JPH0510425B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、シリコンやゲルマニウム半導体の
PNドーピングと同様に黒鉛の骨格構造にＰ又は
Ｎドーピングを行うため、金属光沢の炭素堆積物
の合成と同様にＰ又はＮ型のドーパントを導入し
キヤリア制御を行なうことを基本とする炭素薄膜
の製造方法に関するものである。

〈従来の技術とその問題点〉 黒鉛は熱力学的に安定な物質であるから、シリ
コンあるいはゲルマニウム半導体にみられる様な
熱拡散を利用した不純物のドーピングは困難であ
る。黒鉛のPN伝導の制御方法としては、黒鉛の
層状構造を利用しその層間に例えばＮ型導電体と
するにはアルカリ金属、Ｐ型導電体とするには臭
素、三塩化鉄、五塩化アンチモン等を挿入するこ
とが古くから知られている。これらの層間化合物
は、近年、黒鉛層間化合物として理論面でも実験
面でも活発な研究がなされている。他方、黒鉛の
六角形網目構造の結晶組織に直接ＰまたはＮドー
ピングを行い、ＰまたはＮ型導電性を創出する技
術の研究報告は全く皆無に近い状態である。

〈発明の目的〉 本発明は、金属光沢を呈する炭素堆積物の合成
と同時に、ＰまたはＮ型導電性を付与する異種原
子を黒鉛結晶構造の骨格に置換して、ＰまたはＮ
型導電性を有する炭素薄膜を製作する製造技術を
提供することを目的とする。

〈発明の概要〉 金属光沢を呈する炭素薄膜は、炭化水素を出発
物質として比較的低温（700℃〜1500℃程度）で
熱分解し、単結晶基板上へホモエピタキシヤルま
たはヘテロエピタキシヤル成長の効果を導入して
炭素を堆積することにより生成される。このよう
にして得られた炭素堆積物は、配向性が高く、Ｐ
またはＮドーピングが制御されると従来にない新
規な電子材料となり得る。しかし、黒鉛結晶構造
の骨格に直接異種原子を導入し、Ｐ又はＮ型ドー
パントの制御を行なつた例はなく従つてこのよう
な技術の確立が必要となる。本発明はこの点にお
いて金属光沢の炭素堆積物の合成と同時にドーパ
ントも熱分解させて炭素堆積物中に含有させＰ又
はＮ型キヤリア制御を行うことを特徴とし、Ｐ型
又はＮ型導電性を有する炭素薄膜を作製する新規
な技術を確立したものである。

〈実施例〉 図面は本発明の１実施例に用いられる炭素薄膜
生成装置のブロツク構成図である。

出発物質として使用される炭化水素化合物とし
ては芳香族炭化水素または不飽和炭化水素が望ま
しくこれらは約1000℃で熱分解される。具体的な
炭化水素名としては、シクロヘキサン、ノルマル
ヘキサン、ベンゼン、ビフエニル、アントラセ
ン、ヘキサメチルベンゼン、1.2−ジブロモエチ
レン、２−ブチン、アセチレン、ジフエニルアセ
チレン等がある。使用した炭化水素の種類によつ
て後述する反応管への供給方法はバブラー法、蒸
発法または昇華法等を用い、得られる炭素堆積物
の表面に凹凸が生じないように毎時数ミリモル以
下の一定の供給量に制御される。この一定値は、
出発物質の種類に強く依存する。この一定値以上
に供給量を設定するとスス状炭素堆積物が生成さ
れることになる。

炭素薄膜が生成される単結晶基板としては、シ
リコン、サフアイヤ、炭化珪素（α形及びβ形）、
窒化硼素、キツシユ黒鉛、高配向黒鉛等を用い、
約1000℃の反応温度で変質しない条件を満足しな
ければならない。バブラー法では、水素好ましく
はアルゴンをキヤリアガスとして使用する。図面
はバブラー法に基く装置構成を示している。この
装置では減圧CVDを行うこともできる。この場
合、炭素堆積層の膜厚を、常圧CVDの場合と比
べてより均一に実現することが可能である。

以下、製造工程に従つて説明する。

真空蒸留による精製操作を行なつたベンゼンが
収納されたバブル容器１内にアルゴンガス制御系
２よりアルゴンガスを供給してベンゼンをバブル
させ、パイレツクスガラス管３を介して石英反応
管４へベンゼン分子を給送する。同様にしてドー
パントが収納されたバブル容器１′内にもアルゴ
ンガスを供給してドーパントをバブルさせる。ド
ーパントはガラス管を介して反応管４の直前でベ
ンゼン分子と混合され、反応管４へ供給される。
この際、バブル容器１内の液体ベンゼンの温度を
一定に保持してアルゴンガス流量をバブル５で調
節し、ドーパントとベンゼン分子の反応管４内へ
の供給量を毎時数ミリモルに一定制御する。ドー
パントとしては、Ｐ型の場合三臭化硼素、Ｎ型の
場合ピリジン等から成る異種原子化合物を用いる
ことができる。一方、希釈ライン６よりアルゴン
ガスを流し、反応管４へ給送される直前のガラス
管３内におけるアルゴンガス中のドーパント及び
ベンゼン分子数密度を最適化する。反応管４には
前述したシリコン等の単結晶から成る成長用基板
の載置された試料台７が配設されており反応管４
の外周囲には加熱炉８が設けられている。この加
熱炉８によつて反応管４内の成長用基板は約1000
℃の温度に保持されている。ドーパント及びベン
ゼン分子が反応管４内に給送されるとベンゼン分
子は反応管４内で熱分解し、成長用基板上には金
属光沢の炭素堆積物が生成される。炭素堆積物の
形成と同時に反応管４内に供給された異種原子化
合物のドーパントも熱分解されて異種原子が炭素
堆積物の骨格構造中にドープされる。これによつ
てＰ型又はＮ型の炭素薄膜が作製されることにな
る。得られた炭素薄膜をオージエ電子分光装置に
より分析すると窒素原子等の異種原子の存在が確
認され、固有抵抗値はドーピング量の増減に対応
して変化した。

反応管４内に導入されたベンゼン分子は1000℃
前後の温度に加熱されて熱分解し、順次成長用基
板上に成長する。この場合、成長される炭素薄膜
は成長用基板の結晶性を受け継いで良好な結晶性
を有する薄膜となり、従来に比べて低い温度で高
配向化が達成される。また反応管４内に導入され
るドーパント量とベンゼン分子量は一定に制御さ
れているため、成長用基板に形成された炭素堆積
物の薄厚は均一となり結晶性の向上と相俟つて金
属光沢や鏡面を呈する薄膜が得られることにな
る。

〈発明の効果〉 本発明の炭素堆積物形成法は、炭素堆積物の合
成と同時にＰまたはＮ型導電性を付与する異種原
子を黒鉛結晶構造の骨格に直接導入し置換して、
Ｐ型またはＮ型導電性を有する炭素薄膜を製造す
る新規な技術を確立した。また、反応時に炭化水
素化合物量とドーパント量を定量的に制御するこ
とによつて、炭素堆積物表面に凹凸が生じるのを
抑制し、膜厚が均一で金属光沢や鏡面を呈する薄
膜が得られる。また、成長用基板の結晶性を受け
継いで良好な結晶性を有する黒鉛骨格構造の炭素
堆積物が得られる。更に、炭素薄膜へのＰ又はＮ
ドーピングが700℃から1500℃の温度範囲の比較
的低温で可能なので、黒鉛層間に異種原子分子を
挿入して得られる黒鉛層間化合物と比較して熱的
安定性が格段に優れた材料となり、新電子材料へ
の応用を促進させることができると期待される。
また、本発明によれば、熱と電気の伝導性に関す
る異方性を考慮した熱電発電材料又はペルチエ素
子への開発が具体化される。

【図面の簡単な説明】

添附図面は本発明の１実施例の説明に供する炭
素薄膜生成装置のブロツク構成図である。 １，１′……バブル容器、２……アルゴンガス
制御系、３……ガラス管、４……反応管、６……
希釈ライン、７……試料台、８……加熱炉。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素化合物を出発物質とし、該炭化水素
   化合物と異種原子を含むドーパント物質を反応系
   へ供給し、熱分解により炭素堆積物を結晶基板上
   に形成する炭素薄膜の製造方法において、前記炭
   化水素化合物と前記ドーパント物質とを反応系に
   毎時定量供給しつつ、700℃乃至1500℃の温度範
   囲で前記熱分解を行い、前記炭素堆積物の形成と
   同時に、熱分解された前記ドーパント物質中の異
   種原子と、前記炭素堆積物の骨格構造を形成する
   炭素原子とを置換することによつて、前記異種原
   子がドープされた金属光沢性の黒鉛骨格構造の炭
   素堆積分を形成することを特徴とする炭素薄膜の
   製造方法。 ２ 炭化水素化合物として芳香族炭化水素または
   不飽和炭化水素を用いた特許請求の範囲第１項記
   載の炭素薄膜の製造方法。