JPH04139077A - Ｐ型ダイヤモンド―ｎ型立方晶窒化硼素接合体の製造方法 - Google Patents

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、ダイオード等の素材として有用なＰ型ダイヤ
モンド−Ｎ型立方晶窒化硼素接合体の製造方法に関する
ものである。

［従来の技術］ 半導体材料として、これまでシリコン、ガリウム−砒素
等が広く使用されてきたが、これらの素材は高温になる
と使用できないという欠点があった。

こうしたことから近年では、熱的に安定なダイヤモンド
や立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮと略記する）が注目され
、高温で使用できる半導体の素材として期待されている
。ところでダイヤモンドの場合には、Ｐ型半導体の製作
はできるが、Ｎ型半導体の製作は困難である。一方ｃＢ
Ｎの場合にはＮ型、Ｐ型のいずれも製作可能であるが、
これらからＰ−Ｎ接合体を製造しても高周波特性の優れ
た半導体素子は得られない。

こうした背景のもとてＰ型ダイヤモンドとＮ型ｃＢＮの
接合体を製造すれば、伝導帯にポテンシャル障壁ができ
て、電子が閉じ込められ易くなり、ｃＢＮ同士のＰ−Ｎ
接合体よりも高移動度となり優れた高周波特性を持った
半導体素子になり得るものと期待されている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこうした技術背景のもとでなされたものであっ
て、その目的は、ダイオードの素材として有用な高周波
特性の優れたＰ型ダイヤモンド−Ｎ型ｃＢＮ接合体を製
造する為の方法を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、ダイヤモンドおよび
ｃＢＮの安定な高温・高圧下の育成容器内で、該容器内
の高温部に窒化硼素原料を配置すると共に、該原料をシ
リコンを含有した溶媒に溶解し、該溶媒に温度差を設け
て温度による溶解度差を利用して、該容器内の低温部に
配置したＰ型ダイヤモンド単結晶上にＮ型ｃＢＮ単結晶
を析出させる点に要旨を有するＰ型ダイヤモンド−Ｎ型
ｃＢＮ接合体の製造方法である。

［作用］ まず本発明者らは、種結晶としてＮ型ｃＢＮ単結晶を用
いて、該単結晶にＰ型ダイヤモンドをエピタキシャル成
長させることを試みた（後記比較例参照）。しかしなが
らこうした方法では希望する接合体は得られず、ｃＢＮ
単結晶の周囲に黒鉛が晶出したものしか得られなかった
。

次に本発明者らは、Ｐ型ダイヤモンド単結晶を核とし、
その単結晶に対してＮ型ｃＢＮ結晶を成長させることを
試みたところ、希望するＰ型ダイヤモンド−Ｎ型ｃＢＮ
接合体が得られることを見出し、本発明を完成した。

本発明では、原料のｃＢＮと溶媒界面部の温度をＰ型ダ
イヤモンド結晶の温度より高くすることにより、Ｐ型ダ
イヤモンド結晶にｃＢＮが接合した状態で成長する温度
差法を利用している。そしてダイヤモンドとｃＢＮは結
晶構造が同じであるのでｃＢＮの結晶はダイヤモンド結
晶上にエピタキシャル成長する。

本発明で用いる溶媒はｃＢＮと共融する関係にあるアル
カリ金属、アルカリ土類金属或はこれらの窒化物、硼化
物、硼窒化物が使用できるが、特にリチウム、マグネシ
ウム、カルシウムの硼窒化物例えばＬｉ　ＣａＢＮ＝　
、Ｃａ２　Ｂ２　Ｎ４Ｍｇ２Ｂ２Ｎ４等の化合物が特に
効果的である。

本発明によってＰ型ダイヤモンド−Ｎ型ｃＢＮ接合体が
製造されるが、この様な異種物質の接合体には次の様な
効果が期待できる。

相異なる物質は、禁止帯の幅や電子親和力、仕事関数が
異なるので、′ｔＳ２図に示す様に離れて存在しておれ
ば異なったバンド構造を示す。

ここで、それぞれの物質の禁止帯幅をε。１゜εＧ２、
伝導帯の底エネルギーをεＣ１，εＣ２、価電子帯のエ
ネルギーをεＶｌ＋　εＶ２、フェルミエネルギーを６
２１．εＦ２、仕事関数をφ１．φ２、電子親和力をＸ
□、Ｘ２とする（３ｉＮ３図参照）。

２つの半導体（Ｐ型ダイヤモンド、Ｎ型ｃ　ＢＮ）が接
合されると、伝導帯においてΔε。、価電子帯において
ΔεＶのエネルギー差が夫々現われる。これらの大きさ
は Δεε≠Ｘ　ｌ−Ｘ　２ Δεｖ”（ε０１−εＧ２）−ΔεＣ で与えられる。これらが接合すると、第３図に示すよう
にフェルミ準位は半導体内部で一致して熱平衡に達する
。Ｐ型ダイヤモンドから多数の正孔がＮ型ｃＢＮへ拡散
によって流れていきＮ型ｃＢＮ中で電子と再結合する。

Ｐ型ダイヤモンドには負に帯電したアクセプターの空間
電荷領域が形成される。一方Ｎ型ｃＢＮからは電子がＰ
型ダイヤモンドへ拡散によって流れ、Ｎ型ｃＢＮ側には
正の電荷をもったドナーの空間電荷領域が形成される。

このような空間電荷領域の形成は、同種のＰ−Ｎ接合の
場合でも同じである。

ここで異種物質のＰ−Ｎ接合の場合で特徴的なことは、
接合界面にポテンシャルエネルギーの不連続Δε。およ
びΔε９が生ずることである。

また価電子帯には大きなポテンシャル障壁εＶ□−εＶ
２が形成されて正孔がＰ型ダイヤモンドからＮ型ｃＢＮ
へ流れにくくなる。一方伝導帯にはΔεＣの形成によっ
てＰ型ダイヤモンドの界面に三角形の量子井戸が形成さ
れる。ここに溜った２次元電子は大きな移動度を示し、
従来の同種のＰ−Ｎ接合のものより高周波特性が優れる
ことが期待される。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本
発明は下記実施例に限定されるものではなく前・後記の
趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術
的範囲に含まれるものである。

［実施例］ 実施例 第１図は本発明を実施する為の試料構成の一例を示す概
略説明図であり、図中１はヒーター　２は圧力媒体、３
はｃＢＮ原料、４は溶媒、５はＭｏ容器、６はＰ型ダイ
ヤモンド単結晶を夫々示す。

内径１４＋＊ｍの円筒状のヒーター１を用い、ＭＯ容器
５内にｃＢＮ原料３　（３２５〜４００メツシュの粉末
）および溶媒４としての硼窒化リチウムを充填した。尚
溶媒４には、約５重量％の割合で粉末シリコンを添加し
た。またＰ型ダイヤモンド単結晶６として、温度差法で
合成したＰ型半導体特性のある約ＩＩＩＩｍのダイヤモ
ンドを用いた。

第１図に示した試料構成において、超高圧装置内にセッ
トし、圧力５５キロバール、温度１４５０℃（いずれも
Ｍｏ容器内）で４０時間処理したところ、Ｐ型ダイヤモ
ンド単結晶を核にＮ型のｃＢＮ単結晶が１＋ｕ＋程度成
長していた。

比較例 Ｉｓ４図に示す試料構成でＰ型ダイヤモンド−Ｎ型ｃＢ
Ｎ接合体の製造を試みた。尚第４図において、１．２は
第１図と同じ意味であり、フはＮ型ｃＢＮ種結晶、８は
金属触媒、９は炭素原料を夫々示す。

内径１４ｍｍの円筒状のヒーター１を用い、炭素原料９
として直径１０ｍｍ、厚さ１■の黒鉛、および金属触媒
８として直径１０飄膳、厚さ４■のコバルト板を用いた
。そして炭素原料９と金属触媒８の間に、コバルトに対
して５重量％のボロン粉末を添加した。また種結晶とし
て、温度差法で合成した約１■のＮ型半導体特性を有す
るｃＢＮ単結晶を用いた。

上記の様な試料構成において、超高圧容器内にセットし
、圧力５５キロバール（容器内）、原料黒鉛部の温度を
１４５０℃として４０時間処理したが、ｃＢＮ単結晶７
の周囲に黒鉛が多く晶出するだけで、希望する接合体は
得られなかった。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、同種のＰ−Ｎ接合体よ
りも優れた高周波特性を示し、ダイオード等の素材とし
て有用なＰ型ダイヤモンド−Ｎ型ｃＢＮ接合体を製造す
る為の方法が確立できた。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を実施する為の試料構成の一例を示す概
略説明図、第２図および第３図は本発明に係るＰ型ダイ
ヤモンド−Ｎ型ｃＢＮ接合体による効果を説明する為の
図、第４図は比較例における試料構成を示す概略説明図
である。 １・・・ヒーター　　　　　２・・・圧力媒体３−−−
　ｃ　Ｂ　Ｎ原料　　　　４・・・溶媒５・・・Ｍｏ容
器 ６・−ｐ型ダイヤモンド単結晶 ７・・・Ｎ型ｃＢＮ結晶　　８・・・金属触媒第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の安定な高温・高圧
   下の育成容器内で、該容器内の高温部に窒化硼素原料を
   配置すると共に、該原料をシリコンを含有した溶媒に溶
   解し、該溶媒に温度差を設けて温度による溶解度差を利
   用して、該容器内の低温部に配置したＰ型ダイヤモンド
   単結晶上にＮ型立方晶窒化硼素単結晶を析出させること
   を特徴とするＰ型ダイヤモンド−Ｎ型立方晶窒化硼素接
   合体の製造方法。