JP5887742B2 - ダイヤモンド基板 - Google Patents
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Description
本発明はダイヤモンド基板の上にラテラル成長型のエピタキシャル成長により得るダイヤモンド基板に関する。
単結晶のダイヤモンド膜のエピタキシャル成長において、｛１００｝結晶構造と｛１１１｝結晶構造を比較すると｛１００｝結晶構造はモザイクやヘテロエピタキシャル成長方法とプラズマＣＶＤの採用により大面積化、低コスト化の可能性が期待されているが、ドーピングによりＰ型半導体を得ることができてもＮ型を得るのが困難である。
一方、｛１１１｝結晶構造はＰ型とＮ型の両方が可能であるが、これまでにダイヤモンドの種結晶を用いた高温高圧合成法しかなく、装置に制限があり、大きなサイズの基板を得ることは難しい問題がある。
一方、｛１１１｝結晶構造はＰ型とＮ型の両方が可能であるが、これまでにダイヤモンドの種結晶を用いた高温高圧合成法しかなく、装置に制限があり、大きなサイズの基板を得ることは難しい問題がある。
｛１１１｝結晶構造は、非特許文献に記載されているとおり、エピタキシャル成長に伴いクラックが発生し、厚膜化できなかった。
また、デバイス特性において重要な膜表面の平坦性を確保することができなかった。
また、デバイス特性において重要な膜表面の平坦性を確保することができなかった。
Hydrogen incorporation control in high quality homoepitaxial diamond(111)growth,DIAMOND AND RELATED MATERIALS,(1999)Vol.8,p1291-1295
本発明はクラック等の欠陥がなく表面の平坦性に優れ、成長速度が速く低コスト化が可能な単結晶ダイヤモンド基板の製造方法及びそれにより得られる厚膜ダイヤモンド基板の提供を目的とする。
本発明に係るダイヤモンド基板の製造方法は、表面に２°以上（２°を除く）のオフ角を有し、結晶面｛１１１｝からなる母ダイヤモンド基板の上に直接、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いてラテラル成長が発現する条件下でダイヤモンドを成長させて得るものであり、前記ラテラル成長が発現する条件は、水素ガスにて希釈された炭素源ガスの供給量は０．０５〜１０％であり、前記ＣＶＤはプラズマＣＶＤであり、成長して得られた膜厚が２０μｍ以上で、表面がクラック等の欠陥のないＲＭＳの値で３．３８ｎｍ未満の平坦面であることを特徴とする。
本発明は合成ダイヤモンド等の結晶構造｛１１１｝母基板［結晶面が｛１１１｝からなる基板］の表面に２°以上のオフ角（傾斜面）を形成することで化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）においてラテラル成長を発現させたものである。
詳細は後述するが非特許文献１に示すように母ダイヤモンド基板にオフ角を有しないと、ゆっくりとした条件でしかも１０〜２０μｍ程度の薄膜でないと表面にクラックが発生してしまうのに対して本発明は２°以上の高オフ角の結晶構造｛１１１｝母ダイヤモンド基板を用いたのでエピタキシャル成長においてクラックの発生を抑えるとともに表面の平坦化を可能にした。
本発明においてオフ角は２〜１０°（２°を除く）の範囲が好ましい。
詳細は後述するが非特許文献１に示すように母ダイヤモンド基板にオフ角を有しないと、ゆっくりとした条件でしかも１０〜２０μｍ程度の薄膜でないと表面にクラックが発生してしまうのに対して本発明は２°以上の高オフ角の結晶構造｛１１１｝母ダイヤモンド基板を用いたのでエピタキシャル成長においてクラックの発生を抑えるとともに表面の平坦化を可能にした。
本発明においてオフ角は２〜１０°（２°を除く）の範囲が好ましい。
本発明にてＣＶＤにおける炭素源ガスの供給濃度は０．００１〜１０％の範囲が好ましく、特に０．０５％以上の比較的高濃度でもよく、さらに０．２〜１０％あるいは１．０〜１０％のような高濃度の条件でラテラル成長が可能であり、高速にて厚膜が得られる。
また、本発明にてＣＶＤはマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤを採用することができる。
また、本発明にてＣＶＤはマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤを採用することができる。
本発明は２°以上の高オフ角の結晶構造｛１１１｝の母ダイヤモンド基板の上にＣＶＤによりラテラル成長させたので厚さ５０μｍ以上の厚膜成長を可能にしたので形成された厚膜をレーザー等にて母基板より分離させることで自立型の単結晶｛１１１｝成長ダイヤモンド基板を得ることができる。
また、ＣＶＤによる成膜をデバイス等に利用する場合に２°以上のオフ角を有する結晶構造｛１１１｝のダイヤモンド基板上にＣＶＤを用いて膜厚２０μｍ以上の厚膜を形成することもできる。
特に表面の平坦性が優れ、欠陥の少ない厚み５０μｍ以上の厚膜を形成することもできる。
また、ＣＶＤによる成膜をデバイス等に利用する場合に２°以上のオフ角を有する結晶構造｛１１１｝のダイヤモンド基板上にＣＶＤを用いて膜厚２０μｍ以上の厚膜を形成することもできる。
特に表面の平坦性が優れ、欠陥の少ない厚み５０μｍ以上の厚膜を形成することもできる。
本発明はエピタキシャル成長させるための｛１１１｝母ダイヤモンド基板に２°以上のオフ角を形成したので、表面にクラックを発生させることなく平坦性に優れた厚膜の高速なラテラル成長を実現でき、母ダイヤモンド基板から成長厚膜を切り離すことで自立型の単結晶ダイヤモンド基板を得ることができるとともに、母ダイヤモンド基板を繰り返し使用でき、また自立ダイヤモンド基板を母ダイヤモンド基板として使用できるので低コストである。
本発明に係る｛１１１｝単結晶母ダイヤモンド基板を用いたエピタキシャル成長にはＣＶＤ（化学気相成長法）を用いることができ、特にマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤを用いるのが好ましい。
ラテラル成長条件としては圧力：１０〜２００Ｔｏｒｒ，基板温度：６００〜１２００℃，マイクロ波の出力１００〜５，０００Ｗの範囲が好ましい。
また、炭素源ガスとして水素で希釈したメタンガス、エタンガス、あるいはこれらと一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、アルゴン、窒素の混合ガスを用いることができる。
例えば水素ガス中のメタンガスの濃度を０．００１〜１０％の範囲に設定することができ、好ましくは０．０５〜１０％、特に０．２〜１０％の相対的に高濃度の条件にすると高速な膜成長になる。
本発明に係る｛１１１｝単結晶のダイヤモンド膜（成長ダイヤモンド基板）はドーピングによりｐ型あるいはｎ型の両方の半導体膜を得ることができる。
ドーピング原子としては、ホウ素、リンが代表例である。
ラテラル成長条件としては圧力：１０〜２００Ｔｏｒｒ，基板温度：６００〜１２００℃，マイクロ波の出力１００〜５，０００Ｗの範囲が好ましい。
また、炭素源ガスとして水素で希釈したメタンガス、エタンガス、あるいはこれらと一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、アルゴン、窒素の混合ガスを用いることができる。
例えば水素ガス中のメタンガスの濃度を０．００１〜１０％の範囲に設定することができ、好ましくは０．０５〜１０％、特に０．２〜１０％の相対的に高濃度の条件にすると高速な膜成長になる。
本発明に係る｛１１１｝単結晶のダイヤモンド膜（成長ダイヤモンド基板）はドーピングによりｐ型あるいはｎ型の両方の半導体膜を得ることができる。
ドーピング原子としては、ホウ素、リンが代表例である。
次に｛１１１｝母ダイヤモンド基板のオフ角を変化させてエピタキシャル成長による膜形成を比較調査した。
水素ガス流量２００ｓｃｃｍ，メタンガス流量０．５ｓｃｃｍ，７ｋＰａ，１５０Ｗ，１０２０℃、２０ｈの条件にてエピタキシャル成長させた膜の結果を図１〜３に示す。
図３（ａ）は母ダイヤモンド基板のオフ角が９°で図３（ｂ）は従来のオフ角０°の場合の表面光学顕微鏡像を示す。
オフ角０°の従来の方法では、表面に多数のクラックが発生していたのに対して本発明に係るオフ角９°のものはクラックの発生がなく正常であった。
図１にオフ角の変化による表面の光学顕微鏡像を示し、オフ角１°，０．５°のものは表面に段差状のスパイラル成長が認められるのに対して、オフ角２°，４°のものはスパイラル成長が認められずに平坦であった。
図２にＡＦＭ像を示すように（ａ）のオフ角２°のものはＲＭＳ＝０．０６ｎｍであったのに対して（ｂ）のオフ角０．５°のものはＲＭＳ＝３．３８ｎｍであった。
ここでＲＭＳとは、表面荒れの大きさを示す値で計算式は特開２０１０−２５１５９９号に開示する式を用いることができる。
水素ガス流量２００ｓｃｃｍ，メタンガス流量０．５ｓｃｃｍ，７ｋＰａ，１５０Ｗ，１０２０℃、２０ｈの条件にてエピタキシャル成長させた膜の結果を図１〜３に示す。
図３（ａ）は母ダイヤモンド基板のオフ角が９°で図３（ｂ）は従来のオフ角０°の場合の表面光学顕微鏡像を示す。
オフ角０°の従来の方法では、表面に多数のクラックが発生していたのに対して本発明に係るオフ角９°のものはクラックの発生がなく正常であった。
図１にオフ角の変化による表面の光学顕微鏡像を示し、オフ角１°，０．５°のものは表面に段差状のスパイラル成長が認められるのに対して、オフ角２°，４°のものはスパイラル成長が認められずに平坦であった。
図２にＡＦＭ像を示すように（ａ）のオフ角２°のものはＲＭＳ＝０．０６ｎｍであったのに対して（ｂ）のオフ角０．５°のものはＲＭＳ＝３．３８ｎｍであった。
ここでＲＭＳとは、表面荒れの大きさを示す値で計算式は特開２０１０−２５１５９９号に開示する式を用いることができる。
次に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いてオフ角９°の｛１１１｝母ダイヤモンド基板，水素ガス３９９ｓｃｃｍ，メタンガス１ｓｃｃｍ，酸素ガス０．２５ｓｃｃｍ，１２００Ｗ，基板温度９００℃，成長時間１００時間の成長を実施した。
その結果、厚さ約０．１ｍｍの成長膜を得ることができ、レーザーカットにより自立型の｛１１１｝単結晶成長ダイヤモンド基板を得ることができた。
その結果、厚さ約０．１ｍｍの成長膜を得ることができ、レーザーカットにより自立型の｛１１１｝単結晶成長ダイヤモンド基板を得ることができた。
次に、母ダイヤモンド基板のオフ角を２°以上に設定した理由を説明する。
｛１１１｝母ダイヤモンド基板にエッチング方法でメサ構造を形成し、螺旋転位を起点とした略三角形のスパイラル成長をさせたステップ成長の成長丘の写真を図４に示す。
ステップ−ステップ間隔Ｗｓ−ｓは（ａ）の１重螺旋転位で最小Ｗｓ−ｓ≒９ｎｍ，（ｂ）の２重螺旋転位で最小Ｗｓ−ｓ≒６ｎｍであった。
図５に模式図を示す。
ラテラル成長になるようにオフ角を制限するにはＷｔ＜Ｗｓ−ｓ，Ｗｔ＝０．２０６［ｎｍ］／ｔａｎθ の条件からＷｔ＜６ｎｍ，θ＞１．９７°となり、オフ角θが約２°以上であればラテラル成長に抑制することができる。
｛１１１｝母ダイヤモンド基板にエッチング方法でメサ構造を形成し、螺旋転位を起点とした略三角形のスパイラル成長をさせたステップ成長の成長丘の写真を図４に示す。
ステップ−ステップ間隔Ｗｓ−ｓは（ａ）の１重螺旋転位で最小Ｗｓ−ｓ≒９ｎｍ，（ｂ）の２重螺旋転位で最小Ｗｓ−ｓ≒６ｎｍであった。
図５に模式図を示す。
ラテラル成長になるようにオフ角を制限するにはＷｔ＜Ｗｓ−ｓ，Ｗｔ＝０．２０６［ｎｍ］／ｔａｎθ の条件からＷｔ＜６ｎｍ，θ＞１．９７°となり、オフ角θが約２°以上であればラテラル成長に抑制することができる。
ダイヤモンド基板は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＳｉＣ，ＧａＮ等に比較して半導体特性に優れ、本発明に係る成長ダイヤモンド基板は高速で成長が可能で、クラックの発生もなく表面が平坦であるので、電子デバイス，光デバイス，ホワイトデバイス等広くの分野への展開が期待される。
Claims (1)
- 表面に２°以上（２°を除く）のオフ角を有し、結晶面｛１１１｝からなる母ダイヤモンド基板の上に直接、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いてラテラル成長が発現する条件下でダイヤモンドを成長させて得るものであり、
前記ラテラル成長が発現する条件は、
水素ガスにて希釈された炭素源ガスの供給量は０．０５〜１０％であり、
前記ＣＶＤはプラズマＣＶＤであり、
成長して得られた膜厚が２０μｍ以上で、表面がクラック等の欠陥のないＲＭＳの値で３．３８ｎｍ未満の平坦面であることを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法。
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