JPH03165064A

JPH03165064A - ダイヤモンド半導体、該ダイヤモンド半導体を用いた電子デバイス及び素子、該ダイヤモンド半導体素子を用いたサーミスタ

Info

Publication number: JPH03165064A
Application number: JP1305468A
Authority: JP
Inventors: Tomio Kazahaya; 風早　富雄; Satoshi Katsumata; 聡勝又; Masatoshi Aketagawa; 明田川　正敏
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1989-11-24
Publication date: 1991-07-17

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、温度に対する分解能に優れたダイヤモンド半
導体と、このダイヤモンド半導体を用いた素子及び電子
デバイス、さらにはこの素子を用いたサーミスタに関す
る。

［従来の技術］従来よりダイヤモンドが半導体に適した性質を有してい
ることは知られていた。しかし、天然ダイヤモンドある
いは、高圧合成法により人工合成したダイヤモンドは性
質が一定でなく値段も高価となるため、ダイヤモンドを
半導体として用いることは現実的てなかった。

しかしながら、近年、低圧気相合成法によって比較的安
価に薄膜状のダイヤモンドを人工合成できるようになっ
たことから、ダイヤモンドを用いた半導体か現実的なも
のとなり、実用化に向けて盛んに研究、開発か行なわれ
ている。

また、このようなダイヤモンド半導体を用いたデバイス
として、例えば、特開昭６３−１８４３０４号公報ある
いは日経ニューマテリアル（１９８８年１２月１９日号
第１４頁）において、サーミスタか発表されている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、低圧気相法で合成した従来のダイヤモンド半導
体は、電気伝導の活性化エネルギーが余り高くないため
、温度に対する分解能が余りよくなく、サーミスタ等に
用いると感度の点で問題かあった。

電気伝導の活性化エネルギは、導電率（抵抗）の温度特
性により求めることがてきるが、これによると特開昭６
３−１８４３０４号公報に示されているダイヤモンド半
導体の活性化エネルギは０−４ｅＶ程度である。このよ
うに、特開昭６３−１８４３０４号公報に示されている
ダイヤモンド半導体の活性化エネルギか低いのは、ダイ
ヤモンド薄膜中に不純物を添加しているためである。

また、日経ニューマテリアルに示されているダイヤモン
ド半導体は、原料ガスとしてメタンと水素を用いており
、不純物が添加されていないものの、活性化エネルギは
０．６ｅＶであり、余り高くなかった。これは、ダイヤ
モンド薄膜中に欠陥や不純物を多量に含んているためと
思われる。

すなわち、従来のダイヤモンド半導体は、不純物を含有
する場合は勿論のこと、不純物を添加しない場合でも、
電気伝導の活性化エネルギが低く、温度に対する分解能
が余りよくなかった。

このため、ダイヤモンド半導体を用いた素子及び電子デ
バイスの実用化は依然として困難であった。

本発明は、上記の問題点にかんがみてなされたものて、
含有する結晶欠陥や不純物を少なくするとともに、電気
伝導の活性化エネルギを従来より高くしたダイヤモンド
半導体と、このダイヤモンド半導体を用いた素子及び電
子デバイスと、この素子を用いた感度の良好なサーミス
タの提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段］ダイヤモンド半導体上記目的を達成するため本発明のダイヤモンド半導体は
、気相合成法により多結晶に形成し、電気伝導の活性化
エネルギか１．０ｅＶ以上となるようにしである。

すなわち、本発明のダイヤモンド半導体は、基材に多結
晶のダイヤモンド薄膜を析出して構成するとともに、ダ
イヤモンド薄膜中の欠陥や不純物をてきるだけ少なくし
である。

上記基材としては、特に制限はないが、ダイヤモンド半
導体の用途に応じて選択することか好ましい。

したかって、デバイスが基材の材料として半導体材料を
望む場合は、シリコン、ゲルマニウム。

炭化シリコン、窒化はう素、ガリウムひ素等を用いる。

また、絶縁性材料を望む場合は、二酸化シリコン、酸化
アルミニウム、窒化アルミニウム。

各種ガラス等を用いる。さらに、導電性材料を望む場合
には、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタ
ン等の単体金属、あるいはステンレス鋼、超硬合金等の
合金を用いる。

これら基材表面は、ダイヤモンド膜形成部に対して、粉
末状のダイヤモンド、炭化シリコン、窒化はう素など１
００　ｐ−ｓ以下の砥粒の分散液を用いて超音波処理を
行ない傷付は処理が行なわれる。

このようにすると、ダイヤモンドの核が多数発生し、ダ
イヤモンドの析出速度を速くすることができるとともに
、ダイヤモンドが基材から容易に剥離しないようになる
。

また、上記基材にダイヤモンド薄膜を生成させるための
ガスとしては、特に制限はないが、水素ガスに一酸化炭
素ガスを含有させたものか好ましく、−酸化炭素の含有
量は１〜５０Ｖｏｉ％　、好ましくは　１〜３０ＶｏＪ
Ｌｌとする。

−酸化炭素ガスがこれ以上多くなると、ダイヤモンド膜
の結晶性や純度が低下し、これより小さくなると成膜速
度が低下する。なお、必要により、二酸化炭素、酸素、
水、過酸化水素、二酸化窒素、酸化窒素、酸化二窒素な
どの含酸素無機ガスを添加することにより結晶性、純度
を低下させることなく一酸化炭素の含有量を８０ＶｏＪ
ｌ　％程度まて高くすることかてきる。

本発明のダイヤモンド半導体を得るために。

気相合成用の原料として、−酸化炭素ガスと水素ガス、
さらに含酸素Ｓ機ガスを用いることか好ましいのは、ダ
イヤモンド合成時の酸素の効果により、ダイヤモンドの
高純度化が生じているものと考えられる。

さらに、この原料ガスを励起させる方法としては、低圧
気相によるダイヤモンドの合成法として公知の方法が用
いられる０例えば、直流または交流アーク放電によりプ
ラズマ分解する方法。高周波誘導放電によりプラズマ分
解する方法、マイクロ波放電によりプラズマ分解する方
法（有磁場法、ＥＣＲ法を含む、）イオンビーム法、熱
フイラメント法、燃焼炎法がある。

これらのなかでもマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いる
ことが好ましい。

基材ヘダイヤモンド薄膜を形成するときの基材温度は、
通常、６００〜１２００℃、好ましくは８００〜１１０
０℃である。また、反応圧力は、１０−６〜１０３７ｏ
ｒｒ、好ましくは、　１０−’　〜７６０Ｔｏｒｒであ
る。反応時間は、原料ガスの濃度、流量、基材の種類、
温度、圧力などにより異なるので、必要とするダイヤモ
ンド薄膜の厚みによって適宜決定する。

なお、ダイヤモンド薄膜中の不純物量を極力少なくする
ためには、原料ガス配管及び反応装置内の不純物も少な
くする必要がある。このため、原料ガス供給前に原料ガ
ス配管及び反応装置内の到達真空度を高くし、さらに十
分な原料ガスによる置換を行なって不純物を排気するこ
とが好ましい。

また、原料ガスとしても、高純度品を用いることか好ま
しい。

ダイヤモンド膜の厚さとしては、０．０５〜１００戸−
２好ましくは０．２〜３０終１程度である。

電子デバイス及びダイヤモンド半導体素子本発明の電子
デバイスは、気相合成法により多結晶に形成され、電気
伝導の活性化エネルギか１、０ｅＶ以上であるダイヤモ
ンド半導体を用いた構成としである。

また１本発明のダイヤモンド半導体素子は、気相合成法
により多結晶に形成し、電気伝導の活性化エネルギか１
．０ｅＶ以上であるダイヤモンド半導体に電極を形成し
、２００℃以上の温度て加熱処理した構成としである。

電子デバイス及びダイヤモンド半導体は、上述の半導体
を用いている。そして、この半導体に接合する電極とし
てオーミック電極を用い、第１図（ａ）及び（ｂ）に示
すように接合しである。

第１図（ａ）に示すダイヤモンド半導体素子は基材ｌと
して低抵抗の材料を用い、一方のオーミック接合電極３
を基材１裏側に設け、他方のオーミック接合電極４をダ
イヤモンド層２側に部分的に設けた構成としである。

また、第１図（ｂ）に示すダイヤモンド半導体素子は、
基材１として絶縁性材料を用い、双方のオーミ・リフ培
合雷極３．４をダイヤモンド層２に所定の距離を隔てて
設けた構成としである。

本発明のダイヤモンド半導体素子は、電極を形成した後
２００〜１０００℃、好ましくは４００〜１００（１℃
の温度で　１〜６０分間熱処理を行なって製造する。

このように電極を形成した後２００℃以上の温度で熱処
理を行なうと、その機構は必ずしも明らかではないが、
ダイヤモンドと電極材料、例えば、チタンが反応してよ
り良好なオーミック接合が形成されるものと考えられる
。

なお、必要に応じて保護膜層を形成してもよく、このよ
うにすると素子の安定化を図れる。

サーミスタ本発明のサーミスタは、気相合成法により多結晶に形成
し、電気伝導の活性化エネルギが１．０ｅＶ以上である
ダイヤモンド半導体素子を感温素子とした構成としであ
る。このように、電気伝導の活性化エネルギーＥａの大
きいダイヤモンド半導体素子を用いるサーミスタは、温
度に対する分解能に優れ、高感度の温度測定が、従来の
ものと比較して高温度である６００℃程度まて可能とな
る。

［ダイヤセント半導体素子の実施例コ合成条件低抵抗シリコン基材表面を５〜１２ｐｍのダイヤモンド
砥粒て傷付は処理した後、純水て十分洗浄した。

次いて、下記条件により、マイクロ波プラズマＣＶＤ装
置を用い厚さ約３終■のダイヤモンド多結晶膜を形成し
た。なお、合成前に反応装置内を１０−’Ｔｏｒｒて３
０分間排気し、さらに、原料ガスによる置換を６０分間
おこなった。

マイクロ波周波数：　２．４５ＧＨｚ原料ガス’　：　ＣＯ十Ｈｚ　（ＣＯ７Ｖｏ　ｌ　％）
流　　量　　　　　　　　：　　７／９３ｓｅｃｓ圧　
　力　　　　　　　　：　４０Ｔｏｒｒマイクロ波出力
　＋　３５０Ｗ基材温度　　　　＝９００℃ 時　　間　　　　　　　　　二　３００　分このように
して得られたダイヤモンド半導体のダイヤモンド膜面に
直径ＩＩＩｍφ、厚さ０．２　ｇｍのチタン電極を形成
し、他方シリコン面に銀ペーストにより電極を形成し、
第１図（ａ）に示す構成のダイヤモンド半導体素子を作
製した。電極形成後約６００℃の条件で１０分間加熱処
理を行なった。

このダイヤモンド半導体素子の導電率−温度特性は、第
２図に示すようになった。この特性直線の傾きにより、
本ダイヤモンド半導体が約１．２ｅＶの電気伝導の活性
化エネルギを有していることが判明した。

なお、電極形成後、熱処理を行なわなかった素子では、
特に２００℃以下の低温域においてオーミック接合にな
らなかったり、安定性、再現性の点で劣っていた。

ここで、電気伝導の活性化エネルギについて考察すると
、ダイヤモンドのバンドギャップは５．５　ｅＶである
から、不純物や欠陥の少ない完全単結晶の場合には、電
気伝導の活性化エネルギーＥａは、はぼ５−５／２・２
．７５ｅＶとなることが予測される。したがって、活性
化エネルギーＥａの値が大きい程ダイヤモンド半導体中
の不純物や欠陥（多結晶の粒界層に起因するものを含む
）が少ないといえる。

この結果、本実施例のダイヤモンド半導体は、従来方法
て得られたものと比較して不純物や欠陥か少なく、結晶
性の非常に良い、まったく新規なものであることか判っ
た。

［発明の効果］以上のように、請求項１記載の発明によれば、含有不純
物が少なく電気伝導活性化エネルギーの大きい半導体ダ
イヤモンドを得ることかできる。

また、請求項２記載の発明によれば、温度に対する分解
能に優れ、各種デバイスに応用可能なダイヤモンド半導
体素子を得ることができる。

さらに、請求項３記載の発明によれば、高性能て品質の
安定した電子デバイスを得ることができる。

さらにまた、請求項４記載の発明によれば、感度が良好
で、高温領域における温度測定をも可能とするサーミス
タを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は、本発明のダイヤモンド半導
体素子の実施例を示す概略図、第２図は本発明のダイヤ
モンド半導体素子の導電率−温度特性図を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）気相合成法により多結晶に形成され、電気伝導の
活性化エネルギが１．０ｅＶ以上であることを特徴とす
るダイヤモンド半導体。
（２）気相合成法により多結晶に形成され、電気伝導の
活性化エネルギが１．０ｅＶ以上であるダイヤモンド半
導体を用いたことを特徴とする電子デバイス。
（３）気相合成法により多結晶に形成され、電気伝導の
活性化エネルギが１．０ｅＶ以上であるダイヤモンド半
導体に電極を形成し、２００℃以上の温度で加熱処理し
たことを特徴とするダイヤモンド半導体素子。
（４）気相合成法により多結晶に形成され、電気伝導の
活性化エネルギが１．０ｅＶ以上であるダイヤモンド半
導体に電極を形成し、２００℃以上の温度で加熱処理し
たダイヤモンド半導体素子を、感温素子として用いたこ
とを特徴とするサーミスタ。