JP2003303954A - n-TYPE DIAMOND SEMICONDUCTOR - Google Patents

n-TYPE DIAMOND SEMICONDUCTOR

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JP2003303954A
JP2003303954A JP2003030186A JP2003030186A JP2003303954A JP 2003303954 A JP2003303954 A JP 2003303954A JP 2003030186 A JP2003030186 A JP 2003030186A JP 2003030186 A JP2003030186 A JP 2003030186A JP 2003303954 A JP2003303954 A JP 2003303954A
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doped
diamond semiconductor
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type diamond
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暁彦 難波
Takahiro Imai
貴浩 今井
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an n-type diamond semiconductor, in which the change in carrier concentration and resistivity is small over a wide temperature range, starting from room temperature to a high temperature. <P>SOLUTION: In the n-type diamond semiconductor, doped and undoped layers are laminated alternately. The n-type diamond semiconductor comprises a single- crystal diamond substrate 100 (a), the thin undoped layers 110<SB>1</SB>to 110<SB>n+1</SB>(n is the number of cycles) made of a diamond semiconductor material, where impurities are not substantially added (b), and the extremely thin doped layers 120<SB>1</SB>to 120<SB>n</SB>, that are formed so that they are sandwiched by the undoped layers 110<SB>1</SB>to 110<SB>n+1</SB>and are made of the diamond semiconductor material, where at least two kinds of impurities are added so that they form the n-type diamond semiconductor (c). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、ダイオード、LE
D、トランジスタ、電子放出素子などの電子デバイスに
使用するn型ダイヤモンド半導体に関し、室温から高温
に至るまでの広い温度範囲で、キャリア濃度や抵抗率の
変化が少ないn型ダイヤモンド半導体に関するものであ
る。より詳細には、通常のドーピングで得られる深い不
純物準位を持つn型ダイヤモンド半導体と比較して、室
温から高温までの広い温度範囲で、キャリア濃度や抵抗
率の変化が少ないn型ダイヤモンド半導体に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a diode, LE.
The present invention relates to an n-type diamond semiconductor used for an electronic device such as a D, a transistor, an electron-emitting device, etc., and relates to an n-type diamond semiconductor having a small change in carrier concentration and resistivity in a wide temperature range from room temperature to high temperature. More specifically, the present invention relates to an n-type diamond semiconductor having a small change in carrier concentration and resistivity in a wide temperature range from room temperature to high temperature as compared with an n-type diamond semiconductor having a deep impurity level obtained by ordinary doping. .

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンド半導体は高温下、放射線下
などの過酷な環境下で安定に動作するデバイスとして、
あるいは高速、高出力での動作にも耐え得るデバイスと
してその応用が注目されている。ダイヤモンド半導体が
高温下でも動作可能な理由として、バンドギャップが約
5.5eVと大きいことが挙げられる。この値は、現在
広く使用されているシリコン(約1.1eV)やガリウ
ム砒素(約1.4eV)に比べて非常に大きい。このバ
ンドギャップの広さゆえに、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。
2. Description of the Related Art Diamond semiconductors are devices that operate stably under harsh environments such as high temperatures and radiation.
Also, its application is drawing attention as a device that can withstand operation at high speed and high output. The reason why the diamond semiconductor can operate even at high temperatures is that the band gap is as large as about 5.5 eV. This value is much larger than those of silicon (about 1.1 eV) and gallium arsenide (about 1.4 eV) which are widely used at present. Due to this wide band gap, the temperature range (intrinsic region) in which carriers of the semiconductor are not controlled does not exist below 1400 ° C.

【0003】不純物のないダイヤモンドは絶縁体である
が、結晶中に不純物をドーピングすることにより、p型
半導体やn型半導体とすることができる。例えば、ホウ
素をドーピングすれば、p型半導体となり、窒素やリン
やイオウをドーピングすれば、n型半導体となる。
Diamond without impurities is an insulator, but it can be made into a p-type semiconductor or an n-type semiconductor by doping impurities into the crystal. For example, if boron is doped, it becomes a p-type semiconductor, and if it is doped with nitrogen, phosphorus, or sulfur, it becomes an n-type semiconductor.

【0004】しかし、前記不純物をダイヤモンドにドー
ピングしても、これら不純物の不純物準位は深く、電子
や正孔を伝導帯、価電子帯に励起するには、大きなエネ
ルギーが必要である。このため、励起されたキャリアの
濃度は温度によって大きく異なり、また、キャリアの飽
和領域は、非常に高い温度領域となる。例えば、リンを
ドーピングしたn型ダイヤモンド半導体の活性化エネル
ギーは約0.6eVであり、300K(室温)から80
0Kの温度範囲で、キャリア濃度の変化は4桁以上あ
り、飽和領域は800K以上の温度である。つまり、室
温から高温までの温度範囲では、周囲の温度によってデ
バイスの特性が大きく変化するので、ダイヤモンド半導
体デバイスが、高温下でも使用可能であるという長所を
活かすことができなかった。
However, even if diamond is doped with the above impurities, the impurity levels of these impurities are deep, and a large amount of energy is required to excite electrons and holes into the conduction band and the valence band. For this reason, the concentration of the excited carriers varies greatly depending on the temperature, and the carrier saturation region is a very high temperature region. For example, the activation energy of an n-type diamond semiconductor doped with phosphorus is about 0.6 eV, and the activation energy is 300 K (room temperature) to 80
In the temperature range of 0K, the carrier concentration changes by four digits or more, and the saturation region is a temperature of 800K or more. That is, in the temperature range from room temperature to high temperature, the characteristics of the device largely change depending on the ambient temperature, so that the advantage that the diamond semiconductor device can be used even at high temperature cannot be utilized.

【0005】このようなキャリア濃度の温度依存性を抑
制し、室温から高温までの温度範囲でキャリア濃度の変
化が少ないダイヤモンド半導体を得るための方法とし
て、不純物を多量にドーピングして不純物準位を縮退さ
せる方法がある。しかし、不純物を多量にドーピングす
ると、キャリアが増えすぎてしまう。その結果、金属と
同様の電気伝導性を示すようになり、半導体特性が失わ
れてしまう。
As a method for suppressing such temperature dependence of carrier concentration and obtaining a diamond semiconductor with a small change in carrier concentration in the temperature range from room temperature to high temperature, a large amount of impurities are doped to reduce the impurity level. There is a degenerate method. However, if a large amount of impurities are doped, the number of carriers will increase. As a result, it exhibits electric conductivity similar to that of metal, and the semiconductor characteristics are lost.

【0006】そこで、例えば、特開平4−280622
号公報に開示されているように、多量に不純物がドーピ
ングされた数nmの厚みのドープ層と、不純物が実質的
にドープされていない数十〜数百nmの厚みのノンドー
プ層とを交互に積層し、多層構造としたダイヤモンド半
導体が提案されている。
Therefore, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-280622.
As disclosed in the publication, a doped layer having a thickness of several nm, which is heavily doped with impurities, and a non-doped layer having a thickness of tens to several hundreds nm, which is not substantially doped with impurities, are alternately arranged. A diamond semiconductor has been proposed which is laminated and has a multilayer structure.

【0007】このように、非常に厚みの薄いドープ層を
薄いノンドープ層で挟んだ構造では、不純物濃度の深さ
方向プロファイルがδ(デルタ)関数的に変化している
ので、ドープ層で発生するキャリアはノンドープ層へ拡
散する。その結果、平均キャリア濃度は半導体特性が得
られる程度に減少し、且つキャリアの供給源は、キャリ
ア濃度の温度依存性がほとんどないドープ層であるの
で、全体として平均キャリア濃度の温度依存性がほとん
どないダイヤモンド半導体となる。
As described above, in a structure in which a very thin doped layer is sandwiched between thin non-doped layers, the depth profile of the impurity concentration changes in a delta (delta) function, so that it occurs in the doped layer. The carriers diffuse into the non-doped layer. As a result, the average carrier concentration is reduced to such an extent that semiconductor characteristics can be obtained, and the carrier supply source is a doped layer with little temperature dependency of the carrier concentration, so that the temperature dependency of the average carrier concentration is almost entirely low. Not a diamond semiconductor.

【0008】上記構造によって、動作温度領域で半導体
特性を示しつつ、キャリア濃度の温度依存性がほとんど
ないダイヤモンド半導体を得ようとすれば、不純物が高
濃度にドープされたドープ層が必要となる。高濃度のド
ープ層は、p型ダイヤモンド半導体であれば、ホウ素は
ダイヤモンドの結晶性を保ったまま高濃度にドープする
ことが可能であるので、比較的簡単に得ることができ
る。しかし、n型ダイヤモンド半導体の場合は、単独の
不純物を、良好な結晶性を保ったまま縮退するまで高濃
度に安定してドープすることは容易ではない。このため
に、これまで室温から高温までの動作温度領域で半導体
特性を示しつつ、キャリア濃度の温度依存性がほとんど
ないn型ダイヤモンド半導体を得ることは困難であっ
た。
In order to obtain a diamond semiconductor having the semiconductor characteristics in the operating temperature region and having almost no temperature dependence of carrier concentration with the above structure, a doped layer doped with a high concentration of impurities is required. The high-concentration doped layer can be relatively easily obtained if the p-type diamond semiconductor is used, since boron can be doped at a high concentration while maintaining the crystallinity of diamond. However, in the case of an n-type diamond semiconductor, it is not easy to dope a single impurity stably at a high concentration until it degenerates while maintaining good crystallinity. For this reason, it has heretofore been difficult to obtain an n-type diamond semiconductor that exhibits semiconductor characteristics in an operating temperature range from room temperature to high temperature and has almost no temperature dependence of carrier concentration.

【0009】[0009]

【特許文献1】特開平4−280622号公報[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-280622

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、室温
から高温に至る広い温度範囲で、半導体特性を示しつ
つ、キャリア濃度の温度依存性がほとんどない、半導体
デバイスに利用可能なn型ダイヤモンド半導体を提供す
ることである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an n-type diamond which can be used for a semiconductor device and which exhibits semiconductor characteristics in a wide temperature range from room temperature to high temperature and has almost no temperature dependence of carrier concentration. It is to provide a semiconductor.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のn型ダイヤモン
ド半導体は、ダイヤモンド半導体材料から成り、(a)
実質的に不純物が添加されていない第1のノンドープ層
と、(b)前記第1のノンドープ層の一方の表面に形成
されたn型半導体となるように2種類以上の不純物が添
加されたドープ層と、(c)前記ドープ層の表面に形成
された実質的に不純物が添加されていない第2のノンド
ープ層と、を備えることを特徴とする。ドープ層は、ダ
イヤモンドの結晶性を保ったまま不純物準位が縮退する
程度の濃度までn型半導体となる不純物をドーピングす
るために、2種類以上の不純物をドーピングすることを
特徴とする。
The n-type diamond semiconductor of the present invention comprises a diamond semiconductor material, and
A first non-doped layer which is substantially not doped with impurities, and (b) a doping which is doped with two or more kinds of impurities so as to be an n-type semiconductor formed on one surface of the first non-doped layer. A layer and (c) a second non-doped layer which is formed on the surface of the doped layer and is substantially not doped with impurities. The dope layer is characterized by being doped with two or more kinds of impurities in order to dope the impurities that become the n-type semiconductor to such a concentration that the impurity level degenerates while maintaining the crystallinity of diamond.

【0012】このダイヤモンド半導体は、ノンドープ層
とドープ層とが交互に積層されるとともに、両端の層を
ノンドープ層として構成することが可能である。
In this diamond semiconductor, a non-doped layer and a doped layer are alternately laminated, and both layers can be formed as non-doped layers.

【0013】また、前記ドープ層に添加する2種類以上
の不純物は、窒素(N)、リン(P)、イオウ(S)、
砒素(As)、セレン(Se)、塩素(Cl)からなる
A群より選ばれる1種類以上の原子と、水素(H)、ホ
ウ素(B)、リチウム(Li)、アルミニウム(Al)
からなるB群より選ばれる1種類以上の原子とすること
ができる。また、前記添加する不純物の内、少なくとも
1種類の原子の不純物濃度が、1019cm−3以上で
あることが望ましい。
The two or more kinds of impurities added to the doped layer are nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S),
At least one atom selected from the group A consisting of arsenic (As), selenium (Se), and chlorine (Cl), and hydrogen (H), boron (B), lithium (Li), aluminum (Al).
It can be one or more atoms selected from the group B consisting of. Further, it is desirable that the impurity concentration of at least one kind of atoms among the added impurities is 10 19 cm −3 or more.

【0014】更に、前記ドープ層に添加する不純物が、
窒素(N)とホウ素(B)である場合は、窒素原子濃度
(C)とホウ素原子濃度(C)とが、C<C
100Cの範囲であり、且つC≧1019cm−3
であることが望ましい。
Further, the impurities added to the doped layer are
In the case of nitrogen (N) and boron (B), the nitrogen atom concentration (C n ) and the boron atom concentration (C b ) are C b <C n ≦.
In the range of 100C b, and C n10 19 cm -3
Is desirable.

【0015】また、前記ドープ層に添加する不純物が、
イオウ(S)とホウ素(B)である場合は、イオウ原子
濃度(C)とホウ素原子濃度(C)とが、0.5C
<C≦100Cの範囲であり、且つC≧10
19cm−3であることが望ましい。
The impurities added to the doped layer are
In the case of sulfur (S) and boron (B), the sulfur atom concentration (C s ) and the boron atom concentration (C b ) are 0.5C.
b <C s ≦ 100C b , and C s ≧ 10
It is preferably 19 cm −3 .

【0016】前記ドープ層に添加する不純物が、リチウ
ム(Li)と窒素(N)である場合は、リチウム原子濃
度(CLi)と窒素原子濃度(C)とが、CLi≦1
0C の範囲であり、且つCLi≧1019cm−3
あることが望ましい。この場合、前記リチウム原子が、
ドープ層のダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位
置に、前記窒素原子が前記炭素原子の置換位置に、それ
ぞれ入っており、かつリチウム原子と窒素原子は互いに
隣接している構造であるが望ましく、前記リチウム原子
と窒素原子の中心間距離が、0.145nm以上、0.
155nm以下であることが望ましい。
The impurities added to the dope layer are lithium
In the case of aluminum (Li) and nitrogen (N), lithium atom concentration
Degree (CLi) And nitrogen atom concentration (Cn) And CLi≤1
0C n, And CLi≧ 1019cm-3so
Is desirable. In this case, the lithium atom is
Interstitials of carbon atoms composing the diamond in the doped layer
Where the nitrogen atom is at the substitution position of the carbon atom,
And the lithium and nitrogen atoms are
It is desirable that the structures are adjacent to each other, and the lithium atom is
And the distance between the centers of nitrogen atoms are 0.145 nm or more, 0.
It is preferably 155 nm or less.

【0017】そして、以上のような構成としたn型ダイ
ヤモンド半導体の活性化エネルギーは、0.1eV未満
とすることができる。
The activation energy of the n-type diamond semiconductor having the above structure can be less than 0.1 eV.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明のn型ダイヤモンド半導体
は、ダイヤモンド半導体材料から成り、n型半導体を形
成する不純物を2種類以上含んだ非常に薄いドープ層
を、実質的に不純物が添加されていない薄いノンドープ
ダイヤモンド層で挟んだ構造である。あるいは、非常に
薄いドープ層と薄いノンドープ層が交互に積層された多
層構造で、両端をノンドープ層とした構造である。この
ような、いわゆるδ(デルタ)ドープ構造とすることに
よって、全体として半導体特性が得られる程度にキャリ
ア濃度、すなわち電子濃度を調節できる。且つ、全体と
して、電子濃度の温度依存性がほとんどないn型ダイヤ
モンド半導体を得ることができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The n-type diamond semiconductor of the present invention is made of a diamond semiconductor material, and a very thin doped layer containing two or more kinds of impurities forming the n-type semiconductor is substantially added with impurities. It is a structure sandwiched between thin non-doped diamond layers. Alternatively, it has a multi-layer structure in which a very thin doped layer and a thin non-doped layer are alternately stacked, and has a non-doped layer at both ends. With such a so-called δ (delta) -doped structure, the carrier concentration, that is, the electron concentration can be adjusted to the extent that semiconductor characteristics can be obtained as a whole. Moreover, as a whole, an n-type diamond semiconductor having almost no temperature dependence of electron concentration can be obtained.

【0019】このとき、ドープ層の厚さをナノメーター
オーダーと非常に薄くすると、ドープ層で発生したキャ
リア(電子)に対するノンドープ層に拡散したキャリア
の割合が多くなり、構造全体でより均一なキャリア濃度
のn型ダイヤモンド半導体を得ることができる。
At this time, if the thickness of the doped layer is made extremely thin on the order of nanometers, the ratio of the carriers (electrons) generated in the doped layer to the carriers diffused in the non-doped layer is increased, resulting in a more uniform carrier throughout the structure. A high concentration of n-type diamond semiconductor can be obtained.

【0020】前記ドープ層をn型の金属的な電気伝導性
とするために、n型特性を引き出すための1種類の不純
物をドーピングするとともに、それをダイヤモンドの結
晶性を保ったまま縮退する程度の濃度まで安定してドー
ピングするために、さらに別の1種類以上の不純物をド
ーピングする。
In order to make the doped layer have n-type metallic electrical conductivity, one kind of impurity for bringing out n-type characteristics is doped, and it is degenerated while maintaining the crystallinity of diamond. In order to perform stable doping up to the above concentration, another one or more kinds of impurities are further doped.

【0021】ここで、ドープ層の厚さをd、ノンドープ
層の厚さをD、ドープ層の電子濃度をnとすると、平
均の電子濃度nは、n=n*d/(d+D)となる。
Here, when the thickness of the doped layer is d, the thickness of the non-doped layer is D, and the electron concentration of the doped layer is n + , the average electron concentration n is n = n + * d / (d + D). Becomes

【0022】ドープ層の形状は、比較的簡単な2次元的
な広がりを持つ薄膜とすることが容易であるが、1次元
的な線状膜であっても、0次元的な点状膜であっても、
ノンドープ(層)で囲まれている構造であれば、得られ
る効果は変わらない。
The shape of the dope layer is easily a thin film having a relatively simple two-dimensional spread, but even a one-dimensional linear film is a zero-dimensional dot film. Even so,
As long as the structure is surrounded by non-doped layers, the effect obtained is the same.

【0023】また、2次元的な広がりを持つ薄膜のドー
プ層とノンドープ層を交互に積層する場合、ドープ層の
厚みは、50nm未満、ノンドープ層の厚みは、500
nm未満が好ましい。ドープ層の厚みが50nm以上に
なると、ドープ層中心付近のキャリアは拡散しにくくな
り、半導体特性が得られなくなる。ノンドープ層の厚み
が500nm以上になると、キャリアの拡散がノンドー
プ層の中心付近に届かなくなり、キャリア濃度の深さ方
向プロファイルがノンドープ層中心付近で途切れてしま
うので、全体として半導体特性が得られなくなる。ま
た、ノンドープ層の不純物濃度は、少ないほどよいが、
ドープ層からのキャリアの拡散が起こりやすいように、
1017cm−3以下であることが望ましい。
When the thin film doped layers and the non-doped layers having a two-dimensional spread are alternately laminated, the thickness of the doped layer is less than 50 nm and the thickness of the non-doped layer is 500.
It is preferably less than nm. When the thickness of the doped layer is 50 nm or more, carriers near the center of the doped layer are less likely to diffuse, and semiconductor characteristics cannot be obtained. When the thickness of the non-doped layer is 500 nm or more, carrier diffusion does not reach near the center of the non-doped layer, and the depth profile of carrier concentration is interrupted near the center of the non-doped layer, so that semiconductor characteristics cannot be obtained as a whole. Also, the lower the impurity concentration of the non-doped layer, the better,
To facilitate the diffusion of carriers from the doped layer,
It is preferably 10 17 cm −3 or less.

【0024】本発明のn型ダイヤモンド半導体のドープ
層へは、窒素(N)、リン(P)、イオウ(S)、砒素
(As)、セレン(Se)、塩素(Cl)からなるA群
より選ばれる1種類以上の原子と、水素(H)、ホウ素
(B)、リチウム(Li)、アルミニウム(Al)から
なるB群より選ばれる1種類以上の原子と、をドープす
ることが好ましい。こうすれば、n型半導体特性を実現
する不純物を、不純物準位が縮退する程度の多量の不純
物をドーピングすることができる。
The doped layer of the n-type diamond semiconductor of the present invention has a group A consisting of nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S), arsenic (As), selenium (Se) and chlorine (Cl). It is preferable to dope one or more selected atoms and one or more selected from the group B consisting of hydrogen (H), boron (B), lithium (Li), and aluminum (Al). This makes it possible to dope the impurities that realize the n-type semiconductor characteristics with a large amount of impurities that degenerate the impurity levels.

【0025】また、添加する不純物の内、少なくとも1
種類の原子の不純物濃度が、10 cm−3以上であ
ることが好ましい。この程度多量にドープすることによ
って、ドープ層は、キャリア濃度の温度依存性があまり
なく、周囲の温度変化に対して安定したキャリアの供給
源となりやすい。不純物濃度は、1020cm−3以上
であれば、更に好ましい。
At least one of the impurities added is
The impurity concentration of the types of atoms is preferably at 10 1 9 cm -3 or more. By doping such a large amount, the doped layer has little temperature dependence of the carrier concentration and is likely to be a stable carrier supply source with respect to ambient temperature changes. It is more preferable that the impurity concentration is 10 20 cm −3 or more.

【0026】前記不純物の好適な組合せとして、窒素
とホウ素、イオウとホウ素、リチウムと窒素の3種
類がある。窒素とホウ素の場合、窒素原子濃度(C
とホウ素原子濃度(C)は、C<C≦100C
の範囲であり、Cが10 cm−3以上であること
が好ましい。イオウとホウ素の場合、イオウ原子濃度
(C)とホウ素原子濃度(C)は、0.5C<C
≦100Cの範囲であり、Cが1019cm−3
以上であることが好ましい。リチウムと窒素の場合は、
リチウム原子濃度(CLi)と窒素原子濃度(C
は、CLi≦10C の範囲であり、CLiが1019
cm−3以上であることが好ましい。更に好ましくは、
前記、C、C、CLiが1020cm−3以上であ
る。
As a preferable combination of the above impurities, nitrogen is used.
And boron, sulfur and boron, lithium and nitrogen
There are kinds. In the case of nitrogen and boron, the nitrogen atom concentration (Cn)
And boron atom concentration (Cb) Is Cb<Cn≤100Cb
Is the range of CnIs 101 9cm-3Be above
Is preferred. In the case of sulfur and boron, sulfur atom concentration
(Cs) And boron atom concentration (Cb) Is 0.5Cb<C
s≤100CbIs the range of CsIs 1019cm-3
The above is preferable. For lithium and nitrogen,
Lithium atomic concentration (CLi) And nitrogen atom concentration (Cn)
Is CLi≤10C nIs the range of CLiIs 1019
cm-3The above is preferable. More preferably,
The Cn, Cs, CLiIs 1020cm-3And above
It

【0027】このような濃度範囲にすることによって、
ドープ層は、キャリア濃度の温度依存性がほとんどな
く、より安定したキャリア供給源とすることができる。
しかし、窒素とホウ素の場合、C<0.01Cとホ
ウ素の濃度が極端に少なくなると、Cを1019cm
−3以上とすることが困難になる。また、イオウとホウ
素の場合も、C<0.01Cとホウ素の濃度が極端
に少なくなると、Cを1019cm−3以上にするこ
とが困難になる。
By setting the concentration range as described above,
The doped layer has almost no temperature dependence of carrier concentration and can be used as a more stable carrier supply source.
However, in the case of nitrogen and boron, when C b <0.01 C n and the concentration of boron are extremely low, C n is 10 19 cm.
It becomes difficult to set -3 or more. Further, also in the case of sulfur and boron, if C b <0.01 C s and the concentration of boron are extremely low, it becomes difficult to set C s to 10 19 cm −3 or more.

【0028】さらに、リチウムと窒素の場合は、リチウ
ムは、ダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位置に
入る。他の原子は、炭素原子の置換位置に入る。そし
て、リチウム原子と窒素原子はある程度近くに存在し
て、リチウムを固定する働きをする。しかし、C
0.1CLiと窒素の濃度が低い場合には、窒素原子が
少なくなり、リチウム原子を固定する能力が少なくなる
ので、ドープ層のキャリア濃度が不安定になる。
Further, in the case of lithium and nitrogen, lithium enters interstitial positions of carbon atoms constituting diamond. The other atom enters the substitution position of the carbon atom. Then, the lithium atom and the nitrogen atom exist close to each other to some extent and serve to fix lithium. However, C n <
When the concentration of nitrogen is 0.1 C Li and is low, the number of nitrogen atoms is small and the ability to fix lithium atoms is small, so that the carrier concentration of the doped layer becomes unstable.

【0029】前記リチウム原子の格子間ドーピングと窒
素原子の置換ドーピングにおいて、第一原理計算によ
り、形成エネルギーを計算することで、最適構造を予測
した。その結果、リチウム原子と窒素原子は近接してい
る方が、形成エネルギーが低くなり、近接した構造が最
も安定で、最適構造であることが判った。この場合、リ
チウム原子と窒素原子の中心距離は、0.1494nm
で、活性化エネルギーは0.10eVであると計算され
た。また、このような計算を複数回繰り返すことで、最
適構造を取り得るリチウム原子と窒素原子の中心距離
は、0.145nm以上、0.155nm以下であるこ
とが判った。
In the interstitial doping of the lithium atom and the substitutional doping of the nitrogen atom, the formation energy was calculated by the first principle calculation to predict the optimum structure. As a result, it was found that the closer the lithium atom and the nitrogen atom are to each other, the lower the formation energy is, and that the structure close to each other is the most stable and optimal structure. In this case, the center distance between the lithium atom and the nitrogen atom is 0.1494 nm.
, The activation energy was calculated to be 0.10 eV. Further, by repeating such calculation a plurality of times, it was found that the center distance between the lithium atom and the nitrogen atom that can have the optimum structure is 0.145 nm or more and 0.155 nm or less.

【0030】以上のような構成としたn型ダイヤモンド
半導体の活性化エネルギーは、0.1eV未満とするこ
とができるので、室温から高温までの広い温度範囲で、
キャリア濃度の温度依存性が少ない。
Since the activation energy of the n-type diamond semiconductor having the above structure can be set to less than 0.1 eV, it can be set in a wide temperature range from room temperature to high temperature.
There is little temperature dependence of carrier concentration.

【0031】本発明のn型ダイヤモンド半導体は、天然
あるいは人工(高圧合成)のバルク単結晶であっても、
気相合成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、その効果は変わらない。
The n-type diamond semiconductor of the present invention may be a natural or artificial (high pressure synthetic) bulk single crystal,
Even if it is a thin film polycrystal by vapor phase synthesis or a thin film single crystal (epitaxial film), the effect is not changed.

【0032】気相合成ダイヤモンド膜において、形成す
る方法としては、(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、および(5)原料ガスを燃焼させる方法など各種
の方法があるが、いずれの方法も本発明に用いることが
でき、発明の効果は変わらない。
The vapor-phase synthetic diamond film can be formed by the following methods: (1) activating a source gas by causing a discharge by a direct current or an alternating electric field; (2) heating a thermoelectron emitting material to generate the source gas. A method of activating, (3) a method of bombarding the surface on which diamond is grown with ions,
There are various methods such as (4) a method of exciting the raw material gas with light such as laser or ultraviolet rays, and (5) a method of burning the raw material gas, and any of these methods can be used in the present invention Does not change.

【0033】以上のように、本発明によれば、室温から
高温までの広い温度範囲で、半導体特性を示しつつ、キ
ャリア濃度の温度依存性が少ないn型ダイヤモンド半導
体を得ることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an n-type diamond semiconductor which exhibits semiconductor characteristics in a wide temperature range from room temperature to high temperature and has a small temperature dependence of carrier concentration.

【0034】[0034]

【実施例】実施例1 図1は、本発明のn型ダイヤモンド半導体の断面構成図
の一例である。図示のように、このn型ダイヤモンド半
導体は、人工単結晶ダイヤモンド基板100の{10
0}面上に、マイクロ波プラズマCVD法によって、次
のような条件で、ノンドープ層110〜110n+1
(nはサイクル数)と、窒素とホウ素をドープしたドー
プ層120〜120を交互に成膜した。
EXAMPLES Example 1 FIG. 1 is an example of a cross-sectional configuration diagram of an n-type diamond semiconductor of the present invention. As shown in the figure, this n-type diamond semiconductor is formed on the artificial single crystal diamond substrate 100 with {10
0} plane, by microwave plasma CVD, under the following conditions, a non-doped layer 110 1 ~110 n + 1
(N is the number of cycles) and doped layers 120 1 to 120 n doped with nitrogen and boron were alternately formed.

【0035】(1)ノンドープ層の成膜条件は、以下の
通りである。 H(水素)ガス流量:2000sccm(cm
分) CH(メタン)ガス流量:1sccm(cm/分) 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
(1) The film forming conditions for the non-doped layer are as follows. H 2 (hydrogen) gas flow rate: 2000 sccm (cm 3 /
Min) CH 4 (methane) gas flow rate: 1 sccm (cm 3 / min) pressure: 100 torr (13.3 KPa) microwave power: 300 W substrate temperature: 850 ° C.

【0036】(2)窒素とホウ素をドープしたドープ層
の成膜条件は、以下の通りである。 H(水素)ガス流量:2000sccm CH(メタン)ガス流量:1sccm B(ジボラン)(水素希釈1000ppm)ガス
流量:1sccm NH(アンモニア)(水素希釈1%)ガス流量:3s
ccm 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
(2) The film forming conditions for the doped layer doped with nitrogen and boron are as follows. H 2 (hydrogen) gas flow rate: 2000 sccm CH 4 (methane) gas flow rate: 1 sccm B 2 H 6 (diborane) (hydrogen dilution 1000 ppm) gas flow rate: 1 sccm NH 3 (ammonia) (hydrogen dilution 1%) gas flow rate: 3 s
ccm Pressure: 100 torr (13.3 KPa) Microwave power: 300 W Substrate temperature: 850 ° C.

【0037】単結晶ダイヤモンドの{100}面上にノ
ンドープ層と窒素とホウ素をドープしたドープ層を交互
に積層するのであるが、膜の厚さと積層数(サイクル数
n)を異ならせた以下の2種類の試料を作成した。 試料(a):ノンドープ層30nm、ドープ層3nm、
サイクル数n=10 試料(b):ノンドープ層300nm、ドープ層3n
m、サイクル数n=5
A non-doped layer and a doped layer doped with nitrogen and boron are alternately laminated on the {100} plane of a single crystal diamond. Two types of samples were prepared. Sample (a): non-doped layer 30 nm, doped layer 3 nm,
Number of cycles n = 10 Sample (b): non-doped layer 300 nm, doped layer 3n
m, number of cycles n = 5

【0038】いずれの試料も電子線回折測定により、<
100>方向にエピタキシャル成長していることを確認
した。また、人工単結晶ダイヤモンドの{100}面上
に、窒素とホウ素をドープした上記条件(2)と同条件
で、100nmの厚さのエピタキシャルダイヤモンド膜
を成膜し、その膜を2次イオン質量分析(SIMS)測
定することにより、ダイヤモンド膜中の窒素とホウ素の
量を測定した。その結果、窒素原子濃度(C)は8x
1020cm−3であり、ホウ素原子濃度(C )は1
x1019cm−3であった。上記条件(2)では、窒
素濃度とホウ素濃度が、C<C≦100Cの範囲
内にあり、窒素原子が1019cm−3以上であること
が確認された。
Each sample was measured by electron diffraction to
Confirm epitaxial growth in 100> direction
did. Also, on the {100} plane of artificial single crystal diamond
Under the same conditions as the above condition (2) in which nitrogen and boron are doped.
And 100 nm thick epitaxial diamond film
Film is formed, and the film is measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Of nitrogen and boron in the diamond film
The quantity was measured. As a result, the nitrogen atom concentration (Cn) Is 8x
1020cm-3And the boron atom concentration (C b) Is 1
x1019cm-3Met. Under the above condition (2),
Elemental concentration and boron concentration are Cb<Cn≤100CbRange of
Inside, there are 10 nitrogen atoms19cm-3Be above
Was confirmed.

【0039】作成した(a)と(b)の試料について、
ホール効果測定によりキャリア濃度の温度依存性測定、
および抵抗率の温度依存性測定を行った。なお、測定の
前に、各試料の表面の水素終端に伴う表面導電層を除去
するために、各試料を大気中で加熱(400℃、40
分)し、表面を酸素終端とした。また、電極は、試料表
面の電極形成部にイオン注入(イオン種:Ar、エネ
ルギー:30keV、ドーズ量:5x1015
−2)を行うことにより、黒鉛化層を形成し、その上
からTi、Pt、Auの薄膜を順に夫々300nmの厚
さで成膜することにより、オーミック電極を形成した。
Regarding the prepared samples (a) and (b),
Temperature dependence measurement of carrier concentration by Hall effect measurement,
And the temperature dependence of the resistivity was measured. Before the measurement, each sample was heated in the air (400 ° C., 40 ° C., 40 ° C.) in order to remove the surface conductive layer accompanying the hydrogen termination on the surface of each sample.
Then, the surface was terminated with oxygen. Further, the electrodes were ion-implanted (ion species: Ar + , energy: 30 keV, dose amount: 5 × 10 15 c into the electrode formation portion on the sample surface.
m −2 ) to form a graphitized layer, and a thin film of Ti, Pt, and Au was sequentially formed thereon with a thickness of 300 nm to form an ohmic electrode.

【0040】各試料のホール効果測定によるキャリア濃
度の温度依存性の測定結果を図2に示す。横軸は、絶対
温度の逆数1/T(K−1)であり、縦軸は、キャリア
濃度(cm−3)である。この結果より、試料(a)と
試料(b)は、ともにn型の伝導型であることが判り、
800K〜300K(室温)(横軸0.0013〜0.
0033)の範囲で、キャリア濃度が温度によってほと
んど変化していないことが判った。また、活性化エネル
ギーは、試料(a)が0.03eV、試料(b)が0.
05eVであった。これより、800Kから室温の範囲
で、温度に依存しない飽和領域の存在が確認された。
FIG. 2 shows the measurement results of the temperature dependence of the carrier concentration by the Hall effect measurement of each sample. The horizontal axis is the reciprocal of absolute temperature 1 / T (K −1 ), and the vertical axis is the carrier concentration (cm −3 ). From these results, it was found that both the sample (a) and the sample (b) were n-type conductivity type,
800K-300K (room temperature) (horizontal axis 0.0013-0.
It was found that the carrier concentration hardly changed with temperature in the range of 0033). The activation energies of the sample (a) were 0.03 eV and those of the sample (b) were 0.
It was 05 eV. From this, the existence of a saturation region independent of temperature was confirmed in the range of 800 K to room temperature.

【0041】また、試料(a)と試料(b)でキャリア
濃度の異なる試料を作成できたことが判った。試料
(a)はノンドープ層を30nm、ドープ層を3nmづ
つ積層したものであり、試料(b)はノンドープ層を3
00nm、ドープ層を3nmづつ積層したものであるか
ら、平均キャリア濃度は、試料(b)が試料(a)の約
1/10になるはずであるが、実際の測定によって、そ
のようになっていることが確認できた。
It was also found that samples (a) and (b) could be prepared with different carrier concentrations. Sample (a) is a non-doped layer having a thickness of 30 nm and a doped layer having a thickness of 3 nm, and sample (b) has a non-doped layer of 3 nm.
The average carrier concentration of sample (b) should be about 1/10 of that of sample (a) because it is a stack of 00 nm and doped layers of 3 nm each. I was able to confirm that

【0042】また、抵抗率の温度依存性の測定結果を図
3に示す。横軸は、図2と同様絶対温度の逆数1/T
(K−1)であり、縦軸は、抵抗率(Ω・cm)であ
る。この結果から、試料(a)と試料(b)は、800
K〜300K(室温)の温度範囲で抵抗率の温度依存性
がほとんどないことが確認できた。
FIG. 3 shows the measurement results of the temperature dependence of the resistivity. The horizontal axis is the reciprocal of absolute temperature 1 / T as in FIG.
(K −1 ) and the vertical axis represents the resistivity (Ω · cm). From this result, the sample (a) and the sample (b) are 800
It was confirmed that there was almost no temperature dependence of the resistivity in the temperature range of K to 300K (room temperature).

【0043】これより、窒素とホウ素を含むドープ層を
持つδドープ構造によって、全体として半導体特性が得
られる程度に平均キャリア濃度、つまり平均電子濃度を
調節でき、かつ、キャリアの供給源であるn型ドープ層
の電子濃度の温度依存性がほとんどないため、全体とし
て電子濃度および抵抗率の温度依存性がほとんどないn
型ダイヤモンド半導体が作成できたことを確認した。
From the above, the δ-doped structure having the doped layer containing nitrogen and boron makes it possible to adjust the average carrier concentration, that is, the average electron concentration to the extent that semiconductor characteristics are obtained as a whole, and is a carrier supply source n. Since the electron concentration of the type-doped layer has little temperature dependence, the electron concentration and the resistivity have almost no temperature dependence as a whole.
It was confirmed that a diamond semiconductor of the type could be produced.

【0044】比較例1 実施例1のノンドープ層の成膜条件と、ドープ層の成膜
条件のうち、ジボラン(水素希釈10ppm)のガス流
量を10sccm、アンモニア(水素希釈1000pp
m)のガス流量を1sccmとした以外は、実施例1の
ドープ層の成膜条件で、人工単結晶ダイヤモンド基板の
{100}面上に、ノンドープ層とドープ層を交互に成
膜した。ただし、膜の厚みとサイクル数は、以下のよう
にした。比較試料:ノンドープ層30nm、ドープ層1
00nm、サイクル数n=5
Comparative Example 1 Among the film forming conditions for the non-doped layer and the film forming condition for the doped layer in Example 1, the gas flow rate of diborane (hydrogen diluted 10 ppm) was 10 sccm, and ammonia (hydrogen diluted 1000 pp).
The non-doped layers and the doped layers were alternately formed on the {100} plane of the artificial single crystal diamond substrate under the film forming conditions of the doped layer of Example 1 except that the gas flow rate of m) was 1 sccm. However, the film thickness and the number of cycles were as follows. Comparative sample: non-doped layer 30 nm, doped layer 1
00 nm, cycle number n = 5

【0045】作成した比較試料は、電子線回折測定によ
り、<100>方向にエピタキシャル成長していること
を確認した。また、実施例1と同様にSIMS測定によ
り、ドープ層の窒素とホウ素の量を測定したところ、C
は6x1018cm−3、Cは5x1017cm
−3であった。
It was confirmed by electron beam diffraction measurement that the prepared comparative sample was epitaxially grown in the <100> direction. Moreover, when the amounts of nitrogen and boron in the doped layer were measured by SIMS measurement in the same manner as in Example 1, it was found that C
n is 6x10 18 cm -3, C b is 5x10 17 cm
It was -3 .

【0046】実施例1と同様にして、電極を形成し、ホ
ール効果測定により、キャリア濃度の温度依存性を測定
したところ、伝導型はn型であったが、キャリア濃度の
温度依存性は大きかった。また、キャリア濃度の温度依
存性から、比較試料の活性化エネルギーを求めたとこ
ろ、活性化エネルギーは、1.7eVと大きかった。こ
のように、ドープ層の不純物濃度が低く、且つ厚いため
にδドープ構造ではない場合は、活性化エネルギーは、
0.1eV以上となることが判った。
When an electrode was formed in the same manner as in Example 1 and the temperature dependence of carrier concentration was measured by Hall effect measurement, the conductivity type was n-type, but the temperature dependence of carrier concentration was large. It was Further, when the activation energy of the comparative sample was obtained from the temperature dependence of the carrier concentration, the activation energy was as large as 1.7 eV. In this way, when the impurity concentration of the doped layer is low and is not thick, the activation energy is
It was found to be 0.1 eV or more.

【0047】実施例2 実施例1と同様図1の構成で、人工単結晶ダイヤモンド
基板100の{100}面上に、マイクロ波プラズマC
VD法によって、次のような条件で、ノンドープ層11
〜110n+1(nはサイクル数)と、イオウとホ
ウ素をドープしたドープ層120〜120を交互に
成膜した。
Example 2 As in Example 1, the microwave plasma C was formed on the {100} plane of the artificial single crystal diamond substrate 100 with the structure shown in FIG.
The non-doped layer 11 is formed by the VD method under the following conditions.
0 1 to 110 n + 1 (n is the number of cycles) and doped layers 120 1 to 120 n doped with sulfur and boron were alternately formed.

【0048】(1)ノンドープ層の成膜条件は、以下の
通りである。 H(水素)ガス流量:2000sccm CH(メタン)ガス流量:1sccm 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
(1) The film forming conditions for the non-doped layer are as follows. H 2 (hydrogen) gas flow rate: 2000 sccm CH 4 (methane) gas flow rate: 1 sccm Pressure: 100 torr (13.3 KPa) Microwave power: 300 W Substrate temperature: 850 ° C.

【0049】(2)イオウとホウ素をドープしたドープ
層の成膜条件は、以下の通りである。 H(水素)ガス流量:2000sccm CH(メタン)ガス流量:1sccm B(ジボラン)(水素希釈1000ppm)ガス
流量:1sccm HS(硫化水素)(水素希釈1000ppm)ガス流
量:5sccm 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
(2) The film forming conditions for the doped layer doped with sulfur and boron are as follows. H 2 (hydrogen) gas flow rate: 2000 sccm CH 4 (methane) gas flow rate: 1 sccm B 2 H 6 (diborane) (hydrogen dilution 1000 ppm) gas flow rate: 1 sccm H 2 S (hydrogen sulfide) (hydrogen dilution 1000 ppm) gas flow rate: 5 sccm Pressure: 100 torr (13.3 KPa) Microwave power: 300 W Substrate temperature: 850 ° C.

【0050】単結晶ダイヤモンドの{100}面上にノ
ンドープ層とイオウとホウ素をドープしたドープ層を交
互に積層するのであるが、膜の厚さとサイクル数nを異
ならせた以下の2種類の試料を作成した。 試料(c):ノンドープ層30nm、ドープ層3nm、
サイクル数n=10 試料(d):ノンドープ層300nm、ドープ層3n
m、サイクル数n=5
A non-doped layer and a doped layer doped with sulfur and boron are alternately laminated on the {100} face of a single crystal diamond. The following two kinds of samples having different film thickness and cycle number n are used. It was created. Sample (c): non-doped layer 30 nm, doped layer 3 nm,
Number of cycles n = 10 Sample (d): non-doped layer 300 nm, doped layer 3n
m, number of cycles n = 5

【0051】いずれの試料も電子線回折測定により、<
100>方向にエピタキシャル成長していることを確認
した。また、実施例1と同様にイオウとホウ素を添加し
た100nm厚さの試料を作成し、SIMS測定でイオ
ウ原子濃度(C)とホウ素原子濃度(C)を測定し
た結果、イオウ原子濃度(C)は7x1020cm
−3、ホウ素原子濃度(C)は9x1018cm−3
であった。つまり、ドープ層は、0.5C<C≦1
00Cの範囲内であり、イオウ原子が1019cm
−3以上であることが確認できた。
By electron beam diffraction measurement, all samples were
Confirm epitaxial growth in 100> direction
did. Also, as in Example 1, adding sulfur and boron
A sample with a thickness of 100 nm was prepared, and the ion was measured by SIMS.
C atomic concentration (Cs) And boron atom concentration (Cb) Is measured
As a result, the sulfur atom concentration (Cs) Is 7x1020cm
-3, Boron atom concentration (Cb) Is 9x1018cm-3
Met. That is, the doped layer is 0.5Cb<Cs≤1
00CbAnd the sulfur atom is 1019cm
-3It was confirmed that the above was done.

【0052】作成した(c)と(d)の試料について、
実施例1と同様に、キャリア濃度と抵抗率の温度依存性
を測定した。なお、測定前の前処理も実施例1と同様の
処理を行った。
Regarding the prepared samples (c) and (d),
Similarly to Example 1, the temperature dependence of carrier concentration and resistivity was measured. The pretreatment before the measurement was the same as in Example 1.

【0053】各試料のホール効果測定によるキャリア濃
度の温度依存性の測定結果を図4に示す。本測定により
伝導型はn型であることが判った。また、この結果よ
り、試料(c)、試料(d)は、800K〜300K
(室温)(横軸0.0013〜0.0033)の範囲
で、キャリア濃度が温度によってほとんど変化していな
いことが判った。また、活性化エネルギーは、どちらの
試料も0.01eVであった。これより、800Kから
室温の範囲で、温度に依存しない飽和領域の存在が確認
された。また、実施例1と同様にキャリア濃度の異なる
試料を作成できたことが判った。
FIG. 4 shows the measurement results of the temperature dependence of the carrier concentration by the Hall effect measurement of each sample. This measurement revealed that the conductivity type was n-type. Further, from this result, the sample (c) and the sample (d) are 800K to 300K.
It was found that the carrier concentration hardly changed with temperature in the range of (room temperature) (horizontal axis 0.0013 to 0.0033). Moreover, the activation energy was 0.01 eV in both samples. From this, the existence of a saturation region independent of temperature was confirmed in the range of 800 K to room temperature. It was also found that samples having different carrier concentrations could be prepared as in Example 1.

【0054】また、抵抗率の温度依存性の測定結果を図
5に示す。横軸は、図4と同様絶対温度の逆数1/T(K
−1)であり、縦軸は、抵抗率(Ω・cm)である。こ
の結果から、800K〜300K(室温)の温度範囲で
抵抗率の温度依存性がほとんどないことを確認できた。
FIG. 5 shows the measurement results of the temperature dependence of the resistivity. The horizontal axis is the reciprocal of absolute temperature 1 / T (K
−1 ), and the vertical axis represents the resistivity (Ω · cm). From this result, it was confirmed that there was almost no temperature dependence of the resistivity in the temperature range of 800K to 300K (room temperature).

【0055】以上より、イオウとホウ素を含むドープ層
を持つδドープ構造によって、全体として実施例1と同
様の特性を示すn型ダイヤモンド半導体が作成できたこ
とを確認した。
From the above, it was confirmed that an δ-doped structure having a doped layer containing sulfur and boron could produce an n-type diamond semiconductor having the same characteristics as in Example 1 as a whole.

【0056】実施例3 実施例1と同様図1の構成で、人工単結晶ダイヤモンド
基板100の{100}面上に、次のような条件で、ノ
ンドープ層110〜110n+1(nはサイクル数)
と、リチウムと窒素をドープしたドープ層120〜1
20を交互に成膜した。成膜は、真空紫外光を用いた
光励起気相合成法を用いた。
Example 3 As in Example 1, the non-doped layers 110 1 to 110 n + 1 (n is the number of cycles) were formed on the {100} plane of the artificial single crystal diamond substrate 100 with the structure shown in FIG. 1 under the following conditions. )
And doped layers 120 1 to 1 1 doped with lithium and nitrogen
Films of 20 n were formed alternately. For film formation, a photoexcited vapor phase synthesis method using vacuum ultraviolet light was used.

【0057】(1)ノンドープ層の成膜条件は、以下の
通りである。 H(水素)ガス流量:4000sccm CH(メタン)ガス流量:1sccm 圧力:30torr(4KPa) 基板温度(ヒータ加熱):300℃ 光源:シンクロトロン放射光(波長:70nm、蓄積電
流:200mA)
(1) The film forming conditions for the non-doped layer are as follows. H 2 (hydrogen) gas flow rate: 4000 sccm CH 4 (methane) gas flow rate: 1 sccm Pressure: 30 torr (4 KPa) Substrate temperature (heater heating): 300 ° C. Light source: synchrotron radiation (wavelength: 70 nm, accumulated current: 200 mA)

【0058】(2)リチウムと窒素をドープしたドープ
層の成膜条件は、以下の通りである。 H(水素)ガス流量:4000sccm CH(メタン)ガス流量:1sccm NH(アンモニア)(水素希釈1%)ガス流量:10
sccm 圧力:30torr(4KPa) 基板温度(ヒータ加熱):300℃ 光源:シンクロトロン放射光(波長:70nm、蓄積電
流:200mA)
(2) The film forming conditions for the doped layer doped with lithium and nitrogen are as follows. H 2 (hydrogen) gas flow rate: 4000 sccm CH 4 (methane) gas flow rate: 1 sccm NH 3 (ammonia) (hydrogen dilution 1%) gas flow rate: 10
sccm Pressure: 30 torr (4 KPa) Substrate temperature (heater heating): 300 ° C. Light source: Synchrotron radiation (wavelength: 70 nm, accumulated current: 200 mA)

【0059】なお、リチウムの供給は、LiO(酸化
リチウム)をターゲットにして、5J/cmの強度の
ArFエキシマレーザーによるレーザーアブレーション
法で行った。
The lithium was supplied by a laser ablation method using an ArF excimer laser having an intensity of 5 J / cm 2 with Li 2 O (lithium oxide) as a target.

【0060】単結晶ダイヤモンドの{100}面上にノ
ンドープ層とリチウムと窒素をドープしたドープ層を交
互に積層するのであるが、膜の厚さとサイクル数nを異
ならせた以下の2種類の試料を作成した。 試料(e):ノンドープ層30nm、ドープ層3nm、
サイクル数n=10 試料(f):ノンドープ層300nm、ドープ層3n
m、サイクル数n=5
A non-doped layer and a doped layer doped with lithium and nitrogen are alternately laminated on the {100} plane of single crystal diamond. The following two kinds of samples with different film thickness and cycle number n are used. It was created. Sample (e): non-doped layer 30 nm, doped layer 3 nm,
Number of cycles n = 10 Sample (f): non-doped layer 300 nm, doped layer 3n
m, number of cycles n = 5

【0061】いずれの試料も電子線回折測定により、<
100>方向にエピタキシャル成長していることを確認
した。また、実施例1と同様にリチウムと窒素を添加し
た100nmの厚さの試料を作成し、SIMS測定でリ
チウム原子濃度(CLi)と窒素原子濃度(C)を測
定した結果、リチウム原子濃度(CLi)は3x10
20cm−3、窒素原子濃度(C)は4x1020
−3であった。つまり、ドープ層は、CLi≦10C
の範囲内であり、リチウム原子が1019cm −3
上であることが確認できた。
By electron diffraction measurement, all samples were
Confirm epitaxial growth in 100> direction
did. Also, as in Example 1, lithium and nitrogen were added.
A sample with a thickness of 100 nm was prepared and re-measured by SIMS measurement.
Titanium atom concentration (CLi) And nitrogen atom concentration (Cn)
As a result, the lithium atom concentration (CLi) Is 3x10
20cm-3, Nitrogen atom concentration (Cn) Is 4x1020c
m-3Met. That is, the doped layer is CLi≤10C
nAnd the lithium atom is 1019cm -3Since
It was confirmed to be above.

【0062】さらに、リチウム原子と窒素原子のドープ
位置を特定するために、ラザフォード後方散乱分析、粒
子線励起X線放射分析、核反応分析、及び電子スピン共
鳴分析を組み合せた分析を行った。その結果、リチウム
原子は、ほとんどがダイヤモンドを構成する炭素原子の
格子間位置にあり、窒素原子は、炭素原子の置換位置に
あることが判った。また、大部分の窒素原子に隣接して
リチウム原子が存在していることも判った。これらの結
果から、リチウム原子と窒素原子の中心距離は、第一原
理計算により計算された最適構造の約0.15nmであ
ると推定された。
Further, in order to identify the doping positions of lithium atoms and nitrogen atoms, a combination of Rutherford backscattering analysis, particle beam excited X-ray emission analysis, nuclear reaction analysis and electron spin resonance analysis was conducted. As a result, it was found that most of the lithium atoms were at the interstitial positions of the carbon atoms constituting diamond and the nitrogen atoms were at the substitution positions of the carbon atoms. It was also found that a lithium atom exists adjacent to most of the nitrogen atoms. From these results, the center distance between the lithium atom and the nitrogen atom was estimated to be about 0.15 nm of the optimum structure calculated by the first principle calculation.

【0063】作成した(e)と(f)の試料について、
実施例1と同様に、キャリア濃度と抵抗率の温度依存性
を測定した。なお、測定前の前処理も実施例1と同様の
処理を行った。
Regarding the prepared samples (e) and (f),
Similarly to Example 1, the temperature dependence of carrier concentration and resistivity was measured. The pretreatment before the measurement was the same as in Example 1.

【0064】各試料のホール効果測定によるキャリア濃
度の温度依存性の測定結果を図6に示す。本測定により
伝導型はn型であることが判った。また、この結果よ
り、試料(e)、試料(f)は、800K〜300K
(室温)(横軸0.0013〜0.0033)の範囲
で、キャリア濃度が温度によってほとんど変化していな
いことが判った。また、活性化エネルギーは、試料
(e)が0.01eV、試料(f)が0.02eVであ
った。これより、800Kから室温の範囲で、温度に依
存しない飽和領域の存在が確認された。また、実施例1
と同様にキャリア濃度の異なる試料を作成できたことが
判った。
FIG. 6 shows the measurement result of the temperature dependence of the carrier concentration by the Hall effect measurement of each sample. This measurement revealed that the conductivity type was n-type. Further, from this result, the sample (e) and the sample (f) are 800K to 300K.
It was found that the carrier concentration hardly changed with temperature in the range of (room temperature) (horizontal axis 0.0013 to 0.0033). The activation energy of the sample (e) was 0.01 eV and that of the sample (f) was 0.02 eV. From this, the existence of a saturation region independent of temperature was confirmed in the range of 800 K to room temperature. In addition, Example 1
It was found that samples with different carrier concentrations could be prepared in the same manner as in.

【0065】また、抵抗率の温度依存性の測定結果を図
7に示す。横軸は、絶対温度の逆数1/T(K−1)であ
り、縦軸は、抵抗率(Ω・cm)である。この結果か
ら、800K〜300K(室温)の温度範囲で抵抗率の
温度依存性がほとんどないことを確認できた。
FIG. 7 shows the measurement result of the temperature dependence of the resistivity. The horizontal axis is the reciprocal of absolute temperature 1 / T (K −1 ), and the vertical axis is the resistivity (Ω · cm). From this result, it was confirmed that there was almost no temperature dependence of the resistivity in the temperature range of 800K to 300K (room temperature).

【0066】以上より、リチウムと窒素を含むドープ層
を持つδドープ構造によって、全体として実施例1と同
様の特性を示すn型ダイヤモンド半導体が作成できたこ
とを確認した。
From the above, it was confirmed that an δ-doped structure having a doped layer containing lithium and nitrogen could produce an n-type diamond semiconductor having the same characteristics as in Example 1 as a whole.

【0067】[0067]

【発明の効果】本発明のn型ダイヤモンド半導体は、室
温〜800Kの温度範囲でキャリア濃度、つまり電子濃
度や抵抗率の温度依存性がほとんどない。しかも電子濃
度を自在に制御することができる。従って、本発明のn
型ダイヤモンド半導体は、室温から高温までの広い温度
範囲で安定して動作するダイオード、LED、トランジ
スタ、電子放出素子などのデバイスに使用可能である。
The n-type diamond semiconductor of the present invention has almost no temperature dependence of carrier concentration, that is, electron concentration and resistivity in the temperature range of room temperature to 800K. Moreover, the electron concentration can be freely controlled. Therefore, n of the present invention
The type diamond semiconductor can be used for devices such as diodes, LEDs, transistors, and electron-emitting devices that operate stably in a wide temperature range from room temperature to high temperature.

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

【図1】本発明の実施例のn型ダイヤモンド半導体の構
成図の一例である。
FIG. 1 is an example of a configuration diagram of an n-type diamond semiconductor according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明のn型ダイヤモンド半導体の試料(a)
と試料(b)についてホール効果測定を行いキャリア濃
度の温度依存性を求めたグラフである。
FIG. 2 is a sample of an n-type diamond semiconductor of the present invention (a).
3 is a graph in which the Hall effect measurement is performed on Sample (b) and the temperature dependence of carrier concentration is obtained.

【図3】本発明のn型ダイヤモンド半導体の試料(a)
と試料(b)について抵抗率の温度依存性を求めたグラ
フである。
FIG. 3 is a sample of an n-type diamond semiconductor of the present invention (a).
3 is a graph in which the temperature dependence of the resistivity of the sample (b) is calculated.

【図4】本発明のn型ダイヤモンド半導体の試料(c)
と試料(d)についてホール効果測定を行いキャリア濃
度の温度依存性を求めたグラフである。
FIG. 4 is a sample (c) of an n-type diamond semiconductor of the present invention.
3 is a graph in which the Hall effect measurement is performed on Sample (d) and the temperature dependence of carrier concentration is obtained.

【図5】本発明のn型ダイヤモンド半導体の試料(c)
と試料(d)について抵抗率の温度依存性を求めたグラ
フである。
FIG. 5 is an n-type diamond semiconductor sample (c) of the present invention.
3 is a graph in which the temperature dependence of the resistivity of the sample (d) is calculated.

【図6】本発明のn型ダイヤモンド半導体の試料(e)
と試料(f)についてホール効果測定を行いキャリア濃
度の温度依存性を求めたグラフである。
FIG. 6 is a sample of an n-type diamond semiconductor of the present invention (e)
3 is a graph in which the Hall effect measurement is performed on Sample (f) and the temperature dependence of carrier concentration is obtained.

【図7】本発明のn型ダイヤモンド半導体の試料(e)
と試料(f)について抵抗率の温度依存性を求めたグラ
フである。
FIG. 7 is a sample (e) of the n-type diamond semiconductor of the present invention.
3 is a graph in which the temperature dependence of the resistivity of the sample (f) is calculated.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 基板 110 ノンドープ層 120 ドープ層 100 substrates 110 Non-doped layer 120 doped layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F045 AA09 AB07 AC08 AC12 AC19 AD12 AE25 AF02 BB16 CA10 DA52 5F052 DB03 JA07 JA10 KA05    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 5F045 AA09 AB07 AC08 AC12 AC19                       AD12 AE25 AF02 BB16 CA10                       DA52                 5F052 DB03 JA07 JA10 KA05

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド半導体材料から成り、
(a)実質的に不純物が添加されていない第1のノンド
ープ層と、(b)前記第1のノンドープ層の一方の表面
に形成されたn型半導体となるように2種類以上の不純
物が添加されたドープ層と、(c)前記ドープ層の表面
に形成された実質的に不純物が添加されていない第2の
ノンドープ層と、を備えることを特徴とするn型ダイヤ
モンド半導体。
1. A diamond semiconductor material,
Two or more kinds of impurities are added so that (a) a first non-doped layer not substantially added with impurities and (b) an n-type semiconductor formed on one surface of the first non-doped layer. N-type diamond semiconductor, comprising: a doped non-doped layer formed on a surface of the doped layer; and (c) a second non-doped layer formed on a surface of the doped layer.
【請求項2】 前記ノンドープ層と前記ドープ層とが交
互に積層されるとともに、両端の層はノンドープ層であ
る、ことを特徴とする請求項1記載のn型ダイヤモンド
半導体。
2. The n-type diamond semiconductor according to claim 1, wherein the non-doped layers and the doped layers are alternately laminated, and the layers at both ends are non-doped layers.
【請求項3】 前記ドープ層に添加する2種類以上の不
純物が、窒素(N)、リン(P)、イオウ(S)、砒素
(As)、セレン(Se)、塩素(Cl)からなるA群
より選ばれる1種類以上の原子と、水素(H)、ホウ素
(B)、リチウム(Li)、アルミニウム(Al)から
なるB群より選ばれる1種類以上の原子と、であること
を特徴とする請求項1または2に記載のn型ダイヤモン
ド半導体。
3. The two or more kinds of impurities added to the doped layer are nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S), arsenic (As), selenium (Se), chlorine (Cl) A One or more kinds of atoms selected from the group and one or more kinds of atoms selected from the group B consisting of hydrogen (H), boron (B), lithium (Li), and aluminum (Al). The n-type diamond semiconductor according to claim 1 or 2.
【請求項4】 前記添加する不純物の内、少なくとも1
種類の原子の不純物濃度が、1019cm−3以上であ
ることを特徴とする請求項3に記載のn型ダイヤモンド
半導体。
4. At least one of the impurities added.
The n-type diamond semiconductor according to claim 3, wherein the impurity concentration of each type of atom is 10 19 cm -3 or more.
【請求項5】 前記ドープ層に添加する不純物は、窒素
(N)とホウ素(B)であって、窒素原子濃度(C
とホウ素原子濃度(C)とが、C<C≦100C
の範囲であり、且つC≧1019cm−3であるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載のn型ダイヤモ
ンド半導体。
5. The impurities added to the doped layer are nitrogen (N) and boron (B), and have a nitrogen atom concentration (C n ).
And the boron atom concentration (C b ) are C b <C n ≦ 100C
The n-type diamond semiconductor according to claim 1 or 2, wherein the range is b and C n ≧ 10 19 cm −3 .
【請求項6】 前記ドープ層に添加する不純物は、イオ
ウ(S)とホウ素(B)であって、イオウ原子濃度(C
)とホウ素原子濃度(C)とが、0.5C<C
≦100Cの範囲であり、且つC≧1019cm
−3であることを特徴とする請求項1または2に記載の
n型ダイヤモンド半導体。
6. The impurities added to the doped layer are sulfur (S) and boron (B), and the sulfur atom concentration (C)
s ) and the boron atom concentration (C b ) are 0.5 C b <C s
≦ 100 C b , and C s ≧ 10 19 cm
It is -3 , The n-type diamond semiconductor of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
【請求項7】 前記ドープ層に添加する不純物は、リチ
ウム(Li)と窒素(N)であって、リチウム原子濃度
(CLi)と窒素原子濃度(C)とが、CLi≦10
の範囲であり、且つCLi≧1019cm−3であ
ることを特徴とする請求項1または2に記載のn型ダイ
ヤモンド半導体。
7. The impurities added to the doped layer are lithium (Li) and nitrogen (N), and the lithium atom concentration (C Li ) and the nitrogen atom concentration (C n ) are C Li ≦ 10.
The n-type diamond semiconductor according to claim 1 or 2, wherein C n is in the range and C Li ≧ 10 19 cm −3 .
【請求項8】 前記リチウム原子が、ドープ層のダイヤ
モンドを構成する炭素原子の格子間位置に、前記窒素原
子が前記炭素原子の置換位置に、それぞれ混入してお
り、かつリチウム原子と窒素原子は互いに隣接している
構造であることを特徴とする請求項7に記載のn型ダイ
ヤモンド半導体。
8. The lithium atom is mixed in the interstitial positions of the carbon atoms constituting the diamond of the doped layer, the nitrogen atom is mixed in the substitution position of the carbon atom, and the lithium atom and the nitrogen atom are mixed. The n-type diamond semiconductor according to claim 7, wherein the n-type diamond semiconductors are structures adjacent to each other.
【請求項9】 前記リチウム原子と窒素原子の中心間距
離が、0.145nm以上、0.155nm以下である
ことを特徴とする請求項8に記載のn型ダイヤモンド半
導体。
9. The n-type diamond semiconductor according to claim 8, wherein the center distance between the lithium atom and the nitrogen atom is 0.145 nm or more and 0.155 nm or less.
【請求項10】 活性化エネルギーが0.1eV未満で
あることを特徴とする請求項1〜9いずれかに記載のn
型ダイヤモンド半導体。
10. The n according to claim 1, wherein the activation energy is less than 0.1 eV.
Type diamond semiconductor.
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