JPH0376168A - Manufacture of electronic device using diamond - Google Patents

Manufacture of electronic device using diamond

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JPH0376168A
JPH0376168A JP1211796A JP21179689A JPH0376168A JP H0376168 A JPH0376168 A JP H0376168A JP 1211796 A JP1211796 A JP 1211796A JP 21179689 A JP21179689 A JP 21179689A JP H0376168 A JPH0376168 A JP H0376168A
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JP
Japan
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diamond
impurity
added
laser
film
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Application number
JP1211796A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Kenji Ito
健二 伊藤
Shinya Sumino
真也 角野
Naoki Hirose
直樹 広瀬
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To return graphite component to diamond component by adding impurity to diamond on a board by an ion implanting method, holding it in vacuum, on an inert base or in hydrogen, and emitting a laser light thereto. CONSTITUTION:An intrinsic or B-added diamond layer 2 is formed on a base 1 formed with a silicon nitride 1-2 film on a silicon substrate 1-1, a silicon nitride film 7 is formed thereon, a photoresist 8 is formed, and with it as a mask the film 7 is selectively removed. Further, with it as a mask impurity is added into the diamond by an ion implanting method to selectively form an impurity region 10. The base is disposed on a holder 37 in a chamber 40 of a laser annealing apparatus, and the base 30 is emitted with a laser light from an excimer laser 31 through an optical system 32 via a quartz window 36. The chamber 40 is evacuated to vacuum degree of 1X10<-6>-1X10<-10>Torr. As a result, graphite component unintentionally generated by the ion implantation is returned to the original diamond component, and the added impurity can be activated.

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は、ダイヤモンドに対しイオン注入法を用いて不
純物を添加した後、レーザアニールを行い電子装置を作
製する方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a method of manufacturing an electronic device by adding impurities to diamond using an ion implantation method and then performing laser annealing.

「従来の技術」 ダイヤモンドを用いた電子装置に関しては、まだ開発が
始まったばかりであり、トランジスタ、集積回路への応
用は少なくない。とりあえずダイオードとし、この応用
として青または緑色の可視光発光素子への応用が試みら
れている。
"Prior Art" Development of electronic devices using diamond has just begun, and there are many applications for transistors and integrated circuits. For now, it will be used as a diode, and attempts are being made to apply it to a blue or green visible light emitting element.

この発光素子に関しては、赤色発光はGaAs等のI[
−V族化合物半導体を用いることにより、既に10年以
上も以前に成就している。しかし、青色、緑色を出すこ
とはきわめて困難であり、いわんや白色光等の連続可視
光を結晶材料で出すことは全く不可能であった。
Regarding this light emitting element, red light emission is caused by I[
This has already been achieved more than 10 years ago by using -V group compound semiconductors. However, it is extremely difficult to emit blue and green colors, and it has been completely impossible to emit continuous visible light such as white light using crystalline materials.

ダイヤモンドを用いて発光素子およびその他の電子装置
を作るという試みは、本発明穴により既に示され、例え
ば昭和56年特許願146930号(昭和56年9月1
7日出願)に示されている。
Attempts to make light-emitting devices and other electronic devices using diamond have already been demonstrated by the present inventor, for example in Patent Application No. 146930 of 1982 (September 1, 1982).
(filed on the 7th).

しかし、このダイヤモンドを用いた発光素子に不純物を
イオン注入法により添加し、それに対しレーザアニール
を行う方法はまった(示されていない。
However, a method in which impurities are added to a light-emitting element using diamond by ion implantation and then laser annealed has become popular (not shown).

「従来の欠点」 本発明は、ダイヤモンドを用いた電子装置を構成せしめ
、かつその歩留まりを大とし、また、発光効率を高める
ためなされたものである。
"Conventional Disadvantages" The present invention has been made in order to construct an electronic device using diamond, increase its yield, and improve luminous efficiency.

本発明穴は、従来のダイヤモンドにおける発光中心がい
かなるものであるかを調べた。そしてこれまで大きな電
流を素子を構成する一対の電極に加えた時、結晶粒界(
グレインバウンダリ)に不純物が偏析し、ここに電流集
中がおき多量の熱が発生してしまい、十分な可視光の発
光が得られないという欠点が判明した。
The hole of the present invention was investigated to determine what kind of luminescent center there is in a conventional diamond. Until now, when a large current was applied to a pair of electrodes that make up an element, the grain boundaries (
It was discovered that the drawback was that impurities segregated at grain boundaries (grain boundaries), current was concentrated there, and a large amount of heat was generated, making it impossible to emit sufficient visible light.

またこのダイヤモンドに不純物をその場所、温度を精密
に制御して添加するという試みもまったくなされていな
い、特にこのためには、イオン注入法が有効であると考
えられるが、このダイヤモンドが非平衡状態において合
成されているため、単にイオン注入をしても、その後の
アニールをシリコン半導体と同じく単に熱のみにより行
っても何ら効果がないことが知られている。またたとえ
真空中で1400”Cに加熱しても、この単なる加熱は
平衡系でのアニールのためイオン注入法によってできた
グラファイト成分の消滅化、さらに格子欠陥を消滅また
は減少させることができない。
Furthermore, no attempt has been made to add impurities to this diamond by precisely controlling the location and temperature.Ion implantation is considered to be particularly effective for this purpose, but this diamond is in a non-equilibrium state. Therefore, it is known that simply implanting ions and subsequently annealing using only heat, like silicon semiconductors, will have no effect. Furthermore, even if the material is heated to 1400''C in a vacuum, this mere heating is annealing in an equilibrium system, so it cannot eliminate the graphite component created by the ion implantation method, nor can it eliminate or reduce lattice defects.

このため、ダイヤモンドに対し、局部的に価電子制御を
シリコン半導体と同様に行うことは不可能とされていた
。即ち、本発明ではダイヤモンド中に元素周期律表にお
けるnb、l1rb、IVb、VbおよびVIb族の不
純物、特に元素周期律表VIb族の不純物の存在が元素
周期律表■b、Vb族の不純物に加えて有効である。
For this reason, it has been considered impossible to locally control valence electrons in diamond in the same way as in silicon semiconductors. That is, in the present invention, the presence of impurities in groups nb, l1rb, IVb, Vb, and VIb of the periodic table of the elements in diamond, particularly impurities of group VIb of the periodic table of the elements, is compared to impurities of groups ■b and Vb of the periodic table of the elements. In addition, it is effective.

かかる不純物をまたイオン注入をしたのではなく、ダイ
ヤモンド中に置換し、また一部置換させるために非平衡
状態、非平衡系でのアニル方法の確立が求められていた
There has been a demand for the establishment of an annealing method in a non-equilibrium state or non-equilibrium system in order to replace such impurities into diamond, rather than by ion implantation, or to partially replace them.

ダイヤモンドは、光学的エネルギバンド巾が5eVもあ
るため、ハロゲンランプ等でのアニールは平衡系でのア
ニールであり、またランプの光エネルギは1〜1 、5
eVでしかないため、透光してしまい、有効に働かせる
ことができない。
Diamond has an optical energy band width of 5 eV, so annealing with a halogen lamp is annealing in a balanced system, and the light energy of the lamp is 1 to 1,5 eV.
Since it is only eV, light passes through it and cannot be used effectively.

また酸素を含有する雰囲気での熱アニールを行うと、ダ
イヤモンドの炭素成分と酸素とが反応して炭酸ガスとし
て気化してしまうため不可能である。このため、これら
の諸々の条件を考慮したアニール方法が求められていた
Further, thermal annealing in an oxygen-containing atmosphere is impossible because the carbon component of the diamond reacts with oxygen and vaporizes as carbon dioxide gas. Therefore, there has been a need for an annealing method that takes these various conditions into consideration.

「発明の目的」 本発明は、かかる欠点を除去するために威されたもので
ある。即ち、ダイヤモンドに対し、不純物をダイヤモン
ド中にイオン注入法を用いて添加する。さらにこれにレ
ーザ光、特に1100n〜500nsの波長、好ましく
は260nm以下の波長(電気的には4.8eV以上の
光エネルギ)の光のレーザ光〈好ましくはパルス巾ll
I秒以下〉を照射し、その照射雰囲気を真空または4N
以上の純度の不活性気体または水素気体中で行うことに
より、イオン注入により生じたグラファイト成分(一部
または全部にSPt結合を有する)をダイヤモンド成分
(SP3結合を有する)に戻すこと、不対結合手の存在
による格子欠陥の減少または除去に努めてきたものであ
る。
OBJECT OF THE INVENTION The present invention is designed to obviate such drawbacks. That is, impurities are added to diamond using an ion implantation method. Further, a laser beam, particularly a laser beam having a wavelength of 1100n to 500ns, preferably a wavelength of 260nm or less (electrically, a light energy of 4.8eV or more) (preferably a pulse width of 11
1 seconds or less>, and the irradiation atmosphere is set to vacuum or 4N.
By performing the process in an inert gas or hydrogen gas of a purity above, the graphite component (having a SPt bond in part or all) generated by ion implantation is returned to a diamond component (having an SP3 bond), and the unpaired bond is Efforts have been made to reduce or eliminate lattice defects caused by the presence of hands.

「発明の構成」 本発明は、基板上のダイヤモンドまたはダイヤモンド本
体の上部または内部にイオン注入法を用いて不純物を添
加する。
"Structure of the Invention" In the present invention, impurities are added to the top or inside of a diamond on a substrate or a diamond body using an ion implantation method.

この不純物が注入されたダイヤモンドを真空(10−’
torr)以下または純度4N以上の不活性気体または
水素中に保持した。そしてこの不純物が添加された不純
物領域にレーザ光を照射し、格子欠陥を減少または除去
および添加された不純物の活性化を行わんとするもので
ある。
The diamond injected with this impurity is vacuumed (10-'
torr) or in an inert gas or hydrogen with a purity of 4N or higher. The impurity region to which the impurity has been added is then irradiated with a laser beam to reduce or remove lattice defects and to activate the added impurity.

本発明はこのレーザ光を特に100〜500nmとし、
またレーザ光をパルス光に照射したものである。格子欠
陥の部分は4.8eV以上の光(260nm以下の光)
でなくても、ダイヤモンド中に欠陥があると、そのエネ
ルギレベルは禁止帯中に位置し、5eV以下のエネルギ
、準位は2.48eV(500nm)であしても、有効
にダイヤモンド中に吸収させることができることが可能
であることを見出し、この特性を利用した。このレーザ
照射される部分をその補助エネルギとして700″C以
下の温度に加熱させ、ダイヤモンド中でのグラファイト
成分、欠陥および不純物の偏析を防ぐため、レーザ光の
照射に際して基板温度は一196〜700°C例えば室
温で行った。
In the present invention, this laser beam is particularly set to 100 to 500 nm,
In addition, laser light is irradiated with pulsed light. The lattice defect area is exposed to light of 4.8 eV or more (light of 260 nm or less)
Even if there is a defect in the diamond, its energy level will be located in the forbidden band, and even if the energy is 5 eV or less and the level is 2.48 eV (500 nm), it will be effectively absorbed in the diamond. We discovered that it is possible to do this and took advantage of this property. The part to be irradiated with the laser beam is heated to a temperature of 700"C or less as auxiliary energy, and the substrate temperature is kept between -196 and 700 degrees during laser irradiation in order to prevent segregation of graphite components, defects, and impurities in the diamond. C, for example, at room temperature.

本発明方法において、イオン注入法により添加される不
純物としては、これまで公知のIIb族、Vb族の不純
物のみでなく、IIb族、IVb族、VIb族の不純物
をも添加した。
In the method of the present invention, as impurities added by ion implantation, not only the conventionally known impurities of the IIb group and Vb group, but also the IIb group, IVb group, and VIb group impurities were added.

イオン注入されるダイヤモンドは、単にダイヤモンド単
体、シリコン等の半導体上に形成させた膜状または結晶
性のダイヤモンドまたセラミック或いは窒化珪素上に形
成された膜状または粒状ダイヤモンドであってもよい。
The diamond to be ion-implanted may be simple diamond, film-like or crystalline diamond formed on a semiconductor such as silicon, or film-like or granular diamond formed on ceramic or silicon nitride.

例えばI型またはP型のダイヤモンドを設け、この上部
の一部領域にイオン注入法により不純物の添加N(不純
物領域)を設ける。この不純物領域を形成すると同時に
、この領域はイオン注入に伴う損傷層(アモルファス層
および一部アモルファスまたはグラファイト成分が生ず
るN)となる。
For example, I-type or P-type diamond is provided, and an impurity doped N (impurity region) is provided in a part of the upper region by ion implantation. At the same time as this impurity region is formed, this region becomes a damaged layer (an amorphous layer and a portion of N where an amorphous or graphite component is generated) due to ion implantation.

このため、ここに非平衡系のアニール方法であるエキシ
マレーザ光を用いて光アニールを行い、不純物を活性に
し、グラファイト成分のダイヤモンド成分への変換、欠
陥の除去かつ格子歪を緩和した。
For this reason, optical annealing was performed using excimer laser light, which is a non-equilibrium annealing method, to activate impurities, convert graphite components to diamond components, remove defects, and alleviate lattice strain.

本発明の応用として、この不純物添加をし、かつレーザ
アニールを行った領域と添加をしないダイヤモンド上と
に一対の電極を設ける。この複数の電極間に同様のパル
ス電流または直流電流を流して電子装置、例えば発光装
置、例えば可視光発光装置を設けた。
As an application of the present invention, a pair of electrodes is provided on the impurity-doped and laser-annealed region and on the undoped diamond. A similar pulsed current or direct current was passed between the plurality of electrodes to provide an electronic device, such as a light emitting device, such as a visible light emitting device.

本発明において、この上側の電極と不純物領域を有する
第1のダイヤモンドとの間に第2のダイヤモンドを設け
、ここにも選択的に第1のダイヤモンドに添加した不純
物とは異なる他の種類の添加物をイオン注入法により添
加し、かつレーザアニールを行い、接合を設けてトライ
ジスタの他の電子装置とすることは有効である。
In the present invention, a second diamond is provided between this upper electrode and the first diamond having an impurity region, and a second diamond is also selectively doped with another type of impurity different from the impurity added to the first diamond. It is effective to add substances by ion implantation, perform laser annealing, and form a junction to form a tri-transistor or other electronic device.

さらに本発明は、かかる目的のため、即ち紫外光、青色
光さらに緑光をより有効に発生させるため、この゛ダイ
ヤモンド中に元素周期律表IIb族、IIb族、vtb
族の不純物を添加物として用いた。例えばBe(ベリリ
ウム)、Zn(亜鉛)、Cd(カドミウム)、O(酸素
)、S(イオウ)、Se(セレン)。
Furthermore, the present invention provides for such a purpose, that is, to more effectively generate ultraviolet light, blue light, and green light.
Group impurities were used as additives. For example, Be (beryllium), Zn (zinc), Cd (cadmium), O (oxygen), S (sulfur), Se (selenium).

Te(テルル)より選ばれた元素をイオン注入法により
添加した。また炭素等元素周期律表IVb族の不純物を
添加してもよい。
An element selected from Te (tellurium) was added by ion implantation. Further, impurities such as carbon belonging to group IVb of the periodic table of elements may be added.

ダイヤモンド合成にはメタノール(CH30H)、エタ
ノール(C2H4OH)等のC−0H結合を有する炭素
化合物を用いた。
Carbon compounds having C-0H bonds, such as methanol (CH30H) and ethanol (C2H4OH), were used for diamond synthesis.

他の方法としては、元素周期律表IIb族の元素即ちB
(ホウ素)、AI(アルくニウム)、Ga(ガリウム)
または元素周期律表Vb族の元素即ちN(窒素)、P(
リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)をイオン注
入法によりダイヤモンド成膜後添加してもよい。
Another method is to use elements of group IIb of the periodic table of elements, namely B
(boron), AI (aluminum), Ga (gallium)
Or elements of group Vb of the periodic table of elements, such as N (nitrogen), P(
Phosphorus), As (arsenic), and Sb (antimony) may be added after forming the diamond film by ion implantation.

本発明のレーザアニール法を用いる場合、不純物が添加
された不純物領域が作られたダイヤモンドを真空中また
は不活性気体中でレーザ光アニール、例えば液体窒素温
度〜室温〜700″Cに雰囲気を決め、さらに非平衡系
の光エネルギでありエキシマレーザを用いた248nm
のKrFレザを主として用いた。パルス巾は200n秒
以下とし、レーザ照射されたダイヤモンドに対し非平衡
アニールをした。即ち光照射された原子または欠陥がロ
ングレンジオーダ(1μm以上)で移動することによっ
て再結晶するのではなく、ショートレンジオーダ(0,
1μm以下)のξクロな移動または原子は無移動で再結
合手のみをSF3からSP″型または不純物と炭素とが
十分に結合して変成するようにした。
When using the laser annealing method of the present invention, the diamond in which impurity regions have been added is annealed with laser light in vacuum or in an inert gas, with the atmosphere set at, for example, liquid nitrogen temperature to room temperature to 700''C; Furthermore, it is a non-equilibrium type of light energy, and 248 nm using an excimer laser.
KrF laser was mainly used. The pulse width was set to 200 ns or less, and non-equilibrium annealing was performed on the laser-irradiated diamond. In other words, atoms or defects irradiated with light do not recrystallize by moving in a long range order (1 μm or more), but recrystallize in a short range order (0, 1 μm or more).
(1 μm or less), or the atoms did not move, and only the recombination hands were changed from SF3 to SP'' type, or impurities and carbon were sufficiently combined to undergo metamorphosis.

h (157nm) 、 ArF (193nn+) 
、 KrCl (222nm)等の波長の5〜20On
秒のパルス巾のレーザでもよい。XeC1(308nm
) 、 XeF (351nm) 、 Ar (488
nm)も使い得るが、光学的エネルギ巾が小さすぎると
いう欠点を有する。パルス数は1〜30PPS (1秒
間に1〜30ハルスの照射)例えばl0PPSを行い、
同時に基板を1〜5 mm/秒の速さで走査した。
h (157nm), ArF (193nn+)
, KrCl (222 nm), etc. wavelength of 5 to 20 On
A laser with a pulse width of seconds may be used. XeC1 (308nm
), XeF (351 nm), Ar (488
nm) can also be used, but has the disadvantage that the optical energy width is too small. The number of pulses is 1 to 30 PPS (irradiation of 1 to 30 Hals per second), for example, 10 PPS,
At the same time, the substrate was scanned at a speed of 1 to 5 mm/sec.

これは、従来公知の珪素半導体をイオン注入した後、単
に熱のみのアニールをして単結晶化し、同時に不純物の
活性化(ドナー化またはアクセプタ化)する時の平衡系
での珪素が溶融してロングレンジオーダの元素の移動を
伴いつつ再結晶化させる平衡系とは大きく異なる。
This is because silicon melts in an equilibrium system when conventionally known silicon semiconductors are ion-implanted, then simply thermally annealed to form a single crystal, and at the same time impurities are activated (converted into donors or acceptors). This is significantly different from an equilibrium system in which recrystallization is performed with movement of elements on a long range order.

以下に本発明を実施例に従って記す。The present invention will be described below according to examples.

「実施例1」 本発明の電子装置の実施例を第3図に示す。"Example 1" An embodiment of the electronic device of the present invention is shown in FIG.

本発明を成就するための膜状のダイヤモンドの形成装置
の概要を第2図に示す。
FIG. 2 shows an outline of an apparatus for forming diamond in the form of a film for achieving the present invention.

有磁場マイクロ波CVD装置により形成されたダイヤモ
ンドに不純物を選択的にイオン注入し、その不純物領域
を有する基体を第1図に示すエキシマレーザを用い、レ
ーザアニール装置によりアニールを施している。即ち、
第3図に示す如く、ダイヤモンド(2)はシリコン半導
体(1−1)上に窒化珪素(1−2)を0.5μmの厚
さに形成した絶縁表面を有する基板(1)上に形成した
Impurity ions are selectively implanted into diamond formed using a magnetic field microwave CVD device, and the substrate having the impurity region is annealed by a laser annealing device using an excimer laser as shown in FIG. That is,
As shown in Fig. 3, diamond (2) was formed on a substrate (1) having an insulating surface made by forming silicon nitride (1-2) to a thickness of 0.5 μm on a silicon semiconductor (1-1). .

ダイヤモンド膜を有磁場マイクロ波CVD装置を用いて
作製した。この有磁場マイクロ波CVD装置により、ダ
イヤモンド膜を形成する方法等に関しては、本発明穴の
出願になる特願昭61−292859 (薄膜形成方法
(昭和61年12月8日出願)にその装置およびメタン
ガスを用いた方法が示されている。
A diamond film was produced using a magnetic field microwave CVD apparatus. Regarding the method of forming a diamond film using this magnetic field microwave CVD apparatus, etc., the apparatus and A method using methane gas is shown.

本発明のダイヤモンドを形成する概要を以下に示す。An outline of forming the diamond of the present invention is shown below.

この窒化珪素膜(1−2)を有する基板(1)を、ダイ
ヤモンド粒を混合したアルコールを用いた混合液中に浸
して、超音波を1分〜1時間加えた。すると基板上に微
小な損傷を多数形成させることができる。この損傷は1
、その後のダイヤモンド形成用の核のもととすることが
できる。
The substrate (1) having the silicon nitride film (1-2) was immersed in a mixed solution of alcohol mixed with diamond particles, and ultrasonic waves were applied for 1 minute to 1 hour. Then, many minute damages can be formed on the substrate. This damage is 1
, can serve as a source of nuclei for subsequent diamond formation.

この基体(1)を有磁場マイクロ波プラズマCVD装置
(以下単にプラズマCVD装置ともいう)内に配設した
。プラズマCVD装置は、2.45GHzの周波数のマ
イクロ波エネルギを最大10KWまで、マイクロ波発振
器(1B) 、アテニュエイタ(16) 。
This substrate (1) was placed in a magnetic field microwave plasma CVD apparatus (hereinafter also simply referred to as a plasma CVD apparatus). The plasma CVD equipment uses a microwave oscillator (1B) and an attenuator (16) to generate microwave energy at a frequency of 2.45GHz up to 10KW.

石英窓(15)より反応室(19)に加えることができ
る。磁場(17) 、 (17’)でヘルムホルツコイ
ルを用い、875ガウスの共鳴面を構成せしめるため最
大2.2KGにまで加えた。このコイルの内部の基板(
1)をホルダ(13)に基板おさえ(14)で配設させ
た。
It can be added to the reaction chamber (19) through the quartz window (15). Using Helmholtz coils with magnetic fields (17) and (17'), a maximum of 2.2 KG was applied to construct a resonance surface of 875 Gauss. The board inside this coil (
1) was placed in a holder (13) with a substrate presser (14).

基板位置移動機構(12)で反応炉内での位置を調節し
、10−3〜10−6torrまで真空引きをした・こ
の後これらに対し、メタンガスを用いるのではなく、本
発明においては、メチルアルコール(C)I:108)
又はエチルアルコール(CJsOH)等のアルコール(
22)を水素(21)で40〜200体積χ(100体
積%の場合はCl30H:Hz=1:1に対応)例えば
70体積%に希釈して導入した。必要に応じてP型不純
物としてトリメチルボロン(B(CHi)i)を系(2
3)よりホウ酸エステル(BCOC,Hzn++)s例
えばB(OClli)+またはB(CH3)3/CH3
0H=0.5〜5χ)を導入して、P型のダイヤモンド
(2)を第3図(A)に示す如くにして形成した。
The position in the reactor was adjusted using the substrate position moving mechanism (12), and the vacuum was drawn to 10-3 to 10-6 torr. After this, instead of using methane gas, methyl Alcohol (C)I: 108)
Or alcohol such as ethyl alcohol (CJsOH) (
22) was diluted with hydrogen (21) to 40 to 200 volume χ (100 volume % corresponds to Cl30H:Hz=1:1), for example, to 70 volume % and introduced. If necessary, trimethylboron (B(CHi)i) is added as a P-type impurity to the system (2
3) More borate esters (BCOC, Hzn++) such as B(OClli)+ or B(CH3)3/CH3
0H=0.5 to 5χ) was introduced to form a P-type diamond (2) as shown in FIG. 3(A).

圧力は0.01〜3 torr例えばQ、25torr
とした。
The pressure is 0.01 to 3 torr, for example Q, 25 torr
And so.

2.2KG(キロガウス)の磁場を加えて、基板の位置
またはその近傍が875ガウスとなるようにした。マイ
クロ波は5KWを加え、このマイクロ波と基板ホルダか
らの熱エネルギで基板の温度を200〜1000℃、例
えば800°Cとした。
A magnetic field of 2.2 KG (kilogauss) was applied so that the magnetic field at or near the substrate was 875 gauss. A microwave power of 5 KW was applied, and the temperature of the substrate was set to 200 to 1000°C, for example, 800°C, using the microwave and thermal energy from the substrate holder.

するとこのマイクロ波エネルギで分解されプラズマ化し
たアルコール、中の炭素は、基板上に成長し、ダイヤモ
ンド(ダイヤモンドという名称は単結晶化した炭素であ
って、sp’の結合手がすべてまたは大部分であるもの
をいう)(2)を第3図(A)に示した如く、0.5〜
5μm例えば平均厚さ1.3μII(成膜時間2時間)
の成長をさせることができた。
Then, the carbon in the alcohol, which is decomposed by this microwave energy and turned into plasma, grows on the substrate, and diamond (the name "diamond" refers to single crystallized carbon, in which all or most of the sp' bonds are As shown in Figure 3 (A), (2) is 0.5~
5μm For example, average thickness 1.3μII (filming time 2 hours)
was able to achieve growth.

第3図(A)において、珪素基板(1−1)上に窒化珪
素(1−2)が形成された基体(1)上に真性(意図的
に不純物を添加しない)またはBが添加されたダイヤモ
ンドの層(2)を1.3μmの平均厚さに形成した。
In FIG. 3(A), on a substrate (1) in which silicon nitride (1-2) is formed on a silicon substrate (1-1), intrinsic (no impurity is intentionally added) or B is added. A layer of diamond (2) was formed to an average thickness of 1.3 μm.

次に第3図(B)に示す如く、これらダイヤモンド(2
)の上に窒化珪素膜(7)を0.5μmの厚さに作り、
フォトレジスト(8)を3μmの厚さに形成した。この
フォトレジストをマスクとして窒化珪素膜を選択的に除
去した。さらにこのフォトレジストおよび窒化珪素膜(
7)をマスクとして、イオン注入法によって、元素周期
律表Ua、II b、IIb、IVbSVb、VIb族
の元素例えばIIb族の原子を20〜300KeVの加
速電圧でダイヤモンド(2)中に不純物として添加し、
不純物領域(10)を選択的に作製した。この不純物は
I X1016〜5×1019CI11−3と比較的中
濃度とした。
Next, as shown in Figure 3(B), these diamonds (2
), a silicon nitride film (7) with a thickness of 0.5 μm is made,
A photoresist (8) was formed to a thickness of 3 μm. Using this photoresist as a mask, the silicon nitride film was selectively removed. Furthermore, this photoresist and silicon nitride film (
Using 7) as a mask, elements of groups Ua, IIb, IIb, IVbSVb, and VIb of the periodic table of elements, such as atoms of group IIb, are added as impurities into the diamond (2) at an accelerating voltage of 20 to 300 KeV by ion implantation. death,
Impurity regions (10) were selectively produced. This impurity had a relatively medium concentration of IX1016 to 5x1019CI11-3.

これらからフォトレジストを除去した。The photoresist was removed from these.

なお、フォトレジストとダイヤモンドとの間の窒化珪素
(7)は必要により形成すれば良いものであり、必ずし
も必要ではない。
Note that silicon nitride (7) between the photoresist and the diamond may be formed if necessary, and is not necessarily required.

第1図は本発明に用いたレーザアニール装置の概要を示
す。
FIG. 1 shows an outline of the laser annealing apparatus used in the present invention.

この装置を用いてレーザアニールを行った。Laser annealing was performed using this device.

まず図面において、ダイヤモンド内に不純物領域(10
)が形成された基体(第3図(B)の全体)をチェンバ
(40〉内のホルダ(37)上に配設した。
First, in the drawing, an impurity region (10
) on which the substrate was formed (the whole shown in FIG. 3(B)) was placed on the holder (37) in the chamber (40>).

ホルダにはヒータが配設されている。エキシマレーザ(
KrF 248nm) (31)よりのレーザ光は光学
系(32)をへて石英窓(36)を介し基体(30)に
照射する。レーザビーム(35)は光学系走査装置(3
3)を用いてX方向またはY方向(34)に走査されて
いる。チャンバ(40)内はターボ分子ポンプを用い1
 xlo−”〜I Xl0−”torrの真空度に排気
させている。
A heater is provided in the holder. excimer laser (
The laser light from KrF 248 nm) (31) passes through the optical system (32) and is irradiated onto the substrate (30) through the quartz window (36). The laser beam (35) is connected to the optical system scanning device (3
3) in the X direction or Y direction (34). Inside the chamber (40), a turbo molecular pump is used.
It is evacuated to a vacuum level of xlo-'' to IXl0-'' torr.

エキシマレーザのエネルギは30〜500mJ/cm”
の範囲で調整した。パルス周波数はO〜30PPSとし
た。例えば200a+J 、l0PPSとした。さらに
レーザビームは1〜5a+m/秒で走査した。レーいて
酸素と反応することがなく、好都合であった。
The energy of excimer laser is 30 to 500 mJ/cm”
Adjusted within the range. The pulse frequency was 0 to 30 PPS. For example, 200a+J and 10PPS. Furthermore, the laser beam was scanned at 1 to 5 a+m/sec. This was advantageous because it did not react with oxygen.

このダイヤモンドの下側は、もし直接シリコン基板と接
していると、ダイヤモンドとこの基板の珪素と反応しや
すい。この実施例は、ダイヤモンドと珪素との間に17
00″C以下の融点を有する窒化珪素を介在させたため
、特にダイヤモンドと珪素との合金化を心配する必要が
なかった。
If the underside of this diamond is in direct contact with a silicon substrate, it will easily react with the diamond and the silicon of this substrate. In this example, 17
Since silicon nitride having a melting point of 00''C or less was included, there was no need to worry about alloying diamond and silicon.

レーザ光の波長として、248nn+ (光学的エネル
ギ5eV)はダイヤモンドの光学的エネルギ巾と同じで
あるため、ダイヤモンドでの光吸収を大きくすることが
できる。イオン注入により炭素がダイヤモンド成分から
グラファイト成分になったものをもとにもどすことがで
きる。もちろん格子欠陥はさらに2〜4eVと小さいた
め、かかる欠陥にエネルギを集中的に注入し、かかる欠
陥を非平衡状態を得つつキュアアニールしミクロな欠陥
の集合体(クラスタ)を減少または除去することができ
る。
Since the wavelength of the laser beam is 248 nn+ (optical energy 5 eV), which is the same as the optical energy width of diamond, light absorption by diamond can be increased. Ion implantation can restore the carbon that has changed from a diamond component to a graphite component. Of course, lattice defects are even smaller, at 2 to 4 eV, so it is necessary to intensively inject energy into such defects and cure-anneal them while obtaining a non-equilibrium state, thereby reducing or removing microscopic defect clusters. I can do it.

基板表面は光軸(図面では垂直)に対して垂直に配設し
た。しかし、照射光のすべてがダイヤモンドに十分に吸
収されるようにレーザ光の光軸と基表面とを平行または
斜めとすることにより、即ちレーザ光のすべてがダイヤ
モンドのみに照射吸収させることにより、下地基板の融
点が大きくない材料、即ち珪素の上面に非酸化物セラミ
ックスがない基板の温度上昇を防ぐため有効である。
The substrate surface was arranged perpendicular to the optical axis (perpendicular in the drawing). However, by making the optical axis of the laser beam and the base surface parallel or oblique so that all of the irradiated light is sufficiently absorbed by the diamond, in other words, all of the laser light is irradiated and absorbed only by the diamond, which can be absorbed by the diamond. This is effective in preventing the temperature rise of a substrate made of a material that does not have a high melting point, that is, a substrate that does not have non-oxide ceramics on the top surface of silicon.

アニールに際し、不活性基体としては4N(99゜99
%以上の純度)Ole、 Arを用いた。基体の温度は
一197〜700’Cとした。
During annealing, the inert substrate is 4N (99°99
% purity or higher) Ole, Ar was used. The temperature of the substrate was -197 to 700'C.

かくして接合(PN接合では必ずしもないため単に接合
という)(第3図(10−1))を有せしめることがで
きた。
In this way, a junction (referred to simply as a junction since it is not necessarily a PN junction) (FIG. 3 (10-1)) could be created.

第3図(C)においてこのダイヤモンド(2)の上側に
一対の電極(5−1) 、 (5−2)を真空蒸着法、
スパック法で形成した。この電極としては一方をチタン
(5−1)とし、P型のダイヤモンド上に密接させた。
In FIG. 3(C), a pair of electrodes (5-1) and (5-2) are placed above the diamond (2) by vacuum evaporation.
It was formed by the spuck method. One of the electrodes was made of titanium (5-1) and was brought into close contact with P-type diamond.

他方を透明導電膜(5−3)とし、その上にチタン電極
(5−2)を不純物が添加された不純物領域(10)に
密接させて形成した。さらにそれぞれにワイヤボンドを
施し、全体に窒化珪素膜(6)の反射防止膜を兼ねた保
護膜を形成した。
The other layer was a transparent conductive film (5-3), on which a titanium electrode (5-2) was formed in close contact with the impurity region (10) to which impurities were added. Further, wire bonding was applied to each of them, and a protective film of silicon nitride film (6) which also served as an anti-reflection film was formed on the whole.

すると、第3図(C)において、電気的には電極(5−
1)−P型ダイヤモンド(2) −Zn、Be+O,S
+SeまたはTeがダイヤモンド(2)にイオン注入法
により添加され、かつレーザアニールがなされた不純物
領域(10)−電極(5−2)構成とし、接合(10−
1)を利用して光を外部に発生させる構造にすることが
できる。
Then, in FIG. 3(C), the electrical electrode (5-
1) -P-type diamond (2) -Zn, Be+O, S
+Se or Te is added to the diamond (2) by ion implantation and laser annealed to form an impurity region (10)-electrode (5-2) configuration, and a junction (10-
1) can be used to create a structure in which light is generated externally.

第3図(C)の構造において、一対をなす電極間に5〜
30v(直流〜100Hzデューイ比1)例えば20V
の電圧で印加した。レーザアニールを行わないと、発光
に必要な電圧は70〜200vもの高電圧を必要として
しまう。しかし本発明のレーザアニールをすることによ
り、その印加電圧を実用レベルに下げ、かつ不純物領域
から可視光発光特に青色の発光をさせることが可能とな
った。強度は18カンデラ/1112を有していた。こ
のダイヤモンド中に酸素の添加に加えて、不純物領域(
10)にイオウ、セレンまたはテルルを添加し、発光強
度の増加をはかることは有効であった。
In the structure of FIG. 3(C), 5 to 5
30v (DC ~ 100Hz Dewey ratio 1) e.g. 20V
It was applied at a voltage of . If laser annealing is not performed, a voltage as high as 70 to 200 V is required for light emission. However, by performing the laser annealing of the present invention, it has become possible to lower the applied voltage to a practical level and to emit visible light, particularly blue light, from the impurity region. The strength was 18 candela/1112. In addition to adding oxygen to this diamond, impurity regions (
It was effective to add sulfur, selenium, or tellurium to 10) to increase the luminescence intensity.

この実施例は電流を横方向に流すため、ダイヤモンド自
体のピンホール等が問題にならないという特長を有する
。しかし領域(10)に二種類の不純物(BとS、Se
またはTe)が混合しているため、イオン注入のドープ
等を大きくしなければならず、量産的には必ずしもよく
ない。
This embodiment has the advantage that pinholes in the diamond itself do not pose a problem because the current is passed in the lateral direction. However, two types of impurities (B and S, Se
or Te), the doping of ion implantation must be increased, which is not necessarily suitable for mass production.

「効果」 これまでダイヤモンド中に不純物の添加がイオン注入法
により成膜中にできても、その添加された不純物は不活
性であり、バルクの炭素も上部がグラファイトに変成し
てしまった。それに対し、本発明はイオン注入に加えて
レーザアニールを行うことにより、このイオン注入によ
り不本意に生じたグラファイト成分をもとのダイヤモン
ド成分にもどすとともに、添加された不純物を活性化さ
せることが可能となった。そしてそのドープ量を一定に
することにより、きわめて制御性の高い電子装置を作る
ことができるようになった。
``Effect'' Until now, even if impurities were added to diamond during film formation using ion implantation, the added impurities were inactive, and the upper part of the bulk carbon was transformed into graphite. In contrast, in the present invention, by performing laser annealing in addition to ion implantation, it is possible to return the graphite component that was inadvertently generated by this ion implantation to the original diamond component, and to activate the added impurities. It became. By keeping the doping amount constant, it has become possible to create electronic devices with extremely high controllability.

本発明は、1つの発光素子を作る場合を主として示した
。しかし同一基板上に複数のダイヤモンドを用いたトラ
ンジスタ、耐熱性のダイオード(整流素子)、それらを
集積化させた電子装置を作り、この電子装置を完成した
後適当な大きさにスクライブ、ブレイクをして1つづつ
単体または集積化した発光装置とすることは有効である
。さらにかかる電子装置を含めて、同じダイヤモンドを
用いて、またこの上または下側のシリコン半導体を用い
てダイオード、トランジスタ、抵抗、コンデンサを一体
化して作り、複合した集積化電子装置を構成せしめるこ
とは有効である。
The present invention has mainly been described in the case where one light emitting element is manufactured. However, an electronic device is made by integrating multiple diamond transistors, heat-resistant diodes (rectifiers), and these on the same substrate, and after completing this electronic device, it is necessary to scribe and break it to an appropriate size. It is effective to form a single or integrated light emitting device one by one. Furthermore, including such electronic devices, it is not possible to integrate diodes, transistors, resistors, and capacitors using the same diamond and silicon semiconductor above or below to form a composite integrated electronic device. It is valid.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に用いたレーザアニール装置を示す。 第2図は本発明のダイヤモンドを形成するための有磁場
マイクロ波装置の1例を示す。 第3図は本発明方法により作られたダイヤモンド電子装
置の1例を示す。 2・・・・・ダイヤモンド 5−1.5−2 ・・電極 10・・・・・不純物領域
FIG. 1 shows a laser annealing apparatus used in the present invention. FIG. 2 shows an example of a magnetic field microwave apparatus for forming diamond according to the present invention. FIG. 3 shows an example of a diamond electronic device made by the method of the present invention. 2... Diamond 5-1.5-2... Electrode 10... Impurity region

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、イオン注入法によりダイヤモンド内部に不純物を添
加して不純物領域を形成する工程 と、前記ダイヤモンドを真空中または非酸 化雰囲気にて前記不純物領域にレーザ光を 照射する工程とを有せしめることを特徴と するダイヤモンドを用いた電子装置の作製 方法。 2、特許請求の範囲第1項において、不純物は元素周期
律表のIIa族、IIb族、IIIb族、 IVb族、Vb族またはVIb族の元素よりな ることを特徴とするダイヤモンドを用いた 電子装置の作製方法。
[Claims] 1. A step of adding an impurity into the diamond by ion implantation to form an impurity region, and a step of irradiating the impurity region with laser light while the diamond is in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere. 1. A method for manufacturing an electronic device using diamond, characterized in that the electronic device has the following characteristics. 2. An electronic device using diamond as set forth in claim 1, wherein the impurity is comprised of an element from Group IIa, Group IIb, Group IIIb, Group IVb, Group Vb, or Group VIb of the Periodic Table of Elements. How to make
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0620982A (en) * 1991-10-04 1994-01-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Introduction of impurity atom

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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