JP4241174B2 - Low resistance n-type semiconductor diamond - Google Patents

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JP4241174B2 JP2003128830A JP2003128830A JP4241174B2 JP 4241174 B2 JP4241174 B2 JP 4241174B2 JP 2003128830 A JP2003128830 A JP 2003128830A JP 2003128830 A JP2003128830 A JP 2003128830A JP 4241174 B2 JP4241174 B2 JP 4241174B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムとリンが共にドーピングされた低抵抗n型半導体ダイヤモンドに関する。より詳しくは、ダイヤモンド中のリチウム原子濃度CLiとリン原子濃度Cが共に1017cm−3以上であり、且つCLi≦Cである低抵抗n型半導体ダイヤモンドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ダイヤモンドを半導体材料として利用し、半導体デバイスとして応用するための研究が進められている。
【0003】
ダイヤモンドは、半導体材料として広く用いられているシリコン(Si)と同族のIVb族元素である炭素で構成され、またSiと同様の結晶構造を持っているので、半導体材料として見ることができる。半導体材料としてのダイヤモンドは、バンドギャップが5.5eVと非常に大きく、キャリアの移動度は電子・正孔ともに室温で2000cm/V・sと高い。また、誘電率が5.7と小さく、破壊電界が5x10V/cmと大きい。さらに、真空準位が伝導帯下端以下に存在する負性電子親和力というまれな特性を有する。
【0004】
このようにダイヤモンドは、優れた半導体特性を有するので、高温環境下や宇宙環境下でも動作する耐環境デバイス、高周波及び高出力の動作が可能なパワーデバイスや、紫外線発光が可能な発光デバイス、あるいは低電圧駆動が可能な電子放出デバイスなどの半導体デバイス用材料としての応用が期待される。
【0005】
ダイヤモンドを半導体デバイスの材料として利用するためには、p型とn型の電気伝導型制御が必要である。p型半導体ダイヤモンドは、ホウ素を不純物としてダイヤモンド結晶の炭素原子と置換するように添加することにより得ることができる。p型半導体ダイヤモンドは、天然にも存在し、化学気相合成(CVD)法で原料ガス中にホウ素原子を含むガスを導入することにより比較的容易に合成することができる。
【0006】
他方、n型半導体ダイヤモンドに関しては、天然には存在せず、これまで合成も困難であるとされてきたが、近年、リンやイオウをドーパントとして、マイクロ波プラズマCVD法において、その合成条件を最適化することにより、比較的結晶性の良い単結晶n型半導体ダイヤモンドが得られている。また、これらのリンやイオウをドープしたn型半導体ダイヤモンドと、ホウ素をドープしたp型半導体ダイヤモンドとを組み合せることにより、pn接合を形成し、紫外線発光素子の試作も行われている。
【0007】
しかし、現在実現されている結晶性の良い単結晶n型半導体ダイヤモンドの中でもっとも性能の良いリンやイオウをドープしたn型半導体ダイヤモンドでも、室温での抵抗率は10Ω・cm程度とホウ素をドープしたp型と比較して3〜5桁程度高抵抗であり、他の半導体材料と比較すれば、絶縁体といっても過言ではない。これらのn型半導体ダイヤモンドのキャリア濃度の温度依存性から求めた活性化エネルギーは、リンをドープしたもので約0.6eV、イオウをドープしたもので約0.4eVと非常に大きいため、抵抗率の温度依存性は大きく、これらのn型半導体ダイヤモンドを使用したデバイスは広い温度範囲に渡って安定して使用することは困難である。
【0008】
リンやイオウの他にn型半導体特性が確認されているドーパントとしては窒素がある。窒素を含むダイヤモンドは天然にも存在し、n型であることも確認されているが、窒素がドーピングされたダイヤモンドの活性化エネルギーは約1.7eVであり、室温での抵抗率は1010Ω・cm以上と絶縁体である。
【0009】
さらに、リチウムを添加すれば、n型半導体特性を示すことが知られている。ただし、リチウムは前述したリン、イオウ、窒素のように、ダイヤモンドを構成する炭素原子と置換位置にドープされるのではなく、炭素原子の格子間位置にドープされる。リチウムをドープする手法に関しては、例えば、特開平3−205398号公報や特開平4−174517号公報や特開平4−348514号公報あるいは特開平7−106266号公報や特開平11−54443号公報など様々な手法が提案されている。
【0010】
リチウムがドープされたn型半導体ダイヤモンドのキャリアの活性化エネルギーは0.1〜0.3eVと見積られており、比較的準位の浅いドナーであると同時に低抵抗であることが期待される。しかし、ダイヤモンドの格子間に存在するリチウムは拡散しやすく不安定であり、リチウムをドープしたn型半導体ダイヤモンドの電気特性は安定しないという問題があった。
【0011】
【特許文献1】
特開平03−205398号公報
【特許文献2】
特開平04−174517号公報
【特許文献3】
特開平04−348514号公報
【特許文献4】
特開平07−106266号公報
【特許文献5】
特開平11−054443号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、置換ドナーであるリンの深い不純物準位による室温での高い抵抗率と、格子間ドナーであるリチウムがダイヤモンド中で安定しないことによるn型半導体ダイヤモンドの電気特性の不安定性を同時に解決した、低抵抗n型半導体ダイヤモンドを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の低抵抗n型半導体ダイヤモンドは、リチウム原子濃度CLiとリン原子濃度Cとが共に1017cm−3以上であり、且つ、CLi≦Cである。そして、リチウム原子がダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位置に、リン原子が前記炭素原子と置換位置に、それぞれドーピングされていることが好ましく、前記リチウム原子とリン原子は互いに隣接している構造を持つことが更に好ましい。
【0014】
更に、前記リチウム原子とリン原子の中心距離が、0.190nm以上0.200nm以下であることが好ましい。また、これらの低抵抗n型半導体ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドであることが望ましい。また、ドナーの活性化エネルギーが0.1eV以下であり、抵抗率が10Ω・cm以下であることが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
発明者は、結晶性の良い低抵抗n型半導体ダイヤモンドを得るためには、ダイヤモンド中にリチウムとリンとを同時にともに1017cm−3以上ドープし、且つダイヤモンド中のリチウム原子濃度CLiとリン原子濃度Cは、CLi≦Cとすればよいことを見出した。このようにすれば、リチウムあるいはリンをそれぞれ単独でドープした場合の問題点を解決できることを見出した。
【0016】
リチウムとリンが共に1017cm−3未満であると、n型の電気特性が得られない。また、リチウム原子濃度が1017cm−3未満であり、リン原子濃度が1017cm−3以上の場合は、リン単独でドープした場合と同じn型の半導体特性となる。逆にリチウム原子濃度が1017cm−3以上であり、リン原子濃度が1017cm−3未満の場合は、リチウム単独でドープした場合と同じ電気特性となり、安定しない。更に、リチウムとリンが共に1017cm−3以上であるが、リチウム原子濃度が、リン原子濃度を超える(CLi>C)場合は、やはり電気特性は不安定なものとなる。
【0017】
リチウムのみをドープした場合、前述のようにドープしたリチウムがダイヤモンドの格子間を動き回り不安定であるが、リチウムと同時にリンをダイヤモンドを構成する炭素原子と置換位置にドープすれば、格子間位置にドープされたリチウムが動くこと無く、結晶性が良く、電気的に安定した低抵抗n型半導体ダイヤモンドが得られることを見出した。このようにリチウムとリンをドープすれば、リチウム原子がリン原子によって固定されるので、電気特性が安定化すると共に、キャリアの活性化エネルギーを大幅に小さくできる。
【0018】
そして、リチウム原子とリン原子の中心間距離は、0.190nm以上0.200nm以下であることが好ましい。0.190nm未満や0.200nmを超えるとリチウムとリンを同時にドープすることが困難となる。
【0019】
ここで、上記n型半導体ダイヤモンドの活性化エネルギーを予測するために、リチウムの格子間ドーピングとリンの置換ドーピングとを組み合せた場合について、第一原理計算によるシミュレーションを行った。また、リチウム原子とリン原子とのダイヤモンド中での位置と結晶安定性についても第一原理計算でミュレーションした。
【0020】
その結果、置換位置に存在するリン原子と格子間位置に存在するリチウム原子とが互いに離れている場合よりも、近接している場合の方が結晶安定性の優れた構造であることが判明した。この場合の活性化エネルギーは、0.10eV以下であると計算された。また、最適構造のリチウム原子とリン原子との距離は、0.195nmであった。
【0021】
リチウム原子とリン原子との距離が、0.190nm未満では結晶状態が不安定、すなわちCVDの際にドーピングする手法ではダイヤモンド中にリチウム原子とリン原子が同時にドーピングされにくい。また、0.200nmより長いと活性化エネルギーは0.10eVより大きくなり、抵抗率の温度依存性が大きくなることが判った。
【0022】
以上のように本発明によれば、リチウムとリンとが同時にドープされた低抵抗n型半導体単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
【0023】
【実施例】
実施例1
高温高圧合成したIIa型ダイヤモンド単結晶基板を用意した。サイズは、2mmx2mmx0.3mmであり、2mm角の上下面の面方位は、{111}とした。このダイヤモンド単結晶基板上に、マイクロ波プラズマCVD法によって、ノンドープダイヤモンド層を形成し、さらにその上にリチウムとリンをドープしたダイヤモンド層を形成した。なお、試料は、ドープ層中の不純物濃度を測定するための試料と、電気特性を測定するための試料との2種類を用意した。ノンドープダイヤモンド層と、ドープダイヤモンド層の合成条件を以下に示す。
【0024】
(ノンドープダイヤモンド層)
水素流量:500sccm
メタン(CH)流量:1.0sccm
ダイヤモンド基板温度:950℃
圧力:13.3kPa(100torr)
膜厚:約2μm
【0025】
(ドープダイヤモンド層)
水素流量:1000sccm
メタン(CH)流量:1.0sccm
ホスフィン(PH)(水素希釈1000ppm)流量:1.0sccm
リチウムtert―ブトキシド((CHCOLi)(キャリアガスH
流量:10sccm
ダイヤモンド基板温度:900℃
圧力:13.3kPa(100torr)
膜厚:約1μm
【0026】
合成後、ダイヤモンド単結晶基板を取り出し、単結晶基板上に成長した部分について、走査型電子顕微鏡(SEM)、ラマン分光分析、反射高速電子線回折(RHEED)による測定を行った。その結果、ダイヤモンド単結晶基板上に成長した部分は、エピタキシャル成長したダイヤモンド単結晶であり、ノンドープダイヤモンド層の上に、ドープダイヤモンド層が形成されていることを確認した。このエピタキシャル成長したダイヤモンド単結晶には、クラックなどはなかった。
【0027】
また、得られたエピタキシャルダイヤモンド単結晶のドープダイヤモンド層を二次イオン質量分析(SIMS)したところ、リチウムが7.2x1018cm−3、リンが9.0x1018cm−3検出された。さらに、エピタキシャルダイヤモンド単結晶中のリチウム原子とリン原子の混入位置を特定するため、次のような分析を行った。
【0028】
ラザフォード後方散乱分析(RBS)、粒子線励起X線放射分析(PIXE(Particle induced X-ray emission))、核反応分析(NRA)のそれぞれの手法についてチャネリング測定を行うことにより、リチウムとリンの格子置換率を求めた。その結果、リチウムの格子置換率は5%以下であり、リンの格子置換率は95%以上であることが判った。この結果より、ダイヤモンド中のリチウムはほとんどが格子間に存在し、リンは置換位置に存在することが判った。
【0029】
次に、本発明で形成したエピタキシャルダイヤモンド単結晶の電気的特性を測定した。ダイヤモンド単結晶の表面を酸化処理することにより、表面を酸素終端し、ダイヤモンド表面の電気伝導層を除去した後、ダイヤモンド単結晶の4隅にオーミックコンタクトの電極を形成し、van der Pauw法によるホール効果の測定を行った。その結果、ドープダイヤモンド層は、n型であり、活性化エネルギーは0.09eV、室温(300K)での抵抗率は2.3Ωcmであり、ダイヤモンドとしては低抵抗なn型半導体であることを確認した。
【0030】
このホール効果の測定中に、ダイヤモンド単結晶の温度を873Kまで上昇させたが、その電気特性は非常に安定していた。このことは、格子間に存在するリチウム原子が、置換位置に存在するリン原子で固定されていることを示している。
【0031】
以上の結果より、リチウム原子濃度CLiとリン原子濃度Cとが、共に1017cm−3以上であり、CLi≦Cであるダイヤモンドは、低抵抗n型半導体ダイヤモンドであることが確認できた。また、作成した低抵抗n型半導体ダイヤモンド中のリチウム原子はそのほとんどがダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位置に存在し、リン原子はそのほとんどが炭素原子の置換位置に存在することが判った。更に、作成した低抵抗n型半導体ダイヤモンドの電気特性は非常に安定していた。これらの結果より、リチウム原子とリン原子は、第一原理計算で予測されたように近接状態にあり、原子間距離は0.190nm以上、0.200nm以下であると予測された。
【0032】
比較例1
ドープダイヤモンド層の合成条件を以下のようにしたこと以外は、実施例1と同様にノンドープダイヤモンド層上にドープダイヤモンド層を形成した。
【0033】
(ドープダイヤモンド層)
水素流量:1000sccm
メタン(CH)流量:1.0sccm
ホスフィン(PH)(水素希釈10ppm)流量:1.0sccm
リチウムtert―ブトキシド((CHCOLi)(キャリアガスH
流量:1.0sccm
ダイヤモンド基板温度:900℃
圧力:13.3kPa(100torr)
膜厚:約1μm
【0034】
作成した試料について、実施例1と同様にSIMSによる不純物濃度測定を行ったところ、リチウム原子濃度とリン原子濃度は共に測定限界以下である1017cm−3未満であった。また、室温における抵抗率は10Ω・cmであり、非常に高抵抗であった。
【0035】
比較例2
ドープダイヤモンド層の合成条件を以下のようにしたこと以外は、実施例1と同様にノンドープダイヤモンド層上にドープダイヤモンド層を形成した。
【0036】
(ドープダイヤモンド層)
水素流量:1000sccm
メタン(CH)流量:1.0sccm
ホスフィン(PH)(水素希釈1000ppm)流量:1.0sccm
リチウムtert―ブトキシド((CHCOLi)(キャリアガスH
流量:1.0sccm
ダイヤモンド基板温度:900℃
圧力:13.3kPa(100torr)
膜厚:約1μm
【0037】
作成した試料について、実施例1と同様にSIMSによる不純物濃度測定を行ったところ、リチウム原子濃度は測定限界以下である1017cm−3未満であったが、リン原子濃度は6.5x1018cm−3であった。また、ホール効果測定を行い、ドープ層の伝導型はn型であることを確認したが、室温における抵抗率は10Ω・cmと高抵抗であり、キャリアの活性化エネルギーは0.63eVであった。
【0038】
比較例3
ドープダイヤモンド層の合成条件を以下のようにしたこと以外は、実施例1と同様にノンドープダイヤモンド層上にドープダイヤモンド層を形成した。
【0039】
(ドープダイヤモンド層)
水素流量:1000sccm
メタン(CH)流量:1.0sccm
ホスフィン(PH)(水素希釈10ppm)流量:1.0sccm
リチウムtert―ブトキシド((CHCOLi)(キャリアガスH
流量:10.0sccm
ダイヤモンド基板温度:900℃
圧力:13.3kPa(100torr)
膜厚:約1μm
【0040】
作成した試料について、実施例1と同様にSIMSによる不純物濃度測定を行ったところ、リチウム原子濃度は7.4x1018cm−3であったが、リン原子濃度は測定限界以下の1017cm−3未満であった。また、ホール効果測定を行ったが、電気特性が不安定で測定することができなかった。
【0041】
比較例4
ドープダイヤモンド層の合成条件を以下のようにしたこと以外は、実施例1と同様にノンドープダイヤモンド層上にドープダイヤモンド層を形成した。
【0042】
(ドープダイヤモンド層)
水素流量:1000sccm
メタン(CH)流量:1.0sccm
ホスフィン(PH)(水素希釈1000ppm)流量:1.0sccm
リチウムtert―ブトキシド((CHCOLi)(キャリアガスH
流量:30.0sccm
ダイヤモンド基板温度:900℃
圧力:13.3kPa(100torr)
膜厚:約1μm
【0043】
作成した試料について、実施例1と同様にSIMSによる不純物濃度測定を行ったところ、リチウム原子濃度は2.1x1019cm−3であり、リン原子濃度は8.6x1018cm−3であった。ホール効果測定を行ったが、電気特性が不安定で測定できなかった。
【0044】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイヤモンド中にリチウム原子とリン原子を共に1017cm−3以上ドーピングし、且つリチウム原子濃度CLiとリン原子濃度Cを、CLi≦Cとすることにより、従来になかった低抵抗のn型半導体ダイヤモンドを得ることができる。このような低抵抗のn型半導体ダイヤモンドを用いれば、高温環境下や宇宙環境下でも動作する耐環境デバイスや、高周波、高出力で動作可能なパワーデバイスや、紫外線発光が可能な発光デバイス、あるいは低電圧駆動が可能な電子放出デバイスなどの半導体デバイスの実用化が可能となる。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a low resistance n-type semiconductor diamond doped with both lithium and phosphorus. More specifically, the present invention relates to a low-resistance n-type semiconductor diamond in which both lithium atom concentration C Li and phosphorus atom concentration C P in diamond are 10 17 cm −3 or more and C Li ≦ C P.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, research for utilizing diamond as a semiconductor material and applying it as a semiconductor device has been advanced.
[0003]
Diamond is composed of carbon, which is an IVb group element of the same group as silicon (Si), which is widely used as a semiconductor material, and has a crystal structure similar to that of Si, and can be viewed as a semiconductor material. Diamond as a semiconductor material has a very large band gap of 5.5 eV, and carrier mobility is as high as 2000 cm 2 / V · s at room temperature for both electrons and holes. Further, the dielectric constant is as small as 5.7, and the breakdown electric field is as large as 5 × 10 6 V / cm. Furthermore, it has a rare characteristic of negative electron affinity in which the vacuum level exists below the lower end of the conduction band.
[0004]
Thus, diamond has excellent semiconductor characteristics, and therefore, an environment-resistant device that operates even in a high-temperature environment or space environment, a power device that can operate at high frequency and high output, a light-emitting device that can emit ultraviolet light, or Applications as semiconductor device materials such as electron-emitting devices that can be driven at low voltage are expected.
[0005]
In order to use diamond as a semiconductor device material, it is necessary to control p-type and n-type conductivity. The p-type semiconductor diamond can be obtained by adding boron as an impurity so as to replace the carbon atom of the diamond crystal. P-type semiconductor diamond also exists in nature, and can be synthesized relatively easily by introducing a gas containing boron atoms into a source gas by a chemical vapor synthesis (CVD) method.
[0006]
On the other hand, n-type semiconductor diamond does not exist in nature and has been considered difficult to synthesize until now. However, in recent years, the synthesis conditions have been optimized in microwave plasma CVD using phosphorus and sulfur as dopants. As a result, single crystal n-type semiconductor diamond having relatively good crystallinity is obtained. Further, a pn junction is formed by combining these n-type semiconductor diamond doped with phosphorus or sulfur and a p-type semiconductor diamond doped with boron, and an ultraviolet light-emitting device has been prototyped.
[0007]
However, even in the n-type semiconductor diamond doped with phosphorus or sulfur having the best performance among the single crystal n-type semiconductor diamonds with good crystallinity currently realized, the resistivity at room temperature is about 10 4 Ω · cm, which is boron. Compared with the p-type doped with n-type, it has a high resistance of about 3 to 5 digits. Compared with other semiconductor materials, it is no exaggeration to say that it is an insulator. The activation energy obtained from the temperature dependence of the carrier concentration of these n-type semiconductor diamonds is about 0.6 eV for phosphorus doped and about 0.4 eV for sulfur doped. Therefore, it is difficult to stably use devices using these n-type semiconductor diamonds over a wide temperature range.
[0008]
Nitrogen is another dopant that has been confirmed to have n-type semiconductor properties in addition to phosphorus and sulfur. Although diamond containing nitrogen is naturally present and n-type has been confirmed, the activation energy of nitrogen-doped diamond is about 1.7 eV, and the resistivity at room temperature is 10 10 Ω. -It is an insulator with cm or more.
[0009]
Furthermore, it is known that when lithium is added, n-type semiconductor characteristics are exhibited. However, lithium is not doped in the substitution position with the carbon atoms constituting the diamond like phosphorus, sulfur and nitrogen, but is doped in the interstitial positions of the carbon atoms. Regarding the method of doping lithium, for example, JP-A-3-205398, JP-A-4-174517, JP-A-4-348514, JP-A-7-106266, JP-A-11-54443, etc. Various methods have been proposed.
[0010]
The activation energy of the n-type semiconductor diamond doped with lithium is estimated to be 0.1 to 0.3 eV, and is expected to be a donor having a relatively shallow level and at the same time having a low resistance. However, there is a problem that lithium existing between diamond lattices is easily diffused and unstable, and the electric characteristics of the n-type semiconductor diamond doped with lithium are not stable.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 03-205398 [Patent Document 2]
JP 04-174517 A [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-348514 [Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 07-106266 [Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-054443
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention provides high resistivity at room temperature due to the deep impurity level of phosphorus, which is a substitution donor, and instability of electrical characteristics of n-type semiconductor diamond due to the fact that lithium, which is an interstitial donor, is not stable in diamond. An object is to provide a low-resistance n-type semiconductor diamond which is simultaneously solved.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the low resistance n-type semiconductor diamond of the present invention, the lithium atom concentration C Li and the phosphorus atom concentration C P are both 10 17 cm −3 or more and C Li ≦ C P. The lithium atom is preferably doped in the interstitial position of the carbon atoms constituting the diamond, the phosphorus atom is preferably doped in the carbon atom and the substitution position, and the lithium atom and the phosphorus atom are adjacent to each other. It is further preferable to have
[0014]
Furthermore, it is preferable that the center distance between the lithium atom and the phosphorus atom is 0.190 nm or more and 0.200 nm or less. These low resistance n-type semiconductor diamonds are preferably single crystal diamonds. The activation energy of the donor is preferably 0.1 eV or less and the resistivity is preferably 10 3 Ω · cm or less.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to obtain a low-resistance n-type semiconductor diamond with good crystallinity, the inventor doped 10 17 cm −3 or more of lithium and phosphorus simultaneously in the diamond, and the lithium atom concentration C Li and phosphorus in the diamond It has been found that the atomic concentration C P may be C Li ≦ C P. In this way, it has been found that the problems associated with doping lithium or phosphorus alone can be solved.
[0016]
When both lithium and phosphorus are less than 10 17 cm −3 , n-type electrical characteristics cannot be obtained. In addition, when the lithium atom concentration is less than 10 17 cm −3 and the phosphorus atom concentration is 10 17 cm −3 or more, the same n-type semiconductor characteristics as when doped with phosphorus alone are obtained. Conversely, when the lithium atom concentration is 10 17 cm −3 or more and the phosphorus atom concentration is less than 10 17 cm −3 , the same electrical characteristics as when doped with lithium alone are obtained, and it is not stable. Furthermore, although both lithium and phosphorus are 10 17 cm −3 or more, when the lithium atom concentration exceeds the phosphorus atom concentration (C Li > C P ), the electrical characteristics are also unstable.
[0017]
When only lithium is doped, the doped lithium moves between the diamond lattices as described above and is unstable. However, if phosphorus is doped at the same time with lithium as the carbon atoms constituting the diamond, the interstitial sites are doped. It has been found that a low resistance n-type semiconductor diamond having good crystallinity and electrically stable can be obtained without movement of doped lithium. When lithium and phosphorus are doped in this way, lithium atoms are fixed by phosphorus atoms, so that the electrical characteristics are stabilized and the activation energy of carriers can be greatly reduced.
[0018]
The distance between the centers of lithium atoms and phosphorus atoms is preferably 0.190 nm or more and 0.200 nm or less. If it is less than 0.190 nm or exceeds 0.200 nm, it becomes difficult to dope lithium and phosphorus simultaneously.
[0019]
Here, in order to predict the activation energy of the n-type semiconductor diamond, a simulation based on first-principles calculation was performed for the case where lithium interstitial doping and phosphorus substitution doping were combined. The first-principles calculation also simulated the position and crystal stability of lithium and phosphorus atoms in diamond.
[0020]
As a result, it was found that the structure in which the phosphorous atom existing at the substitution position and the lithium atom existing at the interstitial position are closer to each other than the case where they are separated from each other is superior in crystal stability. . The activation energy in this case was calculated to be 0.10 eV or less. Further, the distance between the lithium atom and the phosphorus atom having the optimum structure was 0.195 nm.
[0021]
When the distance between the lithium atom and the phosphorus atom is less than 0.190 nm, the crystal state is unstable, that is, it is difficult for the lithium atom and the phosphorus atom to be doped simultaneously in the diamond by the technique of doping during CVD. Further, it was found that when the length is longer than 0.200 nm, the activation energy is larger than 0.10 eV, and the temperature dependency of the resistivity is increased.
[0022]
As described above, according to the present invention, a low-resistance n-type semiconductor single crystal diamond doped with lithium and phosphorus simultaneously can be obtained.
[0023]
【Example】
Example 1
A IIa diamond single crystal substrate synthesized at high temperature and high pressure was prepared. The size was 2 mm × 2 mm × 0.3 mm, and the surface orientation of the upper and lower surfaces of 2 mm square was {111}. A non-doped diamond layer was formed on this diamond single crystal substrate by microwave plasma CVD, and a diamond layer doped with lithium and phosphorus was further formed thereon. Two types of samples were prepared: a sample for measuring the impurity concentration in the doped layer and a sample for measuring electrical characteristics. The synthesis conditions of the non-doped diamond layer and the doped diamond layer are shown below.
[0024]
(Non-doped diamond layer)
Hydrogen flow rate: 500sccm
Methane (CH 4 ) flow rate: 1.0 sccm
Diamond substrate temperature: 950 ° C
Pressure: 13.3 kPa (100 torr)
Film thickness: about 2μm
[0025]
(Dope diamond layer)
Hydrogen flow rate: 1000sccm
Methane (CH 4 ) flow rate: 1.0 sccm
Phosphine (PH 3 ) (hydrogen dilution 1000 ppm) Flow rate: 1.0 sccm
Lithium tert-butoxide ((CH 3 ) 3 COLi) (carrier gas H 2 )
Flow rate: 10sccm
Diamond substrate temperature: 900 ° C
Pressure: 13.3 kPa (100 torr)
Film thickness: about 1μm
[0026]
After the synthesis, the diamond single crystal substrate was taken out, and the portion grown on the single crystal substrate was measured by a scanning electron microscope (SEM), Raman spectroscopic analysis, and reflection high-energy electron diffraction (RHEED). As a result, it was confirmed that the portion grown on the diamond single crystal substrate was an epitaxially grown diamond single crystal, and a doped diamond layer was formed on the non-doped diamond layer. This epitaxially grown diamond single crystal had no cracks.
[0027]
Further, when a doped diamond layer of the obtained epitaxial single-crystal diamond was secondary ion mass spectrometry (SIMS), lithium 7.2x10 18 cm -3, phosphorus is 9.0x10 18 cm -3 detection. Furthermore, the following analysis was performed in order to identify the mixing position of lithium atoms and phosphorus atoms in the epitaxial diamond single crystal.
[0028]
Lithium and phosphorus lattices by channeling measurements for Rutherford backscattering analysis (RBS), particle-induced X-ray emission analysis (PIXE), and nuclear reaction analysis (NRA). The substitution rate was determined. As a result, it was found that the lattice substitution rate of lithium was 5% or less, and the lattice substitution rate of phosphorus was 95% or more. From this result, it was found that most of the lithium in the diamond exists between the lattices, and phosphorus exists in the substitution position.
[0029]
Next, the electrical characteristics of the epitaxial diamond single crystal formed in the present invention were measured. By oxidizing the surface of the diamond single crystal, the surface is oxygen-terminated, and after removing the electrically conductive layer on the diamond surface, ohmic contact electrodes are formed at the four corners of the diamond single crystal, and holes are formed by van der Pauw method. The effect was measured. As a result, the doped diamond layer is n-type, the activation energy is 0.09 eV, the resistivity at room temperature (300 K) is 2.3 Ωcm, and it is confirmed that diamond is a low-resistance n-type semiconductor. did.
[0030]
During the measurement of the Hall effect, the temperature of the diamond single crystal was raised to 873 K, but its electrical characteristics were very stable. This indicates that the lithium atom existing between the lattices is fixed by the phosphorus atom existing at the substitution position.
[0031]
From the above results, it is confirmed that the diamond in which the lithium atom concentration C Li and the phosphorus atom concentration C P are both 10 17 cm −3 or more and C Li ≦ C P is a low-resistance n-type semiconductor diamond. did it. In addition, it was found that most of the lithium atoms in the low resistance n-type semiconductor diamond prepared were present at the interstitial positions of the carbon atoms constituting the diamond, and most of the phosphorus atoms were present at the carbon atom substitution positions. . Furthermore, the electrical characteristics of the prepared low resistance n-type semiconductor diamond were very stable. From these results, it was predicted that the lithium atom and the phosphorus atom are in the close state as predicted by the first principle calculation, and the interatomic distance is 0.190 nm or more and 0.200 nm or less.
[0032]
Comparative Example 1
A doped diamond layer was formed on the non-doped diamond layer in the same manner as in Example 1 except that the synthesis conditions of the doped diamond layer were as follows.
[0033]
(Dope diamond layer)
Hydrogen flow rate: 1000sccm
Methane (CH 4 ) flow rate: 1.0 sccm
Phosphine (PH 3 ) (hydrogen dilution 10 ppm) Flow rate: 1.0 sccm
Lithium tert-butoxide ((CH 3 ) 3 COLi) (carrier gas H 2 )
Flow rate: 1.0sccm
Diamond substrate temperature: 900 ° C
Pressure: 13.3 kPa (100 torr)
Film thickness: about 1μm
[0034]
When the prepared sample was subjected to impurity concentration measurement by SIMS in the same manner as in Example 1, both the lithium atom concentration and the phosphorus atom concentration were less than the measurement limit and less than 10 17 cm −3 . The resistivity at room temperature was 10 6 Ω · cm, which was very high resistance.
[0035]
Comparative Example 2
A doped diamond layer was formed on the non-doped diamond layer in the same manner as in Example 1 except that the synthesis conditions of the doped diamond layer were as follows.
[0036]
(Dope diamond layer)
Hydrogen flow rate: 1000sccm
Methane (CH 4 ) flow rate: 1.0 sccm
Phosphine (PH 3 ) (hydrogen dilution 1000 ppm) Flow rate: 1.0 sccm
Lithium tert-butoxide ((CH 3 ) 3 COLi) (carrier gas H 2 )
Flow rate: 1.0sccm
Diamond substrate temperature: 900 ° C
Pressure: 13.3 kPa (100 torr)
Film thickness: about 1μm
[0037]
The prepared sample was subjected to impurity concentration measurement by SIMS in the same manner as in Example 1. As a result, the lithium atom concentration was less than 10 17 cm −3, which is below the measurement limit, but the phosphorus atom concentration was 6.5 × 10 18 cm. -3 . In addition, the Hall effect measurement was performed and it was confirmed that the conductivity type of the doped layer was n-type, but the resistivity at room temperature was as high as 10 4 Ω · cm, and the activation energy of the carrier was 0.63 eV. there were.
[0038]
Comparative Example 3
A doped diamond layer was formed on the non-doped diamond layer in the same manner as in Example 1 except that the synthesis conditions of the doped diamond layer were as follows.
[0039]
(Dope diamond layer)
Hydrogen flow rate: 1000sccm
Methane (CH 4 ) flow rate: 1.0 sccm
Phosphine (PH 3 ) (hydrogen dilution 10 ppm) Flow rate: 1.0 sccm
Lithium tert-butoxide ((CH 3 ) 3 COLi) (carrier gas H 2 )
Flow rate: 10.0sccm
Diamond substrate temperature: 900 ° C
Pressure: 13.3 kPa (100 torr)
Film thickness: about 1μm
[0040]
When the impurity concentration measurement by SIMS was performed on the prepared sample in the same manner as in Example 1, the lithium atom concentration was 7.4 × 10 18 cm −3 , but the phosphorus atom concentration was 10 17 cm −3 below the measurement limit. Was less than. In addition, the Hall effect measurement was performed, but the measurement was not possible due to unstable electrical characteristics.
[0041]
Comparative Example 4
A doped diamond layer was formed on the non-doped diamond layer in the same manner as in Example 1 except that the synthesis conditions of the doped diamond layer were as follows.
[0042]
(Dope diamond layer)
Hydrogen flow rate: 1000sccm
Methane (CH 4 ) flow rate: 1.0 sccm
Phosphine (PH 3 ) (hydrogen dilution 1000 ppm) Flow rate: 1.0 sccm
Lithium tert-butoxide ((CH 3 ) 3 COLi) (carrier gas H 2 )
Flow rate: 30.0sccm
Diamond substrate temperature: 900 ° C
Pressure: 13.3 kPa (100 torr)
Film thickness: about 1μm
[0043]
The prepared sample was subjected to impurity concentration measurement by SIMS in the same manner as in Example 1. As a result, the lithium atom concentration was 2.1 × 10 19 cm −3 and the phosphorus atom concentration was 8.6 × 10 18 cm −3 . Although the Hall effect measurement was performed, the measurement was not possible due to unstable electrical characteristics.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, both lithium atoms and phosphorus atoms are doped to 10 17 cm −3 or more in diamond, and the lithium atom concentration C Li and the phosphorus atom concentration C P are set to C Li ≦ C P. It is possible to obtain an n-type semiconductor diamond having a low resistance which is not present in the present invention. By using such a low resistance n-type semiconductor diamond, an environment-resistant device that operates in a high-temperature environment or space environment, a power device that can operate at a high frequency and a high output, a light-emitting device that can emit ultraviolet light, or Semiconductor devices such as electron-emitting devices that can be driven at a low voltage can be put to practical use.

Claims (4)

リチウム原子濃度CLiとリン原子濃度Cとが共に1017cm−3以上であり、且つ、CLi≦Cであって、抵抗率が10 Ω・cm以下の単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする低抵抗n型半導体ダイヤモンド。A lithium atom concentration C Li and a phosphorus atom concentration C P is at both 10 17 cm -3 or more and I C LiC P der, resistivity Oh in the following single crystal diamond 10 3 Ω · cm A low-resistance n-type semiconductor diamond. リチウム原子がダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位置に、リン原子が前記炭素原子と置換位置に、それぞれドーピングされていることを特徴とする請求項1に記載の低抵抗n型半導体ダイヤモンド。  2. The low resistance n-type semiconductor diamond according to claim 1, wherein lithium atoms are doped at interstitial positions of carbon atoms constituting the diamond, and phosphorus atoms are doped at substitution positions with the carbon atoms. 前記リチウム原子とリン原子は互いに隣接している構造を持つことを特徴とする請求項2に記載の低抵抗n型半導体ダイヤモンド。  The low resistance n-type semiconductor diamond according to claim 2, wherein the lithium atom and the phosphorus atom are adjacent to each other. ホール効果の測定により得られるキャリア濃度の温度依存性から求めたキャリアの活性化エネルギーが0.1eV以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の低抵抗n型半導体ダイヤモンド。 4. The low resistance n-type according to claim 1, wherein the carrier activation energy obtained from the temperature dependence of the carrier concentration obtained by measuring the Hall effect is 0.1 eV or less. 5. Semiconductor diamond.
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