JP2005045114A - ダイヤモンドへの異種元素導入方法並びにダイヤモンド及びダイヤモンドを用いたトランジスタ素子、電子放出素子若しくは発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンドに損傷を与える事なく異種元素の濃度を制御し導入する技術を獲得し、特に半導体電子伝導特性の制御が可能となり、ダイヤモンドを電子伝導体として用いることができる電子素子を実現することを課題とする。
【解決手段】イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを収束させ、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンをダイヤモンド物質に照射し異種元素を導入する方法において、イオンを照射する真空容器の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下であり、かつダイヤモンドに対して、その構成元素以外のイオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで照射することを特徴とするダイヤモンドへの異種元素導入方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子材料として使用されるダイヤモンド構造物質に係り、特に異種元素を導入することにより優れた電気伝導特性を有するダイヤモンド及びダイヤモンドを用いたトランジスタ素子、電子放出素子若しくは発光素子に関する。

電子材料としてダイヤモンドが最も期待されているものが、大きなバンドギャップ（5.5eV）を持つ半導体材料としての応用である。バンドギャップが大きいため、放射線や高温環境で動作する極限環境デバイスへの適用が期待される。
このようなエレクトロニクス応用のためにはダイヤモンド構造物質の電気伝導特性を制御することが極めて重要である。現在のところ十分な特性を示すＮ型半導体は得られていないが、Ｐ型半導体はボロンをドーピングすることにより簡単に得ることができるため、ダイオードやトランジスタが検討されている。

従来の電気伝導特性の制御のために異種元素を導入するドーピング技術として、例えばシリコン半導体技術においては、シリコンウェハーの製造過程において所望の異種元素を所望量だけ導入する方法の他に、イオン注入技術が用いられている。
イオン注入技術は、キロエレクトロンボルト〜メガエレクトロンボルトのエネルギーに加速されたイオンを固体の表面から深さ数ナノメートルから数マイクロメートルの表層部に打ち込み、その物性を制御する技術である。

イオン注入技術は（１）室温で試料に元素導入できる、（２）イオンの数をカウントして低濃度から高濃度で濃度を制御して元素導入できる、（３）任意の領域に選択的に元素導入できる、（４）非平衡プロセスであるため固溶限界以上に元素導入できるなどの特徴を有する（例えば、非特許文献１参照）。
一般に、特定の材料に異種元素を導入する場合、従来技術の気相若しくは液相中の侵入置換反応又は表面吸着より異種元素を導入する方法が知られているが、ダイヤモンドに導入する場合には、平衡プロセスであるために、ダイヤモンドに導入する元素の固溶限界以上の濃度で元素導入することはできなかった。また、濃度の制御も困難であった。
さらに、従来技術であるイオン注入法を用いてダイヤモンドに異種元素を導入する場合には、ダイヤモンドが損傷を受けて内部に欠陥が導入されてしまうという問題があった（例えば、特許文献１参照）。
「イオン注入技術」難波進著、工業調査会発行（１９７５年） 特許３３２６４７４号 特開２００１−３５８０４

本発明は、ダイヤモンドに損傷を与える事なく異種元素の濃度を制御し導入する技術を獲得し、特に半導体電子伝導特性の制御が可能となり、ダイヤモンドを電子伝導体として用いることができる電子素子を実現することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明ではダイヤモンドに導入する異種元素イオンのみを選別して任意のイオンエネルギーに制御し、それをダイヤモンドに照射する方法を用いる。
具体的には、１）イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを収束させ、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンをダイヤモンド物質に照射し異種元素を導入する方法において、イオンを照射する真空容器の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下、より好ましくは１×１０^−７Ｐａ以下であり、かつダイヤモンドに対して、その構成元素以外のイオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで照射するダイヤモンドへの異種元素導入方法。２）イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを収束させ、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンを基材に照射し異種元素を導入する方法において、ダイヤモンドに対して、その構成元素である炭素以外のイオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで照射するダイヤモンドへの異種元素導入方法。３）炭素以外の異種元素イオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで導入したダイヤモンド構造に損傷のないダイヤモンド。４）イオン照射の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下、より好ましくは１×１０^−７Ｐａ以下である前記３）記載のダイヤモンド。５）前記１）又は２）の異種元素導入方法によって製造されたダイヤモンド。６）前記３）〜５）のいずれかに記載のダイヤモンドを電子伝導体として用いるトランジスタ素子。７）前記３）〜５）のいずれかに記載のダイヤモンドを電子放出体として用いる電子放出素子。８）前記３）〜５）のいずれかに記載のダイヤモンドを用いる発光素子。
を提供するものである。

本発明によれば、損傷を与える事なくダイヤモンド中に異種元素の濃度を制御して導入できるという優れた効果を有する。これによって、特に半導体電子伝導特性の制御が可能となり、ダイヤモンドを電子伝導体として用いた電子素子が実現できる効果を有する。

本発明者らは、従来のイオンビーム装置ではイオンビーム照射中の真空度がよくないために、イオンビームと残留ガスの衝突により電荷交換が生じて、高速の中性粒子が生成して、照射標的に損傷を与える可能性を考えた。
その結果、イオン源からイオンを引き出し、質量分離装置によりイオンのみを選別し、イオン収束機構により空間電荷によるイオンの発散を防ぎ、さらにイオン偏向機構により電荷交換作用により生じた高速の中性粒子を除去した後に、真空容器中でイオン減速機構により低エネルギーに制御して、超高真空下でイオンを標的に照射させる方法及びそれを実現するための装置を創案した。

本技術によれば、真空容器中の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下で０．２ｍＡ／ｃｍ^２以上のイオン電流密度が得られた。
イオンエネルギー１００ｅＶの炭素イオンを標的に照射して標的上に炭素薄膜を形成したとき、従来条件である照射中の真空度が１×１０^−５Ｐａであるとき電荷交換効果により生成した高速中性炭素原子による膜への損傷が観察された。
しかし、照射中の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下、特に１×１０^−７Ｐａ以下では膜への損傷がないことが明らかになった。すなわち、この条件でダイヤモンドにイオンエネルギー４０ｅＶの窒素イオンを照射したところ、ダイヤモンドの構造に損傷を与える事なく窒素イオンがダイヤモンド中へ導入されることを確認した。これは超高真空下での低エネルギーイオン照射を可能にしたために初めて可能になったものである。
本発明によればダイヤモンド物質へ損傷を与える事なく、さまざまな種類の異種元素を導入することが可能になり、ダイヤモンドの特性の制御が可能となる。

次に、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれに拘束され、限定されるものでない。すなわち、本発明の技術思想の範囲での改変、他の実施例又は態様は全て本発明に含まれるものである。

イオンを生成するイオン源、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構、イオン収束機構、イオン偏向機構、イオン減速機構、及びイオンを基材に堆積させる真空容器からなる製造装置を作製した。
イオンの質量分離機構としてセクター型の電磁石を、イオン収束機構として４重極電磁石３つからなる電磁レンズを用いた。イオン偏向機構としてセクター型の電磁石を、イオン減速機構としては静電場を形成する電極を用いた。
イオン源部分に２台、質量分離機構とイオン収束機構の間に１台、イオン収束機構とイオン偏向機構の間に１台、及び真空容器部分に１台クライオポンプを取り付け、さらにクライオポンプの前段ポンプとしてロータリーポンプとターボ分子ポンプからなる排気機構を取り付け、真空排気を行った。
これらの真空排気機構により、到達真空後は真空容器部分で3×10^−８Pa、イオン偏向機構部分で8×10^−７Pa、質量分離機構部分で5×10^−５Paとなった。

上記装置を用いてダイヤモンドに窒素イオンを照射した。装置内にダイヤモンド単結晶（１００）基板を設置した後、装置内を3×10^−８Pa以下まで真空排気した。窒素イオンの原料ガスとして窒素ガスを用いた。
イオン源内で原料ガスのプラズマを生成した後、イオンを接地電位に対して-35kVで引き出した。この時、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構、イオン収束機構、イオン偏向機構は全て-35kVとなっている。
イオン源は接地電位に対して正電位にし、この電位により最終的に真空容器内のダイヤモンド基板に到達するイオンエネルギーを決めた。

引き出したイオン束から質量分離電磁石により原子量14の窒素イオンのみを選別し、イオン収束機構である４重極電磁石レンズによりイオン電流が最大となるように収束した。
さらにイオン偏向電磁石により炭素イオンを真空容器内曲げて真空容器内に導入し、イオンを減速してダイヤモンド基板に照射した。イオン照射中の真空容器内の真空度は3×10^−７Paであった。イオン電流密度は0.01mA/cm2となるように調整した。
さらに、窒素イオンエネルギーを40eV に固定して、上記記載の3×10^−７Paの真空中でダイヤモンドに照射して窒素を導入した。

作製したダイヤモンドの構造を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて調べた。また電子線エネルギー損失分光法によりダイヤモンド中の窒素の分析を行った。
3×10^−７Paの真空中で窒素イオン照射したダイヤモンドの電子線回折からはダイヤモンド単結晶に起因した回折スポットが明瞭に観察され、損傷は見られなかった。またダイヤモンド中には0.2原子％の窒素原子が含まれる事が分かった。
（比較例１）

比較のために、従来技術のイオン注入におけるイオン照射時の真空条件とするために、真空容器とクライオポンプ間のバルブを半開にし、イオン照射中の真空度6×10^−４Paとした。そして、この真空度でダイヤモンドに窒素イオンを照射した。
このように、6×10^−４Paの真空中で窒素イオン照射したダイヤモンドの電子線回折からはダイヤモンド単結晶に起因した回折スポットの他にリング状回折が観察された。
これは6×10^−４Paの真空中で作製した場合、窒素イオンがダイモンドまでの輸送中に残留ガスと衝突して電荷交換効果により中性粒子となり、減速されずにダイヤモンドに照射されたために損傷を受けたためである。

以上から、照射中の真空度を高真空とすることにより、ダイヤモンドに損傷を与えずに異元素を導入することができることが分かった。
その真空度の臨界条件を確認するために、真空度を変えて窒素イオン照射を行いダイヤモンドの構造を観察したところ、イオン照射中の圧力を1×10^−６Pa以下とすることにより、ダイヤモンドに損傷を与える事なく窒素を導入できることが分かった。
また、ダイヤモンドへの照射エネルギーも、ダイヤモンドに損傷を与えずに異種元素を導入するためには重要であり、導入元素のイオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで照射することが望ましい。
真空度とイオンエネルギーを種々変更した場合の、ダイヤモンド損傷との相関を図１に示す。図１から明らかなように、真空度1×10^−６Pa以下とし、かつ１００ｅＶ以下のエネルギーで照射することにより良好な結果が得られ、さらに真空度1×10^−７Pa以下とし、かつ５０ｅＶ以下のエネルギーで照射することにより、ダイヤモンドへの損傷が全く無くなるという極めて良好な結果が得られることが分かる。

損傷を与える事なくダイヤモンド中に異種元素の濃度を制御して導入できるので、特に半導体電子伝導特性の制御が可能となり、ダイヤモンドを電子伝導体として用いた電子素子に適用できる。

イオンエネルギーおよび照射中の真空度とダイヤモンドへの損傷の関係図である。

Claims (8)

1. イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを収束させ、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンをダイヤモンド物質に照射し異種元素を導入する方法において、イオンを照射する真空容器の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下であり、かつダイヤモンドに対して、その構成元素以外のイオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで照射することを特徴とするダイヤモンドへの異種元素導入方法。
2. イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを収束させ、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンを基材に照射し異種元素を導入する方法において、ダイヤモンドに対して、その構成元素である炭素以外のイオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで照射することを特徴とするダイヤモンドへの異種元素導入方法。
3. 炭素以外の異種元素イオンを１００ｅＶ以下のエネルギーで導入したことを特徴とするダイヤモンド構造に損傷のないダイヤモンド。
4. イオン照射の真空度が１×１０^−６Ｐａ以下であることを特徴とする請求項３記載のダイヤモンド。
5. 請求項１又は２の異種元素導入方法によって製造されたダイヤモンド。
6. 請求項３〜５のいずれかに記載のダイヤモンドを電子伝導体として用いることを特徴とするトランジスタ素子。
7. 請求項３〜５のいずれかに記載のダイヤモンドを電子放出体として用いることを特徴とする電子放出素子。
8. 請求項３〜５のいずれかに記載のダイヤモンドを用いることを特徴とする発光素子。

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