JP4734668B2 - ダイヤモンド素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐熱性に優れるショットキー電極を備えたダイヤモンド素子及びその製造方法に関する。

従来の半導体材料に比べて、絶縁破壊電界が高く、熱伝導率が極めて良好で放熱性に優れ、化学的にも非常に安定であり、またバンドギャップが5.5eVと大きいので、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作する電子デバイスとして、また大電力用デバイスとして注目を集めている。
このようなダイヤモンドデバイス材料としては、平坦性及び結晶性に優れたダイヤモンドエピタキシャル層を形成し、これに不純物の硼素、アルミニウム等をドープし、p型半導体、n型半導体として使用される。

ダイヤモンドエピタキシャル層を形成する手段としては、原料ガスを直流、高周波又はマイクロ波電界による放電を利用する方法、イオン衝撃を利用する方法、レーザー光等の光を使用して原料ガスを分解して形成する方法、熱電子を利用して原料ガスを活性化する方法などが既に知られており、これらにより良好なダイヤモンドエピタキシャル層を形成することができる。
このようにして得た半導体ダイヤモンド表面に、オーム性電極（オーミック電極）とショットキー電極（整流性電極）を形成し、各種の用途に対応した半導体素子とされるが、これらの電極は不純物の種類によるドーピングによりp型半導体、n型半導体の区別がなされ、これによって、対応するオーム性電極及びショットキー電極とすることができる。これ自体も既に公知であり、またさらに特性の向上のための工夫がなされている。

一方、ショットキー電極の材料として、いくつか提案がある。例えば、ショットキー障壁用電極層の材料として、金、白金、パラジウム、モリブデンの層を挙げ、これを蒸着法、イオンビーム蒸着法、スパッタリング法により形成することが提案されている（特許文献１参照）。
また、ショットキー電極の材料として耐熱性のあるタングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、多結晶シリコン、ニッケル、金、白金、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化タンタル、炭化ニオブ、ケイ化タングステン、ケイ化モリブデンであることが好ましく、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、CVD法、プラズマCVD法によって形成することが提案されている（特許文献２参照）。

また、ショットキー障壁用電極層の材料として、融点が400〜700°Cの金属、具体例として、アルミニウム、アンチモン、テルル、亜鉛を用い、特にアルミニウムが好ましいという提案もある（特許文献３参照）。
また、ショットキー電極層として２種の金属材料を使用し、第１の金属として、タングステン、ジルコニウム、タンタル、モリブデン、ニオブを用い、第２の金属として、仕事関数が5eV以下の金属であるアルミニウム、亜鉛を使用して、複合金属とする提案がある（特許文献４参照）。
また、ショットキー電極層として、電気陰性度が1.8以下と低い金属を電極として使用し、特にMg、Hf、Zr、Alを使用し、高温で用いる場合は電極の酸化防止にPt又はAuをキャップ層として積層することが提案されている（特許文献５参照）。

以上の公知文献では、ショットキー電極層については、耐熱性が問題となる指摘がなされている。それはダイヤモンド自体が、上記の通り熱伝導率が極めて良好で放熱性に優れ、化学的にも非常に安定であり、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作することができるという優れた特性を持ちながら、電極がそれにこたえるだけの特性を持ち合わせていないからである。
そのために、主として耐熱性に優れた金属を使用する例を示している。しかし、これには限界があり、高温で動作させる材料としては十分ではないという問題があった。
特開平1-161759号公報 特開平1-246867号公報 特開平3-110824号公報 特開平8-55819号公報 特開平8-316498号公報

本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、通常の半導体材料に比べて、絶縁破壊電界が高く、熱伝導率が極めて良好で放熱性に優れ、化学的にも安定であり、またバンドギャップが大きいというダイヤモンド半導体の特性を最大限に活用するために、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作ショットキー電極を備えたダイヤモンド素子及びその製造方法を提供するものである。

上記の課題に鑑み、本発明は、半導体ダイヤモンド表面に形成するショットキー電極層の材料として窒化物導電体を使用するものであり、窒化物導電体のショットキー電極層を備えたダイヤモンド素子を提供するものである。
窒化物としては、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム等の窒化物を使用できる。これらの窒化物は、電極の耐熱性を格段に向上させることができる。
この場合、半導体ダイヤモンド表面上に、予め純金属、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物、金属炭化物から選択した一種以上の電極素子を形成し、この上にさらに上記窒化物導電体のキャップを形成して耐熱性を向上させても良い。本願発明は、これらのショットキー電極層を備えたダイヤモンド素子の全てを包含する。

また、上記窒化物導電体は単層又は多層に形成することができ、電極の耐熱性を同様に格段に向上させることができる。
また、ショットキー電極層の周囲に、半導体ダイヤモンド層に埋め込まれた高抵抗材料層を形成することもできる。この場合、より破壊電界を改善することができる。この場合、高抵抗材料層の表面は、半導体ダイヤモンドの表面と同一平面内とすることもできる。この場合は、後工程のリソグラフィーによるパターン作成を容易にするという効果がある。

半導体ダイヤモンド表面のショットキー電極層と同一表面又は裏面に、オーム性電極を形成する。この電極は通常の電極とすることもで、またこのオーム性電極を導電性及び耐化学反応性に優れた材料とし、放熱性を持たせ耐熱性を向上させると同時に耐酸化性等に優れた材料とすることができる。
ダイヤモンド素子の製造に際しては、絶縁体ダイヤモンド層又は金属的ダイヤモンド層上に半導体ダイヤモンド層を形成し、さらにその上に窒化物導電体からなるショットキー電極層を形成する。半導体ダイヤモンド層は、公知の技術を使用して製造することができる。
窒化物導電体層の形成並びに純金属、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物、金属炭化物から選択した一種以上の電極素子及び窒化物導電体からなるキャップ層の形成は、公知の蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、CVD法、プラズマCVD法によって形成することができる。各種の層の形成方法については、特に制限はない。

以上によって、ショットキー電極を、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作できる材料とすることにより、ダイヤモンド半導体材料と同様の特性を保有させ、ダイヤモンド半導体の特性を最大限に活用することができるという優れた効果を有する。

次に、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。

図１は、ショットキーダイオードの例を示す（例１）。下層は絶縁体ダイヤモンド層１を示す。ダイヤモンドの純度が高いほど良好な絶縁性を示す。一般には、ダイヤモンドエピタキシャル層を形成する。ダイヤモンドエピタキシャル層は、平坦性及び結晶性に優れている。
このようなダイヤモンド絶縁層１を形成する手段としては、特に制限はなく、公知の方法を使用することができる。原料ガスを直流、高周波又はマイクロ波電界による放電を利用する方法、イオン衝撃を利用する方法、レーザー光等の光を使用して原料ガスを分解して形成する方法、熱電子を利用して原料ガスを活性化する方法などである。これにより良好なダイヤモンド絶縁層１を形成することができる。

このようにして得た絶縁体ダイヤモンド層１の表面に、半導体ダイヤモンド層２を形成する。オーム性電極２とショットキー電極（整流性電極）の位置に硼素、アルミニウム等の不純物をドーピングしP型半導体、N型半導体とする。
これ自体はすでに公知であり、本願発明は、これらに特に制限を受けるものではない。そして、対応するショットキー電極３及びオーム性電極４及びを形成する。この例１は、ショットキー電極３とオーム電極４を半導体ダイヤモンド層２の同一平面上に形成した例を示している。
図１では、窒化タングステンからなる耐熱性に優れたショットキー電極３を形成した例を示している。

窒化タングステンからなるショットキー電極３は、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作できる。この窒化タングステンに替えて、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム等の窒化物を用いることができる。１層とすることもできるが、多層とすることもできる。
特に、ショットキー電極用窒化物として、窒化ジルコニウムが優れている。オーム電極４については、半導体ダイヤモンド層の上にチタン、白金・モリブデン、さらに金を被覆（キャップ）した三層構造の電極とした例である。

図２は、ショットキーダイオードの第２の例を示す。図１と同様に、下層は絶縁体ダイヤモンド層１を示す。図１と共通のところは、説明を省略する。
この図２では、純金属、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物、金属炭化物から選択した一種以上の電極素子５とそれの保護膜となる窒化物導電体からなるキャップ６からなるショットキー電極とオーム電極４を半導体ダイヤモンド層２の同一平面上に形成した例を示している。
このキャップ６は電極素子５の耐熱性を向上させるために重要であり、この例では、窒化タンタルからなるキャップ材料を示している。

窒化タンタルからなるキャップ材料を備えたショットキー電極は、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作できる。この窒化タンタルに替えて、上記と同様に窒化タングステン、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム等の窒化物を用いることができる。
オーム電極４の構造については、前記図１で述べた構造と同様であり、半導体ダイヤモンド層の上にチタン、白金・モリブデン、さらに金を被覆（キャップ）した三層構造の電極とした例である。

図３は、ショットキーダイオードの第３の例を示す。下層は金属的ダイヤモンド層７を示す。図１と共通のところは、説明を省略する。
金属的ダイヤモンド層７の上に半導体ダイヤモンド層２を形成する。この形成方法は図１と同様である。この半導体ダイヤモンド層２の上に、窒化タンタルからなる耐熱性に優れたショットキー電極３を形成した例を示している。
図１と同様に、窒化タンタルからなるショットキー電極３は、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作できる。この窒化タンタルに替えて、窒化タングステン、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム等の窒化物を用いることができる。１層とすることもできるが、多層とすることもできる。

上記図１及び図２と相異し、オーム電極４は半導体ダイヤモンド層２の反対側の平面上に形成した例を示す。したがって、金属的ダイヤモンド層７の反対の面に、オーム電極４を形成する。
構造としては、図１と同様に、金属的ダイヤモンド層７上に予めチタン層８を形成し、次に該チタン層８の上に白金、モリブデンからなる中間層９を形成し、さらにその上に金層１０を形成した三層構造の電極である。金層（キャップ）は、導電性に富み、耐酸化性にも富む。
これらのオーム電極４は、導電性、熱伝導性に富むので、同様に放熱性に優れているので耐熱性も向上する効果を有する。

図４は、ショットキーダイオードの第４の例を示す。この例は、図３に示す例の改良型を示すもので、ショットキー電極３の周囲に高抵抗層１１を形成した例を示している。図３と共通のところは、説明を省略する。
この高抵抗層１１は電界分布を緩和するという機能を備えており、より、破壊電界が改善された特性を得ることができる。図４では、高抵抗材料層の表面は、半導体ダイヤモンド層２の表面と同一平面内とする例を示している。この場合は、後工程のリソグラフィーによるパターン作成を容易にする効果がある。

これに替えて、同一平面内ではなく、膜厚のわずかな段差のある異平面とすることもできる。高抵抗層１１の材料としては、ボロンドープ層に水素、リン、アンチモン、炭素、窒素、アルゴンをイオン注入により改質した層などを挙げることができる。
上記図３及び図４においては、窒化物電極層３のみを示したが、当然ながら図２に示すように、純金属、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物、金属炭化物から選択した一種以上の電極素子５とそれの保護膜となる窒化物導電体からなるキャップ６からなるショットキー電極とすることもできる。

上記の各層の成膜方法をまとめて説明する。絶縁体ダイヤモンド層は、例えば水素雰囲気中のメタン濃度：0.01%〜20%程度、マイクロ波電力：600Ｗ〜5000Ｗ、基板温度：500°C〜1400°Cで作成することができる。
金属的なダイヤモンド層は、例えば水素雰囲気中のメタン濃度：0.01%〜20%程度、マイクロ波電力：600Ｗ〜5000Ｗ、基板温度：500°C〜1400°Cに対して、ボロンやアルミ等のIII属元素を、気相中濃度、炭素に対して50ppm以上の濃度で作成することができる。
半導体的なダイヤモンド層は、例えば水素雰囲気中のメタン濃度：0.01%〜20%程度、マイクロ波電力：600Ｗ〜5000W、基板温度：500°C〜1400°Cに対して、ボロンやアルミ、リン等のIII属元素又はV属元素を、気相中濃度、炭素に対して0.1ppm〜10%程度の濃度で作成することができる。

窒化物ショットキー電極層を形成する具体的な条件の例としては、例えば前記窒化物を電子ビーム蒸着（例えば、出力3kW程度）する方法により、若しくは同酸化物ターゲットを用いて、酸素を〜20%程度添加した雰囲気中で、RFスパッタリング法又はDCスパッタリング法などにより、又はレーザーアブレーション法により製膜することができる。
上記に一般的に使用される成膜条件を説明したが、これらは好適な例を示すものであり、発明の範囲がこれらの例に制限されるものではないことは知るべきである。

本発明のダイヤモンド素子及びその製造方法は、ショットキー電極を、高温大気下、放射線下等の過酷な環境下でも動作できる材料とすることにより、ダイヤモンド半導体材料が保有する、絶縁破壊電界が高く、熱伝導率が極めて良好で放熱性に優れ、化学的にも安定であり、またバンドギャップが大きいというダイヤモンド半導体の特性を最大限に活用することが可能となるので、ダイヤモンド発行デバイス、ダイヤモンドエミッタ、ダイヤモンドダイオード、ダイヤモンドトランジスタ等として、特に高温大気下、放射線下等の過酷な環境下で使用するダイヤモンド素子として極めて有用である。

ショットキー電極とオーム電極を半導体ダイヤモンド層の同一平面上に形成したショットキーダイオードの第一の例を示す説明図である。 ショットキー電極とオーム電極を半導体ダイヤモンド層の同一平面上に形成したショットキーダイオードの第二の例を示す説明図である。 ショットキー電極とオーム電極を半導体ダイヤモンド層の反対の面上に形成したショットキーダイオードの第三の例を示す説明図である。 ショットキー電極とオーム電極を半導体ダイヤモンド層の反対の面上に形成したショットキーダイオードの第四の例を示す説明図である。

符号の説明

１：絶縁体ダイヤモンド層
２：半導体ダイヤモンド層
３：ショットキー電極
４：オーム性電極
５：電極素子
６：キャップ
７：金属的ダイヤモンド層
８：チタン膜
９：白金、モリブデン膜
１０：金膜
１１：高抵抗層

Claims (10)

1. 半導体ダイヤモンド表面上に、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウムのいずれかの窒化物導電体からなるショットキー電極層を備えていることを特徴とするダイヤモンド素子。
2. 半導体ダイヤモンド表面上に、純金属、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物、金属炭化物から選択した一種以上の電極素子とその上に形成された窒化物導電体のキャップからなるショットキー電極層を備え、
   前記窒化物導電体が、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウムのいずれかの窒化物導電体であることを特徴とするダイヤモンド素子。
3. 窒化物導電体が単層又は多層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のダイヤモンド素子。
4. ショットキー電極層の周囲に、半導体ダイヤモンド層に埋め込まれた高抵抗材料層を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド素子。
5. 半導体ダイヤモンド表面のショットキー電極層と同一表面又は裏面に、オーム性電極を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンド素子。
6. 絶縁体ダイヤモンド層又は金属的ダイヤモンド層上に半導体ダイヤモンド層を形成し、さらにその上に、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウムのいずれかの窒化物導電体からなるショットキー電極層を形成したことを特徴とするダイヤモンド素子の製造方法。
7. 絶縁体ダイヤモンド層又は金属的ダイヤモンド層上に半導体ダイヤモンド層を形成し、次にその上に純金属、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物、金属炭化物から選択した一種以上の電極素子を形成し、さらにその上に、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウムのいずれかの窒化物導電体のキャップを形成して、ショットキー電極層としたことを特徴とするダイヤモンド素子の製造方法。
8. 窒化物導電体を単層又は多層に形成することを特徴とする請求項６又は７記載のダイヤモンド素子の製造方法。
9. ショットキー電極層の周囲に、半導体ダイヤモンド層に埋め込まれた高抵抗材料層を形成したことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のダイヤモンド素子の製造方法。
10. 半導体ダイヤモンド表面のショットキー電極層と同一表面又は裏面に、オーム性電極を形成したことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のダイヤモンド素子の製造方法。

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