JPH04293272A - ダイヤモンドpin型ダイオード - Google Patents

ダイヤモンドpin型ダイオード

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JPH04293272A
JPH04293272A JP5891391A JP5891391A JPH04293272A JP H04293272 A JPH04293272 A JP H04293272A JP 5891391 A JP5891391 A JP 5891391A JP 5891391 A JP5891391 A JP 5891391A JP H04293272 A JPH04293272 A JP H04293272A
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JP
Japan
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diamond
type
semiconductor layer
layer
diode
Prior art date
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Pending
Application number
JP5891391A
Other languages
English (en)
Inventor
Koji Kobashi
宏司 小橋
Kozo Nishimura
耕造 西村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH04293272A publication Critical patent/JPH04293272A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、気相合成によるダイ
ヤモンド薄膜により構成され、優れた整流特性を有する
ダイヤモンドPIN型ダイオードに関するものである。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンドは、高熱伝導率と優れた耐
熱性を有し、また、バンドギャップが大きく、電気的な
絶縁体でありながらドーピングすることにより半導体と
しての性質を示すものであることから、高温・大電力用
の半導体デバイスへの応用が期待されている。特に近年
の気相合成技術の進歩により、CVD(Chemica
l VaporDeposition )法によって薄
膜ダイヤモンドが比較的容易に合成できるようになり、
B(ホウ素)をドープしたp型ダイヤモンド半導体、S
i、P(リン)などをドープしたn型ダイヤモンド半導
体が得られている。
【0003】このようなダイヤモンド半導体を用いた半
導体デバイスの開発が進められており、整流素子として
のダイヤモンドpn接合ダイオードもそのひとつである
。従来、ダイヤモンドpn接合ダイオードの一例として
は、リンをドープしたダイヤモンド薄膜よりなるn型ダ
イヤモンド半導体層と、Bをドープしたダイヤモンド薄
膜よりなるp型ダイヤモンド半導体層とを積層してpn
接合を形成し、整流性が得られるようにしたものが文献
に開示されている(岩崎ほか,日本応用物理学会,19
90年春期講演会予稿集,30a−ZB−10,p.3
88 )。
【0004】図4は従来のダイヤモンドpn接合ダイオ
ードのエネルギーバンド図であって、同図の(a)は、
零バイアス状態(バイアス電圧V=0)を示す図、その
(b)は、p型ダイヤモンド半導体層Pの側に正電圧を
かけた順バイアス状態(V>0)を示す図、その(c)
は、p型ダイヤモンド半導体層Pの側に負電圧(n型ダ
イヤモンド半導体層Nの側が正電位)をかけた逆バイア
ス状態(V<0)を示す図である。EC は伝導帯下端
のエネルギーを、EVは価電子帯上端のエネルギーを、
EF はフェルミ準位を、それぞれ示している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、現状では、
p型のダイヤモンド半導体は約10Ω・cm程度の低抵
抗のものが気相合成できるのに対して、n型のダイヤモ
ンド半導体は、含まれる活性な不純物の量が少なく抵抗
率が104 〜 106Ω・cmと高抵抗のものしか得
られていない。 そのために、従来のダイヤモンドpn接合ダイオードで
は、pn接合部におけるn型ダイヤモンド半導体側の空
乏層が厚く、電子がpn接合部に集まることにより生じ
るエネルギーバンドの曲がりが弱く、図4に示すように
、pn接合部において急峻な電位勾配が得られない。
【0006】その結果、順バイアス状態において、p型
ダイヤモンド半導体層から正孔(ホール)がn型ダイヤ
モンド半導体層へ、またn型ダイヤモンド半導体層から
電子がp型ダイヤモンド半導体層に流れ込む場合、pn
接合部におけるこれらのキャリアの移動速度が遅くその
移動距離が長いため、途中でキャリアが格子欠陥やドー
パントなどに捕捉され再結合により消滅する確率が高く
なり、十分な電流が得られにくいことになる。また、一
般にpn接合界面に原子レベルでの欠陥やアモルファス
層が形成されることから、逆バイアスでの障壁が小さく
なり、逆方向電流がある程度流れることになる。このた
め、気相合成によるダイヤモンド半導体を用いたダイオ
ードにおいてはその整流特性の改善が望まれている。
【0007】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであって、優れた整流特性を有する、ダイヤモ
ンドPIN型ダイオードの提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明によるダイヤモンドPIN型ダイオード
は、p型ダイヤモンド半導体層とn型ダイヤモンド半導
体層との間に厚み0.01〜1μmのダイヤモンド絶縁
層を挟んだ接合構造を有することを特徴とするものであ
る。
【0009】
【作用】図3は、この発明によるダイヤモンドPIN型
ダイオードのエネルギーバンド図である。同図の(a)
は、零バイアス状態(バイアス電圧V=0)を示す図、
その(b)は、p型ダイヤモンド半導体層Pの側に正電
圧をかけた順バイアス状態(V>0)を示す図、その(
c)は、p型ダイヤモンド半導体層Pの側に負電圧(n
型ダイヤモンド半導体層Nの側が正電位)をかけた逆バ
イアス状態(V<0)を示す図である。EC は伝導帯
下端のエネルギーを、EV は価電子帯上端のエネルギ
ーを、EF はフェルミ準位を、それぞれ示している。
【0010】p型ダイヤモンド半導体層Pとn型ダイヤ
モンド半導体層Nとの間にあるダイヤモンド絶縁層Iが
絶縁体であるため、外部電源による電界のほとんどがダ
イヤモンド絶縁層Iにかかる。これにより、逆バイアス
状態では、ダイヤモンド絶縁層Iをはさんでp型ダイヤ
モンド半導体層P側に正電荷が、n型ダイヤモンド半導
体層N側に負電荷が蓄積するために、図3の(c)に示
すように、エネルギーバンドにくびれ(ノッチ)が生じ
る。このため、n型ダイヤモンド半導体層N中の正孔が
p型ダイヤモンド半導体層Pへ移動することが妨げられ
ることになる。なお、p型ダイヤモンド半導体層P内で
の自由に移動可能な電子は少ないので、これについては
無視できるものである。その結果、ダイヤモンドpn接
合ダイオードに比べて逆方向電流をより小さくすること
ができる。
【0011】順バイアス状態では、ダイヤモンド絶縁層
Iにかかる電界が電子と正孔の移動を促進するように作
用する。その結果、ダイヤモンドpn接合ダイオードに
比べてより大きい順方向電流が得られる。
【0012】なお、ダイヤモンド絶縁層の厚みは、0.
01〜1μmの範囲が適当である。ダイヤモンド絶縁層
の厚みがこの範囲より薄い場合には、逆方向電流を小さ
くするという効果が十分得られない。また厚みが1μm
より厚くなると、素子自体の抵抗が大きくなり過ぎて、
整流特性が劣るものとなるからである。
【0013】
【実施例】以下、実施例に基づいてこの発明を説明する
。図1はこの発明の一実施例によるダイヤモンドPIN
型ダイオードの断面構造概念図である。
【0014】以下の手順により、図1に示すダイヤモン
ドPIN型ダイオード(以下、単にダイヤPIN型ダイ
オードという。)を製作した。基板には低抵抗のn型S
i基板1(抵抗率<0.01Ω・cm,寸法20×10
mm)を用い、その表面を平均粒径0.25μmのダイ
ヤモンドペーストで約1時間程度バフ研磨した。このn
型Si基板1上に、Siをドープした厚み5μmの多結
晶のn型ダイヤモンド半導体層2、ノンドープ(アンド
ープ)の厚み 0.5μmの多結晶のダイヤモンド絶縁
層3、Bをドープした厚み2μmの多結晶のp型ダイヤ
モンド半導体層4をマイクロ波CVD法を用いて順次形
成した。
【0015】n型のダイヤモンド薄膜よりなるn型ダイ
ヤモンド半導体層2の合成には、反応ガスは、CH4 
とH2とを混合した原料ガス(CH4 濃度: 0.5
%)に、H2で希釈したSiH4(シラン)を総ガス流
量 100sccmに対してその濃度が0.5ppmと
なるように添加したものを用いた。ノンドープのダイヤ
モンド薄膜よりなるダイヤモンド絶縁層3の合成には、
反応ガスは、CH4 とH2とを混合した原料ガス(C
H4 濃度: 0.5%)に、酸素を総ガス流量 10
0sccmに対してその濃度が 0.1%となるように
添加したものを用いた。また、p型のダイヤモンド薄膜
よりなるp型ダイヤモンド半導体層4の合成には、反応
ガスは、CH4 とH2とを混合した原料ガス(CH4
 濃度: 0.5%)に、H2で希釈したB2H6(ジ
ボラン)を総ガス流量 100sccmに対してその濃
度が0.1ppmとなるように添加したものを用いた。
【0016】次いで、p型ダイヤモンド半導体層4の表
面に、リソグラフィー技術を用いて、Ti薄膜とAu薄
膜の2層構造よりなる直径約 100μmのTi/Au
金属電極5を形成した。また、n型Si基板1の裏面側
を銅板にAgペーストで接着してオーミック電極6を設
けた。
【0017】なお、3種類の比較例を製作した。比較例
1として、n型Si基板1上にn型ダイヤモンド半導体
層2、p型ダイヤモンド半導体層4をマイクロ波CVD
法を用いて順次形成し、上記実施例と同様にして、Ti
/Au金属電極5及びオーミック電極6を設けたダイヤ
モンドpn接合ダイオードを製作した。比較例2として
、上記実施例における厚み 0.5μmのダイヤモンド
絶縁層3に代えて、0.01μmよりも薄い厚みのダイ
ヤモンド絶縁層3Aを形成したダイヤモンドPIN型ダ
イオードを製作した。また、比較例3として、上記実施
例における厚み 0.5μmのダイヤモンド絶縁層3に
代えて、 1.5μmの厚みのダイヤモンド絶縁層3B
を形成したダイヤモンドPIN型ダイオードを製作した
【0018】これらのものについて、その電流−電圧特
性(I−V特性)をプローバを用いて測定した。測定結
果を図2に示す。図2から理解できるように、比較例2
のダイヤモンド絶縁層の厚みが0.01μmよりも薄い
ものでは、降伏電圧が小さくこれに至る逆方向電流も大
きいものとなっており、比較例2のダイヤモンド絶縁層
の厚みが 1.5μmのものでは、素子自体の抵抗が大
きくなり過ぎて、整流特性が劣るものとなっている。こ
れに対して、この実施例によれば、比較例1のダイヤモ
ンドpn接合ダイオードに比べて、降伏電圧が大きくこ
れに至る逆方向電流が小さく、またより大きい順方向電
流が得られ、整流特性が大幅に向上したものが得られた
【0019】なお、p型ダイヤモンド半導体層とn型ダ
イヤモンド半導体層との間にダイヤモンド絶縁層を挟ん
だ接合構造は、p型ダイヤモンド半導体層Pとn型ダイ
ヤモンド半導体層Nとを多層構造にした、例えばトラン
ジスタのような、PNP,NPN構造の半導体素子や、
双安定型のダイオードのような、PNPN,NPNP構
造の半導体素子にも適用できるものである。
【0020】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によるダイ
ヤモンドPIN型ダイオードは、p型ダイヤモンド半導
体層とn型ダイヤモンド半導体層との間に所定の厚みの
ダイヤモンド絶縁層を挟んだ接合構造を備えた構成とし
たものであるから、順バイアス状態ではダイヤモンド絶
縁層にかかる電界が電子と正孔の移動を促進するように
作用すること、逆バイアス状態ではエネルギーバンドに
くびれが生じn型ダイヤモンド半導体層内の正孔のp型
ダイヤモンド半導体層への移動が妨げられるようになる
ことにより、ダイヤモンドpn接合ダイオードに比べ整
流特性が大幅に向上する。すなわち、この発明によれば
、優れた整流特性を有するダイヤモンドPIN型ダイオ
ードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例によるダイヤモンドPIN
型ダイオードの断面構造概念図である。
【図2】この発明によるダイヤモンドPIN型ダイオー
ドの電流−電圧特性の一例を示す図である。
【図3】この発明によるダイヤモンドPIN型ダイオー
ドのエネルギーバンド図である。
【図4】従来のダイヤモンドpn接合ダイオードのエネ
ルギーバンド図である。
【符号の説明】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  p型ダイヤモンド半導体層とn型ダイ
    ヤモンド半導体層との間に厚み0.01〜1μmのダイ
    ヤモンド絶縁層を挟んだ接合構造を備えたことを特徴と
    するダイヤモンドPIN型ダイオード。
JP5891391A 1991-03-22 1991-03-22 ダイヤモンドpin型ダイオード Pending JPH04293272A (ja)

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Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19950919