JP2001007348A - ダイヤモンド半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents
ダイヤモンド半導体デバイス及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温であっても整流可能なｐｎ接合を形成し
たダイヤモンド半導体デバイス及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 ホウ素ドープした高圧合成ダイヤモンド
又は天然のＩＩｂ型ダイヤモンドから形成されたｐ型ダ
イヤモンド半導体結晶２上に、例えばプラズマＣＶＤ法
によってドナー原子となるイオウをドープしたｎ型ダイ
ヤモンド半導体結晶層４を成長させてｐｎ接合６を形成
したものである。このｐｎ接合は５００℃という高温下
でも良好な整流作用を示す。
たダイヤモンド半導体デバイス及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 ホウ素ドープした高圧合成ダイヤモンド
又は天然のＩＩｂ型ダイヤモンドから形成されたｐ型ダ
イヤモンド半導体結晶２上に、例えばプラズマＣＶＤ法
によってドナー原子となるイオウをドープしたｎ型ダイ
ヤモンド半導体結晶層４を成長させてｐｎ接合６を形成
したものである。このｐｎ接合は５００℃という高温下
でも良好な整流作用を示す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は高温や放射線下で
動作する半導体デバイスに利用し、特に高温で整流作用
するｐｎ接合を形成したダイヤモンド半導体デバイス及
びその製造方法に関する。
動作する半導体デバイスに利用し、特に高温で整流作用
するｐｎ接合を形成したダイヤモンド半導体デバイス及
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンド半導体は５．５ｅＶという
広いバンドギャップを持つ極めて特殊な半導体結晶であ
り、このバンドギャップが広いことから、シリコンデバ
イスにみられるような熱による半導体特性の変化が少な
いため、かなりの高温で動作するデバイス作製が可能で
ある。
広いバンドギャップを持つ極めて特殊な半導体結晶であ
り、このバンドギャップが広いことから、シリコンデバ
イスにみられるような熱による半導体特性の変化が少な
いため、かなりの高温で動作するデバイス作製が可能で
ある。
【０００３】従来、適当なドナー原子が見いだされてい
ないことから良質のｎ型のダイヤモンド半導体を得るの
が困難であり、したがって、その応用に限界があり、と
くにｐｎ接合を用いた実用デバイスは作製できなかっ
た。ｐ型ダイヤモンド半導体に関しては非常に高品質な
ダイヤモンド半導体薄膜が得られている。その代表的な
特性である正孔移動度は１５００ｃｍ2 Ｖ-1ｓ-1程度の
ものが再現性よく得られており、高速、大電流デバイス
の作製に十分なものである。
ないことから良質のｎ型のダイヤモンド半導体を得るの
が困難であり、したがって、その応用に限界があり、と
くにｐｎ接合を用いた実用デバイスは作製できなかっ
た。ｐ型ダイヤモンド半導体に関しては非常に高品質な
ダイヤモンド半導体薄膜が得られている。その代表的な
特性である正孔移動度は１５００ｃｍ2 Ｖ-1ｓ-1程度の
ものが再現性よく得られており、高速、大電流デバイス
の作製に十分なものである。
【０００４】最近、このダイヤモンド半導体の応用に関
する最大の解決課題となっていたｎ型ダイヤモンド半導
体の合成が本発明者らにより提案されている（特願平１
１−１２４６８２号）。この提案では、マイクロ波プラ
ズマＣＶＤにおいてイオウ化合物、代表的には硫化水素
を添加することによってダイヤモンド半導体結晶中にイ
オウ原子をドナーとして導入し、これにより良質なｎ型
ダイヤモンド半導体が得られている。その代表的な特性
である電子移動度は約６００ｃｍ2 Ｖ-1ｓ-1であり、活
性化エネルギー（不純物レベル）は０．３８ｅＶ程度で
ある。現在のところｐ型ダイヤモンド半導体のものには
及ばないが十分にデバイスに適応することができる。
する最大の解決課題となっていたｎ型ダイヤモンド半導
体の合成が本発明者らにより提案されている（特願平１
１−１２４６８２号）。この提案では、マイクロ波プラ
ズマＣＶＤにおいてイオウ化合物、代表的には硫化水素
を添加することによってダイヤモンド半導体結晶中にイ
オウ原子をドナーとして導入し、これにより良質なｎ型
ダイヤモンド半導体が得られている。その代表的な特性
である電子移動度は約６００ｃｍ2 Ｖ-1ｓ-1であり、活
性化エネルギー（不純物レベル）は０．３８ｅＶ程度で
ある。現在のところｐ型ダイヤモンド半導体のものには
及ばないが十分にデバイスに適応することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、未だ良
好なｐｎ接合を形成したダイヤモンド半導体デバイスは
得られていない。そこで、この発明は高温であっても整
流可能なｐｎ接合を形成したダイヤモンド半導体デバイ
ス及びその製造方法を提供することを目的とする。
好なｐｎ接合を形成したダイヤモンド半導体デバイスは
得られていない。そこで、この発明は高温であっても整
流可能なｐｎ接合を形成したダイヤモンド半導体デバイ
ス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のうち請求項１記載の発明のダイヤモンド
半導体デバイスは、ドナー原子がイオウであるｎ型ダイ
ヤモンド半導体とｐ型ダイヤモンド半導体とが原子オー
ダーの急峻さでｐｎ接合した構造を備える構成とした。
また、請求項２記載の発明は、上記構成に加え、ドナー
原子濃度が１０13／ｃｍ3 〜１０21/ ｃｍ3 の範囲であ
ることを特徴とするものである。請求項３記載の発明
は、ｐｎ接合が整流特性を有していることを特徴とする
ものである。請求項４記載の発明は、前記ｐ型ダイヤモ
ンド半導体がアクセプター原子としてホウ素をドープし
たｐ型半導体であることを特徴とするものである。請求
項５記載の発明は、ｐ型ダイヤモンド半導体がホウ素を
ドープした高圧合成ダイヤモンドであることを特徴とす
る。また請求項６記載の発明は、ｐ型ダイヤモンド半導
体が天然のＩＩｂ型ダイヤモンドであることを特徴とす
る。さらに請求項７記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半
導体とｐ型ダイヤモンド半導体とを絶縁体ダイヤモンド
基板に積層した構造を有することを特徴とする。
に、この発明のうち請求項１記載の発明のダイヤモンド
半導体デバイスは、ドナー原子がイオウであるｎ型ダイ
ヤモンド半導体とｐ型ダイヤモンド半導体とが原子オー
ダーの急峻さでｐｎ接合した構造を備える構成とした。
また、請求項２記載の発明は、上記構成に加え、ドナー
原子濃度が１０13／ｃｍ3 〜１０21/ ｃｍ3 の範囲であ
ることを特徴とするものである。請求項３記載の発明
は、ｐｎ接合が整流特性を有していることを特徴とする
ものである。請求項４記載の発明は、前記ｐ型ダイヤモ
ンド半導体がアクセプター原子としてホウ素をドープし
たｐ型半導体であることを特徴とするものである。請求
項５記載の発明は、ｐ型ダイヤモンド半導体がホウ素を
ドープした高圧合成ダイヤモンドであることを特徴とす
る。また請求項６記載の発明は、ｐ型ダイヤモンド半導
体が天然のＩＩｂ型ダイヤモンドであることを特徴とす
る。さらに請求項７記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半
導体とｐ型ダイヤモンド半導体とを絶縁体ダイヤモンド
基板に積層した構造を有することを特徴とする。
【０００７】上記の構成により、この発明のダイヤモン
ド半導体デバイスでは良質かつ急峻なｐｎ接合を有し、
非常に良好な整流作用を示す。さらに５００℃の高温下
でも整流作用を示し、高温動作するｐｎ接合ダイオード
の製作が可能になる。
ド半導体デバイスでは良質かつ急峻なｐｎ接合を有し、
非常に良好な整流作用を示す。さらに５００℃の高温下
でも整流作用を示し、高温動作するｐｎ接合ダイオード
の製作が可能になる。
【０００８】また、この発明の請求項８記載の発明のダ
イヤモンド半導体デバイス製造方法は、原料ガスの活性
化に基づき薄膜が成長する気相合成法において、ｐ型ダ
イヤモンド半導体結晶層を形成する第１工程と、ドナー
原子がイオウであるｎ型ダイヤモンド半導体結晶層を形
成する第２工程とを備え、原子オーダーの急峻さでｐｎ
接合した構造を形成することを特徴とする。請求項９記
載の発明は、上記構成に加え、第１工程において、ｐ型
ダイヤモンド半導体結晶のドーパントがホウ素であっ
て、ホウ素とｐ型ダイヤモンド半導体結晶の構成原子の
ソースとなる炭化水素の炭素との比が２０〜２００００
ｐｐｍであることを特徴とする。また請求項１０記載の
発明は、上記第２工程において、イオウとダイヤモンド
半導体結晶の構成原子のソースとなる炭化水素の炭素と
の比が１０００〜１００００ｐｐｍであることを特徴と
するものである。さらに請求項１１記載の発明は、気相
合成法において、原料ガスの活性化に電気、熱及び光の
うち少なくとも一種類を使用したことを特徴とする。
イヤモンド半導体デバイス製造方法は、原料ガスの活性
化に基づき薄膜が成長する気相合成法において、ｐ型ダ
イヤモンド半導体結晶層を形成する第１工程と、ドナー
原子がイオウであるｎ型ダイヤモンド半導体結晶層を形
成する第２工程とを備え、原子オーダーの急峻さでｐｎ
接合した構造を形成することを特徴とする。請求項９記
載の発明は、上記構成に加え、第１工程において、ｐ型
ダイヤモンド半導体結晶のドーパントがホウ素であっ
て、ホウ素とｐ型ダイヤモンド半導体結晶の構成原子の
ソースとなる炭化水素の炭素との比が２０〜２００００
ｐｐｍであることを特徴とする。また請求項１０記載の
発明は、上記第２工程において、イオウとダイヤモンド
半導体結晶の構成原子のソースとなる炭化水素の炭素と
の比が１０００〜１００００ｐｐｍであることを特徴と
するものである。さらに請求項１１記載の発明は、気相
合成法において、原料ガスの活性化に電気、熱及び光の
うち少なくとも一種類を使用したことを特徴とする。
【０００９】上記の構成により、この発明のダイヤモン
ド半導体デバイスの製造方法では、ドナー原子となるイ
オウをドープした良質のｎ型ダイヤモンド半導体を元に
ｐｎ接合を形成しているので、良質かつ急峻なｐｎ接合
デバイスが製造できる。
ド半導体デバイスの製造方法では、ドナー原子となるイ
オウをドープした良質のｎ型ダイヤモンド半導体を元に
ｐｎ接合を形成しているので、良質かつ急峻なｐｎ接合
デバイスが製造できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図７に基づき、この
発明による好適な実施の形態を説明する。図１（ａ）〜
（ｃ）は本発明に係るｐｎ接合を形成したダイヤモンド
半導体デバイスの概略断面図である。図１（ａ）を参照
すると、この発明のダイヤモンド半導体デバイス１０
は、ホウ素ドープした高圧合成ダイヤモンド又は天然の
ＩＩｂ型ダイヤモンドから形成されたｐ型ダイヤモンド
半導体結晶２上に、例えばプラズマＣＶＤ法によってド
ナー原子となるイオウをドープしたｎ型ダイヤモンド半
導体結晶層４を成長させてｐｎ接合６を形成したもので
ある。
発明による好適な実施の形態を説明する。図１（ａ）〜
（ｃ）は本発明に係るｐｎ接合を形成したダイヤモンド
半導体デバイスの概略断面図である。図１（ａ）を参照
すると、この発明のダイヤモンド半導体デバイス１０
は、ホウ素ドープした高圧合成ダイヤモンド又は天然の
ＩＩｂ型ダイヤモンドから形成されたｐ型ダイヤモンド
半導体結晶２上に、例えばプラズマＣＶＤ法によってド
ナー原子となるイオウをドープしたｎ型ダイヤモンド半
導体結晶層４を成長させてｐｎ接合６を形成したもので
ある。
【００１１】ホウ素ドープした高圧合成ダイヤモンド
は、例えば５０ｋｂａｒ、１５００℃以上の超高圧高温
法により作製可能であり、また天然に産出するＩＩｂ型
と呼ばれるダイヤモンド結晶はホウ素を含み、ｐ型のダ
イヤモンド半導体である。
は、例えば５０ｋｂａｒ、１５００℃以上の超高圧高温
法により作製可能であり、また天然に産出するＩＩｂ型
と呼ばれるダイヤモンド結晶はホウ素を含み、ｐ型のダ
イヤモンド半導体である。
【００１２】図１（ｂ）に示すダイヤモンド半導体デバ
イス２０は、通常の合成ダイヤモンド又は天然ダイヤモ
ンドから形成した絶縁体ダイヤモンド基板３上に、例え
ばプラズマＣＶＤ法で形成されたホウ素ドープしたｐ型
ダイヤモンド半導体結晶層５と、この上に例えばプラズ
マＣＶＤ法によってイオウドープしたｎ型ダイヤモンド
半導体結晶層７を成長させてｐｎ接合８を形成したもの
である。図１（ｃ）に示すダイヤモンド半導体デバイス
３０は、図１（ｂ）に示したダイヤモンド半導体デバイ
ス２０の導電型を逆にして形成されたものである。
イス２０は、通常の合成ダイヤモンド又は天然ダイヤモ
ンドから形成した絶縁体ダイヤモンド基板３上に、例え
ばプラズマＣＶＤ法で形成されたホウ素ドープしたｐ型
ダイヤモンド半導体結晶層５と、この上に例えばプラズ
マＣＶＤ法によってイオウドープしたｎ型ダイヤモンド
半導体結晶層７を成長させてｐｎ接合８を形成したもの
である。図１（ｃ）に示すダイヤモンド半導体デバイス
３０は、図１（ｂ）に示したダイヤモンド半導体デバイ
ス２０の導電型を逆にして形成されたものである。
【００１３】ｐ型ダイヤモンド半導体結晶層５は厚さが
１μｍ程度であるが、１ｎｍ程度以上であればよい。ま
たドープされたホウ素濃度は１０13ｃｍ-3以上であれば
よく、上限は１０21ｃｍ-3程度である。ホウ素ドープし
た高圧合成ダイヤモンド又は天然のＩＩｂ型ダイヤモン
ドで形成されたｐ型ダイヤモンド半導体結晶では厚さが
５００μｍ程度であるが、形成可能な厚さでもよい。ま
たホウ素濃度はｐ型ダイヤモンド半導体を呈すればよ
く、１０13ｃｍ-3以上であればよい。
１μｍ程度であるが、１ｎｍ程度以上であればよい。ま
たドープされたホウ素濃度は１０13ｃｍ-3以上であれば
よく、上限は１０21ｃｍ-3程度である。ホウ素ドープし
た高圧合成ダイヤモンド又は天然のＩＩｂ型ダイヤモン
ドで形成されたｐ型ダイヤモンド半導体結晶では厚さが
５００μｍ程度であるが、形成可能な厚さでもよい。ま
たホウ素濃度はｐ型ダイヤモンド半導体を呈すればよ
く、１０13ｃｍ-3以上であればよい。
【００１４】また、ｎ型ダイヤモンド半導体結晶層４，
７は厚さが１μｍ程度であるが、１ｎｍ程度以上であれ
ばよい。またドナーとしてドープされたイオウ濃度は１
０13ｃｍ-3以上であり、上限は１０21ｃｍ-3程度であ
る。
７は厚さが１μｍ程度であるが、１ｎｍ程度以上であれ
ばよい。またドナーとしてドープされたイオウ濃度は１
０13ｃｍ-3以上であり、上限は１０21ｃｍ-3程度であ
る。
【００１５】図１（ａ）〜（ｃ）中、１１，１３，２
１，２３，３１，３３は電極を示す。これらの電極はダ
イヤモンド上にチタン（Ｔｉ）を蒸着し、そのチタンの
酸化防止のため、さらにその上に金（Ａｕ）を蒸着して
電極としたものである。なお、図１（ｂ）、（ｃ）の電
極２３，３３は絶縁体ダイヤモンド基板の裏面側（露出
側）に形成されていてもよい。
１，２３，３１，３３は電極を示す。これらの電極はダ
イヤモンド上にチタン（Ｔｉ）を蒸着し、そのチタンの
酸化防止のため、さらにその上に金（Ａｕ）を蒸着して
電極としたものである。なお、図１（ｂ）、（ｃ）の電
極２３，３３は絶縁体ダイヤモンド基板の裏面側（露出
側）に形成されていてもよい。
【００１６】次に、この発明のダイヤモンド半導体デバ
イスの特性について説明する。図２は図１（ｂ）で示し
たダイヤモンド半導体デバイスにおける不純物の深さ方
向の分析結果を示す図である。ダイヤモンド半導体デバ
イス２０を二次イオン質量分析法（以下、「ＳＩＭＳ」
と記す。）で分析し、その深さ方向プロファイルは第一
層の表面からイオウドープしたｎ型ダイヤモンド半導体
結晶層７と、第二層のホウ素ドープしたｐ型ダイヤモン
ド半導体結晶層５と、図中矢印で示した範囲の絶縁体ダ
イヤモンド基板３とが図２に示されている。なお、図２
中、ａ、ｂで示したプロファイルはバックグラウンドで
ある。
イスの特性について説明する。図２は図１（ｂ）で示し
たダイヤモンド半導体デバイスにおける不純物の深さ方
向の分析結果を示す図である。ダイヤモンド半導体デバ
イス２０を二次イオン質量分析法（以下、「ＳＩＭＳ」
と記す。）で分析し、その深さ方向プロファイルは第一
層の表面からイオウドープしたｎ型ダイヤモンド半導体
結晶層７と、第二層のホウ素ドープしたｐ型ダイヤモン
ド半導体結晶層５と、図中矢印で示した範囲の絶縁体ダ
イヤモンド基板３とが図２に示されている。なお、図２
中、ａ、ｂで示したプロファイルはバックグラウンドで
ある。
【００１７】ダイヤモンドの場合、その結晶中を異種原
子、例えばホウ素（Ｂ）、イオウ（Ｓ）などが極めて拡
散しにくいという特徴を有しており、これがｐｎ接合の
形成には有利に働き、図２に示すように、界面の不純物
濃度の変化が極めて急峻である。すなわち、ｐ型ダイヤ
モンド半導体結晶層とｎ型ダイヤモンド半導体結晶層と
が原子オーダーで切り替わってｐｎ接合が形成されてい
る。したがって、本発明のダイヤモンド半導体デバイス
で形成されたｐｎ接合は、非常に良質かつ原子オーダー
で急峻である。
子、例えばホウ素（Ｂ）、イオウ（Ｓ）などが極めて拡
散しにくいという特徴を有しており、これがｐｎ接合の
形成には有利に働き、図２に示すように、界面の不純物
濃度の変化が極めて急峻である。すなわち、ｐ型ダイヤ
モンド半導体結晶層とｎ型ダイヤモンド半導体結晶層と
が原子オーダーで切り替わってｐｎ接合が形成されてい
る。したがって、本発明のダイヤモンド半導体デバイス
で形成されたｐｎ接合は、非常に良質かつ原子オーダー
で急峻である。
【００１８】図３はこの発明に係るｐｎ接合のダイオー
ド特性を示す図である。図３を参照すると、この発明の
ダイヤモンド半導体デバイスは順方向には電流が流れる
が、逆方向には電流が流れない良好な整流特性を有して
いる。また４００℃、５００℃という高温においても良
好な整流特性を有する。
ド特性を示す図である。図３を参照すると、この発明の
ダイヤモンド半導体デバイスは順方向には電流が流れる
が、逆方向には電流が流れない良好な整流特性を有して
いる。また４００℃、５００℃という高温においても良
好な整流特性を有する。
【００１９】図４は図３のデータを対数プロットした図
である。図４に示すように、室温においては６桁程度の
整流特性が得られ、５００℃においても３桁程度の整流
特性が得られている。したがって、この発明に係るホウ
素ドープによるｐ型ダイヤモンド半導体とイオウドープ
によるｎ型ダイヤモンド半導体とのｐｎ接合を備えるダ
イオードは、高温においても整流作用を有する。
である。図４に示すように、室温においては６桁程度の
整流特性が得られ、５００℃においても３桁程度の整流
特性が得られている。したがって、この発明に係るホウ
素ドープによるｐ型ダイヤモンド半導体とイオウドープ
によるｎ型ダイヤモンド半導体とのｐｎ接合を備えるダ
イオードは、高温においても整流作用を有する。
【００２０】なお、図１に示した実施形態ではｐｎ接合
の例を示したが、これに限らず、例えばｐｎｐ接合、ｎ
ｐｎ接合も可能であり、またダイヤモンド絶縁体層を挟
んだ接合にしてもよい。
の例を示したが、これに限らず、例えばｐｎｐ接合、ｎ
ｐｎ接合も可能であり、またダイヤモンド絶縁体層を挟
んだ接合にしてもよい。
【００２１】次に、この発明のダイヤモンド半導体デバ
イス製造方法について説明する。この発明のダイヤモン
ド半導体デバイスは気相合成法により製造可能である。
気相合成法としては、原料ガスを活性化する方法に応
じ、電気、熱及び光エネルギーの少なくともいずれを利
用すればよいが、本実施形態では電気エネルギー及び熱
エネルギーを利用したマイクロ波プラズマＣＶＤ法によ
る例を示す。
イス製造方法について説明する。この発明のダイヤモン
ド半導体デバイスは気相合成法により製造可能である。
気相合成法としては、原料ガスを活性化する方法に応
じ、電気、熱及び光エネルギーの少なくともいずれを利
用すればよいが、本実施形態では電気エネルギー及び熱
エネルギーを利用したマイクロ波プラズマＣＶＤ法によ
る例を示す。
【００２２】図５は上記実施形態で使用したマイクロ波
プラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。図５に示すよ
うに、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置４０は、例えば
２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生装置４１とアイソレー
タ及びパワーモニター４３とチューナー４５とを有し、
マイクロ波が照射される反応管４７と、この反応管４７
を真空排気する真空ポンプ（図示しない）と、反応管４
７に原料ガスである混合ガス又はパージ用ガスを切り換
えて供給するガス供給ライン４９と、複数の光学窓５
１，５１と、反応管内に設けられた基板ホルダー５３
と、この基板ホルダー５３上に設置された絶縁体ダイヤ
モンド基板５５を加熱又は冷却する温度制御システム５
７とを備え、基板上にガスが供給されてマイクロ波プラ
ズマ５９が発生するようになっている。なお、基板温度
は光高温計でモニターしている。
プラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。図５に示すよ
うに、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置４０は、例えば
２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生装置４１とアイソレー
タ及びパワーモニター４３とチューナー４５とを有し、
マイクロ波が照射される反応管４７と、この反応管４７
を真空排気する真空ポンプ（図示しない）と、反応管４
７に原料ガスである混合ガス又はパージ用ガスを切り換
えて供給するガス供給ライン４９と、複数の光学窓５
１，５１と、反応管内に設けられた基板ホルダー５３
と、この基板ホルダー５３上に設置された絶縁体ダイヤ
モンド基板５５を加熱又は冷却する温度制御システム５
７とを備え、基板上にガスが供給されてマイクロ波プラ
ズマ５９が発生するようになっている。なお、基板温度
は光高温計でモニターしている。
【００２３】次に、ｎ型ダイヤモンド半導体結晶の成長
条件の一例を図６に示す。図６を参照して、本実施形態
ではアルカン、アルケン等の揮発性炭化水素／イオウ化
合物／水素の混合ガスを原料ガスとして使用する。炭化
水素はダイヤモンドの構成元素である炭素のソースとし
て、イオウ化合物はドナー原子のソースとして、また水
素はキャリアガスとして使用している。
条件の一例を図６に示す。図６を参照して、本実施形態
ではアルカン、アルケン等の揮発性炭化水素／イオウ化
合物／水素の混合ガスを原料ガスとして使用する。炭化
水素はダイヤモンドの構成元素である炭素のソースとし
て、イオウ化合物はドナー原子のソースとして、また水
素はキャリアガスとして使用している。
【００２４】イオウ化合物としては、例えば硫化水素
（Ｈ2 Ｓ）、二硫化炭素（ＣＳ2 ）等の無機イオウ化合
物、低級アルキルメルカプタン等の有機イオウ化合物が
挙げられるが、硫化水素が最も好ましい。したがって、
混合ガスとしてはメタン／硫化水素／水素を使用するの
が好ましい。
（Ｈ2 Ｓ）、二硫化炭素（ＣＳ2 ）等の無機イオウ化合
物、低級アルキルメルカプタン等の有機イオウ化合物が
挙げられるが、硫化水素が最も好ましい。したがって、
混合ガスとしてはメタン／硫化水素／水素を使用するの
が好ましい。
【００２５】混合ガス中の揮発性炭化水素の濃度は０．
１％〜５％、好ましくは０．５％〜３．０％で使用する
のがよい。混合ガス中のイオウ化合物の濃度は１ｐｐｍ
〜２０００ｐｐｍ、好ましくは５ｐｐｍ〜２００ｐｐｍ
で使用するのがよい。
１％〜５％、好ましくは０．５％〜３．０％で使用する
のがよい。混合ガス中のイオウ化合物の濃度は１ｐｐｍ
〜２０００ｐｐｍ、好ましくは５ｐｐｍ〜２００ｐｐｍ
で使用するのがよい。
【００２６】本実施形態ではメタン濃度１％、硫化水素
１０〜１００ｐｐｍである。硫化水素の濃度が増加する
とキャリア濃度が増加するが、この範囲では移動度は硫
化水素の添加量が５０ｐｐｍで最大となるところから５
０ｐｐｍが最も好ましい。
１０〜１００ｐｐｍである。硫化水素の濃度が増加する
とキャリア濃度が増加するが、この範囲では移動度は硫
化水素の添加量が５０ｐｐｍで最大となるところから５
０ｐｐｍが最も好ましい。
【００２７】全ガス流量は、装置の規模、例えば反応管
部の体積、供給ガス流量及び排気量等によるが、本実施
形態では２００ｍｌ／ｍｉｎである。ガス流量は各ガス
種に対応したマスフローコントローラで制御するが、硫
化水素の添加量は、例えば１００ｐｐｍ硫化水素／水素
の混合ガスボンベを用い、キャリア水素で希釈してマス
フローコントローラで流量制御して所定の添加量の割合
に制御している。
部の体積、供給ガス流量及び排気量等によるが、本実施
形態では２００ｍｌ／ｍｉｎである。ガス流量は各ガス
種に対応したマスフローコントローラで制御するが、硫
化水素の添加量は、例えば１００ｐｐｍ硫化水素／水素
の混合ガスボンベを用い、キャリア水素で希釈してマス
フローコントローラで流量制御して所定の添加量の割合
に制御している。
【００２８】本実施形態では１００ｐｐｍ硫化水素／水
素の混合ガスボンベを使用する。硫化水素濃度を５０ｐ
ｐｍに設定しているので、全流量が２００ｍｌ／ｍｉｎ
の場合、キャリア水素ガスを１００ｍｌ／ｍｉｎとして
１００ｐｐｍ硫化水素／水素の混合ガスボンベから１０
０ｍｌ／ｍｉｎを流すと、全体で硫化水素濃度が５０ｐ
ｐｍに設定できる。
素の混合ガスボンベを使用する。硫化水素濃度を５０ｐ
ｐｍに設定しているので、全流量が２００ｍｌ／ｍｉｎ
の場合、キャリア水素ガスを１００ｍｌ／ｍｉｎとして
１００ｐｐｍ硫化水素／水素の混合ガスボンベから１０
０ｍｌ／ｍｉｎを流すと、全体で硫化水素濃度が５０ｐ
ｐｍに設定できる。
【００２９】マイクロ波プラズマＣＶＤでは気圧がだい
たい３０〜６０Ｔｏｒｒ内であり、本実施形態では４０
Ｔｏｒｒとした。マイクロ波放電では比較的高い圧力で
グロー放電を維持する。ダイヤモンドを析出する基板の
温度は７００℃〜１１００℃とするが、本実施形態では
８３０℃である。また絶縁体ダイヤモンド基板の（１０
０）面にダイヤモンド半導体層をホモエピタキシャル成
長させるが、（１００）面に限らず、例えば（１１１）
面や（１１０）面でもよい。
たい３０〜６０Ｔｏｒｒ内であり、本実施形態では４０
Ｔｏｒｒとした。マイクロ波放電では比較的高い圧力で
グロー放電を維持する。ダイヤモンドを析出する基板の
温度は７００℃〜１１００℃とするが、本実施形態では
８３０℃である。また絶縁体ダイヤモンド基板の（１０
０）面にダイヤモンド半導体層をホモエピタキシャル成
長させるが、（１００）面に限らず、例えば（１１１）
面や（１１０）面でもよい。
【００３０】次に、ｐ型ダイヤモンド半導体結晶の成長
条件の一例を図７に示す。図７に示すように、本実施形
態では混合ガスとしてＣＨ4 ／Ｂ2 Ｈ6 ／Ｈ2 を使用す
るのが好ましい。ホウ素化合物のジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）
はアクセプター原子のソースとして使用している。混合
ガス中のＣＨ4 は１．０％、Ｂ2 Ｈ6 は０．１〜１００
ｐｐｍ、Ｂ／Ｃ比は２０〜２００００ｐｐｍである。
条件の一例を図７に示す。図７に示すように、本実施形
態では混合ガスとしてＣＨ4 ／Ｂ2 Ｈ6 ／Ｈ2 を使用す
るのが好ましい。ホウ素化合物のジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）
はアクセプター原子のソースとして使用している。混合
ガス中のＣＨ4 は１．０％、Ｂ2 Ｈ6 は０．１〜１００
ｐｐｍ、Ｂ／Ｃ比は２０〜２００００ｐｐｍである。
【００３１】本実施形態では１００ｐｐｍジボラン（Ｂ
2 Ｈ6 ）／水素の混合ガスボンベを使用し、反応管に導
入するジボラン濃度を５０ｐｐｍに設定する。全ガス流
量は２００〜５００ｍｌ／ｍｉｎであるが、本実施形態
ではｎ型ダイヤモンド半導体のプロセスと連続させるた
め全ガス流量を２００ｍｌ／ｍｉｎにしている。
2 Ｈ6 ）／水素の混合ガスボンベを使用し、反応管に導
入するジボラン濃度を５０ｐｐｍに設定する。全ガス流
量は２００〜５００ｍｌ／ｍｉｎであるが、本実施形態
ではｎ型ダイヤモンド半導体のプロセスと連続させるた
め全ガス流量を２００ｍｌ／ｍｉｎにしている。
【００３２】成長圧力は４０〜５０Ｔｏｒｒであるが、
ｎ型ダイヤモンド半導体のプロセスと連続させるため同
じ圧力の４０Ｔｏｒｒに設定する。基板温度は７００℃
〜９５０℃であるが、ｎ型ダイヤモンド半導体のプロセ
スと連続させるため同じ温度の８３０℃である。
ｎ型ダイヤモンド半導体のプロセスと連続させるため同
じ圧力の４０Ｔｏｒｒに設定する。基板温度は７００℃
〜９５０℃であるが、ｎ型ダイヤモンド半導体のプロセ
スと連続させるため同じ温度の８３０℃である。
【００３３】次に、図１（ｂ）に示した構造のダイヤモ
ンド半導体デバイスの製造方法について説明する。先
ず、基板ホルダーに表面を洗浄処理した（１００）絶縁
体ダイヤモンド基板を設置して、ガス供給ラインから水
素パージを数回繰り返し真空容器内の窒素や酸素を除去
後、基板ホルダーを加熱しつつ基板表面温度が８３０℃
となるように制御するとともに、４０Ｔｏｒｒに圧力制
御する。なお、基板表面温度は例えば光高温計で測定す
る。
ンド半導体デバイスの製造方法について説明する。先
ず、基板ホルダーに表面を洗浄処理した（１００）絶縁
体ダイヤモンド基板を設置して、ガス供給ラインから水
素パージを数回繰り返し真空容器内の窒素や酸素を除去
後、基板ホルダーを加熱しつつ基板表面温度が８３０℃
となるように制御するとともに、４０Ｔｏｒｒに圧力制
御する。なお、基板表面温度は例えば光高温計で測定す
る。
【００３４】次に、４０Ｔｏｒｒの圧力制御の下にマイ
クロ波放電させるとともに、ガス供給ラインでパージ用
水素ガスと混合ガスとを切り換えて反応管に、メタン１
％／ジボラン５０ｐｐｍ／水素の混合ガス２００ｍｌ／
ｍｉｎを導入すると、基板上方にプラズマが発生し、こ
のプラズマ流が絶縁体ダイヤモンド基板に供給され、ｐ
型ダイヤモンド半導体結晶層がエピタキシャル成長す
る。
クロ波放電させるとともに、ガス供給ラインでパージ用
水素ガスと混合ガスとを切り換えて反応管に、メタン１
％／ジボラン５０ｐｐｍ／水素の混合ガス２００ｍｌ／
ｍｉｎを導入すると、基板上方にプラズマが発生し、こ
のプラズマ流が絶縁体ダイヤモンド基板に供給され、ｐ
型ダイヤモンド半導体結晶層がエピタキシャル成長す
る。
【００３５】所定の膜厚になったら、ガス供給ラインを
切り換えて反応管にメタン１％／硫化水素５０ｐｐｍ／
水素の混合ガス２００ｍｌ／ｍｉｎを導入し、発生した
プラズマ流が、成長したｐ型ダイヤモンド半導体層上に
供給され、ｎ型ダイヤモンド半導体層がエピタキシャル
成長する。
切り換えて反応管にメタン１％／硫化水素５０ｐｐｍ／
水素の混合ガス２００ｍｌ／ｍｉｎを導入し、発生した
プラズマ流が、成長したｐ型ダイヤモンド半導体層上に
供給され、ｎ型ダイヤモンド半導体層がエピタキシャル
成長する。
【００３６】所定膜厚になったらガス供給ラインを水素
パージに切り換えるとともにマイクロ波放電を停止し、
基板加熱を停止又は冷却する。最後に、室温に戻った
ら、常圧復帰した反応管の基板ホルダーから、絶縁体ダ
イヤモンド基板上にｐ型ダイヤモンド半導体結晶層とｎ
型ダイヤモンド半導体結晶層とが積層したダイヤモンド
半導体デバイスを取り出し、電極を蒸着する。
パージに切り換えるとともにマイクロ波放電を停止し、
基板加熱を停止又は冷却する。最後に、室温に戻った
ら、常圧復帰した反応管の基板ホルダーから、絶縁体ダ
イヤモンド基板上にｐ型ダイヤモンド半導体結晶層とｎ
型ダイヤモンド半導体結晶層とが積層したダイヤモンド
半導体デバイスを取り出し、電極を蒸着する。
【００３７】このようにして製造したダイヤモンド半導
体デバイスでは、高品質のｐ型ダイヤモンド半導体と最
適なドナーとなるイオウをドープしたｎ型ダイヤモンド
半導体とでｐｎ接合を形成しているので、良質なｐｎ接
合デバイスができる。したがって非常に良好な整流特性
を有するｐｎ接合ダイオードができる。なおｐｎ接合の
製造方法について説明したが、これに限らず、形成する
ダイヤモンド半導体の導電型を代えることにより、ｐｎ
ｐ接合、ｎｐｎ接合も製造可能であり、ダイヤモンド絶
縁体層を挟んだ接合も製造可能である。
体デバイスでは、高品質のｐ型ダイヤモンド半導体と最
適なドナーとなるイオウをドープしたｎ型ダイヤモンド
半導体とでｐｎ接合を形成しているので、良質なｐｎ接
合デバイスができる。したがって非常に良好な整流特性
を有するｐｎ接合ダイオードができる。なおｐｎ接合の
製造方法について説明したが、これに限らず、形成する
ダイヤモンド半導体の導電型を代えることにより、ｐｎ
ｐ接合、ｎｐｎ接合も製造可能であり、ダイヤモンド絶
縁体層を挟んだ接合も製造可能である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のダイヤ
モンド半導体デバイスでは、良質かつ急峻なｐｎ接合を
有し非常に良好な整流作用を示すという効果を有する。
また、この発明のダイヤモンド半導体デバイス製造方法
では、ドナー原子となるイオウをドープした良質のｎ型
ダイヤモンド半導体を元にｐｎ接合を形成しているの
で、良質かつ急峻なｐｎ接合デバイスを製造することが
できるという効果を有する。したがって、高温下でも動
作可能なｐｎ接合デバイスの製作が可能になる。
モンド半導体デバイスでは、良質かつ急峻なｐｎ接合を
有し非常に良好な整流作用を示すという効果を有する。
また、この発明のダイヤモンド半導体デバイス製造方法
では、ドナー原子となるイオウをドープした良質のｎ型
ダイヤモンド半導体を元にｐｎ接合を形成しているの
で、良質かつ急峻なｐｎ接合デバイスを製造することが
できるという効果を有する。したがって、高温下でも動
作可能なｐｎ接合デバイスの製作が可能になる。
【図１】この発明に係るｐｎ接合を形成したダイヤモン
ド半導体デバイスの概略断面図であり、（ａ）はｐ型ダ
イヤモンド半導体結晶上にｎ型ダイヤモンド半導体結晶
層を成長させて形成したダイヤモンド半導体デバイス、
（ｂ）は絶縁体ダイヤモンド基板上にｐ型ダイヤモンド
半導体結晶層とｎ型ダイヤモンド半導体結晶層とを積層
させて形成したダイヤモンド半導体デバイス、（ｃ）は
（ｂ）と逆導電型に形成したダイヤモンド半導体デバイ
スを示す図である。
ド半導体デバイスの概略断面図であり、（ａ）はｐ型ダ
イヤモンド半導体結晶上にｎ型ダイヤモンド半導体結晶
層を成長させて形成したダイヤモンド半導体デバイス、
（ｂ）は絶縁体ダイヤモンド基板上にｐ型ダイヤモンド
半導体結晶層とｎ型ダイヤモンド半導体結晶層とを積層
させて形成したダイヤモンド半導体デバイス、（ｃ）は
（ｂ）と逆導電型に形成したダイヤモンド半導体デバイ
スを示す図である。
【図２】図１（ｂ）で示したダイヤモンド半導体デバイ
スにおける不純物の深さ方向分析結果を示す図である。
スにおける不純物の深さ方向分析結果を示す図である。
【図３】この発明に係るｐｎ接合のダイオード特性を示
す図である。
す図である。
【図４】図３のデータを対数プロットした図である。
【図５】本実施形態で使用したマイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ装置の概略構成図である。
Ｄ装置の概略構成図である。
【図６】本発明に係るｎ型ダイヤモンド半導体結晶の成
長条件の一例を示す図である。
長条件の一例を示す図である。
【図７】本発明に係るｐ型ダイヤモンド半導体結晶の成
長条件の一例を示す図である。
長条件の一例を示す図である。
２ ｐ型ダイヤモンド半導体結晶 ４，７ ｎ型ダイヤモンド半導体結晶層 ６，８，１２ ｐｎ接合 ５ ｐ型ダイヤモンド半導体結晶層 １０，２０，３０ ダイヤモンド半導体デバイス １１，１３，２１，２３，３１，３３ 電極 ４０ マイクロ波プラズマＣＶＤ装置 ４１ マイクロ波発生装置 ４５ チューナー ４７ 反応管 ４９ ガス供給ライン ５１ 光学窓 ５３ 基板ホルダー ５５ 絶縁体ダイヤモンド基板 ５７ 温度制御システム ５９ マイクロ波プラズマ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蒲生 美香 茨城県つくば市二の宮１−25−13 ルネス 柳橋302 (72)発明者 坂口 勲 茨城県つくば市並木１−１ 無機材質研究 所内 (72)発明者 佐藤 洋一郎 茨城県つくば市並木１−１ 無機材質研究 所内 (72)発明者 野洲 栄治 茨城県つくば市並木１−１ 無機材質研究 所内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AB01 BA03 DB07 DB19 EA06 EB01 EB04 EB05 EC10 EJ01 EJ04 HA06 5F045 AA09 AA15 AB07 AC01 AC19 AD11 AD12 AD13 AD14 AD18 AE23 AE27 AF02 AF13 BB05 DA60
Claims (11)
- 【請求項１】 ｐ型ダイヤモンド半導体とドナー原子が
イオウであるｎ型ダイヤモンド半導体とが原子オーダー
の急峻さでｐｎ接合した構造を備えるダイヤモンド半導
体デバイス。 - 【請求項２】 前記ドナー原子濃度が１０13／ｃｍ3 〜
１０21/ ｃｍ3 の範囲であることを特徴とする、請求項
１に記載のダイヤモンド半導体デバイス。 - 【請求項３】 前記ｐｎ接合が整流特性を有しているこ
とを特徴とする、請求項１又は２に記載のダイヤモンド
半導体デバイス。 - 【請求項４】 前記ｐ型ダイヤモンド半導体がアクセプ
ター原子としてホウ素をドープしたｐ型半導体であるこ
とを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイ
ヤモンド半導体デバイス。 - 【請求項５】 前記ｐ型ダイヤモンド半導体がホウ素を
ドープした高圧合成ダイヤモンドであることを特徴とす
る、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド半導
体デバイス。 - 【請求項６】 前記ｐ型ダイヤモンド半導体が天然のＩ
Ｉｂ型ダイヤモンドであることを特徴とする、請求項１
〜３のいずれかに記載のダイヤモンド半導体デバイス。 - 【請求項７】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体と前記ｐ型
ダイヤモンド半導体とを絶縁体ダイヤモンド基板に積層
した構造を有することを特徴とする、請求項１〜４のい
ずれかに記載のダイヤモンド半導体デバイス。 - 【請求項８】 原料ガスの活性化に基づき薄膜が成長す
る気相合成法であって、 ｐ型ダイヤモンド半導体結晶層を形成する第１工程と、
ドナー原子がイオウであるｎ型ダイヤモンド半導体結晶
層を形成する第２工程とを備え、原子オーダーの急峻さ
でｐｎ接合した構造を形成することを特徴とする、ダイ
ヤモンド半導体デバイス製造方法。 - 【請求項９】 前記第１工程において、ｐ型ダイヤモン
ド半導体結晶のドーパントがホウ素であって、このホウ
素とｐ型ダイヤモンド半導体結晶の構成原子のソースと
なる炭化水素の炭素との比が２０〜２００００ｐｐｍで
あることを特徴とする、請求項８に記載のダイヤモンド
半導体デバイス製造方法。 - 【請求項１０】 前記第２工程において、前記イオウと
ダイヤモンド半導体結晶の構成原子のソースとなる炭化
水素の炭素との比が１０００〜１００００ｐｐｍである
ことを特徴とする、請求項８に記載のダイヤモンド半導
体デバイス製造方法。 - 【請求項１１】 前記気相合成法において、前記原料ガ
スの活性化に電気、熱及び光のうち少なくとも一種類を
使用したことを特徴とする、請求項８に記載のダイヤモ
ンド半導体デバイス製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP17472299A JP4002955B2 (ja) | 1999-06-21 | 1999-06-21 | ダイヤモンド半導体デバイスの製造方法 |
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| JP17472299A JP4002955B2 (ja) | 1999-06-21 | 1999-06-21 | ダイヤモンド半導体デバイスの製造方法 |
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Cited By (1)
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-
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