JPS63252998A - ヘテロ接合構造 - Google Patents

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】 く技術分野〉 本発明は耐環境耐熱電子素子材料として用いた場合に優
れた特性を示すダイヤモンド単結晶のヘテロ接合購造に
関するものである。

〈従来技術〉 ダイヤモンド単結晶は物理的及び化学的に極めて安定な
物質であり、半導体材料として大きいバンドギャップ（
５＋　５ｅＶ）、大きいキャリア移動度（電子１８００
ｃｊ／Ｖ−ｓ、正孔１６００ｃｄ／Ｖ−ｓ）、そして大
きい熱伝導率（２０Ｗ／ｃＮ−Ｋ）を持ちかつ不純物の
添加によりｎ型及びｎ型の両溝電型結晶を得ることが可
能なことから、極めて優れた耐環境耐熱電子素子の材料
として有望視されている。しかしながら、その極めて安
定な性質のために、電子素子製作に適した大面積高品質
の単結晶膜を工業的に量産可能な方法で作製する製造技
術は従来見い出されていなかった。

最近の薄膜成長技術の進展により、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法等を利用すれば減圧下で１０００℃程度もしく
はそれ以下の低温で天然ダイヤモンド単結晶基板上にダ
イヤモンド単結晶膜がエピタキシャル成長することが確
かめられた。天然ダイヤモンド単結晶以外の基板として
シリコン単結晶、石英ガラヌ、炭化珪素多結晶各種金属
板が用いられて同様の成長が行なわれているか、硬質の
炭素膜（ダイヤモンド状摸と呼ばれる非晶質や多結晶膜
）や多結晶ダイヤモンド膜しか得ることができない。天
然ダイヤモンド単結晶や人工ダイヤモンド単結晶は大型
の結晶を安価に入手することが不可能であフ、これらを
電子素子製作に用いたクエピタキンヤル咬長用の基板と
して使用すると著しいコスト高を招く結晶となる。

〈発明の背景〉 上記従来の方法でダイヤモンド単結晶を基板として用い
るとその上にダイヤモンド単結晶膜がエピタキシャル成
長することより、適当な条件？備えた他の基板を用いた
場合でもダイヤモンド単結晶がヘテロエピタキシャル成
長し得ると期待される。上記マイクロ波プラズマＣＶＤ
法などのダイヤモンド薄膜作製に適した方法は次の特徴
をもっている。

（１）原料ガヌをマイクロ波、放電、紫外光、電子線等
で励起してプラズマ等のエネルギーの亮い炭素源を用い
る。

（２）エネルギーの高い状態を維持するため減圧雰囲気
とする。

（３）黒鉛や遊離炭素等の不要の炭素を除去するため水
素ガス又は水素イオンを雰囲気に導入する。

（４）　　不要の不純物の混入はダイヤモンド結合の形
成を妨げ、黒鉛や炭素膜の形成を助長する。

（５）さらに基板は通常数１００℃から１０００’Ｃに
加熱される。

以上の点を考慮してヘテロエピタキシャル成長のための
単結晶基板としては次の点が要求される。

（１）プラズマ等の高いエネルギー粒子の衝撃及び高エ
ネルギー状態の炭素や水素の原子１分子。

イオンの反応に対して数１００℃以上の温度と減圧下に
おいても構造変化を起こさない物理的並びに化学的な安
定性を持つ。

（２）　　ダイヤモンド結合の形成を妨げる様な異種原
子を持たない。

（３）ダイヤモンド単結晶と同じ１京子結合構造（四面
体結合）を持つ。

〈発明の目的〉 本発明は上述の問題点に言み、炭化珪素（ＳｉＣ）単結
晶を基板として用いることによりダイヤモンド単結晶を
得る技術を確立するとともに極めて安定性に優ｎた半導
体ヘテロ接合であるダイヤモンド単結晶と岸化珪素単結
晶とからなるヘテロ接合構造を提供することを目的とす
る。

〈発明の概要〉 炭化珪素単結晶はダイヤモンド単結晶と同じ四面体原子
結合を持つ。また、ダイヤモンド単結晶に次ぐほどに物
理的及び化学的に大変安定な物質であり、数１００℃以
上の減圧下の雰囲気において上記高エネルギー粒子の衝
撃や高エネルギー原子、分子、イオンの反応に対して構
造変化を起こすことはない。また炭化珪素単結晶のｔ＃
ｆｔ成元素は珪素（Ｓｉ）及びダイヤモンドと同じ炭素
（Ｃ）とからなる。珪素は炭素と同じ第■族に属する元
素であり、珪素単結晶がダイヤモンドと全く同じ結晶構
造（ダイヤモンド構造）であることかられかる様に珪素
原子はダイヤモンドと同じ四面体結合をする。このため
珪素原子が不純物とじてエピタキシャル成長膜中に導入
されても炭素原子位置が珪素原子に置換されるだけで、
ダイヤモンド結合の形成を妨げることは全くない。以上
の如く炭化珪素単結晶は上記ダイヤモンド単結晶のヘテ
ロエビグキシャル成長用の基板の条件を全て満たすもの
である。

従来、炭化珪素単結晶は大形で高品質のものを量産でき
る技術は開発されていなかった。しかし、近年になって
特願昭５８−７６８４２号で示されるような二部連続Ｃ
ＶＤ法あるいは一般的な炭化ＣＶＤ法で珪素単結晶基板
上に大面積（２インチ直径）で高品質の炭化珪素単結晶
膜を得ることができる様になった。これらの方法は工業
的量産性に富み非常に優れた技術であり、珪素基板を下
に付けたままあるいは珪素基板を酸で除去して単独の炭
化珪素単結晶基板として上記ダイヤモンド単結晶とヘテ
ロ接合を形成する他方の半導不層として用いることがで
きる。

〈実施例〉 第１図は本発明の１実施例を示すヘテロ接合構造の模式
断面図である。ダイヤモンド単結晶成長用の炭化珪素単
結晶基板はシラン（Ｓ　ｉ　Ｈ４）とプロパン（Ｃ３Ｈ
８）を原料ガスとした二部連続ＣＶＤ法で珪素単結晶基
板上に成長させた後、珪素基板をフッ酸と硝酸の混酸で
溶解除去した灰化珪素単結晶１６を用いた。厚さは約２
０μｍで大きさはｌ　ｃｍ　Ｘ　ｌαである。一方、ダ
イヤモンド単結晶１７のヘテロエピタキシャル成長には
メクンガｙ、　（ＣＨ４）を原料ガスとしたマイクロ波
プラズマ（ＶＤ法を用いた。成長装置の概略図を汚２図
に示す。マグネトロン１により２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を発生し、整合器２、導波管３、プランジャ整合器
４を介して石英製反応室７の中央部にプラズマを発生す
る。枝管５及び６を直して冷却水が導入・排出され、反
応室壁の冷却が行なわれる。石英製支持管１１上に設置
された石英製支持台１２上に炭化珪素単結晶基板１３を
設置４する。基板１３の加熱は基板加熱用光源１４から
の光が石英窓１５全通して基板１３へ照射されることに
より行なわれる。基板１３の温度はパイロメーターで直
読する。

反応室７にはガス導入用枝管８が設置され、ステンレス
製の反応室支持台９にはガス排気用の枝管１０が設置さ
れている。

上記構造の装置を用いて以下の順でダイヤモンド単結晶
の成長を行なう。炭化珪素単結晶基板１３を設置し、反
応室７内を枝管１０全通して排気した後、枝管８より水
素ガス（Ｈ２）を導入し反応室内圧力を約１０　Ｔｏｒ
ｒ　（１，３ＫＰａ）とし、マグネトロン１より約２０
０Ｗのマイクロ波を発生させて反応室７内の中央部にプ
ラズマを発生させる。

光源１４より光を照射して基板温度を約８００℃とする
。次いで水素ガスに対して０．５　ｖｏ！！９１ｐ　（
体積％）のメタンガス（ＣＨ４）を水素ガスに混合して
枝管８より導入しダイヤモンド単結晶の成長を行なう。

成長中の反応室内圧力は約１０　Ｔｏｒｒ　（１，３Ｋ
Ｐａ）に保持する。１時間の成長で約１μｍの厚さの膜
が成長し、成長速度は毎分約１５　ｎｍであった。

成長膜を電子線回折及びＸ線回折で構造を解析した結果
、炭化珪素単結晶基板（使用した基板面方位は（１１１
）而）にエピタキシャル成長したダイヤモンド単結晶膜
であり、ヘテロ接合構造が形成されていることがわかっ
た。

本実施例におｒて炭化珪素単結晶基板は単独膜として用
いたが、その下に珪素や他の基板が付いたままでも良い
。また成長法としてマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用い
たが、ダイヤモンド単結晶基板上へのホモエピタキシャ
ル成長や他の基板上へのダイヤモンド状膜（非晶質、多
結晶）の成長に用いられている他の成長法を用いても良
い。また電気伝導度の制御等のために微量の不純物をエ
ピタキシャル成長途中で反応室７中に導入しても良く、
基板となる炭化珪素単結晶中に電気伝導度の制御等のた
めに微量の不純物を含んでいても良い。

本実施例で製作した炭化珪素単結晶上のダイヤモンド単
結晶からなるペテロ接合ＲＩｔ造は室温でいかなる酸や
アルカリにも侵されることがなく、また１０００℃以上
の高温でも極めて安定な性質をもつ構造であることがわ
かった。炭化珪素単結晶基板およびダイヤモンド単結晶
のそれぞれに導電型又は電気伝導度を制何するために各
種の不純物を添加することにより、高温でも極めて安定
な電気的特性をもつ半導体ヘテロ接合が得られ、各種の
半導体ヘテロ接合素子への応用が可能である。

〈発明の効果〉 本発明によれば極めて優れた物理的及び化学的安定性を
もつダイオード単結晶を、工業的量産性にすぐれた方法
で大面積高品質膜として製作することが初めて可能とな
る。本発明によるダイヤモンド単結晶を用いて極めてす
ぐれた耐環境耐熱性をもつ各種半導体素子やＩＣ（集積
回路）の製作が可能となり半導体素子の応用範囲が飛躍
的に拡大される。また、炭化珪素半導体とダイヤモンド
半導体からなる半導体ヘテロ接合は極めて優れた耐環境
耐熱性をもつヘテロ接合として各種の電子素子等に応用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示すヘテロ接合構造の模式
図である。第２図は本発明の１実施例を説明するだめの
成長装置の構成図である。 １、マグネトロン、２．整合器、３．導波管。 ４、プランジャー整合器、５．冷却水入口、６、冷却水
出口、７０石英反応室、８．ガス導入管、９６反応室支
持台、１０．排気口。 １１、石英支持管、１２０石英支持台、１３．戻化珪素
基板、１４．光源、１５０石英石英窓１炭化珪素単結晶
、１７．ダイヤモンド単結晶代理人　弁理士　　杉　山
　毅　至（他１名）第１図 第２区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化珪素単結晶にダイヤモンド単結晶が接合されて
   成ることを特徴とするヘテロ接合構造。 ２、炭化珪素単結晶の厚さが０．５μｍ以上である特許
   請求の範囲第１項記載のヘテロ接合構造。