JP7420763B2 - 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 - Google Patents
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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SrTiO3層、α-Al2O3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。
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SrTiO3層、α-Al2O3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。
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。
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。
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。
(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。
次に、シリコン基材2上に単結晶MgO層、単結晶SrTiO3層、α-Al2O3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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、単結晶MgO層、単結晶SrTiO3層、α-Al2O3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3層積層されたエピタキシャル層であり、
該3層の単結晶ダイヤモンド層のうち、
前記下地層に最も近い単結晶ダイヤモンド層は、前記不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドからなり、
残りの2層の単結晶ダイヤモンド層は、前記p型単結晶ダイヤモンド又は前記n型単結晶ダイヤモンドのどちらか一方の導電型の単結晶ダイヤモンドからなり、該一方の導電型の単結晶ダイヤモンドでドープ濃度差のある2層からなり、前記下地層に最も近い単結晶ダイヤモンド層に近い層が、遠い層よりもドープ濃度が高いものであることを特徴とするダイヤモンド電子素子。 - 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。
- 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SrTiO3層、α-Al2O3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エピタキシャル成長により3層積層させ、
該3層の単結晶ダイヤモンド層のうち、
前記下地層に最も近い単結晶ダイヤモンド層を、前記不純物を導入しない高抵抗単結晶ダイヤモンドからなるものとし、
残りの2層の単結晶ダイヤモンド層は、前記p型単結晶ダイヤモンド又は前記n型単結晶ダイヤモンドのどちらか一方の導電型の単結晶ダイヤモンドからなり、該一方の導電型の単結晶ダイヤモンドでドープ濃度差のある2層からなり、前記下地層に最も近い単結晶ダイヤモンド層に近い層が、遠い層よりもドープ濃度が高いもの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。 - 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。
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