JP5831015B2 - 半導体多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態のダイヤモンドは、半導体の性質を示す多結晶ダイヤモンドであり、ドーパントによって電気伝導率を制御可能である。該半導体多結晶ダイヤモンドは、ナノスケールの結晶粒、すなわち1nm以上1μm未満の範囲の粒径の結晶粒からなる多結晶体である。上限値の根拠は、粒径が1μm以上であると、単結晶のへき開され易いという性質が反映され、硬さが90GPa以下程度となり、単結晶と同等になってしまうからである。また、下限値の根拠は、1nm以下の粒径、すなわち粒界の厚さと粒径が同等以下になると、粒界の性質がその多結晶体の性質を支配するようになり、いわゆる粒界滑りが優勢となり、やはり硬さが低くなるからである。上記ダイヤモンド結晶粒の平均粒径は、好ましくは、10nm以上200nm以下であり、より好ましくは、10nm以上50nm以下である。
ダイヤモンドの製造方法の1つとして単結晶合成が知られている。しかし、この単結晶合成では、一般にダイヤモンド中に500ppm以上のドーパントの導入は困難である。また、セクター依存性があるため、たとえば(100)成長面にはドーパントが入り難く、個体内のドーパント濃度分布も大きい。
原料炭素として、B4Cを原料として硼素濃度1×1020/cm3に固溶したグラファイトを利用した。超高圧装置を用い、合成温度2200℃、15GPaで上記グラファイトから直接多結晶ダイヤモンドを得た。ダイヤモンド多結晶の結晶粒径は、各々数μmから数十μm程度であった。これは、B4Cが触媒作用をしたことと、硼素が偏析しやすい為であると考えられる。また、X線パターンから、B4Cの析出が見られた。この多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は70GPaであった。
Claims (10)
- 平均粒径が10nm以上200nm以下のダイヤモンド結晶粒と、
5×1014/cm3以上5×1019/cm3以下の硼素および不可避不純物とで構成され、
温度が上昇した際に電気抵抗が減少する特性を有するように前記硼素を前記ダイヤモンド結晶粒中に分散させた、半導体多結晶ダイヤモンド。 - 90GPa以上のヌープ硬度を有する、請求項1に記載の半導体多結晶ダイヤモンド。
- ダイヤモンド結晶粒の平均粒径が10nm以上50nm以下である、請求項1または請求項2に記載の半導体多結晶ダイヤモンド。
- 100℃以上700℃以下の温度範囲での電気抵抗が、室温における電気抵抗よりも低い、請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体多結晶ダイヤモンド。
- 前記半導体多結晶ダイヤモンドの表面における前記硼素の濃度は、前記半導体多結晶ダイヤモンドの内部の前記硼素の濃度の0.1倍以上10倍以下である、請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体多結晶ダイヤモンド。
- 前記半導体多結晶ダイヤモンドの表面における前記硼素の濃度は、前記半導体多結晶ダイヤモンドの内部の前記硼素の濃度の0.2倍以上5倍以下である、請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体多結晶ダイヤモンド。
- 前記半導体多結晶ダイヤモンドの表面における前記硼素の濃度は、前記半導体多結晶ダイヤモンドの内部の前記硼素の濃度の0.9倍以上1.1倍以下である、請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体多結晶ダイヤモンド。
- 気相合成により、硼素を5×1014/cm3以上5×1019/cm3以下含むグラファイトを作製する工程と、
1200℃以上2500℃以下の温度、7GPa以上25GPa以下の圧力で前記グラファイトを直接ダイヤモンドに変換する工程とを備えた、半導体多結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記グラファイトは、前記硼素を置換型元素として含む、請求項8に記載の半導体多結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記グラファイトにおいて、前記硼素と炭素が原子レベルで結合する、請求項8または請求項9に記載の半導体多結晶ダイヤモンドの製造方法。
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