TW200421455A - Low-resistance n-type semiconductor diamond and its manufacturing method - Google Patents

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Description

200421455 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係料-種摻雜_與氮之低電阻n型半導體鑽石 及其製造方法。更詳細士之你關认百 ^ ^ ^係關於具有於鑽石單結晶中 之碳原子的晶格間㈣”子、於碳原子之取代位置換雜 氮原子’且㈣子與氮原子相鄰之構造，以及使用藉由直 空紫外光將原料進行光分解之氣相合成法製造本發明之低 電阻η型半導體鑽石之方法。 【先前技術】
近來，將鑽石利用於本壤触从土L 牛導m材枓，將其作為半導體裝置 進行應用之研究日益發展。 鑽石之帶隙為5.5 eV’非常大，於⑽吖以下之溫度不且 有無法控制半導體的載子傳導之本徵區…由於介電常 數小’為5 · 7，故而盤宗泰丄 、 又肉#穿私场大，為5xl〇6V · cm-i。再者， 載子之移動度高，電子盘兩、人、 于…私洞於罜溫下均為2〇〇〇 cm2/v · s 〇 此外具有負電子親和力士 、 力义稀有特性。以具有如此電氣特性 之鑽石形成的丰導轉举$ 、 迁裝置可I作製出能夠於高溫下進行高 頻率及高輸出動作的電 一 ％原裝置、可以進行紫外線發光之發 光裝置’或是可以進行泰 仃低兒壓驅動之電子放射裝置。 要將鑽石用作半導辦举 a裝置 < 材料，需要P型與II型之電性 傳導型控制。却本邋踢 ^ ^ , 植鑽石係藉由將硼作為雜質添加於鑽 石、、，口日日中而得。型半導w 、 與 牛導植鑽石亦存在於天然之中，使用化 子耽相合成（CVD)法可葬 τ精由在原料氣體中導入含有硼原子 <狀m而較容易合成。
O:\90\90324.DOC 200421455 方面，η型半導體鑽石不存在於天然之中，以往均認 為其合成固難，然近年來將磷、硫續作為摻雜劑，使用微 波。電衆CVD法將其合成條件最佳化，藉此得到結晶性良好 =早結—型半導體鑽石。此外亦藉由組合摻雜此等鱗及硫 續之η型半導體鑽石與摻雜硼之ρ型半導體鑽石，形成叩接 面而嘗試製作紫外線發光裝置。 …：而現在已貫現之結晶性良好的單結晶η型半導體鑽石 Ρ便是摻雖性能良好之磷或硫績的η型半導體鑽石，於 至溫下<電阻率為心·⑽左右’與其他半導體材料相比 較，其電阻之高幾乎可歸類為絕緣體。又，此等nS半導體 心之活性化能量方面’摻雜鱗者大約為Q 6ev’摻雜硫橫 者大约為0.4 eV，均非常大，故而電阻率之溫度依存性大: 使用此等η型半導體鑽石之裝置難以於廣泛之溫度範圍中 穩定使用。 再者，構成鑽石之碳原子之共價鍵半徑為〇 〇77 而 鱗<共價鍵半徑為0.106 nm，硫磺之共價鍵半徑為〇 nm。磷與硫磺之共價鍵半徑較碳之共價鍵半徑大甚多，故 而摻雜磷與硫磺且進行氣相合成時，若使鑽石之厚度氣相 成長至10 μιη以上，便會有成長之鑽石上產生裂縫的問題。 除磷與硫磺外亦有將氮作為摻雜劑實驗性確認η型半導 體特性，摻雜氮之鑽石的活性化能量大約為丨·7 eV，而室溫 下之電阻率達101()Ω · cm以上即為絕緣體。 再者，已知如添加鋰則顯示n型半導體特性。例如，特開 平3-205398號公報、特開平4_175295號公報及特開平
O:\90\90324.DOC 200421455 11-54443號公報中揭示有以下方法··將含有鋰或鋰化合物 之水或液狀有機化合物作為原料，或將鋰或鋰化合物氣化 後導入合成爐，藉由熱燈絲裂解CVD法（h〇t_filament CVD) 或各種電漿CVD法，於鑽石之氣相成長時摻雜鋰而得到低 電阻之η型半導體鑽石。 然而根據該等方法，鋰會於鑽石中四處遊移，故而無法 得到穩疋之電氣特性，或者，於鑽石之氣相成長時同時混 入之氫與41鍵結，則產生鋰之電性非活性化的問題。 又，特開平:Μ06266號公報中揭示有將鋰導入晶格間而 得到低電阻η型半導體鑽石之方法。此方法係將鋰之氮化合 物作為原料，藉由ECR電漿在不破壞鑽石之結晶性之下將 鋰摻雜於鑽石。然而，根據此方法，鋰之離子半徑（〇〇6〇1^^) 與氮< 離子半徑（〇·027 nm)均比碳之共價鍵半徑（〇〇77 nm) 小因此麵與氮均可不破壞鑽石之結晶結構而進入晶格 間。根據此方法，鋰與氮可被大量摻雜於鑽石之晶格間， 然而鋰與氮之混入濃度的控制卻非容易。又，氮即便摻雜 於曰曰t間，仍絲耄不會活性化而發揮n型摻雜劑的作用，晶 格間大量摻雜之氮會大幅劣化η型半導體特性，而導致無法 得到期望之低電阻^型半導體特性的問題。 【發明内容】 本發明之目的係為解決上述問題點而成立者。即，本發 明之目的在於提供一種能解決摻雜鋰之情形下產生之問 越，且結晶性良好之低電阻η型半導體鑽石及其製造方法。 本發明之低電阻η型半導體鑽石係含有鋰原子與氮原子
O:\90\90324.DOC 200421455 均 lOl7。!}!-3 以 μ 、、 〇 乂上。孩鋰原子濃度Cu與氮原子濃度Cn較好為 、。此外，前述低電阻n型半導體鑽石較好 為，α㈣#石。再者’麵原子係摻雜於構成鑽石之碳原子 的日曰格間，氮原子係摻雜於與前述碳原子取代之位置，且 較好具有鋰原子與氮原子相鄰接之構造，鋰原子與氮原子 〈中〜距離較好為0145 nm以上0155㈣以下。本發明之低 電阻η型半導體鑽石之活性化能量為GG5 eV以上〇2eV以 下’其電阻率為103Ω · cm以下。
、本發明之低電阻㈣半導體鑽石之特徵在於使用氣相合 成法於基板上進仃製造之方法，採用真空紫外光之光激勵 ^法將原料進行光分解。較好是藉由向設置於槽室内之鋰 乳化物照射準分子雷射光，使㈣子飛散而到達基板附近。 又，氮與碳之原料為氣體，其供給量較好為〇〇〇1^氮量/ 妷量$0.1，氮原料較好為氮氣或者氨。前述真空紫外光之
波長較好的是為65 nm以上75 nm以下。再者，前述氣相合 成時之壓力較好為1330 Pa以上2〇〇〇〇 Pa以下，基板溫度較 好為100°C以上1〇〇〇°c以下。 【實施方式】 發明者發現，將具有比構成鑽石之碳的共價鍵半徑（〇 〇77 nm)更小之共價鍵半徑的氮（共價鍵半徑：〇 〇74 與鋰（離 子半徑：0.060 nm)兩者均掺雜10i7cm·3以上，可獲得結晶性 良好之低電阻η型半導體鑽石，並且低電阻n型半導體鑽石 中之鋰原子濃度(：1^與氮原子cN濃度之比較好的是（CLi/CN) 為0.1以上10.0以下。鋰與氮中任一者若不滿1〇i7cm·3則無法
O:\90\90324.DOC 200421455 實現低電阻化。又，若鋰原子濃度與氮原子濃度之比（CLi/CN) 不滿0·1 ’則電阻率之溫度依存性與單獨摻雜氮之情形同樣 大。又，若超過10.0，則鋰會遊移於鑽石中，無法得到穩 定之電氣特性。 僅杉旅鋰之情形時，如前所述，摻雜之鋰會遊移於鑽石 之晶格間，但若與鋰同時將氮摻雜於構成鑽石之碳原子的 取代位置，則摻雜於晶格間之鋰不會遊移，而可獲得結晶 性良好之低電阻η型半導體鑽石。又，鋰原子與氮原子之中 心間距較好為(M45nm以上〇·155ηηι以下，若不滿〇145咖 或超過0.1 55 nm則難以將鋰與氮同時摻雜。 為獲得如此之摻雜形態，於以氣相合成法製造低電阻n 型半導體鑽石之方法中，發現使用真空紫外光進行光激勵 係有效方法。使用波長為6 5 nm以上75 nm以下之真空紫外 光的光激勵法進行之鑽石氣相合成中，於適當之溫度及壓 力的條件下，將含有導入之甲烷等碳之原料與氫以真空紫 外光照射而進行光激勵，則可以藉由光分解選擇性產生c札 遗離基與Η遊離基，於鑽石之氣相合成中幾乎不會產生造成 形成之鑽石的結晶缺陷之CH2遊離基或CH遊離基。因此， 可獲彳于生成之鑽石膜内的結晶缺陷少，或者混入之結晶性 不同的雜質少之優質鐵石薄膜。I空紫外光之光源方面， 可使用同步輻射、聚頻磁鐵或雷射電漿等超高溫電漿等。 再者，為獲得摻雜有鋰與氮之鑽石，必須供給鋰與氮之 原料。鋰之供給方法上，為避免產生損壞鑽石之結晶性的 CH;遊離基以外之CH:遊離基或〇11遊離基，將準分子雷射.照
O:\90\90324 DOC -10 - 200421455 射於鋰之氧化物而使鋰原子飛散到基板附近，氮原料則使 用氮氣或氨氣，發現藉此可達到目的。前述鋰之供給方法 不而要以往用以將含鋰原料導入半導體鑽石合成裝置之加 熱氣化等設備，並非常安全。 原料氣體之一之氮氣或氨氣中包含的氮量與甲烷等含碳 氣體中含有之碳量的比（氮量/碳量）較好為〇 〇〇1以上〇1以 下。氮量若不滿碳量之0·001，則形成之鑽石中含有的氮量 變少’難以獲得本發明之低電阻η型半導體鐵石。又，若氮 量超過碳量之0.1時，則形成之鑽石的品質（結晶性）會變差。（φ 氣相合成時之壓力較好為133〇 Pa以上2〇〇〇〇 Pa以下。不 滿1330 Pa則無法形成鑽石，超過20000 Pa則鑽石之品質（結 晶性）將變差。基板溫度若不滿100t：，則無法形成鑽石， 而若超過lOOOt：則鑽石之品質（結晶性）將變差，因此較好為 100°C以上1000°c以下。 使用通常之熱燈絲裂解CVD法、電漿CVD之鑽石的氣相 合成裝置中’摻雜鋰時會有大量氫與鋰同時混入鑽石中， 因此摻雜後之鋰未活性化，或產生鋰遊移於鑽石中而無法 · 得到穩定之電氣特性的問題。此等問題亦發生於將鋰與氮 同時摻雜之情形。然而於適當之溫度與壓力條件下，若採 用真空糸外光之光激勵法，則如前所述可以選擇性地產生 CH3遊離基，因此可形成結晶性非常良好之鑽石。所謂形成 結晶性良好之鑽石係指將想要混入取代位置之雜質混入取 代位置’將想要混入晶格間之雜質混入晶格間。叙之離子 半徑為0·060 ηιη，比碳之共價鍵半徑〇〇7711111小，因此若採 O:\90\90324.DOC -11- 200421455 用真芝紫外光之光激勵法於氣相合成鑽石時同時進行換 雜，則鐘原子不會混入取代位置而會混入晶格間。此和 氣之共價鍵半徑為0.074 nm，與碳之共價鍵半徑相近，放 出-個價電子即成為sp3鍵結，故會混入取代位置。 〜於^，為制藉由上述方法形成之鑽石的活性化能量， 藉，第-原理計算所做的模擬，計算出將鍾之晶格間接雜 與见（取代接雜相組合時的形成能量。又，藉由第—原理 巧所做模擬’計算出鐘原子與氮原子相互鄰接時之形成 能量。 :其結，發現’存在於晶格間位置之㈣子與存在於取代 、、氮原子接近0寺與分開之情形相比，以接近的情形之 =能量低且鄰接構造最為穩定。此情形之活性化能量經 4异為0.1G eV。此外最佳構造之㈣子與氮原子之間的距 離為 0.1494 nni。 子與氮原子之間的距離若不滿0.145 nm，則形成能 量過向而難以於鑽石φ 埽石中冋時摻雜鋰原子與氮原子。而若比 田、nm*貝,】活性化能量會大於㈣w，使得電阻率之 溫度依存性變大。 ^上所迷’根據第一原理計算結果推知，將麵原子與氮 原子同時摻雜，若錢原予與氮原子之中心距離為〇145⑽ :上Ο.155""以下，即為低電阻η型半導體。此鑽石之活性 化能量可望變低。 依據本發明，可"ρ & ^ ^ )同時摻雜有鋰與氮之低電阻η型半導 體鑽石。
O:\90\90324.DOC -12- 200421455 (實施例） 圖1係顯示本發明之實施中使用之鑽石的氣相合成裝置 之一例的模式圖。 將鑽石基板2設置於真空室丨内之基板保持器3。鑽石基板 2可藉由加熱器4從室溫調整至千百度之溫度。真空室丨藉由 差壓用壁5與6而分為包含鑽石基板2之部分、包含含有氧化 麵之乾7之邵分’以及連接光源8之部分。各差壓用壁上設 有狹缝9與1 〇，前述各部分分別具備獨立之真空排氣口丨i、 12、13’以進行差壓排氣。包含鑽石基板2之部分具備導入 原料氣體之氫、甲烷、氨之氣體導入管14、15、16。原料 軋體之供給可藉由連接於氣瓶17、18、19之質量流量控制 裔20、21、22各自調整為特定之流量。又，包含靶7之部分 中具有包含石英之準分子雷射用光學窗口 23。 首先’真空室1内介由真空排氣口 u、12、13進行真空排 氣。繼而’介由氣體導入管14、15、16而於包含鑽石基板2 之邵分調整流量使原料氣體達到特定之混合比例，並供給 原料氣體直至到達特定壓力。於包含乾7之部分中，使準分 子雷射光24介由光學窗口 23照射於靶7。於是鋰原子從包含 氧化經之乾7飛散，通過設置於差壓用壁5之狹縫9而到達鑽 石基板2之附近。此時來自光源8通過設置於差壓用壁6之狹 缝10的光照射於藉由加熱器3加熱之鑽石基板2上，將供給 之原料氣體進行光分解的同時，與從靶7飛來之鋰原子相合 而促進鑽石基板2上之化學反應。 如此即可於鑽石單結晶基板2上，進行摻雜有鋰與氮之鑽 O:\90\90324.DOC -13- 200421455 石之磊晶成長，形成低電阻η型半導體鑽石。 以下記錄具體之氣相合成條件與形成之低電阻η型半導 體鑽石之評估結果。 首先將設置有高溫高壓合成之Ila鑽石單結晶基板的槽室 藉由真空泵浦排氣直至133><1〇-9?3(1〇-91〇1'〇，於以下條件 合成鑽石。 靶：氧化鋰 照射於靶之雷射：ArF準分子雷射（強度：1 J/cm2) 原料氣體：氫= 1000 seem，甲燒=10 seem，氨=0.1 seem 鑽石基板溫度：300°C 基板側槽室内壓力：4000 Pa(3 0 torr) 光源：同步輻射光裝置（波長=70 nm)、蓄積電流200 mA 合成時間：2小時 合成後，取出鑽石單結晶基板，對成長於單結晶基板上 之部分以掃描型電子顯微鏡（SEM)、拉曼（Raman)光譜分 析、反射高速電子繞射（RHEED)進行測量。其結果確認成 長於鑽石單結晶基板上之部分係磊晶成長之鑽石單結晶。 此磊晶成長之鑽石單結晶無裂縫等。 又，將獲得之磊晶成長鑽石單結晶進行二次離子質量分 析（SIMS)後，檢測出 2.1 X 1018cnT3之链、2·2X 1 018cm·3之氮。 並檢測出氫含量僅為基板之Ila鑽石單結晶之同等程度。藉 由此SIMS測量，確認形成之磊晶鑽石單結晶中含有之鋰與 氮的濃度大致相同，而氫幾乎未混入。 進而，為指定磊晶鑽石單結晶中鋰原子與氮原子之混入 O:\90\90324.DOC -14- 200421455 位置，進行了如下分析。 藉由採用拉瑟福（Rutherford)背向散射分析（RBS)、粒子 激發 X 射線放射分析（PIXE (Particle induced X-ray emission))、核反應分析（NRA)之各種方法進行通道效應測 量，對鋰與氮之取代率進行了計算。其結果發現氮之取代 率為94%以上，鋰之取代率為5%以下。由此結果可瞭解， ^ 鑽石中之鋰幾乎均存在於晶格間，氮幾乎均存在於取代位 置。 繼而藉由電子自旋共振（ESR)進行取代狀態之測量。人工 合成之鑽石中的氮為孤立取代型，若本發明形成之鑽石中 的氮亦為孤立取代型，則藉由ESR測量應可檢測出孤立取 代型氮所特有之信號，測量結果發現孤立取代型氮為全部 氮之10%以下。由此結果可推論經原子存在於大部分氮原 子之附近。 藉由以上測量結果可知，4里原子存在於鐵石結晶中之晶 格間，氮原子存在於取代位置，且鋰原子與氮原子存在於 相近位置。 繼而測量本發明中形成之磊晶鑽石單結晶之電氣特性。 藉由將鐵石單結晶之表面進行氧化處理，使表面氧終結， 而將鑽石表面之導電層除去之後，於鑽石單結晶之四處形 成歐姆接觸之電極，並進行四點量測（Van Der Pauw)法之霍 爾效應測量。其結果為鑽石單結晶係η型，活性化能量為 0·11 eV，室溫（3 00 Κ)下之電阻率為6.3 Dcm，而鑽石確認 為低電阻之η型半導體。 O:\90\90324.DOC -15- 200421455 於此霍爾效應測量中，使鑽石單結晶之溫度上升至873 κ，而其電氣特性仍非常穩定。此表明於晶格間固定存在有 鋰原子，而於取代位置固定存在有氮原子。 又可確認，此電氣特性測量中之活性化能量值011 ev接 近於以第一原理計算且鋰原子與氮原子之中心距離為 0.1494 nm時之理論上的活性化能量值〇1〇eV，且形成之鑽 石單結晶中的鋰原子與氮原子之距離約為〇15 。 產業上之可利用性 根據本發明可藉由將鋰原子與氮原子同時摻雜於鑽石 中，而獲得以往未有之低電阻型半導體鑽石。使用低電 阻η型半導體鐵石，可製造能夠於高溫下進行高頻率及高輪 出動作的電源裝置、可〃進行紫外線發光之發光裝置，或 是可以進行低電壓驅動之電子放射裝置。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示本發明中使用之鑽石合成裝置之一例。 【圖式代表符號說明】 2 3 4 5 6 7 8 真空室 鑽石基板 基板保持器 加熱器 差壓用壁 差壓用壁 靶 電源
O:\90\90324 DOC -16 - 200421455 9 狹縫 10 狹縫 11 真空排氣口 12 真空排氣口 13 真空排氣口 14 氣體導入管 15 氣體導入管 16 氣體導入管 17 氣瓶 18 氣瓶 19 氣瓶 20 質量流量控制器 21 質量流量控制器 22 質量流量控制器 23 光學窗口 24 準分子雷射光 O:\90\90324.DOC -17-

Claims (1)

  1. 200421455 拾、申請專利範園： L 一種低電阻η型半導體鑽石，其特徵在於包含鋰原子與氮 原子均1017cm-3以上。 2·如申凊專利範圍第1項之低電阻η型半導體鑽石，其中低 私阻11型半導體鑽石中之鋰原子濃度CLi與氮原子濃度Cn 比為 0.1$CU/CN$10.0。 3 ·如申请專利範圍第1或2項之低電阻η型半導體鑽石，其中 前述低電阻η型半導體鑽石係單結晶鑽石。 4·如申請專利範圍第1項之低電阻η型半導體鑽石，其具有 以下構造：分別將鋰原子摻雜於構成鑽石之碳原子的晶 格間、將氮原子摻雜於與前述碳原子取代之位置，且鋰 原子與氮原子係相互鄰接。 5.如申請專利範圍第4項之低電阻η型半導體鑽石，其中鋰 原子與氮原子之中心距離為0145 nm以上0·155 nm以下。 6·如申請專利範圍第4項之低電阻η型半導體鑽石，其中活 性化能量為0.05 eV以上〇·2 eV以下。 7·如申請專利範圍第4項之低電阻η型半導體鑽石，其中電 阻率為103Ω · cm以下。 8. —種低電阻η型半導體鑽石之製造方法，其特徵在於將共 同摻雜有鐘原子與氮原子之低電阻η型半導體鑽石以氣 相合成法於基板上製造之方法，且採用真空紫外光之光 激勵方法將原料進行光分解。 9 ·如申請專利範圍第8項之低電阻η型半導體鑽石之製造方 法，其中藉由對設於槽室内之鋰之氧化物照射準分子雷 O:\90\90324.DOC 200421455 射光而使鋰原子飛散。 10·如申請專利範圍第8項之低電阻η型半導體鑽石之製造方 法，其中氮與碳之原料為氣體，其供給量為〇〇〇1^氮量/ 碳量S 0.1。 如申請專利範圍第丨0項之低電阻η型半導體鑽石之製造 万法，其中前述氮原料為氮氣或氨。 12.如中請專利範圍第8项之低電阻η型+導體鑽石之製造方 法，其中前述真空紫外光之波長為65nm以上75腿以下。 申叫專利範圍罘8項之低電阻n型半導體鑽石之製造方 中則述氣相合成時之壓力為i33〇 以上2〇〇〇〇卩壮 以下。 14·如申請專利範圍第8項 法， 二 貝 < 低電阻η型半導體鑽石之製造方 ’、中⑴述氣相合成時之基板溫度為1G(TC以Jil000°C 以下。 O:\90\90324.DOC '2-
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1713116A4 (en) * 2003-10-29 2009-07-01 Sumitomo Electric Industries PROCESS FOR PRODUCING AN N-TYPE SEMICONDUCTOR DIAMOND AND A N-TYPE SEMICONDUCTOR DIAMOND
JP4742736B2 (ja) * 2005-08-10 2011-08-10 住友電気工業株式会社 ダイヤモンドへのドーパント原子決定方法
WO2011010654A1 (ja) * 2009-07-22 2011-01-27 独立行政法人産業技術総合研究所 半導体ダイヤモンドデバイス用オーミック電極
US20130026492A1 (en) * 2011-07-30 2013-01-31 Akhan Technologies Inc. Diamond Semiconductor System and Method
TWI446889B (zh) * 2011-10-20 2014-08-01 Univ Nat Cheng Kung 多功能手術裝置及包含其之手術系統
CN103103609B (zh) * 2013-03-05 2015-08-19 三门峡纵横超硬材料有限公司 N型金刚石半导体单晶及其生产方法
CN103952681B (zh) * 2014-04-23 2016-04-20 南京理工大学 一种锂氮共掺杂金刚石薄膜的制备方法
US10316430B2 (en) 2014-07-15 2019-06-11 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Single crystal diamond, method for manufacturing single crystal diamond, and tool containing single crystal diamond
CN106661758A (zh) * 2014-08-08 2017-05-10 住友电气工业株式会社 制造金刚石的方法、金刚石、金刚石复合基板、金刚石接合基板和工具
US9484474B1 (en) * 2015-07-02 2016-11-01 Uchicago Argonne, Llc Ultrananocrystalline diamond contacts for electronic devices
US10287708B2 (en) 2015-07-22 2019-05-14 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Single-crystal diamond material, single-crystal diamond chip, and perforated tool

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60112697A (ja) * 1983-11-18 1985-06-19 Agency Of Ind Science & Technol ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置
JPS61236691A (ja) * 1985-04-09 1986-10-21 Nec Corp ダイヤモンドの気相合成法
JPS62212297A (ja) 1986-03-11 1987-09-18 Toshiba Corp 半導体ダイヤモンドの製造方法
JPS63288991A (ja) * 1987-05-20 1988-11-25 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンドの気相合成法
JPH01261299A (ja) * 1988-04-11 1989-10-18 Kawasaki Steel Corp ダイヤモンド若しくはダイヤモンド状の薄膜の形成方法
JPH03205398A (ja) 1989-12-30 1991-09-06 Canon Inc ダイヤモンドの製造方法
WO1992001314A1 (en) 1990-07-06 1992-01-23 Advanced Technology Materials, Inc. N-type semiconducting diamond, and method of making the same
JPH04175295A (ja) 1990-11-07 1992-06-23 Canon Inc 半導体ダイヤモンドの製造方法
JPH04174517A (ja) 1990-11-07 1992-06-22 Canon Inc ダイヤモンド半導体の製造方法
EP0543392A3 (en) * 1991-11-21 1993-10-20 Canon Kk Diamond semiconductor device and method of producing the same
JP3374866B2 (ja) 1993-08-30 2003-02-10 住友電気工業株式会社 半導体ダイヤモンド及びその形成方法
JP3334286B2 (ja) 1993-09-30 2002-10-15 ソニー株式会社 ダイアモンド半導体の製造方法
US6887144B2 (en) * 1996-11-12 2005-05-03 Diamond Innovations, Inc. Surface impurity-enriched diamond and method of making
JPH10247624A (ja) 1997-03-05 1998-09-14 Asahi Chem Ind Co Ltd 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
JPH1154443A (ja) * 1997-08-07 1999-02-26 New Japan Radio Co Ltd Ｎ型ダイアモンド半導体の製造方法
JPH11214321A (ja) 1998-01-27 1999-08-06 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド材料の改質方法と、その方法により改質されたダイヤモンド材料を用いた半導体装置
US6414338B1 (en) * 1998-11-30 2002-07-02 Sandia National Laboratories n-Type diamond and method for producing same
JP2001035804A (ja) * 1999-07-21 2001-02-09 Agency Of Ind Science & Technol ダイヤモンド半導体およびその作製方法
EP1713116A4 (en) * 2003-10-29 2009-07-01 Sumitomo Electric Industries PROCESS FOR PRODUCING AN N-TYPE SEMICONDUCTOR DIAMOND AND A N-TYPE SEMICONDUCTOR DIAMOND

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