JP2020128328A - 単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた半導体素子 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明の実施の形態によれば、単結晶ダイヤモンドは、第1の単結晶ダイヤモンド層を備える。第1の単結晶ダイヤモンド層は、基板上に形成され、点欠陥を含む。そして、第1の単結晶ダイヤモンド層は、基板よりも低い転位密度を有する。
構成1において、単結晶ダイヤモンドは、第2の単結晶ダイヤモンド層を更に備える。第2の単結晶ダイヤモンド層は、第1の単結晶ダイヤモンド層上に配置され、基板よりも低い転位密度を有する。
構成1または構成2において、第1の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む。
構成2または構成3において、第2の単結晶ダイヤモンド層は、基板よりも2桁以上少ない転位密度を有する。
構成1から構成4のいずれかにおいて、第1の単結晶ダイヤモンド層は、1μm以上の膜厚を有する。
構成2から構成5のいずれかにおいて、第2の単結晶ダイヤモンド層は、200μm以上の膜厚を有する。
構成2から構成5のいずれかにおいて、第1の単結晶ダイヤモンド層は、更に、p型ドーパントを含む。
また、この発明の実施の形態によれば、半導体素子は、構成7に記載の単結晶ダイヤモンドと、第1および第2の金属とを備える。第1の金属は、第2の単結晶ダイヤモンド層とショットキー接合を形成する。第2の金属は、第1の単結晶ダイヤモンド層または第2の単結晶ダイヤモンド層とオーミック接合を形成する。
また、工程(b)において、単結晶ダイヤモンド層2は、炭素源を含むガスと、タングステン源を含むガス、タンタル源を含むガスおよびレニウム源を含むガスのいずれかと、シリコン源を含むガスと、モリブデン源を含むガスとを用いて、マイクロ波プラズマ、DCプラズマ、燃焼法およびアークジェット法等によって形成されてもよい。
CVD製基板を基板1として用いた。CVD製基板は、(100)面を3°オフさせたものである。
そして、カソードルミネッセンスの測定結果から転位密度を求めた結果、実施例1における単結晶ダイヤモンド10−1の転位密度は、2.6×104cm-2であり、ダイヤモンド基板の転位密度は、2.1×106cm-2であった。
実施例1と同じCVD製基板を基板1として用いた。そして、比較例1として、実施例1における単結晶ダイヤモンド層3の形成条件を用いてマイクロ波プラズマCVD法によって単結晶ダイヤモンド層(1層の単結晶ダイヤモンド層からなる)を基板1上に形成した。
転位密度が1×104cm-2である高温高圧基板(HPHT製Ib基板)を基板1として用いた。そして、実施例1における単結晶ダイヤモンド層2の形成条件と同じ条件を用いて熱フィラメントCVD法によってp+型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層2を基板1上に形成し、その後、単結晶ダイヤモンド層2の形成条件と同じ形成条件を用いて熱フィラメントCVD法によってp型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層3を単結晶ダイヤモンド層2上に形成して単結晶ダイヤモンド(基板1/単結晶ダイヤモンド層2/単結晶ダイヤモンド層3)を作製した。
このように、単結晶ダイヤモンド層2および単結晶ダイヤモンド層3の両方を熱フィラメントCVD法で形成することにより、単結晶ダイヤモンドの転位密度を0cm-2にできることが分かった。
1.2×106cm-2の転位密度を有する基板1を用いた以外は、実施例1と同様にして基板1/単結晶ダイヤモンド層2/単結晶ダイヤモンド層3からなる単結晶ダイヤモンドを作製した。
ヘテロダイヤモンドを基板1として用いた。そして、実施例1と同様の熱フィラメントCVD装置を用いてp型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層2を基板1上に形成した。
図8を参照して、実施例4における単結晶ダイヤモンド10−4からの発光は、ヘテロダイヤモンドからの発光よりも少ない。
実施例1と同じCVD製基板を基板1として用いた。そして、純度99.9%のタンタル(Ta)からなる熱フィラメントを用いて、実施例1の単結晶ダイヤモンド層2の形成条件と同じ形成条件で基板1上に単結晶ダイヤモンド層2を形成し、基板1/単結晶ダイヤモンド層2を作製した。
そして、カソードルミネッセンスの測定結果から転位密度を求めた結果、実施例5における単結晶ダイヤモンド10−5の転位密度は、7.6×104cm-2であり、ダイヤモンド基板の転位密度は、2.1×106cm-2であった。
実施例1〜5に示したように、単結晶ダイヤモンド層2の厚みが1μm以上であれば、転位密度を104cm-2台に低減でき、好ましくは、2桁以上低減できることが分かった。
実施例1と同じCVD製基板を基板1として用いた。そして、実施例1における単結晶ダイヤモンド層2の形成条件と同じ条件を用いてp型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層2を基板1上に形成し、その後、実施例1と同様にして単結晶ダイヤモンド層3を単結晶ダイヤモンド層2上に形成して単結晶ダイヤモンド(基板1/単結晶ダイヤモンド層2/単結晶ダイヤモンド層3)を作製した。この場合、p型単結晶ダイヤモンドを形成する材料ガスとして水素希釈の2%トリメチルボロン(TMB:B(CH3)3)ガスを5sccm、熱フィラメントCVD装置内に導入した。また、単結晶ダイヤモンド層2のB濃度は、1×1020cm-3である。
そして、蒸着法によって、オーミック電極としてTi/Mo/Auを単結晶ダイヤモンド層3上に形成した。この場合、Tiは、10nmの厚みを有し、Moは、10nmの厚みを有し、Auは、30nmの厚みを有する。
実施例1と同じCVD製基板を基板1として用いた。そして、実施例1における単結晶ダイヤモンド層3の形成条件と同じ形成条件を用いてマイクロ波プラズマCVD法によって単結晶ダイヤモンド層(1層の単結晶ダイヤモンド層からなる)を基板1上に形成した。
I=I0[exp(qV/nkT)−1]・・・(1)
式(1)において、Iは、電流であり、Vは、電圧であり、I0は、飽和電流であり、qは、素電荷であり、kは、ボルツマン定数であり、nは、理想因子である。nが理想値である“1”に近い方が電流−電圧特性が良いことを表す。
転位密度が1×104cm-2である高温高圧基板(HPHT製Ib基板)を基板1として用いた。そして、実施例2における基板1/単結晶ダイヤモンド層2/単結晶ダイヤモンド層3を作製した後、実施例6と同様にして、オーミック電極としてTi/Mo/Auを単結晶ダイヤモンド層3の表面に形成し、ショットキー電極としてMo/Auを単結晶ダイヤモンド層3の表面に形成して半導体素子(図3に示す構造からなる)を作製した。この場合、オーミック電極におけるTi,Mo,Auの各々の厚み、およびショットキー電極におけるMo,Auの各々の厚みは、上述したとおりである。
実施例1と同じCVD製基板を基板1として用いた。そして、実施例1における単結晶ダイヤモンド層2の形成条件と同じ形成条件を用いて熱フィラメントCVD法によってp型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層2を基板1上に形成し、その後、基板1/単結晶ダイヤモンド層2を熱フィラメントCVD装置から取り出し、基板1/単結晶ダイヤモンド層2をSEKI DIAMOND SYSTEMS社製の5kWマイクロ波プラズマCVD装置内の支持台上に設置した。
実施例1と同じCVD製基板を基板1として用いた。そして、実施例8における単結晶ダイヤモンド層3の形成条件と同じ形成条件を用いて、p型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層3を基板1上に形成した。単結晶ダイヤモンド層3は、5μmの厚みを有し、2×1015cm-3のB濃度を有する。
2,3 単結晶ダイヤモンド層
4,5 電極
10 単結晶ダイヤモンド
100,100A 半導体素子。
Claims (19)
- 基板上に形成された単層の単結晶ダイヤモンド層であり、点欠陥を含む第1の単結晶ダイヤモンド層を備え、
前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、前記基板よりも低い転位密度を有する、単結晶ダイヤモンド。 - 前記第1の単結晶ダイヤモンド層上に配置され、前記基板よりも低い転位密度を有する第2の単結晶ダイヤモンド層を更に備える、請求項1に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む、請求項2に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記シリコンおよびモリブデンの各々の含有量は、前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量よりも2桁以上少ない、請求項3に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量は、1×1016cm-3〜1×1020cm-3である、請求項4に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第2の単結晶ダイヤモンド層は、前記基板よりも2桁以上少ない転位密度を有する、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、1μm以上の膜厚を有する、請求項2から請求項6のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第2の単結晶ダイヤモンド層は、200μm以上の膜厚を有する、請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、更に、p型ドーパントを含む、請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第2の単結晶ダイヤモンドは、更に、p型ドーパントを含む、請求項9に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンドの前記p型ドーパントの濃度は、1×1018cm-3〜1×1021cm-3であり、
前記第2の単結晶ダイヤモンドの前記p型ドーパントの濃度は、1×1015cm-3〜1×1018cm-3である、請求項10に記載の単結晶ダイヤモンド。 - 前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む、請求項1に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記シリコンおよびモリブデンの各々の含有量は、前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量よりも2桁以上少ない、請求項12に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量は、1×1016cm-3〜1×1020cm-3である、請求項13に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、1μm以上の膜厚を有する、請求項1,12〜14のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンド層は、更に、p型ドーパントを含む、請求項1,12〜15のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記第1の単結晶ダイヤモンドの前記p型ドーパントの濃度は、1×1018cm-3〜1×1021cm-3である、請求項16に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記基板は、単結晶ダイヤモンドまたはヘテロダイヤモンドからなる、請求項1から請 求項17のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドと、
前記第2の単結晶ダイヤモンド層とショットキー接合を形成する第1の金属と、
前記第1の単結晶ダイヤモンド層または前記第2の単結晶ダイヤモンド層とオーミック接合を形成する第2の金属とを備える半導体素子。
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