JPH10247624A - n型単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、人工ダイヤモンドの製造方法 - Google Patents

n型単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、人工ダイヤモンドの製造方法

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JPH10247624A
JPH10247624A JP5010697A JP5010697A JPH10247624A JP H10247624 A JPH10247624 A JP H10247624A JP 5010697 A JP5010697 A JP 5010697A JP 5010697 A JP5010697 A JP 5010697A JP H10247624 A JPH10247624 A JP H10247624A
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JP
Japan
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type dopant
type
diamond
single crystal
crystal diamond
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Withdrawn
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JP5010697A
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Tetsuya Yamamoto
哲也 山本
Hiroshi Yoshida
博 吉田
Takeshi Nishimatsu
毅 西松
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低抵抗のn型単結晶ダイヤモンドを得る。 【解決手段】真空チャンバ1内に基板2を設置し、この
基板2にCの原子状ガスを供給するとともに、この基板
2に向けて、p型ドーパントであるBとn型ドーパント
であるNを同時に流しながら、300℃〜650℃でn
型単結晶ダイヤモンド薄膜6を結晶成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、n型単結晶ダイヤ
モンドおよびその製造方法に関し、特に、ドナー濃度が
1×1018(cm-3)以上である低抵抗n型単結晶ダイ
ヤモンド、および透明な人工ダイヤモンドが得られる方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、p型単結晶ダイヤモンドは、
p型ドーパントであるB(ホウ素)のドーピングによ
り、低抵抗のものを容易に作製することができるが、n
型単結晶ダイヤモンドの場合には、n型ドーパントであ
るN(窒素)やP(燐)を用いたドーピングによると、
高抵抗のものはできるが低抵抗のものは作製することが
できなかった。
【0003】また、宝石用の人工ダイヤモンドは、ニッ
ケル触媒を用いて高圧下で行われるが、空気中からの窒
素混入により、バンドギャップ内1.7eVの位置に深
い不純物準位が形成されるため、緑がかった色に着色さ
れていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来技術の問題点に着目してなされたものであり、低抵抗
のn型単結晶ダイヤモンド、および宝石用として好適な
透明度の高い人工ダイヤモンドを得ることを課題とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1に係る発明は、n型ドーパントとp型ドー
パントを含有しているn型単結晶ダイヤモンドを提供す
る。
【0006】請求項2に係る発明は、カーボンに水素を
添加、または水素化炭素ガスを分解し半導体基板上で急
冷成長、または水素原子によるグラファイトのスパッタ
リングにより、単結晶ダイヤモンド薄膜を成長させる際
に、n型ドーパントとp型ドーパントを同時にドーピン
グすることにより作製された1×1018(cm-3)以上
のドナー濃度を持つn型低抵抗単結晶ダイヤモンド薄膜
を提供する。
【0007】請求項3に係る発明は、請求項1記載のn
型単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモン
ドの単結晶を形成する際に、n型ドーパントおよびp型
ドーパントを、n型ドーパント濃度がp型ドーパント濃
度より大きくなるようにドーピングすることを特徴とす
る方法を提供する。
【0008】この方法によれば、n型ドーパントとp型
ドーパントの間で静電エネルギーや格子エネルギーが低
下するため、n型ドーパントを高濃度で安定的にドープ
することができる。例えば、ドナー濃度が1×10
18(cm-3)以上であるn型単結晶ダイヤモンドが得ら
れる。
【0009】また、ダイヤモンド結晶中にn型ドーパン
トとp型ドーパントの対が形成するため、n型キャリア
ーのドーパントによる電子散乱を低下させることができ
る。これにより、移動度を大きく増大させることができ
るため、低抵抗のn型単結晶ダイヤモンドが得られる。
【0010】また、得られるn型単結晶ダイヤモンドに
負の電子親和力系が実現される。請求項4に係る発明
は、請求項3記載のn型単結晶ダイヤモンドの製造方法
において、アモルファスカーボン、アモルファスシリコ
ンカーバイド、シリコン、シリコンカーバイド、III 族
元素とV族元素との化合物、またはII族元素とVI族元素
との化合物からなる半導体基板を用い、当該半導体基板
上にn型単結晶ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴
とする方法を提供する。
【0011】n型単結晶ダイヤモンド薄膜を形成する方
法としては、p型ドーパントとn型ドーパントを同時に
供給しながら、カーボンに水素を添加するか炭化水素ガ
スを分解して半導体基板上にC(炭素)ガスを供給する
方法、またはp型ドーパントとn型ドーパントを同時に
供給しながら、水素原子を用いてグラファイトをスパッ
タリングする方法等が挙げられる。
【0012】また、III 族元素とV族元素との化合物
(III-V 族化合物半導体)としてはGaAs等が、II族
元素とVI族元素との化合物(II-VI 族化合物半導体)と
してはZnSe等が挙げられる。
【0013】請求項5に係る発明は、請求項4記載のn
型単結晶ダイヤモンドの製造方法において、n型ドーパ
ントとして、N、P、またはAsをラジオ波、レーザ
ー、X線、電子線などを用いて電子励起することにより
原子状にしたものを用い、p型ドーパントとして、B、
Al、Ga,またはInをラジオ波、レーザー、X線、
電子線などを用いて電子励起することにより原子状にし
たものを用いることを特徴とする方法を提供する。
【0014】請求項6に係る発明は、請求項4または5
に記載のn型単結晶ダイヤモンドの製造方法において、
請求項4または5に記載の方法で半導体基板上にn型単
結晶ダイヤモンド薄膜を形成した後、冷却し、さらに高
温で電場をかけながら熱処理することを特徴とする方法
を提供する。
【0015】これにより、水素によるドナーを結晶外に
取り去る(水素の不働態化)ことができる。請求項7に
係る発明は、ニッケル触媒を用い高圧下でダイヤモンド
の単結晶を形成する人工ダイヤモンドの製造方法におい
て、p型ドーパントとn型ドーパントを、p型ドーパン
ト:n型ドーパント=1:2で添加して単結晶の形成を
行うことを特徴とする人工ダイヤモンドの製造方法を提
供する。
【0016】p型ドーパントとしては例えばB(ホウ
素)が、n型ドーパントとしては例えばN(窒素)が用
いられ、B:N=1:2で添加することにより、ダイヤ
モンドの単結晶内に「N−B−N」が形成される。これ
により、大きな陰性度で深い準位を形成していた窒素が
浅い準位に移動するため、透明度の高い人工ダイヤモン
ドが得られる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態とし
て、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により、基板
上にn型単結晶ダイヤモンド薄膜を形成する方法につい
て説明する。
【0018】すなわち、図1に示すように、真空度10
-10 torrに維持された真空チャンバ1内に基板2を
設置し、この基板2にCの原子状ガスを供給するととも
に、この基板2に向けて、p型ドーパントであるBを流
量10-9torrで、n型ドーパントであるNを流量5
×10-9torrで同時に流しながら、300℃〜65
0℃でn型単結晶ダイヤモンド薄膜6を結晶成長させ
る。
【0019】ここで、Cとしては、プロパン、メタン、
エタン、ブタン等の炭化水素ガスg 1 に、マイクロ波領
域の電磁波を照射することで原子状にしたものを用い
る。また、n型ドーパントであるNおよびp型ドーパン
トであるBとしては、分子ガスにマイクロ波領域の電磁
波を照射することで原子状にしたものや、単体セルを高
温で原子状にしたものを用いる。図1の符号3はそのた
めのRF(高周波)コイルを、符号4はヒータを、符号
5は単体セル(ホウ素源)を示す。
【0020】各結晶成長温度で得られたn型単結晶ダイ
ヤモンドのドナー濃度を測定し、その結果を、p型ドー
パントであるBのドーピングを同時には行わず、n型ド
ーパントであるNのみを単独ドーピングした場合との比
較で表1に示す。
【0021】
【表1】
【0022】表1から分かるように、結晶成長温度が高
いほどドナー濃度は高く、Nの単独ドーピングの結果と
比較すると、各結晶成長温度においてNおよびBの同時
ドーピングの方がドナー濃度が高くなっている。また、
NおよびBの同時ドーピングでは、350℃の低い結晶
成長温度で1×1018(cm-3)と高いドナー濃度のn
型単結晶ダイヤモンド薄膜が得られる。すなわち、低抵
抗のn型単結晶ダイヤモンドが得られる。
【0023】図2(a)に、ダイヤモンド結晶中のアク
セプターとドナーの構造配置を示すが、この図から分か
るように、ダイヤモンド結晶中に、NとともにBが入る
ことによりNの結晶学的な構造配置が安定化し、より高
濃度までNをドーピングできることが確認された。な
お、n型ドーパントとしてNの代わりにPを用いる場合
も、上記と同様のことが言える。
【0024】第1原理バンド構造計算法によって電荷分
布をシミュレーションするとBとNの同時ドーピングに
より、図2(b)に示すように、N−B−Nは浅いドナ
ー準位となって、ダイヤモンド結晶中に価電子の波動関
数が拡がり、その価電子の有効質量の減少により、低抵
抗のn型単結晶ダイヤモンドが作製されていることが明
白となった。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1のn型単
結晶ダイヤモンドおよび請求項2のn型低抵抗単結晶ダ
イヤモンド薄膜によれば、既に実現されている低抵抗の
p型ダイヤモンドと組み合わせることにより、高温で作
動し高速動作が可能で高出力の半導体デバイス、高密度
記録や大量情報の伝達用として好適な紫外線領域の半導
体レーザーダイオード等を作製することができる。
【0026】また、低抵抗のn型透明単結晶保護膜とし
て非常に硬度の高いものを得ることができる。さらに、
負の電子親和力系を実現できるため、このn型単結晶ダ
イヤモンドに円偏光したレーザーを照射することによ
り、高温、高速動作、高出力、および高効率のスピン編
極電子線源を作製することができる。
【0027】請求項3〜6の方法によれば、請求項1の
n型単結晶ダイヤモンドを容易に得ることができる。ま
た、請求項7の人工ダイヤモンドの製造方法によれば、
透明度の高い人工ダイヤモンドを容易に得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態において、MBE法により、
基板上にn型単結晶ダイヤモンド薄膜を形成させる場合
の真空チャンバ内を示す概略構成図である。
【図2】ダイヤモンド結晶中のp型ドーパントとn型ド
ーパントの配置を示す模式図であり、(a)は、アクセ
プター(p型ドーパント)とドナー(n型ドーパント)
の構造配置を、(b)は、第1原理バンド構造計算法に
よってシミュレーションされた電荷分布を、それぞれ示
す。
【符号の説明】
1 真空チャンバ 2 基板 3 RFコイル 4 ヒータ 5 単体セル(ホウ源) 6 n型単結晶ダイヤモンド薄膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型ドーパントとp型ドーパントを含有
    しているn型単結晶ダイヤモンド。
  2. 【請求項2】 カーボンに水素を添加、または水素化炭
    素ガスを分解し半導体基板上で急冷成長、または水素原
    子によるグラファイトのスパッタリングにより、単結晶
    ダイヤモンド薄膜を成長させる際に、n型ドーパントと
    p型ドーパントを同時にドーピングすることにより作製
    された1×1018(cm-3)以上のドナー濃度を持つn
    型低抵抗単結晶ダイヤモンド薄膜。
  3. 【請求項3】 ダイヤモンドの単結晶を形成する際に、
    n型ドーパントおよびp型ドーパントを、n型ドーパン
    ト濃度がp型ドーパント濃度より大きくなるようにドー
    ピングすることを特徴とする請求項1記載のn型単結晶
    ダイヤモンドの製造方法。
  4. 【請求項4】 アモルファスカーボン、アモルファスシ
    リコンカーバイド、シリコン、シリコンカーバイド、II
    I 族元素とV族元素との化合物、またはII族元素とVI族
    元素との化合物からなる半導体基板を用い、当該半導体
    基板上にn型単結晶ダイヤモンド薄膜を形成することを
    特徴とする請求項3記載のn型単結晶ダイヤモンドの製
    造方法。
  5. 【請求項5】 n型ドーパントとして、N、P、または
    Asをラジオ波、レーザー、X線、電子線などを用いて
    電子励起することにより原子状にしたものを用い、p型
    ドーパントとして、B、Al、Ga,またはInをラジ
    オ波、レーザー、X線、電子線などを用いて電子励起す
    ることにより原子状にしたものを用いることを特徴とす
    る請求項4記載のn型単結晶ダイヤモンドの製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項4または5に記載の方法で半導体
    基板上にn型単結晶ダイヤモンド薄膜を形成した後、冷
    却し、さらに高温で電場をかけながら熱処理することを
    特徴とする請求項4または5に記載のn型単結晶ダイヤ
    モンドの製造方法。
  7. 【請求項7】 ニッケル触媒を用い高圧下でダイヤモン
    ドの単結晶を形成する人工ダイヤモンドの製造方法にお
    いて、p型ドーパントとn型ドーパントを、p型ドーパ
    ント:n型ドーパント=1:2で添加して単結晶の形成
    を行うことを特徴とする人工ダイヤモンドの製造方法。
JP5010697A 1997-03-05 1997-03-05 n型単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、人工ダイヤモンドの製造方法 Withdrawn JPH10247624A (ja)

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