JP7071775B2 - ダイヤモンド結晶体を備える複合体 - Google Patents

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Description

本願は、ダイヤモンドの特性を活かした状態で基材に接合されているダイヤモンド結晶体を備える複合体に関する。
ダイヤモンドは、非常に高い熱伝導率と絶縁破壊電界を有している。既存のデバイスをダイヤモンド基板と直接接合することで、冷却効率と入出力電力の大幅な向上が期待できる。温度１０００℃以上、圧力３２ＭＰａでダイヤモンドとＳｉ基板を熱圧着して、ＣとＳｉを原子レベルで接合する方法が知られている（非特許文献１）。しかしながら、この方法によって接合されたダイヤモンドとＳｉの複合体は、熱膨張と熱収縮によって破断するおそれがある。
また、原子レベルで平滑なダイヤモンド基板と石英ガラスを接触させて、水素雰囲気下で温度８００～９００℃に加熱し、接触面の表面反応によりダイヤモンドと石英を接合する方法も知られている（非特許文献２）。この方法では、特別な接合荷重を付与する必要がない。しかしながら、この方法は、水素雰囲気下かつ高温下での処理が必要であり、温和な条件でダイヤモンドを基材に接合する技術の出現が望まれている。
G. N. Yushin et al., Appl. Phys. Lett., 81, 3275-3277 (2002). J. Haisma, B. A. C. M. Spierings, U. K. P. Biermann and A. A. van Gorkum, Appl. Opt., 33, 1154 (1994).
本願の課題は、１０００℃近くの高温下でなく、特別な接合荷重が不要で、大気中でダイヤモンドが基材に接合でき、接合面付近でダイヤモンド結晶構造がほとんど変質しない基材とダイヤモンド結晶体の接合方法と、基材に接合されており、接合面付近でダイヤモンド結晶構造がほとんど変質していないダイヤモンド結晶体を備える複合体を提供することである。
本願の複合体は、表面に元素Ｍの酸化物層ＭＯｘを備える基材と、表面に接合されているダイヤモンド結晶体とを有し、Ｍが、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉの一種以上であり、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣがＭ－Ｏ－Ｃ結合されることによって、ダイヤモンド結晶体が表面に接合されている。
本願のある態様の電子装置は、本願の複合体を有し、ダイヤモンド結晶体が層形状を備え、ダイヤモンド結晶体の一方の面が表面に接合されており、ダイヤモンド結晶体の他方の面に形成された電子部材をさらに有する。本願の他の態様の電子装置は、本願の複合体を有し、基材が板形状を備え、基材の一方の面が（１１１）表面に接合されており、基材の他方の面に形成された電子部材をさらに有する。本願のダイヤモンド結晶体表面のヒドロキシ化方法は、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面を酸化性液体で処理して、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣにＯＨを導入する。
本願の基材とダイヤモンド結晶体の接合方法は、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面を酸化性液体で処理して、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣにＯＨを導入するヒドロキシ化工程と、ヒドロキシ化工程でＯＨが導入された（１１１）表面と、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉの一種以上のヒドロキシ化物を表面に備える基材の表面を接触させ、この接触部に脱水化エネルギーを与えて脱水反応させる接合工程とを有する。
本願の基材とダイヤモンド結晶体の接合方法によれば、２００℃程度の低温で、特別な接合荷重が不要で、大気中でダイヤモンド結晶体が基材に接合できる。また、本願の基材に接合されたダイヤモンド結晶体を備える複合体では、接合面付近でダイヤモンド結晶構造がほとんど変質していない。
実施形態の基材とダイヤモンド結晶体の接合方法を説明する斜視図。 実施形態の電子装置であるダイヤモンドデバイスの断面模式図。 他の実施形態の電子装置の断面模式図。 各実施例と比較例で得られた複合体のダイヤモンド基板側の画像。 実施例２の複合体の断面ＴＥＭ画像。 図５と倍率が異なる実施例２の複合体の断面ＴＥＭ画像。 （ａ）実施例１の複合体の断面ＴＥＭ画像、（ｂ）（ａ）に示す各部分およびダイヤモンド基板におけるＥＥＬＳスペクトル。 実施例１の複合体のＦＴ－ＩＲスペクトル。 実施例２の複合体のＦＴ－ＩＲスペクトル。 実施例１の複合体の作製過程におけるＳＰＭ処理温度と複合体のせん断強度の関係を示すグラフ。
図１（ａ）から図１（ｃ）は、本願の実施形態の基材とダイヤモンド結晶体の接合方法を説明するための斜視模式図である。実施形態の基材とダイヤモンド結晶体の接合方法は、ヒドロキシ化工程と、接合工程を備えている。図１（ａ）に示すように、ヒドロキシ化工程では、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面を酸化性液体で処理して、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣにＯＨを導入する。
ヒドロキシ化工程は、本願の実施形態のダイヤモンド結晶体表面のヒドロキシ化方法でもある。酸化性液体としては、例えば硫酸と過酸化水素の混合液（Sulfuric acid / Hydrogen Peroxide Mixture：ＳＰＭ）が挙げられる。ＳＰＭを用いる場合、温度７５℃以上９５℃以下で処理することが好ましい。実施例で示すように、基材とダイヤモンド結晶体が強く接合されるからである。
図１（ｂ）に示すように、接合工程では、ヒドロキシ化工程でＯＨが導入されたダイヤモンド結晶体の（１１１）表面と、所定の元素Ｍのヒドロキシ化物を表面に備える基材のこの表面を接触させる。本実施形態では、基材がＳｉ基板であり、基材の表面には自然酸化膜ＳｉＯ２が形成されている。図１（ａ）に示すように、所定の元素のヒドロキシ化物を表面に備える基材、すなわちＳｉ－ＯＨを表面に備える基材は、自然酸化膜ＳｉＯ２に酸素プラズマを照射することによって得られる。
所定の元素Ｍとは、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、ＴｅおよびＢｉの一種以上である。このような金属元素は、Ａｌ、原子番号２１のＳｃから原子番号３１のＧａまで、原子番号３９のＹから原子番号５０のＳｎまで、原子番号５７のＬａから原子番号７７のＩｒまで、Ｔｌ、およびＰｂである。これらの元素Ｍは、少なくとも表面に酸化物層ＭＯｘを形成できる。酸化物層ＭＯｘを形成できる元素Ｍを基材に使用すれば、適切な処理によってＭＯｘをヒドロキシ化物Ｍ－ＯＨに変換できる。そして、後述するように、このＭ－ＯＨと、ＯＨが導入されたダイヤモンド結晶体の（１１１）表面のＣ－ＯＨが脱水反応する。
そして、図１（ｃ）に示すように、この接触部に脱水化エネルギーを与えて脱水反応させる。脱水化エネルギーとしては、熱エネルギー、光エネルギー、電気エネルギー、または化学エネルギーなどが挙げられる。本実施形態では接触部を加熱している。この脱水反応によって、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣがＳｉ－Ｏ－Ｃ結合される。これによって、ダイヤモンド結晶体がＳｉ基板の表面に接合される。この接合部分は十分なせん断強度がある。
本願の実施形態の複合体は、表面に所定の元素Ｍの酸化物層ＭＯｘを備える基材と、表面に接合されているダイヤモンド結晶体とを備えている。そして、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣがＭ－Ｏ－Ｃ結合されることによって、ダイヤモンド結晶体が表面に接合されている。Ｍ－Ｏ－Ｃ結合が形成されていることは、例えばＦＴ－ＩＲによって確認できる。
表面に酸化物層ＭＯｘを備える基材は、ＭまたはＭ化合物を主成分とし、表面に熱酸化膜または自然酸化膜ＭＯｘが形成された基材でもよいし、ＭＯｘを主成分とする、またはＭＯｘから構成されている基材でもよい。ＭまたはＭ化合物を主成分とし、表面に熱酸化膜または自然酸化膜ＭＯｘが形成された基材としては、Ｓｉ基材、ＳｉＣ基材、ＳｉＮ基材、Ｇｅ基材、ＧａＡｓ基材、ＧａＮ基材、ＩｎＰ基材、Ｃｕ基材、Ａｌ基材、ＡｌＮ基材、Ｔｉ基材、またはＴｉＮ基材などが挙げられる。ＭＯｘから構成されている基材としては、ＳｉＯ２基材、Ｇａ２Ｏ３基材、Ａｌ２Ｏ３基材、ＣｕＯ基材、またはＴｉＯ２基材などが挙げられる。また、基材は、単結晶構造でもよいし、多結晶構造でもよい。
所定の元素Ｍは、上述したとおりである。ＭはＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、およびＧａの一種以上であることが好ましい。表面にこれらの酸化物層ＭＯｘを備える基材は、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣとＭ－Ｏ－Ｃの結合によって、ダイヤモンド結晶体と接合しやすいからである。また、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、およびＧａを備える基材は各種分野で使用されており、この各種分野で使用されている基材にダイヤモンドの特性を付与できるからである。なお、ダイヤモンド結晶体の（１００）表面をＳＰＭのような酸化性液体で処理しても、（１００）表面のＣにはＯＨが導入されにくい。ダイヤモンド結晶体の（１００）表面の酸化性液体での処理によって、表面の隣り合うＣ同士がＣ－Ｏ－Ｃ結合しやすいからである。
本実施形態の複合体は、各種分野に応用できる。例えば、基材を既存のヒートシンクまたはヒートスプレッダーとすれば、ダイヤモンドの高い熱伝導性によって、複合体の放熱・吸熱特性が高くなる。このため、この複合体は、新たなヒートシンクまたはヒートスプレッダーとして使用できる。また、本実施形態の複合体は電子装置に適用できる。すなわち、図２に示すように、ある電子装置は、本実施形態の複合体を有し、ダイヤモンド結晶体が層形状を備え、ダイヤモンド結晶体の一方の面が基材表面に接合されており、ダイヤモンド結晶体の他方の面に形成された電子部材をさらに有している。
この電子装置は、ダイヤモンド結晶体上に半導体積層構造、量子デバイス、センサー、紫外光ＬＥＤ、または電子放出デバイスのような電子部材を備えるダイヤモンドデバイスとして機能する。本実施形態の複合体のように、接合面付近でダイヤモンド結晶構造がほとんど変質していなければ、基材全体を高価なダイヤモンド結晶体とせずに、安価な基材の表層だけをダイヤモンド結晶体に置き換えられる。このため、このダイヤモンドデバイスは、コストダウンが可能となる。
また、図３に示すように、他の電子装置は、本実施形態の複合体を有し、基材が板形状を備え、基材の一方の面がダイヤモンド結晶体の（１１１）表面に接合されており、基材の他方の面に形成された電子部材をさらに有している。この電子装置は、従来デバイスの基板下に、ダイヤモンド結晶体が接合された構造を備えている。このため、この電子装置では、従来デバイスをダイヤモンド結晶体から効率よく放熱できる。また、ダイヤモンド結晶体は絶縁破壊電界が大きいので、この電子装置の電子部材に高電力が入力できる。
１．複合体の作製
（実施例１）
９８％濃硫酸２０ｍＬと３５％過酸化水素水５ｍＬからなる温度７５℃の混合液に、（１１１）表面を備えるダイヤモンド基板（ＥＤＰ社、ＲＨ３３３ＫＰＰＬ、３ｍｍ×３ｍｍ）を１０分間浸漬した。厚さ３００ｎｍの熱酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える単結晶Ｓｉ基板（松崎製作所社、Ｔ４ＡＰＸ、直径１００ｍｍ）のＳｉＯ２膜表面を、圧力６０Ｐａ、出力２００Ｗの高純度酸素プラズマで３０秒間処理した。プラズマ処理したＳｉ基板のＳｉＯ２膜、すなわちＳｉ－ＯＨを備えるＳｉ基板の表面と、ダイヤモンド基板の（１１１）表面を大気中で接触させ、密閉容器内で乾燥剤とともに３日間保管した。その後、温度２００℃で２４時間加熱して複合体を得た。
（実施例２）
熱酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える単結晶Ｓｉ基板の代わりに、厚さ約１ｎｍの自然酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える単結晶Ｓｉ基板を用いた点を除いて、実施例１と同様の方法で複合体を得た。
（実施例３）
熱酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える単結晶Ｓｉ基板の代わりに、スパッタリング法によって成膜した厚さ約１０ｎｍのＴｉ膜を表面に備える単結晶Ｓｉ基板を用いた点を除いて、実施例１と同様の方法で複合体を得た。なお、Ｔｉ膜の表面にはＴｉＯ２膜が薄く形成されている。
（実施例４）
熱酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える単結晶Ｓｉ基板の代わりに、研磨した単結晶Ｇａ２Ｏ３基板を用いた点を除いて、実施例１と同様の方法で複合体を得た。
（比較例）
（１１１）表面を備えるダイヤモンド基板の代わりに、（１００）表面を備えるダイヤモンド基板を用いた点を除いて、実施例１と同様の方法で複合体を得た。
２．複合体の評価
図４は、実施例１から実施例４および比較例の複合体のダイヤモンド基板側の画像を示している。実施例１の複合体では、ダイヤモンド基板が全面にわたってＳｉ基板のＳｉＯ２膜表面に接合していた。実施例１の複合体のせん断強度は９．０ｋｇｆであった。実施例２の複合体では、ダイヤモンド基板が全面にわたってＳｉ基板に接合していた。実施例２の複合体のせん断強度は１８ｋｇｆであった。
実施例３の複合体では、ダイヤモンド基板の表面の半分程度がＳｉ基板のＴｉ膜表面に接合していた。実施例３の複合体のせん断強度は７．４ｋｇｆであった。実施例４の複合体では、ダイヤモンド基板の表面の半分程度がＧａ２Ｏ３基板に接合していた。実施例４の複合体のせん断強度は５．０ｋｇｆであった。比較例の複合体では、ダイヤモンド基板がＳｉ基板にほとんど接合していなかった。比較例の複合体のせん断強度は０．２ｋｇｆ未満であった。図４に示すように、ニュートンリングが観察される部分が、接合してしない部分である。
図５は、実施例２の複合体の断面ＴＥＭ画像を示している。図５に示すように、実施例２の複合体は、ダイヤモンド基板と、Ｓｉ基板と、これらの間にある厚さ約４ｎｍのＳｉＯ２膜を備えていた。図６は、図５と倍率が異なる実施例２の断面ＴＥＭ画像を示している。図６に示すように、ダイヤモンド基板とＳｉＯ２膜は原子レベルで接合した。また、ダイヤモンド基板の表面の段部にはＳｉＯ２が充填されていた。
図７（ａ）は、実施例１の複合体の断面ＴＥＭ画像を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すダイヤモンド基板の表面近くの＃１から＃３までの各部分およびダイヤモンド基板におけるＥＥＬＳスペクトルを示している。ＥＥＬＳスペクトルの３００ｅＶと３０７ｅＶのピークは、ダイヤモンドの固有ピークである。図７（ｂ）に示すように、ダイヤモンド基板とＳｉＯ２膜の接合界面近傍でも、ダイヤモンドの固有ピークが観察された。すなわち、ダイヤモンド基板とＳｉＯ２膜の接合界面近傍でも、ダイヤモンドの結晶性が失われていなかった。
図８は、実施例１の複合体のＦＴ－ＩＲスペクトルである。このスペクトルは、熱酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える多結晶Ｓｉ基板とダイヤモンド基板の積層部の吸収スペクトルから熱酸化ＳｉＯ２膜を表面に備える多結晶Ｓｉ基板部の吸収スペクトルを除算した数値の常用対数をとったものである。図８に示すように、１１００ｃｍ－１付近にＳｉ－Ｏ－Ｃ結合に帰属されるピークが観測された。すなわち、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣがＳｉ－Ｏ－Ｃ結合されることによって、ダイヤモンド結晶体がＳｉＯ２膜に接合されていることがわかった。これは、下記の脱水反応が進行したことを示している。
Ｓｉ－ＯＨ ＋ Ｃ－ＯＨ → Ｓｉ－Ｏ－Ｃ ＋ Ｈ２Ｏ
図９は、図８のスペクトル測定と同様の方法で測定した実施例２の複合体のＦＴ－ＩＲスペクトルである。図９に示すように、実施例２の複合体でも１１００ｃｍ－１付近にＳｉ－Ｏ－Ｃ結合に帰属されるピークが観測された。また、Ｓｉ－Ｏ－Ｃ結合とは別に、Ｓｉ－Ｃ結合に帰属されるピークが観測された。実施例２の複合体のＳｉ基板の表面は、熱酸化ＳｉＯ２膜よりかなり薄い自然酸化ＳｉＯ２膜であるため、部分的にＳｉとＣが直接結合した可能性が考えられる。
図１０は、実施例１の複合体の作製過程におけるＳＰＭ処理温度と複合体のせん断強度の関係を示している。図１０に示すように、ＳＰＭ処理温度は、７５℃以上９５℃以下であることが好ましく、７５℃近辺が特に好ましい。ＳＰＭ処理温度が低すぎると、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面のＣのＯＨ導入が不十分となり、接合を形成するＳｉ－Ｏ－Ｃ結合の生成も不十分となると考えられる。また、ＳＰＭ処理温度が高すぎると、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面での反応が過剰となり、（１１１）表面が荒れ、（１１１）表面とＳｉＯ２膜が密着できなくなると考えられる。
これを確かめるため、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）を測定した。ＳＰＭ処理前のダイヤモンド結晶体の（１１１）表面のＲＭＳは０．３ｎｍであり、温度７５℃のＳＰＭ処理後のダイヤモンド結晶体の（１１１）表面のＲＭＳは０．４ｎｍであった。これに対して、温度１１０℃のＳＰＭ処理後のダイヤモンド結晶体の（１１１）表面のＲＭＳは０．８ｎｍであった。
これらのＲＭＳから、ＳＰＭ処理温度が高すぎると、ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の凹凸が大きくなることが裏付けられた。なお、ダイヤモンド結晶体の（１００）表面を温度１１０℃でＳＰＭ処理したところ、ＲＭＳが０．３ｎｍであり、ＳＰＭ処理前と同じであった。ダイヤモンド結晶体の（１００）表面は、ＳＰＭとの反応性が低いと考えられる。すなわち、ダイヤモンド結晶体の（１００）表面のＣには、ＯＨが導入されにくいと考えられる。

Claims (9)

  1. 表面に元素Ｍの酸化物層ＭＯｘを備える基材と、（１１１）表面を備え、前記表面と前記（１１１）表面で前記基材に接合されているダイヤモンド結晶体基板とを有し、
    前記Ｍが、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉの一種以上であり、
    前記（１１１）表面の一部以上のＣがＭ－Ｏ－Ｃ結合されることによって、前記ダイヤモンド結晶体基板が前記基材に接合されている複合体。
  2. 請求項１において、
    前記ＭがＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、およびＧａの一種以上である複合体。
  3. 表面に元素Ｍの酸化物層ＭＯｘを備える基材と、前記表面に接合されているダイヤモンド結晶体とを有し、
    前記Ｍが、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉの一種以上であり、
    前記ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣがＭ－Ｏ－Ｃ結合されることによって、前記ダイヤモンド結晶体が前記表面に接合されており、
    前記表面と前記（１１１）表面の接合部分のせん断強度が５．４ＭＰａ以上である複合体。
  4. 表面に元素Ｍの酸化物層ＭＯ ｘ を備えるヒートシンクまたはヒートスプレッダーと、前記表面に接合されているダイヤモンド結晶体とを有し、
    前記Ｍが、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉの一種以上であり、
    前記ダイヤモンド結晶体の（１１１）表面の一部以上のＣがＭ－Ｏ－Ｃ結合されることによって、前記ダイヤモンド結晶体が前記表面に接合されている複合体。
  5. 請求項１または２の複合体を有し、
    前記ダイヤモンド結晶体基板の前記基材と接合されている表面と反対側の面に形成された電子部材をさらに有する電子装置。
  6. 請求項１または２の複合体を有し、
    前記基材が板形状を備え、
    前記基材の前記ダイヤモンド結晶体基板と接合されている表面と反対側の面に形成された電子部材をさらに有する電子装置。
  7. （１１１）表面を備えるダイヤモンド結晶体基板の前記（１１１）表面を酸化性液体で処理して、前記（１１１）表面の一部以上のＣにＯＨを導入するヒドロキシ化工程と、
    前記ヒドロキシ化工程でＯＨが導入された前記（１１１）表面と、酸化物を形成できる金属元素（ただし、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を除く）、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉの一種以上のヒドロキシ化物を表面に備える基材の前記表面を接触させ、この接触部に脱水化エネルギーを与えて脱水反応させる接合工程と、
    を有する基材とダイヤモンド結晶体基板の接合方法。
  8. 請求項７において、
    前記酸化性液体が、硫酸と過酸化水素の混合液である基材とダイヤモンド結晶体基板の接合方法。
  9. 請求項８において、
    前記ヒドロキシ化工程では、温度７５℃以上９５℃以下の前記混合液で処理する基材とダイヤモンド結晶体基板の接合方法。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022141171A (ja) * 2021-03-15 2022-09-29 国立研究開発法人産業技術総合研究所 炭化ケイ素を備える複合体とその製造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008174394A (ja) 2007-01-16 2008-07-31 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド基板およびその製造方法
JP2009209028A (ja) 2008-02-08 2009-09-17 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド多結晶基板の製造方法及びダイヤモンド多結晶基板
JP2010222172A (ja) 2009-03-23 2010-10-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ダイヤモンド薄膜及びその製造方法
JP2018074172A (ja) 2013-09-02 2018-05-10 アールエフエイチアイシー コーポレイション 基板近傍の熱伝導性が改善された多結晶性ｃｖｄダイヤモンドを含む半導体デバイス構造体
WO2018143344A1 (ja) 2017-02-02 2018-08-09 三菱電機株式会社 半導体製造方法および半導体製造装置
JP2019021889A (ja) 2017-07-20 2019-02-07 山口　浩一 パワー半導体の回路実装構造とその製造方法
JP2019062020A (ja) 2017-09-25 2019-04-18 株式会社Sumco Ｓｏｉウェーハの製造方法およびｓｏｉウェーハ
JP2019201090A (ja) 2018-05-16 2019-11-21 公立大学法人大阪 半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5212401A (en) * 1991-07-25 1993-05-18 Kobe Steel Usa, Inc. High temperature rectifying contact
US5463271A (en) * 1993-07-09 1995-10-31 Silicon Video Corp. Structure for enhancing electron emission from carbon-containing cathode
US6159604A (en) * 1997-10-09 2000-12-12 Mitsubishi Materials Corporation Seed diamond powder excellent in adhesion to synthetic diamond film forming surface and dispersed solution thereof
JP3970399B2 (ja) * 1997-12-24 2007-09-05 シャープ株式会社 ダイヤモンド形成用基体の製造方法
JPH11307747A (ja) * 1998-04-17 1999-11-05 Nec Corp Ｓｏｉ基板およびその製造方法
JP4287416B2 (ja) * 2005-08-03 2009-07-01 株式会社東芝 電子放出装置
KR101019029B1 (ko) * 2007-08-14 2011-03-04 한국과학기술연구원 그라핀 하이브리드 물질 및 그 제조 방법
EP3379580A1 (en) * 2017-03-22 2018-09-26 Evince Technology Ltd Diamond semiconductor device
EP4119598A1 (en) * 2018-01-11 2023-01-18 Nanocore ApS Nanocomposite materials comprising mechanical ligands

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008174394A (ja) 2007-01-16 2008-07-31 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド基板およびその製造方法
JP2009209028A (ja) 2008-02-08 2009-09-17 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド多結晶基板の製造方法及びダイヤモンド多結晶基板
JP2010222172A (ja) 2009-03-23 2010-10-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ダイヤモンド薄膜及びその製造方法
JP2018074172A (ja) 2013-09-02 2018-05-10 アールエフエイチアイシー コーポレイション 基板近傍の熱伝導性が改善された多結晶性ｃｖｄダイヤモンドを含む半導体デバイス構造体
WO2018143344A1 (ja) 2017-02-02 2018-08-09 三菱電機株式会社 半導体製造方法および半導体製造装置
JP2019021889A (ja) 2017-07-20 2019-02-07 山口　浩一 パワー半導体の回路実装構造とその製造方法
JP2019062020A (ja) 2017-09-25 2019-04-18 株式会社Sumco Ｓｏｉウェーハの製造方法およびｓｏｉウェーハ
JP2019201090A (ja) 2018-05-16 2019-11-21 公立大学法人大阪 半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス

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