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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synthetisieren eines künstlichen
Diamanten und im besonderen ein Verfahren zum Synthetisieren eines
transparenten Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand beim
Herstellen eines Diamanten mittels eines Dampf- bzw. Gasphasenwachstumsverfahrens,
eines Sputter-Verfahrens, eines Hochtemperatur- und Hochdruck-Syntheseverfahrens
oder dergleichen.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Als
ein Verfahren zum Synthetisieren eines Diamanten, ein Verfahren
zum künstlichen
Synthetisieren eines Diamanten aus einem Graphitkohlenstoff unter
Verwendung eines Katalysators bei hoher Temperatur und hohem Druck
(50 kbr, 1500 K oder mehr) und ein Verfahren zum Synthetisieren
eines Diamantdünnfilms auf
einem Substrat mittels eines CVD ("chemical vapor deposition"; chemische Gasphasenabscheidung)-Verfahrens
aus einem gemischten Gas aus einem Kohlenwasserstoff und einem Wasserstoff
unter niedrigem Druck (< 1
Torr) und hoher Temperatur (> 800°C) oder dergleichen
sind bekannt. Die ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichungsschrift
Nr. S62(1987)-70295
offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Diamantdünnfilms
als vom n-Typ. Gemäß diesem
Verfahren werden ein Reaktionsgas, das ein Gas einschließlich P,
As oder Sb als Dotierungselement enthält, ein Kohlenwassergas und
Wasserstoff durch Hitze zersetzt oder durch Plasma zersetzt, um
auf einem Substrat mittels eines Mikrowellenplasma-CVD-Verfahrens oder eines
wärmezersetzenden
CVD-Verfahrens verdampft zu werden, um dadurch einen Halbleiter-Diamantdünnfilm vom
n-Typ herzustellen.
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Das
oben genannte Plasma-CVD-Verfahren und das wärmezersetzende CVD-Verfahren haben Nachteile
dergestalt, dass es aufgrund des Hochtemperaturablaufs problematisch
ist, das Verfahren auszuführen, der
erlangte Film auf grund der im Film verbleibenden Eigen- bzw. Restspannung
einfach bricht und es schwierig ist, die Menge an Dotiersubstanz
zu steuern. Als ein Verfahren zum Lösen dieser Probleme offenbart
die ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichungsschrift
Nr. H5(1993)-345696 ein Verfahren zum Herstellen eines Diamantdünnfilms
mit einer hervorragenden Härte,
Korrosionsbeständigkeit,
Wärmebeständigkeit
und dergleichen, und der in der Lage ist, auf eine elektrische Hochtemperaturausrüstung angewandt
zu werden. Bei dem Verfahren wird gleichzeitig ein Dotiersubstanz-Ionenstrahl
eingeführt,
wenn ein Film bei einer niedrigen Temperatur durch Sputtern eines
Ionenstrahls aufwächst.
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Weiterhin
ist ein Verfahren zum Bilden eines Diamanten vom p-Typ oder n-Typ
bekannt (ungeprüfte Japanische
Patentveröffentlichungsschriften
Nrn. H5(1993)-117088 und H5(1993)-117089). Bei diesem Verfahren
wird ein Elektronenstrahl oder ein Excimer-Laserstrahl auf eine
Oberfläche
eines einkristallinen Diamanten eingestrahlt, um eine auf dem einkristallinen
Diamanten abgeschiedene Dotiersubstanz zu aktivieren, so dass die
Dotiersubstanz hinein diffundiert. Auch ist ein Halbleiterdiamant
vom n-Typ bekannt, in welchen Stickstoffatome von 1 × 1019 cm–3 oder mehr dotiert
werden (ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichungsschrift
Nr. H7(1995)-69794). Auch ist es bekannt, beim Bilden eines Diamanteinkristalls
vom n-Typ mittels eines Gasphasenaufwuchsverfahrens, um eine Reaktion
von Gasen aufgrund einer zugehörigen
Korrosion zu verhindern, bevor ein Substrat erreicht wird, jedes
Gas dem Substrat direkt in einem molekularen Flusszustand zuzuführen (ungeprüfte japanische
Patentveröftentlichungsschrift
Nr. H10(1998)-149986).
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Ferner
hat der Erfinder ein Verfahren zum Erlangen eines einkristallinen
Diamanten erfunden, das in der Kristallisation hervorragend ist
(ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichungsschrift
Nr. N9(1997)-20593). Bei dem Verfahren wird ein amorpher Kohlenstoffhybrid
durch Hinzufügen
eines Sauerstoffs zu einem Kohlenstoff gebildet, schnelles Herunterkühlen eines
zersetzten Kohlenstoffgashydrids auf einem Substrat oder Besputtern
von Kohlenstoff mit Wasserstoffatomen gebildet, und die Atome werden
bei niedriger Temperatur durch Bilden atomarer Löcher und an Zwischengitterplätzen angeordneten
Atompaa ren im amorphen Kohlenstoffhydrid in einen Kristalldiamanten
umgewandelt, um dadurch wirksam eine Bewegung des an einem Zwischengitterblatt
angeordneten Atoms zu bewirken. Der durch dieses Verfahren erlangte
einkristalline Diamant erreicht Eigenschaften, die von verschiedenen
Halbleitermaterialien und optischen Halbleitermaterialien benötigt werden,
welche eine hochgradig kontrollierte Kristallisation benötigen.
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Ein
Verfahren zum Synthetisieren eines hochgradig leitenden epitaktischen
Diamantfilms vom n-Typ durch Gasquellen-Molekularstrahl-Epitaxie
mit Methan und Tri-n-butylphosphin ist ebenfalls in Appl. Phys. Lett.,
Band 71, Nr. 7, 18. Aug. 1997, Seiten 945–947, offenbart.
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(VON DER ERFINDUNG ZU
LÖSENDE
PROBLEME)
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Ein
Diamantdünnfilm
vom p-Typ mit niedrigem Widerstand kann einfach mittels einer herkömmlichen Technik
hergestellt werden. Obwohl ein Diamant von n-Typ mit hohem Widerstand
hergestellt werden kann, ist es schwierig, einen Diamantdünnfilm vom
n-Typ mit niedrigem Widerstand herzustellen, weil es aufgrund des Selbstausgleicheffekts
und des tiefen Donatorpegels bzw. -niveaus (500 meV) unmöglich ist,
bei Raumtemperatur (300°K)
zu aktivieren.
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Falls
ein Diamant vom n-Typ mit niedrigem Widerstand als ein einkristalliner
Diamantdünnfilm
synthetisiert werden kann, und zwar durch sein Kombinieren mit einem
Diamanten vom p-Typ mit niedrigem Widerstand, was bereits durch
Dotieren mit Fremdatomen bzw. Störstellen
erreicht worden ist, ist es möglich,
eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Halbleitervorrichtung
herzustellen, welche einen bei hoher Temperatur betreibbaren Diamanten
und eine aus Diamant hergestellte Ultraviolett-Halbleiterlaserdiode
verwendet, was für
eine Aufnahme mit hoher Dichte und eine Übertragung großer Informationsmengen
unabdingbar ist.
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Es
ist auch möglich,
einen transparenten einkristallinen Schutzfilm vom n-Typ herzustellen,
der die hohen Härte
eines Diamanten ausnutzt, der in seiner elekt rischen Leitfähigkeit
und Wärmeleitfähigkeit
hervorragend ist. Weiterhin ist es durch Ausnutzen der negativen
Elektronenaffinitätsenergie
eines Diamanten möglich, eine
Anzeigeneinheit mit einer großen
Oberfläche
herzustellen, welche aus hocheffizienten Elektronenstrahlmaterialien
eines Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand hergestellt ist.
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Einen
Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand zu bilden, bedeutet,
das wegen N tiefe Donatorniveau in einem synthetisierten Diamanten
auszulöschen
und das tiefe Niveau in ein flaches Niveau abzuändern, wobei eine Absorption
natürlichen
Lichts (Sonnenlichts) verhindert wird, um dadurch die durch das
tiefe Niveau des einzelnen N im synthetischen Diamanten erzeugte
Farbe auszulöschen.
Dies ist das gleiche wie beim Bilden eines transparenten synthetisierten
Diamanten durch Bilden eines Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand.
Durch Synthetisieren eines Diamanten mittels einer Hochtemperatur-
und Hochdruck-Synthetisierungstechnik unter Verwendung eines Nickel-Katalysators oder
dergleichen wird es möglich,
einen transparenten bzw. lichtdurchlässigen Diamanten herzustellen,
der so wertvoll wie ein Juwel ist.
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(MITTEL ZUM LÖSEN DER
PROBLEME)
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Der
Erfinder hat die Tatsachen herausgefunden, dass es, um die oben
genannten Probleme zu lösen, durch
Bilden eines einkristallinen Diamantdünnfilms auf einem Substrat
mittels eines Gasphasenaufwuchsverfahrens oder eines Sputter-Verfahrens,
durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom p-Typ und
einer Dotiersubstanz vom n-Typ möglich
wird, eine Dotiersubstanz vom n-Typ
in hohen Dichten zu stabilisieren, ein Fremdatomniveau abzusenken
und die Zahl der Ladungsträger
erheblich zu erhöhen,
um dadurch einen einkristallinen Diamantdünnfilm mit niedrigem Widerstand
zu synthetisieren.
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Der
Erfinder hat auch die folgende Tatsache herausgefunden. Dies ist,
dass durch Synthetisieren eines künstlichen Diamanten mittels
eines herkömmlichen
Hochtemperatur- und Hochdruck-Synthetisierverfahrens unter Verwendung
eines Nickelkatalysators oder dergleichen, durch Mischen von H als
einer Do tiersubstanz vom p-Typ und N, P oder As als einer Dotiersubstanz
vom n-Typ beim atomaren Dichteverhältnis von 1:2 bis 1:3 vor dem
Synthetisieren, ein Donatorakzeptor-Verbund, wie beispielsweise
ein P-H-P-Paar, ein N-H-N-Paar oder ein As-H-As-Paar, in einem Kristall
gebildet wird, um das Fremdatomniveau im Vergleich zu einem einzigen
Dotieren zu verringern, um dadurch einen Diamanten vom n-Typ mit
niedrigem Widerstand zu bilden. Dies ergibt einen transparenten
künstlichen
Diamanten, wobei ein herkömmlicher
künstlicher
Diamant, der mittels eines herkömmlichen
Verfahrens hergestellt wird, eine Farbe aufweist, weil das natürliche Licht durch
das tiefe Fremdatomniveau von N absorbiert wird.
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In
anderen Worten basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Prinzip,
dass, unbeachtlich eines Verfahrens zum Synthetisieren eines Diamanten,
durch simultanes Dotieren von H als einen Akzeptor und P, N oder
As als einen Donator bei dem atomaren Dichteverhältnis von 1:2 bis 1:3 ein Akzeptor-Donator-Komplex (Verbund)
gebildet wird, der zu einem verringerten Donatorniveau führt. Gemäß diesem
Prinzip kann man auch einen Diamanten in einem metallischen Zustand
(0,001 Ωcm)
herstellen.
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Wie
in 1 gezeigt, wird durch Bilden eines P-H-P-Paars,
eines N-H-N-Paars oder eines As-H-As-Paars (-Komplexes) durch gleichzeitiges
Dotieren eine Elektronenstreuung aufgrund einer Ladungsträger-Dotiersubstanz
vom n-Typ herabgesetzt, und die Bewegung des Elektrons wird erheblich
erhöht.
Dies senkt das Donatorniveau, um dadurch die Ladungsträgerdichte
in einem Diamantkristall zu erhöhen,
was die Aktivierungsrate 10 bis 1000 Mal erhöht, was zu einem Diamanten
vom n-Typ mit niedrigem Widerstand führt.
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In
dem Diamantkristall nehmen N als ein Akzeptor und N, P oder As als
ein Donator eine strukturelle Position (einen Fremdatomkomplex)
ein, die das in 2 gezeigte Kristallmodell bildet.
Das Positionieren des Akzeptoratoms H zwischen dem Donatoratom (P,
N, As) und dem Donatoratom (P, N, As) stabilisiert die kristallographische
Strukturposition. Dementsprechend können Donatoren in höherer Dichte
dotiert werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden N, P oder As als eine Dotiersubstanz vom n-Typ in atomarer
Form und H als eine Dotierungssubstanz vom p-Typ in atomarer Form
elektrisch mittels einer Hochfrequenz- bzw. Radiowelle, einem Laser,
einem Röntgenstrahl,
einem Elektronenstrahl oder dergleichen gleichzeitig dotiert. Weiterhin
werden ein Kohlenstoffpartialdampfdruck, ein Partialdruck der Dotierungssubstanz vom
n-Typ und ein Partialdruck der Dotierungssubstanz vom p-Typ so gesteuert,
dass die atomare Dichte der Dotierungssubstanz vom n-Typ dergestalt
erhöht
wird, dass die atomare Dichte der Dotierungssubstanz vom n-Typ größer ist
als diejenige der Dotierungssubstanz vom p-Typ.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Entfernen von
H als einem Donator aus dem Kristall bereit. Bei dem Verfahren wird
ein einkristalliner Dünnfilm
des synthetisierten Diamanten einmal abgekühlt und bei hoher Temperatur
für eine
kurze Zeit in einem elektrischen Feld wärmebehandelt, so dass der aus
Wasserstoff hergestellte Donator aus dem Kristall entfernt wird.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines
hocheffizienten spinpolarisierten Elektrodenstrahlmaterials bereit.
Bei dem Verfahren wird ein kreispolarisierter Laser bzw. Laserstrahl
auf einen einkristallinen Dünnfilm
eines synthetisierten Diamanten eingestrahlt.
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(Funktion)
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Durch
gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom n-Typ und einer
Dotiersubstanz vom p-Typ wird die zwischen ihnen vorhandene elektrostatische
Energie oder Gitterenergie herabgesetzt, was eine Dotiersubstanz
vom n-Typ stabilisiert und ein stabiles Dotieren der n-Dotiersubstanz
mit hoher Dichte erlaubt, was zu einem niedrigen Widerstand führt.
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Ferner
wird durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom n-Typ
und einer Dotiersubstanz vom p-Typ ein Paar aus einer Dotiersubstanz
vom n-Typ und einer Dotiersubstanz vom p-Typ in einem Diamantkristall
gebildet, was eine Elektronenstreuung eines Ladungsträgers vom
n-Typ aufgrund einer Ladungsträger-Dotiersubstanz
vom n-Typ herabsetzt, um dadurch die Ladungsträgerbeweglichkeit zu erhöhen, was
zu einem niedrigen Widerstand führt.
In anderen Worten kann man gemäß der vorliegenden
Erfindung einen einkristallinen Diamantdünnfilm mit einer Filmdicke
von ungefähr
0,01 bis ungefähr
1 μm und
einem Filmwiderstand von 1,0 Ωcm
oder weniger erzeugen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Prinzip zeigt, dass ein Donatorniveau durch gleichzeitiges Dotieren
eines Donators und eines Akzeptors niedriger wird. 2 ist
eine erläuternde
Ansicht, die einen Donator-Akzeptor-Verbund zeigt, der durch gleichzeitiges
Dotieren eines Donators und eines Akzeptors gebildet wird. 3 ist
eine Seitenansicht, die ein Konzept einer Vorrichtung zum Ausführen eines
gleichzeitigen Dotierverfahrens zum Bilden eines Diamantdünnfilms
gemäß einem
Molekularstrahl-Epitaxieverfahren zeigt.
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DIE BESTE
AUSFÜHRUNGSFORM
ZUM DURCHFÜHREN
DER ERFINDUNG
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In
der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein Gasphasenaufwuchsverfahren
beispielsweise ein metall-organisches Verfahren, das ein Verbundgas
verwendet ("metal-organic
chemical vapor deposition"; MOCVD-Verfahren)
und ein Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, das einen Atomstrahl
verwendet ("molecular beam
epitaxy"; MBE-Verfahren).
Ein Sputterverfahren bezeichnet beispielsweise ein Sputtern eines
Graphits durch ein Wasserstoffatom und verschiedene andere Verfahren,
die zum Synthetisieren eines Diamantdünnfilms verwendbar sind.
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Beispielsweise
wird bei dem MBE-Verfahren Kohlenstoffgashydrid unter ausreichenden
Wasserstoffbedingungen zersetzt und wird angehäuft bzw. akkumuliert, um bei
niedriger Temperatur auf einem Halbleitersubstrat auskristallisiert
zu werden, so dass ein einkristalliner Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand
gebildet wird. Statt des Verfahrens, bei welchem ein Kohlenstoffgashydrid
zersetzt wird, kann ein Verfahren verwendet werden, in welchem Sauerstoff
in Form eines Plasmas dem Kohlenstoff hinzugefügt wird. Bei dem MOCVD-Verfahren
oder dem MBE-Verfahren kann ein Gas, welches eine große Menge
von Wasserstoff erzeugt, wie beispielsweise Tributylphosphin, als
ein Dotiermaterial verwendet werden.
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Durch
gleichzeitiges Dotieren einer atomaren Dotiersubstanz vom n-Typ
(Donator) und einer atomaren Dotiersubstanz vom p-Typ (Akzeptor)
wird ein Donator-Akzeptor-Paar
in einem Kristall gebildet, um die elektrostatische Energie oder
Gitterenergie zwischen ihnen zu verringern, was zu einem stabilen
Dotieren der Dotiersubstanz vom n-Typ mit hoher Dichte führt. Da
weiterhin der Donator-Akzeptor-Verbund
gebildet wird, sinkt das Donatorniveau in großem Maße ab. Daher können Materialien
für Hochleistungs-
und Hochgeschwindigkeits-Diamant-Halbleitervorrichtungen,
die bei hoher Temperatur betreibbar sind, oder hocheffiziente Elektronenstrahlmaterialien
hergestellt werden.
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3 zeigt
ein Beispiel einer schematischen Seitenansicht einer Vorrichtung
zum Durchführen
eines MBE-Verfahrens als einem der erfindungsgemäßen Verfahren.
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Ein
Diamanteinkristallsubstrat 2 wird an einem Halter (nicht
gezeigt) befestigt. Das Substrat 2 wird mittels einer elektrischen
Heizvorrichtung (nicht gezeigt) auf 300°C bis 950°C in einem Zustand aufgeheizt,
bei dem die Vakuumkammer 1 in einem Vakuumzustand mittels
einer Vakuumevakuiervorrichtung (nicht gezeigt) gehalten wird. Kohlenstoffhydridgas
oder mit Wasserstoff angereichter Kohlenstoff wird durch ein Gaseinlassrohr 4 eingeführt und
mittels einer Hochfrequenzspule 7 thermisch zersetzt, um
in einem Molekularfluss zum Substrat 2 geführt zu werden,
um auf dem Substrat 2 absorbiert zu werden.
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Ein
Donator, wie beispielsweise N, P oder As, wird durch die Hochfrequenzspule 7 thermisch
zersetzt und durch das Gaseinlassrohr 5 in Richtung des
Substrats 2 geführt.
Gleichzeitig wird ein Akzeptor, wie beispielsweise H, durch sein Führen durch
das Gaseinlassrohr 6 zum Substrat 2 hin dotiert,
um dadurch einen Diamanten 3 auf dem Substrat zu bilden.
N, P oder As als ein Donator vom n-Typ und H als ein Akzeptor vom p-Typ
können
atomares Gas sein, das durch Bestrahlen eines molekulares Gases
durch eine elektromagnetische Welle in einem Mikrowellenbereich
gebildet wird, oder eine atomaren Einfachzelle, die durch Aufheizen bei
einer Hochtemperatur gebildet wird.
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Beim
Bilden des Kristalls werden ein Kohlenstoffdampf-Partialdruck, ein
Partialdruck der Dotiersubstanz vom n-Typ und ein Partialdruck der
Dotiersubstanz vom p-Typ so gesteuert, dass die atomare Dichte der Dotiersubstanz
vom n-Typ so erhöht wird,
dass die atomare Dichte der Dotiersubstanz vom n-Typ größer ist als
diejenige der Dotiersubstanz vom p-Typ. In anderen Worten wird das
Verhältnis
der atomaren Dichte der Dotiersubstanz vom p-Typ zur Dotiersubstanz
vom n-Typ dergestalt gesteuert, dass die atomare Dichte der n-Typ-Dotiersubstanz größer ist
als die der p-Typ-Dotiersubstanz, wie beispielsweise 1:2 bis 1:3,
um dadurch einen Fremdatomverbund vom n-Typ zu bilden, in welchem
die atomare Dichte der Dotiersubstanz vom p-Typ zur Dotiersubstanz
vom n-Typ 1:2 bis 1:3 beträgt.
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Darüber hinaus
wird nach Bilden eines einkristallinen Diamantdünnfilms vom n-Typ mit niedrigem
Widerstand auf dem Halbleiterdiamantsubstrat 2 bei niedriger
Temperatur und niedrigem Druck der Dünnfilm einmal abgekühlt und
bei hoher Temperatur für
eine kurze Zeit in einem elektrischen Feld wärmebehandelt, so dass der aus
Wasserstoff hergestellte Akzeptor aus dem Kristall entfernt wird,
um so eine Passivierung durch Wasserstoff wiederherzustellen. Zu
diesem Zeitpunkt wird die Menge des Wasserstoffakzeptors als einer p-Dotiersubstanz, welche
sich im Kristall einfach bewegt, durch Elektronenanregung (Elektronenstrahl-Bestrahlung)
und Wärmeanregung
dergestalt gesteuert, dass die atomare Dichte der Dotiersubstanz
vom n-Typ ein wenig höher
ist als diejenige der Dotiersubstanz vom p-Typ, wie beispielsweise
dann, wenn das atomare Dichteverhältnis des Donators zum Wasserstoffakzeptor
1:2 bis 1:3 beträgt.
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Ferner
wird ein einkristalliner Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem
Widerstand durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom
p-Typ und einer Dotiersubstanz vom n-Typ gebildet, um eine negative Elektronenaffinitätsenergie
zu erreichen. Dies erzeugt ein höheres
Niveau von Elektronen als ein Vakuumniveau. Als ein Ergebnis kann
der Diamantdünnfilm
als ein Elektronenemitter für
eine Großbildschirmanzeige oder
dergleichen verwendet werden. Durch Einstrahlen eines zirkular polarisierten
Elektronenstrahls auf den einkristallinen Diamantdünnfilm vom
n-Typ mit niedrigem Widerstand, der die negative Elektronenaffinitätsenergie
zeigt, um die Zahl der Elektronen zwischen dem aufwärts gerichteten
Spin und dem abwärts
gerichteten Spin aufzuteilen, können
Elektronen mit einem unterschiedlich gerichteten Spin bei niedriger
Spannung herausgenommen werden. Daher kann ein hoch effizientes
Material für
einen Spin-polarisierten Elektronenstrahl hergestellt werden.
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Beim
Synthetisieren eines künstlichen
Diamanten mittels eines herkömmlichen
Hochtemperatur- und Hochdruck-Synthetisierungsverfahrens unter Verwendung
eines Nickelkatalysators, werden ein N- oder P-Verbund einschließlich einer
großen
Menge von H, wie beispielsweise NH3, in
einem nicht-diamantenen Kohlenstoff, wie beispielsweise einem Graphit,
oder ein As-Verbund in einer Hochtemperatur- und Hochdruck-Vorrichtung
aufgebracht. Dann werden N als eine p-Typ-Dotiersubstanz und N,
P oder As eine n-Typ-Dotiersubstanz gemischt, so dass das Verhältnis der
atomaren Dichte der p-Typ-Dotiersubstanz zur n-Typ-Dotiersubstanz
1:2 bis 1:3 unter normalen Hochtemperatur- und Hochdruck-Herstellungsbedingungen
wird.
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(Beispiele)
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Wie
in 3 gezeigt, wurde die Vakuumkammer 1 auf
einem Vakuumniveau von 10–10 Torr gehalten, und
das Substrat 2 wurde mittels einer elektrischen Heizvorrichtung
beheizt. CH-Gas (Kohlenwasserstoff, Methan, Ethan, Propan) wurde
durch das Gaseinlassrohr 4 eingeführt und wurde thermisch durch
die Hochfrequenzspule 7 zersetzt, um den molekularen Fluss
in Richtung des Substrats 2 zu führen, damit dieser auf dem Substrat 2 absorbiert
wird. P als ein Donator wurde in Richtung des Substrats 2 durch
das Einlassrohr 5 bei einer Durchflussrate von 5 × 10–9 Torr
ausgegeben, und H als ein Akzeptor wurde von dem Einlassrohr 6 in Richtung
des Substrats 2 bei einer Flussrate von 10–9 Torr
ausgegeben, um sie so gleichzeitig zu dotieren, um dadurch einen
Diamanten 3 bei der Substrattemperatur von 400°C, 450°C, 600°C, 800°C und 900°C zu bilden. P
als ein Donator und H als ein Akzeptor wurden durch die Hochfrequenzspule 7 elektrisch
angeregt, um so in einen atomaren Gaszustand zu gelangen. Nachdem
90 Minuten vergangen waren, wurde das Kristallwachstum unterbrochen.
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Der
erlangte Einkristall-Diamantdünnfilm
hat die in Tabelle 1 gezeigte Dicke. Im Fall des gleichzeitigen Dotierens
von P und H war die Ladungsträgerdichte
vom n-Typ bei jeder Kristallwachstumstemperatur um ein paar Stellen
höher im
Vergleich zu dem Fall, bei dem nur der P-Dampf als ein Donator vom
n-Typ ohne Zuführen
von H-Dampf als Dotiersubstanz vom p-Typ dotiert wurde.
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Ferner
war die Donatordichte in Abhängigkeit
von der Kristallwachstumstemperatur (der Substrattemperatur) unterschiedlich.
Die Donatordichte betrug 1 × 1020 cm–3 oder mehr bei der
Substrattemperatur von 800°C.
Zusätzlich
betrug der Filmwiderstand 1,0 Ωcm
oder weniger, wie in Tabelle 1 gezeigt.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann ein Diamant vom n-Typ als ein einkristalliner Diamantdünnfilm synthetisiert
werden.
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Daher
ist es möglich,
eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Halbleitervorrichtung unter Verwenden
eines Diamanten herzustellen, die bei hoher Temperatur betreibbar
ist, sowie eine Ultraviolett-Halbleiter-Laserdiode, die zum Aufnehmen
mit hoher Dichte und Übertragen
großer
Informationsmengen mittels eines Diamanten unerlässlich ist.
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Es
ist auch möglich,
einen transparenten einkristallinen Schutzfilm vom n-Typ mit niedrigem
Widerstand herzustellen, welcher die hohen Härteeigenschaften des Diamanten
verwendet. Weiterhin kann, da ein einkristalliner Diamantdünnfilm vom
n-Typ mit niedrigem Widerstand durch gleichzeitiges Dotieren mit
einer Dotiersubstanz vom p-Typ und einer Dotiersubstanz vom n-Typ
hergestellt werden kann, eine negative Elektronenaffinitätsenergie
erlangt werden. Dadurch ist es durch Einstrahlen eines zirkular
polarisierten Laserstrahls auf den Dünnfilm möglich, eine Hochleistungs-
und Hochgeschwindigkeits-Anzeigeeinheit
herzustellen, die bei hoher Temperatur betreibbar ist und eine große Anzeigefläche aufweist,
welche mittels hocheffizienter Elektronenstrahlmaterialien hergestellt
ist.