(57)【要約】  本ダイヤモンド半導体デバイスは、ダイヤモンド基板に、対をなす電極が固定されてなるダイヤモンド半導体デバイスであって、前記ダイヤモンド基板の表面の内、電極との界面の内少なくとも一方が水素終端を有し、少なくとも対をなす両電極間の基板表面は、基板内部よりも大きい電気抵抗値となるようにしてあることを特徴とする。これにより、水素終端の有する機能を最大限に発揮しながら、デバイス動作の安定性、特に高温等の厳しい環境下でのデバイス動作の安定性を図ることができるダイヤモンド半導体デバイスが実現される。
2009005134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板に、対をなす電極が固定されてなるダイヤモンド半導体デバイスであって、前記ダイヤモンド基板の表面の内、電極との界面の内少なくとも一方が水素終端を有し、少なくとも対をなす両電極間の基板表面は、基板内部よりも大きい電気抵抗値となるようにしてあることを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、少なくとも両電極間の基板表面は、酸素終端表面であることを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、少なくとも両電極間の基板表面は、無終端表面であることを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド基板を用いた半導体デバイスとして、特開平８−８８２３５号公報には、表面を水素原子で終端した水素終端ホモエピタキシャルダイヤモンド基板の表面に金からなるソース電極及びドレイン電極と、アルミニウムからなるゲート電極を設けてなる電界効果型トランジスタが開示されている。また、特開２００４−１０９０２０号公報には、液体電解質をゲートとして使用し、オゾン処理により水素終端表面を部分的に酸化し、水素終端と酸素終端が混在したダイヤモンド表面をチャネルとしてなるｐチャネル電界効果型トランジスタが開示されている。【０００３】
この種半導体デバイスでは、電極と基板の界面に基板の水素終端を存在させることで、その導電性を改善し、特性を良好にすることが行われている。【０００４】
しかしながら、このような従来の半導体デバイスでは、電極設置箇所以外の基板表面にも水素終端が形成され、電極からダイヤモンド界面を介してダイヤモンド内部を伝導する電気伝導の他、電極間の基板表面での電気伝導、すなわち表面漏れ電流が発生する。この後者の表面漏れ電流は表面吸着物の種類や量に大きく依存して変化するため、デバイス動作を不安定化させてしまう。そして、この動作不安定化は高温等、厳しい環境下では特に顕著になるという問題があった。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、水素終端の有する機能を最大限に発揮しながら、表面漏れ電流の発生を防止し、デバイス動作の安定化、特に高温等の厳しい環境下でのデバイス動作の安定化を図ることができるダイヤモンド半導体デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するために、第１には、本発明のダイヤモンド半導体デバイスは、ダイヤモンド基板に、対をなす電極が固定されてなるダイヤモンド半導体デバイスであって、前記ダイヤモンド基板の表面の内、電極との界面の内少なくとも一方が水素終端を有し、少なくとも対をなす両電極間の基板表面は、基板内部よりも大きい電気抵抗値となるようにしてあることを特徴とする。
【０００７】
第２には、前記第１のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、少なくとも両電極間の基板表面は、酸素終端表面であることを特徴とする。
【０００８】
第３には、前記第１のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、少なくとも両電極間の基板表面は、無終端表面であることを特徴とする。
【０００９】
本発明のダイヤモンド半導体デバイスは、一対の電極間の基板表面の電気抵抗値が基板内部よりも大きく設定されているので、電極間の基板表面に漏れ電流が流れることはなく、電極間の導電性は安定したダイヤモンド基板内部の導電性を反映している。このため、常温においてはもちろん、高温等の厳しい環境下であっても、導電性の変化を伴わないのでダイヤモンド本来の安定した動作を保証することができる。
【００１０】
また、水素終端を電極と基板の界面に存在させることにより、電極と基板との界面の導電性の制御性を高め、金属の仕事関数、即ち金属の種類を変えることで、その導電性を調整して所望のデバイス特性を得ることができる。具体的には、金属とダイヤモンドの界面に形成されるショットキー障壁の高さを、金属の仕事関数を適切に選択することにより決定することができ、整流性のショットキー電極や通電性のオーミック電極を、熱処理などの特別な処理を施すことなく、容易に形成することができる。このため、例えば基板としてｐ型ダイヤモンドを用いた場合、電極材料として、仕事関数の大きい金を用いるとオーミック特性を、仕事関数の小さいアルミニウムを用いるとショットキー特性を得ることができる。
【００１１】
また、本発明のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、ショットキー電極と基板の界面に水素終端が存在しない整流ダイオードを形成する場合、その表面を高エネルギー光線の照射で形成することにより、ダイオードの絶縁電圧を高耐圧化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明による第１のタイプのダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明による第１のタイプの別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明による第１のタイプのさらに別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明による第１のタイプのさらに別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、図１のダイヤモンド半導体デバイスの製造方法の説明図である。
【図６】図６は、本発明による第２のタイプのダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明による第２のタイプの別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、本発明による第２のタイプのさらに別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、本発明による第２のタイプのさらに別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、図６のダイヤモンド半導体デバイスの製造方法の説明図である。
【図１１】図１１は、参考例のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例１のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施例２のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施例３のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１５】図１５は、実施例４のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１６】図１６は、比較例１のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図１７】図１７は、比較例１のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１８】図１８は、実施例６のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図１９】図１９は、実施例７のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図２０】図２０は、実施例８のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図２１】図２１は、実施例９のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【図２２】図２２は、比較例２のダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示すグラフである。
【図２３】図２３は、比較例２のダイヤモンド半導体デバイスの通電特性を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係るダイヤモンド半導体デバイスについて説明する。【００１４】
本発明のダイヤモンド半導体デバイスは、ダイヤモンド基板上に一対の電極が形成され、前記ダイヤモンド基板の表面のうち、一対の電極との界面の少なくとも一方が水素終端を有し、かつ、少なくとも両電極間の基板表面が絶縁領域となっていることを重要な特徴とする。【００１５】
また、基板表面の絶縁領域は、酸素終端または無終端化により形成される。これらの絶縁領域は１原子層レベルの酸素終端面または無終端面であると考えられる。【００１６】
図１ないし図４に、基板表面の絶縁領域を酸素終端により形成したダイヤモンド半導体デバイスの構成例を模式的に断面図で示す。【００１７】
図１の例では、半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の同一表面上に電極（３）と電極（４）が離間配置されており、ダイヤモンド基板（１）と電極（３）の界面においてダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている。その他のダイヤモンド基板（１）の表面のうち、電極（３）が設置されている箇所以外の表面は、ダイヤモンド基板（１）と電極（４）の界面、および電極（３）と電極（４）との間を含め、酸素終端（５）による絶縁領域となっている。本明細書において「酸素終端による絶縁領域」とは、酸素終端（５）の処理によってその領域の電気抵抗がダイヤモンド基板（１）の内部の電気抵抗より大きくなった領域のことをいう。この例では、電極（３）と電極（４）の間に形成された絶縁領域が表面漏れ電流を阻止するため、高温や真空等、厳しい環境下においてもデバイスの動作を安定に維持する。【００１８】
図２の例では、半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の同一表面上に電極（３）と電極（４）が離間配置されており、ダイヤモンド基板（１）と電極（３）の界面と、ダイヤモンド基板（１）と電極（４）の界面の両方において、ダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている。また、ダイヤモンド基板（１）の表面のうち、電極（３）と電極（４）が設置されている箇所以外の表面は、電極（３）と電極（４）との間を含め、酸素終端（５）による絶縁領域となっている。この例でも、電極（３）と電極（４）の間に形成された絶縁領域が表面漏れ電流を阻止するため、高温や真空等、厳しい環境下においてもデバイスの動作を安定に維持する。【００１９】
図３の例では、半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の一方の表面上に電極（３）が配置され、反対側の表面に電極（４）が配置されている。そして、ダイヤモンド基板（１）と電極（３）の界面と、ダイヤモンド基板（１）と電極（４）の界面の両方において、ダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている。また、ダイヤモンド基板（１）の両方の表面のうち、電極（３）が設置されている箇所以外の表面と、電極（４）が設置されている箇所以外の表面は、酸素終端（５）による絶縁領域となっている。このような構成の場合、酸素終端（５）による絶縁領域がないと、例えば電極（３）からその電極側の基板表面、基板側面、他方の基板表面、他方の電極（４）の経路で表面漏れ電流が流れるが、酸素終端（５）による絶縁領域により、この表面漏れ電流が阻止される。【００２０】
図４の例は、図１の構成において、ダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている上に設けられた電極（３）の上部を保護層（６）で覆った例である。この保護層（６）は、電極（３）の酸化の防止、機械的損傷の防止等を目的として必要に応じて設けることができる。【００２１】
この実施形態の例では、オゾンあるいは活性酸素雰囲気中で高エネルギー光線を、水素終端（２）を有するダイヤモンド基板（１）の表面に照射することにより酸素終端（５）による絶縁領域が形成される。即ち、照射された高エネルギー線が水素終端を構成する水素とダイヤモンドの結合を切断し、オゾンあるいは活性酸素は、切断された水素に直接接触して酸化物（水）を生成するとともに、酸素終端（５）を形成する。【００２２】
高エネルギー光線の波長としては、Ｃ−Ｈ結合エネルギーに対応する波長２８７ｎｍ以下である必要があり、Ｃ−Ｈ結合の切断断面積が最大となる１００ｎｍ付近の紫外線が望ましく、例えば１２６ｎｍや１７２ｎｍの単色光源が望ましい。また、光放射照度は大きいことが望ましく、例えば１ｍＷ／ｃｍ２以上であることが望ましい。照度は水素終端（２）を有するダイヤモンド基板（１）の面内で均一である必要があるため、光放射面積は４ｍｍ２以上であることが望ましい。これを達成するにはエキシマランプを用いるのが容易である。【００２３】
電極（３）、（４）の形成は、真空蒸着法等、公知の各種の方法を用いることができる。電極（３）、（４）の膜厚は目的、用途に応じて適宜設定されるが、通常、２０〜５００ｎｍ程度である。【００２４】
本発明では、水素終端（２）を用いることで、熱処理なしに、通電性のオーミック電極あるいは整流性のショットキー電極を形成することができる。更に、ダイヤモンド基板の伝導部は、表面伝導層ではなく、ダイヤモンド内部の伝導としているため、高温等、厳しい環境下でも安定して動作することができる。【００２５】
ｐ型ダイヤモンドに対して、例えば金を電極に用いた場合、水素終端では通電特性が、酸素終端ではダイオード特性が得られることが分かっている。従来手法ではダイヤモンド基板表面に複数の電極を形成した場合、そのうちの一部の電極と基板の界面における終端構造を、別の電極と基板の界面における終端構造と異なるようにすることができなかった。【００２６】
本発明では、同一基板表面上であっても、電極との界面の終端構造を異なるように形成することができ、同一金属でダイオード特性を示すショットキー接合と通電特性を示すオーミック接合が得られるため、同一金属を電極材料として使用してのイオードを作製することも可能となる。【００２７】
ショットキー接合の場合、金属には、ｐ型ダイヤモンドに対しては仕事関数が小さなアルミニウムやマグネシウムが望ましく、ｎ型ダイヤモンドに対しては仕事関数の大きな金やプラチナが望ましい。オーミック接合の場合、金属には、ｐ型ダイヤモンドに対しては仕事関数の大きな金やプラチナが望ましく、ｎ型ダイヤモンドに対しては仕事関数が小さなアルミニウムやマグネシウムが望ましい。もちろん、その他の適宜の材料選択が可能である。【００２８】
図４のように保護層（６）を設ける場合、保護層（６）は一種類の導電性材料からなる膜であってもよいし、二種類以上の導電性材料からなる積層構造の膜であってもよい。典型的には三層の積層構造のものとされるが、その場合、最下層はダイヤモンドとの密着性が高い材料、最上層は電極全体の酸化を防ぐ、あるいは後プロセスで行われるワイヤボンダーにおいてワイヤーとの密着性が高い材料からなっていることが好ましい。中間層としては、最上層の金属と最下層の金属が混合しないように障壁層としての機能があるものを使用することが好ましい。【００２９】
保護層（６）の外周は電極（３）の外周より大きいため、最下層の一部はダイヤモンドに直接密着し、また最下層の一部は電極（３）を上部より覆うため、機械的衝撃や高温環境下においても、保護層（６）が破損を受けない限りは電極金属の剥離や凝集は生じず、安定に保持される。【００３０】
例えば、チタン（最下層）、プラチナ（中間層）、金（最上層）の積層が代表的なものとして挙げられる。【００３１】
これと同様に用いられる導電性材料としては、以下のようなものがある。最下層はダイヤモンドと反応して炭化物を形成する金属であり、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、クロム、ジルコニウム、ニオブ、ケイ素、バナジウム、マンガンがある。中間層と最上層は、ニッケル、パラジウム、プラチナ、金、銀、銅、コバルト、ロジウム、イリジウム、アルミニウム、ガリウム、インジウムが挙げられるが、これらに限定されるものではない。【００３２】
次に、図１に示す構成を有するダイヤモンド半導体デバイスの製造方法の例について図５を用いて説明する。【００３３】
ステップ１：半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の上面を、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法により水素終端処理を行い、水素終端（２）を形成する。【００３４】
ステップ２：一般的な真空蒸着法による電極形成方法を用い、一方の電極（３）を、水素終端処理された基板表面上に形成する。【００３５】
ステップ３：オゾンまたは活性酸素雰囲気（８）中で高エネルギー光線（７）を水素終端（２）で覆われたダイヤモンド基板（１）表面に照射し、酸素終端（５）による絶縁領域を形成する。尚、オゾンまたは活性酸素雰囲気（８）は、反応系内を酸素含有気体で満たし、ダイヤモンド基板（１）表面に照射する高エネルギー光線（７）をこの気体にも同時に照射することでも生成される。【００３６】
ステップ４：もう一方の電極（４）を、一般的な真空蒸着法による電極形成方法を用い、所定の位置に形成する。【００３７】
以上により、図１に示す構成のダイヤモンド半導体デバイスが作製される。【００３８】
なお、図１に示す構成以外の構成のダイヤモンド半導体デバイスについても、プロセスは少し異なるが、基本的には同様な手法により作製することができる。【００３９】
次に、基板表面の絶縁領域を無終端化により形成する場合について説明する。【００４０】
図６ないし図９に、基板表面の絶縁領域を無終端化により形成したダイヤモンド半導体デバイスの構成例を模式的に断面図で示す。【００４１】
図６の例では、半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の同一表面上に電極（３）と電極（４）が離間配置されており、ダイヤモンド基板（１）と電極（３）の界面においてダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている。また、ダイヤモンド基板（１）の表面のうち、電極（３）が設置されている箇所以外の表面は、ダイヤモンド基板（１）と電極（４）の界面、および電極（３）と電極（４）との間を含め、無終端化による絶縁領域となっている。本明細書において「無終端化」とは、表面に水素や酸素といった終端原子が存在しない表面とすることをいう。また、「無終端化による絶縁領域」とは、無終端化によってその領域の電気抵抗がダイヤモンド基板（１）の内部の電気抵抗より大きくなった領域のことをいう。この例では、電極（３）と電極（４）の間に形成された絶縁領域が表面漏れ電流を阻止するため、高温や真空等、厳しい環境下においてもデバイスの動作を安定に維持する。【００４２】
図７の例では、半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の同一表面上に電極（３）と電極（４）が離間配置されており、ダイヤモンド基板（１）と電極（３）の界面と、ダイヤモンド基板（１）と電極（４）の界面の両方において、ダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている。また、ダイヤモンド基板（１）の表面のうち、電極（３）と電極（４）が設置されている箇所以外の表面は、電極（３）と電極（４）との間を含め、無終端化による絶縁領域となっている。この例でも、電極（３）と電極（４）の間に形成された絶縁領域が表面漏れ電流を阻止するため、高温や真空等、厳しい環境下においてもデバイスの動作を安定に維持する。【００４３】
図８の例では、半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の一方の表面上に電極（３）が配置され、反対側の表面に電極（４）が配置されている。そして、ダイヤモンド基板（１）と電極（３）の界面と、ダイヤモンド基板（１）と電極（４）の界面の両方において、ダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている。また、ダイヤモンド基板（１）の両方の表面のうち、電極（３）が設置されている箇所以外の表面と、電極（４）が設置されている箇所以外の表面は、無終端化による絶縁領域となっている。このような構成の場合、無終端化による絶縁領域がないと、例えば電極（３）からその電極側の基板表面、基板側面、他方の基板表面、他方の電極（４）の経路で表面漏れ電流が流れるが、無終端化による絶縁領域により、この表面漏れ電流が阻止される。【００４４】
図９の例は、図６の構成において、ダイヤモンド基板（１）の表面が水素終端（２）となっている上に設けられた電極（３）の上部を保護層（６）で覆った例である。この保護層（６）は、電極（３）の酸化の防止、機械的損傷の防止等を目的として必要に応じて設けることができる。【００４５】
図６ないし図９に示す無終端化による絶縁領域を有するダイヤモンド半導体デバイスは、前記の酸素終端（５）による絶縁領域を有するダイヤモンド半導体デバイスとは、「酸素終端」と「無終端化」において相違しており、その他については共通しているので、以下、この相違する点を中心に述べる。【００４６】
本発明では、真空中で高エネルギー光線を水素終端（２）を有するダイヤモンド基板（１）の表面に照射することにより無終端化された絶縁領域を得る。即ち、照射された高エネルギー光線が水素終端を構成する水素とダイヤモンドの結合を切断し、水素を表面から脱離させ、無終端化面を形成する。【００４７】
この場合の高エネルギー光線の波長としては、前記と同様、Ｃ−Ｈ結合エネルギーに対応する波長２８７ｎｍ以下である必要があり、Ｃ−Ｈ結合の切断断面積が最大となる１００ｎｍ付近の紫外線が望ましく、例えば１２６ｎｍや１７２ｎｍの単色光源が望ましい。また光放射照度は大きいことが望ましく、例えば１ｍＷ／ｃｍ２以上であることが望ましい。照度は水素終端（２）を有するダイヤモンド基板（１）の面内で均一である必要があるため、光放射面積は４ｍｍ２以上であることが望ましい。これを達成するにはエキシマランプを用いるのが容易である。また、真空紫外線や軟Ｘ線も使用可能である。【００４８】
本発明において、酸素終端による絶縁領域と無終端化による絶縁領域は、電極間の暴露表面部では伝導性の安定化と、電極金属との界面部ではショットキーダイオードの高耐圧化ということから、ダイヤモンド半導体デバイスにおいて同様な作用効果を奏する領域に位置づけられる。【００４９】
次に、図６に示す構成のダイヤモンド半導体デバイスの製造方法の例について図１０を用いて説明する。【００５０】
ステップ１：半導体性を有するダイヤモンド基板（１）の上面を、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法により水素終端処理を行い、水素終端（２）を形成する。【００５１】
ステップ２：一般的な真空蒸着法による電極形成方法を用い、一方の電極（３）を、水素終端処理された基板表面上に形成する。【００５２】
ステップ３：真空中で高エネルギー光線（７）を照射し、無終端化された絶縁領域を形成する。【００５３】
ステップ４：もう一方の電極（４）を、一般的な真空蒸着法による電極形成方法を用い、所定の位置に形成する。【００５４】
以上により、図６に示す構成のダイヤモンド半導体デバイスが作製される。【００５５】
なお、図６に示す構成以外の構成のダイヤモンド半導体デバイスについても、プロセスは少し異なるが、基本的には同様な手法により作製することができる。【００５６】
なお、上記では、ダイヤモンド半導体デバイスを構成する各部に用いられる材料や性状、酸素終端処理や無終端化処理における望ましい値や範囲を例示したが、これらは目的、用途等において適切に設定することができるものである。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明する。【００５８】
［参考例］
本参考例は、ダイヤモンド基板表面の絶縁化を説明するためのものである。【００５９】
ダイヤモンドとして高抵抗ダイヤモンド単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み０．５ｍｍ）上に形成したノンドープの単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み１０μｍ）を用い、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、下記の条件で単結晶基板の表面に水素終端処理を施した。【００６０】
条件：反応ガス：水素、反応圧力：１００Ｔｏｒｒ、基板温度：９００℃、反応時間：１時間、マイクロ波出力：７００Ｗである。【００６１】
次に、酸素ガス含有雰囲気中でエキシマランプから放射された紫外線を以下の条件でそれぞれ水素終端されたダイヤモンド基板表面に照射した。【００６２】
（Ａ）波長１７２ｎｍ、放射照度１０ｍＷ／ｃｍ２、照射時間１０分、雰囲気は酸素、圧力１００Ｔｏｒｒとした。【００６３】
（Ｂ）波長１７２ｎｍ、放射照度１０ｍＷ／ｃｍ２、照射時間１分、雰囲気は大気、圧力７６０Ｔｏｒｒとした。【００６４】
（Ｃ）波長１２６ｎｍ、放射照度１ｍＷ／ｃｍ２、照射時間１０分、雰囲気は酸素、圧力１Ｔｏｒｒとした。【００６５】
上記処理を施した基板上に、チタン／金の積層膜（チタン：２０ｎｍ厚、金：４０ｎｍ厚）よりなる一対の電極を真空蒸着法により形成した。電極間間隔は１５０μｍとした。電極形成後、真空中にて６００で３０分間熱処理して、サンプルを作製した。そしてこれらのサンプルの通電特性を室温で電流−電圧法により測定した。電流−電圧法とは、規格番号 JISC2525に記載の2端子による抵抗測定法と同じ測定回路において、抵抗計に変わり電圧源と電流計を用いてダイオード特性を評価する手法であり、電圧を走査して電流を測定法である。その結果を図１１に示す。各データの電流値のゼロは右軸に記す。ゼロより上がプラス、下がマイナスとなっている。縦軸の矢印で示す範囲は０．１（ｐＡ）である。【００６６】
図１１より、電極間に５００Ｖの電圧を印加しても、漏れ電流は計測器の測定限界以下であることから、ダイヤモンド表面が十分な絶縁性に変換されていることがわかる。【００６７】
［実施例１］
ホウ素を２×１０１５ｃｍ−３の濃度でドープしたｐ型半導体性の単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み２０μｍ）を高抵抗ダイヤモンド単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み０．５ｍｍ）上に形成した結晶を基板として用い、上記参考例と同様にして単結晶基板（１）の表面に水素終端処理を施した。【００６８】
次に、金を電極材料として用い、水素終端（２）が形成された表面上に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（３）を形成した。【００６９】
次に、エキシマランプを用い紫外線を、波長１７２ｎｍ、放射照度１０ｍＷ／ｃｍ２、照射時間は１０分、酸素雰囲気、酸素分圧１００Ｔｏｒｒの条件で、電極（３）が形成された基板（１）上に照射し、電極（３）が形成された箇所以外の基板（１）の表面に、酸素終端（２）による絶縁領域を形成した。【００７０】
次に、金を電極材料として用い、酸素終端（２）が形成された表面上の適所に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（４）を形成し、図１に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００７１】
上記で作製したダイヤモンド半導体デバイスについて、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図１２にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好なダイオード特性が得られていることがわかる。また、絶縁破壊電圧が４００Ｖ以上と優れた耐圧特性を示した。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００７２】
［実施例２］
実施例１において、金からなる電極（４）を水素終端（２）が形成された表面上に設けたこと以外は同様にして図２に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００７３】
このダイヤモンド半導体デバイスについて、実施例２と同様に、室温で電流−電圧測定法により通電特性を調べた。図１３にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好な導電性が得られていることがわかる。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００７４】
［実施例３］
ホウ素を１×１０１６ｃｍ−３の濃度でドープしたｐ型半導体性の単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み０．５ｍｍ）を基板として用い、上記参考例と同様にして単結晶基板（１）の両方の表面にそれぞれ水素終端処理を施した。【００７５】
次に、金を電極材料として用い、水素終端（２）が形成された表面上に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（３）を形成した後、同様に、金を電極材料として用い、水素終端（２）が形成された反対側の表面上に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（４）を形成した。【００７６】
次に、エキシマランプを用い紫外線を、波長１７２ｎｍ、放射照度１０ｍＷ／ｃｍ２、照射時間は１０分、酸素雰囲気、酸素分圧１００Ｔｏｒｒの条件で、電極（３）が形成された基板（１）上に照射し、電極（３）が形成された箇所以外の基板（１）の表面に、酸素終端（２）による絶縁領域を形成した。また、同様にして、電極（４）が形成された箇所以外の基板（１）の表面に、酸素終端（２）による絶縁領域を形成した。これにより、図３に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００７７】
上記で作製したダイヤモンド半導体デバイスについて、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図１４にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好な導電性が得られたことがわかる。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００７８】
［実施例４］
実施例２において、金からなる電極（４）の代わりにアルミニウムからなる電極（４）を設けたこと以外は同様にして図２に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００７９】
このダイヤモンド半導体デバイスについて、実施例２と同様に、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図１５にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好なダイオード特性が得られていることがわかる。この結果は、基板としてｐ型ダイヤモンドを用いた場合において、電極とダイヤモンドの界面のダイヤモンド表面が水素終端されている場合、電極材料として、仕事関数の大きい金を用いるとオーミック特性を、仕事関数の小さいアルミニウムを用いるとショットキー特性を得ることができる事を実証している。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００８０】
［実施例５］
実施例１において、金からなる電極（３）を設けた後に、チタン（最下層：２０ｎｍ厚）、プラチナ（中間層：２０ｎｍ厚）、金（最上層：２０ｎｍ厚）の積層からなる保護層（６）を真空蒸着法により設けたこと以外は同様にして図４に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００８１】
このダイヤモンド半導体デバイスは、高温下でも安定に動作した。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００８２】
［比較参考例］
参考例と同様に水素終端を表面に形成したノンドープダイヤモンド単結晶基板を用い、酸素ガス含有雰囲気中で超高圧水銀ランプから放射された紫外線ないし短波長の可視光を以下の条件でそれぞれ水素終端を有するダイヤモンド基板表面に照射した。【００８３】
波長２９０ｎｍ以上（主な輝線波長３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、および４３６ｎｍ）、放射照度（波長積分）６ｍＷ／ｃｍ２、照射時間１２０分、雰囲気は酸素、圧力１００Ｔｏｒｒとした。【００８４】
上記処理を施した基板上に、参考例と同様な一対の電極を真空蒸着法により形成した後、同様な熱処理を行い、サンプルを作製した。そしてこれらのサンプルの通電特性を室温で電流−電圧法により測定した。その結果、上記処理を施す前と比べて通電特性は変化せずに良好な導電性を示し、参考例に示すような絶縁特性は得られなかった。【００８５】
［比較例１］
実施例２において、水素終端（２）を設けずに基板（１）の表面全体を酸素終端（５）により絶縁領域としたこと以外は同様にして図１６に示す構造のデバイスを作製した。【００８６】
このデバイスについて実施例１と同様に、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図１７にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、導電性が得られていないことがわかる。【００８７】
［実施例６］
ホウ素を２×１０１５ｃｍ−３の濃度でドープしたｐ型半導体性の単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み２０μｍ）を高抵抗ダイヤモンド単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み０．２ｍｍ）上に形成した結晶を基板として用い、上記参考例と同様にして単結晶基板（１）の表面に水素終端処理を施した。【００８８】
次に、金を電極材料として用い、水素終端（２）が形成された表面上に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（３）を形成した。【００８９】
次に、エキシマランプを用い紫外線を、真空中で、波長１７２ｎｍ、放射照度１０ｍＷ／ｃｍ２、照射時間６０分の条件で、電極（３）が形成された基板（１）上に照射し、電極（３）が形成された箇所以外の基板（１）の表面に無終端化による絶縁領域を形成した。【００９０】
次に、金を電極材料として用い、無終端化による絶縁領域が形成された基板表面上の適所に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（４）を形成し、図６に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００９１】
上記で作製したダイヤモンド半導体デバイスについて、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図１８にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好なダイオード特性が得られていることがわかる。また、絶縁破壊電圧が４００Ｖ以上と優れた耐圧特性を示した。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００９２】
［実施例７］
実施例６において、金からなる電極（４）を水素終端（２）が形成された表面上に設けたこと以外は同様にして図７に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００９３】
このダイヤモンド半導体デバイスについて、実施例６と同様に、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図１９にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好な導電性が得られていることがわかる。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００９４】
［実施例８］
実施例７において、金からなる電極（４）の代わりにアルミニウムからなる電極（４）を設けたこと以外は同様にして図７に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００９５】
このダイヤモンド半導体デバイスについて、実施例５と同様に、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図２０にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好なダイオード特性が得られていることがわかる。この結果は、基板としてｐ型ダイヤモンドを用いた場合において、電極とダイヤモンドの界面のダイヤモンド表面が水素終端されている場合、電極材料として、仕事関数の大きい金を用いるとオーミック特性を、仕事関数の小さいアルミニウムを用いるとショットキー特性を得ることができる事を実証している。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【００９６】
［実施例９］
ホウ素を１×１０１６ｃｍ−３の濃度でドープしたｐ型半導体性の単結晶（寸法：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み０．２ｍｍ）を基板として用い、上記参考例と同様にして単結晶基板（１）の表面に水素終端処理を施した。【００９７】
次に、金を電極材料として用い、水素終端（２）が形成された表面上に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（３）を形成した。また、金を電極材料として用い、反対側の表面上に真空蒸着法により膜厚４０ｎｍの電極（４）を形成した。【００９８】
次に、エキシマランプを用い紫外線を、真空中で、波長１７２ｎｍ、放射照度１０ｍＷ／ｃｍ２、照射時間６０分の条件で、電極（３）が形成された基板（１）上に照射し、電極（３）が形成された箇所以外の基板（１）の表面に無終端化による絶縁領域を形成した。同様にして、電極（４）が形成された箇所以外の基板（１）の表面に無終端化による絶縁領域を形成した。これにより、図９に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【００９９】
上記で作製したダイヤモンド半導体デバイスについて、室温で電流−電圧測定法により通電特性を測定した。図２１にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、良好な導電性が得られていることがわかる。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【０１００】
［実施例１０］
実施例６において、金からなる電極（３）を設けた後に、チタン（最下層：２０ｎｍ厚）、プラチナ（中間層：２０ｎｍ厚）、金（最上層：２０ｎｍ厚）の積層からなる保護層（６）を真空蒸着法により設けたこと以外は同様にして図９に示す構造のダイヤモンド半導体デバイスを作製した。【０１０１】
このダイヤモンド半導体デバイスは、高温下でも安定に動作した。また、表面漏れ電流の発生は見られなかった。【０１０２】
［比較例２］
実施例７において、水素終端（２）を設けずに基板（１）の表面全体を無終端化による絶縁領域としたこと以外は同様にして図２２に示す構造のデバイスを作製した。【０１０３】
このデバイスについて実施例６と同様に、室温で電流−電圧測定法により測定を行った。図２３にその測定結果をグラフで示す。このグラフより、導電性が得られていないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明における半導体デバイスは、ダイヤモンドを基盤としたパワーデバイスであり、低電力損失、高温動作、高速制御の点で従来デバイスに比べて優れた特性をもち、デバイスパッケージのサイズを小型化できる点が特徴である。応用分野には、産業モータや電気自動車などのインバーターに用いることが挙げられる。【０１０５】
また、高エネルギー荷電粒子やＸ線などの放射線、及び紫外線を検出するセンサーとして用いることができ、その優れた耐放射線特性と無冷却動作可能なことから、過酷な環境下において、小型・メンテナンスフリーでの使用が可能である。応用分野としては、原子炉や核処理施設、あるいは宇宙空間における放射線計測が挙げられる。【０１０６】
また、本発明で使用する表面処理法は、上記デバイスを作製する上での歩留まりを向上させ、更には特性を改善する。ダイヤモンド表面の酸素終端化はダイヤモンドを基盤としたデバイスの作製プロセスの根幹を成すものであり、従来法では不可避であった加熱処理を施すことなく、無終端な酸化表面の形成を可能とする本プロセスは、デバイス作製プロセス全体の手順に大きな自由度を与える。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ダイヤモンド基板に、対をなす電極が固定されてなるダイヤモンド半導体デバイスであって、前記ダイヤモンド基板の表面の内、電極との界面の内少なくとも一方が水素終端を有し、少なくとも対をなす両電極間の基板表面は、基板内部よりも大きい電気抵抗値となるようにし、両電極間の基板表面の漏れ電流の発生を阻止させるようにしたことを特徴とするダイヤモンド半導体デバイス。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド半導体デバイスに関する。
背景技術
［０００２］
ダイヤモンド基板を用いた半導体デバイスとして、特開平８−８８２３５号公報には、表面を水素原子で終端した水素終端ホモエピタキシャルダイヤモンド基板の表面に金からなるソース電極及びドレイン電極と、アルミニウムからなるゲート電極を設けてなる電界効果型トランジスタが開示されている。また、特開２００４−１０９０２０号公報には、液体電解質をゲートとして使用し、オゾン処理により水素終端表面を部分的に酸化し、水素終端と酸素終端が混在したダイヤモンド表面をチャネルとしてなるｐチャネル電界効果型トランジスタが開示されている。
［０００３］
この種半導体デバイスでは、電極と基板の界面に基板の水素終端を存在させることで、その導電性を改善し、特性を良好にすることが行われている。
［０００４］
しかしながら、このような従来の半導体デバイスでは、電極設置箇所以外の基板表面にも水素終端が形成され、電極からダイヤモンド界面を介してダイヤモンド内部を伝導する電気伝導の他、電極間の基板表面での電気伝導、すなわち表面漏れ電流が発生する。この後者の表面漏れ電流は表面吸着物の種類や量に大きく依存して変化するため、デバイス動作を不安定化させてしまう。そして、この動作不安定化は高温等、厳しい環境下では特に顕著になるという問題があった。
発明の開示
［０００５］
本発明は、水素終端の有する機能を最大限に発揮しながら、表面漏れ電流の発生を防止し、デバイス動作の安定化、特に高温等の厳しい環境下でのデバイス動作の安定化を図ることができるダイヤモンド半導体デバイスを提供することを目的とする。
［０００６］
上記目的を達成するために、第１には、本発明のダイヤモンド半導体デバイスは、ダイヤモンド基板に、対をなす電極が固定されてなるダイヤモンド半導体デバイスであって、前記ダイヤモンド基板の表面の内、電極との界面の内少なくとも一方が水素終端を有し、少なくとも対をなす両電極間の基板表面は、基板内部よりも大きい電気抵抗
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
値となるようにし、両電極間の基板表面の漏れ電流の発生を阻止させるようにしたことを特徴とする。
［０００７］
第２には、前記第１のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、少なくとも両電極間の基板表面は、酸素終端表面であることを特徴とする。
［０００８］
第３には、前記第１のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、少なくとも両電極間の基板表面は、無終端表面であることを特徴とする。
［０００９］
本発明のダイヤモンド半導体デバイスは、一対の電極間の基板表面の電気抵抗値が基板内部よりも大きく設定されているので、電極間の基板表面に漏れ電流が流れることはなく、電極間の導電性は安定したダイヤモンド基板内部の導電性を反映している。このため、常温においてはもちろん、高温等の厳しい環境下であっても、導電性の変化を伴わないのでダイヤモンド本来の安定した動作を保証することができる。
［００１０］
また、水素終端を電極と基板の界面に存在させることにより、電極と基板との界面の導電性の制御性を高め、金属の仕事関数、即ち金属の種類を変えることで、その導電性を調整して所望のデバイス特性を得ることができる。具体的には、金属とダイヤモンドの界面に形成されるショットキー障壁の高さを、金属の仕事関数を適切に選択することにより決定することができ、整流性のショットキー電極や通電性のオーミック電極を、熱処理などの特別な処理を施すことなく、容易に形成することができる。このため、例えば基板としてｐ型ダイヤモンドを用いた場合、電極材料として、仕事関数の大きい金を用いるとオーミック特性を、仕事関数の小さいアルミニウムを用いるとショットキー特性を得ることができる。
［００１１］
また、本発明のダイヤモンド半導体デバイスにおいて、ショットキー電極と基板の界面に水素終端が存在しない整流ダイオードを形成する場合、その表面を高エネルギー光線の照射で形成することにより、ダイオードの絶縁電圧を高耐圧化することができる。
図面の簡単な説明
［００１２］
［図１］図１は、本発明による第１のタイプのダイヤモンド半導体デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
［図２］図２は、本発明による第１のタイプの別のダイヤモンド半導体デバイスの構造を
【国際調査報告】
2009005134.tif 000026
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