(57)【要約】      （修正有）【課題】転位密度を低減した単結晶ダイヤモンドの提供。【解決手段】基板１上に形成された単層の単結晶ダイヤモンド層であり、点欠陥を含む第１の単結晶ダイヤモンド層２を備え、第１の単結晶ダイヤモンド層２は、基板１よりも低い転位密度を有する、単結晶ダイヤモンド１０。第１の単結晶ダイヤモンド層２上に配置され、基板１よりも低い転位密度を有する第２の単結晶ダイヤモンド層３を更に備える、単結晶ダイヤモンド１０。第１の単結晶ダイヤモンド層２は、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰのいずれかと、ＳｉおよびＭｏとを含む、単結晶ダイヤモンド１０。単結晶ダイヤモンド１０と、第２の単結晶ダイヤモンド層３とショットキー接合を形成する第１の金属と、第１の単結晶ダイヤモンド層２または第２の単結晶ダイヤモンド層３とオーミック接合を形成する第２の金属とを備える半導体素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された単層の単結晶ダイヤモンド層であり、点欠陥を含む第１の単結晶ダイヤモンド層を備え、
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、前記基板よりも低い転位密度を有する、単結晶ダイヤモンド。
【請求項２】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層上に配置され、前記基板よりも低い転位密度を有する第２の単結晶ダイヤモンド層を更に備える、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項３】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む、請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項４】
前記シリコンおよびモリブデンの各々の含有量は、前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量よりも２桁以上少ない、請求項３に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項５】
前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3である、請求項４に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項６】
前記第２の単結晶ダイヤモンド層は、前記基板よりも２桁以上少ない転位密度を有する、請求項２から請求項５のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項７】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、１μｍ以上の膜厚を有する、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項８】
前記第２の単結晶ダイヤモンド層は、２００μｍ以上の膜厚を有する、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項９】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、更に、ｐ型ドーパントを含む、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１０】
前記第２の単結晶ダイヤモンドは、更に、ｐ型ドーパントを含む、請求項９に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１１】
前記第１の単結晶ダイヤモンドの前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3であり、
前記第２の単結晶ダイヤモンドの前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3である、請求項１０に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１２】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１３】
前記シリコンおよびモリブデンの各々の含有量は、前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量よりも２桁以上少ない、請求項１２に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１４】
前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3である、請求項１３に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１５】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、１μｍ以上の膜厚を有する、請求項１，１２〜１４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１６】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、更に、ｐ型ドーパントを含む、請求項１，１２〜１５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１７】
前記第１の単結晶ダイヤモンドの前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3である、請求項１６に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１８】
前記基板は、単結晶ダイヤモンドまたはヘテロダイヤモンドからなる、請求項１から請 求項１７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１９】
請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドと、
前記第２の単結晶ダイヤモンド層とショットキー接合を形成する第１の金属と、
前記第１の単結晶ダイヤモンド層または前記第２の単結晶ダイヤモンド層とオーミック接合を形成する第２の金属とを備える半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイヤモンド膜の転位密度を低減する方法として非特許文献１〜３に記載のものが知られている。
【０００３】
非特許文献１に記載の転位密度を低減する方法は、ダイヤモンド膜を厚膜化することによって転位密度を低減する方法である。そして、ダイヤモンド膜の膜厚を１ｍｍ以上に厚膜化にすることによって、転位密度を１×１０10ｃｍ-2から４×１０7ｃｍ-2まで低減できることが記載されているが、低転位化によって転位線の間隔が広くなると、その効果は小さくなるので１×１０6ｃｍ-2を下回る密度まで転位密度を低減することはできない。
【０００４】
非特許文献２に記載の転位密度を低減する方法は、ヘテロエピタキシャル成長の前処理において核生成領域を限定したパターンを形成し、横方向結晶成長(ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth)によって転位伝搬方向を制御することによって転位密度を低減する方法である。そして、この方法によって転位密度を１×１０8ｃｍ-2程度まで低減できる。
【０００５】
非特許文献３に記載の転位密度を低減する方法は、エッチピット(転位存在箇所)に金属ナノパーティクルを形成し、その後、ＣＶＤでダイヤモンドを成長させることによって転位密度を低減する方法である。金属ナノパーティクルの形成を必要とするため、時間とコストを有する他、転位伝搬の制御性にも問題があり、１×１０6ｃｍ-2を下回る低転位化は実現されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】C. Stehl, M. Fischer, S. Gsell, E. Berdermann, M. S. Rahman, M. Traeger, O. Klein, and M. Scheck, “Efficiency of dislocation density reduction during heteroepitaxial growth of diamond for detector applications,” APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 151905 (2013).
【非特許文献２】Kimiyoshi Ichikawa, Hideyuki Kodama, Kazuhiro Suzuki, Atsuhito Sawabe, “Effect of stripe orientation on dislocation propagation in epitaxial lateral overgrowth diamond on Ir,”Diamond & Related Materials 72 (2017) 114-118.
【非特許文献３】M. Naamoun, A. Tallaire, P. Doppelt, A. Giccquel, J. Barjon, J. Achard, “Reduction of dislocation densities in single crystal CVD diamond by using self-assembled metallic masks,” Diamond & Related Materials 58 (2015) 62-68.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１〜３に記載の方法では、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドなどの比較的転位密度の大きい試料に対して有効であるが、一貫して１×１０6ｃｍ-2を下回る低転位化は不可能であり、転位の伝搬を完全には抑制できていない。
【０００８】
そこで、この発明の実施の形態によれば、転位密度を低減した単結晶ダイヤモンドを提供する。
【０００９】
また、この発明の実施の形態によれば、転位密度を低減した単結晶ダイヤモンドを用いた半導体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（構成１）
この発明の実施の形態によれば、単結晶ダイヤモンドは、第１の単結晶ダイヤモンド層を備える。第１の単結晶ダイヤモンド層は、基板上に形成され、点欠陥を含む。そして、第１の単結晶ダイヤモンド層は、基板よりも低い転位密度を有する。
【００１１】
(構成２)
構成１において、単結晶ダイヤモンドは、第２の単結晶ダイヤモンド層を更に備える。第２の単結晶ダイヤモンド層は、第１の単結晶ダイヤモンド層上に配置され、基板よりも低い転位密度を有する。
【００１２】
(構成３)
構成１または構成２において、第１の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む。
【００１３】
(構成４)
構成２または構成３において、第２の単結晶ダイヤモンド層は、基板よりも２桁以上少ない転位密度を有する。
【００１４】
(構成５)
構成１から構成４のいずれかにおいて、第１の単結晶ダイヤモンド層は、１μｍ以上の膜厚を有する。
【００１５】
(構成６)
構成２から構成５のいずれかにおいて、第２の単結晶ダイヤモンド層は、２００μｍ以上の膜厚を有する。
【００１６】
(構成７)
構成２から構成５のいずれかにおいて、第１の単結晶ダイヤモンド層は、更に、ｐ型ドーパントを含む。
【００１７】
(構成８)
また、この発明の実施の形態によれば、半導体素子は、構成７に記載の単結晶ダイヤモンドと、第１および第２の金属とを備える。第１の金属は、第２の単結晶ダイヤモンド層とショットキー接合を形成する。第２の金属は、第１の単結晶ダイヤモンド層または第２の単結晶ダイヤモンド層とオーミック接合を形成する。
【発明の効果】
【００１８】
単結晶ダイヤモンドの転位密度を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンドの断面図である。
【図２】図１に示す単結晶ダイヤモンドの製造方法を示す工程図である。
【図３】この発明の実施の形態による半導体素子の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態による別の半導体素子の断面図である。
【図５】実施例１における単結晶ダイヤモンドのカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。
【図６】タングステンの深さ方向に対する分布を示す図である。
【図７】実施例３における単結晶ダイヤモンドのカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。
【図８】実施例４における単結晶ダイヤモンドのカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。
【図９】実施例５における単結晶ダイヤモンドのカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。
【図１０】室温における実施例６および比較例２の半導体素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１１】実施例６および比較例２の半導体素子の別の電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】室温における半導体素子のリーク電流と電界強度との関係を示す図である。
【図１３】室温における実施例７の半導体素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１４】室温における実施例８および比較例３の半導体素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１５】実施例８および比較例３の半導体素子の理想因子（ｎ値）を示す図である。
【図１６】実施例８および比較例３の半導体素子のバイアハイトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンドの断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンド１０は、基板１と、単結晶ダイヤモンド層２，３とを備える。
【００２１】
基板１は、単結晶ダイヤモンドまたはヘテロダイヤモンドからなる。単結晶ダイヤモンドは、例えば、１×１０2ｃｍ-2〜１×１０6ｃｍ-2の転位密度を有し、ヘテロダイヤモンドは、例えば、１×１０8〜１×１０10ｃｍ-2の転位密度を有する。また、基板１は、複数のダイヤモンドを平板状(例えば、碁盤目状)に配列または接合した基板からなっていてもよい。更に、ヘテロダイヤモンドの場合、基板にイリジウム(Ｉｒ)、シリコン(Ｓｉ)、シリコンカーバイト(ＳｉＣ)、窒化ガリウム(ＧａＮ)および炭化タングステン(ＷＣ)等のダイヤモンド以外の材料を含んでいてもよく、それらの異種基板を取り除いた自立結晶でもよい。
【００２２】
単結晶ダイヤモンド層２は、基板１の表面に接して基板１上に配置される。単結晶ダイヤモンド層２は、タングステン(Ｗ)、タンタル(Ｔａ)、レニウム(Ｒｅ)、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イリジウム（Ｉｒ）およびリン（Ｐ）のいずれかと、シリコン(Ｓｉ)およびモリブデン(Ｍｏ)とを含む。Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰの各々は、原子半径がカーボン（Ｃ）よりも大きく、かつ、単結晶ダイヤモンドの格子間に入る元素である。
【００２３】
Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰの各々の含有量は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3である。ＳｉおよびＭｏの各々の含有量は、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰのいずれかの含有量よりも２桁以上少ない。単結晶ダイヤモンドにおいては、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰの含有量は、１×１０20ｃｍ-3が限度であり、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰの含有量を１×１０20ｃｍ-3よりも増加させることは好ましくない。Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰのいずれかと、ＳｉおよびＭｏとは、単結晶ダイヤモンド層２に含まれることにより点欠陥を生成する。この点欠陥は、ダイヤモンドの格子間に形成される。単結晶ダイヤモンド層２の点欠陥密度は、例えば、１×１０16ｃｍ-3〜１０20ｃｍ-3である。そして、単結晶ダイヤモンド層２は、例えば、１〜２μｍの厚みを有する。なお、単結晶ダイヤモンド層２は、１μｍ以上の厚みを有していればよい。１μｍ以上の厚みを有していれば、後述するように、単結晶ダイヤモンド層２，３の転位密度を基板１の転位密度よりも減少できるからである。
【００２４】
単結晶ダイヤモンド層２は、ボロン(Ｂ)を含んでいてもよく、Ｂを含んでいなくてもよい。単結晶ダイヤモンド層２がＢを含む場合、Ｂ濃度は、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3である。
【００２５】
単結晶ダイヤモンド層３は、単結晶ダイヤモンド層２に接して単結晶ダイヤモンド層２上に配置される。
【００２６】
単結晶ダイヤモンド層３は、Ｂを含んでいてもよく、Ｂを含んでいなくてもよい。単結晶ダイヤモンド層３がＢを含む場合、Ｂ濃度は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3である。そして、単結晶ダイヤモンド層３の厚みは、特に限定されないが、単結晶ダイヤモンド層３が宝石に用いられる場合、単結晶ダイヤモンド層３の厚みは、２００μｍ以上である。
【００２７】
単結晶ダイヤモンド層２は、２×１０6ｃｍ-2以下の転位密度を有する。単結晶ダイヤモンド層３は、例えば、０〜１×１０4ｃｍ-2(即ち、１×１０4ｃｍ-2以下)の転位密度を有する。このように、単結晶ダイヤモンド層２が点欠陥を含む(即ち、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｒおよびＰのいずれかと、ＳｉおよびＭｏとを含む)ことにより、単結晶ダイヤモンド層３の転位密度を基板１よりも２桁以上低減できる。
【００２８】
基板１が単結晶ダイヤモンドからなる場合、単結晶ダイヤモンド層２，３は、ホモエピタキシャル成長され、基板１が単結晶ダイヤモンド以外のＳｉ等からなる場合、単結晶ダイヤモンド層２，３は、ヘテロエピタキシャル成長される。
【００２９】
図２は、図１に示す単結晶ダイヤモンド１０の製造方法を示す工程図である。図２を参照して、まず、基板１を準備する(工程(ａ)参照)。基板１は、例えば、(１００)面を有する単結晶ダイヤモンドである。
【００３０】
次に、フィラメントが配置された真空容器中に基板１を配置し、炭素源を含むキャリアガスを真空容器内に導入する。そして、熱フィラメントＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に成長させる(工程(ｂ)参照)。
【００３１】
引き続いて、ＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に成長させる(工程(ｃ)参照)。これによって、単結晶ダイヤモンド１０が製造される。ＣＶＤ法としては、マイクロ波プラズマ、ＤＣプラズマ、燃焼法、アークジェット法および熱フィラメント法を用いることができる。
【００３２】
なお、基板１が単結晶ダイヤモンド以外のＳｉ等からなる場合も、図２に示す工程図に従って単結晶ダイヤモンド１０が製造される。
また、工程（ｂ）において、単結晶ダイヤモンド層２は、炭素源を含むガスと、タングステン源を含むガス、タンタル源を含むガスおよびレニウム源を含むガスのいずれかと、シリコン源を含むガスと、モリブデン源を含むガスとを用いて、マイクロ波プラズマ、ＤＣプラズマ、燃焼法およびアークジェット法等によって形成されてもよい。
【００３３】
図３は、この発明の実施の形態による半導体素子の断面図である。図３を参照して、この発明の実施の形態による半導体素子１００は、基板１と、単結晶ダイヤモンド層２，３と、電極４，５とを備える。即ち、半導体素子１００は、図１に示す単結晶ダイヤモンド１０に電極４，５を追加した構成からなる。
【００３４】
電極４，５は、単結晶ダイヤモンド層３に接して単結晶ダイヤモンド層３上に配置される。電極４は、ショットキー接合用の電極であり、電極５は、オーミック接合用の電極である。
【００３５】
電極４は、例えば、Ｍｏ／Ａｕ、Ｒｕ／Ａｕ、Ａｕ、Ｒｕ、ＰｔおよびＭｏのいずれかからなり、電極５は、例えば、Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕおよびＴｉ／Ａｕのいずれかからなる。
【００３６】
半導体素子１００においては、単結晶ダイヤモンド層２は、Ｂがドープされたｐ型単結晶ダイヤモンドからなる。Ｂ濃度は、例えば、１×１０20ｃｍ-3である。また、単結晶ダイヤモンド層３は、Ｂがドープされていてもよいし、Ｂがドープされていなくてもよい。Ｂがドープされる場合、Ｂ濃度は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3である。
【００３７】
半導体素子１００は、図２に示す工程図に従って単結晶ダイヤモンド１０を製造した後、例えば、蒸着法によって電極４，５を単結晶ダイヤモンド層３上に形成することによって製造される。
【００３８】
図４は、この発明の実施の形態による別の半導体素子の断面図である。この発明の実施の形態による半導体素子は、図４に示す半導体素子１００Ａであってもよい。
【００３９】
図４を参照して、半導体素子１００Ａは、基板１の一部をエッチングによって除去し、電極５を基板１および単結晶ダイヤモンド層２に接するように形成した構造からなる。半導体素子１００Ａにおいては、キャリア(正孔および電子)は、電極４，５間を縦方向に移動するので、直列抵抗を低減できる。
【００４０】
半導体素子１００Ａは、図２に示す工程図に従って単結晶ダイヤモンド１０を製造した後、基板１の一部をエッチング除去し、例えば、蒸着法によって電極４を単結晶ダイヤモンド層３上に形成し、電極５を基板１および単結晶ダイヤモンド層２に接するように形成することによって製造される。
【００４１】
上述したように、この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンド１０は、点欠陥を有する単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成し、単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に形成した構造からなる。
【００４２】
単結晶ダイヤモンドの成長においては、基板１が転位を有する場合、基板１上に形成された単結晶ダイヤモンドは、基板１の転位を引き継いで成長する。しかし、単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成した場合、単結晶ダイヤモンド層２中の点欠陥が基板１から引き継がれた転位の伝搬(厚み方向の伝搬)を抑制する。
【００４３】
その結果、単結晶ダイヤモンド層２は、基板１よりも低い転位密度を有する。そして、単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に形成した場合、単結晶ダイヤモンド層３は、単結晶ダイヤモンド層２中の転位を引き継ぐだけである。その結果、単結晶ダイヤモンド層２，３中の転位密度を基板１の転位密度よりも低減できる。従って、単結晶ダイヤモンド１０が基板１／単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３の構造からなることによって、基板１の転位密度が単結晶ダイヤモンド層２，３へ伝搬するのを抑制できる。
【００４４】
なお、この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンドは、図１に示す単結晶ダイヤモンド１０から単結晶ダイヤモンド層３を削除したものであってもよい。その理由は、次のとおりである、単結晶ダイヤモンドは、基板１／単結晶ダイヤモンド層２の構造からなるが、基板１から伝搬した転位は、単結晶ダイヤモンド層２の途中（単結晶ダイヤモンド層２の厚み方向の途中）で点欠陥によって単結晶ダイヤモンド層２の厚み方向に更に伝搬するのを抑制される。従って、この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンドが基板１／単結晶ダイヤモンド層２の構造を有していれば、基板１よりも低い転位密度を有する単結晶ダイヤモンドを形成できるからである。
【００４５】
以下、この発明の実施の形態による単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた半導体素子について実施例を用いて詳細に説明する。
【００４６】
(実施例１)
ＣＶＤ製基板を基板１として用いた。ＣＶＤ製基板は、(１００)面を３°オフさせたものである。
【００４７】
そして、sp3 Diamond Technologies社製、Model-650の熱フィラメントＣＶＤ装置を単結晶ダイヤモンド層２の成長に用いた。この熱フィラメントＣＶＤ装置は、並列に配置された１９本の熱フィラメントを有する。熱フィラメントは、純度９９.９％のタングステン(Ｗ)からなり、直径が０．１２ｍｍであり、長さが４０ｃｍである。また、熱フィラメントは、基板１との距離が１５ｍｍになるように配置された。
【００４８】
ＣＶＤ製基板を熱フィラメントＣＶＤ装置内の支持台上に配置し、熱フィラメントＣＶＤ装置内の圧力が１Ｐａになるまで熱フィラメントＣＶＤ装置内を真空引きした。
【００４９】
その後、１８０Ｖ、６０Ａの直流電力を熱フィラメントに印加し、熱フィラメントを２１００℃に昇温した。
【００５０】
そして、基板温度を７００℃〜８００℃に設定し、３０ｓｃｃｍのメタン(ＣＨ４)ガスと１０００ｓｃｃｍの水素(Ｈ２)ガスとを熱フィラメントＣＶＤ装置内に導入し、熱フィラメントＣＶＤ装置内の圧力を３９９０Ｐａに設定した。その後、１０時間、単結晶ダイヤモンドを成長させ、２μｍの厚みを有する単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成した。
【００５１】
単結晶ダイヤモンド層２の形成後、基板１／単結晶ダイヤモンド層２を熱フィラメントＣＶＤ装置から取り出し、基板１／単結晶ダイヤモンド層２をSEKI DIAMOND SYSTEMS社製の５ｋＷマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内の支持台上に設置した。
【００５２】
そして、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内の圧力が５×１０-5Ｐａになるまでマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内を真空引きした。
【００５３】
引き続いて、基板温度を９００℃に設定し、２０ｓｃｃｍのメタン(ＣＨ４)ガスと４８０ｓｃｃｍの水素(Ｈ２)ガスとをマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に導入し、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内の圧力を１５９６０Ｐａに設定した。
【００５４】
そして、２５００Ｗの高周波電力を印加し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、１時間、単結晶ダイヤモンドを単結晶ダイヤモンド層２上に成長させ、４μｍの厚みを有する単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に形成した。
【００５５】
実施例１における単結晶ダイヤモンド１０−１のカソードルミネッセンスを測定した。測定に用いた装置は、日本電子社製のJSM-7001Fである。また、カソードルミネッセンスの測定条件は、加速電圧１５ｋＶ、試料温度３００Ｋ、バンドパスフィルターの中心波長が４３０ｎｍである。
【００５６】
図５は、実施例１における単結晶ダイヤモンド１０−１のカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。図５の(ａ)は、実施例１における単結晶ダイヤモンド１０−１のカソードルミネッセンスの測定結果を示し、図５の(ｂ)は、ダイヤモンド基板(ダイヤモンドからなる基板１)のカソードルミネッセンスの測定結果を示す。
【００５７】
図５を参照して、実施例１における単結晶ダイヤモンド１０−１からの発光は、殆ど、観測されない(図５の(ａ)参照)。一方、ダイヤモンド基板からは、多くの発光が観測された。
そして、カソードルミネッセンスの測定結果から転位密度を求めた結果、実施例１における単結晶ダイヤモンド１０−１の転位密度は、２．６×１０4ｃｍ-2であり、ダイヤモンド基板の転位密度は、２.１×１０6ｃｍ-2であった。
【００５８】
このように、単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３の構成を採用することによって、転位密度を約２桁低減できる。ダイヤモンドの分野においては、研究者は、転位密度を減少できるとの認識を有していない。従って、実施例１に示すように転位密度を減少できるとの効果は、当業者が予測できない効果である。そして、２．１×１０6ｃｍ-2から２．６×１０4ｃｍ-2へと２桁、転位密度を減少できるという効果は、当業者が全く予測できない効果である。このように、単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３の構成を採用することによって、当業者が予測できない顕著な効果を享受できる。
【００５９】
単結晶ダイヤモンド層２中のタングステン濃度を調べるためにＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectrometry)を測定した。ＳＩＭＳの測定に用いた装置は、CAMECA社製のIMS-7ｆである。
【００６０】
図６は、タングステンの深さ方向に対する分布を示す図である。図６において、縦軸は、タングステン濃度を表し、横軸は、深さ方向の距離を表す。なお、ＳＩＭＳの測定に用いた単結晶ダイヤモンド層２の厚みは、７．５μｍである。
【００６１】
図６を参照して、タングステンは、深さ方向において約２×１０18ｃｍ-3の濃度で均一に分布することが分かった。このように、タングステンからなる熱フィラメントを用いて熱フィラメントＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドを成長させた場合、タングステンが単結晶ダイヤモンド中に取り込まれることが分かった。また、熱フィラメントＣＶＤ法によって成長させたダイヤモンドは、ＳＩＭＳの測定結果から１．４×１０16ｃｍ-3のＭｏおよび１．０×１０16ｃｍ-3のＳｉを含むことも分かった。このように、ＳｉおよびＭｏの含有量は、Ｗの含有量よりも２桁以上少ない。
【００６２】
そして、上述したカソードルミネッセンスおよびＳＩＭＳの測定結果によれば、単結晶ダイヤモンド層２がタングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、ＭｏおよびＳｉとを含むことによって転位密度を２．６×１０4ｃｍ-2に低減できることが分かった。タングステン、モリブデンおよびシリコンが単結晶ダイヤモンド層２中に含まれることによって単結晶ダイヤモンド１０−１の転位密度が低減できることが示されていれば、タングステンと同じように、原子半径がカーボンよりも大きく、かつ、単結晶ダイヤモンドの格子間に入る元素であるタンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、ＭｏおよびＳｉとが、単結晶ダイヤモンド層２中に入ることによって、単結晶ダイヤモンド１０−１の転位密度を低減できることを容易に理解できるからである。
【００６３】
(比較例１)
実施例１と同じＣＶＤ製基板を基板１として用いた。そして、比較例１として、実施例１における単結晶ダイヤモンド層３の形成条件を用いてマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンド層(１層の単結晶ダイヤモンド層からなる)を基板１上に形成した。
【００６４】
そして、形成した単結晶ダイヤモンド層についてカソードルミネッセンスを測定し、転位密度を求めた結果、２．１×１０6ｃｍ-2であった。なお、カソードルミネッセンスの測定に用いた装置および測定条件は、実施例１と同じである。
【００６５】
マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンド層を成長させる場合、タングステン源、シリコン源およびモリブデン源は、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に存在しないので、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって成長した単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、シリコンおよびモリブデン(即ち、点欠陥)を含まない。その結果、転位密度を基板の転位密度よりも低減することができない。つまり、転位密度の伝搬を抑制できない。タングステンの代わりに、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかを用いた場合も、同様である。
【００６６】
(実施例２)
転位密度が１×１０4ｃｍ-2である高温高圧基板（ＨＰＨＴ製Ｉｂ基板）を基板１として用いた。そして、実施例１における単結晶ダイヤモンド層２の形成条件と同じ条件を用いて熱フィラメントＣＶＤ法によってｐ+型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成し、その後、単結晶ダイヤモンド層２の形成条件と同じ形成条件を用いて熱フィラメントＣＶＤ法によってｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に形成して単結晶ダイヤモンド(基板１／単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３)を作製した。
【００６７】
この場合、ｐ+型単結晶ダイヤモンドを形成する材料ガスとして水素希釈の２％トリメチルボロン(ＴＭＢ：Ｂ(ＣＨ３)３)ガスを５ｓｃｃｍ、熱フィラメントＣＶＤ装置内に導入した。単結晶ダイヤモンド層２のＢ濃度は、１×１０20ｃｍ-3である。また、ｐ型単結晶ダイヤモンドを形成する材料ガスとして水素希釈の２％トリメチルボロン(ＴＭＢ：Ｂ(ＣＨ３)３)ガスを１ｓｃｃｍ、熱フィラメントＣＶＤ装置内に導入した。単結晶ダイヤモンド層３のＢ濃度は、２×１０18ｃｍ-3である。
【００６８】
そして、実施例２における単結晶ダイヤモンド１０−２の単結晶ダイヤモンド層２および単結晶ダイヤモンド層３の各々についてカソードルミネッセンスを測定した。その結果、単結晶ダイヤモンド層２および単結晶ダイヤモンド層３の転位密度は、０ｃｍ-2であった。
このように、単結晶ダイヤモンド層２および単結晶ダイヤモンド層３の両方を熱フィラメントＣＶＤ法で形成することにより、単結晶ダイヤモンドの転位密度を０ｃｍ-2にできることが分かった。
【００６９】
(実施例３)
１．２×１０6ｃｍ-2の転位密度を有する基板１を用いた以外は、実施例１と同様にして基板１／単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３からなる単結晶ダイヤモンドを作製した。
【００７０】
図７は、実施例３における単結晶ダイヤモンド１０−３のカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。カソードルミネッセンスの測定に用いた測定装置および測定条件は、実施例１において説明したとおりである。
【００７１】
図７を参照して、実施例３における単結晶ダイヤモンド１０−３からの発光は、全く、観測されない。従って、実施例３における単結晶ダイヤモンド１０−３の転位密度は、０ｃｍ-2であることが分かった。なお、カソードルミネッセンスは、単結晶ダイヤモンド１０−３の数か所の領域について測定されたが、その全ての領域において、単結晶ダイヤモンド１０−３からの発光が観測されず、単結晶ダイヤモンド１０−３の転位密度が０ｃｍ-2であることを確認した。
【００７２】
（実施例４）
ヘテロダイヤモンドを基板１として用いた。そして、実施例１と同様の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いてｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成した。
【００７３】
この場合、熱フィラメントの温度、基板温度および熱フィラメントＣＶＤ装置内の圧力は、実施例１と同じに設定された。また、材料ガスとして、メタン(ＣＨ４)ガス、水素(Ｈ２)ガスおよびトリメチルボロン（ＴＭＢ：Ｂ(ＣＨ３)３)ガスを用い、メタン(ＣＨ４)ガスの流量は、３０ｓｃｃｍであり、水素(Ｈ２)ガスの流量は、１０００ｓｃｃｍである。ｐ型単結晶ダイヤモンドの膜厚は、３μｍである。
【００７４】
実施例４における単結晶ダイヤモンド１０−４のカソードルミネッセンスを測定した。測定に用いた装置は、実施例１における装置と同じである。カソードルミネッセンスの測定条件は、加速電圧１５ｋＶ、試料温度８０Ｋ、バンドパスフィルターの中心波長が４３０ｎｍである。
【００７５】
図８は、実施例４における単結晶ダイヤモンド１０−４のカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。図８の(ａ)は、実施例４における単結晶ダイヤモンド１０−４のカソードルミネッセンスの測定結果を示し、図８の(ｂ)は、ヘテロダイヤモンド（＝基板）のカソードルミネッセンスの測定結果を示す。
図８を参照して、実施例４における単結晶ダイヤモンド１０−４からの発光は、ヘテロダイヤモンドからの発光よりも少ない。
【００７６】
そして、カソードルミネッセンスの測定結果から転位密度を求めた結果、実施例４における単結晶ダイヤモンド１０−４の転位密度は、２×１０6ｃｍ-2であり、ヘテロダイヤモンドの転位密度は、１×１０8ｃｍ-2であった。
【００７７】
このように、単層の単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成することによって、単結晶ダイヤモンド層２の転位密度を基板１の転位密度よりも約２桁低減できることが分かった。
【００７８】
（実施例５）
実施例１と同じＣＶＤ製基板を基板１として用いた。そして、純度９９．９％のタンタル（Ｔａ）からなる熱フィラメントを用いて、実施例１の単結晶ダイヤモンド層２の形成条件と同じ形成条件で基板１上に単結晶ダイヤモンド層２を形成し、基板１／単結晶ダイヤモンド層２を作製した。
【００７９】
図９は、実施例５における単結晶ダイヤモンドのカソードルミネッセンスの測定結果を示す図である。図９の(ａ)は、実施例５における単結晶ダイヤモンド１０−５のカソードルミネッセンスの測定結果を示し、図９の(ｂ)は、ダイヤモンド基板(ダイヤモンドからなる基板１)のカソードルミネッセンスの測定結果を示す。なお、カソードルミネッセンスの測定に用いた装置および測定条件は、実施例１と同じである。
【００８０】
図９を参照して、実施例５における単結晶ダイヤモンド１０−５からの発光は、殆ど、観測されない(図９の(ａ)参照)。一方、ダイヤモンド基板からは、多くの発光が観測された。
そして、カソードルミネッセンスの測定結果から転位密度を求めた結果、実施例５における単結晶ダイヤモンド１０−５の転位密度は、７．６×１０4ｃｍ-2であり、ダイヤモンド基板の転位密度は、２.１×１０6ｃｍ-2であった。
【００８１】
このように、Ｔａからなる熱フィラメントを用いて単結晶ダイヤモンド層２を形成することによって、転位密度を２．１×１０6ｃｍ-2から７．６×１０4ｃｍ-2へと減少できた。これは、Ｔａからなる熱フィラメントを用いて単結晶ダイヤモンド層２を形成することによって、Ｔａ、ＳｉおよびＭｏが単結晶ダイヤモンド層２中に入り、点欠陥を形成し、基板１からの転位の伝搬が抑制されたためと考えられる。従って、Ｔａからなる熱フィラメントを用いた場合も、基板１からの転位の伝搬を抑制し、単結晶ダイヤモンド層２の転位密度を低減できることが実証された。
実施例１〜５に示したように、単結晶ダイヤモンド層２の厚みが１μｍ以上であれば、転位密度を１０4ｃｍ-2台に低減でき、好ましくは、２桁以上低減できることが分かった。
【００８２】
(実施例６)
実施例１と同じＣＶＤ製基板を基板１として用いた。そして、実施例１における単結晶ダイヤモンド層２の形成条件と同じ条件を用いてｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成し、その後、実施例１と同様にして単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に形成して単結晶ダイヤモンド(基板１／単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３)を作製した。この場合、ｐ型単結晶ダイヤモンドを形成する材料ガスとして水素希釈の２％トリメチルボロン(ＴＭＢ：Ｂ(ＣＨ３)３)ガスを５ｓｃｃｍ、熱フィラメントＣＶＤ装置内に導入した。また、単結晶ダイヤモンド層２のＢ濃度は、１×１０20ｃｍ-3である。
【００８３】
その後、１０００℃、１５９６０Ｐａ、５分の条件でマイクロ波プラズマＣＶＤ法による水素プラズマを用いて、単結晶ダイヤモンド層３の表面を水素によって終端した。
そして、蒸着法によって、オーミック電極としてＴｉ／Ｍｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３上に形成した。この場合、Ｔｉは、１０ｎｍの厚みを有し、Ｍｏは、１０ｎｍの厚みを有し、Ａｕは、３０ｎｍの厚みを有する。
【００８４】
オーミック電極の形成後、単結晶ダイヤモンド層３の表面を酸素プラズマによって処理した。この場合、基板温度は、室温であり、酸素(Ｏ２)ガスの流量は、６０ｓｃｃｍであり、圧力は、５Ｐａである。
【００８５】
酸素プラズマによる処理を行った後、蒸着法によって、ショットキー電極としてＭｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成して半導体素子(図３に示す構造からなる)を作製した。この場合、Ｍｏは１０ｎｍの厚みを有し、Ａｕは３０ｎｍの厚みを有する。
【００８６】
(比較例２)
実施例１と同じＣＶＤ製基板を基板１として用いた。そして、実施例１における単結晶ダイヤモンド層３の形成条件と同じ形成条件を用いてマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンド層(１層の単結晶ダイヤモンド層からなる)を基板１上に形成した。
【００８７】
その後、実施例６と同様にして単結晶ダイヤモンド層上にオーミック電極およびショットキー電極を形成して半導体素子(基板／単結晶ダイヤモンド層／電極の構造からなる)を作製した。
【００８８】
実施例６における半導体素子および比較例２における半導体素子について室温における電流−電圧特性を測定した。
【００８９】
図１０は、室温における実施例６および比較例２の半導体素子の電流−電圧特性を示す図である。図１０において、縦軸は、電流を表し、横軸は、電圧を表す。また、図１０の(ａ)は、実施例６における半導体素子の電流−電圧特性を示し、図１０の(ｂ)は、比較例２における半導体素子の電流−電圧特性を示す。
【００９０】
図１０を参照して、実施例６の半導体素子は、非常に良い整流特性を示し、逆方向飽和電流が１×１０-11Ａ未満である(図１０の(ａ)参照)。
【００９１】
一方、比較例２の半導体素子は、整流特性が悪い(図１０の(ｂ)参照)。また、比較例２の半導体素子においては、逆方向飽和電流は、１×１０-8Ａ〜１×１０-6Ａであり、実施例６の半導体素子の逆方向飽和電流よりも３桁〜５桁大きい。
【００９２】
図１１は、実施例６および比較例２の半導体素子の別の電流−電圧特性を示す図である。図１１において、縦軸は、電流密度を表し、横軸は、電圧を表す。また、図１１の(ａ)は、実施例６における１０個の半導体素子の電流−電圧特性を示し、図１１の(ｂ)は、比較例２における１０個の半導体素子の電流−電圧特性を示す。
【００９３】
図１１を参照して、実施例６の半導体素子は、非常に良い整流特性を示し、逆方向飽和電流が１×１０-7（Ａ／ｃｍ2）程度である。また、実施例６の半導体素子は、均一性の良い電流−電圧特性を示す(図１１の(ａ)参照)。
【００９４】
一方、比較例２の半導体素子は、整流特性が悪く、逆方向飽和電流が１０-7（Ａ／ｃｍ2）〜１０-1（Ａ／ｃｍ2）台である。従って、比較例２の半導体素子においては、電流−電圧特性のバラツキが非常に大きい（図１１の（ｂ）参照）。
【００９５】
図１２は、室温における半導体素子のリーク電流と電界強度との関係を示す図である。図１２において、縦軸は、リーク電流を表し、横軸は、電界強度を表す。また、曲線ｋ１は、実施例６における半導体素子のリーク電流と電界強度との関係を示し、曲線ｋ２は、比較例２における半導体素子のリーク電流と電界強度との関係を示す。
【００９６】
図１２を参照して、実施例６における半導体素子のリーク電流は、電界強度が１．４［ＭＶ／ｃｍ］までは、１×１０-10［Ａ］よりも小さく、電界強度が２［ＭＶ／ｃｍ］よりも大きくなるに従って増加する。そして、実施例６における半導体素子は、約４．０［ＭＶ／ｃｍ］の電界強度でブレークダウンする(曲線ｋ１参照)。
【００９７】
一方、比較例２における半導体素子のリーク電流は、電界強度が０.３［ＭＶ／ｃｍ］までは、１×１０-8［Ａ］以下である。そして、比較例２における半導体素子は、０.４［ＭＶ／ｃｍ］の電界強度でブレークダウンする(曲線ｋ２参照)。
【００９８】
従って、実施例６における半導体素子は、比較例２における半導体素子よりもリーク電流が小さく、ブレークダウン電界強度が１０倍以上大きい。このように、大きいブレークダウン電界強度が得られるのは、単結晶ダイヤモンド層２，３の転位密度が低減されたからであると考えられる。
【００９９】
ショットキー接合を有する半導体素子の電流−電圧特性は、次式によって表される。
Ｉ＝Ｉ０［ｅｘｐ(ｑＶ／ｎｋＴ)−１］・・・(１)
式(１)において、Ｉは、電流であり、Ｖは、電圧であり、Ｉ０は、飽和電流であり、ｑは、素電荷であり、ｋは、ボルツマン定数であり、ｎは、理想因子である。ｎが理想値である“１”に近い方が電流−電圧特性が良いことを表す。
【０１００】
実測した電流−電圧特性を式(１)にフィッティングすることによって、実施例６および比較例２の半導体素子についてｎ値を求めた。その結果、実施例６の半導体素子のｎ値は、１．１であり、比較例２の半導体素子のｎ値は、２．７であった。
【０１０１】
また、ショットキー接合の障壁高さ(Barrier Height)を実施例６および比較例２の半導体素子について求めた。その結果、実施例６の半導体素子の障壁高さは、１.３８ｅＶであり、比較例２の半導体素子の障壁高さは、０.９５ｅＶであった。
【０１０２】
このように、実施例６の半導体素子は、比較例２の半導体素子よりもｎ値が理想値に近く、障壁高さが大きいことが分かった。これは、上述したように単結晶ダイヤモンド層２，３の転位密度が低減されたからであると考えられる。
【０１０３】
(実施例７)
転位密度が１×１０4ｃｍ-2である高温高圧基板（ＨＰＨＴ製Ｉｂ基板）を基板１として用いた。そして、実施例２における基板１／単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３を作製した後、実施例６と同様にして、オーミック電極としてＴｉ／Ｍｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成し、ショットキー電極としてＭｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成して半導体素子(図３に示す構造からなる)を作製した。この場合、オーミック電極におけるＴｉ，Ｍｏ，Ａｕの各々の厚み、およびショットキー電極におけるＭｏ，Ａｕの各々の厚みは、上述したとおりである。
【０１０４】
図１３は、室温における実施例７の半導体素子の電流−電圧特性を示す図である。図１３において、縦軸は、電流密度を表し、横軸は、電圧を表す。図１３を参照して、ｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層３をドリフト層として用いた半導体素子(ショットキー素子)は、整流特性を示すことが分かった。実施例２に示すように、単結晶ダイヤモンド層３が２．０×１０18ｃｍ-3のＢ濃度を含んでいるのにも拘わらず、半導体素子（ショットキー素子）は、整流特性を示すことが実証された。従来の半導体素子（ショットキー素子）においては、ドリフト層が１０18ｃｍ-3台のＢ濃度を含んでいれば、整流特性が得られない。
【０１０５】
（実施例８）
実施例１と同じＣＶＤ製基板を基板１として用いた。そして、実施例１における単結晶ダイヤモンド層２の形成条件と同じ形成条件を用いて熱フィラメントＣＶＤ法によってｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層２を基板１上に形成し、その後、基板１／単結晶ダイヤモンド層２を熱フィラメントＣＶＤ装置から取り出し、基板１／単結晶ダイヤモンド層２をSEKI DIAMOND SYSTEMS社製の５ｋＷマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内の支持台上に設置した。
【０１０６】
そして、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内の圧力が５×１０-5Ｐａになるまでマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内を真空引きした。
【０１０７】
引き続いて、基板温度を９００℃に設定し、２０ｓｃｃｍのメタン(ＣＨ４)ガスと４８０ｓｃｃｍの水素(Ｈ２)ガスとをマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に導入し、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内の圧力を１５９６０Ｐａに設定した。
【０１０８】
そして、２５００Ｗの高周波電力を印加し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、１時間、ｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層３を単結晶ダイヤモンド層２上に形成した。
【０１０９】
その後、実施例６と同様にして、オーミック電極としてＴｉ／Ｍｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成し、ショットキー電極としてＭｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成して半導体素子(図３に示す構造からなる)を作製した。この場合、オーミック電極におけるＴｉ，Ｍｏ，Ａｕの各々の厚み、およびショットキー電極におけるＭｏ，Ａｕの各々の厚みは、上述したとおりである。
【０１１０】
ｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層２は、１．４μｍの厚みを有し、２．５×１０18ｃｍ-3のＢ濃度を有する。また、ｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層３は、５μｍの厚みを有し、２×１０15ｃｍ-3のＢ濃度を有する。
【０１１１】
（比較例３）
実施例１と同じＣＶＤ製基板を基板１として用いた。そして、実施例８における単結晶ダイヤモンド層３の形成条件と同じ形成条件を用いて、ｐ型単結晶ダイヤモンドからなる単結晶ダイヤモンド層３を基板１上に形成した。単結晶ダイヤモンド層３は、５μｍの厚みを有し、２×１０15ｃｍ-3のＢ濃度を有する。
【０１１２】
そして、実施例６と同様にして、オーミック電極としてＴｉ／Ｍｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成し、ショットキー電極としてＭｏ／Ａｕを単結晶ダイヤモンド層３の表面に形成して半導体素子を作製した。オーミック電極におけるＴｉ，Ｍｏ，Ａｕの各々の厚み、およびショットキー電極におけるＭｏ，Ａｕの各々の厚みは、実施例８と同じである。
【０１１３】
図１４は、室温における実施例８および比較例３の半導体素子の電流−電圧特性を示す図である。図１４において、縦軸は、電流密度を表し、横軸は、電圧を表す。また、図１４の(ａ)は、実施例８における半導体素子の電流−電圧特性を示し、図１４の(ｂ)は、比較例３における半導体素子の電流−電圧特性を示す。
【０１１４】
図１４を参照して、実施例８の半導体素子は、非常に良い整流特性を示し、逆方向飽和電流が２×１０-7Ａ未満である(図１４の(ａ)参照)。図１４の（ａ）においては、６５個の半導体素子の電流−電圧特性を示すが、実施例８における６５個の半導体素子は、非常に均一性が良い電流−電圧特性を示す。
【０１１５】
一方、比較例３の半導体素子においては、実施例８の半導体素子と同程度の整流特性を示す半導体素子が２３個であり、４２個の半導体素子は、１０-7〜１０0（Ａ／ｃｍ2）台の逆方向飽和電流を示す（図１４の（ｂ）参照）。このように、比較例３の半導体素子は、均一性が非常に悪い電流−電圧特性を示す。
【０１１６】
このように、実施例８の半導体素子は、非常に均一性が良い整流特性を示すが、これは、単結晶ダイヤモンド層３の転位密度が低いためであると考えられる。
【０１１７】
なお、図１４に示す実施例８および比較例３の半導体素子の電流−電圧特性においては、順方向飽和電流密度が約１０0（Ａ／ｃｍ2）と同じレベルであるので、図１４に示す電流−電圧特性は、電流が単結晶ダイヤモンド層３を基板１に平行な方向に流れるときの電流−電圧特性を示すものである。
【０１１８】
図１５は、実施例８および比較例３の半導体素子の理想因子（ｎ値）を示す図である。図１５を参照して、実施例８の半導体素子は、１．２９〜１．５０の範囲のｎ値を有し、比較例３の半導体素子は、１．２１〜５．７１の範囲のｎ値を有する。
【０１１９】
このように、実施例８の半導体素子のｎ値は、均一性の良い分布を示し、比較例３の半導体素子のｎ値は、非常にバラツキの大きい分布を示す。
【０１２０】
図１６は、実施例８および比較例３の半導体素子のバイアハイトを示す図である。図１６を参照して、実施例８の半導体素子は、１．３０〜１．３９の範囲のバリアハイトを有し、比較例３の半導体素子は、０．６８〜１．３４のバリアハイトを有する。
【０１２１】
このように、実施例８の半導体素子は、バリアハイトにおいても均一性の良い分布を示し、比較例３の半導体素子は、バリアハイトにおいても非常にバラツキの大きい分布を示す。
【０１２２】
上述したように、電流が単結晶ダイヤモンド層３を基板１に平行な方向に流れる半導体素子（ショットキー素子）において、単結晶ダイヤモンド層２／単結晶ダイヤモンド層３の構成を採用することによって、電流−電圧特性の均一性が飛躍的に向上することが分かった。これは、実施例８の半導体素子が均一性の良いｎ値およびバリアハイトを有するためである。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
この発明は、単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた半導体素子に適用される。
【符号の説明】
【０１２４】
１  基板
２，３  単結晶ダイヤモンド層
４，５  電極
１０  単結晶ダイヤモンド
１００，１００Ａ  半導体素子。
【図１】
2020128328.tif 000003
【図２】
2020128328.tif 000004
【図３】
2020128328.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020128328.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月13日(2020.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された単層の単結晶ダイヤモンド層であり、点欠陥を含む第１の単結晶ダイヤモンド層を備え、
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、前記基板よりも低い転位密度を有し、
転位が厚み方向に伝搬した第１の領域と、
前記厚み方向において前記第１の領域上に配置され、前記転位の伝搬が抑制された第２の領域とを含む、単結晶ダイヤモンド。
【請求項２】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層上に配置され、前記基板よりも低い転位密度を有する第２の単結晶ダイヤモンド層を更に備える、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項３】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む、請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項４】
前記シリコンおよびモリブデンの各々の含有量は、前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量よりも２桁以上少ない、請求項３に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項５】
前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3である、請求項４に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項６】
前記第２の単結晶ダイヤモンド層は、前記基板よりも２桁以上少ない転位密度を有する、請求項２から請求項５のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項７】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、１μｍ以上の膜厚を有する、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項８】
前記第２の単結晶ダイヤモンド層は、２００μｍ以上の膜厚を有する、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項９】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、更に、ｐ型ドーパントを含む、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１０】
前記第２の単結晶ダイヤモンド層は、更に、ｐ型ドーパントを含む、請求項９に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１１】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層の前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3であり、
前記第２の単結晶ダイヤモンド層の前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3である、請求項１０に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１２】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかと、シリコンおよびモリブデンとを含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１３】
前記シリコンおよびモリブデンの各々の含有量は、前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量よりも２桁以上少ない、請求項１２に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１４】
前記タングステン、タンタル、レニウム、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、イリジウムおよびリンのいずれかの含有量は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3である、請求項１３に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１５】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、１μｍ以上の膜厚を有する、請求項１，１２〜１４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１６】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層は、更に、ｐ型ドーパントを含む、請求項１，１２〜１５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１７】
前記第１の単結晶ダイヤモンド層の前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3である、請求項１６に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１８】
前記基板は、単結晶ダイヤモンドまたはヘテロダイヤモンドからなる、請求項１から請 求項１７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
【請求項１９】
請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドと、
前記第２の単結晶ダイヤモンド層とショットキー接合を形成する第１の金属と、
前記第１の単結晶ダイヤモンド層または前記第２の単結晶ダイヤモンド層とオーミック接合を形成する第２の金属とを備える半導体素子。