JPH06151331A - Method and apparatus for formation of semiconductor diamond - Google Patents

Method and apparatus for formation of semiconductor diamond

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JPH06151331A
JPH06151331A JP30213092A JP30213092A JPH06151331A JP H06151331 A JPH06151331 A JP H06151331A JP 30213092 A JP30213092 A JP 30213092A JP 30213092 A JP30213092 A JP 30213092A JP H06151331 A JPH06151331 A JP H06151331A
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diamond
particles
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irradiated
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正洋 出口
Makoto Kitahata
真 北畠
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孝 平尾
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    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
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    • H01L21/041Making n- or p-doped regions
    • H01L21/0415Making n- or p-doped regions using ion implantation

Abstract

PURPOSE:To achieve that an impurity chemical element which forms a donor level and an acceptor level is introduced into a diamond with good controllability and to form a p-type semiconductor diamond and an n-type semiconductor diamond by a method wherein, while a diamond or a diamond thin film which has been deposited on a substrate blank is being irradiated with accelerated particles, it is exposed to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ion state. CONSTITUTION:A diamond 1 is mounted on a substrate-holding stand 7, a vacuum is produced, boron ions (B<+>) which have been taken out from an ion source, as particles 2, are accelerated at 100keV, and, while the diamond 1 is being irradiated at 1X10<15>pieces/cm<2>, it is irradiated simultaneously with hydrogen ions at an ion current density of 0.01 to 0.1mA/cm<2> from a bucket-type ion source 14. Boron atoms are implanted into a region of about 0.3mum in the surface layer of the diamond 1, and a p-type semiconductor layer 4 which is not damaged and in which boron has been activated can be formed. When phosphorus ions are irradiated in the same manner, an n-type semiconductor diamond layer can be formed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電子工業において耐環
境性素子などの半導体材料として用いられる半導体ダイ
ヤモンドの形成方法及び形成装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for forming semiconductor diamond used as a semiconductor material for environment-resistant elements in the electronic industry.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体特性を示すダイヤモンドを形成す
るためには、ドナーやアクセプタ準位を形成する不純物
元素をダイヤモンドの中に導入する必要がある。一般的
にシリコンやダイヤモンドのようなIV族元素半導体の場
合、ホウ素のような III族元素またはリンやヒ素のよう
な V族元素を導入することによって、p形やn形の導電
性制御を行なうことができると考えられる。天然のダイ
ヤモンドではホウ素を含むp形のダイヤモンドの存在が
知られている。また、メタンや一酸化炭素などの炭素源
ガスと水素ガスなどを混合した原料ガスをプラズマなど
で分解することによってダイヤモンドを薄膜状に合成す
るCVD法(化学気相成長法)においても、合成時にホ
ウ素を添加することによってp形の膜が得られている。
しかし、天然においてもCVD法によって合成されたも
のにおいても、充分にn形を示すようなダイヤモンドは
得られていない。
2. Description of the Related Art In order to form diamond showing semiconductor characteristics, it is necessary to introduce an impurity element forming a donor or acceptor level into diamond. Generally, in the case of a group IV element semiconductor such as silicon or diamond, p-type or n-type conductivity control is performed by introducing a group III element such as boron or a group V element such as phosphorus or arsenic. It is considered possible. In natural diamond, the existence of p-type diamond containing boron is known. In addition, a CVD method (chemical vapor deposition method) for synthesizing diamond into a thin film by decomposing a raw material gas, which is a mixture of a carbon source gas such as methane or carbon monoxide, and hydrogen gas, with plasma, etc. A p-type film is obtained by adding boron.
However, neither natural diamonds nor those synthesized by the CVD method have sufficiently obtained n-type diamond.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】半導体特性を示すダイ
ヤモンドを形成するためには、ドナーやアクセプタ準位
を形成する不純物元素をドープしなければならない。こ
れまで、ホウ素がドープされたp形の天然及び人工合成
ダイヤモンドは得られているが、その不純物濃度を制御
し、再現性良くかつ、均一に作製することは困難であっ
た。加えて、n形のものは得られていない。
In order to form diamond showing semiconductor characteristics, it is necessary to dope an impurity element forming a donor or acceptor level. Up to now, boron-doped p-type natural and artificial synthetic diamonds have been obtained, but it has been difficult to control the impurity concentration thereof and to produce them with good reproducibility and uniformly. In addition, the n-type has not been obtained.

【0004】また、イオン注入によって不純物元素を導
入する手法についても試みられてはいるが、注入の際に
ダイヤモンドに損傷が与えられると共に、熱処理ではそ
の損傷が除去されずに黒鉛化してしまうという問題点が
あった。
Further, although a method of introducing an impurity element by ion implantation has been attempted, the problem that diamond is damaged during the implantation and the damage is not removed by heat treatment but graphitized. There was a point.

【0005】以上のように、これまで行なわれてきた半
導体ダイヤモンドの形成方法は制御性の点などで不十分
であると共に、n形のものは得られておらず、新しい形
成方法及びそのための装置が必要とされていた。
As described above, the conventional method for forming a semiconductor diamond is insufficient in terms of controllability and the n-type has not been obtained. Therefore, a new forming method and an apparatus therefor are provided. Was needed.

【0006】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、ドナーやアクセプタ準位を形成する不純物元素をダ
イヤモンドに制御性良く導入し、p形およびn形の半導
体ダイヤモンドを形成する方法及び装置を提供すること
を目的とする。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention provides a method and an apparatus for forming a p-type and an n-type semiconductor diamond by introducing an impurity element forming a donor or acceptor level into diamond with good controllability. The purpose is to provide.

【0007】[0007]

【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、本発明の第1発明の半導体ダイヤモンドの形成方
法は、ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積されたダイ
ヤモンド薄膜に加速した粒子を照射しながら、ラジカル
状態またはイオン状態の水素を含む雰囲気に晒すという
構成を備えたものである。
In order to achieve the above object, the method for forming a semiconductor diamond according to the first aspect of the present invention is to irradiate diamond or a diamond thin film deposited on a substrate material with accelerated particles. However, it is configured to be exposed to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state.

【0008】また、本発明の第2発明の半導体ダイヤモ
ンドの形成方法は、ダイヤモンドまたは基板素材上に堆
積されたダイヤモンド薄膜に加速された粒子を照射する
工程と、ラジカル状態またはイオン状態の水素を含む雰
囲気に晒す工程とを交互に行なうという構成を備えたも
のである。
The semiconductor diamond forming method of the second invention of the present invention includes the step of irradiating a diamond or diamond thin film deposited on a substrate material with accelerated particles, and hydrogen in a radical state or an ionic state. It has a configuration in which the step of exposing to the atmosphere is alternately performed.

【0009】前記第1または第2発明の構成において
は、照射する粒子が、少なくとも III族元素を含む粒
子、または少なくとも V族元素を含む粒子であることが
好ましい。前記 III族元素としては、例えばホウ素
(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イ
ンジウム(In)等があり、 V族元素としては、例えば
リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等があ
る。
In the structure of the first or second invention, the particles to be irradiated are preferably particles containing at least a group III element or particles containing at least a group V element. Examples of the group III element include boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and the like, and examples of the group V element include phosphorus (P), arsenic (As), and antimony ( Sb) etc.

【0010】また前記第1または第2発明の構成におい
ては、基板素材に照射する粒子がイオン状態であること
が好ましい。また前記第1または第2発明の構成におい
ては、ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積されたダイ
ヤモンド薄膜を 500℃以上の温度に加熱すること、また
は-100℃以下の温度に冷却することが好ましい。
Further, in the structure of the first or second invention, it is preferable that the particles with which the substrate material is irradiated are in an ionic state. In the structure of the first or second invention, it is preferable that the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material is heated to a temperature of 500 ° C. or higher, or cooled to a temperature of −100 ° C. or lower.

【0011】次に本発明の半導体ダイヤモンドの形成装
置は、容器内に保持されたダイヤモンドまたは基板素材
上に堆積されたダイヤモンド薄膜に、粒子を加速して照
射する機構とラジカル状態またはイオン状態の水素を形
成し、前記容器内に導入する機構を有するという構成を
備えたものである。
Next, in the semiconductor diamond forming apparatus of the present invention, a mechanism for accelerating and irradiating particles on a diamond thin film deposited on a diamond or a substrate material held in a container and hydrogen in a radical state or an ionic state are used. Is formed and has a mechanism for introducing it into the container.

【0012】前記の半導体ダイヤモンドの形成装置の発
明の構成においては、容器内に保持されたダイヤモンド
または基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜を加熱
できる加熱手段を有すること、または冷却できる冷却手
段を有することが好ましい。
In the structure of the invention of the above-mentioned semiconductor diamond forming apparatus, there is provided a heating means capable of heating the diamond held in the container or the diamond thin film deposited on the substrate material, or a cooling means capable of cooling. It is preferable.

【0013】[0013]

【作用】ドナーまたはアクセプタを形成すると考えられ
る不純物元素を含む粒子を加速してダイヤモンドまたは
基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜に照射するこ
とによって、それらの粒子は半ば強制的にダイヤモンド
に注入される。当然のことながら、このような注入のみ
を行なえばダイヤモンドに損傷(格子欠陥)が生じてし
まうため、ダイヤモンドは目的とする半導体特性を示さ
ない。またダイヤモンドの場合非常に融点が高いため、
通常シリコンで行なわれているような熱アニールでは充
分にその損傷を回復することができないと共に、その損
傷を基にしてグラファイト化が生じてしまう。すなわ
ち、ダイヤモンドに目的とする粒子を導入しかつ損傷を
最小限にとどめるためには、粒子の照射と同時または損
傷の度合が軽度のうちに損傷領域を除去・回復する必要
がある。
[Function] By accelerating and irradiating the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material with particles containing an impurity element which is considered to form a donor or an acceptor, these particles are forcibly injected into the diamond. . As a matter of course, if only such implantation is performed, the diamond will be damaged (lattice defect), so that the diamond does not show the intended semiconductor characteristics. In addition, diamond has a very high melting point,
Thermal annealing, which is usually done with silicon, cannot sufficiently recover the damage, and graphitization occurs on the basis of the damage. That is, in order to introduce the target particles into the diamond and minimize the damage, it is necessary to remove and restore the damaged region at the same time as the irradiation of the particles or when the degree of damage is slight.

【0014】そこで前記第1発明の構成によれば、粒子
照射と同時に、ラジカル状態またはイオン状態の水素を
含む雰囲気にダイヤモンドまたは基板素材上に堆積され
たダイヤモンド薄膜を晒すことによって、それらが非常
に活性であり反応性に富むと共に、ダイヤモンドの黒鉛
化を防止するため、粒子照射で生じた損傷を回復するこ
とが可能となる。そして同時に導入された不純物粒子も
格子位置に置換されるため、活性化し、半導体特性を示
すようになる。その際、ダイヤモンドの導電性の制御は
照射粒子種並びに照射量、水素ラジカル・イオンの照射
量をコントロールすることによって可能となる。
Therefore, according to the structure of the first aspect of the present invention, the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material is exposed to the atmosphere containing hydrogen in the radical state or the ionic state at the same time as the particle irradiation, so that they are extremely exposed. In addition to being active and highly reactive, graphitization of diamond is prevented, so that damage caused by particle irradiation can be recovered. Then, the impurity particles introduced at the same time are also replaced at the lattice positions, so that they are activated and exhibit semiconductor characteristics. At that time, the conductivity of diamond can be controlled by controlling the type and amount of irradiation of particles, and the irradiation amount of hydrogen radicals and ions.

【0015】また、第2発明の構成によれば、加速した
粒子をダイヤモンドに損傷を過度に与えない程度の量だ
け照射した後に、活性な水素ラジカル・イオンを含む雰
囲気に晒して、損傷除去・回復を行なう工程を繰り返す
ことによっても同様に半導体ダイヤモンドを形成するこ
とができる。
According to the structure of the second aspect of the invention, the accelerated particles are irradiated by an amount that does not damage the diamond excessively, and then exposed to an atmosphere containing active hydrogen radicals and ions to remove the damage. The semiconductor diamond can be similarly formed by repeating the step of performing recovery.

【0016】前記したダイヤモンドまたは基板素材上に
堆積されたダイヤモンド薄膜に照射する粒子が、少なく
とも III族元素を含む粒子であるという本発明の好まし
い構成によれば、容易にp形の半導体ダイヤモンドを形
成することが可能になる。
According to the preferable constitution of the present invention in which the particles for irradiating the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material are particles containing at least a group III element, a p-type semiconductor diamond can be easily formed. It becomes possible to do.

【0017】また前記したダイヤモンドまたは基板素材
上に堆積されたダイヤモンド薄膜に照射する粒子が、少
なくとも V族元素を含む粒子であるという本発明の好ま
しい構成によれば、容易にn形の半導体ダイヤモンドを
形成することが可能になる。
Further, according to the preferable constitution of the present invention in which the particles for irradiating the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material are particles containing at least a group V element, an n-type semiconductor diamond can be easily formed. Can be formed.

【0018】また前記した照射する粒子の状態としてイ
オンを用いるという本発明の好ましい構成によれば、照
射粒子の照射量、照射エネルギーなどの制御が容易にな
る。また前記した、ダイヤモンドまたは基板素材上に堆
積されたダイヤモンド薄膜を 500℃以上の温度に加熱す
るという本発明の好ましい構成によれば、より効率的に
不純物元素の置換が行なわれる。
Further, according to the preferable construction of the present invention in which ions are used as the state of the particles to be irradiated, it becomes easy to control the irradiation amount and irradiation energy of the irradiated particles. In addition, according to the preferable configuration of the present invention in which the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material is heated to a temperature of 500 ° C. or higher, the substitution of the impurity element is performed more efficiently.

【0019】また前記した、ダイヤモンドまたは基板素
材上に堆積されたダイヤモンド薄膜を-100℃以下の温度
に冷却するという本発明の好ましい構成によれば、注入
時のグラファイト化が抑制されるため、損傷の除去・回
復が容易になる。
Further, according to the preferable constitution of the present invention in which the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material is cooled to a temperature of −100 ° C. or lower, graphitization at the time of injection is suppressed, and therefore damage is caused. It becomes easy to remove and recover.

【0020】次に本発明の第3発明の構成によれば、容
器内に保持されたダイヤモンドまたは基板素材上に堆積
されたダイヤモンド薄膜に、粒子を加速して照射する機
構とラジカル状態またはイオン状態の水素を形成し、前
記容器内に導入する機構を有することによって、不純物
元素の導入量、導入深さを制御しながら、黒鉛化を促成
する水素ラジカルまたは水素イオンを独立制御でかつ同
時に照射することができるため、効率的にかつ効果的に
損傷回復がなされる。
According to the third aspect of the present invention, the mechanism for accelerating and irradiating the diamond or the diamond thin film deposited on the diamond or substrate material held in the container with the radical state or the ionic state By having a mechanism of forming hydrogen and introducing it into the container, while controlling the introduction amount and the introduction depth of the impurity element, hydrogen radicals or hydrogen ions that promote graphitization are independently controlled and simultaneously irradiated. Therefore, damage recovery can be performed efficiently and effectively.

【0021】また、容器内に保持されたダイヤモンドま
たは基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜を加熱で
きる加熱手段を有することまたは冷却できる冷却手段を
有するという本発明の好ましい構成によれば、効率的に
上記の効果を得ることができる。
Further, according to the preferable constitution of the present invention, the heating means for heating the diamond held in the container or the diamond thin film deposited on the substrate material or the cooling means for cooling the diamond thin film is provided efficiently. The above effects can be obtained.

【0022】[0022]

【実施例】以下、本発明の理解を容易にするため、実施
例を用いて本発明を説明する。図1はダイヤモンド(ま
たは基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜)1に加
速した粒子2を照射しながら、ラジカル状態またはイオ
ン状態の水素を含む雰囲気3に晒す様子を示した図であ
る。その際の粒子2の加速エネルギー並びに照射量は、
それぞれ50eV〜5MeV、1×1014〜1×1017個/cm2
の範囲が好ましいが、中でも30〜200keV及び5×1014
〜5×1015個/cm2 の範囲がよく用いられる。以上の
様な条件で粒子2が照射されているダイヤモンド1に生
成される損傷を除去するために、晒す雰囲気3として
は、水素イオン流やラジカル流、水素プラズマなどを採
用することが多い。またこの際の雰囲気圧力としては、
1×10-7〜1×10-5Torrの領域が好ましく採用され
る。その結果、ダイヤモンド1の表層に不純物元素が導
入された半導体ダイヤモンド層4が形成される。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples in order to facilitate understanding of the present invention. FIG. 1 is a diagram showing a state where a diamond (or a diamond thin film deposited on a substrate material) 1 is irradiated with accelerated particles 2 and exposed to an atmosphere 3 containing hydrogen in a radical state or an ionic state. At that time, the acceleration energy and the irradiation amount of the particle 2 are
50 eV to 5 MeV, 1 × 10 14 to 1 × 10 17 pieces / cm 2 respectively
The range of 30 to 200 keV and 5 × 10 14 is particularly preferable.
A range of up to 5 × 10 15 pieces / cm 2 is often used. In order to remove the damage generated in the diamond 1 irradiated with the particles 2 under the conditions as described above, a hydrogen ion flow, a radical flow, hydrogen plasma or the like is often adopted as the atmosphere 3 to be exposed. The atmospheric pressure at this time is
A region of 1 × 10 −7 to 1 × 10 −5 Torr is preferably adopted. As a result, the semiconductor diamond layer 4 in which the impurity element is introduced is formed on the surface layer of the diamond 1.

【0023】図2はダイヤモンド(または基板素材上に
堆積されたダイヤモンド薄膜)1に加速した粒子2を照
射する工程と、ラジカル状態またはイオン状態の水素を
含む雰囲気3に晒す工程を交互に行なう様子を示した図
である。ダイヤモンド1に加速した粒子2を照射する方
法は図1の説明で行なったものと同一であるが、粒子照
射のみによって生成される注入領域5には、損傷が存在
している。そこでこの注入領域5内の損傷密度を回復可
能な程度に抑えるため、1サイクル当りの粒子照射量は
1×1015個/cm2 以下が好ましい。この損傷度合が軽
度な注入領域5を持つダイヤモンド1を実施例1と同様
にラジカル状態またはイオン状態の水素を含む雰囲気3
に晒すことによって、損傷は回復し、半導体ダイヤモン
ド層4が形成される。そして不純物元素の注入量を最終
的に所定量にするためには、このような粒子を照射する
工程とラジカル状態またはイオン状態の水素を含む雰囲
気に晒す工程を繰り返すことによってなされる。
FIG. 2 shows a state in which a step of irradiating diamond (or a diamond thin film deposited on a substrate material) 1 with accelerated particles 2 and a step of exposing it to an atmosphere 3 containing hydrogen in a radical state or an ionic state are alternately performed. It is the figure which showed. The method of irradiating the diamond 1 with the accelerated particles 2 is the same as that used in the explanation of FIG. 1, but there is damage in the implantation region 5 generated only by the particle irradiation. Therefore, in order to suppress the damage density in the implantation region 5 to a recoverable level, the particle irradiation amount per cycle is preferably 1 × 10 15 particles / cm 2 or less. As in the first embodiment, the diamond 1 having the implantation region 5 with a slight degree of damage is used in the atmosphere 3 containing hydrogen in the radical state or the ionic state.
The exposure recovers the damage and the semiconductor diamond layer 4 is formed. Then, in order to finally set the implantation amount of the impurity element to a predetermined amount, the process of irradiating such particles and the process of exposing to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state are repeated.

【0024】以上の様なプロセスは図3に示した概略図
の構成をもつ装置により実現される。この装置にはダイ
ヤモンド(または基板素材上に堆積されたダイヤモンド
薄膜)1を真空容器6内に保持する加熱機構または冷却
機構を有する基板保持台7を装備している。真空容器6
には、槽内を真空に引くための真空ポンプシステム8が
接続されている。上記の好ましい雰囲気圧力域で処理を
行なうための真空ポンプとしては、ロータリーポンプ、
ターボポンプと油拡散ポンプ、クライオポンプなどを組
合せたシステムが考えられる。また、照射する粒子2
は、粒子源9から発せられ、質量分離機構10、粒子加速
機構11をへて、ダイヤモンド1に導かれる。この粒子源
9としては例えば、マイクロ波型のイオン源などが挙げ
られる。また質量分離機構10は、目的とする元素のみを
抽出し、効率的に元素をダイヤモンド1に導入するため
のものである。
The above process is realized by the apparatus having the configuration shown in the schematic diagram of FIG. This apparatus is equipped with a substrate holder 7 having a heating mechanism or a cooling mechanism for holding a diamond (or a diamond thin film deposited on a substrate material) 1 in a vacuum container 6. Vacuum container 6
A vacuum pump system 8 for drawing a vacuum inside the tank is connected to the. As the vacuum pump for performing the treatment in the above preferable atmospheric pressure range, a rotary pump,
A system that combines a turbo pump, an oil diffusion pump, a cryopump, etc. can be considered. Also, the particles to be irradiated 2
Is emitted from the particle source 9 and guided to the diamond 1 through the mass separation mechanism 10 and the particle acceleration mechanism 11. Examples of the particle source 9 include a microwave type ion source. The mass separation mechanism 10 is for extracting only the target element and efficiently introducing the element into the diamond 1.

【0025】そしてラジカル状態またはイオン状態の水
素を含む雰囲気にダイヤモンド1を晒すための機能とし
ては、水素ボンベ12及びマスフローメーター13が接続さ
れたバケット型のイオン源14が挙げられる。これは水素
ガスをアーク放電によりプラズマ化し、任意の引出し電
圧でイオンを加速するもので、イオン状態の水素を多く
含む雰囲気を容易に形成できる。
The bucket type ion source 14 to which the hydrogen cylinder 12 and the mass flow meter 13 are connected has a function of exposing the diamond 1 to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state. In this method, hydrogen gas is turned into plasma by arc discharge and ions are accelerated at an arbitrary extraction voltage, and an atmosphere containing a large amount of hydrogen in an ionic state can be easily formed.

【0026】また、ラジカル状態またはイオン状態の水
素を含む雰囲気3にダイヤモンド1を晒すための機能と
しては、図4に示したような磁場とマイクロ波によって
水素ガスをプラズマ化するエレクトロン サイクロトロ
ン レゾナンス(ECR)イオン源または図5に示した
ようなフィラメントでガスを加熱・解離させるガス−セ
ルなどがある。ECRイオン源は、マイクロ波電源15と
マイクロ波を放電室に導く導波管16、石英窓17そして、
磁場を与える電磁石18で構成されている。またガス−セ
ルは水素をダイヤモンド1近傍に導く導入部分とフィラ
メント19(材質としては、タングステンやタンタルを用
いることが多い。)によって構成されている。いずれの
場合も、ラジカル状態またはイオン状態の水素を多く含
む雰囲気を容易に形成できる。
As a function of exposing the diamond 1 to the atmosphere 3 containing hydrogen in the radical state or the ionic state, the electron cyclotron resonance (ECR) for converting hydrogen gas into plasma by the magnetic field and the microwave as shown in FIG. ) There is a gas cell in which a gas is heated and dissociated by an ion source or a filament as shown in FIG. The ECR ion source includes a microwave power source 15, a waveguide 16 for guiding the microwave to the discharge chamber, a quartz window 17, and
It is composed of an electromagnet 18 that gives a magnetic field. The gas cell is composed of an introduction portion for introducing hydrogen to the vicinity of the diamond 1 and a filament 19 (tungsten or tantalum is often used as the material). In any case, an atmosphere containing a large amount of hydrogen in a radical state or an ionic state can be easily formed.

【0027】なお、本発明においては照射する粒子とし
て、 III族元素を含む粒子としては例えばホウ素
(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イ
ンジウム(In)等があるが、これ以外の III族元素を
含む粒子を用いることもできる。また、照射する粒とし
て、 V族元素を含む粒子としては、例えばリン(P)、
砒素(As)、アンチモン(Sb)等があるが、これ以
外の V族元素を含む粒子を用いることもできる。
In the present invention, as particles to be irradiated, particles containing a group III element include, for example, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), etc. Particles containing a Group III element can also be used. Moreover, as the particles to be irradiated, for example, particles containing a group V element, such as phosphorus (P),
Although there are arsenic (As), antimony (Sb), and the like, particles containing a group V element other than these can also be used.

【0028】以下具体的実施例を説明する。 (実施例1)まず図3で示した装置を用いて、第1の発
明の方法を行なった結果について説明する。ダイヤモン
ド1を基板保持台7に設置し、真空ポンプシステム8に
よって真空容器6内を充分に真空排気し、圧力が1×1
-7Torr以下になるようにした。その後、粒子2とし
て、イオン源より取り出されたホウ素イオン(B+ )を
100keVに加速してダイヤモンド1に1×1015個/cm2
だけ照射しながら、バケット型イオン源14よりイオン電
流密度として 0.01 〜0.1mA/cm2 の水素イオンを同時に
照射した。なおこの際の水素イオンの加速電圧は 1〜10
kV程度である。その結果、ダイヤモンド1の表層約 0.3
μmの領域にホウ素原子が打ち込まれ、かつ損傷がなく
ホウ素が活性化したp型の半導体ダイヤモンド層4が形
成された。
Specific examples will be described below. (Embodiment 1) First, the result of carrying out the method of the first invention using the apparatus shown in FIG. 3 will be described. The diamond 1 is installed on the substrate holder 7, and the vacuum chamber 6 is sufficiently evacuated by the vacuum pump system 8 so that the pressure is 1 × 1.
It was set to 0-7 Torr or less. Then, as particles 2, boron ions (B + ) extracted from the ion source are
Accelerate to 100 keV and 1 × 10 15 diamonds / cm 2 per diamond
While only irradiating, hydrogen ions with an ion current density of 0.01 to 0.1 mA / cm 2 were simultaneously irradiated from the bucket type ion source 14. The acceleration voltage of hydrogen ions at this time is 1 to 10
It is about kV. As a result, the surface layer of diamond 1 is about 0.3
Boron atoms were implanted in the μm region, and the p-type semiconductor diamond layer 4 in which boron was activated without damage was formed.

【0029】これに対して、水素イオンの照射を行わず
に、ホウ素イオンのみを照射した場合、損傷及び低活性
化のため半導体ダイヤモンド層は形成されなかった。こ
のようにダイヤモンドに加速したホウ素イオンを照射し
ながら、水素イオン流に晒すことによって、注入された
ホウ素がダイヤモンド構造の格子位置に入り、p形の電
気特性を持つ損傷のない半導体ダイヤモンド層4を得る
ことができる。同様の方法で他のイオン、例えばアルミ
ニウムやリンなどで行なった場合についても、p形また
はn形の電気特性を持つものが得られた。また、不純物
粒子の照射方法としてイオンを用いず、電気的に中性の
粒子を照射した場合においても同様の結果を得た。
On the other hand, when only boron ions were irradiated without hydrogen ion irradiation, the semiconductor diamond layer was not formed due to damage and low activation. By exposing the diamond to the hydrogen ion flow while irradiating the diamond with accelerated boron ions in this manner, the implanted boron enters the lattice position of the diamond structure to form the undamaged semiconductor diamond layer 4 having p-type electrical characteristics. Obtainable. When the same method was used for other ions such as aluminum and phosphorus, those having p-type or n-type electrical characteristics were obtained. Similar results were also obtained when electrically neutral particles were irradiated without using ions as a method of irradiating the impurity particles.

【0030】(実施例2)続いて図4で示した装置を用
いて行なった結果を説明する。加速粒子2の照射方法及
び手順は、上記の実施例1と同様である。充分真空に排
気された真空容器6内の基板保持台7上に設置されたダ
イヤモンド1に、B+ を100keVに加速して1×1015
/cm2 だけ照射しながら、ECR型イオン源よりイ水素
イオンを同時に照射した。なおこの際のECRイオン源
の条件は水素ガスが導入された放電室内の圧力を1×1
-4Torr程度とし、300W〜1.5kW のマイクロ波パワーを
印加すると共に、放電室内がECR条件を満たすように
磁場を印加した(マイクロ波の周波数が2.45GHz の場
合、ECR条件を満たす磁場強度は875 gauss )。この
様な条件の時、最も効率よく印加パワーが吸収されるた
め、より活性な水素ラジカルまたはイオンを生成するこ
とができる。そしてこれらの水素イオン・ラジカルは磁
場または圧力勾配によって、自動的にイオン源から引き
出され、ダイヤモンド1近傍に到達する。この様にし
て、粒子照射とラジカル状態またはイオン状態の水素を
含む雰囲気にダイヤモンド1を晒した結果、上記の実施
例と同様に、損傷がなくホウ素が活性化したp型電気特
性を持つ半導体ダイヤモンド層4が表層に形成された。
(Embodiment 2) Next, the results obtained by using the apparatus shown in FIG. 4 will be described. The method and procedure for irradiating the accelerated particles 2 are the same as in Example 1 above. While the diamond 1 installed on the substrate holder 7 in the vacuum vessel 6 which was sufficiently evacuated to a vacuum was irradiated with B + to 100 keV and irradiating 1 × 10 15 pieces / cm 2 , an ECR type ion source was used. Irradiated with hydrogen ions at the same time. The condition of the ECR ion source at this time was that the pressure inside the discharge chamber in which hydrogen gas was introduced was 1 × 1.
A microwave power of 300 W to 1.5 kW was applied at 0 -4 Torr, and a magnetic field was applied so that the discharge chamber satisfied the ECR condition (when the microwave frequency is 2.45 GHz, the magnetic field strength satisfying the ECR condition is satisfied). Is 875 gauss). Under these conditions, the applied power is absorbed most efficiently, so that more active hydrogen radicals or ions can be generated. Then, these hydrogen ions / radicals are automatically extracted from the ion source by the magnetic field or the pressure gradient and reach the vicinity of the diamond 1. In this way, as a result of exposing the diamond 1 to the particle irradiation and the atmosphere containing hydrogen in the radical state or the ionic state, the semiconductor diamond having the p-type electrical characteristics in which boron is activated without damage, as in the above-mentioned embodiment. Layer 4 was formed on the surface.

【0031】(実施例3)次に図5で示した装置を用い
て行なった結果を説明する。加速粒子2の照射方法及び
手順は、上記の実施例1と同様である。ダイヤモンド1
に、B+ を100keVに加速して1×1015個/cm2 だけ照
射しながら、ガス−セルより熱で解離された水素を同時
に照射した。なおこの際のガス−セルの条件は、効率よ
く活性な水素がダイヤモンド1に照射される様、噴出口
をダイヤモンド1の上空数mmの所に設置し、フィラメン
トの温度は1500〜2800℃の温度域である。また、水素ガ
スの流量は真空容器6内の圧力を必要以上に上昇させな
いようした。この様にして、粒子照射と熱で解離された
ラジカル状態の水素を含む雰囲気にダイヤモンド1を晒
した結果、上記の実施例と同様に、損傷がなくホウ素が
活性化したp型電気特性を持つ半導体ダイヤモンド層4
が表層に形成された。
(Embodiment 3) Next, the results obtained by using the apparatus shown in FIG. 5 will be described. The method and procedure for irradiating the accelerated particles 2 are the same as in Example 1 above. Diamond 1
Then, while accelerating B + to 100 keV and irradiating 1 × 10 15 cells / cm 2 , hydrogen dissociated by heat from the gas-cell was simultaneously irradiated. The conditions of the gas-cell at this time are as follows: the ejection port is installed a few mm above the diamond 1 so that the active hydrogen is efficiently irradiated to the diamond 1, and the filament temperature is 1500 to 2800 ° C. Area. The flow rate of the hydrogen gas was set so that the pressure inside the vacuum container 6 would not be increased more than necessary. In this way, as a result of exposing the diamond 1 to the atmosphere containing hydrogen in the radical state dissociated by particle irradiation and heat, as in the above-mentioned embodiment, the diamond 1 has p-type electrical characteristics with no damage and activated boron. Semiconductor diamond layer 4
Was formed on the surface layer.

【0032】(実施例4)実施例1と同様に図3で示し
た装置を用いて、ダイヤモンド1を加熱して同様の実験
を行なった結果を説明する。まず基板保持台7に設置さ
れたダイヤモンド1を加熱機構により 600℃まで加熱し
た。そして上記の実施例1と同様の手順で、加速粒子の
照射並びに水素イオン処理を行なった。ダイヤモンド1
を加熱することにより、照射された粒子2は注入と同時
に格子位置に置換される割合が増える。しかしその反
面、グラファイト化は促進してしまう。そこで、より多
くの活性な水素を照射することによって、このグラファ
イト化を抑制した。すなわち、実施例1の条件よりも大
きな水素イオン電流密度(0.05〜0.25 mA/cm2 )で水素
イオンを照射した。その結果、これまでと同様に 500℃
以上の温度に加熱することによって、ダイヤモンド1の
表層にp型の半導体ダイヤモンド層4が形成されると共
に、導入されたホウ素の活性化率の向上が観測された。
(Embodiment 4) The result of conducting the same experiment by heating the diamond 1 using the apparatus shown in FIG. First, the diamond 1 set on the substrate holder 7 was heated to 600 ° C. by the heating mechanism. Irradiation of accelerated particles and hydrogen ion treatment were performed in the same procedure as in Example 1 above. Diamond 1
By heating, the ratio of the irradiated particles 2 being replaced with the lattice positions at the same time as the injection is increased. However, on the other hand, graphitization is accelerated. Therefore, this graphitization was suppressed by irradiating more active hydrogen. That is, hydrogen ions were irradiated at a hydrogen ion current density (0.05 to 0.25 mA / cm 2 ) higher than that of the conditions of Example 1. As a result, as before, 500 ℃
It was observed that by heating to the above temperature, the p-type semiconductor diamond layer 4 was formed on the surface layer of the diamond 1, and the activation rate of the introduced boron was improved.

【0033】(実施例5)実施例1と同様に図3で示し
た装置を用いて、ダイヤモンド1を冷却して同様の実験
を行なった結果を説明する。まず基板保持台7に設置さ
れたダイヤモンド1を冷却機構により液体窒素温度付近
(〜-190℃)まで冷却した。そして上記の実施例1と同
様の手順で、加速粒子の照射並びに水素イオン処理を行
なった。ダイヤモンド1を冷却することにより、粒子照
射の際に形成される欠陥は拡散しないため、グラファイ
ト化は抑制される。そこで、実施例1の条件よりも小さ
な水素イオン電流密度(0.001 〜0.02 mA/cm2 )で水素
イオンを照射した。その結果、これまでと同様に-100℃
以下の温度に冷却することによって、より少ない活性水
素量でダイヤモンド1の表層にp型の半導体ダイヤモン
ド層4が形成されることが観測された。
(Embodiment 5) As in Embodiment 1, using the apparatus shown in FIG. 3, the diamond 1 is cooled and the result of a similar experiment will be described. First, the diamond 1 set on the substrate holder 7 was cooled to near liquid nitrogen temperature (-190C) by a cooling mechanism. Irradiation of accelerated particles and hydrogen ion treatment were performed in the same procedure as in Example 1 above. By cooling the diamond 1, the defects formed during particle irradiation do not diffuse, and graphitization is suppressed. Therefore, hydrogen ions were irradiated at a hydrogen ion current density (0.001 to 0.02 mA / cm 2 ) smaller than that of the conditions of Example 1. As a result, -100 ℃ as before
It was observed that the p-type semiconductor diamond layer 4 was formed on the surface layer of the diamond 1 with a smaller amount of active hydrogen by cooling to the temperature below.

【0034】(実施例6)実施例1と同様に図3で示し
た装置を用いて、第2の発明について行なった結果につ
いて述べる。十分に真空排気された真空容器6内に設置
されたダイヤモンド1にB+ を100keVのエネルギーで照
射した。ホウ素イオン照射によるダイヤモンド1の損傷
形成を極力抑えるため、1サイクル当りのドーズ量は2
×1014個/cm2 とし、計5サイクルだけホウ素イオン
照射と水素イオン処理を行なった。水素イオン照射条件
は実施例1と同様である。また、水素イオンを照射した
時間は1サイクル当り、5〜15分間行なった。その結
果、加速粒子2による不純物元素の導入と水素イオン処
理による注入領域5の損傷回復が1サイクルで行なわ
れ、これらの処理を数サイクル繰り返すことによって
も、実施例1の場合と同様なp形の電気特性を持つ損傷
のない半導体ダイヤモンド層4がダイヤモンド1の表層
に形成されていることが確認できた。また、他のイオン
についても、p形またはn形の電気特性を持つものが得
られた。この方法によると、図3のように同一の真空容
器6に粒子を加速して照射する機構とラジカル状態また
はイオン状態の水素を形成する機構を有しない場合にお
いても逐次、粒子照射と水素イオン処理を行なうことに
よって、良質の半導体ダイヤモンド層4を形成すること
が可能になることを示している。
(Embodiment 6) The result of carrying out the second invention using the apparatus shown in FIG. 3 as in Embodiment 1 will be described. B + was irradiated with energy of 100 keV to the diamond 1 installed in the vacuum vessel 6 which was sufficiently evacuated. The dose amount per cycle is 2 in order to suppress the damage formation of the diamond 1 due to the boron ion irradiation as much as possible.
× 10 14 pieces / cm 2, and boron ion irradiation and hydrogen ion treatment were performed for a total of 5 cycles. The hydrogen ion irradiation conditions are the same as in Example 1. Further, the time of irradiation with hydrogen ions was 5 to 15 minutes per cycle. As a result, the introduction of the impurity element by the accelerated particles 2 and the damage recovery of the implantation region 5 by the hydrogen ion treatment are performed in one cycle, and even if these treatments are repeated for several cycles, the p-type conductivity similar to that in the first embodiment is obtained. It was confirmed that the semiconductor diamond layer 4 having the electric characteristics of and having no damage was formed on the surface layer of the diamond 1. Also, with respect to other ions, those having p-type or n-type electrical characteristics were obtained. According to this method, even when the mechanism for accelerating and irradiating particles in the same vacuum container 6 and the mechanism for forming hydrogen in a radical state or an ionic state are not provided as in FIG. 3, particle irradiation and hydrogen ion treatment are sequentially performed. It is shown that it becomes possible to form a good quality semiconductor diamond layer 4 by performing the above.

【0035】(実施例7)以上の実施例で行なった方法
を、マイクロ波プラズマCVD法によってシリコン基板
上に10μm堆積した多結晶状のダイヤモンド薄膜1に対
して行なった。その結果、同様にダイヤモンド薄膜1の
表層に半導体ダイヤモンド層4が形成されていることが
確認できた。
(Embodiment 7) The method carried out in the above embodiment was carried out on the polycrystalline diamond thin film 1 deposited on the silicon substrate by 10 μm by the microwave plasma CVD method. As a result, it was confirmed that the semiconductor diamond layer 4 was similarly formed on the surface layer of the diamond thin film 1.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明の第1発明によれば、従来困難で
あったダイヤモンドにp形やn形の半導体特性をもたせ
るための不純物添加を制御性良く、かつ効率的に行なう
ことか可能となる方法が提供できる。このことは半導体
ダイヤモンドを用いた様々なデバイスの作製の可能性を
開いたことになり、耐環境性半導体素子への応用など本
発明の工業的価値は非常に高い。
According to the first aspect of the present invention, it is possible to efficiently control the addition of impurities for imparting p-type or n-type semiconductor characteristics to diamond, which has been difficult in the past. Can be provided. This opens the possibility of manufacturing various devices using semiconductor diamond, and the industrial value of the present invention is extremely high, such as application to environment-resistant semiconductor elements.

【0037】次に本発明の第2発明によれば、ダイヤモ
ンドまたは基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜
に、加速した粒子を損傷を過度に与えない程度の量だけ
照射した後に、活性な水素ラジカル・イオンを含む雰囲
気に晒して、損傷除去・回復を行なう工程を繰り返すこ
とによっても、同様に半導体ダイヤモンドを形成するこ
とが出来ると共に、同一の真空容器に粒子を加速して照
射する機構とラジカル状態またはイオン状態の水素を形
成する機構を有しない場合においても、同様の効果が得
られる。
Next, according to the second aspect of the present invention, after activating the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material with an amount of accelerated particles that does not cause excessive damage, the active hydrogen radicals are added. -Semiconductor diamond can be similarly formed by repeating the process of removing and recovering damage by exposing to an atmosphere containing ions, and at the same time, a mechanism for accelerating and irradiating particles in the same vacuum container and radical state Alternatively, the same effect can be obtained even when there is no mechanism for forming ionic hydrogen.

【0038】次に本発明の第3発明によれば、容器内に
保持されたダイヤモンドまたは基板素材上に堆積された
ダイヤモンド薄膜に、粒子を加速して照射する機構とラ
ジカル状態またはイオン状態の水素を形成し、前記容器
内に導入する機構を有することによって、不純物元素の
導入量、導入深さを制御しながら、黒鉛化を促成する水
素ラジカルまたは水素イオンを独立制御でかつ同時に照
射することができるため、効率的にかつ効果的に損傷回
復がなされる。
Next, according to the third aspect of the present invention, a mechanism for accelerating and irradiating particles on a diamond thin film deposited on a diamond or a substrate material held in a container and hydrogen in a radical state or an ionic state By having a mechanism for forming and introducing into the container, it is possible to simultaneously and independently irradiate hydrogen radicals or hydrogen ions that promote graphitization while controlling the introduction amount and the introduction depth of the impurity element. Therefore, damage recovery can be performed efficiently and effectively.

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

【図1】本発明の第1発明の一実施例の加速した粒子を
照射しながら、ラジカル状態またはイオン状態の水素を
含む雰囲気に晒す様子の概念図。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a state in which a particle is exposed to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state while irradiating accelerated particles according to an embodiment of the first aspect of the present invention.

【図2】本発明の第2発明の一実施例の加速した粒子を
照射する工程と、ラジカル状態またはイオン状態の水素
を含む雰囲気に晒す工程を交互に行なう様子の概念図。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a state in which the step of irradiating accelerated particles and the step of exposing to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state are alternately performed according to the second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3発明の一実施例の装置の概略図。FIG. 3 is a schematic view of an apparatus according to an embodiment of the third invention of the present invention.

【図4】同、別の実施例の装置の概略図。FIG. 4 is a schematic view of an apparatus according to another embodiment.

【図5】同、別の実施例の装置の概略図。FIG. 5 is a schematic view of an apparatus according to another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積されたダイヤ
モンド薄膜 2 粒子 3 ラジカル状態またはイオン状態の水素を含む雰囲気 4 半導体ダイヤモンド層 5 注入領域 6 真空容器 7 基板保持台 8 真空ポンプシステム 9 粒子源 10 質量分離機構 11 粒子加速機構 12 水素ボンベ 13 マスフローメーター 14 バケット形イオン源 15 マイクロ波電源 16 導波管 17 石英窓 18 電磁石 19 フィラメント
1 Diamond thin film deposited on diamond or substrate material 2 Particles 3 Atmosphere containing hydrogen in radical or ionic state 4 Semiconductor diamond layer 5 Injection region 6 Vacuum container 7 Substrate holder 8 Vacuum pump system 9 Particle source 10 Mass separation mechanism 11 Particle acceleration mechanism 12 Hydrogen cylinder 13 Mass flow meter 14 Bucket type ion source 15 Microwave power source 16 Waveguide 17 Quartz window 18 Electromagnet 19 Filament

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積さ
れたダイヤモンド薄膜に加速した粒子を照射しながら、
ラジカル状態またはイオン状態の水素を含む雰囲気に晒
すことからなる半導体ダイヤモンドの形成方法。
1. While irradiating accelerated particles to a diamond or diamond thin film deposited on a substrate material,
A method for forming a semiconductor diamond, which comprises exposing to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state.
【請求項2】 ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積さ
れたダイヤモンド薄膜に加速した粒子を照射する工程
と、ラジカル状態またはイオン状態の水素を含む雰囲気
に晒す工程とを交互に行なうことからなる半導体ダイヤ
モンドの形成方法。
2. A semiconductor diamond comprising the steps of irradiating a diamond or diamond thin film deposited on a substrate material with accelerated particles and exposing the diamond thin film to an atmosphere containing hydrogen in a radical state or an ionic state alternately. Forming method.
【請求項3】 照射する粒子が、少なくとも III族元素
を含む粒子である請求項1または2に記載の半導体ダイ
ヤモンドの形成方法。
3. The method for forming a semiconductor diamond according to claim 1, wherein the particles to be irradiated are particles containing at least a group III element.
【請求項4】 照射する粒子が、少なくとも V族元素を
含む粒子である請求項1または2に記載の半導体ダイヤ
モンドの形成方法。
4. The method for forming a semiconductor diamond according to claim 1, wherein the particles to be irradiated are particles containing at least a Group V element.
【請求項5】 照射する粒子がイオン状態である請求項
1または2に記載の半導体ダイヤモンドの形成方法。
5. The method for forming a semiconductor diamond according to claim 1, wherein the particles to be irradiated are in an ionic state.
【請求項6】 ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積さ
れたダイヤモンド薄膜を 500℃以上の温度に加熱する請
求項1または2に記載の半導体ダイヤモンドの形成方
法。
6. The method for forming a semiconductor diamond according to claim 1, wherein the diamond or the diamond thin film deposited on the substrate material is heated to a temperature of 500 ° C. or higher.
【請求項7】 ダイヤモンドまたは基板素材上に堆積さ
れたダイヤモンド薄膜を-100℃以下の温度に冷却する請
求項1または2に記載の半導体ダイヤモンドの形成方
法。
7. The method for forming a semiconductor diamond according to claim 1, wherein the diamond or diamond thin film deposited on the substrate material is cooled to a temperature of −100 ° C. or lower.
【請求項8】 容器内に保持されたダイヤモンドまたは
基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜に、粒子を加
速して照射する機構とラジカル状態またはイオン状態の
水素を形成し、前記容器内に導入する機構を少なくとも
備えた半導体ダイヤモンドの形成装置。
8. A mechanism for accelerating and irradiating particles and hydrogen in a radical state or an ionic state are formed on a diamond thin film held in a container or a diamond thin film deposited on a substrate material and introduced into the container. A semiconductor diamond forming apparatus including at least a mechanism.
【請求項9】 容器内に保持されたダイヤモンドまたは
基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜を加熱するた
めの加熱手段を備えた請求項8に記載の半導体ダイヤモ
ンドの形成装置。
9. The semiconductor diamond forming apparatus according to claim 8, further comprising heating means for heating the diamond held in the container or the diamond thin film deposited on the substrate material.
【請求項10】 容器内に保持されたダイヤモンドまた
は基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜を冷却する
ための冷却手段を備えた請求項8に記載の半導体ダイヤ
モンドの形成装置。
10. The semiconductor diamond forming apparatus according to claim 8, further comprising cooling means for cooling the diamond held in the container or the diamond thin film deposited on the substrate material.
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