JP2010024088A - 気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間かつ低コストで大面積、厚膜品のダイヤモンド単結晶を提供し、抵抗率の高い気相合成法によってダイヤモンド単結晶基板を提供する。
【解決手段】種基板１であるダイヤモンド単結晶を用意する工程と、前記ダイヤモンド単結晶から気相合成法によって単結晶を成長させる工程と、を有し、前記単結晶を成長させる工程において、水素と、炭素源を含んだ合成ガス中に窒素ガスを添加することにより、単結晶基板中の炭素原子に対する窒素原子の含有量が５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とするとともに、さらに、前記ダイヤモンド単結晶の周辺にＳｉ基板２を配置することにより、単結晶基板中の炭素原子に対するＳｉ原子の含有量を１．０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とし、抵抗率が１．０×１０16Ω・cm以上であるダイヤモンド単結晶基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板に関し、特に半導体用途にも使用できる高品質な単結晶基板であり、短時間かつ低コストで製造することが可能であり、成膜開始時の多結晶成長を抑制することができる気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板に関する。

ダイヤモンドは高熱伝導率、高い電子・正孔移動度、高い絶縁破壊電界強度、低誘電損失、そして広いバンドギャップといった、半導体材料として他に類を見ない、優れた特性を数多く備えている。特に近年では、広いバンドギャップを活かした紫外発光素子や、優れた高周波特性を持つ電界効果トランジスタなどが開発されつつある。

ダイヤモンドを半導体として利用することを考えた場合、できるだけ大面積のものを安価に作製することが必要とされる。現在、ダイヤモンド単結晶は主に高温高圧合成法を用いて作製している。これは結晶性に優れ、物性上は半導体基板として利用可能であるが、得られる単結晶のサイズは１ｃｍ級までが限界となっている。
そこで、気相合成法による単結晶のエピタキシャル成長させる条件が検討されており、さらには気相合成法により大面積の単結晶を製造する方法が検討されている。
例えば、特許文献１には複数の単結晶ダイヤモンドの方位をそろえて並べ、これの上にダイヤモンドを気相合成法により成長させることによりダイヤモンド単結晶を製造する方法が開示されている。しかし、このような方法で製造されたダイヤモンド単結晶は結晶欠陥が多く、光学用や半導体基板としては充分な品質ではない。
さらに、単結晶基板上へ気相合成法で成長させる際に、作製ガス中に窒素を含有させることで成長速度を上げることが可能となり、大面積、厚膜品を作製するコストを著しく下げることができる技術も開示されている（特許文献２）。
特開平３−７５２９８号公報 特開２００７−１９１３６２号公報

従来の技術である高温高圧法では大面積や厚膜のダイヤモンド単結晶を作製するにはコストがかかる。また気相合成法で作製する際に窒素を導入し、成長速度を大きくすることで製作コストを下げることが可能であるが、この方法で作製したものは抵抗率が低く、高電界を印加した使用において漏れ電流が大きく精密電子部品に適用することができないといった問題点があった。
そこで本発明は、短時間かつ低コストで大面積、厚膜品のダイヤモンド単結晶を提供することを目的とする。また、抵抗率の高い気相合成法で作製したダイヤモンド単結晶基板を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を採用した。
（１）ダイヤモンド単結晶基板であって、該基板内の炭素原子に対する窒素原子の含有量が５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であり、該基板における抵抗率が１．０×１０¹⁶Ω・cm以上であることを特徴とする気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板である。

（２）前記ダイヤモンド単結晶基板であって、炭素原子に対するＳｉ原子の含有量が１．０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載された気相合成
法で作製されたダイヤモンド単結晶基板である。
（３）前記単結晶基板が、基板厚み１ｍｍ以上であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板である。

（４）種基板であるダイヤモンド単結晶を用意する工程と、前記ダイヤモンド単結晶から気相合成法によって単結晶を成長させる工程と、を有し、前記単結晶を成長させる工程において、単結晶基板中の炭素原子に対する窒素原子の含有量が５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下となるように窒素ガスを添加することを特徴とするダイヤモンド単結晶基板の製造方法である。
（５）前記単結晶を成長させる工程において、前記ダイヤモンド単結晶の周辺にＳｉ基板を配置することにより、単結晶基板中の炭素原子に対するＳｉ原子の含有量を１．０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とし、抵抗率が１．０×１０¹⁶Ω・cm以上であるダイヤモンド単結晶基板を得ることを特徴とする上記（４）記載のダイヤモンド単結晶基板の製造方法である。

本発明によれば、単結晶ダイヤモンドを気相合成で作製する際に、合成ガス中に窒素を導入することで、大面積、厚膜品の作製時コストを低減することが可能である。また、抵抗率を高くすることで高電界を印加する半導体用途での使用も可能となる。

以下、本発明に係る実施形態の一例を説明する。
ダイヤモンド単結晶基板を得るためには、例えば高温高圧合成で作製した単結晶基板上に気相合成法により成長をさせる方法が一般的であり、この気相合成法で作製したもののみを取り出すことで所望のダイヤモンド単結晶基板を得ることができる。
気相合成法によるダイヤモンド単結晶基板の作製時に使用するガスは、水素と、炭素源を含んだガス、例えばアセトンやメタンといったものである。この際、ガス中に窒素を添加することで成膜速度を向上させることができる。これにより製造スピードが上がり、大面積、厚膜品作製のコストを低減することができる。この場合元の基板が、高温高圧基板でなく気相合成法で作製した基板であっても問題はない。

また窒素を含有させることで半導体用途への使用も可能となる。本実施形態における窒素含有量は炭素原子に対して５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下である。望ましくは２０ｐｐｍ以上８０ｐｐｍ以下であり、より望ましくは３０ｐｐｍ以上７０ｐｐｍ以下である。５ｐｐｍ未満では十分に半導体特性を出すことができず、１００ｐｐｍを超えると不純物量が大きくなりすぎ、十分に高い移動度を持った半導体とならない。
窒素含有量は、成長中に添加する窒素量、基板温度、マイクロ波出力等を変更することで調整可能である。また抵抗率が１．０×１０¹⁶Ω・cmよりも小さい場合には、漏れ電流の発生が大きくなり半導体として使用することができない。抵抗率を上げるためには、作製時にＳｉを含んだ治具を使用することで、Ｓｉを含ませることが可能となる。

本実施形態における炭素原子に対するＳｉ原子は１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下が好ましい。望ましくは２．０ｐｐｍ以上８０ｐｐｍ以下であり、さらに望ましくは５ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下である。Ｓｉ原子が１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であれば、作製されたダイヤモンド単結晶基板における抵抗率を１．０×１０¹⁶Ω・ｃｍ以上にすることが可能である。
また電子部品などのデバイスへダイヤモンド単結晶基板を使用するためには、基板厚１ｍｍ以上の厚みが必要である。基板厚１ｍｍ未満では加工等を行う際に、割れや穴が空いてしまい使用できない。

以下、本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の一例を実施例及び比較例として開示する。
６ｍｍ×４ｍｍ、厚さ０．４５ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１００｝基板を用意して、マイクロ波プラズマＣＶＤによるエピタキシャル成長を行った。ここで、基板温度は１０５０℃、圧力１００Ｔｏｒｒでおこなった。
導入したガスはメタン２００ｓｃｃｍ（standard cubiccm）、水素１０００ｓｃｃｍとした。８枚の人工Ｉｂ型単結晶基板について、夫々前記のガス条件で成長を行い、全ての基板について気相合成で成長させた部分のみ切り出しを行なった。
それぞれの基板について、ＳＩＭＳによる炭素原子に対する窒素原子及びＳｉ原子の含有量を測定した。また、抵抗率についても測定を行なった。結果は表１の通りである。Ｎo.１〜６は成長を行なう際に、図１に示す如く基板１の側面を保護した形でＭｏ板３上にＳｉ基板２を配置した。Ｎo.６〜８はＭｏ板３の上に基板１を配置したのみとし、周辺にＳｉ基板２は配置しなかった。添加する窒素ガスは０．１〜５０ｓｃｃｍの範囲で調整した。全て気相合成で作製した部分の厚みが１．５ｍｍ以上となるように成長を行なった。
さらに、上記と同様の製造方法をとるが、作製品の厚みが１．１ｍｍになるもの（Ｎo.９）と０．９ｍｍとなるもの（Ｎo.10）をそれぞれ１枚づつ作製した。

Ｎo.１については製作時間が、他に比べ倍以上かかり作製コストが高くなった。全てについて、実際に半導体デバイスへの適用するための加工を行った。Ｎo.２，３，４については、半導体としての使用も可能であったが、Ｎo.５，６，７，８については半導体として使用できる電気特性が現われなかった。

さらに、作製品の厚みが１．１ｍｍになるもの（Ｎo.９）と０．９ｍｍとなるもの（Ｎo.10）についてもデバイスへの加工を行ったが、Ｎo.９については問題なくデバイスが完成したが、Ｎo.10については作製時に割れが起こった。

気相合成法によって本発明に係るダイヤモンド単結晶基板を製造する方法の一例を示す概念図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ Ｓｉ基板
３ Ｍｏ板

Claims (5)

1. ダイヤモンド単結晶基板であって、該基板内の炭素原子に対する窒素原子の含有量が５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であり、該基板における抵抗率が１．０×１０¹⁶Ω・cm以上であることを特徴とする気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板。
2. 前記ダイヤモンド単結晶基板であって、炭素原子に対するＳｉ原子の含有量が１．０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載された気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板。
3. 前記単結晶基板が、厚み１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板。
4. 種基板であるダイヤモンド単結晶を用意する工程と、前記ダイヤモンド単結晶から気相合成法によって単結晶を成長させる工程と、を有し、前記単結晶を成長させる工程において、単結晶基板中の炭素原子に対する窒素原子の含有量が５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下となるように窒素ガスを添加することを特徴とするダイヤモンド単結晶基板の製造方法。
5. 前記単結晶を成長させる工程において、前記ダイヤモンド単結晶の周辺にＳｉ基板を配置することにより、単結晶基板中の炭素原子に対するＳｉ原子の含有量を１．０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とし、抵抗率が１．０×１０¹⁶Ω・cm以上であるダイヤモンド単結晶基板を得ることを特徴とする請求項４記載のダイヤモンド単結晶基板の製造方法。
   

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