JP5239574B2 - 気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板に関し、特に半導体用途にも使用できる高品質な単結晶基板であり、短時間かつ低コストで製造することが可能であり、成膜開始時の多結晶成長を抑制することができる気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板に関する。
ダイヤモンドは高熱伝導率、高い電子・正孔移動度、高い絶縁破壊電界強度、低誘電損失、そして広いバンドギャップといった、半導体材料として他に類を見ない、優れた特性を数多く備えている。特に近年では、広いバンドギャップを活かした紫外発光素子や、優れた高周波特性を持つ電界効果トランジスタなどが開発されつつある。
ダイヤモンドを半導体として利用することを考えた場合、できるだけ大面積のものを安価に作製することが必要とされる。現在、ダイヤモンド単結晶は主に高温高圧合成法を用いて作製している。これは結晶性に優れ、物性上は半導体基板として利用可能であるが、得られる単結晶のサイズは1cm級までが限界となっている。
そこで、気相合成法による単結晶のエピタキシャル成長させる条件が検討されており、さらには気相合成法により大面積の単結晶を製造する方法が検討されている。
例えば、特許文献1には複数の単結晶ダイヤモンドの方位をそろえて並べ、これの上にダイヤモンドを気相合成法により成長させることによりダイヤモンド単結晶を製造する方法が開示されている。しかし、このような方法で製造されたダイヤモンド単結晶は結晶欠陥が多く、光学用や半導体基板としては充分な品質ではない。
さらに、単結晶基板上へ気相合成法で成長させる際に、作製ガス中に窒素を含有させることで成長速度を上げることが可能となり、大面積、厚膜品を作製するコストを著しく下げることができる技術も開示されている(特許文献2)。
特開平3−75298号公報 特開2007−191362号公報
従来の技術である高温高圧法では大面積や厚膜のダイヤモンド単結晶を作製するにはコストがかかる。また気相合成法で作製する際に窒素を導入し、成長速度を大きくすることで製作コストを下げることが可能であるが、この方法で作製したものは抵抗率が低く、高電界を印加した使用において漏れ電流が大きく精密電子部品に適用することができないといった問題点があった。
そこで本発明は、短時間かつ低コストで大面積、厚膜品のダイヤモンド単結晶を提供することを目的とする。また、抵抗率の高い気相合成法で作製したダイヤモンド単結晶基板を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を採用した。
(1)ダイヤモンド単結晶基板であって、該基板内の炭素原子に対する窒素原子の含有量が5.1ppm以上100ppm以下であり、かつ、基板内の炭素原子に対するSi原子の含有量が1.0ppm以上100ppm以下であり、該基板における抵抗率が1.0×1016Ω・cm以上であることを特徴とする気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板である。
)前記単結晶基板が、基板厚み1mm以上であることを特徴とする上記(1)に記載の気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板である。
種基板であるダイヤモンド単結晶を用意する工程と、前記ダイヤモンド単結晶から気相合成法によって単結晶を成長させる工程と、を有し、前記単結晶を成長させる工程において、単結晶基板中の炭素原子に対する窒素原子の含有量が5.1ppm以上100ppm以下となるように窒素ガスを添加すると共に前記ダイヤモンド単結晶の周辺にSi基板を配置することにより、単結晶基板中の炭素原子に対するSi原子の含有量を1.0ppm以上100ppm以下とし、抵抗率が1.0×1016Ω・cm以上であるダイヤモンド単結晶基板を得ることを特徴とするダイヤモンド単結晶基板の製造方法である。
本発明によれば、単結晶ダイヤモンドを気相合成で作製する際に、合成ガス中に窒素を導入することで、大面積、厚膜品の作製時コストを低減することが可能である。また、抵抗率を高くすることで高電界を印加する半導体用途での使用も可能となる。
以下、本発明に係る実施形態の一例を説明する。
ダイヤモンド単結晶基板を得るためには、例えば高温高圧合成で作製した単結晶基板上に気相合成法により成長をさせる方法が一般的であり、この気相合成法で作製したもののみを取り出すことで所望のダイヤモンド単結晶基板を得ることができる。
気相合成法によるダイヤモンド単結晶基板の作製時に使用するガスは、水素と、炭素源を含んだガス、例えばアセトンやメタンといったものである。この際、ガス中に窒素を添加することで成膜速度を向上させることができる。これにより製造スピードが上がり、大面積、厚膜品作製のコストを低減することができる。この場合元の基板が、高温高圧基板でなく気相合成法で作製した基板であっても問題はない。
また窒素を含有させることで半導体用途への使用も可能となる。本実施形態における窒素含有量は炭素原子に対して5ppm以上100ppm以下である。望ましくは20ppm以上80ppm以下であり、より望ましくは30ppm以上70ppm以下である。5ppm未満では十分に半導体特性を出すことができず、100ppmを超えると不純物量が大きくなりすぎ、十分に高い移動度を持った半導体とならない。
窒素含有量は、成長中に添加する窒素量、基板温度、マイクロ波出力等を変更することで調整可能である。また抵抗率が1.0×1016Ω・cmよりも小さい場合には、漏れ電流の発生が大きくなり半導体として使用することができない。抵抗率を上げるためには、作製時にSiを含んだ治具を使用することで、Siを含ませることが可能となる。
本実施形態における炭素原子に対するSi原子は1ppm以上100ppm以下が好ましい。望ましくは2.0ppm以上80ppm以下であり、さらに望ましくは5ppm以上50ppm以下である。Si原子が1ppm以上100ppm以下であれば、作製されたダイヤモンド単結晶基板における抵抗率を1.0×1016Ω・cm以上にすることが可能である。
また電子部品などのデバイスへダイヤモンド単結晶基板を使用するためには、基板厚1mm以上の厚みが必要である。基板厚1mm未満では加工等を行う際に、割れや穴が空いてしまい使用できない。
以下、本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の一例を実施例及び比較例として開示する。
6mm×4mm、厚さ0.45mmの人工Ib型単結晶{100}基板を用意して、マイクロ波プラズマCVDによるエピタキシャル成長を行った。ここで、基板温度は1050℃、圧力100Torrでおこなった。
導入したガスはメタン200sccm(standard cubiccm)、水素1000sccmとした。8枚の人工Ib型単結晶基板について、夫々前記のガス条件で成長を行い、全ての基板について気相合成で成長させた部分のみ切り出しを行なった。
それぞれの基板について、SIMSによる炭素原子に対する窒素原子及びSi原子の含有量を測定した。また、抵抗率についても測定を行なった。結果は表1の通りである。No.1〜6は成長を行なう際に、図1に示す如く基板1の側面を保護した形でMo板3上にSi基板2を配置した。No.6〜8はMo板3の上に基板1を配置したのみとし、周辺にSi基板2は配置しなかった。添加する窒素ガスは0.1〜50sccmの範囲で調整した。全て気相合成で作製した部分の厚みが1.5mm以上となるように成長を行なった。
さらに、上記と同様の製造方法をとるが、作製品の厚みが1.1mmになるもの(No.9)と0.9mmとなるもの(No.10)をそれぞれ1枚づつ作製した。
Figure 0005239574
No.1については製作時間が、他に比べ倍以上かかり作製コストが高くなった。全てについて、実際に半導体デバイスへの適用するための加工を行った。No.2,3,4については、半導体としての使用も可能であったが、No.5,6,7,8については半導体として使用できる電気特性が現われなかった。
さらに、作製品の厚みが1.1mmになるもの(No.9)と0.9mmとなるもの(No.10)についてもデバイスへの加工を行ったが、No.9については問題なくデバイスが完成したが、No.10については作製時に割れが起こった。
気相合成法によって本発明に係るダイヤモンド単結晶基板を製造する方法の一例を示す概念図である。(a)は平面図、(b)は正面断面図である。
符号の説明
1 基板
2 Si基板
3 Mo板

Claims (3)

  1. ダイヤモンド単結晶基板であって、該基板内の炭素原子に対する窒素原子の含有量が5.1ppm以上100ppm以下であり、かつ、基板内の炭素原子に対するSi原子の含有量が1.0ppm以上100ppm以下であり、該基板における抵抗率が1.0×1016Ω・cm以上であることを特徴とする気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板。
  2. 前記単結晶基板が、厚み1mm以上であることを特徴とする請求項1に記載の気相合成法で作製されたダイヤモンド単結晶基板。
  3. 種基板であるダイヤモンド単結晶を用意する工程と、前記ダイヤモンド単結晶から気相合成法によって単結晶を成長させる工程と、を有し、前記単結晶を成長させる工程において、単結晶基板中の炭素原子に対する窒素原子の含有量が5.1ppm以上100ppm以下となるように窒素ガスを添加すると共に前記ダイヤモンド単結晶の周辺にSi基板を配置することにより、単結晶基板中の炭素原子に対するSi原子の含有量を1.0ppm以上100ppm以下とし、抵抗率が1.0×1016Ω・cm以上であるダイヤモンド単結晶基板を得ることを特徴とするダイヤモンド単結晶基板の製造方法。
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