JP7023477B2

JP7023477B2 - ホウ素ドープダイヤモンド

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Publication number: JP7023477B2
Application number: JP2016141306A
Authority: JP
Inventors: 新矢大曲; 英明山田; 仁梅沢; 昭義茶谷原; 由明杢野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP2018012612A; WO2018016404A1

Description

本発明は、ダイヤモンドにホウ素がドープされた、ホウ素ドープダイヤモンドに関する。

ダイヤモンドは、高絶縁破壊電界（＞１０ＭＶ／ｃｍ）、高速キャリア移動度（電子：４５００ｃｍ²／Ｖｓ、正孔：３８００ｃｍ²／Ｖｓ）、物質中最高の熱伝導率（２２Ｗ／ｃｍＫ）等の優れた物性を有しており、さらに、化学的安定性及び耐放射線性にも優れているため、高温・極限環境下で動作するパワーデバイス材料としての応用が期待されている。

ダイヤモンドをパワーデバイス材料などに応用するためには、ホウ素などの不純物をダイヤモンド結晶中に高濃度でドープして、ダイヤモンド結晶を低抵抗化する必要がある。ダイヤモンド結晶中にホウ素などの不純物をドープする方法としては、マイクロ波ＣＶＤ法等が広く使用されている。

例えば、特許文献１には、炭素を主成分とする半導体ダイヤモンドであって、窒素原子及びホウ素原子を含有し、その濃度がどちらも１０００ｐｐｍ以上であることを特徴とする半導体ダイヤモンドが記載されている。特許文献１に開示された方法によれば、マイクロ波ＣＶＤ法を用い、窒素源、ホウ素源、及び炭素源を含む原料ガスを製膜することにより、ホウ素がドープされた、単結晶構造を有するホウ素ドープダイヤモンド膜が得られるとされている。

特開平４－２６６０２０号公報

例えば特許文献１に記載されたような方法を用いることにより、ホウ素がドープされた、ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドが得られると考えられる。しかしながら、従来のホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドは、ホウ素を高濃度（例えば、ホウ素濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3超）で含有させると、置換原子位置以外のサイトにホウ素が組み込まれ、電気抵抗値が大きくなるという問題がある。

本発明は、ホウ素を高濃度で含んでいるにも拘わらず、電気抵抗値の小さいホウ素ドープダイヤモンドを提供することを主な目的とする。

本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、ダイヤモンドにホウ素がドープされているホウ素ドープダイヤモンドにおいて、二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にあり、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、Ｘ線光子エネルギー２８８ｅＶ～２９０ｅＶの範囲に位置するダイヤモンドコアエキシントンのピーク強度Ａと、Ｘ線光子エネルギー２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶの範囲におけるピーク強度面積Ｂとの比（Ｂ／Ａ）が、０．３０以下であるホウ素ドープダイヤモンドは、高濃度のホウ素を含んでいるにも拘わらず、電気抵抗値が非常に低いことを見出した。

さらに、本発明者らは、ホウ素ドープダイヤモンドにおいて、二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にあり、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、ホウ素原子の１ｓ軌道から外殻へのＸ線吸収スペクトルにおいて、ホウ素原子同士が結合したクラスターが存在することを示す１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置にピークを実質的に有していないホウ素ドープダイヤモンドについても、高濃度のホウ素を含んでいるにも拘わらず、電気抵抗値が非常に低いことを見出した。

そして、本発明者等は、これらのホウ素ドープダイヤモンドは、熱フィラメントＣＶＤ法を採用することにより、好適に製造できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて、さらに検討を重ねることにより完成された発明である。

すなわち、本発明は、下記に掲げる態様の発明を提供する。
項１．ダイヤモンドにホウ素がドープされている、ホウ素ドープダイヤモンドであって、
二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にあり、
Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、Ｘ線光子エネルギー２８８ｅＶ～２９０ｅＶの範囲に位置するダイヤモンドコアエキシントンのピーク強度Ａと、Ｘ線光子エネルギー２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶの範囲におけるピーク強度面積Ｂとの比（Ｂ／Ａ）が、０．３０以下である、ホウ素ドープダイヤモンド。
項２．Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、ホウ素原子の１ｓ軌道から外殻へのＸ線吸収スペクトルにおいて、ホウ素原子同士が結合したクラスターが存在することを示す１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置にピークを実質的に有していない、項１に記載のホウ素ドープダイヤモンド。
項３．ダイヤモンドにホウ素がドープされている、ホウ素ドープダイヤモンドであって、
二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にあり、
Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、ホウ素原子の１ｓ軌道から外殻へのＸ線吸収スペクトルにおいて、ホウ素原子同士が結合したクラスターが存在することを示す１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置にピークを実質的に有していない、ホウ素ドープダイヤモンド。
項４．厚みが０．０１μｍ～１ｍｍの範囲にある、項１～３のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンド。
項５．前記ホウ素ドープダイヤモンドの厚みの最大値と最小値との差が、当該最大値の１０％以下である、項１～４のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンド。
項６．基板の上に形成されている、項１～５のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンド。
項７．項１～６のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンドを含む、電子デバイス。

本発明によれば、ホウ素を高濃度で含んでいるにも拘わらず、電気抵抗値の小さいホウ素ドープダイヤモンドを提供することができる。

実施例１，２及び比較例１，２で得られたホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドについて、ＮＥＸＡＦＳ（Ｃ１ｓ）によって得られたＸ線光子エネルギーと強度との関係を示すグラフである。実施例２，３及び比較例２で得られたホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドについて、ＮＥＸＡＦＳ（Ｂ１ｓ）によって得られたＸ線光子エネルギーと強度との関係を示すグラフである。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドは、ダイヤモンドにホウ素がドープされている、ホウ素ドープダイヤモンドである。本発明において、ホウ素ドープダイヤモンドの結晶構造は、単結晶でもよいし、多結晶でもよい。例えば、ホウ素ドープダイヤモンドを成膜する基板として、単結晶ダイヤモンド基板を用いると、ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドが得られる。また、例えば、多結晶ダイヤモンド基板を用いると、ホウ素ドープ多結晶ダイヤモンドが得られる。なお、ホウ素ドープ多結晶ダイヤモンドの合成には、異種基板（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＷＣなど）を用いてもよい。異種基板上に，ダイヤモンド微粒子を用いて所謂「傷つけ処理」を施すことにより、ダイヤモンドの核生成を促し、ホウ素ドープ多結晶ダイヤモンドを成長させることができる。なお、傷つけ処理は、基材によっては不要な場合がある。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドにおいては、二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にある。さらに、本発明の第１のホウ素ドープダイヤモンドにおいては、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、Ｘ線光子エネルギー２８８ｅＶ～２９０ｅＶの範囲に位置するダイヤモンドコアエキシントンのピーク強度Ａと、Ｘ線光子エネルギー２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶの範囲におけるピーク強度面積Ｂとの比（Ｂ／Ａ）が、０．３０以下であることを特徴とする。なお、ＮＥＸＡＦＳによる具体的な測定方法は、実施例に記載のとおりである。

従来のホウ素ドープダイヤモンドにおいては、ホウ素濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3超という高濃度になると、ホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素原子同士が結合したクラスターが形成され、前記のピーク強度面積比（Ｂ／Ａ）が０．３０を大きく超えるという特徴を有している。当該ピーク強度面積比（Ｂ／Ａ）が０．３０を大きく超えると、置換原子位置以外のサイトにホウ素が組み込まれ、電気抵抗値が大きくなるという問題がある。これに対して、本発明の第１のホウ素ドープダイヤモンドにおいては、当該ピーク強度面積比（Ｂ／Ａ）が０．３０以下であるため、ホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲という高濃度であるにも拘わらず、当該ピーク強度面積比（Ｂ／Ａ）が０．３０以下であり、ホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素原子同士が結合したクラスターが実質的に存在しない。このため、第１のホウ素ドープダイヤモンドにおいては、置換原子位置にホウ素が組み込まれており、電気抵抗値が小さいという特徴を有している。

また、本発明の第１のホウ素ドープダイヤモンドにおいては、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、ホウ素原子の１ｓ軌道から外殻へのＸ線吸収スペクトルにおいて、ホウ素原子同士が結合したクラスターが存在することを示す１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置にピークを実質的に有していないことが好ましい。当該特性を備えるホウ素ドープダイヤモンドにおいても、ホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素原子同士が結合したクラスターが実質的に存在せず、置換原子位置にホウ素が組み込まれており、電気抵抗値が小さいという特徴を有している。ＮＥＸＡＦＳによる具体的な測定方法は、実施例に記載のとおりである。

なお、前記のＮＥＸＡＦＳ測定において、１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置に観測されるピークが、ホウ素ドープダイヤモンド中のホウ素同士が結合したクラスターに起因していることは、例えば"Diamond & Related Materials 39 (2013) 53-57"などに報告されている。

本発明の第２のホウ素ドープダイヤモンドは、二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にあり、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、ホウ素原子の１ｓ軌道から外殻へのＸ線吸収スペクトルにおいて、ホウ素原子同士が結合したクラスターが存在することを示す１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置にピークを実質的に有していないことを特徴としている。前述の第１のホウ素ドープダイヤモンドと同様、第２のホウ素ドープダイヤモンドにおいても、ホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素原子同士が結合したクラスターが実質的に存在しないため、置換原子位置にホウ素が組み込まれており、電気抵抗値が小さいという特徴を有している。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗値としては、特に制限されないが、後述の電子デバイスとして好適に用いる観点からは、例えば温度２５℃における電気抵抗値としては、好ましくは３０ｍΩｃｍ以下、より好ましくは２５ｍΩｃｍ以下、さらに好ましくは５ｍΩｃｍ以下が挙げられる。なお、電気抵抗値の下限値としては、通常、０．１ｍΩｃｍ程度である。電気抵抗値は、ホール効果によって測定した値であり、具体的な測定条件は、後述の実施例に記載の通りである。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドは、ダイヤモンドの炭素原子の一部がホウ素原子によって置換された結晶構造を有している。ホウ素ドープダイヤモンドにおいて、ホウ素以外の不純物（例えば、リン）が含まれていてもよい。ホウ素以外の不純物は、１種類単独で含まれていてもよいし、２種類以上含まれていてもよい。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドの製造方法としては、例えば、熱フィラメントＣＶＤ法により好適に製造することができる。なお、従来、ホウ素ドープダイヤモンドの合成法として、熱フィラメントＣＶＤ法を用いることも考えられたが、例えば単結晶構造を有するホウ素ドープダイヤモンドを合成しようとすると、フィラメントを構成する金属元素（例えば、タングステンフィラメントを構成するタングステン）もドープされるため、単結晶構造を備えるホウ素ドープダイヤモンドについては、好適に製造することはできないと考えられた。特に、ホウ素を高濃度でドープする場合には、単結晶構造を備えるホウ素ドープダイヤモンドが合成できるとは考えられなかった。

ところが、本発明者らが検討を重ねたところ、意外にも、熱フィラメントＣＶＤ法を採用することにより、単結晶構造を有するホウ素ドープダイヤモンドが好適に得られることを見出した。さらに、本発明者らは、熱フィラメントＣＶＤ法を採用することにより、長時間にわたる合成によっても、高濃度のホウ素（例えば、二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3超）がドープされたホウ素ドープダイヤモンドを合成することができ、チャンバー内に煤が堆積せず、単結晶構造の結晶品質に優れたホウ素ドープダイヤモンドが得られることを見出した。また、ホウ素ドープダイヤモンドの厚膜化、大面積化も可能であることを見出した。

例えば、熱フィラメントＣＶＤ法により製造されたホウ素ドープダイヤモンド中には、通常、熱フィラメントを構成する金属元素（例えば、後述のタングステンなど）が含まれている。一方、マイクロ波ＣＶＤ法により合成されたホウ素ドープダイヤモンドには、このような金属元素は含まれない。

なお、本発明のホウ素ドープダイヤモンドには、上記のようなホウ素に加えて、当該ホウ素とは異なる金属元素を含んでいてもよい。熱フィラメントＣＶＤ法により本発明のホウ素ドープダイヤモンドを製造した場合には、通常、フィラメントを構成する金属元素がホウ素ドープダイヤモンド中に含まれる。金属元素の具体例としては、タングステン、タンタル、レニウム、ルテニウム等が挙げられる。

ホウ素ドープダイヤモンドに金属元素が含まれる場合、金属元素の濃度としては、特に制限されないが、例えば１×１０¹⁶～１×１０²⁰ｃｍ^-3程度の範囲が挙げられる。なお、ホウ素ドープダイヤモンドにおける金属元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した値である。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドの厚みとしては、特に制限されないが、例えば０．０１μｍ～１ｍｍ程度、より好ましくは０．１～５００μｍ程度が挙げられる。例えば、マイクロ波ＣＶＤ法によってホウ素ドープダイヤモンドを合成する場合、チャンバー内に煤が発生しやすいため、例えば０．１μｍ～１ｍｍ程度の厚膜とすることが可能なホウ素濃度としては、１．２×１０²⁰ｃｍ^-3が限界であるとされている（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１００（２０１２）１２２１０９を参照）。一方、熱フィラメントＣＶＤ法により製造すれば、ホウ素濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3超である場合にも、ホウ素ドープダイヤモンドのに厚みを０．１μｍ～１ｍｍ程度とすることが可能である。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドの厚みの最大値と最小値との差は、当該最大値の１０％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましい。熱フィラメントＣＶＤ法によりホウ素ドープダイヤモンドを合成すれば、このような厚み均一性の高いホウ素ドープダイヤモンドとすることもできる。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドは、例えば、熱フィラメントＣＶＤ法などを用いて基板の上に形成することができるため、基板の上に形成された形態を有していてもよい。基板の具体例としては、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、３Ｃ炭化シリコン、イリジウム、プラチナなどが挙げられる。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドは、ホウ素を上記のような高濃度で含有しており、さらに、結晶格子歪みが小さく、電気抵抗値が小さいことから、ダイオード、トランジスタなどの電子デバイス用材料（特に、パワーデバイス用材料）として好適である。すなわち、本発明によれば、ホウ素ドープダイヤモンドを含む電子デバイスを提供することができる。本発明のホウ素ドープダイヤモンドを利用した電子デバイスとしては、例えば、ショットキーダイオード、ＰＮ接合ダイオード、電界効果トランジスタ、深紫外線ディテクター、電子エミッタなどが挙げられる。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドを熱フィラメントＣＶＤ法で製造する際の製造方法としては、例えば、以下の工程を備える方法が挙げられる。
工程（１）：基板及びフィラメントが配置された真空容器中に、炭素源及びホウ素源を含むキャリアガスを導入する工程
工程（２）：キャリアガスをフィラメントで加熱して、ホウ素を含むダイヤモンドを基板上に製膜する製膜工程

工程（１）において、真空容器中に配置するフィラメントを構成する金属としては、フィラメントを構成できるものであれば特に制限されない。金属元素の具体例としては、タングステン、タンタル、レニウム、ルテニウム等が挙げられ、これらの中でもタングステンが好ましい。金属元素は、１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を組み合わせて使用してもよい。

工程（１）において、真空容器中に配置する基板としては、後述の工程（２）において、キャリアガスに含まれる炭素源とホウ素とが基板上に製膜されて、ダイヤモンドの結晶構造を有するホウ素ドープダイヤモンドを成長させることができるものであれば、特に制限されない。基板の具体例としては、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、３Ｃ炭化シリコン、イリジウム、プラチナなどが挙げられる。

工程（１）においては、真空容器中を真空状態とした後、炭素源及びホウ素源を含むキャリアガスを導入する。炭素源としては、ダイヤモンドを形成できるものであれば特に制限されず、例えば、メタンなどが挙げられる。炭素源は、１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を組み合わせて使用してもよい。また、ホウ素源としては、ホウ素としてダイヤモンド中にドープされて、ダイヤモンドの結晶構造を保持できるものであれば、特に制限されず、好ましくはトリメチルボロン、ジボランなどが挙げられる。ホウ素源は、１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を組み合わせて使用してもよい。

キャリアガスとしては、特に制限されず、例えば、水素ガスを使用することができる。キャリアガス中における炭素源の濃度としては、好ましくは０．５～５．０体積％程度、より好ましくは１．０～３．０体積％程度が挙げられる。また、キャリアガス中における炭素源に対するホウ素源の濃度としては、ホウ素ドープダイヤモンド中に含ませるホウ素濃度に応じて適宜設定すればよい。例えば、ホウ素ドープダイヤモンドにおけるホウ素の濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下とする観点からは、キャリアガス中における炭素源に対するホウ素源の濃度としては、好ましくは１００ｐｐｍ以上、より好ましくは１０００～２００００ｐｐｍ程度、さらに好ましくは５０００～１００００ｐｐｍ程度が挙げられる。

工程（２）においては、キャリアガスをフィラメントで加熱して、ホウ素ドープダイヤモンドを基板の上に製膜する製膜工程を行う。フィラメントの加熱温度は、使用するフィラメントを構成する金属元素の種類や、ホウ素ドープダイヤモンド中に含有させるホウ素の濃度に応じて、適宜設定すればよく、好ましくは２０００～２４００℃程度、より好ましくは２０００～２２００℃程度が挙げられる。

工程（２）における真空容器内の全圧としては、特に制限されず、例えば１０～１００Ｔｏｒｒ程度、より好ましくは１０～８０Ｔｏｒｒ程度が挙げられる。

工程（２）における基板の温度としては、特に制限されず、例えば７００～１１００℃程度、より好ましくは７００～９００℃程度が挙げられる。

工程（２）における製膜時間は、目的とする厚み等に応じて適宜選択すればよく、通常３～５０時間程度である。

工程（２）の製膜工程においては、ダイヤモンドにおけるホウ素の濃度を１×１０¹⁹超、１×１０²²ｃｍ^-3以下とすることができる。前述の通り、本発明のホウ素ドープダイヤモンドの製造方法においては、キャリアガス中における炭素源に対するホウ素源の濃度を、好ましくは１００ｐｐｍ以上とすることにより、ホウ素ドープダイヤモンドにおけるホウ素の濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下となるように調整することができる。

本発明のホウ素ドープダイヤモンドの製造方法において、ホウ素を高濃度でドープする場合、キャリアガス中における炭素源の濃度を０．１～５．０体積％、真空容器内の全圧を１０～８０Ｔｏｒｒ、基板の温度を７００～９００℃とした上で、基板の前処理におけるオフ角を０．５～３°に設定することにより、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超という高濃度のホウ素を含むホウ素ドープダイヤモンドを、特に好適に製造することができる。

以上の工程（１）及び工程（２）により、本発明のホウ素ドープダイヤモンドを好適に製造することができる。

以下に、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、実施例に限定されない。

＜実施例１－３＞
単結晶ダイヤモンド基板（１００）の表面上に、熱フィラメント化学気相成長法（熱フィラメントＣＶＤ法）によりホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドを製膜した。各実施例における製膜条件は以下の通りである。
（製膜条件）
・キャリアガス：水素９７体積％、メタン３体積％（炭素源）であり、メタンに対するトリメチルボロン（ホウ素源）の体積濃度（気相中［Ｂ／Ｃ］_gas、ｐｐｍ）は、それぞれ表１に記載の通りである。
・全圧：３０Ｔｏｒｒ
・フィラメント材料：タングステン純度９９．９５％
・フィラメント温度：２２００℃
・基板温度：１１００℃
・基板サイズ：３ｍｍ×３ｍｍ
・製膜時間：１０時間
・ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドの膜厚：それぞれ、表１の通りである。
・基板前処理のオフ角：２．５°

＜実施例４＞
傷つけ処理を行ったＳｉ基板の表面上に、熱フィラメント化学気相成長法（熱フィラメントＣＶＤ法）によりホウ素ドープ多結晶ダイヤモンドを製膜した。製膜条件は以下の通りである。
（製膜条件）
・キャリアガス：水素９７体積％、メタン３体積％（炭素源）であり、メタンに対するトリメチルボロン（ホウ素源）の体積濃度（気相中［Ｂ／Ｃ］_gas、ｐｐｍ）は、表１に記載の通りである。
・全圧：３０Ｔｏｒｒ
・フィラメント材料：タングステン純度９９．９５％
・フィラメント温度：２２００℃
・基板温度：１１００℃
・基板サイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
・製膜時間：５時間
・ホウ素ドープ多結晶ダイヤモンドの膜厚：表１の通りである。

＜比較例１＞
高温高圧法で作製された市販のホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド基板（ＴＩＳＮＣＭ社製、ｔｙｐｅ－ＩＩｂ基板，面方位 (１００)、ホウ素濃度：約１０²⁰ｃｍ^-3、基板厚さ：３００μｍ）を用いた。

＜比較例２＞
単結晶ダイヤモンド基板（１００）の表面上に、マイクロ波ＣＶＤ法によりホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドを製膜した。製膜条件は以下の通りである。
（製膜条件）
・キャリアガス：水素９７体積％、メタン３体積％（炭素源）であり、メタンに対するトリメチルボロン（ホウ素源）の体積濃度（気相中［Ｂ／Ｃ］_gas、ｐｐｍ）は、１００００体積％
・全圧：８０Ｔｏｒｒ
・基板温度：１０００℃
・基板サイズ：３ｍｍ×３ｍｍ
・製膜時間：１０時間
・ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドの膜厚：１μｍ
・基板前処理のオフ角：２．５°

［ホウ素濃度の測定］
上記の実施例１－４，比較例１－２で得られたホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ、Ｃｓ⁺イオン加速電圧１５．０ｋＶ）により測定した。結果を表２，３に示す。

［Ｘ線吸収微細構造解析（Ｃ１ｓ）］
上記の実施例１，２，４及び比較例１，２で得られたホウ素ドープダイヤモンドについて、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）を行った。一般に、ダイヤモンドのＮＥＸＡＦＳによる評価においては、ホストエレメントの炭素（カーボン）の１ｓから外殻へのＸ線吸収スペクトルが利用される。すなわち、炭素原子の吸収端近傍（２７５ｅＶ～３４５ｅＶ）でＸ線光子エネルギーをスキャンし、吸収過程におけるエネルギー損失分を検出することでスペクトルが得られる。このときの検出方法としては、超高真空中で測定が可能な電子収量法(Total electron yield：TEY)または蛍光収量法(Fluoresence yield: FY)を通常用いることができる。ここでは、ホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素原子同士が結合したクラスターを確認するため、TEY法を用いた。

ＮＥＸＡＦＳにおいて、実施例３－５及び比較例１，２で得られたホウ素ドープダイヤモンドの表面を熱混酸処理によって洗浄したのち、ＮＥＸＡＦＳ分析用のチャンバーに輸送した。次に、ホウ素ドープダイヤモンドの表面に、超高真空下でＸ線ビームを照射し、Ｘ線光子エネルギー２７５ｅＶ～３４５ｅＶの範囲でスキャンした。このとき、光子エネルギー強度をＩ₀とし、前述のTEY法で測定されるＸ線吸収電流をＩ_Sとした。検出スペクトルを入射エネルギーで規格化したＩ_S／Ｉ₀が、ＮＥＸＡＦＳスペクトルである。入射Ｘ線角度は試料に対して９０°（直角）、入射Ｘ線エネルギーは３ｐＡ（２７５ｅＶにて）、分析室真空度は８．０×１０^-8Ｐａとした。また、熱混酸処理は、２５０℃～４５０℃の硫酸と硝酸の混合液中でホウ素ドープダイヤモンドを煮沸洗浄する処理である。

このようにして得られたスペクトルは、種々の要因でバックグラウンドを含んでいる。このため、Ｘ線光子エネルギー２７５ｅＶ～３４５ｅＶの範囲のスペクトルを基準とし、Victoreen-Fit法によりバックグラウンド補正を行い、真のスペクトルを抽出した。真のスペクトルから、Ｘ線光子エネルギー２８８ｅＶ～２９０ｅＶの範囲に位置するダイヤモンドコアエキシントンのピーク強度Ａと、Ｘ線光子エネルギー２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶの範囲におけるピーク強度面積Ｂを求め、ＢとＡの比（Ｂ／Ａ）を算出した。Ｘ線光子エネルギー範囲２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶには、ホウ素ドープダイヤモンドにおいて、ホウ素原子同士が結合したクラスターのピークが表れるため、ＢとＡの比（Ｂ／Ａ）の値により、当該クラスターの有無を判定することができる。

実施例１，２及び比較例１，２で得られたホウ素ドープダイヤモンドについて、ＮＥＸＡＦＳによって得られたＸ線光子エネルギーと強度との関係を示すグラフを図１に示す。また、これらのグラフから得られたＸ線光子エネルギー２８８ｅＶ～２９０ｅＶの範囲に位置するダイヤモンドコアエキシントンのピーク強度Ａと、Ｘ線光子エネルギー２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶの範囲におけるピーク強度面積Ｂの値、Ｂ／Ａの値を表２に示す（実施例１，２，４及び比較例１，２）。

表２及び図１に示されるグラフから明らかな通り、実施例１，２，４で得られたホウ素ドープダイヤモンドにおいては、Ｂ／Ａの値が０．３０以下と小さく、実質的にホウ素原子同士が結合したクラスターがホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド中に含まれていないことが分かる。

［Ｘ線吸収微細構造解析（Ｂ１ｓ）］
上記の実施例２，３及び比較例２で得られたホウ素ドープダイヤモンドについて、Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）を行った。ホウ素原子の吸収端近傍（175ｅＶ～220ｅＶ）でＸ線光子エネルギーをスキャンし、吸収過程におけるエネルギー損失分を検出することでスペクトルが得られる。このときの検出方法としては、超高真空中で測定が可能な電子収量法(Total electron yield：TEY)または蛍光収量法(Fluoresence yield: FY)を通常用いることができる。ここでは、ホウ素ドープダイヤモンドに含まれるホウ素原子同士が結合したクラスターを高感度に測定するため、FY法を用いた。

実施例２，３及び比較例２で得られたホウ素ドープダイヤモンドの表面を熱混酸処理によって洗浄したのち、ＮＥＸＡＦＳ分析用のチャンバーに輸送した。次に、ホウ素ドープダイヤモンドの表面に、超高真空下でＸ線ビームを照射し、Ｘ線光子エネルギー175ｅＶ～220ｅＶの範囲でスキャンした。このとき、試料表面から放出される微弱光を蛍光検出器にて検出した。検出スペクトルを入射エネルギーで規格化したＩ_S／Ｉ₀が、ＮＥＸＡＦＳスペクトルである。入射Ｘ線角度は試料に対して９０°（直角）、入射Ｘ線エネルギーは１ｐＡ（175 ｅＶにて）、分析室真空度は８．０×１０^-8Ｐａとした。また、熱混酸処理は、２５０℃～４５０℃の硫酸と硝酸の混合液中でホウ素ドープダイヤモンドを煮沸洗浄する処理である。結果を表３及び図２に示す。

表３及び図２に示されるグラフから明らかな通り、実施例２，３で得られたホウ素ドープダイヤモンドにおいては、１８７．１ｅＶ及び１８９．１ｅＶの位置にピークを実質的に有しておらず、実質的にホウ素原子同士が結合したクラスターがホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド中に含まれていないことが分かる。

［電気抵抗値の測定］
上記の実施例１－３及び比較例１－２で得られたホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗値を、ｖａｎｄｅｒＰａｕｗ法によるホール効果（２５℃）により測定した。結果を表４に示す。

Claims

ダイヤモンドにホウ素がドープされている、ホウ素ドープダイヤモンドであって、
二次イオン質量分析法で測定したホウ素濃度が、１×１０¹⁹ｃｍ^-3超、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲にあり、
金属元素の濃度が、１×１０ ¹⁶ ～１×１０ ²⁰ ｃｍ ^-3 であり、
電気抵抗値が、２５ｍΩｃｍ以下であり、
Ｘ線吸収微細構造解析（ＮＥＸＡＦＳ）によって測定される、Ｘ線光子エネルギー２８８ｅＶ～２９０ｅＶの範囲に位置するダイヤモンドコアエキシントンのピーク強度Ａと、Ｘ線光子エネルギー２８６．２ｅＶ～２８８．５ｅＶの範囲におけるピーク強度面積Ｂとの比（Ｂ／Ａ）が、０．３０以下である、ホウ素ドープダイヤモンド。
電気抵抗値が、５ｍΩｃｍ以下である、請求項１に記載のホウ素ドープダイヤモンド。
厚みが０．０１μｍ～１ｍｍの範囲にある、請求項１または請求項２に記載のホウ素ドープダイヤモンド。
前記ホウ素ドープダイヤモンドの厚みの最大値と最小値との差が、当該最大値の１０％以下である、請求項１～３のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンド。
基板の上に形成されている、請求項１～４のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンド。
請求項１～５のいずれかに記載のホウ素ドープダイヤモンドを含む、電子デバイス。