が得られた。Ｓｉ基板上に窒素・ボロンドープ膜を
形成した場合に比べて、単結晶ダイヤモンド基板上に窒
素・ボロンドープ膜を成膜した場合の方が、より抵抗率
が低かった。
した場合にも、表３、表４、および図２に示した結果
（単結晶ダイヤモンド基板上に成膜した場合）と同様の
結果が得られた。Ｓｉ基板上に窒素・ボロンドープ膜を
形成した場合に比べて、単結晶ダイヤモンド基板上に窒
素・ボロンドープ膜を成膜した場合の方が、より抵抗率
が低かった。
【００６１】実施例３
基板として、天然のIIａおよびＩａのダイヤモンドの
（１００）面を用いた以外は、実施例１および２と同様
にして、窒素ドープ膜および窒素・ボロンドープ膜をそ
れぞれ形成したところ、実施例１ないし２とほぼ同様な
結果が得られた。
（１００）面を用いた以外は、実施例１および２と同様
にして、窒素ドープ膜および窒素・ボロンドープ膜をそ
れぞれ形成したところ、実施例１ないし２とほぼ同様な
結果が得られた。
【００６２】
【発明の効果】上述したように本発明によれば、ダイヤ
モンド中に窒素原子が１×１０19ｃｍ-3以上ドーピング
された半導体ダイヤモンドが得られる。
モンド中に窒素原子が１×１０19ｃｍ-3以上ドーピング
された半導体ダイヤモンドが得られる。
【００６３】本発明の半導体ダイヤモンドにおいては、
室温〜６００℃の温度範囲でキャリア濃度にほとんど温
度依存性がなく、しかもダイヤモンド中のキャリアの密
度を制御して形成することが可能である。本発明により
得られる室温でも低抵抗のｎ型半導体ダイヤモンドは、
様々なデバイスに応用することができ、例えば、室温か
ら高温までの温度範囲で、あるいは放射線照射下、およ
び／又は高出力での動作で安定したダイオード特性、ト
ランジスタ特性等を示す半導体デバイスに応用すること
が可能である。
室温〜６００℃の温度範囲でキャリア濃度にほとんど温
度依存性がなく、しかもダイヤモンド中のキャリアの密
度を制御して形成することが可能である。本発明により
得られる室温でも低抵抗のｎ型半導体ダイヤモンドは、
様々なデバイスに応用することができ、例えば、室温か
ら高温までの温度範囲で、あるいは放射線照射下、およ
び／又は高出力での動作で安定したダイオード特性、ト
ランジスタ特性等を示す半導体デバイスに応用すること
が可能である。
【図１】実施例１で得られた窒素ドープ・ダイヤモンド
膜におけるキャリア濃度の温度依存性を示すグラフであ
る。
膜におけるキャリア濃度の温度依存性を示すグラフであ
る。
【図２】実施例２で得られた窒素−ボロンドープダイヤ
モンド膜におけるキャリア濃度の温度依存性を示すグラ
フである。
モンド膜におけるキャリア濃度の温度依存性を示すグラ
フである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−29610（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−238895（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−266020（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C30B 29/04
H01L 21/205
Claims (4)
- 【請求項１】 ダイヤモンド中に窒素原子およびボロン
原子がドーピングされており、且つ、窒素原子の濃度
（ＣＮ）と、ボロン原子の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ
≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にあることを特徴とするｎ型半導体
ダイヤモンド。 - 【請求項２】 気相合成法でダイヤモンドを形成する方
法において、窒素原子を含むガスと、ボロン原子を含む
ガスとを添加した反応ガスを用いて、ダイヤモンド中に
窒素原子およびボロン原子を１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの
範囲（ＣＮ：窒素原子の含有濃度、ＣＢ：ボロン原子の
含有濃度）でドーピングすることを特徴とするｎ型半導
体ダイヤモンドの形成方法。 - 【請求項３】 ダイヤモンド中に窒素原子とボロン原子
とがドーピングされており、窒素原子の濃度（ＣＮ）と
ボロン原子の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢ
の範囲にあり、且つ、キャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3
以上であることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンド。 - 【請求項４】 ダイヤモンド中に窒素原子およびボロン
原子がドーピングされており、窒素原子の濃度（ＣＮ）
とボロン原子の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧ＣＮ＞Ｃ
Ｂの範囲にあり、且つ、Ｘ線回折の２結晶法でのロッキ
ングカーブの半値幅が４０秒以下であることを特徴とす
るｎ型半導体ダイヤモンド。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21419293A JP3374866B2 (ja) | 1993-08-30 | 1993-08-30 | 半導体ダイヤモンド及びその形成方法 |
| US08/118,940 US5382809A (en) | 1992-09-14 | 1993-09-09 | Semiconductor device including semiconductor diamond |
| DE69322565T DE69322565T2 (de) | 1992-09-14 | 1993-09-10 | Diamant-Halbleiteranordnung |
| EP93114589A EP0588260B1 (en) | 1992-09-14 | 1993-09-10 | Diamond semiconductor device |
| DE69323827T DE69323827T2 (de) | 1992-09-14 | 1993-09-10 | Diamant-Halbleiter und Verfahren zur Herstellung |
| EP93114590A EP0594994B1 (en) | 1992-09-14 | 1993-09-10 | Semiconductor diamond and process for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21419293A JP3374866B2 (ja) | 1993-08-30 | 1993-08-30 | 半導体ダイヤモンド及びその形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0769794A JPH0769794A (ja) | 1995-03-14 |
| JP3374866B2 true JP3374866B2 (ja) | 2003-02-10 |
Family
ID=16651767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21419293A Expired - Lifetime JP3374866B2 (ja) | 1992-09-14 | 1993-08-30 | 半導体ダイヤモンド及びその形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3374866B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3568394B2 (ja) | 1998-07-07 | 2004-09-22 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 低抵抗ｎ型ダイヤモンドの合成法 |
| JP4770105B2 (ja) * | 2002-02-07 | 2011-09-14 | 住友電気工業株式会社 | ｎ型ダイヤモンド半導体 |
| JP2004214264A (ja) | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 低抵抗ｎ型半導体ダイヤモンドおよびその製造方法 |
| JP4911743B2 (ja) * | 2004-09-10 | 2012-04-04 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 電気化学素子及びその製造方法 |
| JP4855983B2 (ja) * | 2007-03-20 | 2012-01-18 | 東海旅客鉄道株式会社 | ダイヤモンド電極の製造方法 |
| SG157973A1 (en) * | 2008-06-18 | 2010-01-29 | Indian Inst Technology Bombay | Method for growing monocrystalline diamonds |
| JP5067571B2 (ja) * | 2008-07-16 | 2012-11-07 | 住友電気工業株式会社 | ダイヤモンド単結晶基板とその製造方法 |
| JP6415133B2 (ja) * | 2014-06-25 | 2018-10-31 | 国立大学法人 大分大学 | 導電性ダイヤモンド電極の製造方法 |
| JP7430874B2 (ja) * | 2019-11-28 | 2024-02-14 | 国立大学法人 熊本大学 | 異原子ドープダイヤモンド |
-
1993
- 1993-08-30 JP JP21419293A patent/JP3374866B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0769794A (ja) | 1995-03-14 |
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