(57)【要約】【課題】高出力・高耐圧もしくは高耐環境下パワーデバイスに適するダイヤモンド半導体素子を提供する。【解決手段】ｐ＋単結晶ダイヤモンドと、該ｐ＋単結晶ダイヤモンド上に成膜されたダイヤモンド半導体からなるｐ−層と、該ｐ−層の電極形成領域上に形成された電極とを有するダイヤモンド半導体素子であって、電極形成領域のｐ−層において、回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像で観察できるが回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像では観察することができない第１の転位の個数が０個であり、前記第１の転位以外の第２の転位が転位密度１.０×１０2〜２.０×１０4／ｃｍ2で存在する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ＋単結晶ダイヤモンドと、該ｐ＋単結晶ダイヤモンド上に成膜されたダイヤモンド半導体からなるｐ−層と、該ｐ−層の電極形成領域上に形成された電極とを有するダイヤモンド半導体素子であって、
前記電極形成領域のｐ−層において、回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像で観察できるが回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像では観察することができない第１の転位の個数が０個であり、前記第１の転位以外の第２の転位が転位密度１.０×１０2〜２.０×１０4／ｃｍ2で存在することを特徴とするダイヤモンド半導体素子。
【請求項２】
前記電極はショットキー電極、オーミック電極のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項３】
前記ｐ＋単結晶ダイヤモンドが、半絶縁性単結晶ダイヤモンド基板上に成膜された導電性ダイヤモンドからなるｐ＋層、又は導電性ダイヤモンドからなるｐ＋基板であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項４】
前記ｐ＋単結晶ダイヤモンドがコンタクト層であり、前記ｐ−層がドリフト層であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項５】
前記ダイヤモンド半導体素子が、ショットキーダイオード、ｐｎ接合ダイオード又はｐｉｎ接合ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のダイヤモンド半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオード、トランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタ等のダイヤモンド半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ダイヤモンド半導体素子は、大きなバンドギャップ、高いアバランシェ破壊電界、高い飽和キャリア移動度、高い熱伝導率、高温度や放射線曝露環境下で実用動作可能な素子として期待されている。これらの特徴を生かした半導体素子として、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンド電界効果トランジスタ、ダイヤモンドｐｎダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタなどの高出力ダイヤモンド半導体素子の開発が進められている。
【０００３】
本発明者等は、高品質ダイヤモンド半導体素子の研究開発を行ってきた（特許文献１、４、５参照）。
【０００４】
従来、ダイヤモンド半導体素子として、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋コンタクト層、オーミック電極からなる構造のショットキーバリアダイオード（特許文献５参照）について、本発明者等を含め研究開発が進められてきた。また、ダイヤモンドｐ−層、ノンドープダイヤモンド層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極からなる構造のダイヤモンドトランジスタ等について、研究開発がなされてきた。
【０００５】
従来のダイヤモンド半導体素子構造を図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図１（ａ）のように、半絶縁性ダイヤモンド基板１にｐ＋ダイヤモンド層２を成長させ、その上にｐ−ダイヤモンド層３を成長させて積層構造を作製していた。該積層構造に、オーミック電極５をｐ−ダイヤモンド層３上に設け、ショットキー電極４をｐ−ダイヤモンド層３上に設けて横型ショットキーバリアダイオード素子を作製していた。図１（ｂ）のように、半絶縁性ダイヤモンド基板１にｐ＋ダイヤモンド層２を成長させ、その上の一部にｐ−ダイヤモンド層３を成長させて積層構造を作製していた。該積層構造に、オーミック電極５をｐ−ダイヤモンド層３上に設け、ショットキー電極４をｐ＋ダイヤモンド層２上に設けて擬似縦型ショットキーバリアダイオード素子を作製していた。また、図１（ｃ）のように、ｐ＋ダイヤモンド基板６にｐ−ダイヤモンド層３を成長させて積層構造を作製し、該積層構造に、オーミック電極５をｐ＋ダイヤモンド基板６上に設け、ショットキー電極４をｐ−ダイヤモンド層３上に設けて縦型ショットキーバリアダイオード素子を作製していた。また、半導体ダイヤモンド層を動作層とし、トランジスタ動作を制御するゲート電極と上記動作層との間にのみダイヤモンドにてなるノンドープ層が形成された積層構造を作製し、該積層構造に、半導体ダイヤモンド層の表面上にソース・ドレイン電極を設け、ノンドープ層にゲート電極を設けるトランジスタ素子を作製していた。
【０００６】
結晶層の欠陥分析法として、Ｘ線トポグラフィが知られている（特許文献１、３参照）。Ｘ線トポグラフィは、Ｘ線回折の強度分布を結晶全体で撮影する手法である。Ｘ線回折面（結晶面Ｓ）の法線ベクトルをｇベクトルと称する（特許文献１参照）。
【０００７】
反射Ｘ線トポグラフィの装置の概略構成を、図７に示す（特許文献３参照）。該装置は、測定サンプル１１とＸ線源１２とモノクロメーター１３と記録媒体１４とＸ線回折記録用コンピュータ１０を備える。Ｘ線源１２から発せられたＸ線を測定サンプル１１に照射し、サンプルから反射してきた回折光を検出することにより、トポグラフィ像を得ることができる。記録媒体１４に記録されたトポグラフィ像は光学顕微鏡を用いて欠陥拡大イメージとした状態で撮影し、Ｘ線回折記録用コンピュータ１０に取り込まれる（特許文献３参照）。
【０００８】
ダイヤモンド半導体素子における結晶欠陥とデバイスの耐電圧について、研究開発が進められてきた（特許文献１、２、４参照）。例えば、３×１０4／ｃｍ2以下の面密度の複合転位を有するダイヤモンドエピタキシャル層の領域上に、電極を設けたダイヤモンド半導体素子が、提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−９８２６２号公報
【特許文献２】特表２０１０−５１７２６３号公報
【特許文献３】特開２００９−４４０８３号公報
【特許文献４】特開２００７−９５９７５号公報
【特許文献５】特許５０５１８３５号公報
【特許文献６】特開２００９−５９７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
結晶性の高いダイヤモンド半導体素子は、高出力・高耐圧もしくは高耐環境下パワーデバイスとして期待されているが、無欠陥・無歪みのダイヤモンドを作ることは容易ではない。そこで、デバイス特性を阻害する欠陥を調査し、デバイスとして高品質なダイヤモンド半導体素子を実現する必要がある。
【００１１】
既存のデバイス構造で、耐電圧１ｋＶ以上で且つさらなる大電流化をはかるには、スケーリング則により電極サイズを１ｍｍ角程度まで拡大する必要がある。従来技術では、例えば、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード（図１参照）の素子サイズを大きくしていくと、デバイス特性、特に耐電圧特性が劣化するという現象がみられる。この問題の原因として、素子サイズの拡大に伴って、素子中の転位の数が増加し、材料由来の耐圧特性よりも転位による耐圧特性低下効果の方が上回るからであると考えられる。
【００１２】
例えば、ダイヤモンドショットキーバリアダイオードを作成する場合、半絶縁性ダイヤモンド基板上にｐ＋ダイヤモンド層を０.５〜５０μｍの厚さで成長させ、その上にｐ−ダイヤモンド層を１〜２０μｍ成長させる（図１（ａ）（ｂ）参照）。もしくは、ｐ＋ダイヤモンド基板上にｐ−ダイヤモンド層を１〜２０μｍ成長させる（図１（ｃ）参照）。ｐ＋ダイヤモンド層はコンタクト層としての役割を果たし、寄生抵抗を減らすために１０20〜１０21原子数／ｃｍ3程度の非常に高濃度の不純物がドーピングされる。不純物と炭素は、イオン半径や、最外殻電子数が異なる。そのため、ダイヤモンド基板との格子不整合性が生じてｐ＋ダイヤモンド層は結晶成長中に格子歪みが生じやすい。これに対して、ドリフト層として機能するｐ−ダイヤモンド層は、逆バイアス印加時に空乏層を伸張させて高電界でも低リーク電流で電圧維持する必要があるため、高い結晶性が求められる。
【００１３】
ｐ＋ダイヤモンド層上にｐ−ダイヤモンド層を形成するデバイス構造の場合、素子サイズを２００μｍから数ｍｍ角のサイズまで大きくしていくと、ｐ−層中の結晶性、特に転位が原因でデバイス特性が劣化する。転位の発生起因はｐ−層内部の結晶歪みである。ｐ＋層はｐ−層よりもドーパントの濃度が高いので結晶格子が大きい。ｐ−層内部の結晶歪みは、ドーパント濃度が高いｐ＋層との格子定数の差によるものと考えられる。そのため、ｐ−層に歪みが生じやすく、転位の発生を避けることができない。このように、ダイヤモンドショットキーバリアダイオードを高耐圧パワーデバイスとして利用することが困難であった。
【００１４】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、高出力、高耐圧又は高耐環境下パワーデバイスに適する、転位密度を最適化したダイヤモンド半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、特性劣化原因となる転位と特性に影響を与えない転位の密度を最適化することにより、高出力、高耐圧又は高耐環境下パワーデバイスに適するダイヤモンド半導体素子を実現する。
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
【００１６】
本発明は、ｐ＋単結晶ダイヤモンドと、該ｐ＋単結晶ダイヤモンド上に成膜されたダイヤモンド半導体からなるｐ−層と、該ｐ−層の電極形成領域上に形成された電極とを有するダイヤモンド半導体素子であって、前記電極形成領域のｐ−層において、回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像で観察できるが回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像では観察することができない第１の転位の個数が０個であり、前記第１の転位以外の第２の転位が転位密度１.０×１０2〜２.０×１０4／ｃｍ2で存在することを特徴とする。
【００１７】
本発明において、電極は、例えば、ショットキー電極、オーミック電極のいずれかであることが好ましい。また、本発明において、前記ｐ＋単結晶ダイヤモンドは、半絶縁性単結晶ダイヤモンド基板上に成膜された導電性ダイヤモンドからなるｐ＋層、又は導電性ダイヤモンドからなるｐ＋基板であることが好ましい。また、本発明において、前記ｐ＋単結晶ダイヤモンドがコンタクト層であり、前記ｐ−層がドリフト層であることが好ましい。本発明において、前記ダイヤモンド半導体素子は、ショットキーダイオード、ｐｎ接合ダイオード又はｐｉｎ接合ダイオードであることが好ましい。
【００１８】
ここで、ｐ−ダイヤモンド層表面の、電極が形成されている領域を、電極形成領域と呼ぶ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高耐電圧、例えば耐電圧１ｋＶ以上のダイヤモンドショットキーバリアダイオード等のダイヤモンド半導体素子を実現できる。本発明により、１ｋＶの逆バイアスをかけても、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2以下の性能を有するダイヤモンドショットキーバリアダイオードが実現できる。本発明によれば、高品質半絶縁性単結晶ダイヤモンド基板上に、ｐ＋ダイヤモンド層、ｐ−ダイヤモンド層の順でエピタキシャル成長により成膜した積層構造や、導電性ダイヤモンドからなるｐ＋基板上にｐ−ダイヤモンド層をエピタキシャル成長により成膜した積層構造において、ｐ−ダイヤモンド層の膜中に存在する転位の種類に着目して、素子の電極を形成する領域を決定するので、歩留まりよく、高性能の素子を安定して得ることができる。従来のように全転位の密度を減少させる手法を必要とせず、特定の転位の密度に着目することにより、高性能な素子が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、２５０℃で１ｋＶの逆バイアスをかけても、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2以下の性能を有するダイヤモンドショットキーバリアダイオードが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ショットキーバリアダイオードダイヤモンド半導体素子の積層構造を示す断面図。（ａ）は横型、（ｂ）は擬似縦型、（ｃ）は縦型を示す図。
【図２】実施例の良品と比較例の不良品について、逆バイアスとリーク電流密度との相関を説明する図。
【図３】実施例の良品と比較例の不良品について、全転位の密度とデバイス動作特性の関係を示す図。
【図４】実施例の良品と比較例の不良品について、第１の転位の密度とデバイス動作特性の関係を示す図。
【図５】実施例の良品と比較例の不良品について、第２の転位の密度とデバイス動作特性の関係を示す図。
【図６】横型構造のショットキーバリアダイオードダイヤモンド半導体素子の構造と、電極形成領域の転位の種類を説明する図。（１）は電極形成領域を上から見た図、（２）はＸ線トポグラフィ像（ｇ＝−４０４）、（３）はＸ線トポグラフィ像（ｇ＝１１３）。
【図７】反射Ｘ線トポグラフィの装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について、以下説明する。
【００２３】
本発明のダイヤモンド半導体素子の積層構造の代表例は図１に示した構造を有する。図１（ａ）のダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンド単結晶基板１と、ｐ＋ダイヤモンド層２と、ｐ−ダイヤモンド層３とを順次成膜したダイヤモンドの積層構造からなる。図１（ａ）のダイヤモンド半導体素子は、ｐ−ダイヤモンド層３の表面上に、ｐ−ダイヤモンド層３に接して電極（ショットキー電極４）を設けると共に、該電極に対して所定間隔離間して、ｐ−ダイヤモンド層３の表面上に、電極（オーミック電極５）を設けた構造を有する。
【００２４】
基板は、オフ角・オフ方向制御された、低表面欠陥密度の高品質単結晶ダイヤモンド基板を用いる。基板は、例えば、Ｉｂ型ダイヤモンド基板を用いる。
【００２５】
基板は、スカイフ研磨で高精度に研磨することが好ましい。スカイフ研磨とは、水平に回転している鋳鉄製の円盤に、研磨剤としてダイヤ粉と油を塗って研磨する方法をいう。基板のオフ角制御は、＜１１０＞±５°方向に、＜００１＞ベクトルが表面の法線ベクトルに対して１°から５°のオフ角度を持つものが好ましい（特許文献６参照）。また、基板をスカイフ研磨に換えて、あるいは併用してＵＶ援用研磨により研磨することができる。研磨後の基板は、表面の粗さが、Ｒａを０.１ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００２６】
基板中の平均転位密度は、例えば、１.０×１０2〜１.０×１０6／ｃｍ2であることが好ましい。
【００２７】
基板上に、化学気相合成法（ＣＶＤ法）によってｐ＋ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる。ｐ＋ダイヤモンド層は、電気伝導性を持たせるためのホウ素濃度にすることが好ましい。また、層内部で均一なドーピング濃度が保証され、歪みのない層が成長できる厚みであることが好ましい。よって、具体的には厚さが０．５μｍ以上で５０μｍ以下、ｐ＋ダイヤモンド層のホウ素濃度が１.０×１０20／ｃｍ3以上で１.０×１０21／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００２８】
ｐ＋ダイヤモンド層上に、化学気相合成法（ＣＶＤ法）によりｐ−ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる。ｐ−ダイヤモンド層は厚さが１μｍ以上で２０μｍ以下であり、ｐ−層中のホウ素濃度が１.０×１０16以上で１.０×１０17／ｃｍ3以下であることが好ましい。ショットキーバリアダイオードを高電圧において動作させてもリーク電流密度を低くさせるために、ドーピング濃度および膜厚を制御することが必要であるためである。
【００２９】
ｐ−ダイヤモンド層表面に、オーミック電極を設け、該オーミック電極と所定間隔離間して、ショットキー電極を設ける。電極形成方法は、蒸着で行うことができる。
【００３０】
オーミック電極の材料は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等を用いることができる。例えば、従来知られている積層構造の電極で、ｐ−ダイヤモンド層表面に近い方からＴｉ／Ｐｔ／Ａｌを用いることができる。オーミック電極のサイズは、３×１０4〜１.３×１０5μｍ2程度である。
【００３１】
ショットキー電極の材料は、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｐｔなどの金属、またはタングステンカーバイド化合物等を用いることができる。ショットキー電極のサイズは、２×１０4〜１×１０6μｍ2程度である。
【００３２】
本発明では、ｐ−ダイヤモンド層表面のショットキー電極等が形成される領域に、非対称ブラッグ反射条件でのＸ線トポグラフィ像（ｇ＝−４０４）で観察できるがＸ線トポグラフィ像(ｇ＝１１３）では観察することができない転位が存在しないように、電極を形成する。電極形成領域は、電極の設置位置に対応する（電極の下部の）ｐ−表面の領域である。電極形成領域において、非対称ブラッグ反射条件でのＸ線トポグラフィ像（ｇ＝−４０４）で観察できるがＸ線トポグラフィ像(ｇ＝１１３）では観察することができない転位以外の転位については、転位が存在しても、後述するようにデバイス特性に影響しないので、転位の密度は１.０×１０2〜２．０×１０4／ｃｍ2とすることが好ましい。
【００３３】
本発明では、素子基板の結晶面は｛００１｝であり、オフ角の有無及び大小関係にはよらない。
【００３４】
（実施例）
本発明の実施例のダイヤモンド半導体素子について図１〜図７を参照して以下説明する。
まず、本実施例及び比較例のダイヤモンド半導体素子の製造工程について説明する。
【００３５】
（基板の準備工程）
オフ角・オフ方向制御された、低表面欠陥密度の高品質な半絶縁性のＩｂ型ダイヤモンド単結晶（００１）基板を次のように準備した。ここで、基板のオフ角制御は、＜１１０＞方向に、＜００１＞ベクトルが表面の法線ベクトルに対して３°のオフ角度を持っている。基板中の平均転位密度は、１.０×１０4／ｃｍ3程度であった。基板をスカイフ研磨により、Ｒａ（平均粗さ）を０.１ｎｍ以下になるように研磨した。
【００３６】
（ｐ＋ダイヤモンド層形成工程）
準備したＩｂ型ダイヤモンド単結晶（００１）基板上に、まず、水素ガスのみを５０Ｔｏｒｒ、合計流量４００ｓｃｃｍで導入し、マイクロ波パワー１２００Ｗ、基板温度９００℃にてマイクロ波によって発生させたプラズマによる基板表面の清浄処理を１５分間行う。次にプラズマによる化学気相合成法（マイクロ波プラズマＣＶＤ法）によってｐ＋ダイヤモンド層２を厚さ１μｍエピタキシャル成長させた（図１参照）。原料ガスとして、メタンとジボランを使用し、原料ガス中のホウ素と炭素の比率（Ｂ／Ｃ）とメタン濃度を調整して、ｐ＋ダイヤモンド層２を合成した。Ｂ／Ｃは、１６０００ｐｐｍで、メタン濃度は、０.６％であった。ｐ＋ダイヤモンド層のホウ素濃度は、１.０×１０20／ｃｍ3であった。
【００３７】
（ｐ−ダイヤモンド層形成工程）
次に、化学気相合成法（マイクロ波プラズマＣＶＤ法）によって、ｐ−ダイヤモンド層３を厚さ１７μｍエピタキシャル成長させた（図１参照）。ｐ−ダイヤモンド層形成工程においても、ｐ＋ダイヤモンド層形成工程と同様に、原料ガスはメタンとジボランを使用し、原料ガス中のホウ素と炭素の比率（Ｂ／Ｃ）とメタン濃度を調整することで、ｐ−ダイヤモンド層を合成した。Ｂ／Ｃは、１５０ｐｐｍで、メタン濃度は０.１％であった。ｐ−ダイヤモンド層のホウ素濃度は、１.０×１０16／ｃｍ3であった。
【００３８】
（電極形成工程）
作成したｐ−ダイヤモンド層は、異常成長粒子やヒロック等がなく、平坦な表面をもつデバイスであった。ｐ−ダイヤモンド層の表面に直径２００μｍのショットキー電極４と直径４００μｍのオーミック電極５を蒸着した。ショットキー電極としてＰｔを用い、オーミック電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｌを用いた。ｐ−ダイヤモンド層において、転位密度が次の条件（１）及び（２）を満たす領域を選択して、ショットキー電極を形成した。
【００３９】
ｐ−ダイヤモンド層中の領域であって、該層に接してショットキー電極が形成されている電極形成領域は、次の（１）及び（２）の条件を満たしている。
（１）非対称ブラッグ反射条件での回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像で観察できかつ回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像で観察することができない転位（以下、転位（以下、「第１の転位」という。）が、ｐ−ダイヤモンド層中に含まれていないこと。即ち、第１の転位がゼロであること。
（２）非対称ブラッグ反射条件での回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像で観察できかつ回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像で観察することができない転位以外の、転位（以下、「第２の転位」という。）の密度が、１.０×１０2〜２.０×１０4／ｃｍ2であること。
【００４０】
以下、条件（１）（２）について詳しく説明する。
【００４１】
作成した素子の動作特性の目標値達成度を定量化するため、逆バイアスをかけた時のリーク電流密度を測定した。本発明のダイヤモンド半導体素子は、１ｋＶの逆バイアスをかけても、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2以下の性能を有する。
【００４２】
図２は、本実施例のダイヤモンド半導体素子を説明するための、実施例の良品と比較例の不良品とにおける、逆バイアスとリーク電流密度の相関を示す図である。良品は、１ｋＶの逆バイアスをかけても、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2以下の性能を有するものをいう。図２の実線のような相関を示すものは、良品である。一方、図２の破線のように、逆バイアスが１ｋＶに到達する前にリーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2を超過する素子は、不良品とみなす。
【００４３】
本発明では、ｐ−ダイヤモンド層中の転位のみを評価するために、微小角入射Ｘ線とブラッグ反射条件でＸ線トポグラフィ像を撮影した。図７に例示した装置で撮影することができる。使用したＸ線の波長は、０.７〜１.０Åである。ダイヤモンド構造で回折強度が比較的高く、使用波長範囲内でブラッグ反射条件を満たす｛１１３｝と｛４０４｝を、Ｘ線トポグラフィの回折面とした。
【００４４】
図６に、本発明を理解するために、ダイヤモンドショットキーバリアダイオードの構造と、ｐ−ダイヤモンド層に存在する転位の種類とを示す。図６（１）は、電極を上から見た模式図である。図６（２）は、図６（１）の領域に対応する、回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像（「Ｘ線トポグラフィ像（ｇ＝−４０４）」とも表す。）で観察することができる像である。図６（３）は、図６（１）の領域に対応する、回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像（「Ｘ線トポグラフィ像（ｇ＝１１３）」とも表す。）で観察することができる像である。図６に示すように、Ｘ線トポグラフィ像（ｇ＝−４０４）で観察することができる転位（図６（２）参照）、Ｘ線トポグラフィ像（ｇ＝１１３）で観察することができる転位（図６（３）参照）、両方のＸ線トポグラフィ像で観察することができる転位（図６（２）及び図６（３）参照）があり、Ｘ線トポグラフィ像により、転位の種類を区別できる。本発明では、Ｘ線トポグラフィ像（ｇ＝−４０４）で観察することができるがＸ線トポグラフィ像（ｇ＝１１３）では観察することができない転位を、第１の転位と呼ぶ。また、それ以外の転位を第２の転位と呼ぶ。図６において、第１の転位をＡと表し、第２の転位をＢと表した。後述するように、第１の転位は、デバイス特性に影響を与える転位であり、第２の転位はデバイス特性に影響ない転位である。
【００４５】
良品と不良品の転位種と転位密度を解析した。解析したサンプル点数は、良品３点と不良品７点の計１０点である。表１に、各サンプルの耐電圧値と品質判定結果を示す。
【００４６】
【表１】
2014160719.tif 000003
【００４７】
Ｘ線トポグラフからデバイスのｐ−ダイヤモンド層においてショットキー電極と接する電極形成領域の転位密度を求めた。
【００４８】
図３に、表１の良品・不良品について、ｐ−層においてショットキー電極と接する電極形成領域の転位密度とデバイスの耐電圧特性を比較したグラフを示す。図３の横軸は、ｐ−層においてショットキー電極と接する電極形成領域の転位密度である。図３においては、横軸の転位密度は、「全転位数／ショットキー電極面積」（範囲０.６×１０4／ｃｍ2〜３.０×１０4／ｃｍ2）である。縦軸は、デバイスの耐電圧（Ｖ）であり、詳しくは、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2に達した時の逆バイアス値である。図３によれば、転位密度は、良品の場合は１.３×１０4／ｃｍ2〜１.９×１０4／ｃｍ2、不良品の場合は０.６×１０4／ｃｍ2〜３.２×１０4／ｃｍ2であった。図３を見ると、転位密度が１.８５×１０4／ｃｍ2の２つの電極のうち一方は良品で、もう一方は耐電圧１ｋＶ以下の不良品なっている。このことから、転位は２つのタイプに分けられることが考えられる。すなわち、デバイスに悪影響を及ぼす転位（第１の転位）と、動作への影響が無視できる転位（第２の転位）である。
【００４９】
図４に、表１の良品・不良品について、ショットキー電極中（ｐ−層においてショットキー電極と接する電極形成領域）の第１の転位（図中、キラー転位と表す。）の密度とデバイスの耐電圧特性を比較したグラフを示す。図４の横軸は、ショットキー電極中（ｐ−層においてショットキー電極と接する電極形成領域）の第１の転位の密度である。図４においては、図３とは異なり、横軸の転位密度は、「第１の転位数／ショットキー電極面積」（範囲０〜２.０×１０4／ｃｍ2）である。図４の縦軸は、デバイスの耐電圧（Ｖ）であり、詳しくは、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2に達した時の逆バイアス値である。なお、良品３点中２点の耐電圧がほぼ同じなので、グラフ中では、円が重なって表示されている。ここで、第１の転位とは、回折ベクトル［−４０４］のＸ線トポグラフィ像で観察できかつ回折ベクトル［１１３］のＸ線トポグラフィ像で観察することができない転位である。図４を見ると、良品は、転位密度がゼロ、即ち、「第１の転位数／ショットキー電極面積」がゼロの位置に分布していることが分かる。このことから、第１の転位が１つでも存在すると１ｋＶの耐電圧特性を達成できないことが分かる。
【００５０】
図５に、表１の良品・不良品について、ショットキー電極中（ｐ−層においてショットキー電極と接する電極形成領域）の第２の転位（図中、非キラー転位と表す。）の密度とデバイスの耐電圧特性を比較したグラフを示す。図５の横軸は、ショットキー電極中（ｐ−層においてショットキー電極と接する電極形成領域）の第２の転位の密度である。図５においては、図３や図４とは異なり、横軸の転位密度は、「第２の転位数／ショットキー電極面積」（範囲０.３×１０4／ｃｍ2〜１.９×１０4／ｃｍ2）である。図５の縦軸は、デバイスの耐電圧（Ｖ）であり、詳しくは、リーク電流密度が１ｍＡ／ｃｍ2に達した時の逆バイアス値である。ここで、第２の転位とは、第１の転位以外の転位をいう。図５によれば、転位密度の高さとデバイス動作特性の高さに正の相関はないことが示唆される。また、良品において、第２の転位の密度が１.４×１０4／ｃｍ2〜２.０×１０4／ｃｍ2程度であり、不良品と比べて高めの密度であっても、デバイスの耐電圧が１ｋＶ以上となることが分かる。良品と不良品の区別は、第２の転位の密度に大きく依存することはないが、全転位密度が低いことが好ましいので、良品における第２の転位の密度は、１.０×１０2／ｃｍ2〜２.０×１０4／ｃｍ2の範囲が望ましい。
【００５１】
以上の解析結果から、耐電圧１ｋＶのダイヤモンドショットキーバリアダイオードを実現するために、（ａ）第１の転位は回折面（−４０４）のＸ線トポグラフィで観察することができること、（ｂ）第１の転位がショットキー電極中に存在すると、１ｋＶの耐電圧が実現できないこと、（ｃ）第２の転位は１ｋＶの耐電圧動作特性を阻害せず、その密度は１.０×１０4／ｃｍ2〜２.０×１０4／ｃｍ2の範囲内であること、が導かれる。
【００５２】
本実施例のように、ｐ−ダイヤモンド層における電極形成領域が、Ｘ線トポグラフィ（ｇ＝−４０４）で観察できるがＸ線トポグラフィ像(ｇ＝１１３）では観察することができない第１の転位を持たず、かつ第２の転位の密度がおよそ１.０×１０2／ｃｍ2〜２.０×１０4／ｃｍ2の範囲内である、ダイヤモンドショットキーバリアダイオードは、デバイスの耐電圧特性が１ｋＶ以上の優れた特性を示す。
【００５３】
以上の実施例では、横型構造のショットキーバリアダイオードを例に説明したが、本発明のダイヤモンド半導体素子では、耐電圧特性はドリフト層の結晶構造に依存しているため、図１の（ｂ）や（ｃ）のような擬似縦型・縦型構造においても同様の結果が得られる。
【００５４】
実施例では、ショットキー電極での例を示したが、オーミック電極形成領域においても、同様の効果が得られる。また、ショットキーバリアダイオードの例で説明したが、ｐｎ接合ダイオード、ｐｉｎ接合ダイオードなど各種ダイオード、サイリスタ、ＦＥＴなどの半導体素子における電極形成領域においても、同様の効果が得られる。
【００５５】
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のダイヤモンド半導体素子は、ショットキーダイオード、ｐｎ接合ダイオード、ｐｉｎ接合ダイオードなど各種ダイオード、サイリスタ、ＦＥＴなどの半導体素子として用いることができる。本発明のダイヤモンド半導体素子は、耐電圧特性が１ｋＶ以上であったり、高耐環境下で優れた特性を示すので、パワーデバイス、例えば、家電等に搭載するインバータ等の中程度の耐圧と構成を要求されるデバイス等に有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１      ダイヤモンド基板
２      ｐ＋ダイヤモンド層
３      ｐ−ダイヤモンド層
４      ショットキー電極
５      オーミック電極
６      ｐ＋ダイヤモンド基板
１０    Ｘ線回折記録用コンピュータ
１１    サンプル
１２    Ｘ線源
１３    モノクロメーター
【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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