(57)【要約】    【課題】  トランジスタ特性が優れ、また高効率で紫外線発光が可能なダイヤモンド半導体素子及びその製造方法を提供する。    【解決手段】  ダイヤモンド基板１上に、高濃度にＢがドープされ夫々ソース及びドレインとなる高ドープダイヤモンド層２及び３を局所的に形成する。また、高ドープダイヤモンド層２と高ドープダイヤモンド層３との間には、極低濃度にＢがドープされチャネル層となる低ドープダイヤモンド層４、Ｂがドープされゲートとなるドープダイヤモンド層６、及び極低濃度にＢがドープされチャネル層となる低ドープダイヤモンド層５をこの順に形成する。更に、高ドープダイヤモンド層２上にソース電極となる金属電極７、高ドープダイヤモンド層３上にドレン電極となる金属電極８、ドープダイヤモンド層６上に、ゲート電極となる金属電極９を形成し、ダイヤモンドトランジスタ１０にする。【選択図】    図１
2006120886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板上に局所的に形成され高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成され前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第１の低ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成され前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第２の低ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域間の領域にこの第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域と接触するように形成され前記第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域よりも高濃度でホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域と、を有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】
前記第１の低ドープダイヤモンド領域の幅は、前記第２の低ドープダイヤモンド領域の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項３】
前記第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域は、ホウ素原子のドーピング濃度が１０１７／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項４】
ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板上に局所的に形成され高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成された第１のアンドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成された第２のアンドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２のアンドープダイヤモンド領域間の領域にこの第１及び第２のアンドープダイヤモンド領域と接触するように形成されホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域と、を有することを特徴とするダイヤモンド半導体素子。
【請求項５】
前記第１のアンドープダイヤモンド領域の幅は、前記第２のアンドープダイヤモンド領域の幅よりも狭いことを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域は、ホウ素原子のドーピング濃度が１０１９／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項７】
前記ドープダイヤモンド領域は、ホウ素原子のドーピング濃度が１０１８／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項８】
更に、前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域上に夫々形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ドープダイヤモンド領域上に形成されたゲート電極と、を有し、トランジスタとして使用されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項９】
更に、前記第１の高ドープダイヤモンド領域上に形成された第１の金属電極と、前記第２の高ドープダイヤモンド領域上に夫々形成された第２の金属電極と、前記ドープダイヤモンド領域におけるチャネル以外の領域上に形成された第３の電極と、を有し、紫外線発光素子として使用されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１０】
ダイヤモンド基板上に高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域を局所的に形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域との間に間隔をあけてホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第１の低ドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第２の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第２の低ドープダイヤモンド領域を形成する工程と、を有することを特徴とするダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
ダイヤモンド基板上に高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域を局所的に形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域との間に間隔をあけてホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように第１のアンドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第２の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように第２のアンドープダイヤモンド領域を形成する工程と、を有することを特徴とするダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ及び紫外線発光デバイス等のダイヤモンド半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、熱伝導率が２０Ｗ／ｃｍ・Ｋと高く、また飽和電子の移動度が２０００ｃｍ２／Ｖ・秒、ホール移動度が２１００ｃｍ２／Ｖ・秒と共に高いが、誘電率は５．７０と低い等、電子デバイスに必要とされる物性が優れているため、高性能の電子デバイス、高出力デバイス及び高周波デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
従来、ダイヤモンド薄膜を使用した電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）としては、ゲート電極と動作層であるチャネル層との間に絶縁体層を挿入した絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＩＳＦＥＴ）が提案されている（特許文献１及び２参照。）。
【０００４】
図６は特許文献１に記載のＭＩＳＦＥＴの構造を示す断面図である。図６に示すように、特許文献１に記載のＭＩＳＦＥＴ１００は、絶縁性ダイヤモンド単結晶基板１０１上に、アクセプタであるホウ素（Ｂ）が高濃度でドープされ、ソース及びドレインとなる高ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０２ａ及び１０２ｂが形成されている。また、絶縁性ダイヤモンド単結晶基板１０１上における高ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０２ａと高ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０２ｂとの間には、これら高ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０２ａ及び１０２ｂよりも低濃度でＢがドープされたチャネル層である低ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０３が形成されている。更に、高ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０２ａ及び１０２ｂ上には、夫々ソース電極１０４及びドレイン電極１０５が形成されており、低ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０３上には、絶縁体層となるアンドープダイヤモンド層１０６を介して、ゲート電極１０７が形成されている。
【０００５】
このＭＩＳＦＥＴ１００は、ゲート電位が印加されていないときにチャネル領域にドレイン電流が流れ、ゲート電極にソース電位に対して正の電位を印加することにより、ドレイン電流が抑制されるノーマリーオン型のＦＥＴである。このようなノーマリーオン型のＦＥＴにおいて、低いゲート電位を印加するだけでドレイン電流を大きく変化させるため、即ち、相互コンダクタンスを大きくするためには、ゲート電位の影響がチャネル層の深い領域まで及ぶようにして、キャリアの空乏領域を大きく広げることが有効である。そのためには、チャネル層におけるＢ濃度を低くすると共に、チャネル層の厚さをゲート電位の影響が及ぶ範囲にまで薄くしなければならないが、そうすると高いドレイン電流が得られない。一方、高いドレイン電流を得るためには、チャネル層におけるＢ濃度を高くしてキャリア濃度を高くすると共に、チャネル層を厚くしなければならないが、そうすると空乏領域が広がらない。
【０００６】
このように、相互コンダクタンスを大きくするための条件と、高いドレイン電流を得るための条件とは相反しているため、これらを同時に満足することは困難である。このため、一般的なＭＩＳＦＥＴにおいては、チャネル層における不純物濃度を原子比で数十乃至数百ｐｐｍ程度にしている。例えば、特許文献１に記載のＭＩＳＦＥＴ１００においては、その実施例に記載されている合成条件に基づいて計算すると、チャネル層である低ドープｐ型半導体ダイヤモンド層１０３におけるホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）との原子比（Ｂ／Ｃ）は、２００ｐｐｍとなる。
【０００７】
また、特許文献２には、ｐ型半導体ダイヤモンド層上に、アンドープダイヤモンドからなる絶縁体層を介して、金属からなるゲート電極が形成されているＭＩＳＦＥＴが開示されている。このＭＩＳＦＥＴにおける絶縁体層は、チャネル層であるｐ型半導体ダイヤモンド層とゲート電極との間を絶縁する役割を担っている。また、特許文献２に記載のＭＩＳＦＥＴはノーマリーオン型のＦＥＴであり、その動作機構は前述の特許文献１に記載のＭＩＳＦＥＴ１００と同様である。
【０００８】
しかしながら、前述したような高い移動度（２０００ｃｍ２／Ｖ・秒）は、ダイヤモンド層中に不純物及び結晶欠陥を低減することにより発現するものであり、特許文献１及び２に記載のＭＩＳＦＥＴのように、チャネル層のキャリア源を確保するために、ダイヤモンド層にアクセプタとなる不純物をドープした場合、アクセプタ濃度に比例してキャリア移動度が低くなるため、高周波応答性が劣化する。
【０００９】
これに対して、高周波用トランジスタを実現するために、チャネル層には基本的に不純物をドープしないダイヤモンドＦＥＴが提案されている（特許文献３参照）。図７は特許文献３に記載のダイヤモンドＦＥＴの動作原理を示す模式図である。図７に示すように、特許文献３に記載のＦＥＴ１２０においては、半導体ダイヤモンド層１２１と半導体ダイヤモンド層１２３との間に、比抵抗が１００Ω・ｃｍ以上でありアンドープダイヤモンド等からなる高抵抗ダイヤモンド層１２２が設けられている。そして、半導体ダイヤモンド層１２１及び１２３上には、夫々ソース電極１２４及びドレイン電極１２６が形成されており、高抵抗ダイヤモンド層１２２上にはゲート電極１２５が形成されている。
【００１０】
このダイヤモンドＦＥＴ１２０においては、ソース電極１２４からドレイン電極１２６に到達するキャリアが、半導体ダイヤモンド層１２１、高抵抗ダイヤモンド層１２２及び半導体ダイヤモンド層１２３をこの順に流れる。そして、ゲート電極１２５に印加する電位を変化させることにより、高抵抗ダイヤモンド層１２２のポテンシャルを変化させ、ソース電極１２４が接触する半導体ダイヤモンド層１２１から高抵抗ダイヤモンド層１２２へのキャリア注入量を制御している。このＦＥＴ１２０は、前述のＭＩＳＦＥＴとは異なり、チャネル層に空乏層を拡げてドレイン電流を制御するものではないため、チャネル層に不純物をドープする必要がない。
【００１１】
一方、ダイヤモンド薄膜を使用した紫外線発光素子としては、高濃度にＢをドープしたダイヤモンド層上にアンドープ・ダイヤモンド層を形成し、その表面に金属電極を形成した金属／真性半導体／半導体（ＭｉＳ：Metal/intrinsic semiconductor/Semiconductor）型ダイオードが提案されている（特許文献４参照）。また、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合を利用した構造のダイヤモンド紫外線発光素子も提案されている（特許文献５及び６参照）。特許文献５及び６に記載の紫外線発光素子には、ダイヤモンドにＢをドープすることにより容易に低抵抗のｐ型半導体層を形成することができ、また、ｐ型半導体ダイヤモンド層上に容易にオーミック電極を形成することができるという特徴がある。
【００１２】
【特許文献１】特開平１−１５８７７４号公報
【特許文献２】特開平３−２６３８７２号公報
【特許文献３】特開平６−２３２３８８号公報
【特許文献４】特開２００１−９４１４４号公報
【特許文献５】特開２００３−３４７５８０号公報
【特許文献６】特開２００３−５１６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献３に記載のＦＥＴ１２０には、ゲート電極１２５と高抵抗ダイヤモンド層１２２とを電気的に絶縁するゲート絶縁層が不可欠であり、ＦＥＴの特性を向上させるためにはこのゲート絶縁層の厚さを１００ｎｍ程度に薄くする必要があるが、ＦＥＴの出力を向上させるためにソース・ドレイン間に数十Ｖの電圧を印加すると、ソース又はドレインとゲート間にかかる高電圧のために、この極薄のゲート絶縁層が絶縁破壊してＦＥＴが破壊されるという問題点がある。
【００１４】
また、ＦＥＴの性能指標としては、一般に、ドレイン電流量及びゲート電極によるチャネル層内を流れる電流の制御性がある。高いドレイン電流を得るためにはソース・ドレイン間の距離であるチャネル長を短くすることが有効であるが、従来のＦＥＴにおいては、チャネル長を短くするとゲート電極による電流制御性が低下するという問題点がある。これは、チャネル長が短くなることにより、ソース・ドレイン間の電界が強くなり、ゲート電極がチャネル層へ与える電界の影響が相対的に弱くなることに起因している。
【００１５】
更に、特許文献４に記載のダイヤモンド紫外線発光素子は、５ｅＶ程度の紫外線を発光することができるが、発光が高濃度にＢをドープしたダイヤモンド層とアンドープ・ダイヤモンド層との界面近傍で生じるため、金属電極により発光が妨げられる。従って、金属電極を極薄にする必要があるが、それでも金属による散乱波避けられず、この紫外線発光素子には発光強度が小さいという問題点がある。
【００１６】
更にまた、特許文献５及び６に記載のダイヤモンド紫外線発光素子は、ダイヤモンドに燐（Ｐ）又は硫黄（Ｓ）をドープすることによりｎ型半導体ダイヤモンド層を形成しているが、このｎ型半導体ダイヤモンド層はＢをドープしたｐ型半導体ダイヤモンド層よりも抵抗値が高い。また、ｎ型半導体ダイヤモンド層上にオーミック電極を形成することは困難である。このため、これらの紫外線発光素子には、電極間に高電圧を印加しなければ紫外光が発生しないという問題点がある。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、トランジスタ特性が優れ、また高効率で紫外線発光が可能なダイヤモンド半導体素子及びその製造方法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】
【００１８】
本願第１発明に係るダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板上に局所的に形成され高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成され前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第１の低ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成され前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第２の低ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域間の領域にこの第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域と接触するように形成され前記第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域よりも高濃度でホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域と、を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域間にドープダイヤモンド領域を形成しているため、トランジスタとして使用した場合には、ゲート絶縁膜が不要になると共に低いゲート電圧で大きなドレイン電流が得られ、また、紫外線発光素子として使用した場合には、高い発光効率が得られる。
【００２０】
前記第１の低ドープダイヤモンド領域の幅を、前記第２の低ドープダイヤモンド領域の幅よりも狭くしてもよい。これにより、ドープダイヤモンド領域から第２の高ドープダイヤモンド領域への正孔の流れが支配的になることを防止できる。
【００２１】
また前記第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域におけるホウ素原子のドーピング濃度は、例えば、１０１７／ｃｍ２以下である。これにより、第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域中に結晶欠陥が発生することを抑制できる。
【００２２】
本願第２発明に係るダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板上に局所的に形成され高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成された第１のアンドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域と接触するように形成された第２のアンドープダイヤモンド領域と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２のアンドープダイヤモンド領域間の領域にこの第１及び第２のアンドープダイヤモンド領域と接触するように形成されホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域と、を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明においては、第１及び第２のアンドープダイヤモンド領域間にドープダイヤモンド領域を形成しているため、トランジスタとして使用した場合には、ゲート絶縁膜が不要になると共に低いゲート電圧で大きなドレイン電流が得られ、また、紫外線発光素子として使用した場合には、高い発光効率が得られる。
【００２４】
前記第１のアンドープダイヤモンド領域の幅を前記第２のアンドープダイヤモンド領域の幅よりも狭くしてもよい。これにより、ドープダイヤモンド領域から第２の高ドープダイヤモンド領域への正孔の流れが支配的になることを防止できる。
【００２５】
また、前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域のホウ素原子のドーピング濃度は、例えば１０１９／ｃｍ２以上である。これにより、第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域への正孔の注入効果が向上し、トランジスタ特性を向上させることができる。
【００２６】
更に、前記ドープダイヤモンド領域のホウ素原子のドーピング濃度は、例えば、１０１８／ｃｍ２以上である。これにより、低抵抗の電気伝導性が得られる。
【００２７】
このダイヤモンド半導体素子は、更に、前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域上に夫々形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ドープダイヤモンド領域上に形成されたゲート電極と、を有していてもよく、これにより、トランジスタとして使用することができる。又は、前記第１の高ドープダイヤモンド領域上に形成された第１の金属電極と、前記第２の高ドープダイヤモンド領域上に夫々形成されたび第２の金属電極と、前記ドープダイヤモンド領域におけるチャネル以外の領域上に形成された第３の電極と、を有していてもよく、これにより、紫外線発光素子として使用することもできる。
【００２８】
本願第３発明に係るダイヤモンド半導体素子の製造方法は、ダイヤモンド基板上に高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域を局所的に形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域との間に間隔をあけてホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第１の低ドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第２の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域よりも低濃度でホウ素がドープされた第２の低ドープダイヤモンド領域を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２９】
本願第４発明に係るダイヤモンド半導体素子の製造方法は、ダイヤモンド基板上に高濃度にホウ素がドープされた第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域を局所的に形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域間の領域に前記第１及び第２の高ドープダイヤモンド領域との間に間隔をあけてホウ素がドープされたドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第１の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第１の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように第１のアンドープダイヤモンド領域を形成する工程と、前記ダイヤモンド基板上の前記第２の高ドープダイヤモンド領域と前記ドープダイヤモンド領域との間の領域に前記第２の高ドープダイヤモンド領域及び前記ドープダイヤモンド領域と接触するように第２のアンドープダイヤモンド領域を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明においては、第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域間又は第１及び第２のアンドープ領域間にドープダイヤモンド領域を形成しているため、特性が優れたトランジスタ及び高効率で紫外線を発光する紫外線発光素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、第１及び第２の低ドープダイヤモンド領域間又は第１及び第２のアンドープ領域間にドープダイヤモンド領域を形成しているため、トランジスタとして使用した場合には、ゲート絶縁膜が不要になると共に低いゲート電圧で大きなドレイン電流が得られ、また紫外線発光素子として使用した場合には、高い発光効率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態に係るダイヤモンド半導体素子について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンドトランジスタについて説明する。図１（ａ）は本実施形態のダイヤモンドトランジスタの構造を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。なお、図１（ａ）においては、図を見やすくするために、金属電極は省略している。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０は、ダイヤモンド基板１上に、高濃度にＢがドープされ夫々ソース及びドレインとなる高ドープダイヤモンド層２及び３が局所的に形成されており、この高ドープダイヤモンド層２及び３上には夫々ソース電極及びドレイン電極となる金属電極７及び８が形成されている。また、ソースとなる高ドープダイヤモンド層２とドレインとなる高ドープダイヤモンド層３との間には、極低濃度にＢがドープされチャネル層となる低ドープダイヤモンド層４、Ｂがドープされゲートとなるドープダイヤモンド層６、及び極低濃度にＢがドープされチャネル層となる低ドープダイヤモンド層５がこの順に形成されている。即ち、このダイヤモンドトランジスタ１０においては、チャネル層となる低ドープダイヤモンド層４及び低ドープダイヤモンド層５の間に、ゲートとなるドープダイヤモンド層６が形成されている。更に、ドープダイヤモンド層６上には、ゲート電極となる金属電極９が形成してもよい。
【００３３】
本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０におけるダイヤモンド基板１は、単結晶ダイヤモンド基板又は高配向ダイヤモンド基板であることが好ましい。また、夫々ソース及びドレインとなる高ドープダイヤモンド層２及び３は、抵抗値を低くする必要がある。このため、高ドープダイヤモンド層２及び３のＢドーピング濃度は１０１９／ｃｍ２以上であることが好ましい。なお、高ドープダイヤモンド層２及び３のＢドーピング濃度が１０１９／ｃｍ２未満の場合は、トランジスタとしての特性が得られないことがある。
【００３４】
一方、チャネル層となる低ドープダイヤモンド層４及び５は、その内部を正孔が抵抗なく移動できるようにする必要がある。このため、低ドープダイヤモンド層４及び５は、Ｂドーピング濃度を１０１７／ｃｍ２以下にして、正孔の移動を妨げる結晶欠陥を低減することが好ましい。なお、低ドープダイヤモンド層４及び５のＢドーピング濃度が１０１７／ｃｍ２を超えると、ホウ素原子により正孔が散乱され、高速移動できなくなる。また、低ドープダイヤモンド層４及び５の厚さｔはトランジスタの特性と関係するため、１０乃至１０００ｎｍであることが望ましい。これにより、高電流を確保することができる。更に、ドレイン側に形成されている低ドープダイヤモンド層５の幅ｐが、ソース側に形成されている低ドープダイヤモンド層４の幅ｑよりも狭いと、ゲートからドレインへの正孔の流れが支配的になるため、ドレイン側に形成された低ドープダイヤモンド層５の幅ｐを低ドープダイヤモンド層４の幅ｑよりも広くすることが好ましい。
【００３５】
ゲートとなるドープダイヤモンド層６は、ＧＨｚ帯の周波数で電圧が印加されるため、その抵抗値を低くする必要がある。そこで、ドープダイヤモンド層６のＢドーピング濃度は、ダイヤモンドが金属的な電気伝導性を示し始める濃度、即ち、１０１８／ｃｍ２以上であることが好ましく、また、ドープダイヤモンド層６の長さｌは、１乃至５０ｎｍであることが好ましい。これにより、正孔がドープダイヤモンド層６で散乱されたり、トラップされたりすることを防止できるため、正孔がドープダイヤモンド層６を殆ど抵抗なしに通り抜けることができるようになる。
【００３６】
また、金属電極７乃至９は、白金、金、チタン、タングステン等のようにダイヤモンドに対してオーミック接合特性を示す金属材料により形成されていることが好ましい。なお、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０においては、ドープダイヤモンド層６における低ドープダイヤモンド層４及び５間の領域、即ちチャネル領域上にゲート電極となる金属電極９を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ドープダイヤモンド層６における低ドープダイヤモンド層４及び５に接触していない領域６ａにゲート電極を設けても動作可能である。但し、高周波動作性が求められる場合には、低ドープダイヤモンド層４及び５間の領域上にゲート電極を設けることが望ましい。また、ドープダイヤモンド層６の長さｌが短い場合には、図１に示すように、ゲート電極を断面がＴ字型である構造にすることもできる。
【００３７】
次に、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０の動作について説明する。このダイヤモンドトランジスタ１０においては、例えば、ソースである高ドープダイヤモンド層２をアース電位にし、ドレインである高ドープダイヤモンド層３を十分に高い負電位にすると、正孔は高ドープダイヤモンド層２からチャネル層である低ドープダイヤモンド層４に注入され、更にゲートであるドープダイヤモンド層６を通過して、チャネル層である低ドープダイヤモンド層５を経由して、高ドープダイヤモンド層３に到達する。これにより、ソース・ドレイン間に電流が流れる。
【００３８】
このとき、ドープダイヤモンド層６に高い正電圧を印加すると、高ドープダイヤモンド層２から低ドープダイヤモンド層４に注入された正孔はゲート電界により、移動が阻止される。また、ドープダイヤモンド層６に印加する電圧（ゲート電圧）を下げると、低ドープダイヤモンド層４に注入された正孔の一部は、ドープダイヤモンド層６を通過し、低ドープダイヤモンド層５を経由して、高ドープダイヤモンド層３に到達する。更に、ドープダイヤモンド層６に負の電圧を印加すると、正孔の注入量が増加し、ドレイン電流が増大する。このように、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０は、ゲート電圧を僅かに調節するだけで、ドレイン電流を大きく変化させることができる。
【００３９】
本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０においては、従来のトランジスタとは異なり、ゲート電極に電圧を印加することにより形成される間接的な電界を使用するのではなく、チャネル層に埋め込まれたゲートによって、正孔の移動に対して直接的に影響を与えることができるため、低いゲート電圧でドレイン電流を制御することができる。このため、特許文献１乃至３に記載された構造の従来のトランジスタに比べて、変調特性、即ち、相互コンダクタンスが大幅に向上する。
【００４０】
また、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０は、ゲートがチャネル層に組み込まれているため、ゲート絶縁膜が不要になる。このため、ゲート絶縁膜の絶縁破壊、ゲート絶縁膜とダイヤモンドからなるチャネル層との界面に生じる欠陥に由来する特性の低下等の問題点は生じない。更に、このダイヤモンドトランジスタ１０は、平面型トランジスタであるため、集積化が可能であり、またシリコン・デバイスとハイブリッド化することもできる。
【００４１】
次に、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０の製造方法について説明する。図２（ａ）乃至（ｄ）、図３（ａ）乃至（ｄ）及び図４（ａ）乃至（ｄ）は本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０の製造方法をその工程順に示す断面図である。先ず図２（ａ）に示すように、ダイヤモンド基板１上に、例えば、電子ビーム描画により、例えば、長さｌ１が５０ｎｍのレジスト１１をパターニングする。次に、図２（ｂ）に示すように、ダイヤモンド基板１上に、厚さが例えば０．２μｍになるように、酸化アルミニウム膜１２ａ及び１２ｂを蒸着する。その後、図２（ｃ）に示すように、レジストパターン１１及びその上に形成された酸化アルミニウム膜１２ｂをリフトオフし、ダイヤモンド基板１上に酸化アルミニウムからなるパターンを形成する。
【００４２】
次に、図２（ｄ）に示すように、マイクロ波プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により、ダイヤモンド基板１上に、メタンが０．３体積％で水素が９９．７体積％である混合ガス中にドーピングガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを添加した原料ガスを使用し、厚さが例えば０．１μｍのＢドープダイヤモンド膜１３を合成する。その際、原料ガス中のホウ素と炭素との原子数比（Ｂ／Ｃ）は、例えば３０００ｐｐｍとする。また、原料ガスの総流量は例えば１００標準ｃｍ３／分（ｓｃｃｍ）とし、成膜時のガス圧が例えば６６００Ｐａとし、成膜時の基板温度は例えば８００℃とする。これにより、酸化アルミニウム膜１２ａ上にはダイヤモンドは殆ど成長せず、ダイヤモンド基板１上の酸化アルミニウム膜１２ａが形成されていない領域にのみ選択的に、Ｂドープダイヤモンド膜１３が成膜される。その後、図３（ａ）に示すように、リン酸により酸化アルミニウム膜１２ａをエッチングすることにより、長さｌが例えば５０ｎｍで、ゲートとなるドープダイヤモンド層６を形成する。
【００４３】
次に、図２（ａ）乃至（ｃ）に示した方法と同様の方法でレジストパターンを形成し、図３（ｂ）に示すように、ドープダイヤモンド層６上に及びダイヤモンド基板１上のチャネル層形成予定領域に、夫々、厚さが例えば０．２μｍの酸化アルミニウム膜１４ａ乃至１４ｃを形成する。このとき、ソース側の酸化アルミニウム膜１４ａの幅ｐ１を例えば０．１μｍとし、ドレイン型の酸化アルミニウム膜１４ｃの幅ｑ１を例えば０．２μｍとする。
【００４４】
引き続き、図３（ｃ）に示すように、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ダイヤモンド基板１上に、厚さが例えば０．１μｍで、ソース及びドレインとなる高ドープダイヤモンド層２及び３を形成する。その際、原料ガスとしては、メタンが０．３体積％で水素が９９．７体積％である混合ガス中にドーピングガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを添加したものを使用し、原料ガス中のホウ素と炭素との原子数比（Ｂ／Ｃ）は、例えば５０００ｐｐｍとする。また、原料ガスの総流量は例えば１００標準ｃｍ３／分（ｓｃｃｍ）とし、成膜時のガス圧が例えば６６００Ｐａとし、成膜時の基板温度は例えば８００℃とする。その後、図３（ｄ）に示すように、リン酸により酸化アルミニウム１４ａ及び１４ｄをエッチングする。
【００４５】
次に、図４（ａ）に示すように、前述の工程と同様の手順でリソグラフィ技術により、高ドープダイヤモンド層２上、ドープダイヤモンド層６上及び高ドープダイヤモンド層３上に、夫々、厚さが例えば０．２μｍである酸化アルミニウム膜１５ａ乃至１５ｃを形成する。そして、図４（ｂ）に示すように、マイクロ波ＣＶＤ法により、メタンが０．３体積％で水素が９９．７体積％である混合ガス中にドーピングガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを極微量添加したものを使用して、ダイヤモンド基板１上に低ドープダイヤモンド層２及び３を合成する。その際、原料ガス中のホウ素と炭素との原子数比（Ｂ／Ｃ）は、例えば０．５ｐｐｍとする。また、原料ガスの総流量は例えば１００標準ｃｍ３／分（ｓｃｃｍ）とし、成膜時のガス圧が例えば６６００Ｐａとし、成膜時の基板温度は例えば８００℃とする。これにより、ドープダイヤモンド層６と高ドープダイヤモンド層２との間に幅ｐが例えば０．１μｍである低ドープダイヤモンド層４が形成されると共に、ドープダイヤモンド層６と高ドープダイヤモンド層３との間に幅ｑが例えば０．２μｍである低ドープダイヤモンド層５が形成される。その後、図４（ｃ）に示すように、リン酸により酸化アルミニウム１５ａ乃至１５ｃをエッチングする。
【００４６】
次に、図４（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ及びリフトオフにより、高ドープダイヤモンド層２及び３並びにドープダイヤモンド層６上に、夫々、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極となる金属電極７乃至９を形成し、図１に示すダイヤモンドトランジスタ１０とする。
【００４７】
なお、図２乃至図４に示すダイヤモンドトランジスタ１０の製造方法においては、高ドープダイヤモンド層２及び３、低ドープダイヤモンド層４及び５、並びにドープダイヤモンド層６の厚さを略等しくしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ドープダイヤモンド層６の厚さを低ドープダイヤモンド層４及び５の厚さよりも厚くしてもよい。これにより、低ドープダイヤモンド層４及び５を形成する際に、ドープダイヤモンド層６上にダイヤモンドが成長し、低ドープダイヤモンド層４及び５が連続して形成されることを防止することができる。
【００４８】
また、上述した製造方法は、本実施形態のダイヤモンドトランジスタ１０の製造方法の一例であり、本発明の半導体素子の製造方法はこれに限定されるものではなく、手順を変更したり、又は、部分的に絶縁膜を形成したりすることも可能である。
【００４９】
更に、次に、本発明の第２の実施形態に係るダイヤモンド紫外線発光素子について説明する。図５は本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子の構造を示す断面図である。なお、図５においては、図１に示す第１の実施形態のトランジスタと同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図５に示すように、本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子２０は、ダイヤモンド基板１上に、高濃度にＢがドープされた高ドープダイヤモンド層２及び３が局所的に形成されており、この高ドープダイヤモンド層２及び３上には夫々金属電極７及び８が形成されている。また、高ドープダイヤモンド層２とドレインとなる高ドープダイヤモンド層３との間には、極低濃度にＢがドープされた低ドープダイヤモンド層４、Ｂがドープされたドープダイヤモンド層６、及び極低濃度にＢがドープされた低ドープダイヤモンド層５がこの順に形成されている。即ち、本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子は、ドープダイヤモンド層６上に金属電極が形成されていない以外は、前述の第１の実施形態のダイヤモンドトランジスタと同様である。
【００５０】
次に、本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子２０の動作について説明する。本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子２０においては、高ドープダイヤモンド層２及び３に直流又は交流電圧を印加することにより、低ドープダイヤモンド層４及び５並びにドープダイヤモンド層６から紫外線が出射する。以下、ダイヤモンド発光素子２０における紫外線発生機構について説明する。先ず、高ドープダイヤモンド層２から低ドープダイヤモンド層４に注入された正孔が、高電界中において高速で低ドープダイヤモンド層４、ドープダイヤモンド層６及び低ドープダイヤモンド層５を移動し、その際、低ドープダイヤモンド層４及び６においては炭素原子と衝突して電子・正孔対を生成し、ドープダイヤモンド層６においては比較的高濃度でドープされているホウ素原子と衝突して電子・正孔対を発生する。発生した正孔は高ドープダイヤモンド層１及び高ドープダイヤモンド層２のうち負電圧が印加されている方へ高速移動し、電子は高ドープダイヤモンド層１及び高ドープダイヤモンド層２のうち正電圧が印加されている方へ高速移動する。
【００５１】
そして、これらが更に、電子・正孔対を発生することにより、高密度の電子及び正孔が低ドープダイヤモンド層４及び５並びにドープダイヤモンド層６に存在することになり、これらがドープダイヤモンド層６のホウ素原子にトラップされて再結合し、紫外線を発生すると考える。
【００５２】
ドープダイヤモンド層６を設けていない紫外線発光素子の場合、正孔は低ドープダイヤモンド層内を移動し、炭素原子と衝突して電子・正孔対を生成しているだけであるため、電子・正孔対の濃度が低く、更に再結合中心がなく、その殆どが高ドープダイヤモンド層２及び３に到達するため、発光効率は低い。これに対して、本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子２０においては、低ドープダイヤモンド層４と低ドープダイヤモンド層５との間に、ドープダイヤモンド層６を設けているため、移動する正孔がこのドープダイヤモンド層６のホウ素原子と衝突して電子・正孔対を生成するばかりでなく、ドープダイヤモンド層６のホウ素原子が再結合中心となって、電子・正孔対の再結合を促すため、紫外線発光強度が強くなる。また、本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子２０においては、ドープダイヤモンド層６における低ドープダイヤモンド層４及び５に接触していない領域上、即ち、図１（ａ）に示す領域６ａ上に金属電極を形成してもよく、これにより、ドープダイヤモンド層６の電位を変え、輝度を調節することができる。なお、本実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子２０における製造方法及び上記以外の効果は、前述の第１の実施形態のダイヤモンドトランジスタと同様である。
【００５３】
なお、前述の第１及び第２の実施形態においては、チャネル層として低ドープダイヤモンド層２及び３を形成したダイヤモンドトランジスタ及びダイヤモンド紫外線発光素子について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、低ドープダイヤモンド層２及び３の代わりに、チャネル層として不純物がドープされていないアンドープダイヤモンドを形成してもよい。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明の実施例の効果について、ダイヤモンドトランジスタ及びダイヤモンド発光素子を実際に作製して説明する。先ず、本発明の実施例１として、チャネル層をアンドープダイヤモンドにより形成し、それ以外は、前述の第１の実施形態と同様の方法及び条件でダイヤモンドトランジスタを作製し、その特性を測定した。その結果、約２００ｍＳ／ｍｍの相互コンダクタンスが得られた。本実施例のダイヤモンドトランジスタにおいて、このように高い相互コンダクタンスが得られたのは、特許文献１乃至３に記載のトランジスタとは異なり、チャネル層の間にゲートが埋め込まれているためである。
【００５５】
次に、本発明の実施例２として、チャネル層をアンドープダイヤモンドにより形成し、それ以外は前述の第２の実施形態と同様の方法及び条件でダイヤモンド紫外線発光素子を作製した。そして、ソース・ドレイン間に５０Ｖの電圧を印加したところ、ドープダイヤモンド層及びその両側に形成されているアンドープダイヤモンド層において紫外線の発光が観測された。この紫外線は２３５乃至３００ｎｍに分布しており、２４６ｎｍにピークがあった。この結果より、本発明の半導体素子は、低電圧印加でも動作する紫外線発光素子としても機能することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態のダイヤモンドトランジスタの構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。
【図２】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１の実施形態のダイヤモンドトランジスタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図３】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１の実施形態のダイヤモンドトランジスタの製造方法をその工程順に示す断面図であり、（ａ）は図２（ｄ）の次の工程を示す。
【図４】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１の実施形態のダイヤモンドトランジスタの製造方法をその工程順に示す断面図であり、（ａ）は図３（ｄ）の次の工程を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態のダイヤモンド紫外線発光素子を示す断面図である。
【図６】特許文献１に記載のＭＩＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【図７】特許文献３に記載のダイヤモンドＦＥＴの動作原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１；ダイヤモンド基板
２、３；高ドープダイヤモンド層
４，５；低ドープダイヤモンド層
６；ドープダイヤモンド層
６ａ；領域
７〜９；金属電極
１０；トランジスタ
１１；レジスト
１２ａ、１２ｂ；酸化アルミニウム膜
１３；Ｂドープダイヤモンド膜
１４ａ〜１４ｃ、１５ａ〜１５ｃ；酸化アルミニウム膜
２０；ダイヤモンド紫外線発光素子
１００；ＭＩＳＦＥＴ
１０１；絶縁性ダイヤモンド基板
１０２ａ、１０２ｂ；高ドープｐ型半導体ダイヤモンド層
１０３；低ドープｐ型半導体ダイヤモンド層
１０４、１２４；ソース電極
１０５、１２６；ドレイン電極
１０６；アンドープダイヤモンド層
１０７、１２５；ゲート電極
１２０；ＦＥＴ
１２１、１２３；半導体ダイヤモンド層
１２２；高抵抗ダイヤモンド層
【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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