JP5454867B2 - 単結晶ダイヤモンド基板 - Google Patents
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Description
本発明は、単結晶ダイヤモンド基板に関し、特に表面が平坦な単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板及びその表面上に平坦な堆積ダイヤモンド膜を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板に関する。
ダイヤモンドは他の半導体材料である、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮと比べて非常に優れた物性を有している。そのため、ダイヤモンドを用いた電子デバイスの実現が期待されている。また、ダイヤモンドは高密度励起子が生成可能であり、その特性を利用した光デバイスの実現も期待されている。
しかし、ダイヤモンドは物質中最高の硬度を持つことから、表面の平坦化は非常に困難とされていた。特に、結晶構造｛１１１｝面を有するダイヤモンドの表面の炭素原子の共有結合数は3本と、他の面方位の単結晶ダイヤモンドと比べて最も多く、表面の平坦化は最も困難とされていた。従来、エピタキシャル成長により得られたダイヤモンド膜中には不純物や結晶欠陥を持ち、またその表面においても異常成長粒子やマクロバンチング、そしてピットといった欠陥が形成されやすいことが知られている。
しかし、ダイヤモンドは物質中最高の硬度を持つことから、表面の平坦化は非常に困難とされていた。特に、結晶構造｛１１１｝面を有するダイヤモンドの表面の炭素原子の共有結合数は3本と、他の面方位の単結晶ダイヤモンドと比べて最も多く、表面の平坦化は最も困難とされていた。従来、エピタキシャル成長により得られたダイヤモンド膜中には不純物や結晶欠陥を持ち、またその表面においても異常成長粒子やマクロバンチング、そしてピットといった欠陥が形成されやすいことが知られている。
これらの欠陥はあらゆるデバイスにおいてその特性を劣化させる。他の材料を見てもデバイス特性において結晶の完全性や表面の平坦性は非常に重要であり、ダイヤモンドを用いたデバイス作製においても、これらの欠陥を低減させる必要がある。
ダイヤモンドの持つ優れた物性から期待されるデバイス特性を有するデバイスを実現するためには上述した欠陥を減らす必要がある。近年、我々はダイヤモンド｛１１１｝表面上を原子的に平坦化する技術を開発した（特許文献１）。しかし、その技術を用いた現段階における形成可能面積は数μｍ２の微小領域である（特許文献１及び非特許文献１参照）ため、基板スケールにおける高品質なダイヤモンド膜の形成技術及び表面平坦化技術が求められている。
ダイヤモンドの持つ優れた物性から期待されるデバイス特性を有するデバイスを実現するためには上述した欠陥を減らす必要がある。近年、我々はダイヤモンド｛１１１｝表面上を原子的に平坦化する技術を開発した（特許文献１）。しかし、その技術を用いた現段階における形成可能面積は数μｍ２の微小領域である（特許文献１及び非特許文献１参照）ため、基板スケールにおける高品質なダイヤモンド膜の形成技術及び表面平坦化技術が求められている。
N. Tokuda et al., Diamond & Related Materials 17 (2006) 1051-1054
本発明は、表面が平坦な単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板及びその表面上に平坦な堆積ダイヤモンド膜を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板を得ることを課題とする。
本発明の課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（１）表面にステップテラス構造を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板であって、＜-１-１２＞方向にオフ角を有することを特徴とする基板スケールで表面平坦化された単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板。
（２）基板表面上に、化学気相成長法による堆積ダイヤモンド膜を有することを特徴とする（１）に記載の単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板。
（１）表面にステップテラス構造を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板であって、＜-１-１２＞方向にオフ角を有することを特徴とする基板スケールで表面平坦化された単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板。
（２）基板表面上に、化学気相成長法による堆積ダイヤモンド膜を有することを特徴とする（１）に記載の単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板。
本発明によれば、表面欠陥が抑制された平坦面を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板あるいは化学気相成長法による堆積ダイヤモンド膜を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板が得られる。
本実施形態に用いる単結晶ダイヤモンド基板は、主面として｛１１１｝面を有しており、処理前の表面荒れＲＭＳ値を１ｎｍ以下とする。その基板を酸、あるいは、アルカリ溶液に浸漬することにより、及び又は、水素プラズマ処理を行うことにより、表面を原子レベルで平坦にすることができる。基板がオフ角を有する場合は、単原子ステップ、あるいは多段原子ステップと原子的に平坦なテラスを持つステップテラス構造を持つ。
本実施形態に用いる単結晶ダイヤモンド基板を作製するための基板は、主面として｛１１１｝面を有しており、
にオフ角を有するものを用いる。その基板上にダイヤモンドのホモエピタキシャル成長を行うことにより、成長丘等の表面欠陥が抑制された平坦な高品質堆積ダイヤモンド膜を有する単結晶ダイヤモンド基板を製造できる。
本発明の製造に係るホモエピタキシャル成長は、化学気相成長法を用いることができる。特に、マイクロ波プラズマ化学気相成長法を用いることが望ましい。
また本発明の製造に係る気相は、水素で希釈された炭素源ガスを用いることができる。炭素源ガスは、メタン、エタン等の炭化水素、及び又は、一酸化炭素や二酸化炭素の混合物を用いる。その際、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン等の希ガスを混合することも可能である。
さらに本発明の製造に係るホモエピタキシャル成長は、同時に不純物を導入することでp型あるいはn型半導体の堆積ダイヤモンド膜も製造できる。不純物は、ホウ素、リン、窒素、水素、硫黄、アルミニウム、ヒ素、ベリリウム等を用いる。そしてそれらの不純物を高濃度に導入することで、室温での比抵抗が１００Ωｃｍ以下の低抵抗かつ平坦面を有する高品質堆積ダイヤモンド膜も製造できる。
本発明における堆積ダイヤモンド膜は単一の特性の膜だけではなく、上記不純物を持った、及びあるいは不純物を持たない膜からなる複数の特性を持った積層膜とすることもできる。
また本発明の製造に係る気相は、水素で希釈された炭素源ガスを用いることができる。炭素源ガスは、メタン、エタン等の炭化水素、及び又は、一酸化炭素や二酸化炭素の混合物を用いる。その際、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン等の希ガスを混合することも可能である。
さらに本発明の製造に係るホモエピタキシャル成長は、同時に不純物を導入することでp型あるいはn型半導体の堆積ダイヤモンド膜も製造できる。不純物は、ホウ素、リン、窒素、水素、硫黄、アルミニウム、ヒ素、ベリリウム等を用いる。そしてそれらの不純物を高濃度に導入することで、室温での比抵抗が１００Ωｃｍ以下の低抵抗かつ平坦面を有する高品質堆積ダイヤモンド膜も製造できる。
本発明における堆積ダイヤモンド膜は単一の特性の膜だけではなく、上記不純物を持った、及びあるいは不純物を持たない膜からなる複数の特性を持った積層膜とすることもできる。
（実施例１）
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板表面を表面荒れＲＭＳ値を１ｎｍ以下にした（図１参照）。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板表面を表面荒れＲＭＳ値を１ｎｍ以下にした（図１参照）。
ＲＭＳの定義は、次の［数２］のとおりである。
数２において、F(X,Y)は、全測定データの示す面、(X,Y)の範囲は、(XL, YB)〜(XR, YT)、S0 = (XR-XL)・(YT-YB)である。
ここで評価面内のZデータの平均値Ｚ０は、［数３］のとおりである。
数２において、F(X,Y)は、全測定データの示す面、(X,Y)の範囲は、(XL, YB)〜(XR, YT)、S0 = (XR-XL)・(YT-YB)である。
ここで評価面内のZデータの平均値Ｚ０は、［数３］のとおりである。
その後、上記単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板を、酸、あるいは、アルカリ溶液に浸漬処理、及びあるいは、水素プラズマ処理を行った。その結果、ダイヤモンド｛１１１｝のバイレイヤーの単原子ステップ（０．２１ｎｍ）及び又は、そのｎ段原子ステップ（０．２１ｎｍ×ｎ、ｎ：自然数）と、原子的に平坦なテラス表面を持つステップテラス構造を形成することができる（図２参照）。
形成されるステップが単原子のとき、テラス幅ｗは次式で表わされる。
ｗ＝０．２１×ｔａｎθ
θ：基板のオフ角度
形成されるステップが単原子のとき、テラス幅ｗは次式で表わされる。
ｗ＝０．２１×ｔａｎθ
θ：基板のオフ角度
（実施例２）
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板を図３のように山形に加工した。それぞれの面はオフ角が２°とし、オフ方向を＜-１-１２＞と、
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板を図３のように山形に加工した。それぞれの面はオフ角が２°とし、オフ方向を＜-１-１２＞と、
とした（図４参照）。
その後、上記単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板を酸洗浄し、マイクロ波プラズマ化学気相成長法を用いてホモエピタキシャル成長を行った。その時の成長条件は、投入電力７５０Ｗ、圧力２５Ｔｏｒｒ，基板温度８００℃とし、水素流量を４００ｓｃｃｍ、メタン流量を０．１ｓｃｃｍとした。
その後、上記単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板を酸洗浄し、マイクロ波プラズマ化学気相成長法を用いてホモエピタキシャル成長を行った。その時の成長条件は、投入電力７５０Ｗ、圧力２５Ｔｏｒｒ，基板温度８００℃とし、水素流量を４００ｓｃｃｍ、メタン流量を０．１ｓｃｃｍとした。
成長後の光学顕微鏡像（図５参照）から、＜１１-２＞方向にオフ角を持つ表面は線状の欠陥や成長丘が観察できるが、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つ表面は平坦であった。また、原子間力顕微鏡像（図６参照）から、＜１１-２＞方向にオフ角を持つ表面荒れＲＭＳは０．５２ｎｍに対し、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つ表面荒れＲＭＳは０．１９ｎｍであり、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つ表面の方がより平坦であった。
ホモエピタキシャル成長中に、トリメチルボロンガスを添加し、膜中のホウ素濃度が１０２０ａｔｏｍｓ/ｃｍ３である高濃度ホウ素ドープ堆積ダイヤモンド膜を作製した。その表面の光学顕微鏡像を図７に示す。その成長後の光学顕微鏡像から、＜１１-２＞方向にオフ角を持つ表面は非常に荒れているが、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つ表面は平坦であることがわかった。
ホモエピタキシャル成長中に、リン化水素を添加し、膜中のリン濃度が１０２０ａｔｏｍｓ/ｃｍ３である高濃度リンドープ堆積ダイヤモンド膜を作製した。成長後の原子間力顕微鏡像（図８参照）から、＜１１-２＞方向にオフ角を持つ表面のラフネスのＲＭＳは７．１ｎｍに対し、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つ表面のラフネスのＲＭＳは３．３ｎｍであり、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つ表面は平坦であることがわかった。また、室温での比抵抗は、＜１１-２＞方向にオフ角を持つダイヤモンド膜は１５０Ωｃｍに対し、＜-１-１２＞方向にオフ角を持つダイヤモンド膜は６０Ωｃｍであり、高品質低抵抗堆積ダイヤモンド膜であることがわかった。
本発明は、平坦面を有した単結晶ダイヤモンド基板を作製することが可能であり、及びあるいは、平坦面を有した堆積ダイヤモンド膜を作製することが可能である。それらの基板及び堆積ダイヤモンド膜は真性半導体だけではなく、ｎ型あるいはｐ型半導体、及びあるいはそれらの高濃度ドープ層も作製可能である。また、それらの積層構造とすることも可能である。その結果、ダイヤモンドを用いたあらゆるデバイスの特性を向上させることが期待できる。
Claims (2)
- 表面にステップテラス構造を有する単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板であって、＜-１-１２＞方向にオフ角を有することを特徴とする基板スケールで表面平坦化された単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板。
- 基板表面上に、化学気相成長法による堆積ダイヤモンド膜を有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド｛１１１｝基板。
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