JPH0769794A - Semiconductor diamond and method for forming the same - Google Patents

Semiconductor diamond and method for forming the same

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JPH0769794A
JPH0769794A JP21419293A JP21419293A JPH0769794A JP H0769794 A JPH0769794 A JP H0769794A JP 21419293 A JP21419293 A JP 21419293A JP 21419293 A JP21419293 A JP 21419293A JP H0769794 A JPH0769794 A JP H0769794A
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nitrogen
boron
concentration
doped
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Yoshiki Nishibayashi
良樹 西林
Tadashi Tomikawa
唯司 富川
Shinichi Shikada
真一 鹿田
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Abstract

PURPOSE:To obtain an n-type semiconductor of low resistance by doping diamond with a nitrogen atom and a boron atom in specific concentration ranges. CONSTITUTION:Diamond is doped with a reaction gas obtained by adding a nitrogen atom-containing gas such as N2 or N2O and a boron atom-containing gas such as B2H6 or B3O3 to a mixed gas prepared by diluting CH4 with H2 by CVD method (chemical vaporphase growth method) to dope diamond with 1X10<19>cm<-3> nitrogen atom and boron atom in 100CB2CN>CB wherein C''s nitrogen atom concentration and CB is boron atom concentration to give an n-type semiconductor diamond which has >=1mu10<16>-cm<-3> carrier concentration, <=40 seconds half-value width of rocking curve in 2 crystallization method of X-ray diffraction. This diamond is applicable to both artificial (high-pressure synthesis) bulk single crystal or thin-film polycrystal or thin-film single crystal (epitaxial film) by a vapor-phase synthesis method and has <=1X105OMEGA.cm specific resistance.

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、ダイオード、トランジ
スタ等の半導体デバイスに使用可能な半導体ダイヤモン
ドに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor diamond that can be used for semiconductor devices such as diodes and transistors.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドに関しては、高温下、放射
線照射下等の厳しい環境下で安定に動作するデバイスと
して、あるいは高出力での動作にも耐え得るデバイスと
しての応用が注目されている。
2. Description of the Related Art Diamond has attracted attention for its application as a device that operates stably under severe conditions such as high temperature and radiation irradiation, or as a device that can withstand operation at high output.

【0003】ダイヤモンドが高温下でも動作可能な理由
としては、バンドギャップが5.5eVと大きいことが
挙げられている。このことは、半導体のキャリアが制御
されなくなる温度範囲(真性領域)が1400℃以下に
は存在しないことを示しているためである。
The reason why diamond can operate even at high temperature is that the band gap is as large as 5.5 eV. This is because it indicates that the temperature range (intrinsic region) where semiconductor carriers are not controlled does not exist below 1400 ° C.

【0004】しかしながら、ダイヤモンドでは低抵抗の
n型半導体が現在に至るまで得られておらず、このこと
はデバイスの応用製品開発において、非常に大きな障害
となっていた。
However, diamond has not been able to obtain an n-type semiconductor having a low resistance until now, and this has been a great obstacle to the development of device application products.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ダイ
ヤモンド半導体の低抵抗n型半導体及びその形成方法を
提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a low resistance n-type semiconductor of diamond semiconductor and a method for forming the same.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】ダイヤモンドは、シリコ
ン(Si)と同様に、III 族元素の添加によりp型半導
体となり、V族元素を添加するとn型半導体となること
が期待される。しかしながら、ダイヤモンドを構成する
炭素は原子半径が小さく且つ密度が大きいため、どの様
な不純物でもダイヤモンド中に混入が可能というわけで
はなく、ボロン、窒素、あるいはリンといった比較的原
子半径の小さな元素が混入可能である。
Similar to silicon (Si), diamond is expected to become a p-type semiconductor by adding a group III element and become an n-type semiconductor by adding a group V element. However, since carbon that constitutes diamond has a small atomic radius and a large density, it is not possible to mix any impurities into diamond, and elements such as boron, nitrogen, or phosphorus with a relatively small atomic radius are mixed. It is possible.

【0007】しかしながら、窒素原子をドナーとしてダ
イヤモンド中にドーピングすると、そのドナーレベルは
非常に深く(1eVから2eV程度に)なってしまう。
これは、ボロンのアクセプターレベル(0.37eV)
に比較しても非常に大きいため、単に窒素原子をドナー
としてダイヤモンド中にドーピングしたのでは、低抵抗
のn型半導体は得られない。
However, if nitrogen atoms are doped into the diamond as a donor, the donor level becomes very deep (from 1 eV to 2 eV).
This is the boron acceptor level (0.37 eV)
Since it is much larger than that of No. 1, a low resistance n-type semiconductor cannot be obtained by simply doping nitrogen into the diamond as a donor.

【0008】本発明者は鋭意研究の結果、ダイヤモンド
中の窒素原子濃度を非常に高くすることにより、窒素の
準位間でキャリアの伝導が可能となり、室温においても
低抵抗の伝導性が得られることを見い出だした。
As a result of earnest research, the present inventor has made it possible to conduct carriers between nitrogen levels by making the concentration of nitrogen atoms in diamond extremely high, and to obtain low resistance conductivity even at room temperature. I found a thing.

【0009】本発明の半導体ダイヤモンドは、上記知見
に基づくものであり、より詳しくは、ダイヤモンド中に
窒素原子が1×1019cm-3以上ドーピングされたこと
を特徴とするものである。
The semiconductor diamond of the present invention is based on the above findings, and more specifically, it is characterized in that the diamond is doped with nitrogen atoms at 1 × 10 19 cm −3 or more.

【0010】上述したように本発明によれば、窒素原子
濃度を非常に高くすることにより低抵抗n型のダイヤモ
ンド半導体が得られる。バンドギャップが1.1eVの
純粋なSiは非常に抵抗率の大きなものであることを考
慮すれば、不純物準位が1〜2eVもあるようなドーパ
ント(窒素原子)を用いて低抵抗半導体を得るという本
発明の発想は、従来のそれとは全く異質のものである。
As described above, according to the present invention, a low resistance n-type diamond semiconductor can be obtained by making the nitrogen atom concentration extremely high. Considering that pure Si having a bandgap of 1.1 eV has a very high resistivity, a low resistance semiconductor is obtained by using a dopant (nitrogen atom) having an impurity level of 1 to 2 eV. The idea of the present invention is totally different from the conventional one.

【0011】本発明者は更に研究を進めた結果、ダイヤ
モンド中に、窒素原子のみならずボロン原子を特定の濃
度範囲でドーピングすることが、上記した課題の解決に
極めて効果的であることを見い出だした。
As a result of further research conducted by the present inventor, it was found that doping not only nitrogen atoms but also boron atoms in a specific concentration range into diamond is extremely effective in solving the above-mentioned problems. It started.

【0012】したがって本発明によれば、更に、ダイヤ
モンド中に窒素原子およびボロン原子がドーピングされ
ており、且つ、窒素原子の濃度(CN)と、ボロン原子
の濃度(CB)とが100CB≧CN>CBの範囲にあ
ることを特徴とするn型半導体ダイヤモンドが提供され
る。
Therefore, according to the present invention, the diamond is further doped with nitrogen atoms and boron atoms, and the nitrogen atom concentration (CN) and the boron atom concentration (CB) are 100 CB ≧ CN> An n-type semiconductor diamond is provided that is in the CB range.

【0013】本発明者の知見によれば、ダイヤモンド中
に低濃度で窒素原子をドープした場合において窒素の準
位が深いのは、ダイヤモンド中に窒素原子が入ることに
よって、結晶構造が局部的に歪んでいるためと考えられ
る。したがって本発明者の知見によれば、窒素原子のダ
イヤモンドへの混入によって生じた格子の歪みを、上記
したようなボロン原子の添加によって緩和させて窒素の
準位を浅くすることにより、室温においても、低抵抗の
伝導性が得られるものと考えられる。
According to the knowledge of the inventor of the present invention, when nitrogen is doped in a low concentration in diamond, the nitrogen level is deep because the nitrogen atom is introduced into the diamond so that the crystal structure is locally changed. It is thought that it is distorted. Therefore, according to the knowledge of the inventor of the present invention, the lattice distortion caused by the incorporation of nitrogen atoms into diamond is relaxed by the addition of boron atoms as described above to make the nitrogen level shallow, and thus even at room temperature. It is considered that low resistance conductivity can be obtained.

【0014】[0014]

【作用】ダイヤモンドは、バンドギャップが5.5eV
と大きいため、真性領域に相当する温度領域は、ダイヤ
モンドが熱的に安定な1400℃以下には存在せず、更
に、ダイヤモンドは化学的にも非常に安定である。ま
た、ダイヤモンドの熱伝導率は20(W/cm・K)と
Siの10倍以上であり、放熱性にも優れている。更
に、ダイヤモンドは、キャリアの移動度が大きい(電子
移動度:2000(cm2 /V・秒)、ホール移動度:
2100(cm2 /V・秒)、300K)、誘導率が小
さい(K=5.5)、破壊電界が大きい(E=5×10
6 V/cm)などの特徴を有しているため、ダイヤモン
ドを用いることにより高周波で大電力用のデバイスを作
製することができる。
Function: Diamond has a band gap of 5.5 eV
Therefore, the temperature region corresponding to the intrinsic region does not exist below 1400 ° C. at which diamond is thermally stable, and furthermore, diamond is also chemically very stable. Further, the thermal conductivity of diamond is 20 (W / cm · K), which is 10 times or more that of Si, and is excellent in heat dissipation. Furthermore, diamond has a high carrier mobility (electron mobility: 2000 (cm 2 / V · sec)) and hole mobility:
2100 (cm 2 / V · sec), 300K), small inductivity (K = 5.5), large breakdown electric field (E = 5 × 10)
6 V / cm) and the like, it is possible to fabricate a device for high power at high frequency by using diamond.

【0015】本発明は、ダイヤモンドデバイスにおいて
不可欠なn型又はp型半導体を実現するために、ダイヤ
モンドの中に多量の窒素原子のドーピングを行い、ある
いは窒素原子と同時にボロン原子をダイヤモンド中にド
ーピングしている。
In the present invention, in order to realize an n-type or p-type semiconductor which is indispensable in a diamond device, a large amount of nitrogen atoms are doped into diamond, or boron atoms are simultaneously doped into diamond. ing.

【0016】以下、本発明を更に詳細に説明する。The present invention will be described in more detail below.

【0017】(半導体性ダイヤモンド)本発明が適用可
能な半導体性ダイヤモンドは、特に制限されない。例え
ば、ダイヤモンドが人工(高圧合成)のバルク単結晶で
あっても、気相合成法による薄膜多結晶あるいは薄膜単
結晶(エピタキシャル膜)であっても、本発明の効果は
変わらない。
(Semiconductor Diamond) The semiconductor diamond to which the present invention is applicable is not particularly limited. For example, the effect of the present invention does not change whether the diamond is an artificial (high pressure synthetic) bulk single crystal or a thin film polycrystal or a thin film single crystal (epitaxial film) produced by a vapor phase synthesis method.

【0018】本発明の半導体ダイヤモンドは、n型であ
ってもp型であってもよいが、素子への適用上は、n型
である方が好ましい。
The semiconductor diamond of the present invention may be either n-type or p-type, but is preferably n-type for application to a device.

【0019】本発明の半導体性ダイヤモンドの抵抗率
は、1×105 Ω・cm以下であることが好ましく、更
には1000Ω・cm以下(特に100Ω・cm以下)
であることが好ましい。
The resistivity of the semiconductor diamond of the present invention is preferably 1 × 10 5 Ω · cm or less, more preferably 1000 Ω · cm or less (particularly 100 Ω · cm or less).
Is preferred.

【0020】上記抵抗率の測定においては、例えば、以
下の測定条件が好適に使用可能である。
In measuring the resistivity, for example, the following measurement conditions can be preferably used.

【0021】測定法:四端子法 測定条件:一定電流(10μA〜1mA)のもとで電圧
測定(1〜100v)を行なう。
Measurement method: four-terminal method Measurement conditions: voltage measurement (1 to 100 v) is performed under a constant current (10 μA to 1 mA).

【0022】(ダイヤモンド形成方法)ダイヤモンド膜
を気相合成により形成する場合、その形成方法としては
例えば以下のような各種の方法を用いることが可能であ
る。
(Diamond forming method) When the diamond film is formed by vapor phase synthesis, the following various methods can be used as the forming method.

【0023】(1)直流または交流電界により放電を起
こし、原料ガスを活性化する方法、(2)熱電子放射材
を加熱し、原料ガスを活性化する方法、(3)ダイヤモ
ンドを成長させる表面を、イオンで衝撃する方法、
(4)レーザーや紫外線などの光で原料ガスを励起する
方法、及び(5)原料ガスを燃焼させる方法上記いずれ
の方法も本発明に用いることが可能であり、いずれの方
法を用いた場合にも、発明の効果は変わらない。
(1) A method of activating a raw material gas by causing a discharge by a direct current or an alternating current electric field, (2) a method of heating a thermoelectron emitting material to activate the raw material gas, (3) a surface on which diamond is grown A method of bombarding with,
(4) Method of exciting source gas with light such as laser or ultraviolet ray, and (5) Method of burning source gas Any of the above methods can be used in the present invention. However, the effect of the invention does not change.

【0024】本発明においてダイヤモンドに窒素原子を
ドーピングする方法としては、ドーパント量の調節が容
易な点からは、CVD法(化学的気相成長法)を用いる
ことが好ましい。
In the present invention, the CVD method (chemical vapor deposition method) is preferably used as a method for doping diamond with nitrogen atoms from the viewpoint of easy adjustment of the dopant amount.

【0025】(CVD法)CVD法において用いられる
反応ガス(ないし原料ガス)は、基板上へのダイヤモン
ドの析出・成長が可能である限り特に制限されない。よ
り具体的には例えば、この反応ガスとしては、CH4
2 で希釈した混合ガス、エチルアルコール又はアセト
ンをH2 で希釈した混合ガス、あるいはCOをH2 で希
釈した混合ガス等が好適に使用可能である。
(CVD method) The reaction gas (or raw material gas) used in the CVD method is not particularly limited as long as the diamond can be deposited and grown on the substrate. More specifically, for example, as the reaction gas, a mixed gas of CH 4 diluted with H 2 , a mixed gas of ethyl alcohol or acetone diluted with H 2 , or a mixed gas of CO diluted with H 2 is suitable. Can be used for.

【0026】本発明において、窒素原子をドープしたダ
イヤモンドを得る場合、上記反応ガスに、所望の窒素原
子濃度に対応した量の窒素原子含有ガスを添加して用い
ればよい。このような窒素原子含有ガスとしては、例え
ば、N2 、N2 O、NO2 、NH3 等が好適に使用可能
である。
In the present invention, when a diamond doped with nitrogen atoms is obtained, the reaction gas may be added with a nitrogen atom-containing gas in an amount corresponding to a desired nitrogen atom concentration. As such a nitrogen atom-containing gas, for example, N 2 , N 2 O, NO 2 , NH 3 and the like can be preferably used.

【0027】本発明において、窒素原子およびボロン原
子をドープしたダイヤモンドを得る場合、上記反応ガス
に、所望の窒素原子濃度およびボロン原子濃度にそれぞ
れ対応した量の窒素原子含有ガスおよびボロン原子含有
ガスを添加して用いればよい。このようなボロン原子含
有ガスとしては、例えば、B2 6 、B2 3 、B
2(CH3 3 、B2 (OCH3 3 等が好適に使用可
能である。
In the present invention, when a diamond doped with nitrogen atoms and boron atoms is obtained, the reaction gas is supplied with nitrogen atom-containing gas and boron atom-containing gas in amounts corresponding to the desired nitrogen atom concentration and boron atom concentration, respectively. It may be added and used. Examples of such boron atom-containing gas include B 2 H 6 , B 2 O 3 , and B.
2 (CH 3 ) 3 , B 2 (OCH 3 ) 3 and the like can be preferably used.

【0028】(高圧合成法)高圧合成法を用いる場合、
原料、溶媒、及び/又は高圧合成容器中に窒素を含む原
料を添加して、高圧合成法で窒素含有ダイヤモンドを形
成しても、あるいは窒素とボロンを含む原料を添加して
高圧合成法で窒素およびボロンを含有するダイヤモンド
を形成しても、本発明の効果は変わらない。
(High-pressure synthesis method) When the high-pressure synthesis method is used,
Even if a nitrogen-containing raw material is added to a raw material, a solvent, and / or a high-pressure synthesis container to form a nitrogen-containing diamond by the high-pressure synthesis method, or a raw material containing nitrogen and boron is added, nitrogen is added by the high-pressure synthesis method. Forming diamond containing boron and boron does not change the effect of the present invention.

【0029】(イオン注入法)また、イオン注入によっ
て窒素を添加する方法も利用可能である。この場合、注
入直後の試料においては、通常は上記の効果を得ること
が困難であるが、例えば注入の条件を調節する(高温状
態で注入する等)か、結晶性の回復の処理(水素プラズ
マ処理等)を調節することによって、上記の効果を得る
ことが可能である。
(Ion Implantation Method) Also, a method of adding nitrogen by ion implantation can be used. In this case, it is usually difficult to obtain the above effect in the sample immediately after the injection, but for example, the injection condition is adjusted (injection at a high temperature state) or the crystallinity recovery process (hydrogen plasma is performed). It is possible to obtain the above-mentioned effects by adjusting the treatment etc.).

【0030】(窒素原子の濃度)本発明の半導体ダイヤ
モンドにドーピングされた窒素原子の濃度は1×1019
cm-3以上であることが好ましい。他のドーパントとと
もに窒素原子をダイヤモンドにドーピングする場合、半
導体としての特性の点からは該窒素原子の濃度は1×1
17cm-3以上であることが好ましい。
(Concentration of Nitrogen Atoms) The concentration of nitrogen atoms doped in the semiconductor diamond of the present invention is 1 × 10 19.
It is preferably cm −3 or more. When nitrogen atoms are doped into diamond together with other dopants, the concentration of nitrogen atoms is 1 × 1 from the viewpoint of semiconductor characteristics.
It is preferably 0 17 cm −3 or more.

【0031】上記窒素原子の濃度は、例えば、2次イオ
ン質量分析法(SIMS)により測定することが可能で
ある。このSIMSにおいては、例えば、以下の測定条
件が好適に使用可能である。
The nitrogen atom concentration can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS). In this SIMS, for example, the following measurement conditions can be preferably used.

【0032】 (N分析) (B分析) 1次イオン: Cs+ 2 + 加速電圧: 10kV 15kV 電流: 580nA 2000nA ラスタサイズ:250μm角 250μm角 分析面積: 直径62μmφ 62μmφ (ボロン原子の濃度)本発明のn型半導体ダイヤモンド
に窒素原子およびボロン原子がドーピングされている場
合、ドーピングされた窒素原子の濃度(CN)とボロン
原子の濃度(CB)とは、n型半導体としての特性と伝
導性とのバランスの点からは、100CB≧CN>CB
の関係を有していることが好ましく、更には10CB≧
CN>CBの関係を有していることが好ましい。この場
合、伝導性の点からは、窒素原子の濃度は1017cm-3
以上であることが好ましい。
(N analysis) (B analysis) Primary ion: Cs + O 2 + Accelerating voltage: 10 kV 15 kV Current: 580 nA 2000 nA Raster size: 250 μm square 250 μm square Analysis area: Diameter 62 μmφ 62 μmφ (concentration of boron atom) The present invention When the n-type semiconductor diamond is doped with nitrogen atoms and boron atoms, the concentration of the doped nitrogen atoms (CN) and the concentration of boron atoms (CB) are the characteristics and conductivity of the n-type semiconductor. From a balance point, 100CB ≧ CN> CB
It is preferable to have a relationship of 10 CB ≧
It is preferable to have a relationship of CN> CB. In this case, from the viewpoint of conductivity, the concentration of nitrogen atoms is 10 17 cm -3.
The above is preferable.

【0033】上記ボロン原子の濃度は、例えば、上記S
IMSにより測定することができ、このSIMS測定に
おいては、上記に示した測定条件(B分析)を用いるこ
とができる。
The concentration of the boron atom is, for example, S
It can be measured by IMS, and the measurement conditions (B analysis) shown above can be used in this SIMS measurement.

【0034】(キャリア濃度)本発明の半導体ダイヤモ
ンドにおいては、伝導性の点から、キャリア濃度は1×
1016cm-3以上であることが好ましい。
(Carrier Concentration) In the semiconductor diamond of the present invention, the carrier concentration is 1 × from the viewpoint of conductivity.
It is preferably 10 16 cm −3 or more.

【0035】上記キャリア濃度は、例えば、ホール係数
の測定に基づいて求めることが可能である(例えば、青
木昌治、南日康夫共訳「半導体の物理」46頁、196
9年、産業図書を参照)。
The carrier concentration can be obtained, for example, based on the measurement of the Hall coefficient (eg, Shoji Aoki and Yasuo Minamihitsu, "Physics of Semiconductors", p. 46, 196).
9 years, see industry books).

【0036】このホール係数の測定においては、例え
ば、以下の測定条件が好適に使用可能である。
In measuring the Hall coefficient, for example, the following measurement conditions can be preferably used.

【0037】印加磁場: 5000ガウス 試料電流: 0.01〜1mA(この範囲では、電流の
値はキャリア濃度の測定結果にほとんど影響を与えな
い。) (結晶性)本発明の半導体ダイヤモンドの結晶性は、X
線回折の2結晶法(Double-crystal method )によって
評価することが可能である。より具体的には、本発明の
半導体ダイヤモンドにおいては、X線回折の2結晶法に
おけるロッキングカーブ(rocking curve )の半値幅
は、40秒以下(更には20秒以下、特に10秒以下)
であることが好ましい。
Applied magnetic field: 5000 gauss Sample current: 0.01 to 1 mA (In this range, the value of current has almost no effect on the carrier concentration measurement result.) (Crystallinity) Crystallinity of the semiconductor diamond of the present invention Is X
It can be evaluated by the double-crystal method of line diffraction. More specifically, in the semiconductor diamond of the present invention, the full width at half maximum of the rocking curve in the two-crystal method of X-ray diffraction is 40 seconds or less (further 20 seconds or less, particularly 10 seconds or less).
Is preferred.

【0038】ここに、「X線回折の2結晶法」とは、1
結晶法における試料である第2結晶C2 の前に、もう一
つの結晶C1 (モノクロメータおよびコリメータの働き
をする第1結晶)を置いて、X線回折の平行性および単
色性を向上させた方法をいう。本発明においては、
1 、C2 の反射によるX線ビームの進路のふれが逆方
向になるような配置(−配置)で、且つ、C1 による反
射の次数(m)およびC2による反射の次数(n)が等
しい配置(−平行配置)を用いる。この「−平行配置」
は、角度に対する分解能が極めて高い。一方、「ロッキ
ングカーブ」とは、結晶に単色X線をあて、ブラッグ条
件を満たす方位付近で結晶を回転したときの回折線の強
度分布曲線をいう。
Here, the “two-crystal method of X-ray diffraction” means 1
Another crystal C 1 (the first crystal that functions as a monochromator and a collimator) is placed in front of the second crystal C 2 which is a sample in the crystallization method to improve the parallelism and monochromaticity of X-ray diffraction. Say the method. In the present invention,
The arrangement is such that the deflection of the path of the X-ray beam due to the reflection of C 1 and C 2 is in the opposite direction (− arrangement), and the order of reflection by C 1 (m) and the order of reflection by C 2 (n). Are used (−parallel arrangement). This "-parallel arrangement"
Has extremely high resolution with respect to angle. On the other hand, the "rocking curve" refers to the intensity distribution curve of the diffraction line when a monochromatic X-ray is applied to the crystal and the crystal is rotated in the vicinity of the orientation that satisfies the Bragg condition.

【0039】上記した2結晶法によって測定されるロッ
キングカーブの半値幅(ΔWD )は、近似的に次式で与
えられる。
The half-value width ([Delta] W D) of the rocking curve measured by the double crystal method described above is approximately given by the following equation.

【0040】(−配置の場合)(ΔWD 2 =(Δ
1 2 +(ΔW2 2 +δ2 ここに、ΔW1 とΔW2 は、それぞれ第1および第2結
晶のDarwin plateuxの幅であり、 δ=(Δλ/λ)(tan θB1−tan θB2) である。上式において、θB1とθB2とは、それぞれの結
晶におけるブラッグ角であり、λはX線の波長であり、
Δλは特性X線の半値幅(例えば、CuKα1 線につい
ては5.8×10-4オングストローム)である。なお、
上記した「X線回折の2結晶法」の詳細については、文
献(西林他、第53回秋季応物予稿集、408頁、19
92年;「ダイヤモンド単結晶の2結晶法による評
価」)を参照することができる。
[0040] (- case of the arrangement) (ΔW D) 2 = ( Δ
W 1 ) 2 + (ΔW 2 ) 2 + δ 2 where ΔW 1 and ΔW 2 are the Darwin plateux widths of the first and second crystals, respectively, and δ = (Δλ / λ) (tan θ B1 −tan θ B2 ). In the above equation, θ B1 and θ B2 are Bragg angles in the respective crystals, λ is the wavelength of X-rays,
Δλ is the full width at half maximum of the characteristic X-ray (for example, 5.8 × 10 −4 angstrom for CuKα 1 ray). In addition,
For details of the above-mentioned “two-crystal method of X-ray diffraction”, see the literature (Nishibayashi et al., 53rd Autumn Meeting, 408, 19).
1992; "Evaluation of single crystal diamond by two-crystal method").

【0041】上記ロッキングカーブの測定においては、
例えば、以下の測定条件が好適に使用可能である。
In measuring the rocking curve,
For example, the following measurement conditions can be preferably used.

【0042】X線管、35kV、10mA ダイヤモンド(004)平行配置 以下、実施例に基づき、本発明を更に具体的に説明す
る。
X-Ray Tube, 35 kV, 10 mA Diamond (004) Parallel Arrangement The present invention will be described in more detail based on the following examples.

【0043】[0043]

【実施例】実施例1 高圧高温合成法により合成した人工の単結晶ダイヤモン
ド基板(Ib型)の(100)面上、およびSi基板上
に、それぞれ、マイクロ波プラズマCVD法によってノ
ンドープ・ダイヤモンド層を形成し、該ノンドープ層の
上に、更に窒素ドープ・ダイヤモンド層を形成した試料
を用意した。それぞれの膜は、典型的には次の条件で成
膜した。
Example 1 A non-doped diamond layer was formed on a (100) plane of an artificial single crystal diamond substrate (Ib type) synthesized by a high-pressure high-temperature synthesis method and on a Si substrate by a microwave plasma CVD method, respectively. A sample was prepared in which a nitrogen-doped diamond layer was further formed on the non-doped layer. Each film was typically formed under the following conditions.

【0044】(ノンドープ層) H2 流量: 100SCCM CH4 流量:0.5〜6SCCM 圧力: 40Torr パワー: 300W 基板温度:約800℃ 膜厚: 約2μm (窒素ドープ層) H2 流量: 100SCCM CH4 流量:0.5〜6SCCM NH3 流量:5SCCM 圧力: 40Torr パワー: 300W 基板温度: 約800℃ 膜厚: 約1μm 一方、比較のための試料として、窒素ドープ膜を形成し
ないノンドープ・ダイヤモンド層(膜厚:2μm)のみ
の試料も形成した。このようにして形成した比較用試料
の膜の伝導性は、抵抗率が極めて大きかったため特定で
きなかった。該抵抗率は、1010Ω・cm以上であっ
た。
(Non-doped layer) H 2 flow rate: 100 SCCM CH 4 flow rate: 0.5 to 6 SCCM pressure: 40 Torr power: 300 W Substrate temperature: about 800 ° C. Film thickness: about 2 μm (nitrogen-doped layer) H 2 flow rate: 100 SCCM CH 4 Flow rate: 0.5 to 6 SCCM NH 3 Flow rate: 5 SCCM Pressure: 40 Torr Power: 300 W Substrate temperature: about 800 ° C. Film thickness: about 1 μm On the other hand, as a sample for comparison, a non-doped diamond layer (film that does not form a nitrogen-doped film) A sample having only a thickness of 2 μm was also formed. The conductivity of the film of the comparative sample thus formed could not be specified because the resistivity was extremely high. The resistivity was 10 10 Ω · cm or more.

【0045】上記のようにして形成した窒素ドープ試料
の膜(窒素ドープ層)のホール効果を測定したところ、
その伝導型はn型であることが判明した。該窒素ドープ
層に含有される窒素原子の量をSIMSにより測定し、
且つ、その抵抗率を4端子法により測定した。測定結果
をまとめて下記表1(ダイヤモンド基板上に成膜した場
合)に示す。
When the Hall effect of the film (nitrogen-doped layer) of the nitrogen-doped sample formed as described above was measured,
The conductivity type was found to be n-type. The amount of nitrogen atoms contained in the nitrogen-doped layer is measured by SIMS,
And the resistivity was measured by the 4-terminal method. The measurement results are summarized in Table 1 below (when a film is formed on the diamond substrate).

【0046】[0046]

【表1】 [Table 1]

【0047】表1に示したように、膜中の窒素原子濃度
が1×1019cm-3以上において、低抵抗のn型半導体
ダイヤモンドが形成できた。
As shown in Table 1, when the nitrogen atom concentration in the film was 1 × 10 19 cm -3 or more, a low resistance n-type semiconductor diamond could be formed.

【0048】更に、上記窒素ドープ膜のキャリア濃度の
温度依存性を調べたところ、図1(ダイヤモンド基板上
に成膜した場合)に示すような結果が得られた。図1に
示したように、窒素原子濃度(N)が一定値以上の場合
には、キャリア濃度は、ほとんど温度の影響を受けない
ことが判明した。また、上記測定の結果から、キャリア
濃度が1×1016cm-3以上であれば、1×105 Ω・
cm以下の抵抗率が得られることも判明した。
Furthermore, when the temperature dependence of the carrier concentration of the nitrogen-doped film was examined, the results shown in FIG. 1 (when formed on a diamond substrate) were obtained. As shown in FIG. 1, it was found that when the nitrogen atom concentration (N) is a certain value or more, the carrier concentration is hardly affected by temperature. From the results of the above measurement, if the carrier concentration is 1 × 10 16 cm −3 or more, 1 × 10 5 Ω ·
It was also found that a resistivity of cm or less can be obtained.

【0049】窒素ドープ膜の成膜条件を変えた以外は、
上記と同様にして窒素ドープ膜を形成した。得られた結
果を、下記表2(ダイヤモンド基板上に成膜した場合)
に示す。
Other than changing the film forming conditions for the nitrogen-doped film,
A nitrogen-doped film was formed in the same manner as above. The obtained results are shown in Table 2 below (when a film is formed on a diamond substrate).
Shown in.

【0050】[0050]

【表2】 [Table 2]

【0051】Si基板上に窒素ドープ膜を形成した場合
にも、表1、表2、および図1に示した結果(単結晶ダ
イヤモンド基板上に成膜した場合)と同様の傾向が見ら
れた。Si基板上に窒素ドープ膜を形成した場合に比べ
て、単結晶ダイヤモンド基板上に窒素ドープ膜を成膜し
た場合の方が、より抵抗率が低く、良好な窒素ドープ膜
が得られた。
When the nitrogen-doped film was formed on the Si substrate, the same tendency as the results shown in Tables 1 and 2 and FIG. 1 (when the film was formed on the single crystal diamond substrate) was observed. . As compared with the case where the nitrogen-doped film was formed on the Si substrate, the case where the nitrogen-doped film was formed on the single crystal diamond substrate had a lower resistivity and a good nitrogen-doped film was obtained.

【0052】実施例2 人工の単結晶ダイヤモンド基板(Ib型)の(100)
面上、およびSi基板上に、それぞれ、マイクロ波プラ
ズマCVD法によってノンドープ・ダイヤモンド層を形
成し、該ノンドープ層上に窒素とボロンを同時にドープ
したダイヤモンド層を形成した試料を用意した。それぞ
れの膜は、典型的には次の条件で成膜を行った。
Example 2 (100) of artificial single crystal diamond substrate (Ib type)
A sample was prepared in which a non-doped diamond layer was formed on each of the surface and the Si substrate by a microwave plasma CVD method, and a diamond layer simultaneously doped with nitrogen and boron was formed on the non-doped layer. Each film was typically formed under the following conditions.

【0053】(ノンドープ層) H2 流量: 100SCCM CH4 流量:0.5〜6SCCM 圧力: 40Torr パワー: 300W 基板温度: 約850℃ 膜厚: 約2μm (窒素およびボロンドープ層) H2 流量: 100SCCM CH4 流量:0.5〜6SCCM B2 6 (水素希釈100ppm)流量:1SCCM NH3 流量:0.5SCCM 圧力: 40Torr パワー: 300W 基板温度: 約850℃ 膜厚: 約1μm 一方比較のための試料として、窒素およびボロンドープ
膜を形成しないノンドープ・ダイヤモンド層(膜厚:2
μm)のみの試料も形成した。このようにして形成した
比較用試料の膜の抵抗率は、実施例1と同様に1010Ω
・cm以上であった。
(Non-doped layer) H 2 flow rate: 100 SCCM CH 4 flow rate: 0.5 to 6 SCCM pressure: 40 Torr power: 300 W Substrate temperature: about 850 ° C. Film thickness: about 2 μm (nitrogen and boron doped layer) H 2 flow rate: 100 SCCM CH 4 Flow rate: 0.5 to 6 SCCM B 2 H 6 (hydrogen dilution 100 ppm) Flow rate: 1 SCCM NH 3 Flow rate: 0.5 SCCM Pressure: 40 Torr Power: 300 W Substrate temperature: about 850 ° C. Film thickness: about 1 μm On the other hand, a sample for comparison As a non-doped diamond layer (film thickness: 2
A sample of only μm) was also formed. The resistivity of the film of the comparative sample thus formed is 10 10 Ω as in Example 1.
・ It was more than cm.

【0054】上記のようにして形成した窒素およびボロ
ンドープ試料の膜(窒素・ボロンドープ層)のホール効
果を測定したところ、その伝導型はn型であることが判
明した。該窒素・ボロンドープ層に含有される窒素原子
およびボロン原子の量をSIMSにより測定し、且つ、
その抵抗率を4端子法により測定した。測定結果(膜の
窒素原子の量、ボロン原子の量、および抵抗率)をまと
めて下記表3(ダイヤモンド基板上に成膜した場合)に
示す。
When the Hall effect of the film (nitrogen / boron doped layer) of the nitrogen and boron doped sample formed as described above was measured, it was found that its conduction type was n type. The amounts of nitrogen atoms and boron atoms contained in the nitrogen / boron doped layer are measured by SIMS, and
The resistivity was measured by the 4-terminal method. The measurement results (the amount of nitrogen atoms in the film, the amount of boron atoms, and the resistivity) are collectively shown in Table 3 below (when the film is formed on the diamond substrate).

【0055】[0055]

【表3】 [Table 3]

【0056】表3に示したように、窒素原子の濃度(C
N)と、ボロン原子の濃度(CB)とが100CB≧C
N>CBを満たす範囲において、低抵抗のn型半導体ダ
イヤモンドが形成できた。
As shown in Table 3, the concentration of nitrogen atoms (C
N) and the boron atom concentration (CB) are 100 CB ≧ C
In the range satisfying N> CB, low resistance n-type semiconductor diamond could be formed.

【0057】更に、上記窒素・ボロンドープ膜のキャリ
ア濃度の温度依存性を調べたところ、図2(ダイヤモン
ド基板上に成膜した場合)に示すような結果が得られ
た。図21に示したように、活性化エネルギーは、ボロ
ンを含有していない膜と比較して、非常に小さくなって
おり、室温でも低抵抗を実現していることが判明した。
Further, when the temperature dependence of the carrier concentration of the nitrogen / boron doped film was examined, the results shown in FIG. 2 (when formed on a diamond substrate) were obtained. As shown in FIG. 21, the activation energy was much smaller than that of the film containing no boron, and it was found that low resistance was achieved even at room temperature.

【0058】窒素・ボロンドープ膜の成膜条件を変えた
以外は、上記と同様にして窒素・ボロンドープ膜を形成
した。得られた結果を、下記表4(ダイヤモンド基板上
に成膜した場合)に示す。
A nitrogen / boron-doped film was formed in the same manner as above except that the conditions for forming the nitrogen / boron-doped film were changed. The obtained results are shown in Table 4 below (when a film is formed on the diamond substrate).

【0059】[0059]

【表4】 [Table 4]

【0060】Si基板上に窒素・ボロンドープ膜を形成
した場合にも、表3、表4、および図2に示した結果
(単結晶ダイヤモンド基板上に成膜した場合)と同様の
結果が得られた。Si基板上に窒素・ボロンドープ膜を
形成した場合に比べて、単結晶ダイヤモンド基板上に窒
素・ボロンドープ膜を成膜した場合の方が、より抵抗率
が低かった。
When the nitrogen / boron doped film is formed on the Si substrate, the same results as those shown in Tables 3 and 4 and FIG. 2 (when formed on the single crystal diamond substrate) are obtained. It was The resistivity was lower when the nitrogen / boron-doped film was formed on the single crystal diamond substrate than when the nitrogen / boron-doped film was formed on the Si substrate.

【0061】実施例3 基板として、天然のIIaおよびIaのダイヤモンドの
(100)面を用いた以外は、実施例1および2と同様
にして、窒素ドープ膜および窒素・ボロンドープ膜をそ
れぞれ形成したところ、実施例1ないし2とほぼ同様な
結果が得られた。
Example 3 A nitrogen-doped film and a nitrogen-boron-doped film were formed in the same manner as in Examples 1 and 2 except that the (100) plane of natural IIa and Ia diamond was used as the substrate. Results similar to those of Examples 1 and 2 were obtained.

【0062】[0062]

【発明の効果】上述したように本発明によれば、ダイヤ
モンド中に窒素原子が1×1019cm-3以上ドーピング
された半導体ダイヤモンドが得られる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain semiconductor diamond in which diamond is doped with nitrogen atoms at 1 × 10 19 cm −3 or more.

【0063】本発明の半導体ダイヤモンドにおいては、
室温〜600℃の温度範囲でキャリア濃度にほとんど温
度依存性がなく、しかもダイヤモンド中のキャリアの密
度を制御して形成することが可能である。本発明により
得られる室温でも低抵抗のn型半導体ダイヤモンドは、
様々なデバイスに応用することができ、例えば、室温か
ら高温までの温度範囲で、あるいは放射線照射下、およ
び/又は高出力での動作で安定したダイオード特性、ト
ランジスタ特性等を示す半導体デバイスに応用すること
が可能である。
In the semiconductor diamond of the present invention,
In the temperature range of room temperature to 600 ° C., the carrier concentration has almost no temperature dependence, and it is possible to form the carrier by controlling the carrier density in diamond. The n-type semiconductor diamond having low resistance even at room temperature obtained by the present invention is
It can be applied to various devices, for example, to a semiconductor device that exhibits stable diode characteristics, transistor characteristics, etc. in the temperature range from room temperature to high temperature or under irradiation of radiation and / or operation at high output. It is possible.

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

【図1】実施例1で得られた窒素ドープ・ダイヤモンド
膜におけるキャリア濃度の温度依存性を示すグラフであ
る。
FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of carrier concentration in a nitrogen-doped diamond film obtained in Example 1.

【図2】実施例2で得られた窒素−ボロンドープダイヤ
モンド膜におけるキャリア濃度の温度依存性を示すグラ
フである。
2 is a graph showing the temperature dependence of carrier concentration in the nitrogen-boron-doped diamond film obtained in Example 2. FIG.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド中に窒素原子が1×1019
cm-3以上ドーピングされた半導体ダイヤモンド。
1. Nitrogen atoms in the diamond are 1 × 10 19
Semiconductor diamond doped with cm -3 or more.
【請求項2】 ダイヤモンド中に窒素原子およびボロン
原子がドーピングされており、且つ、窒素原子の濃度
(CN)と、ボロン原子の濃度(CB)とが100CB
≧CN>CBの範囲にあることを特徴とするn型半導体
ダイヤモンド。
2. A diamond is doped with nitrogen atoms and boron atoms, and a nitrogen atom concentration (CN) and a boron atom concentration (CB) are 100 CB.
An n-type semiconductor diamond having a range of ≧ CN> CB.
【請求項3】 気相合成法でダイヤモンドを形成する方
法において、窒素原子を含むガスを添加した反応ガスを
用いて、ダイヤモンド中に窒素原子を1×1019cm-3
以上ドーピングすることを特徴とする半導体ダイヤモン
ドの形成方法。
3. A method of forming a diamond by a vapor phase synthesis method, wherein a reaction gas to which a gas containing a nitrogen atom is added is used to add 1 × 10 19 cm −3 nitrogen atom in the diamond.
A method for forming a semiconductor diamond, which comprises the above doping.
【請求項4】 気相合成法でダイヤモンドを形成する方
法において、窒素原子を含むガスと、ボロン原子を含む
ガスとを添加した反応ガスを用いて、ダイヤモンド中に
窒素原子およびボロン原子を100CB≧CN>CBの
範囲(CN:窒素原子の含有濃度、CB:ボロン原子の
含有濃度)でドーピングすることを特徴とするn型半導
体ダイヤモンドの形成方法。
4. A method for forming diamond by a vapor phase synthesis method, wherein a reaction gas obtained by adding a gas containing a nitrogen atom and a gas containing a boron atom is used to add 100 CB ≧ nitrogen atoms and boron atoms in the diamond. A method for forming an n-type semiconductor diamond, which comprises doping in a range of CN> CB (CN: nitrogen atom content concentration, CB: boron atom content concentration).
【請求項5】 ダイヤモンド中に窒素原子が1×1019
cm-3以上ドーピングされており、且つ、キャリア濃度
が1×1016cm-3以上であることを特徴とする半導体
ダイヤモンド。
5. Nitrogen atoms in the diamond are 1 × 10 19
A semiconductor diamond, which is doped with cm −3 or more and has a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more.
【請求項6】 ダイヤモンド中に窒素原子とボロン原子
とがドーピングされており、窒素原子の濃度(CN)と
ボロン原子の濃度(CB)とが100CB≧CN>CB
の範囲にあり、且つ、キャリア濃度が1×1016cm-3
以上であることを特徴とするn型半導体ダイヤモンド。
6. The diamond is doped with nitrogen atoms and boron atoms, and the nitrogen atom concentration (CN) and the boron atom concentration (CB) are 100 CB ≧ CN> CB.
And the carrier concentration is 1 × 10 16 cm −3
The above is an n-type semiconductor diamond characterized by the above.
【請求項7】 ダイヤモンド中に窒素原子が1×1019
cm-3以上ドーピングされており、且つ、X線回折の2
結晶法におけるロッキングカーブの半値幅が40秒以下
であることを特徴とする半導体ダイヤモンド。
7. Nitrogen atoms in the diamond are 1 × 10 19
cm −3 or more, and X-ray diffraction of 2
A semiconductor diamond having a rocking curve full width at half maximum of 40 seconds or less in the crystallization method.
【請求項8】 ダイヤモンド中に窒素原子およびボロン
原子がドーピングされており、窒素原子の濃度(CN)
とボロン原子の濃度(CB)とが100CB≧CN>C
Bの範囲にあり、且つ、X線回折の2結晶法でのロッキ
ングカーブの半値幅が40秒以下であることを特徴とす
るn型半導体ダイヤモンド。
8. The concentration of nitrogen atoms (CN), wherein the diamond is doped with nitrogen atoms and boron atoms.
And the boron atom concentration (CB) are 100CB ≧ CN> C
An n-type semiconductor diamond in the range of B and having a full width at half maximum of a rocking curve in the two-crystal method of X-ray diffraction of 40 seconds or less.
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