JP2664056B2 - 薄膜単結晶基板 - Google Patents

薄膜単結晶基板

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JP2664056B2 JP62200460A JP20046087A JP2664056B2 JP 2664056 B2 JP2664056 B2 JP 2664056B2 JP 62200460 A JP62200460 A JP 62200460A JP 20046087 A JP20046087 A JP 20046087A JP 2664056 B2 JP2664056 B2 JP 2664056B2
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貴浩 今井
直治 藤森
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体素子材料などとして有用である、ダ
イヤモンドを基材とする薄膜単結晶基板に関する。 [従来技術] 結晶構造を有する幾つかの物質は、電子産業における
素子材料として有用である。例えば、炭化ケイ素には種
々の結晶構造が存在し、結晶構造によって2.2〜3.3eVの
禁止帯幅を有すること、熱伝導率が大きい(4.9W/cm・
K)こと、室温で最高1000cm2/V・secの電子移動度が確
認されていること、p型及びn型の価電子制御が可能な
ことから、耐熱・耐環境素子材料や発光素子材料として
研究が進められている。 炭化ケイ素の結晶構造はα型とβ型に大別されてい
る。α型の六方晶(6H)型結晶は、禁止帯幅が2.9eV程
度と大きいので、青色発光素子材料として期待され、一
方、β型の立方晶(3C)型結晶は、電子移動度が大きい
ので、耐環境素子として研究されている。 炭化ケイ素単結晶は、高融点で化学的に安定なことか
ら、半導体材料として使用する大型良質の単結晶の製造
が難しいので、現在は気相中や液相中でケイ素単結晶や
サファイアの上に炭化ケイ素単結晶を成長させる方法に
より製造されている(特開昭53−83588号公報及び特開
昭53−146299号公報参照)。 しかし、ケイ素単結晶は、炭化ケイ素単結晶に比し
て、禁止帯幅が小さい(1.1eV)ために高温で抵抗率が
低い、融点が低い、熱伝導率が小さい(1.5W/cm・K)
等の欠点があるので、ケイ素単結晶上に炭化ケイ素単結
晶を成長させた場合、炭化ケイ素単結晶の耐熱半導体素
子材料としての利点は大きく損なわれる。そのため、該
材料からケイ素を酸などで除去して用いる場合は、ケイ
素を除去した炭化ケイ素はせいぜい数10μmの薄膜であ
って、結晶中にクラックや歪が入りやすく、取扱いが困
難であった。 ケイ素を除去しないで用いる場合は、炭化ケイ素層中
に形成したpn接合に逆バイアスを印加して素子を分離す
る必要があり、構造や製造工程が複雑である。 また、サファイアは高温まで絶縁体で、熱的にも安定
であるが、熱伝導率が小さい(0.11W/cm・K)、熱膨張
係数が大きい(7.8×10-6/K)等の問題があった。 炭化ケイ素以外にも、例えば、ケイ素単結晶上にヒ化
ガリウムの薄膜単結晶を成長させる、サファイア上にケ
イ素単結晶を成長させる等が試みられているが、いずれ
も同様の問題があった。 [発明の目的] 本発明の目的は、従来の欠点を解決し、熱伝導率が大
きく、熱膨張係数が小さく、耐熱性及び耐環境性に優れ
た基板を提供することにある。 [発明の構成] 本発明の目的は、ダイヤモンド単結晶基材の上に半導
体物質の単結晶層を形成することによって達成される。
ダイヤモンド単結晶中間層がダイヤモンド単結晶基材と
単結晶層の間に存在してもよい。 ダイヤモンド単結晶は、第1表に示すように、熱伝導
率が大きく比誘電率が小さい点で他物質に比べ群を抜い
て優れており、半導体基板材料として使用した場合に、
発熱量の大きい出力素子や高速素子を容易に得ることが
できる。禁止帯幅が大きいので、高純度のダイヤモンド
単結晶は約1000℃まで絶縁性であり、化学的・熱的にも
1000℃付近まで安定であるので、炭化ケイ素とともに耐
熱・帯環境素子として利用した場合に更にその利点を生
かすことができる。 ダイヤモンド単結晶基材は、天然又は人工のいずれで
あってもよい。近年超高圧合成法により比較的不純物
(特に窒素)の少ない、数mm角程度の人工ダイヤモンド
単結晶が容易に入手できるようになっている。 超高圧合成法によってII b型と呼ばれるp型半導体ダ
イヤモンド単結晶を合成することができるので、大電力
素子の作成が容易である。大電力素子を作成する場合に
ダイヤモンド単結晶に電極を設けることが可能である。
薄膜法やイオン注入法を用いればp型又はn型のいずれ
のダイヤモンドでも合成できる。ダイヤモンド単結晶基
材がホウ素又はアルミニウム又はこれら両方を不純物と
して含むp型半導体ダイヤモンドであることが特に好ま
しい。 単結晶層は、炭化ケイ素からできている。単結晶層
は、混晶であってもよい。また、単結晶層が複数層で存
在してもよい。 単結晶層が立方晶炭化ケイ素単結晶層又は六方晶炭化
ケイ素単結晶層又はそれらの積層であることが好まし
い。炭化ケイ素はダイヤモンドと原子の結合状態が似て
おり、格子定数もダイヤモンドに近いからである。ま
た、単結晶層が、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び
インジウムから成る群から選択された少なくとも1種の
元素を不純物として含むp型炭化ケイ素単結晶層である
か、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びリチウムから成
る群から選択された少なくとも1種の元素を不純物とし
て含むn型炭化ケイ素単結晶層であるか、又はそれらの
積層であることが好ましい。 必要により、ダイヤモンド単結晶中間層が、ダイヤモ
ンド単結晶基材と単結晶層の間に存在してもよい。ダイ
ヤモンド単結晶中間層がホウ素、アルミニウム及びガリ
ウムから成る群から選択された少なくとも1種の元素を
不純物として含むp型ダイヤモンド単結晶層であるか、
リン、ヒ素、硫黄、アンチモン、セレン、塩素及びリチ
ウムから選択された少なくとも1種の元素を不純物とし
て含むn型ダイヤモンド単結晶層であるか、又はそれら
の積層であることが好ましい。 ダイヤモンド単結晶基材上にダイヤモンド単結晶中間
層を成長させる方法は、熱CVD法、プラズマCVD法、電子
線CVD法、イオン衝撃法、光CVD法があるが、いずれの方
法でもよい。 ダイヤモンド単結晶基材又はダイヤモンド単結晶中間
層の上への単結晶層の形成は、気相法(昇華法、熱CVD
法、プラズマCVD法、反応蒸着法、MBE法等)及び液相法
のいずれの方法でも行うことができる。 単結晶層及び/又はダイヤモンド単結晶中間層を成長
させるダイヤモンド単結晶基材の結晶面方位は(10
0)、(110)、(111)及び(211)等いずれの結晶面で
もよい。(111)面は研磨が困難であるので、容易に成
形及び研磨のできる(100)及び(110)面が好ましい。 添付図面の第1図は、ダイヤモンド単結晶基材1の上
に単結晶層2のみを形成した基板の断面図である。第2
図は、ダイヤモンド単結晶基材1の上にダイヤモンド単
結晶中間層3及び単結晶層2を形成した基板の断面図で
ある。 [実施例] 以下に、本発明の実施例を説明する。 実施例1 2x2x0.3mmの形状に加工し(111)面を露出させた天然
I a型のダイヤモンド単結晶を、石英製反応管内に配置
した。石英管内を真空排気した後、300Torrの圧力に調
節しながらSiH4,C3H8,H2の各ガスを流量比1:4:95で供給
し、赤外線ヒーターによりダイヤモンド単結晶を1300℃
の温度で30分間保った。ダイヤモンド単結晶の(111)
面に炭化ケイ素薄膜が形成した。 この結晶を取り出して、反射電子線回折法で観察した
ところ明瞭なスポットが観察され、単結晶薄膜が成長し
たことが確認された。格子定数を計算したところa0=4.
38オングストロームであり立方晶(3C)炭化ケイ素(4.
36オングストローム)と一致した。 実施例2 マイクロ波出力300W及び圧力55Torrである既知のマイ
クロ波プラズマCVD法により石英管内にCH4,B2H6,H2の各
ガスを流量比103:1:105で供給することによって、超高
圧法により合成し2x3x0.5mmの形状に加工した人工I b型
ダイヤモンド単結晶の(110)面に厚さ2.0μmのp型半
導体ダイヤモンド単結晶層を成長させた。 更に、マイクロ波出力500W及び圧力200Torrである同
様のマイクロ波プラズマCVD法により上記のp型半導体
ダイヤモンド単結晶層上にSiH4,CH4,H2,Arの各ガスを流
量比1:3:46:50で供給し、1時間炭化ケイ素単結晶層を
成長させた。この間の基板温度は1250℃であった。 この炭化ケイ素単結晶層の深さ方向のオージェスペク
トルによる元素分析結果を第3図に示す。1.3μmの深
さまでSiとCが検出されており、この炭化ケイ素単結晶
層の厚さは1.3μmであることが判る。 この炭化ケイ素単結晶層の反射電子線回折像を観察し
たところ、スポットと菊池線が見られ良好な立方晶(3
C)炭化ケイ素単結晶であることが確認された。 実施例3 第4図に示すような装置を使用して薄膜を形成した。
この装置は、二重石英管4、炭化ケイ素で被覆されたグ
ラファイトからなる支持台6、400KHz高周波発振器7、
冷却水供給口8、冷却水出口9、ワークコイル(水冷)
10、ガス供給口11、及びガス排気口12を有する。2x2x0.
5mmの形状に加工した天然のII b型ダイヤモンド単結晶
5を支持台6の上に置き、管内を真空排気した後、H2
スを流し、圧力を80Torrに調節した石英管外に設置した
ワークコイルに400KHz、2KWの電流を流し、誘導加熱に
より基板支持台を1340℃の温度に保ち、N2,SiH4,C3H8,H
2の各ガスを流量比1:50:100:2000で供給し、圧力80Torr
で20分間n型炭化ケイ素単結晶層の成長を行った。次に
B2H6,SiH4,C3H8,H2の各ガスを流量比0.2:50:100:2000で
供給し、他の条件は同様にして30分間p型炭化ケイ素単
結晶層の成長を行った。 この積層炭化ケイ素単結晶層の表面を反射電子線回折
法で観察したところ第5図のような回折像が得られた。
この像から計算した格子定数は4.35オングストロームで
あり、立方晶(3C)炭化ケイ素であることが確認され
た。 実施例4 人工合成I b型ダイヤモンド単結晶を2x3x0.8mmに加工
し、黒鉛るつぼ中に六方晶炭化ケイ素粉末と共に配置
し、るつぼ中にArガスを供給しながら、圧力を0.5Torr
に保ち、全体を1750℃に昇温し、昇華法により15分間炭
化ケイ素層を成長させた。 この成長層表面を反射電子線回折法により観察したと
ころ、六方晶(6H)炭化ケイ素単結晶であることが確認
された。
【図面の簡単な説明】 第1図及び第2図は、本発明の基板の断面図であり、 第3図は、オージェスペクトルによる元素分析結果を示
す図、 第4図は、薄膜形成装置の断面図を示す図、及び 第5図は、反射電子線回折法による回折像を示す図であ
る。 1,5……ダイヤモンド単結晶基材、 2……単結晶層、 3……ダイヤモンド単結晶中間層、 4……二重石英管、 6……グラファイト支持台、 7……400KHz高周波発振器、 8……冷却水供給口、9……冷却水出口、 10……ワークコイル、 11……ガス供給口、12……ガス排気口。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−224213(JP,A) 特開 昭61−183200(JP,A) 特表 平1−503583(JP,A)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.ダイヤモンド単結晶基材上に、炭化ケイ素から成る
    単結晶層を形成して成ることを特徴とする薄膜単結晶基
    板。 2.ダイヤモンド単結晶基材が、ホウ素及びアルミニウ
    ムから選択された少なくとも1種の元素を不純物として
    含むp型半導体ダイヤモンドである特許請求の範囲第1
    項記載の薄膜単結晶基板。 3.単結晶層が、立方晶炭化ケイ素単結晶層又は六方晶
    炭化ケイ素単結晶層又はそれらの積層である特許請求の
    範囲第1項記載の薄膜単結晶基板。 4.単結晶層が、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び
    インジウムから成る群から選択された少なくとも1種の
    元素を不純物として含むp型炭化ケイ素単結晶層である
    か、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びリチウムから成
    る群から選択された少なくとも1種の元素を不純物とし
    て含むn型炭化ケイ素単結晶層であるか、又はそれらの
    積層である特許請求の範囲第1項記載の薄膜単結晶基
    板。 5.ダイヤモンド単結晶基材上に、ダイヤモンド単結晶
    中間層、並びに炭化ケイ素から成る単結晶層を形成して
    成ることを特徴とする薄膜単結晶基板。 6.ダイヤモンド単結晶基材が、ホウ素及びアルミニウ
    ムから選択された少なくとも1種の元素を不純物として
    含むp型半導体ダイヤモンドである特許請求の範囲第5
    項記載の薄膜単結晶基板。 7.単結晶層が、立方晶炭化ケイ素単結晶層又は六方晶
    炭化ケイ素単結晶層又はそれらの積層である特許請求の
    範囲第5項記載の薄膜単結晶基板。 8.単結晶層が、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及び
    インジウムから成る群から選択された少なくとも1種の
    元素を不純物として含むp型炭化ケイ素単結晶層である
    か、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びリチウムから成
    る群から選択された少なくとも1種の元素を不純物とし
    て含むn型炭化ケイ素単結晶層であるか、又はそれらの
    積層である特許請求の範囲第5項記載の薄膜単結晶基
    板。 9.ダイヤモンド単結晶中間層が、ホウ素、アルミニウ
    ム及びガリウムから成る群から選択された少なくとも1
    種の元素を不純物として含むp型ダイヤモンド単結晶層
    であるか、リン、ヒ素、硫黄、アンチモン、セレン、塩
    素及びリチウムから成る群から選択された少なくとも1
    種の元素を不純物として含むn型ダイヤモンド単結晶層
    であるか、又はそれらの積層である第5項記載の薄膜単
    結晶基板。
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