JPH01103993A

JPH01103993A - ダイヤモンド単結晶成長方法

Info

Publication number: JPH01103993A
Application number: JP26253287A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Imai; 貴浩今井; Hideaki Nakahata; 英章中幡; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1987-10-16
Publication date: 1989-04-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、半導体素子等として使用される、良好な結晶
性及び良好な不純物ドーピング効率を有するダイヤモン
ドの単結晶成長方法に関する。

［従来の技術］ダイヤモンドは、高い硬度、熱伝導度及び透明度を有す
る物質としてよく知られているが、大きい移動度、大き
いエネルギーギャップ及び小さい誘電率等の特徴を有す
るので、半導体材料、例えば、耐熱半導体素子及び高速
高出力素子等の材料として期待されている。

ダイヤモンド半導体を実用化するためには結晶性の良い
単結晶を得ることが必要である。ダイヤモンドは超高圧
下で安定な炭素の同素体であるため、これまで、ダイヤ
モンド単結晶の合成は５ＧＰａ以上の超高圧下で行われ
てきた。同様に天然に産生ずるダイヤモンドも超高圧下
で生成したものと考えられている。また、半導体材料に
おいては、高純度で結晶性のよいダイヤモンド単結晶だ
けでなく、適当な不純物を適量含んだ価電子制御可能な
結晶性のよいダイヤモンド単結晶も必要である。

しかし、超高圧下でダイヤモンド単結晶を人工合成する
方法においては、鉄等の溶融金属から炭素を析出させる
ので、ホウ素等の不純物の偏析が著しく、不純物を均一
にドーピングすることができなかった。また、リンや硫
黄等の不純物は、共有結合半径が炭素と異なるので、ド
ーピングすることができなかった。

近年、メタン等の炭化水素ガスを原料として、高周波放
電等の手段で原料ガスを分解励起し、気相中でダイヤモ
ンドを合成する方法が開発されている［メイニア（Ｒ，
Ｍａｎｉａ）等、クリスタル・リサーチ・アンド・テク
ノロジー（ＣｒｙｓｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、上６，７８５（１９８１）］
。この方法を用いて超高圧下で合成したダイヤモンド単
結晶の上にダイヤモンド単結晶層を成長させることがで
き、ホウ素等の不純物を均一にドーピングできることが
確認されており、例えば、ホウ素含有ダイヤモンド単結
晶層は、超高圧下でホウ素をドーピングして合成された
ダイヤモンド単結晶と同様にＰ型半導体の性質を示す［
藤森（Ｎ、Ｆｕｊｉｍｏｒｉ）等、バキューム（Ｖａｃ
ｕｕｍ）。

３６、　　９９（１９８６）コ。

しかし、この方法においては、ダイヤモンド単結晶の成
長面として典型的に用いられる面であり、ヘキ開面であ
る（１１１）面を成長面とした場合は、原料ガス中に含
まれる不純物量に対してダイヤモンド単結晶中に取り込
まれる不純物量が極めて少ない、即ち、ドーピング効率
が悪いという問題点があった。

［発明の目的］本発明の目的は、ダイヤモンド単結晶成長を行う際にお
いて、不純物のドーピングを良好に行うこと、特にドー
ピング効率を向上させることにあ［発明の構成］本発明の目的は、気相中でダイヤモンド単結晶基板上に
ダイヤモンド単結晶層を成長させる際に不純物をダイヤ
モンド単結晶層中にドーピングするダイヤモンド単結晶
成長方法において、ダイヤモンド単結晶を成長させるダ
イヤモンド単結晶基板の面が、（１１１）面の面方位に
対して少なくとも５°の角度を有する研磨された面であ
ることを特徴とするダイヤモンド単結晶成長方法により
達成される。

ダイヤモンド単結晶において、（１１１）面は、単位面
積当りの原子密度の最も高い最稠密面であるので、ダイ
ヤモンド結晶の成長時において、炭素原子と共有結合半
径の異なる不純物元素を炭素原子と置換させることは極
めて難しい。そこで、（１１１）面を避けて原子密度の
小さい面を成長面とすることによって、ＰやＡｓ等の炭
素よりも共、有結合半径の大きい元素が容易にダイヤモ
ンド結晶中に取り込まれるようになる。

（１１１）面を避けたダイヤモンド単結晶基板を作成す
るには、（１１１）面に対して角度をつけて研磨するか
又は（１００）面及び（１１０）面等の別の面を切り出
すことが適当である。

（１１１）面に対して角度をつけた成長面を作成する場
合には、例えばヒ素のドーピング効率を０．０１％以上
にするためには、（１１１）面に対して５°以上の角度
をっけなければならない。

また、（１００）而及び（１１０）面はダイヤモンド単
結晶粒から切り出すのが容易であるので好ましいが、（
１００）面及び（１１０）面においては原子密度がかな
り高いので適当な角度で傾けて研磨し成長面を形成する
ことが更に好ましい。このときの角度は、単結晶粒から
基板を取り出す容易さの点からｌＯ°以内であることが
好ましい。更に、（２１１）面、（３１１）面及び（３
３１）面等の単純な方位指数を持つ面も容易に切り出せ
るので好ましく、これら面をｌＯ°以内の角度で傾けて
研磨してもよい。

研磨は、単結晶を成長させる基板面の表面粗さが、５０
０人程度以下になるように行う。

本発明によれば、炭素と共有結合半径の異なるすべての
不純物元素をドーピングすることが容易になる。特にダ
イヤモンドを半導体として利用するに当って重要な不純
物元素は、ホウ素、リチウム、窒素、リン、硫黄、塩素
、ヒ素及びセレンである。これら不純物元素の少なくと
も１種をドーピングさせる。

ダイヤモンドの気相合成法としては、 ■、直流又は交流電界で放電を生じさせるプラズマＣＶ
Ｄ法、２、熱電子放射材を加熱してガスを分解する方法、３、
イオン衝撃により成長層に高いエネルギーを与える方法
、及び４、光によりガスを分解励起する方法などが挙げられるが、本発明はいずれの合成法でも有効
である。

［発明の効果］本発明によれば、不純物を含んだダイヤモンド単結晶を
高いドーピング効率及び良好な制御性で容易に製造する
ことかできる。不純物のダイヤモンド単結晶中での分散
状態は均一である。

本発明により得られたダイヤモンド単結晶は、半導体と
して特に有用であるが、光学部品やダイヤモンド単結晶
工具においても有用である。

［実施例］以下に、実施例及び比較例を示す。

実施例１〜１２及び比較例１〜３マイクロ波プラズマＣＶＤ法により各種面方位のダイヤ
モンド単結晶基板上にダイヤモンド単結晶層を成長させ
る際に、各種不純物をドーピングした。

メタンと水素を１：１００の比で混合したガス及びドー
ピングガスを供給し、石英管内を３０Ｔ　ｏｒｒの圧力
に保ち、２．４５ＧＩ−１ｚのマイクロ波５００Ｗを印
加しプラズマを発生させ、ダイヤモンド単結晶基板の上
にダイヤモンド単結晶層を形成した。使用したダイヤモ
ンド単結晶基板は、超高圧下で人工合成されたｒｂ型ダ
イヤ単結晶を、各種面方位に従って、２ｘ２Ｘ０．３ｍ
ｎ＋の大きさに切り出したものであり、基板の成長面は
２００Å以下の表面粗さにした。各種の基板面方位と不
純物元素について、ドーピング効率を評価した。

結果を第１表に示す。

ドーピング効率（％）とは、（成長ダイヤモンド単結晶
層中の不純物元素の濃度）の（供給メタンに対するドー
ピングガスの不純物元素の濃度）に対する比である。ダ
イヤモンド単結晶層中の不純物元素の濃度は、２次イオ
ン質量分析法（ＳＩＭｓ）により測定した。

第１表特許出願人住友電気工業株式会社代理人　弁理士青白葆　ほか１名

Claims

【特許請求の範囲】１、気相中でダイヤモンド単結晶基板上にダイヤモンド
単結晶層を成長させる際に不純物をダイヤモンド単結晶
層中にドーピングするダイヤモンド単結晶成長方法にお
いて、ダイヤモンド単結晶を成長させるダイヤモンド単
結晶基板の面が、（１１１）面の面方位に対して少なく
とも５゜の角度を有する研磨された面であることを特徴
とするダイヤモンド単結晶成長方法。２、ダイヤモンド単結晶を成長させるダイヤモンド基板
の面が、ダイヤモンド結晶の（１００）、（１１０）、
（２１１）、（３１１）及び（３３１）面からなる群か
ら選択されたいずれかの面の面方位に対して多くとも１
０゜の角度を有する研磨された面である特許請求の範囲
第１項記載の単結晶成長方法。３、ホウ素、リチウム、窒素、リン、硫黄、塩素、ヒ素
及びセレンからなる群から選択された少なくとも一種の
元素を不純物元素としてドーピングする特許請求の範囲
第１項又は第２項記載の単結晶成長方法。