JP7017299B2 - Manufacturing method of diamond electronic element and diamond electronic element - Google Patents

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本発明は、ダイヤモンド電子素子及びダイヤモンド電子素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a diamond electronic element and a method for manufacturing a diamond electronic element.

ダイヤモンドは、5.47eVのワイドバンドギャップで絶縁破壊電界強度も10MV/cmと非常に高い。更に物質で最高の熱伝導率を有することから、これを電子デバイスに用いれば、高出力電力デバイスとして有利である。 Diamond has a wide bandgap of 5.47 eV and a very high dielectric breakdown electric field strength of 10 MV / cm. Furthermore, since it has the highest thermal conductivity of a substance, it is advantageous as a high-output power device if it is used for an electronic device.

また、ダイヤモンドは、ドリフト移動度も高く、Johnson性能指数を比較しても、半導体の中でも最も高速電力デバイスとしても有利である。従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。 In addition, diamond has high drift mobility and is advantageous as the fastest power device among semiconductors even when compared with the Johnson figure of merit. Therefore, diamond is said to be the ultimate semiconductor suitable for high frequency and high power electronic devices.

現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、高温高圧法(HPHT)で合成されたIb型と呼ばれるダイヤモンドがほとんどである。このIb型ダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、かつ最大でも8mm角程度のサイズ迄しか得られず、実用性は低い。また、HPHT基板を多数個並べて繋ぎあわせるモザイク法と呼ばれるものも提案させている(非特許文献1)が、継目の不完全性の問題は残されている。 Currently, most single crystal diamonds for manufacturing diamond semiconductors are diamonds called Ib type synthesized by the high temperature and high pressure method (HPHT). This Ib-type diamond contains a large amount of nitrogen impurities and can only be obtained up to a size of about 8 mm square at the maximum, and is not practical. In addition, a method called a mosaic method in which a large number of HPHT substrates are arranged side by side and joined together is also proposed (Non-Patent Document 1), but the problem of imperfections in the seams remains.

それに対して、気相合成(Chemical Vapor Deposition:CVD)法では、多結晶ダイヤモンドならば、高純度に6インチ(150mm)径程度の大面積なダイヤモンドが得られるものの、通常電子デバイスに適する、単結晶化が困難であった。これは、基板として従来単結晶Siが用いられるため、ダイヤモンドとの格子定数の差が大きく(ミスマッチ度52.6%)直接ヘテロエピタキシャル成長させることが非常に困難であるからである。 On the other hand, in the Chemical Vapor Deposition (CVD) method, polycrystalline diamond can obtain a large area diamond with a diameter of about 6 inches (150 mm) with high purity, but it is usually suitable for electronic devices. It was difficult to crystallize. This is because, since single crystal Si is conventionally used as a substrate, the difference in lattice constant from diamond is large (mismatch degree 52.6%), and it is very difficult to directly grow heteroepitaxially.

このため、種々の検討が進み、Pt(非特許文献2)やIr(非特許文献3)を下地膜としてこの上にダイヤモンドを製膜することが有効であるとの報告がある。 Therefore, various studies have progressed, and it has been reported that it is effective to form a diamond on Pt (Non-Patent Document 2) or Ir (Non-Patent Document 3) as a base film.

現在、特にIr下地膜を用いた研究が最も進んでいる。これは、MgOなどの基材上にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させる。次に、DCプラズマ法で水素希釈メタンガスによるバイアス前処理、更にプラズマCVD法でダイヤモンド長時間成長を行って、通常400μm~1000μm厚程度のダイヤモンドの自立基板としてから利用するものである。 Currently, research using Ir undercoat is the most advanced. This causes the Ir film to grow heteroepitaxially on a substrate such as MgO. Next, the DC plasma method is used for bias pretreatment with hydrogen-diluted methane gas, and the plasma CVD method is used for long-term growth of diamond, which is usually used as a self-supporting substrate for diamond having a thickness of about 400 μm to 1000 μm.

しかしながら、基材とIr膜、更にはダイヤモンドの線膨張係数の差は大きく、例えばMgO基板とIr膜、更にはダイヤモンドの線膨脹係数がそれぞれ、13.8×10-6-1、7.1×10-6-1、1.1×10-6-1であり、ダイヤモンドと下地基板との間には大きな熱応力が発生する(非特許文献4)。 However, the difference in the linear expansion coefficient between the substrate and the Ir film, and also the diamond is large. For example, the linear expansion coefficients of the MgO substrate and the Ir film, and further the diamond are 13.8 × 10 -6K -1 , 7. It is 1 × 10 -6 K -1 and 1.1 × 10 -6 K -1 , and a large thermal stress is generated between the diamond and the underlying substrate (Non-Patent Document 4).

また、ダイヤモンドは一般的に結晶成長と共に急激に大きな内部応力が発生することも判っている(非特許文献5)。実際に、Ir製膜済み基材上にダイヤモンドを200μm、場合によっては1mm程度まで厚く形成を試みた例もあるが、そのままではやはりクラックが入ってしまい、実用にならない(非特許文献6)。 It is also known that diamond generally rapidly generates a large internal stress with crystal growth (Non-Patent Document 5). Actually, there is an example of trying to form diamond as thick as 200 μm, and in some cases, about 1 mm on an Ir film-formed substrate, but if it is left as it is, cracks will still occur and it will not be practical (Non-Patent Document 6).

また、HPHTにしても従来のヘテロエピダイヤモンド自立基板にしても、ハンドリング可能な程度の厚みまでのダイヤモンド成長と、スライス、大きな凹凸表面に対する研磨加工などがあり、高コストとなってしまうプロセス要素を多く含むものであった。 In addition, both HPHT and conventional heteroepic diamond self-supporting substrates have process elements that increase costs due to diamond growth to a thickness that can be handled, slicing, and polishing of large uneven surfaces. It contained a lot.

H.Yamada,Appl.Phys.Lett.104,102110(2014).H. Yamada, Appl. Phys. Let. 104, 102110 (2014). Y.Shintani,J.Mater.Res.11,2955(1996).Y. Shintani, J.M. Mater. Res. 11,2955 (1996). K.Ohtsuka,Jpn.J.Appl.Phys.35,L1072(1996).K. Ohtsuka, Jpn. J. Apple. Phys. 35, L1072 (1996). A.K.Shinha,J.Appl.Phys.49,2423(1978).A. K. Shinha, J.M. Apple. Phys. 49,2423 (1978). H.Noguchi,J.Vac.Sci.Technol.B16,1167(1998).H. Noguchi, J.M. Vac. Sci. Technol. B16, 1167 (1998). 澤邊厚仁,日本結晶成長学会誌39,179(2012).Atsushi Sawabe, Journal of the Japanese Society for Crystal Growth 39,179 (2012).

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子及びダイヤモンド電子素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a large area, low cost, high quality diamond electronic element and a method for manufacturing a diamond electronic element.

上記目的を達成するために、本発明によれば、ダイヤモンド電子素子であって、
シリコン基材と、該シリコン基材上に形成され、単結晶MgO層、単結晶SrTiO層、α-Al層、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層のいずれかからなる中間層と、該中間層上に形成され、イリジウム層、ロジウム層、白金層のいずれかからなる下地層と、該下地層上に形成された単結晶ダイヤモンド層とを有し、
前記単結晶ダイヤモンド層の厚みが、300μm以下のものであることを特徴とするダイヤモンド電子素子を提供する。
In order to achieve the above object, according to the present invention, it is a diamond electronic element.
A silicon substrate, an intermediate layer formed on the silicon substrate and composed of any one of a single crystal MgO layer, a single crystal SrTiO 3 layer, an α-Al 2O 3 layer, and a YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer. It has a base layer formed on the intermediate layer and composed of any of an iridium layer, a rhodium layer, and a platinum layer, and a single crystal diamond layer formed on the base layer.
Provided is a diamond electronic device characterized in that the thickness of the single crystal diamond layer is 300 μm or less.

このようなものであれば、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子となる。特に、単結晶ダイヤモンド層の厚みが300μm以下であるので、単結晶ダイヤモンド層を形成する時間が短くなる。また、単結晶ダイヤモンド層の表面の凹凸が抑制されたものとなるので、研磨加工に要する時間が短くなる。そのため、低コストなものとなる。また、単結晶ダイヤモンド層の反りが抑制されるため、クラックの発生や破損が防止され、研磨加工やデバイス作製を容易に行うことができるものとなる。 Such a device would be a large area, low cost, high quality diamond electronic device. In particular, since the thickness of the single crystal diamond layer is 300 μm or less, the time for forming the single crystal diamond layer is shortened. Further, since the unevenness of the surface of the single crystal diamond layer is suppressed, the time required for the polishing process is shortened. Therefore, the cost is low. Further, since the warp of the single crystal diamond layer is suppressed, the generation and breakage of cracks are prevented, and the polishing process and the device can be easily manufactured.

このとき、前記シリコン基材と前記中間層との間に、金、白金、チタン、クロム、イリジウム、ロジウム、シリコン、酸化シリコン(SiO)のいずれかからなる薄膜が1層以上形成されたものであることが好ましい。 At this time, one or more thin films made of gold, platinum, titanium, chromium, iridium, rhodium, silicon, or silicon oxide (SiO 2 ) are formed between the silicon base material and the intermediate layer. Is preferable.

このようなものであれば、薄膜が介在していることによって、中間層とシリコン基材との接続性が向上して、より良好な中間層が形成されたものとなる。 In such a case, the interposition of the thin film improves the connectivity between the intermediate layer and the silicon base material, and a better intermediate layer is formed.

またこのとき、前記単結晶ダイヤモンド層の結晶性が、波長λ=1.54ÅのX線回折法で分析したダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅(FWHM)が3°以下のものであることができる。 At this time, the crystallinity of the single crystal diamond layer is the rocking curve half width at half maximum of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 °, which is attributed to diamond (004) analyzed by the X-ray diffraction method having a wavelength of λ = 1.54 Å. FWHM) can be 3 ° or less.

このような範囲の半値幅を有するものであれば、充分なデバイス性能を得ることが可能となる。 Sufficient device performance can be obtained as long as it has a half-value width in such a range.

またこのとき、前記単結晶ダイヤモンド層は、ボロン不純物を導入したp型単結晶ダイヤモンド、リン不純物を導入したn型単結晶ダイヤモンド、不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドのいずれかから選択される単結晶ダイヤモンド層が2層以上積層されたものであることが好ましい。 At this time, the single crystal diamond layer is selected from one of a p-type single crystal diamond into which a boron impurity is introduced, an n-type single crystal diamond into which a phosphorus impurity is introduced, and a high-resistance single crystal diamond into which no impurity is introduced. It is preferable that two or more crystalline diamond layers are laminated.

このような、2層以上よりなる積層の単結晶ダイヤモンド層が形成されたものとすることで、目的に応じて種々のデバイスとして好適に動作させることができる。 By forming such a laminated single crystal diamond layer composed of two or more layers, it can be suitably operated as various devices depending on the purpose.

また、本発明によれば、ダイヤモンド電子素子の製造方法であって、
シリコン基材を準備する準備工程と、該シリコン基材上に単結晶MgO層、単結晶SrTiO層、α-Al層、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層の内のいずれかからなる中間層を形成する中間層工程と、前記中間層上にイリジウム層、ロジウム層、白金層のいずれかからなる下地層を形成する下地層工程と、前記下地層上に単結晶ダイヤモンド層を形成する単結晶ダイヤモンド層工程とを含み、
前記単結晶ダイヤモンド層工程において形成する前記単結晶ダイヤモンド層の厚みを、300μm以下とすることを特徴とするダイヤモンド電子素子の製造方法を提供する。
Further, according to the present invention, it is a method for manufacturing a diamond electronic element.
It consists of a preparatory step for preparing a silicon substrate, and one of a single crystal MgO layer, a single crystal SrTiO 3 layer, an α-Al 2O 3 layer, and a YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer on the silicon substrate. An intermediate layer step of forming an intermediate layer, an underlayer step of forming an underlayer composed of an yttria layer, a rhodium layer, or a platinum layer on the intermediate layer, and a single crystal diamond layer being formed on the underlayer. Including single crystal diamond layer step
Provided is a method for manufacturing a diamond electronic element, characterized in that the thickness of the single crystal diamond layer formed in the single crystal diamond layer step is 300 μm or less.

このようにすれば、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子を製造することができる。特に、単結晶ダイヤモンド層の厚みを300μm以下とするので、単結晶ダイヤモンド層を形成するための時間が短くなる。また、単結晶ダイヤモンド層の表面の凹凸を抑制することができるので、研磨加工に要する時間も短くなる。そのため、低コストとすることができる。また、単結晶ダイヤモンド層の反りが抑制されるため、クラックの発生や破損を防止することができ、研磨加工やデバイス作製を容易に行うことができる。 In this way, a large area, low cost, high quality diamond electronic device can be manufactured. In particular, since the thickness of the single crystal diamond layer is 300 μm or less, the time for forming the single crystal diamond layer is shortened. Further, since the unevenness of the surface of the single crystal diamond layer can be suppressed, the time required for the polishing process is shortened. Therefore, the cost can be reduced. Further, since the warp of the single crystal diamond layer is suppressed, the generation and breakage of cracks can be prevented, and polishing and device fabrication can be easily performed.

このとき、前記準備工程と前記中間層工程との間に、前記シリコン基材上に金、白金、チタン、クロム、イリジウム、ロジウム、シリコン、酸化シリコン(SiO)のいずれかからなる薄膜を1層以上形成する工程を有することが好ましい。 At this time, between the preparation step and the intermediate layer step, a thin film made of any one of gold, platinum, titanium, chromium, iridium, rhodium, silicon, and silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the silicon base material. It is preferable to have a step of forming more than one layer.

このようにすれば、薄膜が介在させることによって、中間層とシリコン基材との接続性が向上して、より良好な中間層を形成することが可能となる。 By doing so, the interposition of the thin film improves the connectivity between the intermediate layer and the silicon base material, and makes it possible to form a better intermediate layer.

またこのとき、前記単結晶ダイヤモンド層工程において、前記下地層上に形成する単結晶ダイヤモンド層の結晶性を、波長λ=1.54ÅのX線回折法で分析したダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅(FWHM)が3°以下とすることが好ましい。 At this time, in the single crystal diamond layer step, the crystallinity of the single crystal diamond layer formed on the base layer was analyzed by an X-ray diffraction method having a wavelength of λ = 1.54 Å, and 2θ = assigned to diamond (004). The locking curve half-value width (FWHM) of the diffraction intensity peak at 119.5 ° is preferably 3 ° or less.

このような範囲の半値幅とすることによって、充分なデバイス性能を得ることが可能となる。 Sufficient device performance can be obtained by setting the full width at half maximum in such a range.

またこのとき、前記単結晶ダイヤモンド層工程において、前記下地層上に形成する単結晶ダイヤモンド層として、ボロン不純物を導入したp型単結晶ダイヤモンド、リン不純物を導入したn型単結晶ダイヤモンド、不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドのいずれかから選択される単結晶ダイヤモンド層を2層以上積層させることができる。 At this time, in the single crystal diamond layer step, as the single crystal diamond layer formed on the base layer, a p-type single crystal diamond introduced with a boron impurity, an n-type single crystal diamond introduced with a phosphorus impurity, and an impurity are introduced. Two or more single crystal diamond layers selected from any of the high resistance single crystal diamonds can be laminated.

このようにして、2層以上よりなる積層の単結晶ダイヤモンド層を形成することで、目的に応じて種々のデバイスとして好適に動作させることができる。 By forming a laminated single crystal diamond layer composed of two or more layers in this way, it can be suitably operated as various devices depending on the purpose.

本発明のダイヤモンド電子素子及びダイヤモンド電子素子の製造方法であれば、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子となる。このようなダイヤモンド電子素子を、LED、パワーデバイスなどの用途とすれば、大面積に低コストで所望の特性を充分に得ることが可能となる。 The diamond electronic element and the method for manufacturing a diamond electronic element of the present invention provide a large area, low cost, and high quality diamond electronic element. If such a diamond electronic element is used for an LED, a power device, or the like, it is possible to sufficiently obtain desired characteristics in a large area at low cost.

本発明のダイヤモンド電子素子の一例を示した概略図である。It is a schematic diagram which showed an example of the diamond electronic element of this invention. 本発明のダイヤモンド電子素子の製造方法の一例を示した概略図である。It is a schematic diagram which showed an example of the manufacturing method of the diamond electronic element of this invention. 実施例において作製したダイヤモンド・ショットキーバリアダイオードの概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the diamond Schottky barrier diode produced in the Example. 実施例において作製したダイヤモンド・ショットキーバリアダイオードの外観写真である。It is an appearance photograph of the diamond Schottky barrier diode produced in the Example. 実施例において作製したダイヤモンド・ショットキーバリアダイオードのI-V特性の測定結果を示したグラフである。It is a graph which showed the measurement result of the IV characteristic of the diamond Schottky barrier diode produced in the Example.

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.

前述したように、従来、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子を製造することができなかった。そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、基材をシリコン基材として、その上に中間層、下地層、単結晶ダイヤモンド層の構成とすることが最適と考え、鋭意検討した結果、中間層及び下地層の材料、更には単結晶ダイヤモンド層の厚みを300μm以下と規定することで所望の性能を有するダイヤモンド電子素子が得られることを見出し、本発明を完成させた。 As described above, conventionally, it has not been possible to manufacture a large-area, low-cost, high-quality diamond electronic device. Therefore, the present inventor has made extensive studies to solve such a problem. As a result, we thought that it would be optimal to use the base material as a silicon base material and to have an intermediate layer, an underlayer, and a single crystal diamond layer on top of it. We have found that a diamond electronic device having desired performance can be obtained by defining the thickness of the crystalline diamond layer to be 300 μm or less, and completed the present invention.

まず、本発明のダイヤモンド電子素子について図1を参照して説明する。
図1に示すように、本発明のダイヤモンド電子素子1は、シリコン基材2と、該シリコン基材2上に形成される中間層3と、該中間層3上に形成される下地層4と、該下地層4上に形成された単結晶ダイヤモンド層5とを有している。
First, the diamond electronic device of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the diamond electronic device 1 of the present invention includes a silicon base material 2, an intermediate layer 3 formed on the silicon base material 2, and a base layer 4 formed on the intermediate layer 3. It has a single crystal diamond layer 5 formed on the base layer 4.

中間層3は、単結晶MgO層、単結晶SrTiO層、α-Al層、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層のいずれかからなる。また、下地層4は、イリジウム層、ロジウム層、白金層のいずれかからなる。 The intermediate layer 3 is composed of any one of a single crystal MgO layer, a single crystal SrTiO 3 layer, an α-Al 2O 3 layer, and a YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer. Further, the base layer 4 is composed of any one of an iridium layer, a rhodium layer, and a platinum layer.

このとき、シリコン基材2と中間層3との間に、金、白金、チタン、クロム、イリジウム、ロジウム、シリコン、酸化シリコン(SiO)のいずれかからなる薄膜6が1層以上形成されたものであることが好ましい。 At this time, one or more thin films 6 made of gold, platinum, titanium, chromium, iridium, rhodium, silicon, or silicon oxide (SiO 2 ) were formed between the silicon base material 2 and the intermediate layer 3. It is preferable that it is a thing.

このようなものであれば、薄膜6が介在していることによって、中間層3とシリコン基材2との接続性が向上して、より良好な状態の中間層3が形成されたものとなる。 In such a case, the interposition of the thin film 6 improves the connectivity between the intermediate layer 3 and the silicon base material 2, and the intermediate layer 3 in a better state is formed. ..

尚、本発明においては、シリコン基材より上に中間層を有し、中間層より上に下地層を有し、この下地層より上に単結晶ダイヤモンド層を有すればよく、これらの層の間に目的に応じて緩和層等を設けても良い。また、前記各層は、2層以上から成るものとしても良い。 In the present invention, it suffices to have an intermediate layer above the silicon substrate, a base layer above the intermediate layer, and a single crystal diamond layer above the base layer. A relaxation layer or the like may be provided between them depending on the purpose. Further, each of the layers may be composed of two or more layers.

下地層4上に形成された単結晶ダイヤモンド層5の結晶性が、波長λ=1.54ÅのX線回折法で分析したダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅(FWHM)が3°以下のものであることが好ましい。
このような範囲の半値幅を有するものであれば、充分なデバイス性能を得ることが可能となる。
The crystallinity of the single crystal diamond layer 5 formed on the base layer 4 is the locking of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributed to diamond (004) analyzed by the X-ray diffraction method with a wavelength of λ = 1.54 Å. The curve half width (FWHM) is preferably 3 ° or less.
Sufficient device performance can be obtained as long as it has a half-value width in such a range.

ここで、単結晶ダイヤモンド層5の厚みは、300μm以下である必要がある。
このように、本発明のダイヤモンド電子素子において、単結晶ダイヤモンド層5の厚みは300μm以下であるので、単結晶ダイヤモンド層5を形成するための時間が短くなる。さらに、単結晶ダイヤモンド層5の表面の凹凸が抑制されたものとなるので、研磨加工に要する時間も短くなる。そのため、低コストなものとなる。さらに、単結晶ダイヤモンド層5の反りが抑制されるため、クラックの発生や破損が防止され、研磨加工やデバイス作製を容易に行うことができるものとなる。
Here, the thickness of the single crystal diamond layer 5 needs to be 300 μm or less.
As described above, in the diamond electronic element of the present invention, the thickness of the single crystal diamond layer 5 is 300 μm or less, so that the time for forming the single crystal diamond layer 5 is shortened. Further, since the unevenness of the surface of the single crystal diamond layer 5 is suppressed, the time required for the polishing process is shortened. Therefore, the cost is low. Further, since the warp of the single crystal diamond layer 5 is suppressed, the generation and breakage of cracks are prevented, and the polishing process and the device can be easily manufactured.

単結晶ダイヤモンド層5は、ボロン不純物を導入したp型単結晶ダイヤモンド、リン不純物を導入したn型単結晶ダイヤモンド、不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドのいずれかから選択される単結晶ダイヤモンド層が2層以上積層されたものとすることができる。この積層させる単結晶ダイヤモンド層5の選択は特に限定されず、例えば、p型単結晶ダイヤモンドを2層積層させるなど、適宜決定することができる。 The single crystal diamond layer 5 is a single crystal diamond layer selected from one of a p-type single crystal diamond having a boron impurity introduced, an n-type single crystal diamond having a phosphorus impurity introduced, and a high resistance single crystal diamond having no impurity introduced. It can be a stack of two or more layers. The selection of the single crystal diamond layer 5 to be laminated is not particularly limited, and for example, two layers of p-type single crystal diamond can be appropriately determined.

このような、2層以上よりなる積層の単結晶ダイヤモンド層5が形成されたものとすることで、目的に応じて種々のデバイスとして好適に動作させることができる。例えば、具体的にはLED、パワーデバイスなどの用途とすることができる。 By forming such a laminated single crystal diamond layer 5 composed of two or more layers, it can be suitably operated as various devices depending on the purpose. For example, it can be specifically used for LEDs, power devices, and the like.

上記のような2層以上よりなる積層の単結晶ダイヤモンド層が形成される場合には、それらの合計の厚さが300μm以下である必要がある。 When a laminated single crystal diamond layer composed of two or more layers as described above is formed, the total thickness of them needs to be 300 μm or less.

このような本発明のダイヤモンド電子素子1であれば、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子となる。このようなダイヤモンド電子素子1を、LED、パワーデバイスなどの用途とすれば、大面積に低コストで所望の特性を充分に得ることが可能となる。 Such a diamond electronic element 1 of the present invention provides a large area, low cost, and high quality diamond electronic element. If such a diamond electronic element 1 is used for an LED, a power device, or the like, it is possible to sufficiently obtain desired characteristics in a large area at low cost.

次に、本発明のダイヤモンド電子素子の製造方法について図1、図2を参照して説明する。
(準備工程:図2のSP1)
まず、シリコン基材2を準備する。
準備するシリコン基材2としては、特に限定されず、例えば両面研磨した直径5~150mmの単結晶シリコンウェーハとすることができる。シリコンウェーハは、安価に大面積かつ高品質なものの入手が可能である。
Next, the method for manufacturing the diamond electronic device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
(Preparation process: SP1 in FIG. 2)
First, the silicon base material 2 is prepared.
The silicon substrate 2 to be prepared is not particularly limited, and may be, for example, a single crystal silicon wafer having a diameter of 5 to 150 mm polished on both sides. Silicon wafers with a large area and high quality can be obtained at low cost.

ここで、上述の準備工程(図2のSP1)と後述する中間層工程(図2のSP2)との間に、シリコン基材2上に金、白金、チタン、クロム、イリジウム、ロジウム、シリコン、酸化シリコン(SiO)のいずれかからなる薄膜を1層以上形成する工程を行うことが好ましい。 Here, between the above-mentioned preparation step (SP1 in FIG. 2) and the intermediate layer step (SP2 in FIG. 2) described later, gold, platinum, titanium, chromium, iridium, rhodium, silicon, It is preferable to perform a step of forming one or more thin films made of any one of silicon oxide (SiO 2 ).

このように、シリコン基材2と中間層3との間に薄膜6を1層以上介在させることで、中間層3とシリコン基材2との接続性が向上して、より良好な状態の中間層3を形成することが可能となる。形成方法は特に限定されず、従来行われているいずれの方法も採用可能である。 By interposing one or more thin films 6 between the silicon base material 2 and the intermediate layer 3 in this way, the connectivity between the intermediate layer 3 and the silicon base material 2 is improved, and the intermediate layer is in a better state. It becomes possible to form the layer 3. The forming method is not particularly limited, and any conventional method can be adopted.

(中間層工程:図2のSP2)
次に、シリコン基材2上に単結晶MgO層、単結晶SrTiO層、α-Al層、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層の内のいずれかからなる中間層3を形成する。
(Intermediate layer process: SP2 in FIG. 2)
Next, an intermediate layer 3 composed of any one of a single crystal MgO layer, a single crystal SrTiO 3 layer, an α-Al 2O 3 layer, and a YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer is formed on the silicon base material 2.

中間層3は、例えば、スパッター、電子ビーム蒸着、気相合成、分子ビームエピタキシー法など、または、貼り合わせ法、接着剤法などを用いて形成することができる。 The intermediate layer 3 can be formed by, for example, spatter, electron beam vapor deposition, vapor phase synthesis, molecular beam epitaxy method, or the like, or by a bonding method, an adhesive method, or the like.

(下地層工程;図2のSP3)
次に、中間層3上にイリジウム層、ロジウム層、白金層のいずれかからなる下地層4を形成する。
(Underground layer process; SP3 in FIG. 2)
Next, an underlayer 4 composed of any of an iridium layer, a rhodium layer, and a platinum layer is formed on the intermediate layer 3.

下地層4は、例えば、スパッター、電子ビーム蒸着、気相合成、分子線エピタキシー法などでヘテロエピタキシャル成長させることで、形成することができる。 The base layer 4 can be formed by heteroepitaxial growth by, for example, sputtering, electron beam deposition, vapor phase synthesis, molecular beam epitaxy, or the like.

(単結晶ダイヤモンド層工程:図2のSP4)
そして、下地層4上に単結晶ダイヤモンド層5を形成する。
このとき、単結晶ダイヤモンド層5の厚みが、300μmよりも厚いと、長時間成長が必要となったり、表面の凹凸が大きくなり長時間の研磨加工を要したりして、高コスト要因となる。また、反りが大きくなり、研磨加工やデバイス作製が困難となる。場合によってはクラックの発生や、破損の原因となってしまう。
(Single crystal diamond layer process: SP4 in FIG. 2)
Then, the single crystal diamond layer 5 is formed on the base layer 4.
At this time, if the thickness of the single crystal diamond layer 5 is thicker than 300 μm, long-term growth is required, surface irregularities become large, and long-time polishing is required, which is a high cost factor. .. In addition, the warp becomes large, which makes polishing and device fabrication difficult. In some cases, it may cause cracks or damage.

そのため、単結晶ダイヤモンド層工程において形成する単結晶ダイヤモンド層5の厚みを、300μm以下とする。これにより、単結晶ダイヤモンド層を形成するための時間が短くなり、さらに、単結晶ダイヤモンド層の表面の凹凸を抑制することができるので、研磨加工に要する時間も短くなる。このため、低コストとすることができる。また、単結晶ダイヤモンド層の反りが抑制されるため、クラックの発生や破損を防止することができ、研磨加工やデバイス作製を容易に行うことができる。 Therefore, the thickness of the single crystal diamond layer 5 formed in the single crystal diamond layer step is set to 300 μm or less. As a result, the time for forming the single crystal diamond layer is shortened, and further, the unevenness of the surface of the single crystal diamond layer can be suppressed, so that the time required for the polishing process is also shortened. Therefore, the cost can be reduced. Further, since the warp of the single crystal diamond layer is suppressed, the generation and breakage of cracks can be prevented, and polishing and device fabrication can be easily performed.

単結晶ダイヤモンド層5は、マイクロ波CVD、DCプラズマCVD、熱フィラメントCVD、アーク放電CVD法などでヘテロエピタキシャル成長させることで、形成することができる。 The single crystal diamond layer 5 can be formed by heteroepitaxial growth by microwave CVD, DC plasma CVD, thermal filament CVD, arc discharge CVD method or the like.

このとき、下地層4上に形成する単結晶ダイヤモンド層5の結晶性を、波長λ=1.54ÅのX線回折法で分析したダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅(FWHM)が3°以下とすることが好ましい。このような結晶性を有するダイヤモンド層5の形成は、例えば、下地層4の表面にダイヤモンドの核形成のための前処理(バイアス処理)を行った後、マイクロ波CVD、DCプラズマCVD、熱フィラメントCVD、アーク放電CVD法などによって、単結晶ダイヤモンド層5をヘテロエピタキシャル成長させることで行うことができる。 At this time, the crystallinity of the single crystal diamond layer 5 formed on the base layer 4 was analyzed by an X-ray diffraction method having a wavelength of λ = 1.54 Å, and the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributed to diamond (004). The half-value width (FWHM) of the locking curve is preferably 3 ° or less. The formation of the diamond layer 5 having such crystalline properties is performed, for example, by subjecting the surface of the underlying layer 4 to pretreatment (bias treatment) for forming diamond nuclei, followed by microwave CVD, DC plasma CVD, and thermal filament. This can be done by heteroepitaxially growing the single crystal diamond layer 5 by CVD, arc discharge CVD, or the like.

このようにすれば、半値幅が十分に小さくなり、充分なデバイス性能を得ることがより確実にできる。 By doing so, the full width at half maximum becomes sufficiently small, and it is possible to more reliably obtain sufficient device performance.

またこのとき、下地層4上に形成する単結晶ダイヤモンド層5として、ボロン不純物を導入したp型単結晶ダイヤモンド、リン不純物を導入したn型単結晶ダイヤモンド、不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドのいずれかから選択される単結晶ダイヤモンド層5を2層以上積層させることができる。この積層させる単結晶ダイヤモンド層5の選択は特に限定されず、例えば、p型単結晶ダイヤモンドを2層積層させるなど、適宜決定することができる。 At this time, as the single crystal diamond layer 5 formed on the base layer 4, p-type single crystal diamond introduced with boron impurities, n-type single crystal diamonds introduced with phosphorus impurities, and high-resistance single crystal diamonds not introduced with impurities. Two or more single crystal diamond layers 5 selected from any of these can be laminated. The selection of the single crystal diamond layer 5 to be laminated is not particularly limited, and for example, two layers of p-type single crystal diamond can be appropriately determined.

このような2層以上よりなる積層の単結晶ダイヤモンド層5を形成されたものとすることで、目的に応じて種々のデバイスとして好適に動作させることができる。 By forming such a laminated single crystal diamond layer 5 composed of two or more layers, it can be suitably operated as various devices depending on the purpose.

また、単結晶ダイヤモンド層5を上記のように2層以上の層構造とする場合には、それらの合計の厚さを300μm以下とする必要がある。 Further, when the single crystal diamond layer 5 has a layer structure of two or more layers as described above, the total thickness of them needs to be 300 μm or less.

このような本発明のダイヤモンド電子素子の製造方法であれば、大面積、低コスト、高品質なダイヤモンド電子素子を製造することができる。このようなダイヤモンド電子素子を、LED、パワーデバイスなどの用途とすれば、大面積に低コストで所望の特性を充分に得ることが可能となる。 With such a method for manufacturing a diamond electronic component of the present invention, a large area, low cost, and high quality diamond electronic device can be manufactured. If such a diamond electronic element is used for an LED, a power device, or the like, it is possible to sufficiently obtain desired characteristics in a large area at low cost.

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
まず、10.0mm直径、厚さが1.0mmで方位(100)の両面研磨された単結晶シリコンウェーハをシリコン基材2として用意した。
(Example 1)
First, a single crystal silicon wafer having a diameter of 10.0 mm and a thickness of 1.0 mm and having both sides polished in an orientation (100) was prepared as the silicon substrate 2.

そして、単結晶ダイヤモンド層5の製膜を行う面側に単結晶MgO層を電子ビーム蒸着法で、真空中、基板温度900℃の条件で単結晶MgO層が1μmになるまでエピタキシャル成長して、中間層3を形成した。 Then, a single crystal MgO layer is epitaxially grown on the surface side of the single crystal diamond layer 5 on the surface side where the film is formed by an electron beam vapor deposition method in a vacuum under the condition of a substrate temperature of 900 ° C. until the single crystal MgO layer reaches 1 μm. Layer 3 was formed.

次に、単結晶MgO層上にIr(イリジウム)層をヘテロエピタキシャル成長させて、下地層4を形成した。製膜には直径6インチ(150mm)、厚み5mm、純度99.9%以上のIrをターゲットとしたR.F.(13.56MHz)マグネトロンスパッター法を用いた。単結晶MgO層が形成済みの基板を800℃に加熱し、ベースプレッシャーが6×10-7Torr(約8.0×10-5Pa)以下になるのを確認した後、Arガスを10sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節して5×10-2Torr(約6.7Pa)とした後、R.F.電力1000Wを入力して15分間製膜を行った。得られたIr層は厚さ0.7μmであった。 Next, an Ir (iridium) layer was heteroepitaxially grown on the single crystal MgO layer to form the base layer 4. For the film formation, R.I. F. (13.56 MHz) Magnetron spatter method was used. After heating the substrate on which the single crystal MgO layer was formed to 800 ° C. and confirming that the base pressure was 6 × 10 -7 Torr (about 8.0 × 10 -5 Pa) or less, 10 sccm of Ar gas was introduced. did. After adjusting the opening degree of the valve leading to the exhaust system to 5 × 10 -2 Torr (about 6.7 Pa), R. F. A film was formed for 15 minutes by inputting a power of 1000 W. The obtained Ir layer had a thickness of 0.7 μm.

次に、ダイヤモンドの核形成のための前処理(バイアス処理)を行った。Ir層が形成された基板を、15mm直径で平板型の電極上にセットし、ベースプレッシャーが1×10-6Torr(約1.3×10-4Pa)以下になるのを確認した後、水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を500sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節して100Torr(約1.3×10Pa)とした後、基板側電極に負電圧を印加して90sec間プラズマにさらして、基板表面をバイアス処理した。 Next, a pretreatment (bias treatment) for nucleation of diamond was performed. After setting the substrate on which the Ir layer was formed on a flat plate electrode with a diameter of 15 mm and confirming that the base pressure was 1 × 10 -6 Torr (about 1.3 × 10 -4 Pa) or less, Hydrogen-diluted methane (CH 4 / (CH 4 + H 2 ) = 5.0 vol.%) Was introduced in an amount of 500 sccm. After adjusting the opening degree of the valve leading to the exhaust system to 100 Torr (about 1.3 × 10 4 Pa), a negative voltage was applied to the electrode on the substrate side and exposed to plasma for 90 seconds to bias the substrate surface. ..

最後に、DCプラズマCVD法によって単結晶ダイヤモンド層5をヘテロエピタキシャル成長させた。バイアス処理を施した基板を、DCプラズマCVD装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプで10-3Torr(約1.3×10-1Pa)以下のベースプレッシャーまで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を1000sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内を110Torr(約1.5×10Pa)にした後、2.0Aの直流電流を流して10時間製膜を行った。製膜中の基板温度をパイロメーターで測定したところ950℃であった。 Finally, the single crystal diamond layer 5 was heteroepitaxially grown by the DC plasma CVD method. The biased substrate is set in the chamber of the DC plasma CVD apparatus, exhausted to a base pressure of 10 -3 Torr (about 1.3 × 10 -1 Pa) or less with a rotary pump, and then the raw material gas. Hydrogen-diluted methane (CH 4 / (CH 4 + H 2 ) = 5.0 vol.%) Was introduced at 1000 sccm. After adjusting the opening degree of the valve leading to the exhaust system to 110 Torr (about 1.5 × 10 4 Pa) in the chamber, a DC current of 2.0 A was passed to form a film for 10 hours. The substrate temperature during film formation was measured with a pyrometer and found to be 950 ° C.

得られた単結晶ダイヤモンド層5は10mm直径の基板全面で剥離も無く完全な連続膜であり、膜厚は50μmであった。この単結晶ダイヤモンド層5をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークの半値幅が600arcsec(約0.167°)であった。 The obtained single crystal diamond layer 5 was a completely continuous film with no peeling on the entire surface of the substrate having a diameter of 10 mm, and the film thickness was 50 μm. When this single crystal diamond layer 5 was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the half width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributable to diamond (004) was 600 arcsec (about 0.167 °). )Met.

この基板から2mm角を切り出して基板とし、ダイヤモンド・ショットキーバリアダイオード(diamond Schottky barrier diode:SBD)を作製した。 A 2 mm square was cut out from this substrate to form a substrate, and a diamond Schottky barrier diode (SBD) was produced.

まず、単結晶ダイヤモンド層5の表面を研磨加工して表面粗さRMS=0.3nm(10μm角領域AFM測定)とした。次に、マイクロ波CVD法で、高濃度ボロンドープしたp型の単結晶ダイヤモンド層5a(P 1020atoms/cm)を1μm厚形成した。更に低ボロンドープしたp型の単結晶ダイヤモンド層5b(P、4×1016atoms/cm)を1μm厚形成した。電極には、380μm直径のオーミック電極7(Au/Pt/Ti界面側)、SBDのために、180μm直径のPtのショットキー電極8を形成した。図3は、作成したSBDの概略断面図である。図4は、作製したSBDの外観写真である。 First, the surface of the single crystal diamond layer 5 was polished to have a surface roughness RMS = 0.3 nm (measurement in a 10 μm square region AFM). Next, a high-concentration boron-doped p-type single crystal diamond layer 5a (P + , 10 20 atoms / cm 3 ) was formed to a thickness of 1 μm by a microwave CVD method. Further, a low boron-doped p-type single crystal diamond layer 5b (P, 4 × 10 16 atoms / cm 3 ) was formed to a thickness of 1 μm. Ohmic electrodes 7 (Au / Pt / Ti interface side) having a diameter of 380 μm and Schottky electrodes 8 having a diameter of 180 μm for SBD were formed on the electrodes. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the created SBD. FIG. 4 is an external photograph of the produced SBD.

このようにして作製したSBDのI-V特性を測定した。このときの測定結果を図5に示した。測定結果より導出された整流特性は1012であり、Ideality factorは、n=1.2であった。これらは、HPHTダイヤモンドと同等の値である。 The IV characteristics of the SBD thus produced were measured. The measurement results at this time are shown in FIG. The rectifying characteristic derived from the measurement result was 10 12 , and the ideality factor was n = 1.2. These are the same values as HPHT diamonds.

(実施例2)
実施例1において、シリコン基材2上にスパッター法でPtの薄膜を1μm形成してから、単結晶MgO層(中間層)のヘテロエピタキシャル成長を行った以外は同様にして、厚み50μmの単結晶ダイヤモンド層5を形成したところ、この単結晶ダイヤモンド層5をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークの半値幅が530arcsec(約0.147°)であった。実施例1と同様にSBDを作製して、I-V特性を測定したところ、HPHTダイヤモンドと同等の特性を示すことができた。
(Example 2)
In Example 1, a single crystal diamond having a thickness of 50 μm was formed in the same manner except that a thin film of Pt was formed on the silicon substrate 2 by a sputtering method in an amount of 1 μm and then heteroepitaxially grown on the single crystal MgO layer (intermediate layer). When the layer 5 was formed, when the single crystal diamond layer 5 was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the half-value width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributable to diamond (004) was found. It was 530 arcsec (about 0.147 °). When SBD was prepared in the same manner as in Example 1 and the IV characteristics were measured, it was possible to show the same characteristics as HPHT diamond.

(実施例3)
実施例1において、シリコン基材2上の単結晶ダイヤモンド層5の製膜を行う面側に、単結晶MgO層を分子ビームエピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法で、厚みが50nmになるまでエピタキシャル成長してから、Ir層(下地層4)のヘテロエピタキシャル成長を行った以外は同様にして、厚み50μmの単結晶ダイヤモンド層5を形成したところ、この単結晶ダイヤモンド層5をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークの半値幅が560arcsec(約0.156°)であった。実施例1と同様にSBDを作製して、I-V特性を測定したところ、HPHTダイヤモンドと同等の特性を示すことができた。
(Example 3)
In Example 1, the single crystal MgO layer is epitaxially grown on the surface side of the single crystal diamond layer 5 on the silicon substrate 2 by the molecular beam epitaxy (MBE) method until the thickness becomes 50 nm. Then, a single crystal diamond layer 5 having a thickness of 50 μm was formed in the same manner except that the Ir layer (underlayer 4) was heteroepitaxially grown. The single crystal diamond layer 5 was measured by X-ray diffraction (incident X). When the line wavelength was 1.54 Å), the half-value width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributable to diamond (004) was 560 arcsec (about 0.156 °). When SBD was prepared in the same manner as in Example 1 and the IV characteristics were measured, it was possible to show the same characteristics as HPHT diamond.

(実施例4)
実施例1において、シリコン基材2上の単結晶ダイヤモンド層5の製膜を行う面側に、単結晶MgO層をパルスレーザーデポジション(Pulsed Laser Deposition:PLD)法で、厚みが10μmになるまでエピタキシャル成長してから、Ir層(下地層4)のヘテロエピタキシャル成長を行った以外は同様にして、厚み50μmの単結晶ダイヤモンド層5を形成したところ、この単結晶ダイヤモンド層5をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークの半値幅が610arcsec(約0.169°)であった。実施例1と同様にSBDを作製して、I-V特性を測定したところ、HPHTダイヤモンドと同等の特性を示すことができた。
(Example 4)
In Example 1, a single crystal MgO layer is formed on the surface side of the single crystal diamond layer 5 on the silicon substrate 2 by a pulsed laser deposition (PLD) method until the thickness becomes 10 μm. A single crystal diamond layer 5 having a thickness of 50 μm was formed in the same manner except that the Ir layer (underlayer 4) was heteroepitaxially grown after the epitaxial growth. The single crystal diamond layer 5 was measured by X-ray diffraction (incident). When the X-ray wavelength was 1.54 Å), the half-value width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributable to diamond (004) was 610 arcsec (about 0.169 °). When SBD was prepared in the same manner as in Example 1 and the IV characteristics were measured, it was possible to show the same characteristics as HPHT diamond.

(実施例5)
実施例1と同様にしてDCプラズマCVDで50μmの単結晶ダイヤモンド層5を形成した後、単結晶ダイヤモンド層5をマイクロ波CVDで35h追加成長させて、単結晶ダイヤモンド層5の合計厚みを298μmとした。その後、実施例1と同様して、マイクロ波CVD法で、高濃度ボロンドープした単結晶ダイヤモンド層5aを1μm厚、更に低ボロンドープした単結晶ダイヤモンド層5bを1μm厚形成した(図3参照)。即ち、実施例5における単結晶ダイヤモンド層5、5a、5bの合計の厚みは、300μmとした。その後、実施例1と同様にして、SBDを作製し、そのI-V特性を測定したところ、HPHTダイヤモンドと同等の特性を示すことができた。
(Example 5)
After forming the single crystal diamond layer 5 of 50 μm by DC plasma CVD in the same manner as in Example 1, the single crystal diamond layer 5 was additionally grown for 35 hours by microwave CVD, and the total thickness of the single crystal diamond layer 5 was 298 μm. did. Then, in the same manner as in Example 1, a high-concentration boron-doped single crystal diamond layer 5a was formed to a thickness of 1 μm, and a low-concentration boron-doped single crystal diamond layer 5b was formed to a thickness of 1 μm (see FIG. 3). That is, the total thickness of the single crystal diamond layers 5, 5a, and 5b in Example 5 was set to 300 μm. After that, an SBD was prepared in the same manner as in Example 1, and its IV characteristics were measured. As a result, it was possible to show the same characteristics as HPHT diamond.

(実施例6)
実施例1と同様にしてDCプラズマCVDで10μmの単結晶ダイヤモンド層5を形成した後、単結晶ダイヤモンド層5をマイクロ波CVDで13h追加成長させて、単結晶ダイヤモンド層5の合計厚みを101μmとした。その後、実施例1と同様して、マイクロ波CVD法で、高濃度ボロンドープした単結晶ダイヤモンド層5aを1μm厚、更に低ボロンドープした単結晶ダイヤモンド層5bを1μm厚形成した(図3参照)。即ち、実施例6における単結晶ダイヤモンド層5、5a、5bの合計の厚みは、103μmとした。その後、実施例1と同様にして、SBDを作製し、そのI-V特性を測定したところ、HPHTダイヤモンドと同等の特性を示すことができた。
(Example 6)
After forming the single crystal diamond layer 5 of 10 μm by DC plasma CVD in the same manner as in Example 1, the single crystal diamond layer 5 is additionally grown for 13 hours by microwave CVD, and the total thickness of the single crystal diamond layer 5 is 101 μm. did. Then, in the same manner as in Example 1, a high-concentration boron-doped single crystal diamond layer 5a was formed to a thickness of 1 μm, and a low-concentration boron-doped single crystal diamond layer 5b was formed to a thickness of 1 μm (see FIG. 3). That is, the total thickness of the single crystal diamond layers 5, 5a, and 5b in Example 6 was 103 μm. After that, an SBD was prepared in the same manner as in Example 1, and its IV characteristics were measured. As a result, it was possible to show the same characteristics as HPHT diamond.

(実施例7)
実施例1と同様にしてDCプラズマCVDで10μmの単結晶ダイヤモンド層5を形成した後、単結晶ダイヤモンド層5をマイクロ波CVDで27h追加成長させて、単結晶ダイヤモンド層5の合計厚みを199μmとした。その後、実施例1と同様して、マイクロ波CVD法で、高濃度ボロンドープした単結晶ダイヤモンド層5aを1μm厚、更に低ボロンドープした単結晶ダイヤモンド層5bを1μm厚形成した(図3参照)。即ち、実施例7における単結晶ダイヤモンド層5、5a、5bの合計の厚みは、201μmとした。その後、実施例1と同様にして、SBDを作製し、そのI-V特性を測定したところ、HPHTダイヤモンドと同等の特性を示すことができた。
(Example 7)
After forming the single crystal diamond layer 5 of 10 μm by DC plasma CVD in the same manner as in Example 1, the single crystal diamond layer 5 was additionally grown for 27 hours by microwave CVD to make the total thickness of the single crystal diamond layer 5 199 μm. did. Then, in the same manner as in Example 1, a high-concentration boron-doped single crystal diamond layer 5a was formed to a thickness of 1 μm, and a low-concentration boron-doped single crystal diamond layer 5b was formed to a thickness of 1 μm (see FIG. 3). That is, the total thickness of the single crystal diamond layers 5, 5a, and 5b in Example 7 was set to 201 μm. After that, an SBD was prepared in the same manner as in Example 1, and its IV characteristics were measured. As a result, it was possible to show the same characteristics as HPHT diamond.

このように、実施例1~7で、HPHTダイヤモンドと同等の品質で、大面積、低コストなダイヤモンド電子素子を作成することができた。 As described above, in Examples 1 to 7, it was possible to produce a diamond electronic element having a large area and a low cost with the same quality as the HPHT diamond.

(比較例1)
実施例1において用いたシリコン基材を用いないで、代わりに、10.0mm直径、厚さが1.0mmで方位(100)の両面研磨した単結晶MgOを基材として用い、これに実施例1と同様にIr層を製膜、バイアス処理、DCプラズマCVDをして50μm厚の単結晶ダイヤモンド層を成長させた。CVD終了後、室温に戻して、チャンバーから取り出すと、単結晶MgO層面から単結晶ダイヤモンド層/Ir層が剥離して散らばっていた。これは、応力が大きいため剥離したと考えられる。
(Comparative Example 1)
Instead of using the silicon base material used in Example 1, a single crystal MgO having a diameter of 10.0 mm and a thickness of 1.0 mm and polished on both sides in an orientation (100) was used as a base material, and Examples thereof were used. The Ir layer was formed, biased, and DC plasma CVD in the same manner as in No. 1 to grow a single crystal diamond layer having a thickness of 50 μm. After the CVD was completed, the temperature was returned to room temperature and the mixture was taken out of the chamber. As a result, the single crystal diamond layer / Ir layer was peeled off from the surface of the single crystal MgO layer and scattered. It is considered that this was peeled off due to the large stress.

(比較例2)
実施例1と同様にしてDCプラズマCVDで50μmの単結晶ダイヤモンド層を形成した後、マイクロ波CVDで43h追加成長させて、単結晶ダイヤモンド層の合計厚みを350μmとした。その後、室温に戻して、チャンバーから取り出すと、単結晶ダイヤモンド層の全面に多数のクラックが入っていた。
(Comparative Example 2)
After forming a 50 μm single crystal diamond layer by DC plasma CVD in the same manner as in Example 1, the single crystal diamond layer was additionally grown for 43 hours by microwave CVD to bring the total thickness of the single crystal diamond layer to 350 μm. After that, when the temperature was returned to room temperature and taken out of the chamber, many cracks were found on the entire surface of the single crystal diamond layer.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an example, and the present invention can be anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibits the same function and effect. Is included in the technical scope of.

1…ダイヤモンド電子素子、 2…シリコン基材、 3…中間層、 4…下地層、
5、5a、5b…単結晶ダイヤモンド層、 6…薄膜、 7…オーミック電極、
8…ショットキー電極。
1 ... diamond electronic element, 2 ... silicon substrate, 3 ... intermediate layer, 4 ... base layer,
5, 5a, 5b ... Single crystal diamond layer, 6 ... Thin film, 7 ... Ohmic electrode,
8 ... Schottky electrode.

Claims (4)

ダイヤモンド電子素子であって、
シリコン基材と、該シリコン基材上に形成され、α-Al層、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層のいずれかからなる中間層と、該中間層上に形成され、イリジウム層、ロジウム層、白金層のいずれかからなる下地層と、該下地層上に形成された単結晶ダイヤモンド層とを有し、
前記シリコン基材と前記中間層との間に、金、白金、チタン、クロム、イリジウム、ロジウム、シリコンのいずれかからなる薄膜が1層以上形成されたものであり、
前記単結晶ダイヤモンド層の厚みが、300μm以下のものであり、
前記単結晶ダイヤモンド層は、ボロン不純物を導入したp型単結晶ダイヤモンド、リン不純物を導入したn型単結晶ダイヤモンド、不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドのいずれかから選択される単結晶ダイヤモンド層が2層以上積層されたものであることを特徴とするダイヤモンド電子素子。
It is a diamond electronic element,
A silicon substrate, an intermediate layer formed on the silicon substrate and composed of either an α -Al 2 O 3 layer or a YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer, and an iridium layer formed on the intermediate layer. It has a base layer composed of either a rhodium layer or a platinum layer, and a single crystal diamond layer formed on the base layer.
One or more thin films made of gold, platinum, titanium, chromium, iridium, rhodium, or silicon are formed between the silicon base material and the intermediate layer.
The thickness of the single crystal diamond layer is 300 μm or less.
The single crystal diamond layer is a single crystal diamond layer selected from one of a p-type single crystal diamond having a boron impurity introduced, an n-type single crystal diamond having a phosphorus impurity introduced, and a high resistance single crystal diamond having no impurity introduced. A diamond electronic element characterized by having two or more layers laminated.
前記単結晶ダイヤモンド層の結晶性が、波長λ=1.54ÅのX線回折法で分析したダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅(FWHM)が3°以下のものであることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド電子素子。 The rocking curve half-value width (FWHM) of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5 ° attributable to diamond (004) analyzed by the X-ray diffraction method with a wavelength of λ = 1.54 Å is 3 for the crystallinity of the single crystal diamond layer. The diamond electronic element according to claim 1, wherein the temperature is not more than or equal to. ダイヤモンド電子素子の製造方法であって、
シリコン基材を準備する準備工程と、該シリコン基材上にα-Al層、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層の内のいずれかからなる中間層を形成する中間層工程と、前記中間層上にイリジウム層、ロジウム層、白金層のいずれかからなる下地層を形成する下地層工程と、前記下地層上に単結晶ダイヤモンド層を形成する単結晶ダイヤモンド層工程とを含み、
前記準備工程と前記中間層工程との間に、前記シリコン基材上に金、白金、チタン、クロム、イリジウム、ロジウム、シリコンのいずれかからなる薄膜を1層以上形成する工程を有し、
前記単結晶ダイヤモンド層工程において形成する前記単結晶ダイヤモンド層の厚みを、300μm以下とし、
前記単結晶ダイヤモンド層工程において、前記下地層上に形成する単結晶ダイヤモンド層として、ボロン不純物を導入したp型単結晶ダイヤモンド、リン不純物を導入したn型単結晶ダイヤモンド、不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドのいずれかから選択される単結晶ダイヤモンド層を2層以上積層させることを特徴とするダイヤモンド電子素子の製造方法。
It is a manufacturing method of diamond electronic elements.
A preparatory step for preparing a silicon base material, an intermediate layer step for forming an intermediate layer composed of either an α - Al 2 O3 layer or a YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer on the silicon base material, and the above-mentioned It includes a base layer step of forming a base layer composed of any of an yttria layer, a rhodium layer, and a platinum layer on an intermediate layer, and a single crystal diamond layer step of forming a single crystal diamond layer on the base layer.
Between the preparation step and the intermediate layer step, there is a step of forming one or more thin films made of gold, platinum, titanium, chromium, iridium, rhodium, or silicon on the silicon substrate.
The thickness of the single crystal diamond layer formed in the single crystal diamond layer step is set to 300 μm or less.
In the single crystal diamond layer step, as the single crystal diamond layer formed on the base layer, a p-type single crystal diamond introduced with a boron impurity, an n-type single crystal diamond introduced with a phosphorus impurity, and a high resistance single without introducing an impurity. A method for manufacturing a diamond electronic element, which comprises laminating two or more single crystal diamond layers selected from any of crystalline diamonds.
前記単結晶ダイヤモンド層工程において、前記下地層上に形成する単結晶ダイヤモンド層の結晶性を、波長λ=1.54ÅのX線回折法で分析したダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅(FWHM)が3°以下とすることを特徴とする請求項3に記載のダイヤモンド電子素子の製造方法。 In the single crystal diamond layer step, the crystallinity of the single crystal diamond layer formed on the base layer was analyzed by an X-ray diffraction method having a wavelength of λ = 1.54 Å. The method for manufacturing a diamond electronic element according to claim 3, wherein the locking curve half-value width (FWHM) of the diffraction intensity peak in the above method is 3 ° or less.
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