JP2010517263A - ダイヤモンド電子デバイス及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
(b)第1の表面を破壊する第1のダイヤモンド層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満であること;(c)界面に平行し、界面から50μm以内の第2の層内に存在する観念上の又は実際の表面を破壊する第2の層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満であること;及び(d)第1の表面が1nm未満のRqを有することのうちの少なくとも1つを有するダイヤモンド電子デバイスに関する。
Description
・これらは、バルク成長基板材料で制御するのが困難であり得るため、純度が高く及び/又はより転位量が低い。
・ドープ剤濃度、例えば、基板を絶縁して隔離し、エピ層をドープして、活性デバイス領域を設けることができる。
・ヘテロエピタキシャル層の場合は、エピ層における基本材料が異なり得る。
・最も純度の高い材料を厚膜層に成長させることができるが、当該厚膜層の最終的な表面は、平坦でない。
・ダイヤモンドにおける任意の界面又は新たな成長の開始は、新たな転位の生成源になり得るため、界面の数が概して最小限になる。
・真の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができないため、ダイヤモンド単結晶基板が常に使用される。ヘテロエピタキシャル材料は、ときには、例えば成長表面の視覚的検査から単結晶と記され得るが、互いに誤った方向に配向され、低角度境界によって隔てられた結晶の領域を依然保持する。
(a)第1の表面が、エッチングされた表面、好ましくは等方性エッチングされた表面であること;
(b)表面を破壊する第1のダイヤモンド層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満であること;
(c)界面に平行し、界面から50μm以内の第2の層内に存在する観念上の又は実際の表面を破壊する第2の層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満であること;及び
(d)第1の表面が1nm未満のRqを有すること
のうちの少なくとも1つ、好ましくは少なくとも2つ、好ましくは少なくとも3つ、好ましくは4つすべてを有するダイヤモンド電子デバイスを提供する。
エッチングされた表面は、表面から最小限の厚さの材料を除去することを指す。
・平滑であり、好ましくは最初に調製された表面より平滑であり、特にエッチングされた表面(Rq A)のRqが好ましくは約10nm未満、好ましくは約5nm未満、好ましくは約2nm未満、好ましくは約1nm未満、好ましくは約0.5nm未満、好ましくは約0.3nm未満であるエッチングされた表面。
・少なくとも約0.2μm、より好ましくは少なくとも約0.5μm、より好ましくは少なくとも約1.0μm、より好ましくは少なくとも約2μm、より好ましくは少なくとも約5μm、より好ましくは少なくとも約10μmを超える厚さの材料の除去。
・真性ダイヤモンドとホウ素ドープダイヤモンド、又はその逆などのダイヤモンドとダイヤモンドの界面、或いはドープ剤濃度が界面を通じて少なくとも約2倍、好ましくは少なくとも約5倍、好ましくは少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約20倍に変化する、ドーピング濃度が異なる2つのダイヤモンド層の間の界面。
・少なくとも1つの層における不純物濃度が1015原子/cm3を超える、好ましくは約3×1015原子/cm3を超える、好ましくは約1016原子/cm3を超える、好ましくは約1017原子/cm3を超える、好ましくは約1018原子/cm3を超え、又は
界面における不純物濃度の変化が少なくとも約5倍、好ましくは少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約30倍、好ましくは少なくとも約100倍であり、好ましくは、不純物が水素以外であるように、
少なくとも1つの不純物の量が界面で変化するダイヤモンドとダイヤモンドの界面。
・ダイヤモンドと非ダイヤモンド極性材料の界面。
・ダイヤモンドと非ダイヤモンド誘電体の界面。
・真性ダイヤモンドとホウ素ドープダイヤモンド、又はその逆などのダイヤモンドとダイヤモンドの界面、或いはドープ剤濃度が界面を通じて少なくとも約2倍、好ましくは少なくとも約5倍、好ましくは少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約20倍に変化する、ドーピング濃度が異なる2つのダイヤモンド層の間の界面。
・少なくとも1つの層における不純物濃度が1015原子/cm3を超える、好ましくは約3×1015原子/cm3を超える、好ましくは約1016原子/cm3を超える、好ましくは約1017原子/cm3を超える、好ましくは約1018原子/cm3を超え、又は
界面における不純物濃度の変化が少なくとも約5倍、好ましくは少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約30倍、好ましくは少なくとも約100倍であり、好ましくは、不純物が水素以外であるように、
少なくとも1つの不純物の量が界面で変化するダイヤモンドとダイヤモンドの界面。
・ダイヤモンドと非ダイヤモンド極性材料の界面。
・真性ダイヤモンドとホウ素ドープダイヤモンド、又はその逆などのダイヤモンドとダイヤモンドの界面、或いはドープ剤濃度が界面を通じて少なくとも約2倍、好ましくは少なくとも約5倍、好ましくは少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約20倍に変化する、ドーピング濃度が異なる2つのダイヤモンド層の間の界面。
・少なくとも1つの層における不純物濃度が1015原子/cm3を超える、好ましくは約3×1015原子/cm3を超える、好ましくは約1016原子/cm3を超える、好ましくは約1017原子/cm3を超える、好ましくは約1018原子/cm3を超えるか、又は
界面における不純物濃度の変化が少なくとも約5倍、好ましくは少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約30倍、好ましくは少なくとも約100倍であり、好ましくは、不純物が水素以外であるように、
少なくとも1つの不純物の量が界面で変化するダイヤモンドとダイヤモンドの界面。
再成長による界面の形成は、デバイスの機能性界面を形成する表面からあらゆる損傷層を遠ざける効果を有するため有利である。
・両層が、好ましくは約1017原子/cm3を超える、好ましくは約1018原子/cm3を超える、好ましくは約1019原子/cm3を超える、好ましくは約1020原子/cm3を超える濃度でドープ剤を含み、好ましくは、層の間のホウ素ドーピングの差がデバイス性能に無関係であり、損傷層が、基本的に、あらゆる活性デバイス界面から離れた導電性ダイヤモンドの領域に封入されているホウ素ドープダイヤモンドとホウ素ドープダイヤモンドなどの導電性ドープダイヤモンドと導電性ドープダイヤモンドの界面。好ましくは、ドープ剤はホウ素である。
最初に表面をエッチングし、次いで薄層を再成長させて、第1の層の第1の表面及び続いて界面を形成するように、エッチングの技術と再成長の技術とを組み合わせることができる。この手法は、すべての機械的処理損傷を除去するのに十分な深さまでエッチングを完了させなかった場合にのみ一般的に有利である。しかし、それら2つの技術の組合せを使用することによって、最小限の表面損傷を有する界面を生成することが可能であることが認識される。これは、最初に損傷がエッチングによって除去され、次いで残留する損傷が薄いダイヤモンド層の成長によって機能性界面から遠ざけられたためである。
本発明の目的では、表面の粗さは、そのRq値で表される。Rqは、「二乗平均平方根」(又はRMS)粗さとしても知られる。Rqは、表面プロファイルの中心線又は平面からの平均二乗偏差の平方根で定義される。
Rq=√((y1 2+y2 2+...+yn 2)/n)
式中、y1 2等は、表面プロファイルの中心線又は平面からの平方偏差であり、nは、測定数である。
Ra=(|y1|+|y2|+....|yn|)/n
式中、|y1|等は、表面プロファイルの中心線又は平面からの偏差の絶対値であり、nは、測定数である。
(i)典型的な金属顕微鏡を用いて反射光を使用して50倍の倍率で表面を調べて、表面特徴が存在しないことを確認すること、
(ii)表面を空気−ブタン炎に曝露することによって、ダイヤモンド表面を約10秒間の時間にわたって典型的には約800℃から約1000℃の温度まで昇温させること、
(iii)典型的な金属顕微鏡を用いて反射光を使用して50倍の倍率で表面を調べ、以下に記載の方法で、露出エッチングにより露出された損傷特徴を計数して、数密度を測定すること、
(iv)計数した欠陥の数密度が、前のサイクルで測定した数密度の150%以下、好ましくは120%以下である場合はすべての欠陥が露出されたと見なし、サイクルが再び繰り返されない場合は記録した測定値が最後の2つのサイクルの測定値の平均値であるという条件が満たされるまで、工程(ii)及び(iii)を繰り返し、欠陥の実測密度と前のサイクルの密度を比較することからなる。
(i)計数する欠陥を、特性決定されている表面上に投影された1mm×0.2mmの長方形の領域内に全体又は一部が含まれる、典型的な金属顕微鏡による50倍の倍率で目視可能な欠陥とし、
(ii)領域を特性決定すべき表面又は表面の一部にわたって無作為に選択し、無作為に配向させ、
(iii)最低限5つの当該領域において欠陥を計数し、
(iv)計数した欠陥の総数を調査した総面積で割って、1mm2当たりの欠陥で数密度を求めることによって欠陥の数密度を計算する。
・ホウ素ドープ層を形成し、平面を宝石又は機械的処理によってドープダイヤモンド上に形成する再成長による。次いで、好ましくは、粗面化を最小限に抑えるように選択され、粗面化を最小限に抑えるために好ましくは層を十分に薄く、10nm〜20μmの厚さ範囲、より好ましくは100nm〜10μmの厚さ範囲、より好ましくは1μm〜10μmの厚さ範囲に維持して、機械的損傷を有する表面をドープされた導電性ダイヤモンドの2つの領域の間に封入する成長条件を用いてさらなる薄いBドープ層をこの層上に成長させる。次いで、高純度真性ダイヤモンド層を再成長した層の表面上に成長させ、この層は、好ましくは、国際公開第01/96633号パンフレットの開示による材料特性を有する高純度真性ダイヤモンドを含むため、ドープされた薄い導電性ダイヤモンド層と、ホウ素ドープ層内に封入された損傷層から変位したさらなる真性ダイヤモンドの層との間に損傷のない界面を形成する。
・導電性のドープダイヤモンド層を形成し、宝石又は機械的処理によって平面をドープダイヤモンド上に形成するエッチングによる。次いで、好ましくはプラズマエッチング、より好ましくはアルゴン/塩素プラズマエッチングを用いて表面をエッチングする。場合により、好ましくは、粗面化を最小限に抑えるように選択され、粗面化を最小限に抑えるために好ましくは層を十分に薄く、10nm〜20μmの厚さ範囲、より好ましくは100nm〜310μmの厚さ範囲、より好ましくは1μm〜10μmの厚さ範囲に維持する成長条件を用いてさらなる薄いBドープ層をこの層上に再成長させ得る。好ましくは、この任意の層を使用しない。次いで、高純度真性ダイヤモンド層を、エッチングした表面、又は任意の再成長層表面上に成長させ、この層は、好ましくは、国際公開第01/96633号パンフレットの開示による材料特性を有する高純度真性ダイヤモンドを含むため、導電性ダイヤモンド層とさらなる真性ダイヤモンドの層との間に損傷のない界面を形成する。
Claims (38)
- 2つの固体材料の間に機能性界面を含むダイヤモンド電子デバイスであって、該界面は、単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面と第1のダイヤモンド層の第1の表面に形成された第2の層とによって形成され、該第2の層は、固体の非金属であって、ダイヤモンド、極性材料及び誘電体から選択されるものであり、該単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面は、Rqが10nm未満であり、以下の特性:
(a)第1の表面が、エッチングされた表面であること;
(b)第1の表面を破壊する第1のダイヤモンド層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満であること;
(c)界面に平行し、界面から50μm以内の第2の層内に存在する観念上の又は実際の表面を破壊する第2の層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満であること;及び
(d)第1の表面が1nm未満のRqを有すること
のうちの少なくとも1つを有するダイヤモンド電子デバイス。 - 単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面が、機械的処理された表面である、請求項1に記載の電子デバイス。
- 2つの固体材料の間に機能性界面を含むダイヤモンド電子デバイスであって、該界面は、機械的処理された単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面と、第1のダイヤモンド層の第1の表面に形成された第2の層とによって形成され、該第2の層は、固体の非金属であって、ダイヤモンド、極性材料及び誘電体から選択されるものであり、該単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面は、10nm未満のRqを有し、該単結晶ダイヤモンドの第1の層の平面は、機械的処理による残留損傷が実質的にないダイヤモンド電子デバイス。
- 機能性平面における露出エッチングによって露出した欠陥の数密度が1mm2当たり100未満である、請求項2に記載の電子デバイス。
- 第1のダイヤモンド層の第1の表面がエッチングされた表面である、請求項1から4までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- エッチングされた第1の表面が、等方性エッチングされた表面である、請求項5に記載の電子デバイス。
- 第1の表面が、ハロゲン及び不活性ガスを含むガス混合物を使用して等方性エッチングされた、請求項6に記載の電子デバイス。
- エッチングが、第1のダイヤモンド層の第1の表面から少なくとも0.2μmを除去した、請求項5から7までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- エッチングが、宝石処理の最終段階で使用された最大粗粒子サイズの少なくとも0.2倍を除去した、請求項8に記載の電子デバイス。
- 単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面が、第1の表面を破壊する第1のダイヤモンド層の転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満である、請求項1から9までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面が、界面に平行し、界面から50μm以内の第2の層内に存在する観念上の又は実際の表面を破壊する第2の層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に400cm−2未満である、請求項1から10までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 第1のダイヤモンド層の第1の表面が、5nm未満のRqを有する、請求項1から11までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 単結晶ダイヤモンドの第1の層の平坦な第1の表面が、1nm未満のRqを有する、請求項12に記載の電子デバイス。
- 指定した(a)〜(d)の特性のうちの少なくとも2つを有する、請求項1に記載の電子デバイス。
- 指定した(a)〜(d)の特性のうちの少なくとも3つを有する、請求項1に記載の電子デバイス。
- 指定した(a)〜(d)の特性のうちの4つすべてを有する、請求項1に記載の電子デバイス。
- ダイヤモンド層の第1の表面が、単結晶ダイヤモンド層上で成長したダイヤモンド層の表面である、請求項1から16までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 成長したダイヤモンド層が、20ミクロン未満の厚さを有する、請求項17に記載の電子デバイス。
- 第1のダイヤモンド層の第1の表面が、少なくとも1nmの深さまで、成長した表面の成長後の機械的処理によって導入された損傷が実質的にない、請求項1から18までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 第1の表面を破壊する第1のダイヤモンド層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に300cm−2未満である、請求項1から19までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 界面に平行し、界面から50μm以内の第2の層内に存在する観念上の又は実際の表面を破壊する第2の層における転位の密度が、0.014cm2を超える面積に対して測定された場合に300cm−2未満である、請求項1から20までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 前記界面が、ダイヤモンドとダイヤモンドの界面である、請求項1から21までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 前記界面が、ダイヤモンドと極性材料の界面である、請求項1から21までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 前記界面が、ダイヤモンドと誘電体の界面である、請求項1から21までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 前記界面の一方の側のダイヤモンドが真性ダイヤモンドであり、前記界面の他方の側のダイヤモンドがホウ素ドープダイヤモンドである、請求項23に記載の電子デバイス。
- 前記界面のそれぞれの側のダイヤモンドが、不純物量に5倍を超える差がある、請求項23に記載の電子デバイス。
- 前記界面の両側のダイヤモンドが、ドープされたダイヤモンドであり、ドーピングのレベルが、前記界面のそれぞれの側で少なくとも2倍異なる、請求項23に記載の電子デバイス。
- ダイヤモンドがCVDダイヤモンドである、請求項1から27までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 2端末デバイスである、請求項1から28までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 3端末デバイスである、請求項1から29までのいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 実質的に以上に記載又は例示した通りの本発明による電子デバイス。
- ダイヤモンド電子デバイスを製造するための方法であって、
(i)約20μmを超える厚さを有するダイヤモンド層を設けること、
(ii)約10nm未満の表面粗さRqを有するように機械的手段によってダイヤモンド層の第1の表面を調製すること、
(iii)ダイヤモンド層の第1の表面をエッチングして、約10nm未満の表面粗さRqを有する平坦な第1の表面を形成すること、及び
(iv)第2の層をダイヤモンド層の平坦な第1の表面に、ダイヤモンド層と第2の層との間に機能性界面を形成するように形成することであって、第2の層が固体の非金属であって、ダイヤモンド、極性材料及び誘電体から選択されるものであることを含む方法。 - ダイヤモンド電子デバイスを製造するための方法であって、
(i)約20μmを超える厚さを有するダイヤモンド層を設けること、
(ii)約10nm未満の表面粗さRqを有するように機械的手段によってダイヤモンド層の第1の表面を調製すること、
(iii)好ましくは約20μm未満の厚さを有するダイヤモンドの薄層をダイヤモンド層の第1の表面に成長させて、約10nm未満の表面粗さRqを有する平坦な第1の表面を形成すること、及び
(iv)第2の層をダイヤモンド層の平坦な第1の表面に、ダイヤモンド層と第2の層との間に機能性界面を形成するように形成することであって、第2の層が固体の非金属であって、ダイヤモンド、極性材料及び誘電体から選択されるものであることを含む方法。 - エッチングが等方性エッチングである、請求項32に記載の方法。
- 工程(iii)において少なくとも約10nmが除去される、請求項32又は請求項34に記載の方法。
- ダイヤモンド層が単結晶ダイヤモンドである、請求項32から35までのいずれか一項に記載の方法。
- 単結晶ダイヤモンドがホウ素ドープされる、請求項36に記載の方法。
- 第1の表面上のダイヤモンドの薄層が20μm未満の厚さを有する、請求項33に記載の方法。
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