(57)【要約】【課題】複数の半導体素子の集積化が可能なダイヤモンド半導体の提供。【解決手段】Ｓｉ単結晶基板１上に厚さ１００ｎｍ〜３μｍ程度のｃ−ＢＰ単結晶層３及び厚さ５〜８０ｎｍ程度のｃ−ＢＮ単結晶層４を順に介在して厚さ１〜１０μｍ程度のダイヤモンド単結晶膜５が形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ単結晶基板上に厚さ１００ｎｍ〜３μｍ程度のｃ−ＢＰ単結晶層及び厚さ５〜８０ｎｍ程度のｃ−ＢＮ単結晶層を順に介在して厚さ１〜１０μｍ程度のダイヤモンド単結晶膜が形成されていることを特徴とするダイヤモンド半導体。
【請求項２】
前記Ｓｉ単結晶基板とｃ−ＢＰ単結晶層との間に厚さ２〜５０ｎｍ程度のｃ−ＢＰの低温成長層が介在されてい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。
【請求項３】
Ｓｉ単結晶基板上に８５０〜１０００℃の温度でｃ−ＢＰ単結晶層を１００ｎｍ〜３μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させた後、Ｐ原料を供給しつつ、ｃ−ＢＰ単結晶層の表面から５〜８０ｎｍ程度の深さに亘って活性化窒素で窒化してｃ−ＢＮ単結晶層を形成し、しかる後に、ｃ−ＢＮ単結晶層上に活性化炭化水素原料によりダイヤモンド単結晶膜を１〜１０μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させることを特徴とするダイヤモンド半導体の製造方法。
【請求項４】
前記ｃ−ＢＰ単結晶層のエピタキシャル成長の前に、Ｓｉ単結晶基板上に３５０〜４５０℃の温度でｃ−ＢＰの低温成長層を２〜５０ｎｍ程度の厚さに堆積させることを特徴とする請求項３記載のダイヤモンド半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ（シリコン、ケイ素）に比べ半導体機能に優れたダイヤモンド半導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ダイヤモンド半導体としては、合成ダイヤモンド及び基板に堆積させた良質なダイヤモンド薄膜が知られている。
合成ダイヤモンドは、１９５５年に、米国のジェネラルエレクトリックカンパニーにより発明されたもので、高圧高温下（５０，０００〜６０，０００気圧、１３００℃以上）での合成によって製造され、以来、このダイヤモンドの合成法は工業化され、今日使用されている主要なダイヤモンドの製造法となっている。又、ダイヤモンド薄膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法やＲ．Ｆ．プラズマＣＶＤ法、ホットフィラメントＣＶＤ法等により、約７００〜１０００℃の温度で、Ｈ２  （水素ガス）で希釈した炭素を含有する反応性ガス（炭化水素（ＣＸ  ＨＺ  、例えば、ＣＨ４  、Ｃ３  Ｈ８  等）、ガス化された後に酸素を含む液体状炭化水素（例えば、ＣＨ３  ＯＨ、Ｃ２  Ｈ５  ＯＨ等）、又は酸素を含む物質（例えば、ＣＯ、ＣＯ２  、Ｈ２  Ｏ））を活性化してダイヤモンド薄膜を基板に堆積させることによって製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のダイヤモンド半導体及びその製造方法では、いずれも低抵抗のｎ型半導体が得られないと共に、大型の単結晶が得られず、ダイヤモンドを用いた半導体素子を製作する上での大きな制限になっている。
特に、前者では、大型合成ダイヤモンドは、コストが天然ダイヤモンドのそれより高く、又、１０ｍｍ角以上の単結晶を得るのは困難である。
又、後者では、気相成長の基板として、天然、合成ダイヤモンド（ホモエピ）以外に、種々の基板でヘテロエピタキシャル成長が試みられているものの、基板としてＳｉや３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶炭化ケイ素）を用いた場合、モザイク結晶は得られているが、単結晶膜ではない。
【０００４】
一方、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）単結晶基板上で、唯一、ダイヤモンド単結晶膜のヘテロエピタキシャル成長が報告されている。
確かに、ｃ−ＢＮは、ダイヤモンドと同様の結晶構造であり、格子定数がダイヤモンドの３．５６オングストロームに対して３．６２オングストロームで、格子定数差が１．４％程と格子整合性が良好であるものの、大きな単結晶を得ることが非常に困難になっており、生産性が悪い上に複数の半導体素子の集積化が難しい。
【０００５】
そこで、本発明は、複数の半導体素子の集積化が可能なダイヤモンド半導体及びその製造方法の提供を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１のダイヤモンド半導体は、Ｓｉ単結晶基板上に厚さ１００ｎｍ〜３μｍ程度のｃ−ＢＰ単結晶層及び厚さ５〜８０ｎｍ程度のｃ−ＢＮ単結晶層を順に介在して厚さ１〜１０μｍ程度のダイヤモンド単結晶膜が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
又、第２のダイヤモンド半導体は、第１のものにおいて、前記Ｓｉ単結晶基板とｃ−ＢＰ単結晶層との間に厚さ２〜５０ｎｍ程度のｃ−ＢＰの低温成長層が介在されていることを特徴とする。
【０００８】
一方、第１のダイヤモンド半導体の製造方法は、Ｓｉ単結晶基板上に８５０〜１０００℃の温度でｃ−ＢＰ単結晶層を１００ｎｍ〜３μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させた後、Ｐ原料を供給しつつ、ｃ−ＢＰ単結晶層の表面から５〜８０ｎｍ程度の深さに亘って活性化窒素で窒化してｃ−ＢＮ単結晶層を形成し、しかる後に、ｃ−ＢＮ単結晶層上に活性化炭化水素原料によりダイヤモンド単結晶膜を１〜１０μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【０００９】
又、第２のダイヤモンド半導体の製造方法は、第１の方法において、前記ｃ−ＢＰ単結晶層のエピタキシャル成長の前に、Ｓｉ単結晶基板上に３５０〜４５０℃の温度でｃ−ＢＰの低温成長層を２〜５０ｎｍ程度の厚さに堆積させることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の第１のダイヤモンド半導体及びその製造方法においては、Ｓｉ単結晶基板と同じ大きさのｃ−ＢＮ単結晶層が得られる。
【００１１】
又、第２のダイヤモンド半導体及びその製造方法においては、第１のもの及び方法による作用の他、ｃ−ＢＮ単結晶層の結晶欠陥が低減される。
【００１２】
ｃ−ＢＰ（立方晶リン化ホウ素）単結晶層の厚さが、１００ｎｍ未満であっても構わない。一方、３μｍを超えると、表面荒れが生じる。
ｃ−ＢＰ単結晶層の厚さは、４００ｍｍ〜２μｍが好ましい。
ｃ−ＢＮ単結晶層の厚さが、５ｎｍ未満であると、ダイヤモンド層が多結晶となる。一方、８０ｎｍを超えると、ダイヤモンド層の表面荒れが生じる。
ｃ−ＢＮ単結晶の厚さは、１０〜５０ｎｍが好ましい。
ダイヤモンド単結晶膜の厚さが、１μｍ未満であってもよい。一方、１０μｍを超えてもよい。
ダイヤモンド単結晶膜の厚さは、２〜５μｍが好ましい。
又、ｃ−ＢＰの低温成長層（結晶成長しない温度で成膜したもの）の厚さが、２ｎｍ未満であると、Ｃ−ＢＰ単結晶は多結晶となる。一方、５０ｎｍを超えると、Ｃ−ＢＰ単結晶層の表面荒れが生じる。
【００１３】
一方、ｃ−ＢＰ単結晶層のエピタキシャル成長時の温度が、８５０℃未満であると、多結晶となる。一方、１０００℃を超えると、立方晶ではなくなる。
ｃ−ＢＰ単結晶層のエピタキシャル成長時の温度は、９００〜９５０℃が好ましい。
ｃ−ＢＰ単結晶層のエピタキシャル成長用の原料としては、Ｂ２  Ｈ６  （ジボラン）とＰＨ３  （ホスフィン）が用いられる。
Ｐ（リン）原料としては、ＰＨ３  が用いられる。
炭化水素原料としては、ＣＨ４  （メタン）が用いられる。
又、ｃ−ＢＰの低温成長層の堆積時の温度が、３５０℃未満であると、Ｃ−ＢＰ結晶成長層は、多結晶となる。一方、４５０℃を超えると、同様に、Ｃ−ＢＰ結晶成長層は、多結晶となる。
ｃ−ＢＰの低温成長層のエピタキシャル成長時の温度は、３８０〜４２０℃が好ましい。
【００１４】
【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て説明する。
図１は本発明に係るダイヤモンド半導体の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【００１５】
このダイヤモンド半導体は、（１００）面のＳｉ単結晶基板１上に厚さ２〜５０ｎｍ程度のｃ−ＢＰの低温成長層２、厚さ１００ｎｍ〜３μｍ程度のｃ−ＢＰ単結晶層３及び厚さ５〜８０ｎｍ程度のｃ−ＢＮ単結晶層４を順に介在して厚さ１〜１０μｍのダイヤモンド単結晶膜５が形成されているものである。
【００１６】
上記ダイヤモンド半導体においては、Ｓｉ単結晶基板と同じ大きさで、かつ、結晶欠陥の少ないｃ−ＢＮ単結晶層が得られる。
【００１７】
上述したダイヤモンド半導体を製造するには、先ず、炉の圧力を３０ｌ／ｍｉｎ  のＨ２  （水素ガス）気流中で５０Ｔｏｒｒまで下げ、（１００）面のＳｉ単結晶基板をＨ２  雰囲気中において１０００℃以上の温度で加熱することにより自然酸化膜を除去した。
次に、ｃ−ＢＰの低温成長層を設けるために、３５０〜４５０℃まで降温した後、ＰＨ３  の分圧が１００  〜１０１  ＴｏｒｒとなるようにＰＨ３  １００％換算で３ｌ／ｍｉｎ  流し、かつＢ２  Ｈ６  を１００％換算で１ｃｃ／ｍｉｎ  流して、ｃ−ＢＰの低温成長層を２〜５０ｎｍ程度の厚さに堆積させた。
次いで、一旦、Ｂ２  Ｈ６  の供給を止め、Ｃ−ＢＰ単結晶の成長温度である８５０〜１０００℃程度まで昇温した後、再びＢ２  Ｈ６  を供給してｃ−ＢＰ単結晶層を１００ｎｍ〜３μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させ、しかる後に、Ｂ２  Ｈ６  の供給を止め、ＰＨ３  を流しながら降温した。
【００１８】
次に、ｃ−ＢＰの低温成長層及びｃ−ＢＰ単結晶層を積層したＳｉ単結晶基板をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に搬入し、炉の圧力をＮ（窒素ガス）気流中で１００Ｔｏｒｒまで下げた後、マイクロ波プラズマによって雰囲気窒素を活性化する一方、ＰＨ３  を１００％換算で１００ｃｃ／ｍｉｎ  程度供給しつつ、７５０〜１０００℃まで昇温し、ｃ−ＢＰ単結晶層をその表面から５〜８０ｎｍ程度の深さに亘って窒化してｃ−ＢＮ単結晶層を生成させた。
次いで、ＰＨ３  及び活性化窒素の供給を止めた後、マイクロ波プラズマにより活性化されたＣＨ４  を１００％換算で１ｓｃｃｍ供給し、ダイヤモンド単結晶膜を１〜１０μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させた。
【００１９】
なお、上述した実施の形態においては、Ｓｉ単結晶基板とｃ−ＢＰ単結晶層との間にｃ−ＢＰの低温成長層を介在させる場合について説明したが、ｃ−ＢＰの低温成長層を設けることなく、ｃ−ＢＰ単結晶層をＳｉ単結晶基板上に直に設けるようにしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１のダイヤモンド半導体及びその製造方法によれば、Ｓｉ単結晶基板と同じ大きさのｃ−ＢＮ単結晶層が得られるので、複数の素子の集積化を可能とすることができる。
【００２１】
又、第２のダイヤモンド半導体及びその製造方法によれば、第１のもの及び方法による作用効果の他、ｃ−ＢＮ単結晶層の結晶欠陥が低減されるので、ダイヤモンド半導体の品質を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイヤモンド半導体の実施の形態を示す概念的な断面図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ単結晶基板
２  ｃ−ＢＰの低温成長層
３  ｃ−ＢＰ単結晶層
４  ｃ−ＢＮ単結晶層
５  ダイヤモンド単結晶膜
【図１】
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