WO2016104684A1 - ダイヤモンド半導体デバイス - Google Patents

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雅功 坪田
仁 梅澤
真一 鹿田
坪内　信輝
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Definitions

  • the present invention relates to a diamond semiconductor device, and more particularly to a diamond semiconductor device having high resistance to radiation.
  • Diamond is a wide band gap semiconductor with a wide forbidden band of about 5.5 eV, and has the advantage of being able to operate under high radiation resistance and a high temperature environment of about 800 ° C. Therefore, it is expected as a material for semiconductor devices used in high temperature and high radiation environments such as sensors and preamplifiers used in nuclear reactors, fusion reactors, accelerators and the like.
  • diamond Compared to Si, which is a common material for semiconductor devices, diamond has a resistance of four orders of magnitude or more against high energy photons such as ⁇ rays and X rays.
  • high energy photons such as ⁇ rays and X rays.
  • thermal neutrons represented by thermal neutrons
  • the reaction of the following formula (1) occurs in Si, and phosphorus (P) acting as an n-type dopant is generated with respect to Si, resulting in semiconductor characteristics. Although it deteriorates, such a nuclear reaction does not occur in diamond whose constituent element is C, and there is no deterioration in semiconductor characteristics.
  • the nuclear reaction of the above formula (1) is used as a semiconductor doping technique.
  • it is used as a method of converting 10 B doped into diamond into Li to form an n-type dopant (for example, Patent Document 1). reference).
  • Diamond does not deteriorate the semiconductor characteristics due to the nuclear reaction of the constituent element C even when irradiated with neutrons.
  • boron (B) when boron (B) is used as a p-type dopant, boron 10 B having high neutron absorption ability is used. Absorbs neutron (n) and causes a charged particle generation reaction shown in the following formula (2), and the generated charged particles Li and He affect the semiconductor characteristics.
  • an object of the present invention is to provide a diamond semiconductor device that is not affected by charged particle generation reaction even when boron (B) is used as a p-type dopant.
  • the present invention has a p-type region made of diamond, and the p-type impurity of the p-type region is made of boron containing two isotopes of 10 B and 11 B, and the concentration ratio of isotopes contained in the p-type region ( 10 B / 11 B) is a diamond semiconductor device characterized by being smaller than the natural abundance ratio of isotopes.
  • the diamond semiconductor device according to the present invention has high resistance to radiation, particularly neutrons, and can be used without causing deterioration of characteristics even in the presence of high ⁇ rays or neutrons.
  • Boron (B) which can exist stably in nature, has two isotopes of 10 B that emits high energy charged particles and 11 B that does not emit as a result of absorbing neutrons, of which about 20% are neutrons. It is 10 B with high absorbability. For this reason, not only the diamond semiconductor device but also the Si or SiC semiconductor device uses boron as the p-type dopant, so that the reaction of the above-described formula (2) occurs and the same problem may occur.
  • the ratio of 10 B having a high neutron absorption capacity is reduced to increase 11 B, that is, the p-type region.
  • the boron isotope concentration ratio ( 10 B / 11 B) contained in the isotopes is made smaller than the natural abundance ratio of the isotopes, thereby suppressing the occurrence of the above formula (2) and preventing the deterioration of electrical characteristics.
  • the p-type region is used as an operation layer or a p-type conductive layer, it is necessary to avoid the introduction of defects and grow so as to be flat, highly pure, and have high crystallinity.
  • the ratio of the concentration of boron isotopes contained in the p-type region ( 10 B / 11 B) is made smaller than the natural abundance ratio of isotopes, and the crystallinity is further enhanced for growth.
  • a diamond off-substrate with a controlled off angle is used as the substrate, and a p-type diamond layer is epitaxially grown thereon.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a field-effect transistor according to a first embodiment of the present invention, the whole being represented by 100.
  • the field effect transistor 100 includes a diamond substrate 1.
  • the diamond substrate 1 is made of, for example, a high pressure high temperature synthesis (HP / HT) Ib type single crystal diamond substrate, a high pressure high temperature synthesis IIa type single crystal diamond substrate, or a chemical vapor synthesis single crystal diamond substrate, and has a surface of (001).
  • a surface or (111) plane substrate or an off-substrate whose surface is inclined by 0.3 to 6 ° in the ⁇ 110> direction from the (001) plane is used.
  • An epitaxial layer 2 made of p-type single crystal diamond is provided on the diamond substrate 1.
  • Epitaxial layer 2 contains boron as a p-type dopant. The concentration of boron is 10 14 to 10 18 atoms / cm 3 .
  • a p-type (conductive layer) source region 3 and drain region 4 are provided in the epitaxial layer 2.
  • the source region 3 and the drain region 4 contain boron as a p-type dopant, and the concentration of boron is 10 19 to 10 22 atoms / cm 3 .
  • the epitaxial layer 2 sandwiched between the source region 3 and the drain region 4 becomes a channel region 5.
  • a source electrode 11 connected to the source region 3 and a drain electrode 12 connected to the drain region 4 are provided on the epitaxial layer 2.
  • a gate electrode 13 is provided on the channel region 5 so as to be sandwiched between the source electrode 11 and the drain electrode 12.
  • a substrate such as a high pressure high temperature synthesis (HP / HT) Ib type single crystal diamond substrate, a high pressure high temperature synthesis IIa type single crystal diamond substrate, or a chemical vapor synthesis single crystal diamond substrate.
  • a p-type diamond epitaxial layer 2 is grown thereon.
  • the epitaxial layer 2 is formed using, for example, a microwave plasma chemical vapor deposition (PCVD) method, a DC arc method, or a hot filament method in a microwave plasma growth apparatus.
  • the epitaxial layer 2 is grown using, for example, a hydrocarbon gas such as methane, ethane, butane or propane as a material gas, trimethylboron or diborane as a dopant gas, hydrogen as a carrier gas, and a substrate temperature of 850 ° C., for example.
  • the dopant gas includes, for example, trimethylboron and diborane synthesized from boric acid enriched with boron to 11 B ⁇ 99.7%.
  • the source region 3 and the drain region 4 are formed by, for example, selectively etching the epitaxial layer 2 and then selectively growing the p-type source region 3 and the drain region 4 in that portion.
  • the field effect transistor 100 by reducing the proportion of 10 B having high neutron absorption ability among boron used as the p-type dopant, the occurrence of the above-described formula (2) is suppressed, and the electrical characteristics To prevent deterioration.
  • Such a field effect transistor 100 is assumed to be used in a nuclear reactor application.
  • a BWR reactor containment monitor (CAMS) used in a reactor containment vessel, a PWR post-accident monitor (transmitter, PAM), preamplifiers for activation system monitoring, multiplexers, etc. are conceivable.
  • FIG. 2 is a comparative example, and shows a cross-sectional view of a general field effect transistor, the whole being denoted by 200. 2, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.
  • the field effect transistor 200 has the same structure as the field effect transistor 100 according to the first embodiment shown in FIG. 1 except for the p-type dopant contained in the source region 3, the drain region 4, and the channel region 5.
  • the substrate 1 and the epitaxial layer 2 are made of diamond, and boron, which is a p-type dopant in the source region 3, the drain region 4, and the channel region 5, is 10 B and 11 B which are stable in nature.
  • neutrons 50 When used in a nuclear reactor containment vessel, neutrons 50 as shown in FIG.
  • the neutron 50 collides with boron in the source region 3, the drain region 4, and the channel region 5.
  • the charged particle generation reaction shown in the above formula (2) occurs upon absorption.
  • charged particles 60 mainly composed of 7 Li and 4 He are emitted, enter the surrounding epitaxial layer 2, damage the crystals such as the channel region 5, and deteriorate electrical characteristics such as electrical conductivity. .
  • the ratio of 10 B in boron contained in the source region 3, the drain region 4, and the channel region 5 is lower than the natural abundance ratio. ) Is suppressed, and deterioration of electrical characteristics as seen in the semiconductor device 200 can be prevented.
  • the evaluation example is shown below.
  • Sample 1 An evaluation sample in which an epitaxial layer containing boron as a p-type dopant was formed on a diamond substrate was prepared, and the characteristics were evaluated. Specifically, a single crystal Ib type diamond substrate was prepared, and an epitaxial layer of p type diamond was grown thereon. The epitaxial layer was grown by a microwave plasma growth apparatus using a microwave plasma chemical vapor deposition (PCVD) method. The growth conditions are as follows.
  • the expected film thickness of the epitaxial layer is 10.5 ⁇ m, and the p-type doping concentration is 3 to 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 .
  • the high-energy charged particles 7 Li and 4 He emitted from 10 B affect the electrical characteristics of diamond.
  • an evaluation method it is possible to generate neutrons in a nuclear reactor or the like and directly influence the 10 B (n, 4 He) 7 Li reaction. It is also necessary to consider the effects of atomic knockout and gamma rays. Therefore, in order to evaluate only the influence caused by the charged particles, the influence on the electrical characteristics and the like was evaluated by irradiating the sample with 4 He using a charged particle accelerator. That is, 4 He generated by the reaction of the formula (2) was irradiated to the evaluation sample to evaluate the influence on the electrical characteristics and the like.
  • the evaluation sample and the comparative sample were irradiated with 4 He + ions twice at 3 MeV.
  • Each ion irradiation amount is as follows. 1st time: 1 ⁇ 10 12 ion / cm 2 Second time: 1 ⁇ 10 13 ion / cm 2
  • evaluation was performed before the He ion irradiation, after the first irradiation, and after the second irradiation.
  • the contents of evaluation were the following (1) and (2) for the comparative sample and the following (3) and (4) for the evaluation sample.
  • FIG. 3 shows secondary ion mass spectrometry (SIMS) results of the evaluation samples.
  • the vertical axis represents the concentration of hydrogen, boron, nitrogen, and silicon (secondary ion intensity), and the horizontal axis represents the depth from the surface of the evaluation sample.
  • the surface of the diamond substrate exists at a depth of 9 ⁇ m from the surface.
  • the doping concentration of 11 B is 7 ⁇ 10 14 to 4 ⁇ 10 17 atoms / cm 3
  • the doping concentration of 10 B is 1 ⁇ 10 14 to 2 ⁇ 10 15 atoms / cm 3. Yes.
  • FIG. 4 shows the FT-IR measurement results of the comparative sample before He ion irradiation, the first time, and after the second time irradiation.
  • 2500cm -1 (0.305eV)
  • absorption peaks relating to the electrical conductivity existing in the vicinity of 2800cm -1 (0.347eV) and 4100cm -1 (0.507eV) is before irradiation (solid line )
  • the value decreases as the irradiation amount of He ions increases after the first irradiation (dashed line) and after the second irradiation (one-dot chain line). This shows that the acceptor concentration decreases as the He ion irradiation amount increases.
  • FIG. 5 shows the hole measurement results of the comparative sample before He ion irradiation, after the first irradiation, and after the second irradiation, and shows changes in carrier concentration, mobility and specific resistance. As can be seen from FIG. 5, it can be seen from the values before irradiation that the carrier concentration and mobility decrease and the specific resistance increases as the irradiation amount of He ions increases after the first irradiation and after the second irradiation.
  • FIG. 6 shows the results of triple-axis high-resolution rocking curve crystallinity evaluation of an evaluation sample by the X-ray diffraction (XRD) method.
  • the peak position of the Raman scattered light with respect to the diamond crystal does not change before and after the He ion irradiation, and it is understood that the crystal is not distorted even when the He ion is irradiated.
  • the half width of the peak wavelength hardly changes before and after the He ion irradiation, and no disorder of the crystal occurs.
  • FIG. 7 is an evaluation result of level formation of an evaluation sample by ultraviolet / visible absorption (UV / VIS) measurement.
  • the horizontal axis represents the wavelength of absorbed light, and the vertical axis represents the transmittance T. Evaluation was performed before He ion irradiation and after the second irradiation. As can be seen from FIG. 7, even when He ions are irradiated, the transmission characteristics of the evaluation sample hardly change, and it is understood that there are almost no defects due to He ion irradiation.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a MIMSFET (Metal Insulator Metal Semiconductor FET) according to the second embodiment, the whole of which is represented by 300.
  • MIMSFET 300 the p + diamond epitaxial layer 20 is provided on the single crystal Ib type diamond substrate 1.
  • a metal layer 21 made of, for example, Ti and an insulating layer 22 made of, for example, Al 2 O 3 are stacked.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are provided on both sides of the insulating layer 22, and the gate electrode 13 is provided on the insulating layer 22.
  • the p + diamond epitaxial layer 20 includes boron as a p-type dopant.
  • the charged particle generation represented by the formula (2) is achieved even when irradiated with neutrons by setting the ratio of 10 B in boron contained in the p + diamond epitaxial layer 20 to be lower than the natural abundance ratio. Reaction is suppressed and deterioration of electrical characteristics can be prevented.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the Schottky diode according to the third embodiment, which is indicated as a whole by 400.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding portions.
  • a diamond p-type conductive layer 30 and a diamond high-purity layer 31 are laminated on a single crystal Ib type diamond substrate 1.
  • an anode electrode 40 made of, for example, Au is provided on the p-type conductive layer 30 .
  • a cathode electrode made of, for example, Mo or Ru is provided on the high-purity layer 31 to form a Schottky junction.
  • the p-type conductive layer 30 made of diamond contains boron as a p-type dopant.
  • the ratio of 10 B in boron contained in the p-type conductive layer 30 is made lower than the natural abundance ratio, so that the charged particles shown in the formula (2) even when irradiated with neutrons The production reaction is suppressed, and deterioration of electrical characteristics can be prevented.
  • field effect transistors MIMSFETs, and Schottky diodes have been described.
  • the present invention can be applied to diamond semiconductor devices having other p-type regions such as MISFETs, MOSFETs, bipolar transistors, etc. The radiation characteristics of can be improved.
  • BWR reactor containment monitor PWR post-accident monitor (transmitter, PAM), startup system monitor It can be used as a preamplifier, multiplexer, etc.

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Abstract

　ダイヤモンド半導体デバイスにおいて、ダイヤモンドからなるｐ型領域を有し、ｐ型領域のｐ型不純物は、１０Ｂと１１Ｂの２つの同位体を含むホウ素からなり、ｐ型領域に含まれる同位体の濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）は、同位体の天然存在比より小さい。

Description

ダイヤモンド半導体デバイス
　本発明は、ダイヤモンド半導体デバイスに関し、特に、放射線に対して高い耐性を有するダイヤモンド半導体デバイスに関する。
　ダイヤモンドは、約５．５ｅＶの広い禁制帯幅を持つワイドバンドギャップ半導体であり、高い耐放射線特性や８００℃程度の高温環境下でも動作が可能であるという長所を有する。このため原子炉、核融合炉、加速器等に使用するセンサーや前置増幅器等のような、高温、高放射線環境下で使用される半導体デバイスの材料として期待されている。
　半導体デバイスの材料として一般的なＳｉと比較した場合、ダイヤモンドはγ線やＸ線のような高エネルギー光子に対して４桁以上高い耐性を有する。
　また、熱中性子に代表される低エネルギー中性子を照射した場合、Ｓｉでは、以下の式（１）の反応が起こり、Ｓｉに対してｎ型ドーパントして働くリン（Ｐ）が生成され半導体特性が劣化するが、構成元素がＣであるダイヤモンドではこのような核反応は起きず、半導体特性の劣化はない。
　　　３０Ｓｉ（ｎ，γ）３１Ｓｉ（Ｔ１／２＝２．７ｈ，β－）→３１Ｐ......（１）
　一般に、上記式（１）の核反応は、半導体のドーピング技術として用いられており、例えばダイヤモンドにドーピングした１０ＢをＬｉに変換してｎ型ドーパントにする方法として用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開平０７－１０６２６７号公報
　ダイヤモンドでは、中性子が照射されても、構成元素Ｃの核反応に起因する半導体特性の劣化は無いが、ｐ型ドーパントとしてホウ素（Ｂ）を用いた場合には、中性子吸収能が高いホウ素１０Ｂが中性子（ｎ）を吸収して以下の式（２）に示す荷電粒子生成反応を起こし、発生した荷電粒子Ｌｉ、Ｈｅが半導体特性に影響を与えるという問題があった。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　そこで、本発明は、ｐ型ドーパントとしてホウ素（Ｂ）を用いても荷電粒子生成反応の影響を受けないダイヤモンド半導体デバイスの提供を目的とする。
　本発明は、ダイヤモンドからなるｐ型領域を有し、ｐ型領域のｐ型不純物は、１０Ｂと１１Ｂの２つの同位体を含むホウ素からなり、ｐ型領域に含まれる同位体の濃度比（１０Ｂ／１１Ｂ）は、同位体の天然存在比より小さいことを特徴とするダイヤモンド半導体デバイスである。
　本発明にかかるダイヤモンド半導体デバイスは、放射線、特に中性子に対する耐性が高く、例えば高γ線や中性子存在環境下でも特性の劣化を起こすことなく使用できる。
本発明の実施の形態１にかかる電界効果トランジスタの断面図である。 比較例にかかる電界効果トランジスタの断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる評価サンプルの二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）結果である。 本発明の実施の形態１にかかる比較サンプルのＦＴ－ＩＲ測定結果である。 本発明の実施の形態１にかかる比較サンプルのホール測定結果である。 本発明の実施の形態１にかかる評価サンプルのラマン散乱測定結果である。 本発明の実施の形態１にかかる評価サンプルの透過率測定結果である。 本発明の実施の形態２にかかるＭＩＭＳＦＥＴの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるショットキダイオードの断面図である。
　自然界で安定して存在しうるホウ素（Ｂ）には、中性子を吸収した結果、高エネルギー荷電粒子を放出する１０Ｂと放出しない１１Ｂの２つの同位体があるが、その約２０％が中性子吸収能の高い１０Ｂである。このため、ダイヤモンドの半導体デバイスだけでなく、ＳｉやＳｉＣの半導体デバイスでもｐ型ドーパントとしてホウ素が用いられることにより、上述の式（２）の反応が起こり、同様の問題が起こりうる。
　しかしながら、ＳｉやＳｉＣを用いた半導体デバイスでは、中性子の照射による特性の劣化は、上述の式（１）の反応が支配的であり、式（２）に示すホウ素からの荷電粒子生成反応の影響よりも早い段階で影響が出る。このため、ＳｉやＳｉＣを用いた半導体デバイスでは、ホウ素からの荷電粒子生成反応の影響はこれまで殆ど問題にされてこなかった。
　本発明の実施の形態では、ダイヤモンドを用いた半導体デバイスにおいて、ｐ型ドーパントとしてホウ素を用いる場合に、中性子吸収能の高い１０Ｂの割合を減らして１１Ｂを増やすことにより、つまり、ｐ型領域に含まれるホウ素の同位体の濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）を同位体の天然存在比より小さくすることにより、上記式（２）の発生を抑制し、電気特性の劣化を防止する。
　また、半導体デバイスにおいて、ｐ型領域は動作層もしくはｐ型導電層として用いるため、欠陥の混入を避け、平坦かつ高純度で、高い結晶性を有するように成長する必要がある。本発明の実施の形態では、ｐ型領域に含まれるホウ素の同位体の濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）を同位体の天然存在比より小さくし、更に結晶性を高めて成長させるために、例えば基板としてオフ角を制御したダイヤモンドのオフ基板を用いて、その上にｐ型ダイヤモンド層のエピタキシャル成長を行う。
（実施の形態１）
　図１は、全体が１００で表される本発明の実施の形態１にかかる電界効果トランジスタの断面図である。電界効果トランジスタ１００は、ダイヤモンド基板１を含む。ダイヤモンド基板１には、例えば、高圧高温合成（ＨＰ／ＨＴ）Ｉｂ型単結晶ダイヤモンド基板、高圧高温合成ＩＩａ型単結晶ダイヤモンド基板、または化学気相合成単結晶ダイヤモンド基板からなり、表面が（００１）面や（１１１）面の基板、または表面が（００１）面から＜１１０＞方向に０．３～６°傾いたオフ基板が用いられる。
　ダイヤモンド基板１の上には、ｐ型の単結晶ダイヤモンドからなるエピタキシャル層２を有する。エピタキシャル層２はｐ型ドーパントとしてホウ素を含む。ホウ素の濃度は１０１４～１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３である。エピタキシャル層２の中には、ｐ型（導電層）のソース領域３およびドレイン領域４が設けられている。ソース領域３およびドレイン領域４は、ｐ型ドーパントとしてホウ素を含み、ホウ素の濃度は１０１９～１０２２ａｔｏｍ／ｃｍ３である。ソース領域３とドレイン領域４との間に挟まれたエピタキシャル層２は、チャネル領域５となる。
　エピタキシャル層２の上には、ソース領域３に接続されたソース電極１１と、ドレイン領域４に接続されたドレイン電極１２が設けられている。またチャネル領域５の上には、ソース電極１１とドレイン電極１２に挟まれるようにゲート電極１３が設けられている。
　電界効果トランジスタ１００では、ソース領域３、ドレイン領域４、およびチャネル領域５に含まれる１０Ｂと１１Ｂの不純物濃度の割合は、自然界における割合（天然存在比）１：４より小さく（１０Ｂ／１１Ｂ＜１／４）、好ましくは国内で市販され入手が容易な９５％濃縮の１１Ｂエンリッチホウ酸に対応する１：１９以下であり（１０Ｂ／１１Ｂ≦１／１９）、より好ましくは１／１９以下でかつ１／２００以上であり、更に好ましくは約１：２００（１０Ｂ／１１Ｂ＝１／２００）である。
　電界効果トランジスタ１００を製造するには、まず、高圧高温合成（ＨＰ／ＨＴ）Ｉｂ型単結晶ダイヤモンド基板、高圧高温合成ＩＩａ型単結晶ダイヤモンド基板、または化学気相合成単結晶ダイヤモンド基板のような基板を準備する。
　次に、その上に、ｐ型ダイヤモンドエピタキシャル層２を成長させる。エピタキシャル層２の形成は、例えばマイクロ波プラズマ成長装置中で、マイクロ波プラズマ化学気相積層（ＰＣＶＤ）法、ＤＣアーク法、熱フィラメント法を用いて行う。エタキシャル層２の成長は、例えば、材料ガスとしてメタン、エタン、ブタン、プロパン等の炭化水素系ガス、ドーパントガスとしてトリメチルボロン、ジボラン等、キャリアガスとして水素を用い、基板温度は例えば８５０℃で行う。ドーパントガスは、例えばホウ素を１１Ｂ≧９９．７％までエンリッチしたホウ酸から合成したトリメチルボロン、ジボラン等をいる。ソース領域３およびドレイン領域４は、例えばエピタキシャル層２を選択エッチングした後に、その部分にｐ型のソース領域３およびドレイン領域４を選択成長させて形成する。
　このように、電界効果トランジスタ１００では、ｐ型ドーパントとして使用されるホウ素のうち、中性子吸収能の高い１０Ｂの割合を低減することにより、上述の式（２）の発生を抑制し、電気特性の劣化を防止する。
　このような電界効果トランジスタ１００は、原子炉用途に用いる場合が想定されており、原子炉格納容器内で使用するＢＷＲ用原子炉格納容器モニタ（ＣＡＭＳ）、ＰＷＲ用事故後監視計（伝送器、ＰＡＭ）、起動系モニタ用前置増幅器、マルチプレクサ等への適用が考えられる。
　電界効果トランジスタ１００を原子炉格納容器内で使用する場合には、過酷事故への対応も要求される。例えばＣＡＭＳに適用した場合、暫定値ではあるが積算線量：５ＭＧｙ（γ線）、３００℃の環境で、７２時間動作することが求められる。さらに定量的な数値は示されていないが、過酷事故時では再臨界の発生を考慮する必要があるため、可能な限り高い中性子耐性が必要とされる。
　図２は比較例であり、全体が２００で表される、一般的な電界効果トランジスタの断面図を示す。図２中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。電界効果トランジスタ２００は、ソース領域３、ドレイン領域４、およびチャネル領域５に含まれるｐ型ドーパントを除いて、図１に示す実施の形態１にかかる電界効果トランジスタ１００と同一構造である。
　即ち、電界効果トランジスタ２００では、基板１およびエピタキシャル層２はダイヤモンドから形成され、ソース領域３、ドレイン領域４、およびチャネル領域５のｐ型ドーパントであるホウ素は自然界で安定な１０Ｂと１１Ｂとを含み、その割合は自然界における一般的な割合（天然存在比）である１：４（１０Ｂ／１１Ｂ＝１／４）となっている。
　原子炉格納容器内で使用する場合、図２に示すような中性子５０が電界効果トランジスタ２００に入射する。中性子５０は、ソース領域３、ドレイン領域４、およびチャネル領域５中のホウ素と衝突する。電界効果トランジスタ２００では、１０Ｂと１１Ｂの割合が天然存在比である１：４（１０Ｂ／１１Ｂ＝１／４）であるため、中性子吸収能の高い１０Ｂが中性子（ｎ）を吸収して上述の式（２）に示す荷電粒子生成反応が起きる。この結果、主に７Ｌｉと４Ｈｅからなる荷電粒子６０が放出され、周囲のエピタキシャル層２に入射し、チャネル領域５等の結晶に損傷を与えて、電気伝導度等の電気特性を劣化させる。
　これに対して、実施の形態１にかかる電界効果トランジスタ１００では、ソース領域３、ドレイン領域４、およびチャネル領域５に含まれるホウ素中の１０Ｂの割合が天然存在比より低いため、式（２）に示す荷電粒子生成反応が抑制され、半導体デバイス２００で見られたような電気特性の劣化を防止できる。以下にその評価例を示す。
　サンプル
　（１）評価サンプル
　ダイヤモンド基板の上にｐ型ドーパントとしてホウ素を含むエピタキシャル層を形成した評価サンプルを準備し、特性を評価した。具体的には、単結晶Ｉｂ型のダイヤモンド基板を準備し、その上に、ｐ型ダイヤモンドのエピタキシャル層を成長させた。エピタキシャル層の成長は、マイクロ波プラズマ成長装置で、マイクロ波プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）法を用いて作製した。成長条件は以下の通りである。
　総ガス流量　　：１０００ｓｃｃｍ
　ガス圧力　　　：１１０Ｔｏｒｒ
　キャリアガス　：水素
　材料ガス　　　：メタン（４％）
　ドーパントガス：トリメチルボロン（１１Ｂ≧９９．７％）
　メタン／水素比：１％
　ＲＦパワー　　：３．９ｋＷ
　基板　　　　　：Ｉｂ型単結晶ダイヤモンド（００１）基板
　　　　　　　　　　（オフ角：＜１１０＞方向に３°）
　基板温度　　　：８５０℃
　成長時間　　　：４時間
　（２）比較サンプル
　成長条件は、ドーパントガスとして通常のトリメチルボロン（天然存在比：１０Ｂ／１１Ｂ＝１／４）を用いる以外は、評価サンプルと同様である。
　エピタキシャル層の予想膜厚は１０．５μｍで、ｐ型ドーピング濃度は３～５×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３である。
　評価方法
　上述のように、ダイヤモンドの電気特性に影響を与えるのは１０Ｂから放出される高エネルギー荷電粒子７Ｌｉ、４Ｈｅである。ここで評価方法としては原子炉等で中性子を発生させ、１０Ｂ（ｎ，４Ｈｅ）７Ｌｉ反応により直接的に影響をすることも可能であるが、このような評価方法では、高速中性子による原子たたき出しやγ線による影響も考慮する必要がある。
　そこで、荷電粒子によって生じる影響のみを評価するために、サンプルに対して、荷電粒子加速器により４Ｈｅを照射することにより電気特性等に与える影響を評価した。つまり、式（２）の反応で発生する４Ｈｅを評価サンプルに照射して、電気特性等に与える影響を評価した。
　評価サンプル、比較サンプルには、４Ｈｅ＋イオンを３ＭｅＶで２回照射した。それぞれのイオン照射量は以下のとおりである。
　　１回目：１×１０１２ｉｏｎ／ｃｍ２
　　２回目：１×１０１３ｉｏｎ／ｃｍ２
　そして、Ｈｅイオンの照射前、１回目の照射後、２回目の照射後に評価を行った。評価内容は、比較サンプルについては以下の（１）と（２）、評価サンプルについては以下の（３）と（４）とした。
　（１）ＦＴ－ＩＲ測定によるＢ準位による吸収からのアクセプタ濃度の評価（ＮＡ－ＮＤ）。
　（２）ホール効果測定によるキャリア濃度、移動度、比抵抗の評価。
　（３）Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によるＴｒｉｐｌｅ　ａｘｉｓ高分解能ロッキングカーブ結晶性評価。
　（４）紫外可視吸光（ＵＶ／ＶＩＳ）測定により準位形成評価。
　評価結果
　図３は、評価サンプルの二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）結果である。縦軸は水素、ホウ素、窒素、シリコンの濃度（二次イオン強度）を表し、横軸は評価サンプルの表面からに深さを示す。図３では、表面から９μｍの深さにダイヤモンド基板の表面が存在している。また、この評価サンプルでは、１１Ｂのドーピング濃度は７×１０１４～４×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３で、１０Ｂのドーピング濃度は１×１０１４～２×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３となっている。表面近傍の値を代表値として１０Ｂ／１１Ｂを求めると、１０Ｂ／１１Ｂ＝（２×１０１５）／（４×１０１７）＝１／２００となり、自然界での比率（天然存在率）１／４に比較して、１０Ｂの割合が大幅に低減していることがわかる。
　（１）ＦＴ－ＩＲ測定結果
　図４は、比較サンプルのＨｅイオン照射前、１回目、２回目の照射後におけるＦＴ－ＩＲ測定結果である。
　図４から分かるように、２５００ｃｍ－１（０．３０５ｅＶ）、２８００ｃｍ－１（０．３４７ｅＶ）および４１００ｃｍ－１（０．５０７ｅＶ）付近に存在する電気伝導に関係する吸収ピークが、照射前（実線）の値から、１回目照射後（波線）、２回目照射後（一点鎖線）と、Ｈｅイオンの照射量が増えるほど低下している。このことから、Ｈｅイオンの照射量が多くなるほど、アクセプタ濃度が低くなることがわかる。
　（２）ホール測定結果
　図５は、比較サンプルのＨｅイオン照射前、１回目照射後、２回目照射後におけるホール測定結果であり、キャリア濃度、移動度および比抵抗の変化を示す。
　図５から分かるように、照射前の値から、１回目照射後、２回目照射後と、Ｈｅイオンの照射量が増えるほど、キャリア濃度、移動度は下がり、比抵抗は上昇することがわかる。
　（３）Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定結果
　図６は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法による、評価サンプルのＴｒｉｐｌｅ　ａｘｉｓ高分解能ロッキングカーブ結晶性評価の結果である。
　図６から分かるように、評価サンプルでは、Ｈｅイオン照射前後においてダイヤモンド結晶に対するラマン散乱光のピーク位置は変化せず、Ｈｅイオンを照射しても、結晶に歪めは生じないことがわかる。また、Ｈｅイオン照射前後においてピーク波長の半値幅は殆ど変化せず、結晶の乱れも発生していないことがわかる。
　（４）紫外可視吸光（ＵＶ／ＶＩＳ）測定結果
　図７は、紫外可視吸光（ＵＶ／ＶＩＳ）測定による評価サンプルの準位形成の評価結果である。横軸は吸収光の波長、縦軸は透過率Ｔである。評価は、Ｈｅイオン照射前と、２回目の照射後に行った。
　図７から分かるように、Ｈｅイオンを照射しても評価サンプルでは透過特性は殆ど変化せず、Ｈｅイオン照射による欠陥の発生は殆ど無いことがわかる。
　このように、評価サンプルでは、Ｈｅイオンを照射しても、ダイヤモンド結晶の歪や結晶の乱れ、欠陥の発生が認められず、荷電粒子の衝突による特性の劣化は発生しない。これは、ｐ型エピタキシャル層に含まれるホウ素の同位体の不純物濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）を天然存在比より小さくする（表面で１０Ｂ／１１Ｂ＝１／２００）ことにより、上記式（２）に示す荷電粒子生成反応が抑制されているためと考えられる。
　一方、比較サンプルでは、１回目のイオン照射後においても、ＦＴ－ＩＲ測定でアクセプタ濃度の低下が、またホール測定でキャリア濃度および移動度の低下、比抵抗の上昇が見られる。このことから、通常のホウ素（１０Ｂ／１１Ｂ＝１／４：天然存在比）をドーピング材料として使用した場合、中性子照射によりダイヤモンド半導体デバイスの性能に影響が生じていることがわかる。そして、ドーピングに用いるホウ素の割合を例えば１０Ｂ／１１Ｂ＝１／２００とすることで、この発生を５０倍の中性子照射量まで遅らせることが可能となる。
（実施の形態２）
　図８は、全体が３００で表される、実施の形態２にかかるＭＩＭＳＦＥＴ（Metal Insulator Metal Semiconductor FET）の断面図である。図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。ＭＩＭＳＦＥＴ３００では、単結晶Ｉｂ型のダイヤモンド基板１の上に、ｐ＋ダイヤモンドエピタキシャル層２０が設けられている。エピタキシャル層２０の上には、例えばＴｉからなる金属層２１と、例えばＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層２２が積層されている。さらに、絶縁層２２の両側にはソース電極１１とドレイン電極１２とが設けられ、また、絶縁層２２の上にはゲート電極１３が設けられている。
　電界効果トランジスタ１００と同様に、ＭＩＭＳＦＥＴ３００では、ｐ＋ダイヤモンドエピタキシャル層２０はｐ型ドーパントとしてホウ素を含む。ホウ素は、自然界で安定な１０Ｂと１１Ｂからなり、その割合は自然界における割合１：４より小さく（１０Ｂ／１１Ｂ＜１／４）、好ましくは１：１９以下であり（１０Ｂ／１１Ｂ≦１／１９）、より好ましくは１／１９以下でかつ１／２００以上であり、更に好ましくは約１：２００（１０Ｂ／１１Ｂ＝１／２００）となっている。
　実施の形態２にかかるＭＩＭＳＦＥＴ３００では、ｐ＋ダイヤモンドエピタキシャル層２０に含まれるホウ素中の１０Ｂの割合を天然存在比より低くすることにより、中性子が照射されても式（２）に示す荷電粒子生成反応が抑制され、電気特性の劣化を防止できる。
（実施の形態３）
　図９は、全体が４００で表される、実施の形態３にかかるショットキダイオードの断面図である。図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。ショットキダイオード４００では、単結晶Ｉｂ型のダイヤモンド基板１の上に、ダイヤモンドのｐ型導電層３０、ダイヤモンドの高純度層３１が積層されている。ｐ型導電層３０の上には、例えばＡｕからなるアノード電極４０が設けられる。一方、高純度層３１の上には、例えばＭｏやＲｕからなるカソード電極が設けられ、ショットキ接合を形成する。
　ショットキダイオード４００では、ダイヤモンドからなるｐ型導電層３０はｐ型ドーパントとしてホウ素を含む。ホウ素は、自然界で安定な１０Ｂと１１Ｂからなり、その割合は自然界における割合１：４より小さく（１０Ｂ／１１Ｂ＜１／４）、好ましくは１：１９以下（１０Ｂ／１１Ｂ≦１／１９）であり、より好ましくは１／１９以下でかつ１／２００以上であり、更に好ましくは約１：２００（１０Ｂ／１１Ｂ＝１／２００）となっている。
　実施の形態３にかかるショットキダイオード４００では、ｐ型導電層３０に含まれるホウ素中の１０Ｂの割合を天然存在比より低くすることにより、中性子が照射されても式（２）に示す荷電粒子生成反応が抑制され、電気特性の劣化を防止できる。
　実施の形態１～３では、電界効果トランジスタ、ＭＩＭＳＦＥＴ、ショットキダイオードについて説明したが、本発明は、ＭＩＳＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等、他のｐ型領域を有するダイヤモンド半導体デバイスに適用することにより、デバイスの放射線特性を向上させることができる。
　高温、高放射線環境下で使用される半導体デバイス、特に原子炉格納容器内で使用されるＢＷＲ用原子炉格納容器モニタ（ＣＡＭＳ）、ＰＷＲ用事故後監視計（伝送器、ＰＡＭ）、起動系モニタ用前置増幅器、マルチプレクサ等として利用できる。
　　１　ダイヤモンド基板
　　２　エピタキシャル層
　　３　ソース領域
　　４　ドレイン領域
　　５　チャネル領域
　　１１　ソース電極
　　１２　ドレイン電極
　　１３　ゲート電極
　　１００　電界効果トランジスタ

Claims (6)

  1. 　ダイヤモンドからなるｐ型領域を有し、
    　該ｐ型領域のｐ型不純物は、１０Ｂと１１Ｂの２つの同位体を含むホウ素からなり、
    　該ｐ型領域に含まれる該同位体の濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）は、該同位体の天然存在比より小さいことを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
  2. 　ダイヤモンドの基板と、
    　該基板の上に設けられ、ドーパントとしてホウ素を含むダイヤモンドの活性層と、
    　該活性層中に設けられ、ドーパントとしてホウ素を含むダイヤモンドのソース領域およびドレイン領域と、
    　該ソース領域およびドレイン領域の上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレイン電極と、
    　該ソース領域と該ドレイン領域で挟まれた該活性層からなるチャネル領域の上に設けられたゲート電極とを含み、
    　該ソース領域、該ドレイン領域、および該活性層に含まれるホウ素は１０Ｂと１１Ｂの２つの同位体を含み、その濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）は該同位体の天然存在比より小さいことを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
  3. 　ダイヤモンドの基板と、
    　該基板の上に設けられ、ドーパントとしてホウ素を含むダイヤモンドの導電性層と、
    　該導電性層の上に設けられたダイヤモンドの高純度層と、
    　該導電性層の上に設けられたアノード電極と、
    　該高純度層の上に設けられたカソード電極とを含み、
    　該導電性層に含まれるホウ素は１０Ｂと１１Ｂの２つの同位体を含み、その濃度の比（１０Ｂ／１１Ｂ）は該同位体の天然存在比より小さいことを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
  4. 　上記同位体の濃度比（１０Ｂ／１１Ｂ）は、１／１９またはそれより小さいことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のダイヤモンド半導体デバイス。
  5. 　上記同位体の濃度比（１０Ｂ／１１Ｂ）は、１／２００またはそれより小さいことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のダイヤモンド半導体デバイス。
  6. 　上記同位体の濃度比（１０Ｂ／１１Ｂ）は、１／１９以下でかつ１／２００以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のダイヤモンド半導体デバイス。
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