JP2775903B2 - ダイヤモンド半導体素子 - Google Patents

ダイヤモンド半導体素子

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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明はサーミスタ、ダイオード、トランジスタ等の
ダイヤモンド薄膜半導体素子に関する。
【従来の技術】
ダイヤモンドはｐ型の半導体とすることができるが、
禁制帯幅が広い、キャリア移動度が高い、耐環境性、耐
熱性に優れる等の特徴があり、半導体素子としての応用
が図られている。 ダイヤモンド薄膜半導体素子には、 ダイヤモンド単結晶基板上に薄膜ダイヤモンド能動層
を形成してなる、いわゆるホモエピタキシャル能動層を
利用した素子。 Si等の異種基板上に薄膜ダイヤモンド能動層を形成し
てなる素子。 の２種類がある。 例えばに属するものとしてはダイヤモンド単結晶の
上にエピタキシャル成長させたｐ型ダイヤモンド層とＷ
やAlのSchottky接合を利用したSchottkyダイオードや、
MESFETが試作されている。現在のところｎ型のダイヤモ
ンドが得られないのでｐ型のダイヤモンドと金属のScho
ttky接合を用いる。 に属するものとしては、Si基板の上に多結晶ダイヤ
モンドを成長させてサーミスタとしたものや、多結晶ダ
イヤモンドを発光層に用いた薄膜EL素子なども試作され
ている。現在のところダイヤモンド単結晶薄膜を成長で
きる基板は単結晶ダイヤモンドだけである。Siや金属を
基板としてダイヤモンド薄膜を成長させると多結晶にな
ってしまう。それでに属するものはダイヤモンドが多
結晶である。 いずれにしても従来は基板の上に直接にダイヤモンド
薄膜能動層を形成していた。 ダイヤモンド薄膜は例えばマイクロ波プラズマCVD
法、RFプラズマCVD法、ECRプラズマCVD法などで基板の
上に形成する事ができる。
【発明が解決しようとする課題】
従来のこの主の素子は以下の問題点があった。 基板と能動層の界面状態が悪く、素子として不十分な
特性しか得られなかった。これは多くの界面準位が形成
されているためと思われる。 形成初期の能動層、つまり基板と接する部分の能動層
の膜質が悪く、素子として不十分な特性しか得られなか
った。これは特に膜厚が１μｍ以下の薄い能動層が必要
な場合には大きな問題となる。 これら二つの問題がある。これは特に異種基板の上に
ダイヤモンド能動層を形成した素子の場合顕著である。
【課題を解決するための手段】
本発明のダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンド薄
膜を能動層として利用する半導体素子において、基板上
にノンドープダイヤモンド薄膜を形成し、さらにこの上
にダイヤモンド能動層を形成したことを特徴とするもの
である。 つまり基板とダイヤモンド薄膜能動層との間に、ノン
ドープ（高抵抗）ダイヤモンド薄膜を形成することによ
り、界面状態が良好で、全域にわたって良好な特性を有
する能動層を得る事ができるのである。
【作 用】
基板の上にノンドープダイヤモンド層を形成しさらに
この上にダイヤモンド能動層薄膜を形成するので、結果
として界面状態が良くなる。そのため界面準位が減り、
能動層のキャリアの移動度が高くなり、低抵抗になる。
不純物のドーピング効率が高くなる。 ここで基板というのは単結晶ダイヤモンド基板、Si基
板、金属基板等を含んでいる。ノンドープダイヤモンド
の成長はホモエピタキシーであることもありヘテロエピ
タキシーであることもある。 基板に形成したノンドープ層がどのような働きをして
上記のような作用をするのか必ずしも明らかでない。し
かし次のようなことが考えられる。 ダイヤモンド基板上にダイヤモンド薄膜を形成する場
合、ダイヤモンド基板は極めて硬く、また化学的に安定
である。このため基板表面の前処理が困難で適当な前処
理法が未だ確立されていない。適当な前処理がなされて
いない基板に対してエピタキシャル成長を行うのである
から基板の表面に不純物が残留していたり加工歪みが残
っていたりする。このため基板と薄膜の接合面には強い
内部応力が生じたり、多くの界面準位ができたりするの
であろう。 基板がダイヤモンド単結晶以外の場合、例えばSiや金
属基板の場合、ダイヤモンド薄膜との間にヘテロ接合が
できることになる。格子定数、或は結晶構造が違うの
で、基板上に形成されたダイヤモンド薄膜には多大の歪
みが発生する。特に初期に形成されたダイヤモンド薄膜
は結晶性が極めて悪いものになると思われる。 このように基板上にダイヤモンド薄膜を形成する場
合、基板表面に吸着した不純物の影響、基板表面の加工
歪み等の影響で，基板とダイヤモンドとの間の界面状態
が悪くなり、ダイヤモンド薄膜の結晶状態が好ましくな
くなるものと思われる。 本発明は、基板の上に先ずノンドープダイヤモンド層
を成長させた後、その上にダイヤモンド能動層を成長さ
せている。 このため能動層に対する基板表面の不純物の影響が小
さくなる。また能動層が基板表面の加工歪みの影響を受
けにくくなるので、能動層の結晶性が向上するものと思
われる。 ノンドープのダイヤモンド薄膜を成長させる理由は、
ノンドープであれば高抵抗（＞1014Ωcm）であるので、
基板と能動層を電気的に絶縁できるからである。このた
め能動層を利用して半導体素子を自由に構成することが
できる。 中間に介在させるノンドープダイヤモンド薄膜の厚み
は、基板材料及び構成する素子の種類によって異なる
が、界面状態を良好にする上で十分な効果を出すために
は100Å以上が好ましい。
【実施例Ｉ（抵抗率）】
ダイヤモンド、ｃ−BN基板上に、公知のマイクロ波プ
ラズマCVD法によりダイヤモンド薄膜を形成しその膜質
を評価した。 基板としたダイヤモンドは高圧合成のIb型単結晶であ
る。これの（100）面上に能動層を形成した。このダイ
ヤモンド能動層は単結晶である。本発明の実施例として
は50〜1000Åの厚みのノンドープダイヤモンド層を先ず
形成しその後能動層を形成した。従来例としてノンドー
プ層を設けないものも作製した。 基板としたｃ−BNは、BN粉末を高圧燒結した多結晶で
ある。この上に形成したダイヤモンド能動層は多結晶で
ある。本発明の実施例としては500Åのノンドープ層を
先ず形成しその後能動層を形成した。従来例としてノン
ドープ層を設けないものも作製した。 ノンドープ層を形成する条件は、 原料ガス CH4、H2（CH4/H2＝１％） 成膜時圧力 40Torr マイクロ波パワー 400W 基板温度 850℃ である。能動層としては、ホウ素（Ｂ）を添加したｐ型
ダイヤモンドとした。能動層を形成する条件は、上記の
ノンドープ層の条件とほぼ同じであるが、原料ガスとし
てB2H6を、B2H6/CH4＝50ppmの比率になるように添加し
た。 ノンドープ層の厚みは50、100、500、1000Åとし、能
動層の厚みは１μｍとした。 常温でホール測定した結果を第１表にまとめた。この
結果から基板の上にノンドープダイヤモンド層を設けた
ものは、同じドーピング量でも、抵抗率が低く、キャリ
ア濃度が高い。これはドーピング効率が優れているとい
うことである。 またキャリア移動度も大きい。これは界面準位が減少
したということを意味するのではないかと思われる。 抵抗率の減少、キャリア濃度の増加は、ノンドープ層
の厚みとともに著しくなる。とくにノンドープ層の厚み
が500Å以上になると顕著に現れる。ノンドープ層が100
0Åの場合、抵抗率が十分の一程度になる。著しい効果
である。 以上はダイヤモンド基板に関するものであるが、ｃ−
BN基板についても同様で500Åのダイヤモンドノンドー
プ層を設けることにより抵抗率は約1/3に減少する。
【実施例ＩＩ（ダイオード特性）】 Ib型単結晶ダイヤモンド基板の（100）面上に実施例
Ｉと同様の条件でダイヤモンド薄膜を形成した。そして
電極を付け第１図に示すようなSchottkyダイオードを製
作しそのダイオード特性を評価した。Ib型というのは窒
素が孤立して含まれるダイヤモンドで高圧合成法等で作
ることが出来る。 第１図において、Ib型ダイヤモンド基板１の上にノン
ドープダイヤモンド薄膜２、Ｂをドープしたダイヤモン
ド能動層３が形成されている。能動層３の上に形成した
Schottky電極４はＷ（またはAl）をスパッタリングで形
成したものである。能動層３の上に設けたオーミック電
極５はTiを真空蒸着して形成したものである。 能動層の厚みは同一で、ノンドープ層の厚みを０〜10
00Åの範囲で変化させた。 電極４、５の間に電圧を印加しそのＩ−Ｖ特性（ダイ
オード特性）を評価した。その結果を第２表に示す。逆
方向リーク電流は逆方向に20Vの電圧を印加した時の電
流として定義した。 第２表に示すように、基板に直接能動層を形成した従
来例のものは逆方向リーク電流が大きい。本発明のよう
にノンドープ層を中間に介在させたものは逆方向リーク
電流が小さくなる。特にノンドープ層厚みが100Å以上
でその効果は顕著である。 逆方向リーク電流が減少したのは、ノンドープ層を形
成することによってその上に成長させたｐ型層の結晶性
が向上したものと考えられる。 ダイオードのクオリテイファクタ（ｎ値）は何れの場
合も約1.7〜2.0であった。 ここでクオリテイファクタというのは、 という電流−電圧特性を決める式のｎの値のことであ
る。理想的にはｎ＝１である。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板と能動層
の間にノンドープ層を形成するので、能動層の結晶性が
向上し、ドーピング効率が高く、移動度が高くなる。さ
らにダイオード特性が良くなるなど、ダイヤモンドを使
った各種半導体素子の特性向上に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例を示すダイヤモンド半導体ダイ
オードの断面図である。 １……ダイヤモンド基板 ２……ノンドープダイヤモンド薄膜 ３……ｐ型ダイヤモンド能動層 ４……ショットキー電極 ５……オーミック電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−5002（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−184304（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/12 H01C 7/04 C23C 16/26 C30B 29/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ダイヤモンド薄膜を能動層として利用する
    半導体素子において、基板上に厚みが50Åから1000Åの
    範囲の間にあるノンドープダイヤモンド薄膜を形成し、
    さらにこの上にダイヤモンド能動層を形成したことを特
    徴とするダイヤモンド半導体素子。
  2. 【請求項２】ダイヤモンド薄膜を能動層として利用する
    半導体素子において、ダイヤモンドまたはｃ−BNからな
    る基板上に厚みが50Åから1000Åの範囲にあるノンドー
    プダイヤモンド薄膜を形成し、さらにこの上にダイヤモ
    ンド能動層を形成したことを特徴とするダイヤモンド半
    導体素子。
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