JP2012084703A - Diamond electronic element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high output diamond electronic element having a drift layer with reduced defect density.SOLUTION: The diamond electronic element comprises: a drift layer composed of a diamond semiconductor; a structure retainer having a semi-insulating diamond layer; and a contact layer composed of the diamond semiconductor. The structure retainer has an opening and is laminated on one side of the drift layer while the contact layer is directly laminated on the drift layer in the opening. An anode electrode is provided on the contact layer in the opening and a cathode electrode is provided on the other side of the drift layer to realize, for example, a Schottky barrier diode. After a defect layer is formed on one substrate surface of a single crystal diamond substrate, the drift layer is deposited on the substrate surface, and the structure retainer having the opening is formed by selectively growing the semi-insulating diamond layer, and the substrate is separated from an element part by a smart cut method.

Description

本発明は、縦型構造のダイオード、トランジスタ、FET、サイリスタ等の高出力のダイヤモンド電子素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a high-power diamond electronic device such as a vertical structure diode, transistor, FET, thyristor and the like, and a method for manufacturing the same.

近年、ダイヤモンド電子素子は、大きなバンドギャップ、高いアバランシェ破壊電界、高い飽和キャリア移動度、高い熱伝導率、高温度や放射線曝露環境下で実用動作可能な素子として期待されている。これらの特徴を生かした半導体素子として、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンド電界効果トランジスタ、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタなどの高出力ダイヤモンド半導体素子の開発が進められている。   In recent years, a diamond electronic device is expected as a device that can be practically operated under a large band gap, a high avalanche breakdown electric field, a high saturation carrier mobility, a high thermal conductivity, a high temperature and a radiation exposure environment. Development of high-power diamond semiconductor elements such as diamond Schottky barrier diodes, diamond field effect transistors, diamond pn diodes, diamond thyristors, and diamond transistors has been promoted as semiconductor elements utilizing these characteristics.

従来、高出力ダイヤモンド半導体素子の積層構造のうち擬似縦型構造(特許文献1、2、非特許文献1〜3参照)や縦型構造(非特許文献4〜7参照)について、本発明者等を含め研究開発がなされてきた。   Conventionally, among the laminated structures of high-power diamond semiconductor elements, the present inventors have disclosed pseudo vertical structures (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 3) and vertical structures (see Non-Patent Documents 4 to 7). Research and development has been done.

従来の擬似縦型構造の高出力ダイヤモンド半導体素子を図5に示す。図5のように、半絶縁性ダイヤモンド基板31にpコンタクト層32を成長させ、その上にpドリフト層33を成長させて積層構造を作製していた。該積層構造に、オーミック電極34をpコンタクト層32上に設け、ショットキー電極35をpドリフト層33上に設けて素子を作製していた。 FIG. 5 shows a conventional high-power diamond semiconductor element having a pseudo vertical structure. As shown in FIG. 5, a p + contact layer 32 is grown on a semi-insulating diamond substrate 31, and a p drift layer 33 is grown thereon to produce a laminated structure. In the stacked structure, an ohmic electrode 34 is provided on the p + contact layer 32 and a Schottky electrode 35 is provided on the p drift layer 33 to produce an element.

従来の、高温高圧単結晶ダイヤモンド上にp層をホモエピタキシャル成長させたHPHT/p積層基板を用いた縦型構造の高出力ダイヤモンド半導体素子を、図6に示す。図6のように、HPHT/p積層基板のp層をpコンタクト層42とし、該基板の上にpドリフト層43を成膜して積層構造を作製していた。該積層構造において、pドリフト層43が成膜されていない方のpコンタクト層42面に、オーミック電極44を形成し、一方、pドリフト層43の上に、ショットキー電極45を形成して、素子を作製していた。 FIG. 6 shows a conventional high-power diamond semiconductor element having a vertical structure using an HPHT / p + laminated substrate in which a p + layer is homoepitaxially grown on a high-temperature and high-pressure single crystal diamond. As shown in FIG. 6, the p + contact layer 42 is used as the p + layer of the HPHT / p + laminated substrate, and the p drift layer 43 is formed on the substrate to produce a laminated structure. In the stacked structure, the ohmic electrode 44 is formed on the surface of the p + contact layer 42 where the p drift layer 43 is not formed, and the Schottky electrode 45 is formed on the p drift layer 43. Thus, an element was manufactured.

本発明者等は、CVDによる高品質ダイヤモンド製法について研究開発を行ってきた(特許文献3〜5参照)。また、本発明者等は、ダイヤモンド基板にイオン注入を行って表面近傍に結晶構造の変質した層を形成した後、気相合成法により基板上にダイヤモンド結晶成長を行い、次いで、成長した結晶層と基板とを電気化学的なエッチングにより分離させることにより、自立したダイヤモンドCVD成長層を得る方法を研究開発した(特許文献6、7、8参照)。このような結晶層と基板との分離方法は一般にスマートカット法もしくはリフトオフ法と称される。   The present inventors have conducted research and development on a high-quality diamond manufacturing method by CVD (see Patent Documents 3 to 5). Further, the inventors of the present invention performed ion implantation on the diamond substrate to form a layer having a modified crystal structure in the vicinity of the surface, and then performed diamond crystal growth on the substrate by a vapor phase synthesis method, and then the grown crystal layer A method for obtaining a self-supporting diamond CVD growth layer by separating the substrate and the substrate by electrochemical etching has been researched and developed (see Patent Documents 6, 7, and 8). Such a method for separating the crystal layer and the substrate is generally referred to as a smart cut method or a lift-off method.

特開2009−252776号公報JP 2009-252776 A 特開2009−59798号公報JP 2009-59798 A 特開2009−200343号公報JP 2009-200343 A 特開2007−194231号公報JP 2007-194231 A 特開2009−59739号公報JP 2009-59739 A 特開2008−31503号公報JP 2008-31503 A 国際公開2008/029736International Publication 2008/029736 特開2010−13322号公報JP 2010-13322 A

H.Umezawa et al.IEEE Electron Device Lett.30(2009)960.H. Umezawa et al. IEEE Electron Device Lett. 30 (2009) 960. S.Shikata et al.Mater.Sci.Forum,615−617(2009)999.S. Shikata et al. Mater. Sci. Forum, 615-617 (2009) 999. K.Ikeda et al.Appl.Phys.Express,2(2009)011202.K. Ikeda et al. Appl. Phys. Express, 2 (2009) 011202. A. Vescan et al. Diam. Relat. Mater. 7 (1998) 581.A. Vescan et al. Diam. Relat. Mater. 7 (1998) 581. W.Ebert et al.Diam.Relat.Mater.6(1997)329.W. Ebert et al. Diam. Relat. Mater. 6 (1997) 329. S.J.Rashid,Proc.ISPSD’08(2008)249.S. J. et al. Rashid, Proc. ISPSD'08 (2008) 249. M.Imura et al.Diam.Relat.Mater.17(2008)1916.M.M. Imura et al. Diam. Relat. Mater. 17 (2008) 1916.

高出力半導体素子を作製するためには、動作半導体層としてドリフト層、コンタクト層を積層させる構造が必須の構造である。コンタクト層は寄生抵抗を減らすために、非常に高濃度の不純物ドーピングがなされる。そのため、コンタクト層には、格子ひずみや転位が発生し結晶品質が悪いという問題があった。一方、ドリフト層については、逆バイアス印加時に空乏層を伸張させて高電界でも低リーク電流で電圧維持する必要があるので、素子中の欠陥混入を抑える必要がある。そのため、大電流かつ高耐電圧動作を行うために、ドリフト層には、低欠陥密度で歪が少ない高い結晶性が求められる。   In order to manufacture a high-power semiconductor element, a structure in which a drift layer and a contact layer are stacked as an operating semiconductor layer is an essential structure. The contact layer is doped with a very high concentration of impurities in order to reduce parasitic resistance. For this reason, the contact layer has a problem in that the crystal quality is poor due to lattice distortion and dislocation. On the other hand, with respect to the drift layer, it is necessary to extend the depletion layer when a reverse bias is applied and to maintain the voltage with a low leakage current even in a high electric field, so it is necessary to suppress the incorporation of defects in the element. Therefore, in order to perform a large current and high withstand voltage operation, the drift layer is required to have high crystallinity with low defect density and low distortion.

従来の擬似縦型構造を用いた場合では、半絶縁性ダイヤモンド基板上にpコンタクト層を1〜50μmの厚さで成長させ、その上にpドリフト層を1〜20μm成長させている(図5参照)。ここで、ドリフト層をコンタクト層上へCVDエピタキシャル成長法によって積層させているが、高品質が求められるドリフト層を、欠陥が多く品質が悪いコンタクト層上へ成長させた場合には、コンタクト層内に存在する欠陥がドリフト層中にも引き継がれるために、ドリフト層の品質が悪くなる。図5に、半絶縁性基板31の欠陥(黒太線)がpコンタクト層32に引き継がれ、pコンタクト層32の欠陥がpドリフト層33に引き継がれる様子を示した。 In the case of using the conventional pseudo-vertical structure, a p + contact layer is grown on a semi-insulating diamond substrate with a thickness of 1 to 50 μm, and a p drift layer is grown thereon with 1 to 20 μm ( (See FIG. 5). Here, the drift layer is laminated on the contact layer by the CVD epitaxial growth method. However, when a drift layer requiring high quality is grown on a contact layer having many defects and poor quality, Since the existing defects are inherited in the drift layer, the quality of the drift layer is deteriorated. FIG. 5 shows how defects (black thick lines) in the semi-insulating substrate 31 are taken over by the p + contact layer 32 and defects in the p + contact layer 32 are taken over by the p drift layer 33.

また、従来のHPHT/p積層基板を用いた場合では、IIb型HPHTダイヤモンドなどの低抵抗単結晶基板も存在するが、基板自体の転位も多く基板サイズも小さいため、素子の大型化は不可能である。基板の転位はデバイス特性に影響を与えると考えられ、実際に素子サイズを大きくすると、素子特性が劣化する現象が見られる。図6に、pコンタクト層42の欠陥(黒太線)がpドリフト層43に引き継がれる様子を示した。このことから、ドリフト層中の欠陥密度の低減のためにはpコンタクト層の欠陥密度低減が必要であるが、欠陥密度低減は困難であった。なお、ダイヤモンドでは1A級の素子にはドリフト層中の欠陥密度を10個/cm以下、10A級の素子には10個/cm以下とする必要がある。 In addition, when a conventional HPHT / p + laminated substrate is used, there are low resistance single crystal substrates such as IIb type HPHT diamond. However, since the substrate itself has many dislocations and the substrate size is small, the increase in size of the device is not required. Is possible. The dislocation of the substrate is considered to affect the device characteristics, and when the element size is actually increased, a phenomenon in which the element characteristics deteriorate is observed. FIG. 6 shows how defects (black thick lines) in the p + contact layer 42 are taken over by the p drift layer 43. From this, it is necessary to reduce the defect density of the p + contact layer in order to reduce the defect density in the drift layer, but it is difficult to reduce the defect density. In the case of diamond, the defect density in the drift layer is required to be 10 3 / cm 2 or less for a 1A class element and 10 2 / cm 2 or less for a 10 A class element.

このように、素子特性の改善や高出力化にはドリフト層中に存在する転位などの欠陥密度を下げる必要があるのに、欠陥の多いコンタクト層上にドリフト層を高品質でCVD成長させるのは、転位の引継ぎのため難しいという問題がある。   As described above, in order to improve the device characteristics and increase the output, it is necessary to reduce the defect density such as dislocations existing in the drift layer. However, the drift layer is grown on the contact layer with many defects by high quality CVD. However, there is a problem that it is difficult to take over the dislocation.

また、オン抵抗を低く保つためには、pコンタクト層のドーピング濃度を高くし、pコンタクト層の寄生抵抗成分を低くすることが必要であるが、ドーピング濃度を高くすることによって、pコンタクト層とpドリフト層の格子定数に差が発生し、これにより基板に反りが生じる。反りが発生している状態でpドリフト層を積層させると欠陥が発生する。コンタクト層濃度に対して、欠陥のひとつである転位が導入される膜厚限界が存在する。図7に、pコンタクト層の臨界厚さとホウ素濃度との関係を示す。線AとBは異なるモデルで計算した線を示す。図7に示すとおり、金属的伝導が得られる高濃度ドーピング(>1020/cm)レベルで10μm以下にする必要がある。しかし、この厚さのコンタクト層を擬似縦型構造に用いた場合には横方向に電流を流すために寄生抵抗が高くなり、一方、縦型構造に用いた場合では薄すぎて構造維持ができない。また、ウェハや素子の品質は、歪みを指標にすることが可能であり、その反りは曲率半径で示され、曲率半径の大きいものほど反りが小さく品質が良い。 In order to keep the low on-resistance is to increase the doping concentration of the p + contact layer, it is necessary to reduce the parasitic resistance component of the p + contact layer, by increasing the doping concentration, p + A difference occurs in the lattice constant between the contact layer and the p drift layer, which causes the substrate to warp. If the p - drift layer is stacked in a state where warpage has occurred, defects are generated. There is a film thickness limit for introducing a dislocation, which is one of defects, with respect to the contact layer concentration. FIG. 7 shows the relationship between the critical thickness of the p + contact layer and the boron concentration. Lines A and B indicate lines calculated using different models. As shown in FIG. 7, it is necessary to make it 10 μm or less at a high doping level (> 10 20 / cm 3 ) at which metallic conduction is obtained. However, when this thickness of contact layer is used for the pseudo-vertical structure, the parasitic resistance increases because current flows in the lateral direction. On the other hand, when the contact layer is used for the vertical structure, the structure is too thin to maintain the structure. . The quality of a wafer or element can be determined by using distortion as an index. The warpage is indicated by a radius of curvature, and the larger the radius of curvature, the smaller the warp and the better the quality.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、欠陥密度が低減したドリフト層を有するダイヤモンド電子素子を提供することを目的とする。また、欠陥密度が低減したドリフト層を有するダイヤモンド電子素子を製造するための方法を提供することを目的とする。   The present invention is intended to solve these problems, and an object thereof is to provide a diamond electronic device having a drift layer with a reduced defect density. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a diamond electronic device having a drift layer with reduced defect density.

本発明では、高品質のドリフト層を超高品質単結晶ダイヤモンド上にCVDエピタキシャル成長させ、その後に高濃度ドーピングによりコンタクト層を成長させて形成することを可能とした構造により、ドリフト層の欠陥密度が低減したダイヤモンド電子素子を実現した。本発明では、ドリフト層をエピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンド基板を、スマートカット法により素子部より分離することにより、本発明の積層構造を実現した。
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
In the present invention, the defect density of the drift layer is reduced by the structure that enables the high-quality drift layer to be epitaxially grown on the ultra-high-quality single crystal diamond by CVD and then the contact layer to be grown by high-concentration doping. A reduced diamond electronic device was realized. In the present invention, the single crystal diamond substrate on which the drift layer is epitaxially grown is separated from the element portion by the smart cut method, thereby realizing the laminated structure of the present invention.
In order to achieve the above object, the present invention has the following features.

本発明のダイヤモンド電子素子は、ダイヤモンド半導体からなるドリフト層と、半絶縁性ダイヤモンド層を有する構造保持材と、ダイヤモンド半導体からなるコンタクト層とを備えるダイヤモンド電子素子であって、前記構造保持材は、開口部を有し、前記ドリフト層の一方の面に積層されており、前記コンタクト層は、前記開口部内において、前記ドリフト層に直接積層されていることを特徴とする。電極については、前記開口部内の前記コンタクト層にアノード電極を設け、前記ドリフト層の他方の面にカソード電極を設けたことを特徴とする。コンタクト層やアノード電極は、開口部のみに配置してもよいし、開口部以外の構造保持材上に積層されている構造でもよい。具体的構造の例として、前記ドリフト層がpダイヤモンド層であり、前記コンタクト層がpダイヤモンド層であることが好ましい。この際、前記ドリフト層は、ホウ素濃度が1015/cm以上1017/cm以下のpダイヤモンド層であり、前記コンタクト層は、ホウ素濃度が1019/cm以上1022/cm以下であり、pダイヤモンド層であることが好ましい。ここで、本発明の電子素子は、曲率半径が5m以上500m以下となることが好ましい。具体的構造の他の例として、前記カソード電極が、オーミック金属とnダイヤモンド層の積層構造から形成され、前記ドリフト層がpダイヤモンド層であり、前記コンタクト層がpダイヤモンド層であることが好ましい。 The diamond electronic device of the present invention is a diamond electronic device comprising a drift layer made of a diamond semiconductor, a structure holding material having a semi-insulating diamond layer, and a contact layer made of a diamond semiconductor, the structure holding material, It has an opening and is laminated on one surface of the drift layer, and the contact layer is laminated directly on the drift layer in the opening. The electrode is characterized in that an anode electrode is provided on the contact layer in the opening and a cathode electrode is provided on the other surface of the drift layer. The contact layer and the anode electrode may be disposed only in the opening, or may be laminated on a structure holding material other than the opening. As an example of a specific structure, it is preferable that the drift layer is a p - diamond layer and the contact layer is a p + diamond layer. At this time, the drift layer is a p - diamond layer having a boron concentration of 10 15 / cm 3 or more and 10 17 / cm 3 or less, and the contact layer has a boron concentration of 10 19 / cm 3 or more and 10 22 / cm 3. It is below, and it is preferable that it is a p + diamond layer. Here, the electronic element of the present invention preferably has a curvature radius of 5 m or more and 500 m or less. As another example of the specific structure, the cathode electrode is formed of a laminated structure of an ohmic metal and an n + diamond layer, the drift layer is a p - diamond layer, and the contact layer is a p + diamond layer. Is preferred.

本発明のダイヤモンド電子素子において、前記ドリフト層が厚さ1μm以上50μm以下であり、前記コンタクト層が厚さ1μm以上100μm以下であることが好ましい。本発明の半絶縁性ダイヤモンド層は、窒素入りホモエピタキシャル単結晶ダイヤモンド又は窒素入り多結晶ダイヤモンドであることが好ましい。   In the diamond electronic device of the present invention, it is preferable that the drift layer has a thickness of 1 μm to 50 μm and the contact layer has a thickness of 1 μm to 100 μm. The semi-insulating diamond layer of the present invention is preferably nitrogen-containing homoepitaxial single crystal diamond or nitrogen-containing polycrystalline diamond.

本発明のダイヤモンド電子素子は、例えばショットキーダイオード、pin接合ダイオード又はpn接合ダイオードである。   The diamond electronic device of the present invention is, for example, a Schottky diode, a pin junction diode, or a pn junction diode.

本発明の製造方法は、ダイヤモンド電子素子の製造方法であって、単結晶ダイヤモンド基板の一方の基板面に欠陥層を形成した後、該基板面上に前記ドリフト層を成膜する工程と、前記ドリフト層の上に、前記半絶縁性ダイヤモンド層を選択的に成長させて開口部を有する構造保持材を形成する工程と、前記単結晶ダイヤモンド基板と前記ドリフト層を前記欠陥層で分離し、前記欠陥層をエッチングして前記ドリフト層を分離して取り出す工程と、前記ドリフト層を露出させる工程と、前記開口部において、前記ドリフト層の上に前記コンタクト層を形成する工程を、備えることを特徴とする。また、本発明の製造方法は、前記ドリフト層にカソード電極を設け、前記開口部のコンタクト層にアノード電極を設ける工程を備える。ここで、前記単結晶ダイヤモンド基板は、転位密度が10個/cm以下であり、表面および裏面の凹凸がRa<1nmであることが好ましい。また、前記ドリフト層は、前記単結晶ダイヤモンド基板上にCVD合成により形成することが好ましい。 The manufacturing method of the present invention is a manufacturing method of a diamond electronic device, wherein after forming a defect layer on one substrate surface of a single crystal diamond substrate, forming the drift layer on the substrate surface; A step of selectively growing the semi-insulating diamond layer on the drift layer to form a structure holding material having an opening; and separating the single crystal diamond substrate and the drift layer by the defect layer; Etching a defect layer to separate out the drift layer, exposing the drift layer, and forming the contact layer on the drift layer in the opening. And The manufacturing method of the present invention includes a step of providing a cathode electrode on the drift layer and an anode electrode on the contact layer of the opening. Here, the single crystal diamond substrate preferably has a dislocation density of 10 3 pieces / cm 2 or less, and irregularities on the front surface and the back surface satisfy Ra <1 nm. The drift layer is preferably formed on the single crystal diamond substrate by CVD synthesis.

ダイヤモンドエピタキシャル膜中の欠陥は、下地基板からの引継ぎと、エピタキシャル中の格子歪み緩和による発生が原因である。従来技術では、下地に高密度欠陥の基板やコンタクト層を用いることによってドリフト層の欠陥密度が高くなっていた。基板に低欠陥な単結晶基板を用いた場合でも、コンタクト層中に格子緩和により発生した欠陥によりドリフト層の欠陥密度は高かった。本発明の積層構造によって、製造工程中で除去する単結晶ダイヤモンド基板上に、直接ダイヤモンド半導体からなるドリフト層を成長形成することが可能となったので、欠陥の少ないドリフト層を形成することができる。また、スマートカット法ではイオン注入により欠陥層を導入するが、欠陥層導入においても転位は発生せず、pドリフト層は低欠陥が保たれる。 Defects in the diamond epitaxial film are caused by inheritance from the base substrate and generation by lattice strain relaxation during the epitaxial process. In the prior art, the defect density of the drift layer is increased by using a substrate or contact layer having a high-density defect as a base. Even when a single crystal substrate with low defects was used as the substrate, the defect density of the drift layer was high due to defects generated by lattice relaxation in the contact layer. According to the laminated structure of the present invention, a drift layer made of a diamond semiconductor can be directly grown on a single crystal diamond substrate to be removed in the manufacturing process, so that a drift layer with few defects can be formed. . In the smart cut method, a defect layer is introduced by ion implantation. However, dislocation does not occur even when the defect layer is introduced, and the p - drift layer maintains a low defect.

本発明では、構造保持材として、半絶縁性ダイヤモンドを用いるので、ダイヤモンド半導体コンタクト層の形成が可能となる。また、本発明では、前記ドリフト層上に、開口部を有する前記構造保持材をリソグラフィー技術を用いて選択的に成長させるので、異なる不純物濃度層の積層によるウェハの曲率が小さければ、ダイヤモンド基板を破損することなく薄いpドリフト層/pコンタクト層の積層構造を保持することが十分に可能である。 In the present invention, since a semi-insulating diamond is used as the structure holding material, a diamond semiconductor contact layer can be formed. Further, in the present invention, the structure holding material having an opening is selectively grown on the drift layer using a lithography technique. Therefore, if the curvature of the wafer by stacking different impurity concentration layers is small, a diamond substrate is formed. It is sufficiently possible to maintain a thin p drift layer / p + contact layer stack structure without breakage.

このように、本発明では、後でスマートカット法で除去する高品質半絶縁性単結晶ダイヤモンド基板上に、直接pドリフト層をエピタキシャル成長させ、その後pコンタクト層を成長させるということが可能となったため、p/p積層構造であってもpドリフト層の欠陥密度を大幅に減らすことができる。本発明の積層構造によれば、低寄生抵抗で高電流動作が可能な素子で、高品質なドリフト層による高電圧動作を同時に実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to epitaxially grow the p drift layer directly on the high quality semi-insulating single crystal diamond substrate which is later removed by the smart cut method, and then grow the p + contact layer. Therefore, the defect density of the p drift layer can be greatly reduced even in the p / p + stacked structure. According to the laminated structure of the present invention, a high voltage operation by a high-quality drift layer can be realized simultaneously with an element capable of high current operation with low parasitic resistance.

実施例1のダイヤモンド電子素子の積層構造を示す図The figure which shows the laminated structure of the diamond electronic element of Example 1 実施例1のダイヤモンド電子素子の製造方法を示す図The figure which shows the manufacturing method of the diamond electronic element of Example 1. 実施例1の変形例を示す図The figure which shows the modification of Example 1. 実施例2のダイヤモンド電子素子の積層構造を示す図The figure which shows the laminated structure of the diamond electronic element of Example 2. 従来の擬似縦型のダイヤモンド電子素子の積層構造を示す図Diagram showing the layered structure of a conventional pseudo-vertical diamond electronic device 従来の縦型のダイヤモンド電子素子の積層構造を示す図A diagram showing the layered structure of a conventional vertical diamond electronic device コンタクト層臨界厚さのホウ素濃度依存性を示す図The figure which shows boron concentration dependence of p + contact layer critical thickness

本発明の実施の形態について、以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

図1に、本発明のダイヤモンド電子素子の積層構造の基本構造を示す。本発明のダイヤモンド電子素子の積層構造は、電極配置のための開口部を形成した半絶縁性ダイヤモンド層を構造保持材(構造保持層とも呼ぶ)として用いる。本発明のダイヤモンド電子素子は、ダイヤモンド半導体からなるドリフト層(p層(pドリフト層とも呼ぶ)12)、半絶縁性ダイヤモンド層を備える構造保持層11、ダイヤモンド半導体からなるコンタクト層(p層(pコンタクト層とも呼ぶ)13)の順に積層された積層構造を有する。前記構造保持層11は開口部を有し、該開口部において、前記ドリフト層(p層12)と前記コンタクト層(p層13)とが直接積層されている。電極は、前記開口部において前記ドリフト層(p層12)にカソード電極(ショットキー電極)を設け、前記コンタクト層(p層13)にアノード電極(オーミック電極)を設けるように配置される。 FIG. 1 shows a basic structure of a laminated structure of diamond electronic elements of the present invention. In the laminated structure of the diamond electronic device of the present invention, a semi-insulating diamond layer having openings for electrode arrangement is used as a structure holding material (also called a structure holding layer). The diamond electronic device of the present invention includes a drift layer (p layer (also referred to as p drift layer) 12) made of a diamond semiconductor, a structure holding layer 11 having a semi-insulating diamond layer, and a contact layer (p + made of a diamond semiconductor). It has a stacked structure in which layers (also called p + contact layers) 13) are stacked in this order. The structure holding layer 11 has an opening, and the drift layer (p layer 12) and the contact layer (p + layer 13) are directly stacked in the opening. The electrodes are arranged so that a cathode electrode (Schottky electrode) is provided on the drift layer (p layer 12) and an anode electrode (ohmic electrode) is provided on the contact layer (p + layer 13) in the opening. .

本発明では、オフ角・オフ方向制御された、低表面欠陥な高品質単結晶ダイヤモンド(001)基板に、イオン注入を行って表面近傍に結晶構造の変質した層(欠陥層)を形成した後に、気相合成法により基板上に結晶成長を行い、次いで、成長した結晶層と基板とを分離する。ここでイオン注入により欠陥層を形成する方法や、結晶層と基板とを分離させる方法は、特許文献6や7に開示した方法等公知の方法を用いることができる。また、イオン注入に用いるイオンは、水素、炭素などを用いることができる。   In the present invention, after an ion implantation is performed on a high-quality single crystal diamond (001) substrate having a low surface defect and controlled in the off angle / off direction, a layer (defect layer) having a modified crystal structure is formed in the vicinity of the surface. Then, crystal growth is performed on the substrate by a vapor phase synthesis method, and then the grown crystal layer and the substrate are separated. Here, as a method for forming a defect layer by ion implantation and a method for separating the crystal layer and the substrate, known methods such as the methods disclosed in Patent Documents 6 and 7 can be used. As ions used for ion implantation, hydrogen, carbon, or the like can be used.

前記基板は、平坦なエピタキシャル成長を行うために、<110>方向に2°のオフ角を持つが、ばらつきは<110>方向±5°以内であり、<001>ベクトルが表面の法線ベクトルに対して1°以上のオフ角度を持つものが好ましい。   The substrate has an off angle of 2 ° in the <110> direction in order to perform flat epitaxial growth, but the variation is within ± 5 ° in the <110> direction, and the <001> vector becomes the normal vector of the surface. In contrast, those having an off angle of 1 ° or more are preferable.

前記基板は、平坦なエピタキシャル成長を行うためにその表面が高精度研磨されており、Ra<1nmである。なお、Raは、算術平均粗さを表し、JIS B0601:’01規格により定義されている。   The surface of the substrate is polished with high precision in order to perform flat epitaxial growth, and Ra <1 nm. Ra represents arithmetic average roughness and is defined by the JIS B0601: '01 standard.

前記基板にCVD法によってpダイヤモンド層(ドリフト層)をエピタキシャル成長させる。ダイオードを高電圧かつ低リークで動作させ、さらに低オン抵抗動作させるために、ドリフト層のドーピング濃度および膜厚を制御することが必要であり、このため、pドリフト層は1μm以上50μm以下であり、膜中のホウ素濃度が1015/cm以上で1017/cm以下であることが好ましい。また、ウェハの割れや欠陥の大幅な増大を防ぐため、ウェハの曲率半径が5m以上500m以下であることが好ましい。CVD法は、マイクロ波プラズマを用い、H、CO、CHのいずれかのガスと、場合によってトリメチルボロン(TMB)の混合ガスを用いて行う。 A p - diamond layer (drift layer) is epitaxially grown on the substrate by CVD. In order to operate the diode with a high voltage and low leakage and further to operate with a low on-resistance, it is necessary to control the doping concentration and film thickness of the drift layer. For this reason, the p drift layer has a thickness of 1 μm to 50 μm. In addition, the boron concentration in the film is preferably 10 15 / cm 3 or more and 10 17 / cm 3 or less. Moreover, in order to prevent the wafer from cracking and a significant increase in defects, the curvature radius of the wafer is preferably 5 m or more and 500 m or less. The CVD method is performed using microwave plasma, using a gas of any one of H 2 , CO 2 , and CH 4 and, in some cases, a mixed gas of trimethyl boron (TMB).

本発明では、構造保持材を含む積層構造及び製造方法に特徴を有している。基板上に形成したpドリフト層の上に、リソグラフィー手法を用いてマスクを形成し、CVD法により構造保持材となるダイヤモンド膜を選択的に形成する。ここで、マスクに用いる材料はSiOもしくはTi/Auが望ましい。構造保持材となるダイヤモンド膜は、半絶縁性で、窒素入りホモエピタキシャル単結晶膜、もしくは窒素入り多結晶膜であることが望ましい。 The present invention is characterized by a laminated structure including a structure holding material and a manufacturing method. A mask is formed on the p drift layer formed on the substrate using a lithography technique, and a diamond film as a structure holding material is selectively formed by a CVD method. Here, the material used for the mask is preferably SiO 2 or Ti / Au. The diamond film serving as the structure holding material is preferably semi-insulating and is a nitrogen-containing homoepitaxial single crystal film or a nitrogen-containing polycrystalline film.

前記特許文献8に記載の手法を用いて結晶層と基板を分離した。超純水中に上述の積層ダイヤモンドを入れ、同じく超純水中に入れた白金電極間に5.6kVの電圧を印加し、15時間放置することによって、欠陥層を電界エッチングさせて分離した。   The crystal layer and the substrate were separated using the method described in Patent Document 8. The above-mentioned laminated diamond was put in ultrapure water, a voltage of 5.6 kV was applied between platinum electrodes that were also put in ultrapure water, and left for 15 hours, whereby the defect layer was separated by electric field etching.

構造保持層形成後、酸洗浄により前記マスクを除去し、剥離面側(構造保持層のマスクを剥離した側)にCVD法によりpコンタクト層をエピタキシャル成長させる。pコンタクト層を形成するにあたり、基板の歪みによる結晶欠陥形成を抑え、かつ抵抗を低くするために、pコンタクト層は1μm以上100μm以下の厚さで5×1019/cm以上1022/cm以下のホウ素濃度であることが好ましい。また、ウェハの割れや欠陥の大幅な増大を防ぐため、ウェハの曲率半径が5m以上500m以下であることが好ましい。 After the structure holding layer is formed, the mask is removed by acid cleaning, and a p + contact layer is epitaxially grown on the peeling surface side (side from which the mask of the structure holding layer is peeled) by the CVD method. p + In forming the contact layer, suppressing the crystal defects formed by distortion of the substrate, and in order to lower resistance, p + contact layer with a thickness of 100μm or more 1μm 5 × 10 19 / cm 3 or more 10 22 A boron concentration of / cm 3 or less is preferable. Moreover, in order to prevent the wafer from cracking and a significant increase in defects, the curvature radius of the wafer is preferably 5 m or more and 500 m or less.

本発明のダイヤモンド電子素子は、高品質基板上にドリフト層をエピタキシャル成長させ、その後構造保持層を介してコンタクト層を成長させるため、ドリフト層の欠陥密度を大幅に減らすことができる。また、本発明では、高品質基板上に、欠陥の少ないpドリフト層とpコンタクト層をエピタキシャル成長させることができ、コンタクト層の厚さを転位が発生する膜厚限界以下に薄くすることができる。 In the diamond electronic device of the present invention, the drift layer is epitaxially grown on the high-quality substrate, and then the contact layer is grown via the structure retaining layer. Therefore, the defect density of the drift layer can be greatly reduced. Further, in the present invention, a p drift layer and a p + contact layer with few defects can be epitaxially grown on a high-quality substrate, and the thickness of the contact layer can be reduced below the film thickness limit where dislocation occurs. it can.

(実施例1)
本発明の実施例1のダイヤモンド電子素子について図1〜2を参照して以下説明する。図1は、本実施例のダイヤモンド電子素子の積層構造を示す図であり、図2は製造工程を示す図である。図2を参照して、本実施例のダイヤモンド電子素子の製造工程について説明する。
Example 1
A diamond electronic device according to Example 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a laminated structure of diamond electronic elements of this example, and FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process. With reference to FIG. 2, the manufacturing process of the diamond electronic element of a present Example is demonstrated.

(基板の準備工程)
オフ角・オフ方向制御され表面を精密研磨(Ra<1nm)された、低表面欠陥な高品質単結晶ダイヤモンド基板を準備した。基板のオフ角制御は、<110>方向に、<001>ベクトルが表面の法線ベクトルに対して2.5°のオフ角度を持っている。前記単結晶ダイヤモンド基板は、スマートカット法によって形成した12mmサイズのマイクロ波による化学気相合成(CVD)ダイヤモンドであり、転位密度は5×10/cm程度で、XRD(004)ロッキングカーブの半値幅は10arcsec以下である。
(Preparation process of substrate)
A high-quality single-crystal diamond substrate having a low surface defect whose surface was precisely polished (Ra <1 nm) by controlling the off angle and the off direction was prepared. In the off angle control of the substrate, the <001> vector has an off angle of 2.5 ° with respect to the normal vector of the surface in the <110> direction. The single crystal diamond substrate is a chemical vapor deposition (CVD) diamond by microwave of 12 mm size formed by a smart cut method, and has a dislocation density of about 5 × 10 2 / cm 2 and an XRD (004) rocking curve. The half width is 10 arcsec or less.

(欠陥導入工程)
図2(a)に示すように、高品質単結晶ダイヤモンド基板16(001)にイオン注入を行って、表面近傍に結晶構造の変質した層(欠陥層17)を形成した。イオン注入に用いるイオンは、炭素を用いた。
(Defect introduction process)
As shown in FIG. 2A, a high quality single crystal diamond substrate 16 (001) was ion-implanted to form a layer (defect layer 17) having a modified crystal structure in the vicinity of the surface. Carbon was used as ions used for ion implantation.

(pドリフト層形成工程)
図2(a)に示すように、前記基板16にCVD法によってpドリフト層12をエピタキシャル成長させた。2.45GHzマイクロ波を用いたCVDにて、120Torr、3900Wの環境でドリフト層をエピタキシャル成長させた。その際、H流量384sccmに対してCH流量は16sccmで、総流量を400sccmとした。また、合成時間は18時間で膜厚は45μmであった。チャンバ内環境からのホウ素取り込みにより、膜中のホウ素濃度は1×1016/cm程度であった。また、CL法Band A発光(転位起因の発光で発光波長420nm)の基板内マッピング評価では7×10/cm程度の発光領域であり、殆ど増加していない。このことから、本発明では、転位や欠陥がないことがわかる。
(P - drift layer forming step)
As shown in FIG. 2A, the p drift layer 12 was epitaxially grown on the substrate 16 by the CVD method. The drift layer was epitaxially grown in an environment of 120 Torr and 3900 W by CVD using 2.45 GHz microwave. At that time, the CH 4 flow rate was 16 sccm with respect to the H 2 flow rate of 384 sccm, and the total flow rate was 400 sccm. The synthesis time was 18 hours and the film thickness was 45 μm. The boron concentration in the film was about 1 × 10 16 / cm 3 due to boron incorporation from the chamber environment. Further, in the evaluation of in-substrate mapping of CL method Band A light emission (light emission wavelength 420 nm due to dislocation light emission), the light emission region is about 7 × 10 2 / cm 2 , and hardly increases. This shows that there is no dislocation or defect in the present invention.

(構造保持層の形成工程)
混酸処理(硝酸20ccと硫酸20cc)を行い、非ダイヤモンド成分の除去と表面の酸素化による高抵抗化を行った。次に、フォトリソグラフィー手法を用いてマスクを形成し、CVD法により構造保持層11となるダイヤモンド膜を選択的に形成した(図2(b)参照)。
(Structure retention layer forming process)
Mixed acid treatment (20 cc of nitric acid and 20 cc of sulfuric acid) was performed to remove non-diamond components and increase the resistance by oxygenation of the surface. Next, a mask was formed using a photolithography technique, and a diamond film to be the structure holding layer 11 was selectively formed by a CVD method (see FIG. 2B).

より詳細に説明すると、テトラエトキシシラン(TEOS)/CVD法によりSiOを0.8μmの厚さで基板全面に形成した。さらに、フォトリソグラフィー法により選択成長部のレジストを開口した。レジストには3μm厚のクラリアント社製AZ5214Eを用いた。レジストの開口された部分のSiOを、ICP法(容量結合型プラズマによる反応性イオンエッチング)により、CFガスを用いて選択的にエッチングしてダイヤモンド表面を露出させた。プラズマ条件は200Wのプラズマ出力で20Wのバイアスを印加しており、CFガス20sccmで2Paの圧力である。レジストはアセトン処理とOプラズマアッシングにより除去した。レジスト部分は、250μmの角丸構造であり、750μmピッチで格子状に配列されたが、この領域は最終的に構造保持材の開口部となる部分であって、オーミック電極領域となる部分であり、必要となる素子電流に応じて設計する。 More specifically, SiO 2 having a thickness of 0.8 μm was formed on the entire surface of the substrate by tetraethoxysilane (TEOS) / CVD. Further, the resist in the selective growth portion was opened by photolithography. As the resist, AZ5214E made by Clariant Co. having a thickness of 3 μm was used. The SiO 2 in the opening portion of the resist was selectively etched using CF 4 gas by ICP method (reactive ion etching using capacitively coupled plasma) to expose the diamond surface. As for the plasma conditions, a bias of 20 W is applied at a plasma output of 200 W, and a pressure of 2 Pa is obtained with 20 sccm of CF 4 gas. The resist was removed by acetone treatment and O 2 plasma ashing. The resist portion has a rounded structure of 250 μm and is arranged in a lattice pattern at a pitch of 750 μm. This region is a portion that finally becomes an opening of the structure holding material, and a portion that becomes an ohmic electrode region. Design according to the required device current.

続いて、エッチングにより選択形成されたSiOをマスクとして、ダイヤモンドを選択成長させた。ダイヤモンドの選択成長は、マイクロ波CVD法を用い、H流量384sccmに対してCH流量は16sccmで行った。ここで水素にはNガスが添加されているものを用い、添加された窒素はN/Cで100ppmであった。構造保持材の膜厚は30μmであり、膜中の窒素濃度は2×1017/cmであった。 Subsequently, diamond was selectively grown using SiO 2 selectively formed by etching as a mask. The selective growth of diamond was performed using a microwave CVD method with a CH 4 flow rate of 16 sccm with respect to an H 2 flow rate of 384 sccm. Here, hydrogen to which N 2 gas was added was used, and the added nitrogen was 100 ppm in N / C. The film thickness of the structure holding material was 30 μm, and the nitrogen concentration in the film was 2 × 10 17 / cm 3 .

(基板分離工程)
続いてHFおよび硫酸過水洗浄により選択成長マスクとごみを除去し、スマートカット法により、種基板16と素子用ダイヤモンド(pドリフト層12と構造保持層)を欠陥層で分離した(図2(c))。分離は純水中で行い、対向させた白金電極中に5.6kVの電圧をかけ、15時間放置する事で分離させた。素子用ダイヤモンドの分離面側へ、Arガスを用いたICPエッチング処理を2μmの深さで全面に行うことにより欠陥層17を除去した。
(Substrate separation process)
Subsequently, the selective growth mask and dust were removed by washing with HF and sulfuric acid / hydrogen peroxide, and the seed substrate 16 and element diamond (p - drift layer 12 and structure retaining layer) were separated by defect layers by the smart cut method (FIG. 2). (C)). Separation was performed in pure water, and a voltage of 5.6 kV was applied to the opposed platinum electrodes and left for 15 hours to separate the electrodes. The defect layer 17 was removed by performing an ICP etching process using Ar gas on the entire surface of the element diamond separation surface at a depth of 2 μm.

(pコンタクト層形成工程)
素子用ダイヤモンドの構造保持層の上にマイクロ波プラズマCVD法によりpコンタクト層をエピタキシャル成長させる(図2(d))。H流量390sccmに対して、CH流量4sccm、TMB(水素1%希釈)6sccmであり、プラズマ出力を1500Wとした。ここで、pコンタクト層は10μmの厚さで2×1020/cmのホウ素濃度であった。
(P + contact layer forming step)
A p + contact layer is epitaxially grown on the structure holding layer of the device diamond by a microwave plasma CVD method (FIG. 2D). The H 2 flow rate was 390 sccm, the CH 4 flow rate was 4 sccm, TMB (1% hydrogen dilution) was 6 sccm, and the plasma output was 1500 W. Here, the p + contact layer had a thickness of 10 μm and a boron concentration of 2 × 10 20 / cm 3 .

(酸素終端化処理工程)
続いて、素子用ダイヤモンド基板を混酸洗浄し酸素終端化を行うとともに、合成時にダイヤモンド表面に付着している非ダイヤモンド成分を除去する。
(Oxygen termination process)
Subsequently, the element diamond substrate is subjected to mixed acid cleaning and oxygen termination, and non-diamond components adhering to the diamond surface during synthesis are removed.

(電極形成工程)
図2(e)に電極形成工程を示す。図2(e)は、図2(d)の上下を逆に表示した図となっている。pコンタクト層13の上へTi/Pt/Auのオーミック電極14を形成し、420℃でAr雰囲気1時間のアニール処理を行って低接触抵抗化する(図2(e)参照)。pドリフト層12側に300μmの角丸型で厚さ100nmのRuショットキー電極15を形成し、ショットキーバリアダイオード素子とした(図2(e)参照)。
(Electrode formation process)
FIG. 2E shows an electrode forming process. FIG. 2E is a diagram in which the top and bottom of FIG. A Ti / Pt / Au ohmic electrode 14 is formed on the p + contact layer 13 and annealed at 420 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere to reduce the contact resistance (see FIG. 2E). A Ru-Schottky electrode 15 having a round shape of 300 μm and a thickness of 100 nm was formed on the p drift layer 12 side to obtain a Schottky barrier diode element (see FIG. 2E).

(変形例)
本発明の実施例1のダイヤモンド電子素子の変形例を図3を参照して以下説明する。図1では、開口部を除く構造保持層11において、ダイヤモンド半導体からなるドリフト層(pドリフト層12)、半絶縁性ダイヤモンド層を備える構造保持層11、ダイヤモンド半導体からなるコンタクト層(pコンタクト層13)の順に積層された積層構造を有する構造を説明した。しかしながら、開口部以外に位置するコンタクト層やアノード電極は、必須ではなく、電極構造等に応じて、適宜配置することができるものである。図3に、変形例として、開口部内にのみ、コンタクト層(pコンタクト層13)及びアノード電極(オーミック電極)14を設ける構造を示した。
(Modification)
A modification of the diamond electronic element of Example 1 of the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 1, in the structure holding layer 11 excluding the opening, a drift layer (p - drift layer 12) made of a diamond semiconductor, a structure holding layer 11 having a semi-insulating diamond layer, and a contact layer (p + contact made of a diamond semiconductor). A structure having a stacked structure in which the layers 13) are stacked in this order has been described. However, the contact layer and the anode electrode positioned other than the opening are not essential and can be appropriately arranged according to the electrode structure and the like. FIG. 3 shows a modification in which a contact layer (p + contact layer 13) and an anode electrode (ohmic electrode) 14 are provided only in the opening.

(実施例2)
本発明の実施例2のダイヤモンド電子素子の積層構造について、図4を参照して以下説明する。本実施例2のダイヤモンド電子素子は、ダイヤモンド半導体からなるn層(nダイヤモンド層とも呼ぶ)21と、ダイヤモンド半導体からなるp層(pドリフト層、pダイヤモンド層とも呼ぶ)22と、構造保持層11と、ダイヤモンド半導体からなるp層(pコンタクト層、pダイヤモンド層とも呼ぶ)23を順次積層した構造からなり、構造保持層の開口部のp層23上に、アノード(オーミック電極)24を設け、n層21の上にオーミック金属25を設けてカソードとしたものである。構造保持層11は、実施例1と同様の膜を用いる。n層21は、オン抵抗およびオーミック抵抗低減の点から、ドーピング不純物濃度が1017/cm以上であることが好ましい。また、歪による結晶への欠陥導入を小さくするために、1022/cm以下であることが好ましい。また、ウェハの割れや欠陥の大幅な増大を防ぐため、ウェハの曲率半径が5m以上500m以下であることが好ましい。また、pドリフト層22は、高い逆方向耐電圧を保持し、かつオン抵抗をできるだけ小さくするためには、ホウ素濃度が1015/cm以上1017/cm以下であることが好ましい。pコンタクト層23は、オン抵抗およびオーミック抵抗低減であるためには、ドーピング不純物濃度が1017/cm以上であることが好ましい。また歪による結晶への欠陥導入を小さくするために、1022/cm以下であり、また、ウェハの割れや欠陥の大幅な増大を防ぐため、ウェハの曲率半径が5m以上500m以下であることが好ましい。アノード(オーミック電極)24は、Au(100nm)/Pt(30nm)/Ti(30nm)、カソードのオーミック金属25はAu(100nm)/Pt(30nm)/Ti(30nm)で形成する。
(Example 2)
The laminated structure of the diamond electronic element of Example 2 of the present invention will be described below with reference to FIG. The diamond electronic device of Example 2 includes an n + layer (also referred to as an n + diamond layer) 21 made of a diamond semiconductor, and a p layer (also called a p drift layer or a p diamond layer) 22 made of a diamond semiconductor. The structure holding layer 11 and a p + layer (also referred to as p + contact layer, also called p + diamond layer) 23 made of a diamond semiconductor are sequentially stacked, and on the p + layer 23 in the opening of the structure holding layer, An anode (ohmic electrode) 24 is provided, and an ohmic metal 25 is provided on the n + layer 21 to form a cathode. The structure-retaining layer 11 uses the same film as in Example 1. The n + layer 21 preferably has a doping impurity concentration of 10 17 / cm 3 or more from the viewpoint of reducing on-resistance and ohmic resistance. Further, in order to reduce the introduction of defects into the crystal due to strain, it is preferably 10 22 / cm 3 or less. Moreover, in order to prevent the wafer from cracking and a significant increase in defects, the curvature radius of the wafer is preferably 5 m or more and 500 m or less. The p drift layer 22 preferably has a boron concentration of 10 15 / cm 3 or more and 10 17 / cm 3 or less in order to maintain a high reverse breakdown voltage and to reduce the on-resistance as much as possible. The p + contact layer 23 preferably has a doping impurity concentration of 10 17 / cm 3 or more in order to reduce on-resistance and ohmic resistance. Further, in order to reduce the introduction of defects into the crystal due to strain, it is 10 22 / cm 3 or less, and the curvature radius of the wafer is 5 m or more and 500 m or less in order to prevent the wafer from cracking or a significant increase in defects. Is preferred. The anode (ohmic electrode) 24 is formed of Au (100 nm) / Pt (30 nm) / Ti (30 nm), and the cathode ohmic metal 25 is formed of Au (100 nm) / Pt (30 nm) / Ti (30 nm).

本実施例2の積層構造は、実施例1で示した工程と同様の工程で製造する。ただし、実施例1のpコンタクト層(pコンタクト層13)の形成工程に加えて、pコンタクト層の基板反対側に、nダイヤモンド層21を形成する。 The laminated structure of Example 2 is manufactured by the same process as the process shown in Example 1. However, in addition to the step of forming the p + contact layer (p + contact layer 13) of Example 1, the n + diamond layer 21 is formed on the opposite side of the p + contact layer from the substrate.

実施例2の素子は、パワーデバイスとして、整流用ダイオード半導体素子に用いることができる。   The element of Example 2 can be used as a power device for a rectifying diode semiconductor element.

上記実施例では、ドリフト層がpダイヤモンド層であり、コンタクト層がpダイヤモンド層である例(実施例1)、及びカソードがオーミック金属とnダイヤモンド層の積層構造から形成され、ドリフト層がpダイヤモンド層であり、コンタクト層がpダイヤモンド層である例(実施例2)を示したが、その他の積層構造として、pドリフト層とnダイヤモンド層の界面に不純物濃度が1012/cm以下であるi層を挟んだpin構造とすることができる。 In the above embodiment, the drift layer is a p - diamond layer, the contact layer is a p + diamond layer (Example 1), and the cathode is formed of a laminated structure of an ohmic metal and an n + diamond layer. Is an p - diamond layer and the contact layer is a p + diamond layer (Example 2). However, as another stacked structure, an impurity concentration of 10 is present at the interface between the p - drift layer and the n + diamond layer. A pin structure with an i layer of 12 / cm 3 or less interposed therebetween can be obtained.

本発明において、ドリフト層とは、逆電圧印加時に空乏層が伸張し耐電圧を保持する層をいい、コンタクト層とは、高い不純物濃度により逆電圧印加時にも空乏層が伸張せず、順電圧印加時には高い伝導によりオン抵抗を下げる層をいう。   In the present invention, the drift layer refers to a layer in which a depletion layer expands when a reverse voltage is applied and maintains a withstand voltage, and the contact layer refers to a forward voltage that does not expand even when a reverse voltage is applied due to a high impurity concentration. A layer that lowers the on-resistance due to high conduction when applied.

上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。   The examples shown in the embodiment and the like are described for easy understanding of the invention, and are not limited to this embodiment.

本発明のダイヤモンド電子素子は、ショットキーダイオード、pn接合ダイオード、pin接合ダイオードなど各種ダイオード、サイリスタ、FETなどの半導体素子として用いることができる。   The diamond electronic device of the present invention can be used as a semiconductor device such as various diodes such as a Schottky diode, a pn junction diode, and a pin junction diode, a thyristor, and an FET.

11 構造保持層
12 pドリフト層
13 pコンタクト層
14 アノード(オーミック)電極
15 カソード(ショットキー)電極
16 基板
17 欠陥層
21 nダイヤモンド層
22 pドリフト層
23 pコンタクト層
24 アノード(オーミック)電極
25 オーミック金属
31 半絶縁性基板
32、42 pコンタクト層
33、43 pドリフト層
34、44 オーミック電極
35、45 ショットキー電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Structure retention layer 12 p - drift layer 13 p + contact layer 14 Anode (ohmic) electrode 15 Cathode (Schottky) electrode 16 Substrate 17 Defect layer 21 n + Diamond layer 22 p - Drift layer 23 p + Contact layer 24 Anode ( Ohmic) electrode 25 Ohmic metal 31 Semi-insulating substrate 32, 42 p + contact layer 33, 43 p - drift layer 34, 44 Ohmic electrode 35, 45 Schottky electrode

Claims (13)

ダイヤモンド半導体からなるドリフト層と、半絶縁性ダイヤモンド層を有する構造保持材と、ダイヤモンド半導体からなるコンタクト層とを備えるダイヤモンド電子素子であって、
前記構造保持材は、開口部を有し、前記ドリフト層の一方の面に積層されており、
前記コンタクト層は、前記開口部内において、前記ドリフト層に直接積層されていることを特徴とするダイヤモンド電子素子。
A diamond electronic device comprising a drift layer made of a diamond semiconductor, a structure holding material having a semi-insulating diamond layer, and a contact layer made of a diamond semiconductor,
The structure holding material has an opening and is laminated on one surface of the drift layer,
The diamond electronic device according to claim 1, wherein the contact layer is directly laminated on the drift layer in the opening.
前記開口部内の前記コンタクト層にアノード電極を設け、前記ドリフト層の他方の面にカソード電極を設けたことを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド電子素子。   The diamond electronic device according to claim 1, wherein an anode electrode is provided on the contact layer in the opening, and a cathode electrode is provided on the other surface of the drift layer. 前記コンタクト層が構造保持材上にも積層されていることを特徴とする請求項1又は2記載のダイヤモンド電子素子。   3. The diamond electronic device according to claim 1, wherein the contact layer is also laminated on a structure holding material. 前記コンタクト層及びアノード電極が構造保持材上にも積層されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。   4. The diamond electronic device according to claim 1, wherein the contact layer and the anode electrode are also laminated on a structure holding material. 前記ドリフト層がpダイヤモンド層であり、前記コンタクト層がpダイヤモンド層であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。 The diamond electronic device according to any one of claims 1 to 4, wherein the drift layer is a p - diamond layer, and the contact layer is a p + diamond layer. 前記ドリフト層は、ホウ素濃度が1015/cm以上1017/cm以下のpダイヤモンド層であり、前記コンタクト層は、ホウ素濃度が1019/cm以上1022/cm以下のpダイヤモンド層であり、電子素子の曲率半径が5m以上500m以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。 The drift layer is a p - diamond layer having a boron concentration of 10 15 / cm 3 or more and 10 17 / cm 3 or less, and the contact layer is a p having a boron concentration of 10 19 / cm 3 or more and 10 22 / cm 3 or less. The diamond electronic device according to any one of claims 1 to 5, wherein the diamond electronic device is a diamond layer, and the radius of curvature of the electronic device is 5 m or more and 500 m or less. 前記カソード電極が、オーミック金属とnダイヤモンド層の積層構造から形成され、前記ドリフト層がpダイヤモンド層であり、前記コンタクト層がpダイヤモンド層であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。 The cathode electrode is formed of a laminated structure of an ohmic metal and an n + diamond layer, the drift layer is a p diamond layer, and the contact layer is a p + diamond layer. The diamond electronic device according to any one of the above. 前記ドリフト層が厚さ1μm以上50μm以下であり、前記コンタクト層が厚さ1μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。   8. The diamond electronic device according to claim 1, wherein the drift layer has a thickness of 1 μm to 50 μm, and the contact layer has a thickness of 1 μm to 100 μm. 前記半絶縁性ダイヤモンド層は、窒素入りホモエピタキシャル単結晶ダイヤモンド又は窒素入り多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。   9. The diamond electronic device according to claim 1, wherein the semi-insulating diamond layer is nitrogen-containing homoepitaxial single crystal diamond or nitrogen-containing polycrystalline diamond. 前記ダイヤモンド電子素子がショットキーダイオード、pn接合ダイオード又はpin接合ダイオードであることを特徴とする前記請求項1乃至9のいずれか1項記載のダイヤモンド電子素子。   The diamond electronic device according to any one of claims 1 to 9, wherein the diamond electronic device is a Schottky diode, a pn junction diode, or a pin junction diode. 請求項1に記載のダイヤモンド電子素子の製造方法であって、
単結晶ダイヤモンド基板の一方の基板面に欠陥層を形成した後、該基板面上に前記ドリフト層を成膜する工程と、
前記ドリフト層の上に、前記半絶縁性ダイヤモンド層を選択的に成長させて開口部を有する構造保持材を形成する工程と、
前記単結晶ダイヤモンド基板と前記ドリフト層を前記欠陥層で分離し、前記欠陥層をエッチングして前記ドリフト層を分離して取り出す工程と、
前記開口部において、前記ドリフト層の上に前記コンタクト層を形成する工程を、
備えることを特徴とするダイヤモンド電子素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the diamond electronic device according to claim 1,
Forming a drift layer on the substrate surface after forming a defect layer on one substrate surface of the single crystal diamond substrate; and
Forming a structure holding material having an opening by selectively growing the semi-insulating diamond layer on the drift layer;
Separating the single crystal diamond substrate and the drift layer with the defect layer, etching the defect layer and separating the drift layer; and
Forming the contact layer on the drift layer in the opening,
A method for manufacturing a diamond electronic device, comprising:
前記ドリフト層にカソード電極を設け、前記開口部のコンタクト層にアノード電極を設ける工程を備えることを特徴とする請求項11記載のダイヤモンド電子素子の製造方法。   The method of manufacturing a diamond electronic device according to claim 11, further comprising a step of providing a cathode electrode on the drift layer and an anode electrode on a contact layer of the opening. 前記単結晶ダイヤモンド基板は、転位密度が0個/cm以上、10個/cm以下であり、表面および裏面の凹凸がRa<1nmであることを特徴とする請求項11又は12記載のダイヤモンド電子素子の製造方法。 13. The single crystal diamond substrate according to claim 11 or 12, wherein the single crystal diamond substrate has a dislocation density of 0 / cm 2 or more and 10 3 / cm 2 or less, and irregularities on the front and back surfaces are Ra <1 nm. A method of manufacturing a diamond electronic device.
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