(57)【要約】【課題】ダイヤモンド表面の正孔面密度を高めて応用の範囲を拡大することができるダイヤモンド基板表面の処理方法及び半導体装置を提供する。【解決手段】ダイヤモンド基板の表面を水素と硫化フッ素（ＳＦ６  ）の混合ガスでなるプラズマに曝して、ダイヤモンド基板の表面伝導ホール面密度を８×１０１３／ｃｍ２  以上に高める。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの表面を水素と硫化フッ素の混合ガスでなるプラズマに曝して、ダイヤモンドの表面伝導ホール（正孔）面密度を８×１０１３／ｃｍ２  以上に高めることを特徴とするダイヤモンド基板表面の処理方法。
【請求項２】
請求項１記載のダイヤモンド基板表面の処理方法により得られるダイヤモンドの表面を基板とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、前記ダイヤモンドの表面を高速トランジスタに用いることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２記載の半導体装置において、前記ダイヤモンドの表面をセンサーに用いることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド基板表面の処理方法及びそれによって得られる半導体装置に係り、特に、エネルギーギャップの大きなワイドバンドギャップ半導体の製造分野、半導体表面処理技術分野、半導体デバイス分野に関している。そこでは高温用・高電力用パワーデバイスが扱われると共に、放射線に強い耐環境・宇宙用デバイスなども対象としている。近年、バイオ電気化学の台頭に伴い薄膜表面の電気化学触媒機構を利用した環境応用に期待が高まっているが、表面電気伝導・表面電界が効果的に利用できる本発明はその分野にも深く関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の表面に自然に電気伝導キャリアが蓄積する例は殆どない。しかし、ダイヤモンドは例外的に表面電気伝導を呈する。ダイヤモンドの表面が水素によって終端している場合、大気中のカーボネートなどの分子吸着が作用して電気化学反応が進行し、表面に正孔（ホール）がキャリアとして発生する。
【０００３】
本来、ダイヤモンドは絶縁状態であるにも関わらず、その表面近傍に限り電気伝導が生じていることは利用上、大変興味深いものであった。例えば、高速トランジスタに応用する場合など、浮遊キャパシタンスを激減させているために極めて効果が高かった。また、イオンセンサーに使う場合にも電極絶縁・素子分離に有利であるなどの特徴を示していた。
【０００４】
かかるダイヤモンド表面を用いる半導体デバイスにかかる技術としては、以下に開示するようなものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３３１３６９６号公報  （第２−３頁  図１）
【非特許文献１】
小川雄史  他４名  ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集，１３ｔｈ，２０６−２０７，１９９９
【非特許文献２】
北谷謙一  他２名  ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集，１２ｔｈ，８２−８３  １９９９
【非特許文献３】
Ｈ．Ｋａｗａｒａｄａ，ｅｔ，ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ  Ａ１８５（２００１）７９
【非特許文献４】
Ｔ．Ｓａｋａｉ，ｅｔ，ａｌ．，Ｊｐｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４１（２００２）２５９５−２５９７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
自然に発生するダイヤモンド表面の正孔面密度を高めて応用の幅を広げようという試みがこれまでに繰り返し行なわれてきたが、従来は、概ね１−２×１０１３／ｃｍ２  という上限値があった。この正孔面密度の上限値を高めてダイヤモンド表面を電気的に更にアクティブにできれば、半導体としての応用が拡大されるのみならず、電気化学を基盤にした環境デバイスへの応用の新しい展開が期待される。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑み、ダイヤモンド表面の正孔面密度を高めて応用の範囲を拡大することができるダイヤモンド基板表面の処理方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ダイヤモンド基板表面の処理方法において、ダイヤモンドの表面を水素（Ｈ２  ）と硫化フッ素（ＳＦ６  ）の混合ガスでなるプラズマに曝して、ダイヤモンドの表面伝導ホール（正孔）面密度を８×１０１３／ｃｍ２  以上に高めることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕半導体装置であって、上記〔１〕記載の基板表面の処理方法により得られるダイヤモンドの表面を用いることを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔２〕記載の半導体装置において、前記ダイヤモンドの表面を高速トランジスタに用いることを特徴とする。
【００１１】
〔４〕上記〔２〕記載の半導体装置において、前記ダイヤモンドの表面をイオンセンサーに用いることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、ダイヤモンドの表面を水素（Ｈ２  ）と硫化フッ素（ＳＦ６  ）の混合ガスでなるプラズマに曝して、ダイヤモンドの表面伝導ホール（正孔）面密度の上限を８×１０１３／ｃｍ２  以上に高めるようにする。
【００１４】
（実施例）
図１は本発明の実施例を示す基板の反応装置の構成図である。
【００１５】
この図において、１は反応炉、２は水素（Ｈ２  ）と硫化フッ素（ＳＦ６  ）の混合ガス、３はヒーター加熱部、４は基板載置台、５はその基板載置台４にセットされるダイヤモンド基板、６は短波長のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電源、７は導波管、８はプラズマ、９排気、１０は水冷を示している。
【００１６】
（１）まず、反応炉１内に水素（Ｈ２  ）と硫化フッ素（ＳＦ６  ）の混合ガス２を供給する。その２種類のガスの混合比は、自由に設定できるが、ここでは、ＳＦ６  ／Ｈ２  の比が１００ｐｐｍ以上の範囲で行った。反応炉１に混合ガス２を導入し、その圧力を２０Ｔｏｒｒとした。その混合ガス２に短波長のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電源６からのマイクロ波を照射する。ここでは、マイクロ波は２．４５ＧＨｚとしたが、周波数の選択は特に問題ではない。マイクロ波の導入電力を調整することにより、反応炉１の中の混合ガス２がプラズマ８の状態になるようにした。この時、導入したマイクロ波電力は４００Ｗである。
【００１７】
（２）かかる反応炉１の中に生成したマイクロ波プラズマ８にダイヤモンド基板５の表面を曝し、時間と共に表面化学反応を進行させて表面処理した。このとき、本発明で使う（Ｈ２  ＋ＳＦ６  ）混合ガス２は極めて大きな効果を呈することが判明した。すなわち、ダイヤモンド基板５の表面に大量のキャリア正孔を発生させることである。これにより、キャリア正孔面密度が１×１０１４／ｃｍ２  以上の表面密度を実現することが可能になった。
【００１８】
図２に本発明の実施例のダイヤモンド薄膜表面を（Ｈ２  ＋ＳＦ６  ）混合ガスのプラズマに曝したときに生じる電気抵抗変化の処理時間依存性を示している。
【００１９】
この図において、横軸は処理時間（分）、縦軸は試料電気抵抗（ＭΩ）である。この時の、処理条件はマイクロ波パワー４００Ｗ、ガス全圧力３０Ｔｏｒｒ、基板温度６００℃であった。
【００２０】
この図から分かるように、ガス混合比（ＳＦ６  ／Ｈ２  ）が６００ｐｐｍ（●で表示）のとき、処理時間４分において表面電気抵抗が初期の４００分の１まで低下していた。これは表面キャリア正孔面密度の上昇とキャリアの移動度μの上昇によるものである。なお、□はガス混合比（ＳＦ６  ／Ｈ２  ）が３００ｐｐｍの場合の特性を示している。
【００２１】
さて、キャリア正孔面密度が上昇する様子は図３で見ることができる。
【００２２】
図３において、横軸は処理時間（分）、縦軸は表面ホール面密度（１０１４／ｃｍ２  ）を示しており、測定はホール効果実験による。
【００２３】
図３から明らかなように、表面ホール面密度は処理時間が３分程度になると、８×１０１３／ｃｍ２  となり、この値以上になると、表面ホール面密度は十分に高いと言え、応用の範囲を拡大することができる。
【００２４】
すなわち、ガス混合比（ＳＦ６  ／Ｈ２  ）が６００ｐｐｍの場合に、ダイヤモンド表面を、（Ｈ２  ＋ＳＦ６  ）混合ガスのマイクロ波プラズマに曝すことにより、確実に正孔面密度を上昇させることが実証された。特に、４分処理の時点で１×１０１４／ｃｍ２  の壁を突破していることが分かる。
【００２５】
また、上記したようにして得られたダイヤモンド基板の表面に半導体装置（デバイス）を構成することができる。例えば、エネルギーギャップの大きなワイドバンドギャップ半導体デバイス、さらには、表面触媒作用、表面免疫作用等のバイオ関連デバイスへの利用が期待できる。
【００２６】
すなわち、ダイヤモンド表面に超高電界を発生させ、その値は、１×１０７  ／ｃｍ２  に達する高い値とする。この電界をダイヤモンド表面から外に一部リークさせると、この電界は表面の電気化学作用に強く関わることから、表面触媒作用、表面免疫作用等のバイオ関連デバイスへの利用が期待できるのである。
【００２７】
また、シュタルク効果、つまり気体、液体および固体中において、近傍の電子やイオンによる電場や、または外部から加えた電場がスペクトル線に及ぼす効果を内蔵した商用デバイスの実現に途ができる。
【００２８】
なお、上記実施例では、ダイヤモンド基板の表面処理としたが、ダイヤモンド基板上に薄いダイヤモイド半導体膜が介在するような場合にも、適用可能である。
【００２９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏する。
【００３１】
（Ａ）ダイヤモンド基板表面に１×１０１４／ｃｍ２  以上の正孔面密度を実現することができる。
【００３２】
（Ｂ）ダイヤモンド基板の表面処理により表面電気抵抗を２桁以上に及んで低減させることが可能になった。この効果を利用すれば、ダイヤモンド半導体デバイスの電力応用には極めて好都合であり、損失を低減した大電力動作型の半導体デバイスが実現できる。
【００３３】
（Ｃ）表面触媒作用、表面免疫作用等のバイオ関連デバイスへの利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す半導体装置の反応装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例のダイヤモンド薄膜表面を（Ｈ２  ＋ＳＦ６  ）混合ガスのプラズマに曝したときに生じる電気抵抗変化の処理時間依存性を示す図である。
【図３】本発明のダイヤモンド表面のキャリア正孔面密度が上昇する様子を示す図である。
【符号の説明】
１    反応炉
２    水素（Ｈ２  ）と硫化フッ素（ＳＦ６  ）の混合ガス
３    ヒーター加熱部
４    基板載置台
５    ダイヤモンド基板
６    短波長のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電源
７    導波管
８    プラズマ
９    排気
１０    水冷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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