JP4196933B2 - Method for evaluating the electrical resistance of boron-doped diamond and boron-doped diamond - Google Patents

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Description

この発明は硼素ドープp型ダイヤモンドと硼素ドープp型ダイヤモンドの電気抵抗評価方法に関する。透明度が高く屈折の高い天然のダイヤモンドは宝飾品に使われるが本発明はそのようなダイヤモンドを対象にしない。またダイヤモンドは硬度が高いので切削工具や研磨材料としては古くから用いられている。それは絶縁体のダイヤモンドであって粒子状のものや被膜のものが用いられる。絶縁体のダイヤモンドは天然のものや、高圧合成のもの、気相合成のものがある。切削工具、研磨材としてのダイヤモンドには豊かな実績がある。   The present invention relates to a method for evaluating electrical resistance of boron-doped p-type diamond and boron-doped p-type diamond. Natural diamonds with high transparency and high refraction are used in jewelry, but the present invention does not target such diamonds. Diamond has been used for a long time as a cutting tool or an abrasive material because of its high hardness. It is an insulating diamond that is particulate or coated. Insulator diamonds can be natural, high-pressure, or vapor-phase. Diamonds as cutting tools and abrasives have a rich track record.

本発明はそのようなものではなくて電気伝導度がより高いもので電極や半導体素子としての用途を追求するものである。それは気相合成によって作られるものであり多くは下地基板の上に形成された薄膜の形をとる。不純物濃度が高いので最早透明でなく黒ずんだ外観を呈する。   The present invention is not such, and has a higher electrical conductivity and is intended for use as an electrode or a semiconductor element. It is made by vapor phase synthesis and often takes the form of a thin film formed on a base substrate. Due to the high impurity concentration, it is no longer transparent but has a dark appearance.

ダイヤモンドはバンドギャップが5.5eVと広いしキャリヤ移動度が大きく高温に耐えるので新規の半導体電子材料として有望である。導電性を利用した電極としての用途がある。またpn接合を有する半導体能動素子としての用途もある。最近注目されているのがWフィラメントによる電子放射源に代わってダイヤモンドを電子放射源として利用するという用途である。強い電界をダイヤモンドの近傍に形成すると電界の作用でダイヤモンドから電子が飛び出すので電子源として使えるというものである。強い電界を掛けるためにもダイヤモンドが低抵抗であることが望まれる。   Diamond is promising as a new semiconductor electronic material because it has a wide band gap of 5.5 eV, a large carrier mobility and withstands high temperatures. There is an application as an electrode utilizing conductivity. Also, there is an application as a semiconductor active device having a pn junction. Recently, attention has been focused on the use of diamond as an electron emission source in place of an electron emission source using a W filament. When a strong electric field is formed in the vicinity of diamond, electrons are ejected from the diamond by the action of the electric field, so that it can be used as an electron source. In order to apply a strong electric field, it is desirable that diamond has a low resistance.

半導体材料として考えるのであるから、p型ダイヤモンドとn型ダイヤモンドの可能性が考えられる。両方のものができないと半導体素子の材料としては使いにくい。3族のボロン(B)ドープによってp型のダイヤモンドが得られる。しかしボロンはダイヤモンド中の炭素より直径が大きいので高濃度にドープするのが難しく、また活性化率が低いので通常は正孔濃度はp=1016cm−3程度である。またボロンのドーピングによってどのような不純物(アクセプタ)準位ができているのか?ということもよく分かっていないように思われる。 Since it is considered as a semiconductor material, the possibility of p-type diamond and n-type diamond is considered. If both are not possible, it will be difficult to use as a semiconductor element material. A p-type diamond can be obtained by doping with boron (B) from group 3. However, since boron has a diameter larger than that of carbon in diamond, it is difficult to dope with high concentration, and since the activation rate is low, the hole concentration is usually about p = 10 16 cm −3 . What impurity (acceptor) levels are created by boron doping? It seems that this is not well understood.

もともと半導体ダイヤモンドのための研究はボロンドープp型ダイヤモンドが先行していた。しかし半導体素子を作るにはn型ダイヤモンドが不可欠である。それで現在はp型より、n型ダイヤモンドの研究が活発になっている。n型ダイヤモンドは5族の窒素(N)、燐(P)、砒素(As)をドープすることによって得られる筈であるが疑問がある。P、Asドープのものはあまり試みられていない。窒素(N)ドープのダイヤモンドが作られるが窒素がどのようなドナーレベルを作るのかということもハッキリしない。   Originally, research for semiconductor diamond was preceded by boron-doped p-type diamond. However, n-type diamond is indispensable for making a semiconductor element. Therefore, research on n-type diamond is more active than p-type. The n-type diamond should be obtained by doping group 5 nitrogen (N), phosphorus (P), and arsenic (As), but there are doubts. P and As doped ones have not been tried much. Nitrogen (N) -doped diamond is produced, but it is not clear what donor level nitrogen produces.

窒素は深い準位を作り自由キャリヤはあまり発生しないとみなされている。その他にLi、Naがドナーになるかもしれない、と言われている。n型ダイヤモンドについても現在優れたものはない。しかしn型はどのような半導体材料でも基本となるものであるから良質のn型はぜひとも実現しなくてはならない。それで現在のところn型ダイヤモンドの研究が精力的に進められている。   Nitrogen is considered to have deep levels and not many free carriers. In addition, Li and Na are said to be donors. There is currently no excellent n-type diamond. However, since the n-type is fundamental to any semiconductor material, a high-quality n-type must be realized. As a result, research on n-type diamonds is currently underway.

本発明はn型ではなくて、硼素ドープのp型ダイヤモンドを対象にする。硼素は炭素より実効的な半径が大きくてダイヤモンド結晶の中へ入りにくい。だからp型で低抵抗のものはなお得難いのである。それで窒素を一緒にドープして結晶構造を温存しながらボロンをより高濃度にドープするというコードープ(共ドープ;codoping)という手法も試みられている。p型のボロンをダイヤモンド結晶の中へ無理なく入れるためn型不純物の窒素を一緒にドープするというものである。   The present invention is directed to boron-doped p-type diamond, not n-type. Boron has a larger effective radius than carbon and is difficult to enter into diamond crystals. Therefore, p-type and low-resistance ones are still difficult to obtain. Therefore, a method called co-doping (co-doping) is also attempted, in which nitrogen is doped together and boron is doped at a higher concentration while preserving the crystal structure. In order to force p-type boron into the diamond crystal, nitrogen of n-type impurities is doped together.

これもいろいろな説があるが、ダイヤモンド中に−B−N−という結合ができるから応力が緩和されるという説もある。
p型とn型が補償しあうからボロン濃度と窒素濃度の差が正孔濃度を与えるので、ボロン濃度を窒素濃度より大きくしなければならない、という説もある。
また窒素のドナーは不活性であり正孔生成を妨げないという説もある。
There are various theories, but there is also a theory that stress is relieved because a bond of -B-N- is formed in diamond.
There is a theory that since the p-type and n-type compensate for each other, the difference between the boron concentration and the nitrogen concentration gives the hole concentration, so the boron concentration must be greater than the nitrogen concentration.
There is also the theory that nitrogen donors are inert and do not interfere with hole generation.

そのようなコード−プに関しても定まった見解はないように思われる。それは実際にダイヤモンドのバンド構造において、窒素がどのようなレベルを作るのか、硼素がどのようなアクセプタ準位を形成するのかという直接の知見がなかなか得られないからであろうと思われる。   There seems to be no fixed view on such a code group. This is probably because it is difficult to obtain a direct knowledge of what level nitrogen produces and what kind of acceptor level boron forms in the diamond band structure.

特開平4−266020号公報「半導体ダイヤモンド」Japanese Patent Laid-Open No. 4-266020 "Semiconductor Diamond"

特許文献1は、コードーピングのダイヤモンドであって、窒素と硼素をいずれも1000ppm以上の濃度で含むようにしたものを提案している。硼素ドープのp型はこれまで硼素を1000ppmドープしてもp=1016cm−3程度のものしか得られなかった。硼素をそれ以上ドープすると結晶構造が崩れたが、窒素を共にドープすることによって結晶構造を維持しつつ1000ppm以上の濃度で硼素をドープすることができた、というものである。それには1000ppm以上の窒素の同時的なドープが必要であった、という。窒素と硼素をほぼ同量ドープするとドナーとアクセプタからでるキャリヤが打ち消し合って自由キャリヤは少なくなる筈である。 Patent Document 1 proposes a co-doping diamond that contains both nitrogen and boron at a concentration of 1000 ppm or more. As for the p-type doped with boron, only p = 10 16 cm −3 has been obtained even if boron is doped at 1000 ppm. When boron was further doped, the crystal structure collapsed, but by doping together with nitrogen, boron could be doped at a concentration of 1000 ppm or more while maintaining the crystal structure. That required simultaneous doping of more than 1000 ppm of nitrogen. If approximately the same amount of nitrogen and boron is doped, the carriers emitted from the donor and the acceptor will cancel each other and free carriers should be reduced.

しかし引用文献1は窒素の作る準位は禁制帯の奥深く、むしろ価電子帯に近い高さに準位を作るのでドナーとならないと述べている。だから硼素の正孔だけが放出されることになり正孔濃度としてp=1018cm−3の高いキャリヤ濃度が得られたと主張している。窒素がダイヤモンド中でドナーとならないという意見であって疑問がある。 However, Cited Document 1 states that the level created by nitrogen is deep in the forbidden band, but rather at a height close to the valence band, so it does not serve as a donor. Therefore, only boron holes are emitted, and it is claimed that a high carrier concentration of p = 10 18 cm −3 was obtained as the hole concentration. There is doubt that nitrogen is not a donor in diamond.

特開平6−144993号公報「硼素ドープダイヤモンド」Japanese Patent Laid-Open No. 6-144993 “Boron Doped Diamond”

特許文献2は高圧合成法で作ったダイヤモンドと、CVDで作ったダイヤモンドを比較し、同じ硼素濃度のp型でもCVD法で作ったものの方が抵抗が低くなってスイッチ電極、化学センサの電極として好ましいと述べている。これまで1000ppm以上の硼素をドープしたダイヤモンドを作ることはできなかった。この発明はCVD法で1000〜4500ppmの硼素を含むダイヤモンドを作ることができたと主張している。CVD法で硼素濃度が1800ppmであるダイヤモンドは抵抗率が1000Ωcm程度で充分低い抵抗率だと言っている。そして1000ppm〜4500ppmの硼素を含むダイヤモンドを作ることができ、それは抵抗が低いと述べている。 Patent Document 2 compares diamonds made by high pressure synthesis with diamonds made by CVD. Even if p type with the same boron concentration is made by CVD, the resistance is lower and it is used as an electrode for switch electrodes and chemical sensors. It is preferred. Until now, diamond doped with 1000 ppm or more of boron could not be made. The present invention claims that diamond containing 1000 to 4500 ppm of boron could be made by CVD. Diamond with a boron concentration of 1800 ppm by CVD is said to have a sufficiently low resistivity of about 1000 Ωcm. And diamonds containing 1000 ppm to 4500 ppm boron can be made, which states that the resistance is low.

特開平9−13188号公報「ダイヤモンド電極」Japanese Patent Laid-Open No. 9-13188 “Diamond Electrode”

特許文献3は炭素電極(グラファイト)の上にCVD法によってダイヤモンド電極を設け、さらに水素化、酸化、ハロゲン化などの化学修飾した電極を提案している。塩化ナトリウムの電気分解の電極として使った場合化学修飾によって過電圧の発生を防ぎ電流効率が高く、電極消耗が少なくなると述べている。 Patent Document 3 proposes an electrode obtained by providing a diamond electrode on a carbon electrode (graphite) by a CVD method and further chemically modifying such as hydrogenation, oxidation, or halogenation. It states that chemical modification prevents overvoltage when used as an electrode for electrolysis of sodium chloride, increases current efficiency, and reduces electrode consumption.

特開2004−31022号公報「導電性ダイヤモンド及び導電性ダイヤモンド形成方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-31022 “Conductive Diamond and Method for Forming Conductive Diamond”

特許文献4は、硼素と窒素を同時にドープしてCVD法によって10000ppm以上の高濃度の硼素、窒素を含むダイヤモンド被膜をSi基板の上に作成し、それはp型で低抵抗であったと述べている。これもコードーピングのダイヤモンドである。硼素濃度を窒素濃度よりも10000ppm以上高い濃度にすることによってp型とすることができる、と主張している。硼素の単独ドープではダイヤモンド構造が崩れてしまい高濃度に硼素をドープすることは不可能だと言っている。それで特許文献1のように窒素と硼素をコードープする方が良いのであるが、特許文献1のように窒素濃度が硼素濃度に等しい場合は、打ち消し会ってp型として低抵抗にならないと述べている。   Patent Document 4 states that a diamond film containing boron and nitrogen at a high concentration of 10000 ppm or more is formed on a Si substrate by simultaneously doping boron and nitrogen by CVD, and is p-type and low resistance. . This is also a co-doping diamond. It is claimed that the p-type can be obtained by making the boron concentration 10,000 ppm or more higher than the nitrogen concentration. He says that the boron structure cannot be doped with boron at a high concentration due to the collapse of the diamond structure. Therefore, it is better to co-dope nitrogen and boron as in Patent Document 1, but when the nitrogen concentration is equal to the boron concentration as in Patent Document 1, it is stated that the resistance will not be reduced as a p-type by canceling. .

特許文献4は窒素が硼素のアクセプタの妨げにならないという意見を否定し窒素のドナーが電子を出し硼素の正孔を打ち消すので窒素濃度が硼素濃度と同じであってはならないと主張している。それで窒素も硼素も10000ppm以上の高濃度ドープするのであるが、窒素濃度より硼素濃度を10000ppm以上高いものにすることによって硼素が全て打ち消されることなく濃度差にあたる硼素が正孔を生ずるので低抵抗のp型ダイヤモンドになると言っている。たとえば硼素濃度が50600ppm、窒素濃度が13600ppmで、それらの濃度差が37000ppmであるとき抵抗率が10−3Ωcmの低抵抗のダイヤモンド被膜が得られたと述べている。 Patent Document 4 denies the opinion that nitrogen does not interfere with the boron acceptor and argues that the nitrogen concentration should not be the same as the boron concentration because the nitrogen donor emits electrons and counteracts the boron holes. Therefore, both nitrogen and boron are doped at a high concentration of 10,000 ppm or more. However, by making the boron concentration higher than the nitrogen concentration by 10,000 ppm or more, boron corresponding to the concentration difference generates holes without canceling out all of the boron. He says he will be a p-type diamond. For example, it is stated that a low-resistance diamond film having a resistivity of 10 −3 Ωcm was obtained when the boron concentration was 50600 ppm, the nitrogen concentration was 13600 ppm, and the concentration difference was 37000 ppm.

R.Kalish,A.Reznik,C.Uzan−Saguy,& C.Cytermann,”Is Sulfur a donor in diamond?”,Appl.Phys.Lett.,vol.76.No.6,p757−759(2000)R. Kalish, A .; Reznik, C.I. Uzan-Sagiy, & C.I. Cytmann, “Is Sulfur a donor in diamond?”, Appl. Phys. Lett. , Vol. 76. No. 6, p757-759 (2000)

非特許文献1はn型ダイヤモンドを作成するために適当なドナーを形成する材料を探している。Li、Na、N、P、Asなどのこれまでダイヤモンド中でドナーとなる候補はいずれも難があるとしている。Nは伝導帯底から測って1.7eVの準位を作り、Pは伝導帯底から下0.5eVに準位を作るという論文があり、それならPは好適のn型不純物であるはずであるが実際にPはダイヤモンド中に入って行かず正孔のモビリティも低いから使いものにならないと主張している。 Non-Patent Document 1 is searching for a material for forming an appropriate donor for producing n-type diamond. It has been said that all the candidates for donors in diamond such as Li, Na, N, P, and As have difficulty so far. There is a paper that N makes a level of 1.7 eV measured from the bottom of the conduction band and P makes a level 0.5 eV below the bottom of the conduction band, and then P should be a suitable n-type impurity. Argues that P actually does not go into the diamond and is not useful because the hole mobility is low.

非特許文献1は硫黄(S)が伝導帯下0.37eVにドナーを作るという意見があるので気相合成の硫黄ドープダイヤモンドを調べた。Hall測定でキャリヤは電子でなく正孔であることがわかった。だから硫黄ドープダイヤモンドはp型であると反対の結論を出している。さらに硫黄ドープダイヤモンドの温度・抵抗、温度・移動度の特性が硼素ドープダイヤモンドとよく似ていると言っている。それで実際にどんな元素が含まれているのかSIMSで調べたところ硫黄よりも硼素が大量に含まれておりp型の性質はボロンによるのだという結論を出している。意図しないで含まれた硼素がp型として働いているのであると言っている。硼素を含まない、純粋に硫黄だけをドープしたものは高抵抗であってHall測定ができないと述べている。つまりダイヤモンド中で硫黄はn型にもp型にもならないと非特許文献1は主張しているのである。   Non-Patent Document 1 examined the sulfur-doped diamond of vapor phase synthesis because there is an opinion that sulfur (S) forms a donor at 0.37 eV below the conduction band. The Hall measurement showed that the carrier was not an electron but a hole. Therefore, we conclude that sulfur-doped diamond is p-type. Furthermore, it is said that sulfur-doped diamond is similar in temperature / resistance, temperature / mobility characteristics to boron-doped diamond. Thus, when SIMS investigated what elements were actually contained, it was concluded that boron was contained in a larger amount than sulfur and the p-type nature was due to boron. He says that unintentionally contained boron works as p-type. It states that a material that does not contain boron and is purely doped with only sulfur has high resistance and cannot perform Hall measurement. That is, Non-Patent Document 1 insists that sulfur does not become n-type or p-type in diamond.

Yung−Hsin Chen & Chen−Ti Hu,”Defect structure and electron field−emission properties of boron−doped diamond films”,Appl.Phys.Lett.Vol.75 No.18,p2857−2859,1999Yung-Hsin Chen & Chen-Ti Hu, “Defect structure and electron field-emission properties of boron-doped diamond films”, Appl. Phys. Lett. Vol. 75 No. 18, p2857-2859, 1999

非特許文献2は硼素ドープダイヤモンドを電界誘起電子放出源として利用する場合において硼素の含有量をどこまで高めることができるかということを調べている。硼素濃度の低い試料は電子放射に必要な電界強度が小さくて良いし電子量も多いが、硼素濃度の高い試料は強い電界を必要とし放射される電子量も弱い。原料中の硼素源濃度(B(OCH)を高くするとダイヤモンドに取り込まれる硼素の割合は増えるが上限がある。SIMSでその上限を測定すると上限濃度はB=5×1021cm−3であった。硼素源濃度を上げても、それ以上硼素はダイヤモンド中に入らないということである。 Non-Patent Document 2 investigates how much boron content can be increased when boron-doped diamond is used as a field-induced electron emission source. A sample having a low boron concentration may have a small electric field strength and a large amount of electrons necessary for electron emission, but a sample having a high boron concentration requires a strong electric field and has a low amount of emitted electrons. Increasing the boron source concentration (B (OCH 3 ) 3 ) in the raw material increases the proportion of boron incorporated into the diamond, but has an upper limit. When the upper limit was measured by SIMS, the upper limit concentration was B = 5 × 10 21 cm −3 . Even if the boron source concentration is increased, no further boron enters the diamond.

赤外吸収(IR absorption)スペクトルにおいてB−Cボンドに対応する1280cm−1のピークを調べると,炭素サイトを置換した硼素の最高の濃度はB=5×1020cm−3であるということがわかる、と言っている。それはSIMS測定でのB濃度上限の1/10にすぎない。ということは5×1020cm−3以上にドープした硼素は格子点にないということである。 When the peak of 1280 cm −1 corresponding to the BC bond is examined in the IR absorption spectrum, the highest concentration of boron substituted for the carbon site is B = 5 × 10 20 cm −3. I know. It is only 1/10 of the upper limit of B concentration in SIMS measurement. This means that boron doped to 5 × 10 20 cm −3 or more is not at a lattice point.

硼素ドープダイヤモンドにおいて硼素以外に抵抗率を支配するパラメータがある。それを明確にするのが本発明の一つの目的である。硼素を高濃度にドープしても抵抗がなかなか下がらないが抵抗を実効的に下げる方法を明らかにするのが本発明の別の目的である。非破壊で高濃度硼素ドープダイヤモンドの抵抗率を測定する方法を提供するのが別の目的である。高濃度硼素ドープ、高導電率ダイヤモンドを提供するのが本発明のさらなる目的である。   In boron-doped diamond, there is a parameter governing resistivity other than boron. It is an object of the present invention to clarify this. It is another object of the present invention to clarify a method of effectively reducing the resistance although the resistance does not decrease easily even when boron is doped at a high concentration. It is another object to provide a method for measuring the resistivity of non-destructive and highly boron doped diamond. It is a further object of the present invention to provide a highly doped boron, high conductivity diamond.

本発明は、窒素を含む共ドープを用いることなく、硼素濃度を6000ppm以上にして、価電子帯頂上から2eVの硼素と水素に関連した不純物準位Qを禁制帯の中に形成し、この不純物準位Qを大きくすることによってp型ダイヤモンドの抵抗率を下げるようにする。禁制帯の中2eVにある準位Qが大きいと導電率が高くなる。つまり導電率を上げるには準位Qを高くすればよい。同じ硼素濃度bであっても、水素濃度xが低いと準位Qが大きくなる。つまり高濃度硼素をドープするとき水素が取り込まれないようにすれば高導電率のp型ダイヤモンドが得られる。CVD法でダイヤモンドを作るときは炭化水素(メタンなど)が水素を含んでいる。だからCVDダイヤモンドに水素が含まれ易い。水素はプラズマCVDでダイヤモンドを作る場合にキャリヤガスとしても使うのでダイヤモンドの中に意図せずして含有される。その水素を減らすことによって導電率に優れたダイヤモンドが得られる。水素を減らすにはキャリヤガスで原料ガスを希釈するときに希釈率を下げれば良い。 In the present invention, a boron concentration is set to 6000 ppm or more without using a co-doping containing nitrogen, and an impurity level Q related to boron and hydrogen of 2 eV from the top of the valence band is formed in the forbidden band. The resistivity of the p-type diamond is lowered by increasing the level Q. If the level Q at 2 eV in the forbidden band is large, the conductivity becomes high. That is, the level Q can be increased to increase the conductivity. Even at the same boron concentration b, the level Q increases when the hydrogen concentration x is low. In other words, high conductivity p-type diamond can be obtained if hydrogen is not taken in when doping with high concentration boron. When diamond is produced by CVD, hydrocarbons (such as methane) contain hydrogen. Therefore, hydrogen is easily contained in CVD diamond. Since hydrogen is also used as a carrier gas when producing diamond by plasma CVD, it is unintentionally contained in diamond. By reducing the hydrogen, a diamond having excellent conductivity can be obtained. In order to reduce hydrogen, the dilution rate may be lowered when the source gas is diluted with the carrier gas.

また本発明は非破壊の電気抵抗測定方法を与えることができる。価電子帯の頂上にできるアクセプタに対応する第1エネルギー準位(S)のピーク1に対し、禁制帯の2eVの高さにできる第2エネルギー準位(Q)のピーク2比率をx=ピーク2/ピーク1=Q/Sとして、xの値によって抵抗率を評価する。同じ硼素濃度bであっても、ピーク比xが大きいほど(Qが優勢)抵抗率が低い。ピーク比xが小さいほど(Qが劣勢)抵抗率が高い。そのような性質からダイヤモンドの電気抵抗を評価することができる。   The present invention can also provide a non-destructive method for measuring electrical resistance. For the peak 1 of the first energy level (S) corresponding to the acceptor formed at the top of the valence band, the ratio of the peak 2 of the second energy level (Q) that can be as high as 2 eV in the forbidden band is x = peak 2 / Peak 1 = Q / S, and the resistivity is evaluated by the value of x. Even at the same boron concentration b, the resistivity is lower as the peak ratio x is larger (Q is dominant). The smaller the peak ratio x (Q is inferior), the higher the resistivity. From such properties, the electrical resistance of diamond can be evaluated.

硼素濃度が7000ppmのときは、抵抗率yがy=exp(−4.5x+0.6)で与えられる。   When the boron concentration is 7000 ppm, the resistivity y is given by y = exp (−4.5x + 0.6).

硼素濃度が70000ppmのときは、抵抗率yがy=exp(−4.5x−0.3)で与えられる。   When the boron concentration is 70000 ppm, the resistivity y is given by y = exp (−4.5x−0.3).

硼素濃度が6000ppm以上のとき、水素に関連する導電率σ
σ=(b−5000)0.258exp(+4.5x−2.56)
When the boron concentration is 6000 ppm or more, the conductivity σ 1 associated with hydrogen is σ 1 = (b−5000) 0.258 exp (+ 4.5x−2.56)

或いは
σ=(b−5500)0.239exp(+4.5x−2.35)
Or σ 1 = (b-5500) 0.239 exp (+ 4.5x−2.35)

又は
σ=(b−6000)0.216exp(+4.5x−2.09)
Or
σ 1 = (b−6000) 0.216 exp (+ 4.5x−2.09)

によって与えられる。それは臨界値を5000ppm、5500ppm、6000ppmのいずれにするかの違いによっている。本発明は6000ppm以上のものに対して適用されるのであるが、6000ppm以上であればいずれの式を使って計算してもあまり変わりのない値が得られる。 Given by. It depends on whether the critical value is 5000 ppm, 5500 ppm, or 6000 ppm. The present invention is applied to a material of 6000 ppm or more. However, if it is 6000 ppm or more, a value that does not change much can be obtained by calculation using any equation.

価電子帯の近くのS準位、2eV禁制帯へ入った(禁制帯幅は5.5eV)Q準位の電子密度は、180eV〜200eVのエネルギー帯のX線を連続的に含むX線源を用い連続波長のX線を試料に当てて吸収スペクトルを求め、その吸収の大きさから測定できる。図1、図2は後で説明するが、ダイヤモンド試料二つのX線吸収スペクトルである。1s電子をX線でS準位やQ準位へ励起する。1s軌道と禁制帯のエネルギー差が180eV〜200eVであるから、その辺りの連続波長を出すX線源が必要である。ここではフェルミ準位を0eVとしている。大量に硼素をドープしているからアクセプタが大量に存在し、フェルミ準位は、価電子帯の頂上とほぼ同じになる。だから基準の0eVというのはフェルミ準位であるが価電子帯頂上と考えて良い。第2のピークQは硼素が作る不純物準位であって導電率を上げる作用がある。それは水素が少ないときに優勢であるが、水素が増えると劣勢になり(図2)水素が20000ppm以上で消失する。ピーク比xが高い方が導電率が高い。そのためには水素含有率を減らせば良い。   An S-level near the valence band, entering the 2 eV forbidden band (forbidden band width is 5.5 eV) The electron density of the Q level is an X-ray source that continuously contains X-rays in the energy band of 180 eV to 200 eV The absorption spectrum can be obtained by applying X-rays of continuous wavelength to the sample using, and can be measured from the magnitude of the absorption. 1 and 2 are X-ray absorption spectra of two diamond samples, which will be described later. 1s electrons are excited to the S level or Q level by X-rays. Since the energy difference between the 1s orbit and the forbidden band is 180 eV to 200 eV, an X-ray source that emits a continuous wavelength around that is required. Here, the Fermi level is set to 0 eV. Since a large amount of boron is doped, there are a large number of acceptors, and the Fermi level is almost the same as the top of the valence band. Therefore, the reference 0 eV is the Fermi level, but it can be considered as the top of the valence band. The second peak Q is an impurity level formed by boron and has an effect of increasing the conductivity. It is dominant when the amount of hydrogen is small, but it becomes inferior when the amount of hydrogen increases (FIG. 2). Hydrogen disappears at 20000 ppm or more. The higher the peak ratio x, the higher the conductivity. For this purpose, the hydrogen content may be reduced.

導電率の高いダイヤモンドを作るために本発明は硼素濃度を上げるだけでなく、第2のエネルギー準位Qを形成しピークを高くするために水素濃度を下げるということを提案する。水素濃度を下げると第2の準位Qが強化されて導電性が向上する。また水素濃度を下げることによって硼素を安定化させるという作用もあって、より高濃度に硼素をドープすることができる。   In order to make diamond with high conductivity, the present invention proposes not only to increase the boron concentration but also to decrease the hydrogen concentration in order to form the second energy level Q and increase the peak. When the hydrogen concentration is lowered, the second level Q is strengthened and the conductivity is improved. In addition, boron is stabilized by lowering the hydrogen concentration, so that boron can be doped at a higher concentration.

さらに、硼素濃度が6000ppm以上である場合、硼素濃度bと、ピーク比x=Q/Sを知ってダイヤモンドの電気抵抗(導電率)を本発明によって評価することができる。それは非破壊検査であるから有用である。ただし電子状態密度の直接観測がそのために必要とされる。連続エネルギーをもつX線源が必要となる。そのような好都合のX線源は現在のところ数少ないが用途があれば製造できる装置である。そのような光源を作れば本発明を実施することは難しくない。   Furthermore, when the boron concentration is 6000 ppm or more, the electrical resistance (conductivity) of diamond can be evaluated by the present invention by knowing the boron concentration b and the peak ratio x = Q / S. It is useful because it is a non-destructive inspection. However, direct observation of electronic density of states is required for this purpose. An X-ray source with continuous energy is required. Such convenient x-ray sources are currently few but can be manufactured for any application. If such a light source is made, it is not difficult to implement the present invention.

本発明は硼素ドープp型ダイヤモンド全般に適用でき、それは高圧合成法で作成したダイヤモンドにも、CVDを使った気相合成法で作成したダイヤモンドにも適用することができる。CVD法といってもいろいろあって、フィラメントCVD法、プラズマCVD法などがある。水素量は合成方法によって違うが、いずれにしても水素の過剰が抵抗を上げるということである。下地基板はダイヤモンド、Si、GaAs、InP、サファイヤなど様々なものを利用できる。   The present invention can be applied to all boron-doped p-type diamonds, which can be applied to diamonds produced by a high pressure synthesis method or diamonds produced by a vapor phase synthesis method using CVD. There are various CVD methods such as a filament CVD method and a plasma CVD method. The amount of hydrogen varies depending on the synthesis method, but in any case, excess hydrogen increases resistance. Various substrates such as diamond, Si, GaAs, InP, and sapphire can be used as the base substrate.

高圧合成の場合、原料は炭素粉体と触媒である。   In the case of high pressure synthesis, the raw materials are carbon powder and a catalyst.

気相合成の場合、炭素原料は、メタン、エチルアルコール、アセトンなどの炭化水素を水素で希釈したものを用いる。原料が水素を含みキャリヤガスも水素だから大量の水素が意図せずしてダイヤモンドに含まれる。   In the case of vapor phase synthesis, a carbon raw material obtained by diluting hydrocarbons such as methane, ethyl alcohol, and acetone with hydrogen is used. Since the raw material contains hydrogen and the carrier gas is also hydrogen, a large amount of hydrogen is unintentionally included in diamond.

硼素源はB、B、B(CH、B(OCHなどである。これらは水素またはアルゴンで希釈して用いることができる。 The boron source is B 2 H 6 , B 2 O 3 , B 2 (CH 3 ) 3 , B (OCH 3 ) 3 or the like. These can be used by diluting with hydrogen or argon.

最も優れた方法は、ダイヤモンド基板の上にマイクロ波プラズマCVD法で水素希釈メタン(CH)と、アルゴン希釈B(OCHを用いダイヤモンドを形成することである。 The most excellent method is to form diamond on a diamond substrate using hydrogen diluted methane (CH 4 ) and argon diluted B (OCH 3 ) 3 by microwave plasma CVD.

エネルギー準位を直接に観察する手法はなかなかないが、180eV〜200eVのエネルギー帯を含む連続波長X線源を用い吸収スペクトルを求めて状態密度を測定できるX線吸収分光法(XAFS法:X−ray absorption fine structure)が適する。   There are not many techniques for directly observing the energy level, but X-ray absorption spectroscopy (XAFS method: X-) that can measure an absorption spectrum using a continuous wavelength X-ray source including an energy band of 180 eV to 200 eV. ray abstraction fine structure) is suitable.

あるいは195eV以上の電子線を当てて電子のエネルギー損失スペクトルを測定する電子線エネルギー損失スペクトル分光法(EELS;electron energy loss spectroscopy)によっても電子状態密度を直接に測定できる。   Alternatively, the electron density of state can be directly measured by electron energy loss spectroscopy (EELS) in which an electron energy loss spectrum is measured by applying an electron beam of 195 eV or more.

価電子帯の頂上付近(0eV付近)にある第1エネルギー準位Sは硼素が作る浅いアクセプタ準位である。それは水素含有率とは無関係の電子密度を形成する。価電子帯上から2eVにできる第2準位Qは硼素が誘起したものである。硼素が6000ppmを越えて初めて生成するのだから硼素が結晶サイトにあってできるものではなく、炭素サイトから飛び出し炭素格子に歪みを与えることによって生成された準位だと思われる。炭素空孔かとも思われるが、空孔がどうして正孔を発生するのか明確でない。また空孔だとして水素が入ると、それがどうして不活性になるのか?それも明確でない。しかし本発明は第2準位Qが硼素6000ppm以上で生成されそれが伝導に有用だということを主張する。
通常の常識では第1準位Sが電気伝導に寄与するというものであるが本発明はそうでなく第2準位Qが電気伝導に主要な働きをすると考えるものである。
The first energy level S near the top of the valence band (near 0 eV) is a shallow acceptor level formed by boron. It forms an electron density that is independent of the hydrogen content. The second level Q that can be 2 eV from the valence band is induced by boron. Boron is not generated at the crystal site because boron is generated for the first time exceeding 6000 ppm, but it is considered to be a level generated by jumping out of the carbon site and distorting the carbon lattice. Although it seems to be a carbon vacancy, it is not clear why the vacancy generates holes. Also, why is it inactive when hydrogen enters because it is a vacancy? That is not clear. However, the present invention claims that the second level Q is produced above 6000 ppm boron, which is useful for conduction.
The common sense is that the first level S contributes to electrical conduction, but the present invention is not, and the second level Q is considered to play a major role in electrical conduction.

絶縁体の単結晶ダイヤモンド基板の上にプラズマCVD法によってボロンドープダイヤモンド薄膜を生成した。条件の相違する10個の試料A〜Jがある。試料A〜Hは本発明の実施例である。試料I、Jは比較例である。それぞれの試料について、水素量(H)、硼素量(B)、抵抗率などを測定した。その結果を表1に纏めている。   A boron-doped diamond thin film was formed on an insulating single crystal diamond substrate by plasma CVD. There are 10 samples A to J with different conditions. Samples A to H are examples of the present invention. Samples I and J are comparative examples. About each sample, hydrogen amount (H), boron amount (B), resistivity, etc. were measured. The results are summarized in Table 1.

Figure 0004196933
Figure 0004196933

1.水素量及び硼素量
硼素量と水素量は二次イオン質量分析法(SIMS;secondary ion mass spectrometry)によって測定した。これは試料の表面に加速したイオンビ−ムを当てて衝撃によって表面の原子を飛び出させ質量分析してその個数を数えることによって試料表面の構成元素の数を直接に調べるものである。表面をエッチングしてゆきながら構成元素の数を計数して行くので深さ方向に構成元素(母材、不純物)の分布を知ることができる。硼素ドープダイヤモンドであるから硼素量を測定するのは当たり前であるが、水素量を測定するという着想は新規のものである。それは水素の関連したレベルが禁制帯に形成される、という本発明の主張を裏付けるものだから必要なのである。
1. Hydrogen amount and boron amount Boron amount and hydrogen amount were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In this method, the number of constituent elements on the surface of the sample is directly examined by applying an accelerated ion beam to the surface of the sample, causing the surface atoms to jump out by impact, mass analysis, and counting the number. Since the number of constituent elements is counted while etching the surface, the distribution of constituent elements (base material, impurities) can be known in the depth direction. Since it is a boron-doped diamond, it is natural to measure the amount of boron, but the idea of measuring the amount of hydrogen is novel. This is necessary because it supports the claim of the present invention that the relevant level of hydrogen is formed in a forbidden band.

試料A〜Dは硼素量が7000ppmである。試料E〜Hは硼素量が70000ppmである。初めに従来技術に関する文献を説明したが、このように大量の硼素が入ること自体珍しいことである。試料I、Jは硼素量が5000ppmである。そのように硼素量に関しては3通りのものを含んでいる。   Samples A to D have a boron content of 7000 ppm. Samples E to H have a boron content of 70000 ppm. First, the literature related to the prior art was explained. However, it is rare that such a large amount of boron enters itself. Samples I and J have a boron content of 5000 ppm. As such, the boron content includes three types.

水素量に関してはもっと大きいばらつきがある。プラズマCVDでダイヤモンドを作る場合にキャリヤガスを水素、窒素、Arなどにすることができるが、水素をキャリヤガスにすると、水素が自然にダイヤモンドに不純物として含まれるようになる。試料A、E、Iは水素量が10ppmで極めてわずかである。試料Bは80ppm、試料Fは100ppmでこれも低い水素濃度である。試料Cは1200ppm、試料Gは900ppm、試料Jは1000ppmでかなり大きい水素量となっている。試料Dは9000ppm、試料Hは15000ppmで最大の水素濃度をもっていた。本発明は水素濃度の違いによって禁制帯にレベルができたりできなかったりするという主張をするので水素濃度は本発明において重要なパラメータである。   There is a greater variation in the amount of hydrogen. When diamond is produced by plasma CVD, the carrier gas can be hydrogen, nitrogen, Ar, or the like. However, when hydrogen is used as the carrier gas, hydrogen is naturally contained as an impurity in the diamond. Samples A, E, and I have a very low hydrogen content of 10 ppm. Sample B has a low hydrogen concentration of 80 ppm and sample F of 100 ppm. Sample C is 1200 ppm, sample G is 900 ppm, and sample J is 1000 ppm, which is a considerably large amount of hydrogen. Sample D had a maximum hydrogen concentration at 9000 ppm and sample H at 15000 ppm. Since the present invention claims that the level cannot be set in the forbidden band due to the difference in hydrogen concentration, the hydrogen concentration is an important parameter in the present invention.

2.抵抗率
Hall測定によってシート抵抗を測定する。SIMS測定で試料の薄膜の厚みdがわかるのでシート抵抗に厚みを掛けて抵抗率がわかる。先述の特許文献2(特開平6−144993号公報)はCVDダイヤモンドで硼素量が500〜1800ppmでだいたい抵抗率が1000Ωcm程度としていた。本発明は硼素量が特許文献2に比べて高いが、薄膜の抵抗率が1/10〜1/1000Ωcmの程度になっており、特許文献2に比べて格段に低抵抗であることがわかる。試料Eは抵抗率が最少で5×10−4Ωcmである。試料A、B、F、Gは抵抗率が極めて低くて10−2〜10−3Ωcmの範囲にある。試料C、D、Hは抵抗率が少し高くなり10−1〜10−2Ωcmの範囲である。試料I、Jは比較例であるが抵抗率は10−1Ωcmの程度である。
2. Resistivity
The sheet resistance is measured by Hall measurement. Since the thickness d of the thin film of the sample can be found by SIMS measurement, the resistivity is obtained by multiplying the sheet resistance by the thickness. The above-mentioned Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-144993) is CVD diamond and has a boron content of 500 to 1800 ppm and a resistivity of about 1000 Ωcm. In the present invention, the amount of boron is higher than that of Patent Document 2, but the resistivity of the thin film is about 1/10 to 1/1000 Ωcm, and it can be seen that the resistance is much lower than that of Patent Document 2. Sample E has a minimum resistivity of 5 × 10 −4 Ωcm. Samples A, B, F, and G have extremely low resistivity and are in the range of 10 −2 to 10 −3 Ωcm. Samples C, D, and H have a slightly higher resistivity and are in the range of 10 −1 to 10 −2 Ωcm. Samples I and J are comparative examples, but the resistivity is about 10 −1 Ωcm.

3.ピーク強度比
ピーク強度比というのは、価電子帯の直近にできるアクセプタによる電子状態密度に対応する第1ピークSと、禁制帯の半ばで価電子帯の頂上から約2eVの高さにある不純物が作った第2ピークQの高さの比率Q/Sである。ピークの面積を積分して求め、その比をとるのが正確であろうが、それは容易でないからピーク高さを測ってその比をとる。比の値Q/Sの変化が水素濃度、抵抗率の変化と強い関係をもち、それが抵抗を支配している、というのが本発明の新しい主張である。
3. Peak intensity ratio The peak intensity ratio is an impurity at a height of about 2 eV from the top of the valence band in the middle of the forbidden band and the first peak S corresponding to the density of electronic states by the acceptor that can be in the immediate vicinity of the valence band. Is the ratio Q / S of the height of the second peak Q made by It would be accurate to obtain the ratio by integrating the area of the peak, but since it is not easy, measure the peak height and take the ratio. It is a new claim of the present invention that the change in the ratio value Q / S has a strong relationship with the change in the hydrogen concentration and resistivity, which dominates the resistance.

硼素量が7000ppmの試料A、B、C、Dの内、試料Aは抵抗率が2×10−3Ωcmで最も低い。試料Bはその2倍、試料Cはその16倍、試料Dは試料Aの50倍程度である。そのような違いが何に由来するのか?それは水素量の増大と関連付けることができる。試料Aの水素量は10ppmで、試料Bはその8倍、試料Cは120倍、試料Dは900倍である。水素量が増えると抵抗も増える。しかし単純に水素量に比例して抵抗率が増えるのではない。それに水素量はSIMSによってやっと測れる量であって簡単には分からない。抵抗率は第2ピークQの第1ピークSに対する比率Q/Sによっても論ずることができる。 Of the samples A, B, C, and D having a boron content of 7000 ppm, the sample A has the lowest resistivity of 2 × 10 −3 Ωcm. Sample B is twice that, Sample C is 16 times, and Sample D is about 50 times that of Sample A. What does such a difference come from? It can be associated with an increase in hydrogen content. The amount of hydrogen in sample A is 10 ppm, sample B is 8 times, sample C is 120 times, and sample D is 900 times. The resistance increases as the amount of hydrogen increases. However, the resistivity does not simply increase in proportion to the amount of hydrogen. In addition, the amount of hydrogen can only be measured by SIMS and is not easily understood. The resistivity can also be discussed by the ratio Q / S of the second peak Q to the first peak S.

試料Aは第2ピークQが大きくてQ/Sが1.5である。その場合に最も抵抗率が低い。試料Bは第2ピークQが少し低くなりQ/Sが1.3である。それが抵抗率を2倍に上げていると考えるのである。試料Cは第2ピークがより低くなり比Q/Sが0.9である。それが試料Aよりも試料Cの抵抗を16倍に引き上げている。試料Dは第2ピークQがより低くてQ/Sが0.75に下がっている。それが試料Dの抵抗を試料Aの50倍に引き上げていると考える。それは正比例でないが、第2ピークの大きさが導電性を高めているというように考えられる。   Sample A has a large second peak Q and a Q / S of 1.5. In that case, the resistivity is the lowest. In the sample B, the second peak Q is slightly lowered and the Q / S is 1.3. I believe that this increases the resistivity by a factor of two. Sample C has a lower second peak and a ratio Q / S of 0.9. This raises the resistance of the sample C by 16 times that of the sample A. Sample D has a lower second peak Q and a Q / S of 0.75. It is considered that this increases the resistance of the sample D to 50 times that of the sample A. Although it is not directly proportional, it seems that the size of the second peak increases the conductivity.

硼素量が70000ppmの試料E、F、G、Hについても同じような傾向が見られる。水素量が10ppmで最少である試料Eは、抵抗率が5×10−4Ωcmであって、10個の試料の内の最小値を示す。それは水素量が最少で硼素量が大きいからであると推論される。水素量が100ppmである試料Fは、抵抗率が2.5×10−3Ωcmであって、試料Eの5倍である。試料Gは水素量が900ppmなので試料Eの90倍の水素を含む。抵抗率は6×10−3Ωcmだから、試料Eの12倍になる。試料Hは水素量が15000ppmで、試料Eの1500倍である。試料Hの抵抗率は3×10−2Ωcmと高く、試料Eの60倍である。それも水素量の大きいことによるのである。抵抗率とピーク高さ比Q/Sとの関連を見てみよう。 The same tendency is observed for samples E, F, G, and H having a boron content of 70,000 ppm. Sample E, which has the minimum amount of hydrogen at 10 ppm, has a resistivity of 5 × 10 −4 Ωcm, indicating the minimum value among the 10 samples. It is inferred that this is because the amount of hydrogen is minimal and the amount of boron is large. Sample F having a hydrogen content of 100 ppm has a resistivity of 2.5 × 10 −3 Ωcm, which is five times that of sample E. Since sample G has a hydrogen content of 900 ppm, it contains 90 times as much hydrogen as sample E. Since the resistivity is 6 × 10 −3 Ωcm, the resistivity is 12 times that of the sample E. Sample H has a hydrogen content of 15000 ppm, 1500 times that of sample E. The resistivity of sample H is as high as 3 × 10 −2 Ωcm, which is 60 times that of sample E. This is also due to the large amount of hydrogen. Let's look at the relationship between resistivity and peak height ratio Q / S.

試料Eはピーク比が1.6であり、70000ppmの4つの試料の内で最大である。試料Fはピーク比Q/Sが1.2であり、少し低い。水素が減少するのでピーク比も減少するのである。抵抗率は5倍に上がっていた。試料Gはピーク比Q/Sが1.0である。ピーク比が減少し、抵抗率が12倍に上がっている。これまで見てきたものと同じような傾向がある。試料Hはピーク比Q/Sが0.8となり、第2ピークがさらに下がる。抵抗率が60倍に上がり、ピーク比と抵抗率の間の関係は正比例ではないが強い関連があるということがわかる。   Sample E has a peak ratio of 1.6, the largest of the four samples at 70000 ppm. Sample F has a peak ratio Q / S of 1.2, which is a little low. As hydrogen is reduced, the peak ratio is also reduced. The resistivity increased 5 times. Sample G has a peak ratio Q / S of 1.0. The peak ratio has decreased and the resistivity has increased 12 times. There is a tendency similar to what we have seen so far. In Sample H, the peak ratio Q / S is 0.8, and the second peak is further lowered. It can be seen that the resistivity increases 60 times and the relationship between the peak ratio and the resistivity is not directly proportional but has a strong relationship.

試料I、Jは比較例であるが水素量が10ppmと1000ppmというように大きく異なるにも拘らず、抵抗率は0.1Ωcmの程度であまり変わらない。それに禁制帯の中の第2ピークQが消失している。それはピーク比が0である(Q/S=0)というところに表れている。つまりQ=0ということである。第2ピークが禁制帯に出現しない試料の場合、水素量によって抵抗率が変わるという上述の性質が失われるようである。   Samples I and J are comparative examples, but the resistivity does not change much in the order of 0.1 Ωcm, although the hydrogen content is greatly different such as 10 ppm and 1000 ppm. In addition, the second peak Q in the forbidden band has disappeared. It appears where the peak ratio is 0 (Q / S = 0). That is, Q = 0. In the case of a sample in which the second peak does not appear in the forbidden band, the above-described property that the resistivity changes depending on the amount of hydrogen seems to be lost.

ということは、硼素量が同一の場合、抵抗率を大きく変化させているのは水素量であるが、むしろ第2ピークだということができる。第2ピークが抵抗率を下げている、というように推論することができる。   This means that when the boron content is the same, the resistivity is greatly changed by the hydrogen content, but rather by the second peak. It can be inferred that the second peak reduces the resistivity.

第2ピークがいつ出現するのか?ということが次の問題になるが、それは硼素量が7000ppmの試料A〜Dでは出現しており、硼素量が5000ppmの試料I、Jで水素量が10ppmでも1000ppmでも第2ピークがない。第2ピークが出現するのはその境界の6000ppm程度と推定される。だから本発明は6000ppm以上の硼素を含むダイヤモンドの場合に適用することができる。   When will the second peak appear? This is the next problem, which appears in Samples A to D having a boron content of 7000 ppm, and in Samples I and J having a boron content of 5000 ppm, there is no second peak even if the hydrogen content is 10 ppm or 1000 ppm. The appearance of the second peak is estimated to be about 6000 ppm at the boundary. Therefore, the present invention can be applied to a diamond containing boron of 6000 ppm or more.

硼素量が7000ppmの場合の試料A〜Dと、硼素量が70000ppmの場合の試料E〜Hについて、ピーク強度比Q/S(x)と、抵抗率(y)を半対数グラフに表現したのが図3である。抵抗率変化は極めて大きいので対数目盛りにし、ピーク比Q/S変化は0〜1.6の程度であるからそのままの尺度を使っている。これらの点を直線で近似すると図に引いた右下がりの2本の直線のようになる。   The peak intensity ratio Q / S (x) and resistivity (y) were expressed in a semilogarithmic graph for samples A to D when the boron content was 7000 ppm and samples E to H when the boron content was 70000 ppm. Is FIG. Since the change in resistivity is extremely large, the scale is logarithmic, and the change in peak ratio Q / S is about 0 to 1.6, so the scale is used as it is. When these points are approximated by straight lines, they appear as two straight lines drawn downward to the right.

硼素量7000ppmの場合
y=exp(−4.5x+0.6) (1)
When boron content is 7000ppm
y = exp (−4.5x + 0.6) (1)

硼素量70000ppmの場合
y=exp(−4.5x−0.3) (2)
When boron content is 70000ppm
y = exp (−4.5x−0.3) (2)

というような近似式を得る。データはこれだけしかないので、硼素量が7000ppm、70000ppm以外ではどうなるのか?ということがここからはわからない。それならたくさんのデータを取れば良いようであるが、それは難しい問題がある。先述のように実際に電子状態密度を直接に知るための測定方法というのは白色(連続)のX線を当ててその吸収スペクトルから電子状態を求めるXAFS法(X−ray absorption fine structure)があるぐらいである。白色X線というのは波長の連続した一様パワーのX線ということであるが、そのような理想的な光源はなかなかない。原子、分子の励起状態と基底状態の遷移を利用した光源は状態間エネルギー差に応じた固有の波長の電磁波を作る。孤立波長で強いX線を出すX線源は存在する。しかし連続波長で強いX線を出すX線光源は数少ない。連続エネルギーの電磁波を出すためには原子、分子の励起状態間遷移を利用しないものでなければならない。 The approximate expression is obtained. Since there is only this data, what happens when the boron content is other than 7000ppm and 70000ppm? I don't know from here. Then it seems to be good to take a lot of data, but it has a difficult problem. As described above, the measurement method for directly knowing the density of electronic states is the XAFS method (X-ray absorption fine structure) for obtaining the electronic state from the absorption spectrum by applying white (continuous) X-rays. It is about. White X-rays are X-rays of uniform power with continuous wavelengths, but there are not many such ideal light sources. A light source that utilizes the transition between excited states and ground states of atoms and molecules produces an electromagnetic wave with a specific wavelength corresponding to the energy difference between the states. There are X-ray sources that emit intense X-rays at isolated wavelengths. However, few X-ray light sources emit strong X-rays at continuous wavelengths. In order to emit continuous energy electromagnetic waves, transition between excited states of atoms and molecules must be avoided.

連続X線なら例えばシンクロトロン放射光(SR)を使うことが考えられる。それは光速近くに加速した電子ビームを磁石で曲げるときに曲げの接線方向に制動輻射による電磁波を出すという性質を利用したX線源である。パワーは一様でないがだいたい均一であって連続スペクトルをもっている。しかも強度が大きくてXAFS測定に向いている。SR光装置は大型の装置ほど放射エネルギーが高い。西播磨にあるSR光装置ではかなりの波長範囲を含む強い連続X線を出すがX線のエネルギーが高すぎる。ダイヤモンドの最低エネルギーにある電子軌道(1s電子)と価電子帯、伝導帯のエネルギーの差は190eV程度(6.5nm)である。それは軟X線であってエネルギーが低い。前記の西播磨のSR装置は8GeVに電子線を加速するので高いエネルギーの連続X線を出すが、より低い200eV程度の低いエネルギーのX線の連続光源とはなりにくい。だから光源の限定のために、ダイヤモンドの電子状態密度を直接測定することは大層難しい。そのような好都合な低エネルギー連続光を出す光源は非常に限られており利用希望者が多いので、光源の空きを待つ時間も長い。ついにそのチャンスがないということもある。様々の硼素量の試料を作ることができたとしても電子状態密度測定が難しくてデータが限られてしまう。   For continuous X-rays, it is conceivable to use synchrotron radiation (SR), for example. It is an X-ray source utilizing the property that when an electron beam accelerated near the speed of light is bent by a magnet, an electromagnetic wave is generated by bremsstrahlung in the tangential direction of the bending. The power is not uniform but is generally uniform and has a continuous spectrum. In addition, the intensity is large and suitable for XAFS measurement. The SR optical device has higher radiant energy as the device is larger. The SR optical device in Nishiharima emits strong continuous X-rays including a considerable wavelength range, but the X-ray energy is too high. The difference between the energy of the electron orbit (1s electrons) at the lowest energy of diamond and the energy of the valence band and the conduction band is about 190 eV (6.5 nm). It is soft X-ray and has low energy. The Nishi-Harima SR device accelerates the electron beam to 8 GeV and thus emits high-energy continuous X-rays, but is unlikely to be a continuous low-energy X-ray light source of about 200 eV. Therefore, it is very difficult to directly measure the electronic density of diamond due to the limitation of the light source. Since the light source which emits such a convenient low-energy continuous light is very limited and there are many users who wish to use it, it takes a long time to wait for the light source to be free. Finally there may be no chance. Even if samples with various amounts of boron can be made, it is difficult to measure the density of electronic states and the data is limited.

上のデータだけで内挿することを考える。抵抗率には、硼素濃度bの依存性と、ピーク比xの依存性がある。5000ppmの硼素濃度ではピーク比xの依存性がなくて高い抵抗率を示し、7000ppm、70000ppmではピーク比xの依存性があってしかも低い抵抗率を示す。抵抗率yでは分かりにくいのでその逆数の導電率σを考えよう。σ=1/y という定義である。そして今は水素量依存性のある導電率を考えそれをσとする。水素濃度依存性のない導電率成分は後で述べる。 Consider interpolation using only the above data. The resistivity has a dependency on the boron concentration b and a dependency on the peak ratio x. At a boron concentration of 5000 ppm, there is no dependency of the peak ratio x and high resistivity is shown, and at 7000 ppm and 70000 ppm, there is a dependency of the peak ratio x and low resistivity is shown. Since the resistivity y is difficult to understand, consider the reciprocal conductivity σ. The definition is σ = 1 / y. Now consider the conductivity dependent on the amount of hydrogen and let it be σ 1 . The conductivity component not dependent on the hydrogen concentration will be described later.

硼素量7000ppmの場合
σ=exp(+4.5x−0.6) (3)
When boron content is 7000ppm
σ 1 = exp (+ 4.5x−0.6) (3)

硼素量70000ppmの場合
σ=exp(+4.5x+0.3) (4)
When boron content is 70000ppm
σ 1 = exp (+ 4.5x + 0.3) (4)

となる。臨界硼素濃度が5000ppmと7000ppmの間にある。 It becomes. The critical boron concentration is between 5000 and 7000 ppm.

(A)臨界硼素濃度が5000ppmの場合
臨界硼素濃度を5000ppmだと仮定し、臨界硼素濃度から差の値の1/m乗で導電率σが増大するというように仮定しよう。これはある種の相転移に当たると考えられる。そうであれば臨界点で非連続の変化をすると推定される。非連続変化で最も単純なものは多重根の近似である。そのような推定で統一的な式を考える。すると、硼素濃度の差は70000−5000=65000ppmと、7000−5000=2000ppmとなり、(3)、(4)式の比の値が、exp(0.3+0.6)=exp(0.9)=2.459であるので、
(A) When the critical boron concentration is 5000 ppm Assuming that the critical boron concentration is 5000 ppm, let us assume that the conductivity σ 1 increases from the critical boron concentration by the 1 / mth power of the difference value. This is considered to be a kind of phase transition. If so, it is presumed that there will be a discontinuous change at the critical point. The simplest non-continuous change is the multiple root approximation. Consider a unified formula with such an estimate. Then, the difference in boron concentration is 70000−5000 = 65000 ppm and 7000−5000 = 2000 ppm, and the value of the ratio of the expressions (3) and (4) is exp (0.3 + 0.6) = exp (0.9) = 2.459, so

(65000/2000)1/m =2.459 (5) (65000/2000) 1 / m = 2.459 (5)

となる。左辺括弧の中は32.5である。log32.5=1.511、log2.459=0.3907であるので、 It becomes. The value in the left parenthesis is 32.5. Since log 32.5 = 1.511 and log 2.459 = 0.3907,

m=3.87 (6)       m = 3.87 (6)

あるいは、
1/m=0.258 (7)
というように計算することができる。これを使うと、σについての統一的な式を得る。
Or
1 / m = 0.258 (7)
And so on. Using this, we get a unified formula for σ 1 .

σ=(b−5000)0.258exp(+4.5x−2.56) (8) σ 1 = (b−5000) 0.258 exp (+ 4.5x−2.56) (8)

を得ることができる。exp()の中の定数が−2.56であるのは、b=7000ppmでの連続条件から決めたものである。bは硼素(B)濃度をppmで表現したものである。これは水素濃度依存性が現れる臨界値を硼素濃度b=5000ppmとしているが、5000ppmと7000ppmの間に臨界値があるのだから、別異の可能性もある。硼素濃度の臨界値が5500ppmと6000ppmの場合を次に述べる。 Can be obtained. The constant in exp () is −2.56, which is determined from the continuous condition at b = 7000 ppm. b represents the boron (B) concentration in ppm. In this case, the critical value at which the dependence on hydrogen concentration appears is boron concentration b = 5000 ppm, but since there is a critical value between 5000 ppm and 7000 ppm, there is a possibility that it is different. The case where the critical values of boron concentration are 5500 ppm and 6000 ppm will be described below.

(B)臨界硼素濃度が5500ppmの場合
臨界硼素濃度を5500ppmだと仮定し、前例と同じように、臨界硼素濃度から差の値の1/m乗で導電率σが増大するというように仮定する。すると、硼素濃度の差は70000−5500=64500ppmと、7000−5500=1500ppmとなる。exp(0.3+0.6)=exp(0.9)=2.459である。
(64500/1500)1/m =2.459 (9)
となる。左辺括弧の中は43である。log43=1.633、log2.459=0.3907であるので、
m=4.18 (10)
あるいは、
1/m=0.239 (11)
というように計算することができる。これを使うと、σについての統一的な第2の式を得る。
σ=(b−5500)0.239exp(+4.5x−2.35)
(12)
を得ることができる。
(B) When the critical boron concentration is 5500 ppm Assuming that the critical boron concentration is 5500 ppm, as in the previous example, it is assumed that the conductivity σ 1 increases from the critical boron concentration by the 1 / mth power of the difference value. To do. Then, the difference in boron concentration is 70000-5500 = 64500 ppm and 7000-5500 = 1500 ppm. exp (0.3 + 0.6) = exp (0.9) = 2.459.
(64500/1500) 1 / m = 2.459 (9)
It becomes. 43 in the left parenthesis. Since log 43 = 1.633 and log 2.459 = 0.3907,
m = 4.18 (10)
Or
1 / m = 0.239 (11)
And so on. Using this, we get a unified second equation for σ 1 .
σ 1 = (b-5500) 0.239 exp (+ 4.5x−2.35)
(12)
Can be obtained.

(C)臨界硼素濃度が6000ppmの場合
臨界硼素濃度を6000ppmだと仮定し、前例と同じように、臨界硼素濃度から差の値の1/m乗で導電率σが増大するというように仮定する。すると、硼素濃度の差は70000−6000=64000ppmと、7000−6000=1000ppmとなる。exp(0.3+0.6)=exp(0.9)=2.459である。
(64000/1000)1/m =2.459 (13)
となるべきである。左辺括弧の中は64である。log64=1.806、log2.459=0.3907であるので、
m=4.62 (14)
あるいは、
1/m=0.216 (15)
というように計算することができる。これを使うと、σについての統一的な第2の式を得る。
σ=(b−6000)0.216exp(+4.5x−2.09) (16)
を得ることができる。
(C) When the critical boron concentration is 6000 ppm Assuming that the critical boron concentration is 6000 ppm, as in the previous example, it is assumed that the conductivity σ 1 increases from the critical boron concentration by the 1 / mth power of the difference value. To do. Then, the difference in boron concentration is 70000-6000 = 64000 ppm and 7000-6000 = 1000 ppm. exp (0.3 + 0.6) = exp (0.9) = 2.459.
(64000/1000) 1 / m = 2.459 (13)
Should be. The number in the left parenthesis is 64. Since log64 = 1.806 and log2.459 = 0.3907,
m = 4.62 (14)
Or
1 / m = 0.216 (15)
And so on. Using this, we get a unified second equation for σ 1 .
σ 1 = (b−6000) 0.216 exp (+ 4.5x−2.09) (16)
Can be obtained.

(8)、(12)、(16)は臨界値を5000ppm、5500ppm、6000ppmにしたもので見かけは違うが、7000ppmを越える硼素濃度の試料については大体同じ値を与えるから、どの式で計算してもあまり変わりがない。これらの式によって7000ppm〜100000ppmの硼素濃度をもつダイヤモンドの導電率をXAFSデータから得たピーク比xによって求めることができる。 (8), (12), and (16) have the critical values set to 5000 ppm, 5500 ppm, and 6000 ppm, and the appearance is different. But there is not much change. From these equations, the conductivity of diamond having a boron concentration of 7000 ppm to 100000 ppm can be obtained from the peak ratio x obtained from the XAFS data.

これは水素濃度xに依存する部分であるが、水素濃度によらない部分もある。それをσ(b)とする。硼素濃度が5000ppmである試料I、Jはその部分だけを含んでいる。だから全体の導電率σは This is a portion that depends on the hydrogen concentration x, but there are also portions that do not depend on the hydrogen concentration. Let it be σ 0 (b). Samples I and J having a boron concentration of 5000 ppm contain only that portion. So the overall conductivity σ is

σ=σ(b)+σ(b,x) (17) σ = σ 0 (b) + σ 1 (b, x) (17)

というように表現することができる。簡単に言えば、前項がピーク1(アクセプタ準位)による伝導であり、後項がピーク2による伝導である。xはピーク1(S)でピーク2(Q)の高さを割った比の値Q/Sであるが、ピーク1は正規化の基準であって、後項にピーク1の作用が入っているというのではない。試料I、J(比較例)ではσ(b)だけなので導電率が低い。実施例のA〜Hはσ(b)の他にσ(b,x)の寄与があるから導電率が高くなる。それはアクセプタ準位(ピーク1、Sレベル)によるものではなく、価電子帯頂上から2eVのところにできる不純物によるQ準位によるものである。それは水素の混入によって容易に消失する。 Can be expressed as follows. Put simply, the first term is the conduction by peak 1 (acceptor level), and the second term is the conduction by peak 2. x is the value Q / S of the ratio of peak 1 (S) divided by the height of peak 2 (Q), but peak 1 is a standard for normalization, and the action of peak 1 is included in the latter section. That is not to say. In samples I and J (comparative examples), only σ 0 (b) is used, so the conductivity is low. Since A to H of the embodiment have the contribution of σ 1 (b, x) in addition to σ 0 (b), the conductivity is increased. This is not due to the acceptor level (peak 1, S level), but due to the Q level due to impurities formed at 2 eV from the top of the valence band. It disappears easily due to hydrogen contamination.

従来から試みられた、水素をキャリヤガスとするプラズマCVD法ダイヤモンドは、キャリヤガスを水素とするので水素がダイヤモンドの中へ混入してしまう。従来法は混入した水素に対し無関心であった。しかし本発明者の見解によれば、その水素が導電率を決める重要な要素となっている。水素の量を測定し水素量を低減することによってQ準位を活発にし導電率を上げることができる。そのような知見は本発明が最初に発見したものである。また導電率をあげるためには、水素混入を抑制すればよいのであって明確な指針が得られる。
また上の式から硼素濃度bを既知としてXAFSによって、試料の導電率を求めることができる。それは非破壊検査であるから好ましいものである。
The plasma CVD diamond using hydrogen as a carrier gas, which has been tried conventionally, uses hydrogen as a carrier gas, so that hydrogen is mixed into the diamond. The conventional method was indifferent to the mixed hydrogen. However, according to the view of the present inventor, the hydrogen is an important factor determining the conductivity. By measuring the amount of hydrogen and reducing the amount of hydrogen, the Q level can be activated and the conductivity can be increased. Such knowledge is first discovered by the present invention. In order to increase the conductivity, it is only necessary to suppress the mixing of hydrogen, and a clear guide can be obtained.
Further, from the above equation, the conductivity of the sample can be obtained by XAFS with the boron concentration b known. It is preferable because it is a non-destructive inspection.

硼素ドープp型プラズマCVD法ダイヤモンドに含まれてしまう水素量をできるだけ少なくすることによって高い導電率のダイヤモンドを得ることができる。硼素をたくさん含ませると正孔が増えて導電率が高くなるかというとそうでなく、硼素の含有率を増やすとダイヤモンド構造が崩れてくる。硼素はダイヤモンド中の炭素より原子半径が大きくて過剰の硼素はダイヤモンド構造を破壊するように働く。だから特許文献2のように、硼素の含有率の上限は1000ppmだったがある工夫によって1000ppm〜4500ppmへ広げたというものもあった。本発明はそれより上の7000ppm、70000ppmの高濃度ドープをしている。   High conductivity diamond can be obtained by reducing the amount of hydrogen contained in the boron-doped p-type plasma CVD diamond as much as possible. If a large amount of boron is included, the number of holes increases and the conductivity increases. This is not the case. Increasing the boron content destroys the diamond structure. Boron has a larger atomic radius than carbon in the diamond, and excess boron acts to destroy the diamond structure. Therefore, as disclosed in Patent Document 2, there was a case where the upper limit of the content of boron was 1000 ppm, which was expanded to 1000 ppm to 4500 ppm by some device. The present invention has a high doping of 7000 ppm and 70000 ppm above it.

また窒素とコードープすることによって硼素濃度を1000ppmまで上げたという特許文献1のような手法もある。それはコードープだから正孔が過剰に増える訳でなく導電率も上がらない。窒素より硼素が10000ppm高いようにコードープして実質的に正孔濃度を上げたという特許文献4は窒素の助けをかりてキャリヤ濃度を上げるものである。非特許文献2は2eVの当たりにESR信号の強い(常磁性帯磁率が高い)空孔準位ができるが硼素を過剰に入れるとそれがなくなってしまうということを言っている。だから硼素量を0に近くしないとこのレベルが出現しないと言っている。   There is also a technique as described in Patent Document 1 in which the boron concentration is increased to 1000 ppm by co-doping with nitrogen. Since it is co-doped, holes do not increase excessively and conductivity does not increase. Patent Document 4 that substantially increases the hole concentration by co-doping so that boron is 10000 ppm higher than nitrogen increases the carrier concentration with the help of nitrogen. Non-Patent Document 2 says that a vacancy level having a strong ESR signal (high paramagnetic susceptibility) is generated around 2 eV, but it disappears when boron is added excessively. Therefore, it is said that this level will not appear unless the boron content is close to zero.

本発明も価電子帯の頂上から2eVの辺りの不純物準位Qの出現を主張する。2eVというところで共通するが、本質は違う。非特許文献2の空孔準位は硼素がほとんど0の時に出現し硼素ドープ量を増やすと消失する。本発明の2eVのQ準位はそうでなく硼素濃度が6000ppm程度以上の高濃度で出現する。しかも水素の過剰によって消失する。もっと重要なことは、この2eVの不純物によるQ準位は正孔を発生し導電率を上げるのに寄与するということである。
本発明の知見によれば、水素含有率を減らすことによって大きいQ準位を作ることができQ準位が導電率を上げるということである。プラズマCVD法でキャリヤガスとして水素を使う場合水素が含まれてしまうものであるが、なるべく水素がダイヤモンド中へ取り込まれないようにすれば導電率の高いp型ダイヤモンドを作ることができる、ということである。それは導電率を上げるため硼素濃度を上げることだけを考えていた特許文献1、2、3、4と大きく相違する。
The present invention also claims the appearance of an impurity level Q around 2 eV from the top of the valence band. 2eV is common, but the essence is different. The vacancy level of Non-Patent Document 2 appears when boron is almost zero, and disappears when the boron doping amount is increased. The 2 eV Q level of the present invention is not so, and the boron concentration appears at a high concentration of about 6000 ppm or more. Moreover, it disappears due to excess hydrogen. More importantly, the Q level due to this 2 eV impurity generates holes and contributes to increasing the conductivity.
According to the knowledge of the present invention, a large Q level can be created by reducing the hydrogen content, and the Q level increases the conductivity. When hydrogen is used as a carrier gas in the plasma CVD method, hydrogen is included, but p-type diamond with high conductivity can be made if hydrogen is prevented from being taken into diamond as much as possible. It is. This is greatly different from Patent Documents 1, 2, 3, and 4 that only consider increasing the boron concentration in order to increase the conductivity.

本発明はXAFSによってダイヤモンド試料の電気抵抗を測定することを可能にする。従来の4端子法など電極を試料の表面に立てる電気抵抗測定法は、破壊検査であるし、必ずしもオーミックに電極を立てることができない場合もある。ダイヤモンドの場合は導電率の測定が容易でない場合も多い。本発明はXAFSで非破壊に導電率、抵抗率を測定することを可能にする。先述のように200eV程度の連続X線光源はまだまだ世界に少ないが、いつまでもそうだということではない。低いエネルギーの連続X線源は、既存の高いX線源よりも小規模の装置でよいのだから製造、設置、維持はより容易である。必要があれば多数設置される可能性がある。そのような場合本発明のようなX線吸収スペクトルによって導電率、抵抗率を非破壊に測定できる方法はコスト、手間の点でも有利なものになる可能性がある。   The present invention makes it possible to measure the electrical resistance of a diamond sample by XAFS. The conventional method of measuring electrical resistance, such as a four-terminal method, in which an electrode is placed on the surface of a sample is a destructive inspection, and there are cases where the electrode cannot always be placed ohmic. In the case of diamond, the measurement of conductivity is often not easy. The present invention makes it possible to measure conductivity and resistivity non-destructively with XAFS. As described above, there are still few continuous X-ray light sources of about 200 eV in the world, but this is not the case. Low energy continuous x-ray sources are easier to manufacture, install and maintain because they require smaller equipment than existing high x-ray sources. Many may be installed if necessary. In such a case, a method capable of non-destructively measuring the conductivity and resistivity by the X-ray absorption spectrum as in the present invention may be advantageous in terms of cost and labor.

本発明の実施例にかかり、水素量が10ppm、硼素量が7000ppmである試料Aの、価電子帯の頂上を0Vとし、価電子帯、禁制帯、伝導帯を含むエネルギー帯の電子状態密度図。価電子帯の近傍にあるアクセプタによる電子状態ピーク1(S)と、価電子帯から2eVの高さにある未知の不純物準位による電子状態ピーク2(Q)とがあって、ピーク2(Q)が優勢であり、ピーク2/ピーク1の比として定義したピーク比xは1より大きいものであることを示す。According to an embodiment of the present invention, an electron state density diagram of an energy band including a valence band, a forbidden band, and a conduction band of Sample A having a hydrogen content of 10 ppm and a boron content of 7000 ppm, with the top of the valence band being 0 V. . There are an electronic state peak 1 (S) due to an acceptor in the vicinity of the valence band and an electronic state peak 2 (Q) due to an unknown impurity level at a height of 2 eV from the valence band. ) Is dominant, and the peak ratio x defined as the ratio of peak 2 / peak 1 is greater than 1.

本発明の実施例にかかり、水素量が9000ppm、硼素量が7000ppmである試料Dの、価電子帯の頂上を0Vとし、価電子帯、禁制帯、伝導帯を含むエネルギー帯の電子状態密度図。価電子帯の近傍にあるアクセプタによる電子状態ピーク1(S)と、価電子帯から2eVの高さにある未知の不純物準位による電子状態ピーク2(Q)とがあって、ピーク2(Q)は劣勢であり、ピーク2/ピーク1の比として定義したピーク比xは1より小さいものであることを示す。According to an embodiment of the present invention, the density of states of an electron in an energy band including a valence band, a forbidden band, and a conduction band of Sample D having a hydrogen content of 9000 ppm and a boron content of 7000 ppm, where the top of the valence band is 0 V . There are an electronic state peak 1 (S) due to an acceptor in the vicinity of the valence band and an electronic state peak 2 (Q) due to an unknown impurity level at a height of 2 eV from the valence band. ) Is inferior, indicating that the peak ratio x defined as the ratio of peak 2 / peak 1 is less than 1.

8つの実施例にかかる試料の、x=ピーク2/ピーク1として定義したピーク比xと、抵抗率(Ωcm)とを、半対数方眼紙にプロットし、硼素7000ppmの4つの試料のプロット点は一つの右下がり直線で近似でき、硼素70000ppmの4つの試料のプロット点は上の直線に平行な右下がりの直線で近似できることを示すグラフ。The peak ratio x defined as x = peak 2 / peak 1 and the resistivity (Ωcm) of the samples according to the eight examples are plotted on a semi-logarithmic graph paper, and the plot points of four samples of boron 7000 ppm are The graph which shows that it can approximate with one right-falling straight line, and the plot point of four samples of boron 70000 ppm can be approximated with the straight-falling straight line parallel to the upper straight line.

Claims (10)

窒素原料を用いず炭素原料又は炭化水素原料と硼素原料を用い高圧合成法またはCVD法で作成され、窒素を含まないか含んでも100ppm以下であって、硼素濃度が6000ppm以上で水素濃度が20000ppm以下であって、価電子帯の上端を基準として0eV付近に第1のエネルギー準位(S)を有し、2eV近傍に第2のエネルギー準位(Q)をもつことを特徴とする硼素ドープダイヤモンド。 Created by high pressure synthesis method or CVD method using carbon raw material or hydrocarbon raw material and boron raw material without using nitrogen raw material, and containing 100% or less even if nitrogen is not contained or not, boron concentration is 6000ppm or more and hydrogen concentration is 20000ppm or less A boron-doped diamond characterized by having a first energy level (S) in the vicinity of 0 eV with the upper end of the valence band as a reference and a second energy level (Q) in the vicinity of 2 eV . 同じ硼素濃度であれば、水素濃度が低いと第2のエネルギー準位の状態密度が上がり抵抗率が下がることを利用し、水素濃度を制御することによって抵抗率を制御したことを特徴とする請求項1に記載の硼素ドープダイヤモンド。 When the hydrogen concentration is the same, the resistivity is controlled by controlling the hydrogen concentration by utilizing the fact that the state density of the second energy level increases and the resistivity decreases when the hydrogen concentration is low. Item 3. A boron-doped diamond according to Item 1. 窒素原料を用いず炭素原料又は炭化水素原料と硼素原料を用い高圧合成法またはCVD法で作成され、窒素を含まないか含んでも100ppm以下であって、硼素濃度が6000ppm以上で水素濃度が20000ppm以下であって、価電子帯の上端を基準として0eV付近に第1のエネルギー準位(S)を有し、2eV近傍に第2のエネルギー準位(Q)をもつ硼素ドープダイヤモンドにおいて、第1電子エネルギー準位(S)の電子状態密度と、第2エネルギー準位(Q)の電子状態密度を測定し、第1エネルギー準位(S)のピーク高さで、第2エネルギー準位(Q)のピーク高さを割った値x(=ピーク2/ピーク1)と、硼素濃度bからダイヤモンドの抵抗率を算出することを特徴とする硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。 Created by high pressure synthesis method or CVD method using carbon raw material or hydrocarbon raw material and boron raw material without using nitrogen raw material, and containing 100% or less even if nitrogen is not contained or not, boron concentration is 6000ppm or more and hydrogen concentration is 20000ppm or less In the boron-doped diamond having the first energy level (S) near 0 eV and the second energy level (Q) near 2 eV with respect to the upper end of the valence band, the first electrons The electronic state density of the energy level (S) and the electronic state density of the second energy level (Q) are measured, and the second energy level (Q) is measured at the peak height of the first energy level (S). Of resistivity of boron-doped diamond, wherein the resistivity of diamond is calculated from a value x (= peak 2 / peak 1) obtained by dividing the peak height of γ and the boron concentration b Law. 硼素濃度が7000ppmであって、第1エネルギー準位(S)の電子状態密度で第2エネルギー準位(Q)の電子状態密度を割った比の値x(=Q/S)から抵抗率y(Ωcm)を
y=exp(−4.5x+0.6)
によって計算することを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。
Resistivity y from the value x (= Q / S) of the ratio of the electron state density of the second energy level (Q) divided by the electron state density of the first energy level (S) when the boron concentration is 7000 ppm (Ωcm)
y = exp (−4.5x + 0.6)
The electrical resistance evaluation method for boron-doped diamond according to claim 3, wherein the electrical resistance is calculated by:
硼素濃度が70000ppmであって、第1エネルギー準位(S)の電子状態密度で第2エネルギー準位(Q)の電子状態密度を割った比の値x(=Q/S)から抵抗率y(Ωcm)を
y=exp(−4.5x−0.3)
によって計算することを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。
The resistivity y from the ratio x (= Q / S) of the boron concentration of 70,000 ppm, which is the electronic state density of the first energy level (S) divided by the electronic state density of the second energy level (Q). (Ωcm)
y = exp (−4.5x−0.3)
The electrical resistance evaluation method for boron-doped diamond according to claim 3, wherein the electrical resistance is calculated by:
硼素濃度bが6000ppm以上であって、水素濃度が20000ppm以下であり、電子状態密度の測定値の第2ピーク(Q)と第1ピーク(S)の比をxとして、導電率σ(=1/y)のうち水素濃度に依存する部分σ
σ=(b−5000)0.258exp(+4.5x−2.56)
によって計算されることを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。
The boron concentration b is 6000 ppm or more, the hydrogen concentration is 20000 ppm or less, and the ratio of the second peak (Q) and the first peak (S) of the measured value of the electronic state density is x, and the conductivity σ (= 1 / Y), the portion σ 1 depending on the hydrogen concentration is σ 1 = (b−5000) 0.258 exp (+ 4.5x−2.56)
The electrical resistance evaluation method for boron-doped diamond according to claim 3, wherein the electrical resistance is calculated by:
硼素濃度bが6000ppm以上であって、水素濃度が20000ppm以下であり、電子状態密度の測定値の第2ピーク(Q)と第1ピーク(S)の比をxとして、導電率σ(=1/y)のうち水素濃度に依存する部分σ
σ=(b−5500)0.239exp(+4.5x−2.35)
によって計算されることを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。
The boron concentration b is 6000 ppm or more, the hydrogen concentration is 20000 ppm or less, and the ratio of the second peak (Q) and the first peak (S) of the measured value of the electronic state density is x, and the conductivity σ (= 1 / Y), the portion σ 1 depending on the hydrogen concentration is σ 1 = (b-5500) 0.239 exp (+ 4.5x−2.35)
The electrical resistance evaluation method for boron-doped diamond according to claim 3, wherein the electrical resistance is calculated by:
硼素濃度bが6000ppm以上であって、水素濃度が20000ppm以下であり、電子状態密度の測定値の第2ピーク(Q)と第1ピーク(S)の比をxとして、導電率σ(=1/y)のうち水素濃度に依存する部分σ
σ=(b−6000)0.216exp(+4.5x−2.09)
によって計算されることを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。
The boron concentration b is 6000 ppm or more, the hydrogen concentration is 20000 ppm or less, and the ratio of the second peak (Q) and the first peak (S) of the measured value of the electronic state density is x, and the conductivity σ (= 1 / Y), the portion σ 1 depending on the hydrogen concentration is σ 1 = (b−6000) 0.216 exp (+ 4.5x−2.09)
The electrical resistance evaluation method for boron-doped diamond according to claim 3, wherein the electrical resistance is calculated by:
180eV〜195eVのエネルギー範囲を含む連続X線を発生する装置を用いて連続波長のX線をダイヤモンド試料に当て吸収スペクトルから第1のエネルギー準位(S)の電子状態密度と第2のエネルギー準位(Q)の電子状態密度を測定することを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。 Using an apparatus that generates continuous X-rays including an energy range of 180 eV to 195 eV, X-rays having a continuous wavelength are applied to the diamond sample, and the electronic state density of the first energy level (S) and the second energy level from the absorption spectrum 4. The method for evaluating the electrical resistance of boron-doped diamond according to claim 3, wherein an electronic density of states (Q) is measured. 195eV以上の電子線をダイヤモンド試料に当て電子のエネルギー損失スペクトルから第1のエネルギー準位(S)の電子状態密度と第2のエネルギー準位(Q)の電子状態密度を測定することを特徴とする請求項3に記載の硼素ドープダイヤモンドの電気抵抗評価方法。
It is characterized in that an electron beam of 195 eV or more is applied to a diamond sample, and the electronic state density of the first energy level (S) and the electronic state density of the second energy level (Q) are measured from the electron energy loss spectrum. The method for evaluating electrical resistance of boron-doped diamond according to claim 3.
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