JP4345437B2 - Method for producing n-type semiconductor diamond and n-type semiconductor diamond - Google Patents

Method for producing n-type semiconductor diamond and n-type semiconductor diamond Download PDF

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本発明は、n型半導体ダイヤモンドの製造方法及びn型半導体ダイヤモンドに関するものである。より詳しくは、マイクロ波プラズマCVD装置を用いた基材上へのダイヤモンドの気相合成方法において、合成時に不純物元素として、LiとNを前記装置内へ導入し、ダイヤモンドの合成と同時に不純物ドーピングを行うn型半導体ダイヤモンドの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an n-type semiconductor diamond and an n-type semiconductor diamond. More specifically, in a diamond vapor phase synthesis method on a substrate using a microwave plasma CVD apparatus, Li and N are introduced into the apparatus as impurity elements during synthesis, and impurity doping is performed simultaneously with synthesis of diamond. The present invention relates to a method for producing n-type semiconductor diamond.

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/Vs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。 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 / Vs 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.

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。   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.

半導体材料を半導体デバイス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。このような制御は、半導体材料に不純物をドーピングすることによって行う。例えば、Siの場合には、シリコン単結晶中に、リンをドープすればn型、ホウ素をドープすればp型となる。   In order to use a semiconductor material as a semiconductor device, p-type and n-type conductivity control is required. Such control is performed by doping the semiconductor material with impurities. For example, in the case of Si, if a silicon single crystal is doped with phosphorus, it becomes n-type and if boron is doped, it becomes p-type.

このような不純物を添加するドーピング手法として、代表的なものに、(イ)結晶成長時に不純物元素を添加してドーピングする方法、(ロ)結晶表面から拡散により不純物をドーピングする熱拡散法、(ハ)加速した不純物イオンを結晶表面から注入するイオン注入法、などがある。熱拡散法をダイヤモンドに適用するには、炭素同士の結合半径や結合エネルギーを考えると実現が困難である。また、イオン注入法は、イオン注入装置が高価であり、イオン注入後の欠陥回復と不純物の電気的活性化を行うアニール工程が必要である。このような理由から、半導体ダイヤモンドの作成実験は、主に比較的工程数の少ない(イ)のドーピング法が用いられている。   Typical doping methods for adding such impurities include (a) a method of doping by adding an impurity element during crystal growth, (b) a thermal diffusion method of doping impurities by diffusion from the crystal surface, C) An ion implantation method in which accelerated impurity ions are implanted from the crystal surface. In order to apply the thermal diffusion method to diamond, it is difficult to realize the bond radius and bond energy between carbons. In addition, the ion implantation method requires an expensive ion implantation apparatus, and requires an annealing process for recovering defects after ion implantation and electrically activating impurities. For this reason, the (b) doping method having a relatively small number of steps is mainly used in experiments for producing semiconductor diamond.

ダイヤモンドの気相合成は、例えば、合成炉内に水素ガスとメタンガスを原料として導入し、適当な圧力に保った後、これらガスを活性化させ、炭素を含む活性種を基材に堆積させることによりダイヤモンドを成長させる方法である。原料ガスを活性化させる方法は種々あるが、現在広く用いられているのは、比較的簡便な装置構成がとれるマイクロ波プラズマCVD(MPCVD)法及び熱フィラメントCVD(HFCVD)法である。   In the vapor phase synthesis of diamond, for example, hydrogen gas and methane gas are introduced into a synthesis furnace as raw materials, and after maintaining a suitable pressure, these gases are activated and activated species including carbon are deposited on a substrate. This is a method for growing diamond. There are various methods for activating the source gas, but currently widely used are a microwave plasma CVD (MPCVD) method and a hot filament CVD (HFCVD) method that allow a relatively simple apparatus configuration.

このうち、MPCVD法は、無極放電により原料ガスを励起するので、電極材料の混入がないことから高品質なダイヤモンドを合成することが可能である。また、HFCVD法は、例えばタングステン線を通電加熱し、放射する熱電子により原料ガスを励起するので、ダイヤモンド中にわずかながらタングステンが混入するが、あらゆる形状の基材にダイヤモンドを成長させることができる。半導体ダイヤモンドの合成には、意図しない不純物の混入が少ないMPCVD法が用いられる。   Among these, the MPCVD method excites the source gas by non-polar discharge, so that high quality diamond can be synthesized since there is no mixing of electrode materials. Further, in the HFCVD method, for example, a tungsten wire is energized and heated, and the source gas is excited by radiated thermoelectrons, so that tungsten is slightly mixed in the diamond, but diamond can be grown on a substrate of any shape. . For the synthesis of semiconductor diamond, the MPCVD method is used which contains less unintended impurities.

例えば、ホウ素ドープp型半導体ダイヤモンドは、MPCVD法により、水素ガス、メタンガス、ジボラン(B)ガスを合成装置内に導入することにより作成できる。また、リンドープn型半導体ダイヤモンドは、MPCVD法により、水素ガス、メタンガス、ホスフィン(PH)ガスを合成装置内に導入することにより作成できる。 For example, boron-doped p-type semiconductor diamond can be produced by introducing hydrogen gas, methane gas, and diborane (B 2 H 6 ) gas into the synthesis apparatus by MPCVD. The phosphorus-doped n-type semiconductor diamond can be produced by introducing hydrogen gas, methane gas, and phosphine (PH 3 ) gas into the synthesis apparatus by MPCVD.

このように、MPCVD法によってp型やn型の半導体ダイヤモンドの合成が可能である。しかし、リンドープn型半導体ダイヤモンドに関しては、その抵抗率が、10Ωcm程度と非常に高い。また、ダイヤモンドの炭素の共有結合半径は、0.077nmであるのに対し、リン(P)の共有結合半径は、0.106nmであるため、リンドープn型半導体ダイヤモンドは、10μm程度の厚みに成長すると、ダイヤモンドにクラックが入ってしまう。これは、イオウ(S)ドープn型半導体ダイヤモンドにおいても、その状況は大差ない。このような理由により、n型半導体ダイヤモンドを形成するためのドーパントの探索が進められている。 As described above, p-type and n-type semiconductor diamond can be synthesized by the MPCVD method. However, the resistivity of phosphorus-doped n-type semiconductor diamond is as high as about 10 4 Ωcm. In addition, since the covalent bond radius of carbon of diamond is 0.077 nm, and the covalent bond radius of phosphorus (P) is 0.106 nm, the phosphorus-doped n-type semiconductor diamond grows to a thickness of about 10 μm. Then, the diamond will crack. This is not much different in sulfur (S) -doped n-type semiconductor diamond. For these reasons, search for dopants for forming n-type semiconductor diamond has been underway.

n型半導体ダイヤモンドを形成するためのドーパントとして、前記PやSの他に、リチウム(Li)が挙げられる。Liは、ダイヤモンド結晶中の格子間に混入してn型となるが、Liのイオン半径は、0.060nmであることからクラックが入りにくいという点で有望である。   In addition to P and S, lithium (Li) can be used as a dopant for forming the n-type semiconductor diamond. Li is mixed between lattices in the diamond crystal and becomes n-type. However, since the ionic radius of Li is 0.060 nm, it is promising in that cracks are unlikely to occur.

LiをドープしたダイヤモンドをCVD法で合成する手法は、例えば、特開平03−205398号公報には、Li単体、または、Li化合物(酸化リチウム、水酸化リチウム、塩化リチウム、リチウムエチラートなど)を液状有機化合物(アセトン、メタノール、エタノール、アセトアルデヒドなど)に含有させた後、液体気化装置でガス化することにより、CVD装置に導入する手法が開示されている。しかし、この手法では、Li単体、または、Li化合物と液状有機化合物が分離しやすく、液状有機化合物のみが気化して、Li単体、または、Li化合物が未気化残渣として液体気化装置に残る。従って、Liを安定に供給するには問題がある。   For example, Japanese Laid-Open Patent Application No. 03-205398 discloses a method for synthesizing diamond doped with Li by using a simple substance of Li or a Li compound (lithium oxide, lithium hydroxide, lithium chloride, lithium ethylate, etc.). A method is disclosed in which a liquid organic compound (acetone, methanol, ethanol, acetaldehyde, or the like) is introduced into a CVD apparatus by gasification with a liquid vaporizer. However, in this method, Li alone or Li compound and liquid organic compound are easily separated, and only the liquid organic compound is vaporized, and Li alone or Li compound remains in the liquid vaporizer as an unvaporized residue. Therefore, there is a problem in supplying Li stably.

また、特開平04−175295号公報には、Li源(Li単体、酸化リチウム、水酸化リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウムなど)を加熱、蒸発させて、CVD装置に導入する手法が開示されている、しかし、このようなLi源はガス化しにくいことから、正確に制御された量のLiをCVD装置に導入するのは困難である。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-175295 discloses a method of heating and evaporating a Li source (Li simple substance, lithium oxide, lithium hydroxide, lithium chloride, lithium fluoride, etc.) and introducing it into a CVD apparatus. However, since such a Li source is difficult to gasify, it is difficult to introduce a precisely controlled amount of Li into the CVD apparatus.

更に、特開平11−054443号公報には、Li化合物溶液(酢酸リチウムのエタノール溶液や水溶液など)の蒸気を導入する手法が開示されている。しかし、この方法でもLi化合物が残渣として生成しやすく、やはりLiの安定供給には問題がある。また、ECRプラズマを利用してダイヤモンドにLiをドーピングする手法が、特開平7−106266号公報に開示されている。
特開平03−205398号公報 特開平04−175295号公報 特開平11−054443号公報 特開平07−106266号公報
Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-054443 discloses a method for introducing a vapor of a Li compound solution (such as an ethanol solution or an aqueous solution of lithium acetate). However, even in this method, the Li compound is easily generated as a residue, and there is still a problem in the stable supply of Li. Japanese Patent Laid-Open No. 7-106266 discloses a method of doping Li into diamond using ECR plasma.
Japanese Patent Laid-Open No. 03-205398 Japanese Patent Laid-Open No. 04-175295 Japanese Patent Laid-Open No. 11-054443 Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-106266

このように、Liドープダイヤモンドは、n型半導体ダイヤモンドとしては、有望であるが、CVD装置にLiを安定に導入する簡便で安全、確実な方法が実現できていないことが問題である。ダイヤモンドの気相合成において、意図しない元素のCVD装置への混入は、極力避けることを考えれば、Li源は、多くとも、Li、C、H,Oの4種類の元素のみで構成されていることが望ましい。   Thus, although Li-doped diamond is promising as an n-type semiconductor diamond, there is a problem that a simple, safe and reliable method for stably introducing Li into a CVD apparatus has not been realized. In the gas phase synthesis of diamond, in view of avoiding as much as possible the mixing of unintended elements into the CVD apparatus, the Li source is composed of at most four kinds of elements of Li, C, H, and O. It is desirable.

また、従来のLiドープダイヤモンドでは、Liがダイヤモンド結晶中を動き回り、安定した電気的特性が得られないという問題もあった。更に、合成条件によっては、Liがダイヤモンド内でHと結合してしまい、電気的に不活性となるという問題もあった。   Further, the conventional Li-doped diamond has a problem that Li moves around in the diamond crystal and stable electric characteristics cannot be obtained. Furthermore, depending on the synthesis conditions, there is a problem that Li is combined with H in the diamond and becomes electrically inactive.

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り、n型半導体ダイヤモンドを合成するために、CVD装置内に安定してLiを導入するための、簡便で安全、確実な手法を提供し、更に、安定した電気特性を得る手法、およびn型半導体ダイヤモンドを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and a simple, safe and reliable method for stably introducing Li into a CVD apparatus in order to synthesize n-type semiconductor diamond. It is another object of the present invention to provide a technique for obtaining stable electrical characteristics and an n-type semiconductor diamond.

本発明のn型半導体ダイヤモンドの製造方法は、MPCVD装置を用いた基材上へのダイヤモンドの気相合成方法において、合成時に不純物元素として、Li(dpm)を昇華させたLiとNを添加しながら、2.7kPa以上の圧力と700℃以上の温度でダイヤモンドを合成することを特徴とする。   The method for producing n-type semiconductor diamond according to the present invention comprises adding Li and N sublimated from Li (dpm) as impurity elements during synthesis in a diamond gas phase synthesis method on a substrate using an MPCVD apparatus. However, diamond is synthesized at a pressure of 2.7 kPa or more and a temperature of 700 ° C. or more.

本発明のn型半導体ダイヤモンドの製造方法によれば、LiとNをドープした良質なn型半導体ダイヤモンドを作成することができる。このようなn型半導体ダイヤモンドは、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可能である。   According to the method for producing an n-type semiconductor diamond of the present invention, a high-quality n-type semiconductor diamond doped with Li and N can be produced. Since such n-type semiconductor diamond has excellent semiconductor characteristics, it is 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, and light emission that can emit ultraviolet light. It can be applied as a material for a semiconductor device such as a device or an electron emission device that can be driven at a low voltage.

発明者等は、n型半導体ダイヤモンドを合成するために、LiをCVD装置に安定に導入する安全、確実な手法、及びLiがドープされたn型半導体ダイヤモンドが安定した電気特性となる合成方法について鋭意研究を行った。   The inventors of the present invention have described a safe and reliable method for stably introducing Li into a CVD apparatus in order to synthesize n-type semiconductor diamond, and a synthesis method in which Li-doped n-type semiconductor diamond has stable electrical characteristics. We conducted intensive research.

その結果、従来の合成手法ではダイヤモンド結晶内を動き回るLiを固定するために、合成時に窒素ガスを添加すればよいことを見出した。LiとNは、安定なLiの窒素化合物として、窒化リチウム(LiN)が存在するように、お互いに結合しやすい。発明者は、このようなLiとNの性質を、MPCVD法によるn型ドーピングに応用することを検討した。 As a result, it has been found that in the conventional synthesis method, nitrogen gas may be added during synthesis in order to fix Li that moves around in the diamond crystal. Li and N are easily bonded to each other so that lithium nitride (Li 3 N) exists as a stable Li nitrogen compound. The inventor examined the application of such properties of Li and N to n-type doping by the MPCVD method.

その結果、合成時に、Li(dpm)を昇華させたLiとNを添加し、2.7kPa以上の圧力と700℃以上の温度でダイヤモンドを合成すれば、LiとNがペアリングを起こし、ダイヤモンド中に取り込まれ、Nはダイヤモンド結晶の炭素の置換位置に、LiはNの極近傍の格子間位置に入り、LiがNで固定された結果、安定した電気特性が得られることを見出した。   As a result, if Li and N with sublimated Li (dpm) were added during synthesis and diamond was synthesized at a pressure of 2.7 kPa or higher and a temperature of 700 ° C. or higher, Li and N paired, It has been found that as a result of N being in the carbon substitution position of the diamond crystal and Li being in the interstitial position in the vicinity of N, and fixing Li with N, stable electrical characteristics can be obtained.

Li源として、Li(dpm)を使用し、該Li(dpm)を昇華させてMPCVD装置に導入する方法が、Liを安定に導入する簡便で安全且つ確実な方法であることを見出した。   It has been found that the method of using Li (dpm) as the Li source, sublimating the Li (dpm) and introducing it into the MPCVD apparatus is a simple, safe and reliable method for stably introducing Li.

Li(dpm)は、強誘電体薄膜用MOCVD材料として市販されており、容易に入手することができる。Li(dpm)自体は、MSDS(Material Safety Data Sheet)によれば、危険有害性の分類に該当せず、比較的安全な物質である。また、Li(dpm)の融点である280℃以下の温度でも昇華するので、加熱装置に特別な工夫を行う必要は無い。更に、もっとも重要なことは、Li(dpm)は、LiC1119で示されるように、Li、C、H、Oで構成されているので、Li(dpm)を、気相合成時のLi源として用いれば、不要な不純物がドーピングされる心配が無いことである。このような、Li(dpm)をn型半導体ダイヤモンド合成のためのLi源として用いる利点を見出したものである。 Li (dpm) is commercially available as an MOCVD material for a ferroelectric thin film, and can be easily obtained. According to MSDS (Material Safety Data Sheet), Li (dpm) itself does not fall under the category of hazard and is a relatively safe substance. Moreover, since it sublimes even at a temperature of 280 ° C. or lower, which is the melting point of Li (dpm), it is not necessary to devise any special device in the heating device. Furthermore, most importantly, Li (dpm) is composed of Li, C, H, and O, as shown by LiC 11 H 19 O 2 , so that Li (dpm) If it is used as a Li source, there is no concern of unnecessary impurities being doped. The present inventors have found an advantage of using Li (dpm) as a Li source for n-type semiconductor diamond synthesis.

Li(dpm)は、多孔質のセラミックス粒に担持させたものがLiの安定供給源としてはさらに良い。多孔質のセラミックス粒に担持されていることにより、使用時のLi(dpm)の表面積の変化がほとんどないので、Liの昇華量の時間的変動が非常に小さくなり、長時間に渡ってLiの安定供給が可能となる。多孔質のセラミックス粒に担持されたLi(dpm)は、市販されており、容易に入手できる。   Li (dpm) supported on porous ceramic grains is better as a stable source of Li. Since the surface area of Li (dpm) hardly changes during use because it is supported on the porous ceramic grains, the temporal variation in the sublimation amount of Li becomes very small, and the Li Stable supply becomes possible. Li (dpm) supported on porous ceramic grains is commercially available and can be easily obtained.

そして、合成条件によっては、Liがダイヤモンド結晶内でHと結合してしまい、電気的に不活性になることがあった。しかし、MPCVD装置内の圧力を2.7kPa以上とし、前記基材の温度が700℃以上であれば、LiとNがペアリングを起こすので、LiとHが結合して電気的に不活性になることが無いことを見出した。   Depending on the synthesis conditions, Li may combine with H in the diamond crystal and become electrically inactive. However, if the pressure in the MPCVD apparatus is set to 2.7 kPa or more and the temperature of the base material is 700 ° C. or more, Li and N are paired. Therefore, Li and H are combined to be electrically inactive. I found out that there was no such thing.

Nの原料に関しては、窒素ガスのみに限らず、多くともN、C、H,Oの4元素で構成されていれば使用可能である。このような原料としては、アンモニア(NH)は好適に使用できる材料の一つである。 The N raw material is not limited to nitrogen gas, and can be used as long as it is composed of four elements of N, C, H, and O at most. As such a raw material, ammonia (NH 3 ) is one of materials that can be suitably used.

以上のように、本発明のn型半導体ダイヤモンドの製造方法によれば、LiとNを含有し、抵抗率が10Ωcm以下である低抵抗なn型半導体ダイヤモンドを得ることができる。 As described above, according to the method for producing an n-type semiconductor diamond of the present invention, a low-resistance n-type semiconductor diamond containing Li and N and having a resistivity of 10 3 Ωcm or less can be obtained.

図1は、本発明の実施に用いたMPCVD装置の一例を示す模式図である。まず、ダイヤモンド単結晶基板1をSUS製の真空チャンバー2内の基板ホルダ3上にセットする。ダイヤモンド単結晶基板は、高温高圧合成したIb型ダイヤモンドを用いた。大きさは、2mmx2mmx0.3mmである。2mmx2mmの面の面方位は、{100}とした。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an MPCVD apparatus used for carrying out the present invention. First, the diamond single crystal substrate 1 is set on the substrate holder 3 in the vacuum chamber 2 made of SUS. As the diamond single crystal substrate, Ib type diamond synthesized at high temperature and high pressure was used. The size is 2 mm × 2 mm × 0.3 mm. The plane orientation of the 2 mm × 2 mm plane was {100}.

ダイヤモンド単結晶基板をセット後、真空排気口4より真空チャンバー2内を1.3x10−4Pa(10−6torr)まで予備排気する。次に、原料を真空チャンバー内に導入し、所定の圧力に保つ。原料は、H、CH、N、及びLi(dpm)である。H、CH、及びNは、それぞれのボンベ5、6、7より、マスフローコントローラ8、9、10によって各々所定の流量に調整して、ガス導入口11より真空チャンバー2内に導入する。なお、Nは、H希釈1%のものを使用した。 After setting the diamond single crystal substrate, the inside of the vacuum chamber 2 is preliminarily evacuated to 1.3 × 10 −4 Pa (10 −6 torr) from the vacuum exhaust port 4. Next, the raw material is introduced into the vacuum chamber and kept at a predetermined pressure. The raw materials are H 2 , CH 4 , N 2 , and Li (dpm). H 2 , CH 4 , and N 2 are each adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controllers 8, 9, and 10 from the respective cylinders 5, 6, and 7, and are introduced into the vacuum chamber 2 from the gas inlet 11. . N 2 was diluted with H 2 at 1%.

Li(dpm)は、粉末あるいは多孔質セラミックス粒に担持させたLi(dpm)12を昇華装置13に入れ、加熱、昇華させ、Hボンベ14よりマスフローコントローラ15によって所定の流量に調節したHキャリアガスにより、ガス導入口11から真空チャンバー内に導入する。Hキャリアガスは、ヒータ16によりLi(dpm)の昇華温度に加熱してから昇華装置13に導入する。昇華装置13は圧力調整バルブ17により、内部圧力を任意に調整することができる。昇華装置13から真空チャンバー2までのガス配管は、昇華温度に合わせた温度制御が可能である。 Li (dpm) is a Li (dpm) 12 which is supported on a powder or a porous ceramic grains placed in a sublimation apparatus 13, heated, sublimated, H 2 was adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controller 15 than H 2 gas cylinder 14 It introduce | transduces in a vacuum chamber from the gas inlet 11 with carrier gas. The H 2 carrier gas is heated to the sublimation temperature of Li (dpm) by the heater 16 and then introduced into the sublimation apparatus 13. The sublimation device 13 can arbitrarily adjust the internal pressure by the pressure adjustment valve 17. The gas piping from the sublimation device 13 to the vacuum chamber 2 can be controlled in temperature according to the sublimation temperature.

そして、真空チャンバー2の上部に設けたマイクロ波導入用石英窓18より、2.45GHzのマイクロ波19を真空チャンバー2内に導入して、ダイヤモンド単結晶基板1の上部に原料ガスのプラズマ20を発生させる。   Then, a microwave 19 of 2.45 GHz is introduced into the vacuum chamber 2 through a quartz window 18 for microwave introduction provided on the upper portion of the vacuum chamber 2, and a source gas plasma 20 is introduced into the upper portion of the diamond single crystal substrate 1. generate.

これにより、ダイヤモンド単結晶基板1は、温度が上昇し、所定の温度に到達する。所定の温度に到達した後は、マイクロ波のパワーを調整することにより、ダイヤモンド単結晶基板の温度をコントロールする。プラズマ20で生成された原料活性種がダイヤモンド単結晶基板に到達し、ダイヤモンド単結晶基板1の上には、LiとNがドープされたダイヤモンドがエピタキシャル成長する。   Thereby, the temperature of the diamond single crystal substrate 1 rises and reaches a predetermined temperature. After reaching the predetermined temperature, the temperature of the diamond single crystal substrate is controlled by adjusting the power of the microwave. The raw material active species generated by the plasma 20 reaches the diamond single crystal substrate, and diamond doped with Li and N is epitaxially grown on the diamond single crystal substrate 1.

このようにして作成したLiとNがドープされたダイヤモンドの評価を行った。まず、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)によって、試料No.1〜6は、良質なエピタキシャル成長したダイヤモンドであることを確認した。次に、電気特性評価として、van der Pauw法によるホール効果測定を行い、キャリアタイプ及び室温(27℃)における抵抗率を測定した。また、ダイヤモンド結晶中のLiとNの濃度と膜厚の測定を二次イオン質量分析(SIMS)で行った。更に、ダイヤモンド結晶中のHに関しては、SIMSにより、二次イオン計数率を測定した。   The diamond thus prepared and doped with Li and N was evaluated. First, sample No. 1 was determined by scanning electron microscope (SEM), Raman spectroscopic analysis, reflection high-energy electron diffraction (RHEED). 1 to 6 were confirmed to be high-quality epitaxially grown diamonds. Next, as an electrical property evaluation, Hall effect measurement by the van der Pauw method was performed, and the carrier type and the resistivity at room temperature (27 ° C.) were measured. Moreover, the measurement of the density | concentration and film thickness of Li and N in a diamond crystal was performed by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Further, for H in the diamond crystal, the secondary ion count rate was measured by SIMS.

なお、ホール効果測定では、電極を次のようにして形成した。まず、Arイオン注入によってLiとNがドープされたダイヤモンドのエピタキシャル層の表面の4隅の直径200μmの領域をグラファイト化して、そのグラファイト化した領域にTi、Pt、Auを順に各々100nmづつ電子ビーム蒸着し、400℃、20分間アニールすることによりオーミックコンタクトを形成した。   In the Hall effect measurement, the electrode was formed as follows. First, an area of 200 μm in diameter at the four corners of the surface of the epitaxial layer of diamond doped with Li and N by Ar ion implantation is graphitized, and an electron beam of Ti, Pt, and Au is sequentially deposited into the graphitized area by 100 nm each. The ohmic contact was formed by vapor deposition and annealing at 400 ° C. for 20 minutes.

合成条件を表1に、評価結果を表2に示す。なお、試料No.1、2、5及び6では、Li(dpm)の粉末を用い、試料No.3と4では多孔質のセラミックス粒に担持させたLi(dpm)を用いた。なお、表1において、H、CH、N(H希釈1%)、Hキャリアガスはそれぞれのガス流量を示し、単位はsccm(Standard cc/min)である。 The synthesis conditions are shown in Table 1, and the evaluation results are shown in Table 2. Sample No. In Nos. 1, 2, 5 and 6, Li (dpm) powder was used. In 3 and 4, Li (dpm) supported on porous ceramic grains was used. In Table 1, H 2 , CH 4 , N 2 (H 2 dilution 1%), and H 2 carrier gas indicate respective gas flow rates, and the unit is sccm (Standard cc / min).

Figure 0004345437
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表1、2より、No.1〜4は、LiとNが電気的に活性化し、低抵抗なn型半導体ダイヤモンドが形成されることが確認できた。これらのダイヤモンド中のHの計数率は、4x10cpsであり、この値は、基本的にHを含有しない高温高圧合成のダイヤモンド単結晶の計数率と同じであり、No.1〜4の試料には、Hは入っていないと考えられる。これに対して、No.5と6の試料には、Hが混入しており、LiとHが結合して電気的に不活性となるので、抵抗率が高くなったと考えられる。 From Tables 1 and 2, No. In Nos. 1 to 4, it was confirmed that Li and N were electrically activated to form a low-resistance n-type semiconductor diamond. The count rate of H in these diamonds is 4 × 10 3 cps, which is basically the same as the count rate of high temperature and high pressure synthetic diamond single crystals containing no H. Samples 1 to 4 are considered not to contain H. In contrast, no. The samples 5 and 6 are mixed with H, and Li and H are combined to become electrically inactive. Therefore, it is considered that the resistivity is increased.

本発明のn型半導体ダイヤモンドは、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可能である。   Since the n-type semiconductor diamond of the present invention has excellent semiconductor characteristics, it is an environment-resistant device that operates even in a high-temperature environment or in a space environment, a power device that can operate at high frequency and high power, and light emission that can emit ultraviolet light. It can be applied as a material for a semiconductor device such as a device or an electron emission device that can be driven at a low voltage.

本発明の実施に用いたマイクロ波プラズマCVD装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the microwave plasma CVD apparatus used for implementation of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 真空チャンバー
3 基板ホルダ
4 真空排気口
5、6、7、14 ボンベ
8、9、10、15 マスフローコントローラ
11 ガス導入口
12 Li(dpm)
13 昇華装置
16 ヒータ
17 圧力調整バルブ
18 石英窓
19 マイクロ波
20 プラズマ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Vacuum chamber 3 Substrate holder 4 Vacuum exhaust port 5, 6, 7, 14 Cylinder 8, 9, 10, 15 Mass flow controller 11 Gas inlet 12 Li (dpm)
13 Sublimation device 16 Heater 17 Pressure adjustment valve 18 Quartz window 19 Microwave 20 Plasma

Claims (1)

マイクロ波プラズマCVD装置を用いた基材上へのダイヤモンドの気相合成方法において、合成時に不純物元素として、Li(dpm)を昇華させたLiとNを添加しながら、2.7kPa以上の圧力と700℃以上の温度でダイヤモンドを合成することを特徴とする、n型半導体ダイヤモンドの製造方法。   In a gas phase synthesis method of diamond on a substrate using a microwave plasma CVD apparatus, while adding Li and N sublimated Li (dpm) as impurity elements during synthesis, a pressure of 2.7 kPa or more A method for producing an n-type semiconductor diamond, comprising synthesizing diamond at a temperature of 700 ° C. or higher.
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