(57)【要約】【課題】低抵抗のｎ型電気伝導性を有するｎ型ダイヤモンド半導体および容易に必要な電気伝導性を有するダイヤモンド半導体を得ることのできる、ダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を提供する。【解決手段】炭素源からのＣＶＤ法により形成されたｐ型ダイヤモンド薄膜を不活性ガスに曝すことでｎ型ダイヤモンド半導体に変換する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型ダイヤモンド半導体が不活性ガスに曝されたことでｎ型電気伝導性が付与されていることを特徴とするｎ型ダイヤモンド半導体。
【請求項２】
ｐ型ダイヤモンド半導体が、炭素源からのＣＶＤ法により形成されていることを特徴とする請求項１記載のｎ型ダイヤモンド半導体。
【請求項３】
不活性ガスとして、ヘリウムが用いられることを特徴とする請求項１または２記載のｎ型ダイヤモンド半導体。
【請求項４】
ダイヤモンド半導体電子放出源として用いられることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のｎ型ダイヤモンド半導体。
【請求項５】
ｐ型ダイヤモンド半導体を不活性ガスに曝すことでｎ型ダイヤモンド半導体に変換することを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法。
【請求項６】
ｐ型ダイヤモンド半導体が、炭素源からのＣＶＤ法により形成されていることを特徴とする請求項５記載のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法。
【請求項７】
不活性ガスとして、ヘリウムを用いることを特徴とする請求項５または６記載のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法。
【請求項８】
請求項５ないし７いずれかに記載のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法により得られたｎ型ダイヤモンド半導体を空気に曝してｐ型ダイヤモンド半導体に変換することを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法。
【請求項９】
ｐ型あるいはｎ型ダイヤモンド半導体の一部を、ｐ型からｎ型あるいはｎ型からｐ型に変換することを特徴とする請求項５ないし８いずれかに記載のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法。
【請求項１０】
請求項５ないし９いずれかに記載のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を用いて形成されることを特徴とする電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ｎ型ダイヤモンド半導体とダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法ならびに電子デバイスに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、低抵抗のｎ型ダイヤモンド半導体および容易にｐ型またはｎ型のいずれかの必要な電気伝導性を有するダイヤモンド半導体を得ることのできる、ダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法ならびに電子デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ダイヤモンドはその優れた物性および希有な特性から、電子放出源やセンサーあるいは発光素子や電子デバイス用材料などとして大変注目されている。
【０００３】
このような展開を実現するためには、ダイヤモンドのｐ型およびｎ型電気伝導性の制御技術の確立が必要であって、この電気伝導性制御技術には通常意図的な不純物元素の添加が用いられ、これまでダイヤモンドに対しても不純物元素添加によるｐ型およびｎ型電気伝導性を発現させるための技術開発が行われている。
【０００４】
しかしながら、これまでのところとくにダイヤモンドへのｎ型の電気伝導性付与が非常に困難であり、たとえば現在ダイヤモンド薄膜に対する燐（Ｐ）のドーピングによりｎ型の電気伝導性が実現されてはいるが（非特許文献１）、室温での抵抗率がおよそ４×１０３Ωｃｍであり、ドーピング層の膜厚が１μｍの場合でも室温でシート抵抗がおよそ４×１０７Ω／□となり、抵抗が低いとは言えなかった。
【０００５】
またＣＶＤ法で作製したＡｓ−Ｇｒｏｗｎのダイヤモンド表面は、およそ１０４〜１０５Ωの低い抵抗を持つことが知られているが、この電気伝導性はｐ型であり、１０１２〜１０１４／ｃｍ２のホール面密度を持ち、移動度は数〜数十ｃｍ２／Ｖｓであるという特性がこれまで報告されていた。
【０００６】
このためダイヤモンドによる電子デバイス作成の自由度が現状では非常に限定されており、ダイヤモンドの電子デバイス材料への応用実現の妨げとなっている。このような状況から、現在、とくに低抵抗のｎ型電気伝導性を有するダイヤモンド半導体の作製技術の開発が強く要望されている。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｓ．  Ｋｏｉｚｕｍｉ，  Ｍ．  Ｋａｍｏ，  Ｙ．  Ｓａｔｏ，  Ｈ．  ＯｚａｋｉおよびＴ．  Ｉｎｕｚｕｋａ，  ”Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  ｄｏｐｅｄ  ［１１１］  ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｄｉａｍｏｎｄ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．  ７１  （８），  １９９７年８月２５日
そこでこの出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、低抵抗のｎ型電気伝導性を有するｎ型ダイヤモンド半導体および容易に必要な電気伝導性を有するダイヤモンド半導体を得ることのできる、ダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、ｐ型ダイヤモンド半導体が不活性ガスに曝されたことでｎ型電気伝導性が付与されていることを特徴とするｎ型ダイヤモンド半導体を提供する。
【０００９】
第２には、第１の発明において、ｐ型ダイヤモンド半導体が炭素源からのＣＶＤ法により形成されていることを特徴とするｎ型ダイヤモンド半導体を提供する。
【００１０】
第３には、第１または２の発明において、不活性ガスとして、ヘリウムが用いられることを特徴とするｎ型ダイヤモンド半導体を提供する。
【００１１】
第４には、第１ないし３いずれかの発明において、ダイヤモンド半導体電子放出源として用いられることを特徴とするｎ型ダイヤモンド半導体を提供する。
【００１２】
第５には、この出願の発明は、ｐ型ダイヤモンド半導体を不活性ガスに曝してｎ型ダイヤモンド半導体に変換することを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を提供する。
【００１３】
第６には、第５の発明において、ｐ型ダイヤモンド半導体が、炭素源からのＣＶＤ法により形成されていることを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を提供する。
【００１４】
第７には、第５または６の発明において、不活性ガスとして、ヘリウムを用いることを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を提供する。
【００１５】
また第８には、第５ないし７いずれかの発明のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法により得られたｎ型ダイヤモンド半導体を空気に曝してｐ型ダイヤモンド半導体に変換することを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を提供する。
【００１６】
第９には、第５ないし８いずれかの発明において、ｐ型あるいはｎ型ダイヤモンド半導体の一部をｐ型からｎ型あるいはｎ型からｐ型に変換することを特徴とするダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法をも提供する。
【００１７】
第１０には、第５ないし９いずれかの発明のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法を用いて形成されることを特徴とする電子デバイスを提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１９】
この出願の発明のｎ型ダイヤモンド半導体は、ｐ型ダイヤモンド薄膜などのｐ型ダイヤモンド半導体が酸化還元作用のない乾いたガスである不活性ガスに曝されたことでｎ型電気伝導性が付与されていることを大きな特徴としており、この出願の発明のｎ型ダイヤモンド半導体は低抵抗であって容易に作製することができる。
【００２０】
このときｐ型ダイヤモンド半導体としては、好適には炭素源からのＣＶＤ法により形成されたものが用いられる。ダイヤモンドの合成方法としてはＣＶＤ法以外に高温高圧合成法や燃焼法などの方法が挙げられるが、それらの方法を用いて作製したダイヤモンドは、一旦ＣＶＤ法での手続きを用いて水素プラズマに数秒間曝すことによりｐ型ダイヤモンド半導体を形成でき、そのような手続きを経た後のｐ型ダイヤモンド半導体はｎ型ダイヤモンド半導体に変換させることが可能となるが、それらのＣＶＤ方法以外の方法を用いた場合にはＣＶＤ法を用いた場合に比べて時間や手間を要してしまうのである。
【００２１】
なおこのとき不活性ガスとして、窒素、アルゴン、ヘリウムあるいはそれらの混合ガスなどを用いることができるが、とくにヘリウムが好適に用いられる。
【００２２】
この出願の発明のｎ型ダイヤモンド半導体は優れた物性および希有な特性を有していることから、ダイヤモンド半導体電子放出源として好適に用いることができる。
【００２３】
また、この出願の発明のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法は、ｐ型ダイヤモンド薄膜などのｐ型ダイヤモンド半導体を、酸化還元作用のない乾いたガスである不活性ガスに曝すことでｎ型ダイヤモンド半導体に変換することを特徴としている。なおこのとき、ｐ型ダイヤモンド半導体としては、好適には炭素源からのＣＶＤ法により形成されたものを用いることができ、このような方法を用いることによって、燐などのドーピングを行う必要がなく、容易に、ＣＶＤ法により形成されたＡｓ−Ｇｒｏｗｎのｐ型ダイヤモンド薄膜などのｐ型ダイヤモンド半導体を低抵抗のｎ型ダイヤモンド半導体に変換することができるのである。
【００２４】
不活性ガスとしては窒素、アルゴン、ヘリウムあるいはそれらの混合ガスなどを用いることができるが、とくにヘリウムを好適に用いることができる。
【００２５】
そして上記のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法により得られたｎ型ダイヤモンド半導体を空気に曝してｐ型ダイヤモンド半導体に変換することも可能であり、さらに、この出願の発明のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法により、ｐ型ダイヤモンド薄膜の一部をｐ型からｎ型あるいはｎ型からｐ型に変換することもでき、ｐ型とｎ型のダイヤモンド半導体を相互に変換できることから、必要に応じてｐ型およびｎ型のダイヤモンド半導体のいずれかを容易に得ることができる。
【００２６】
そして上記のダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法により得られたｐ型およびｎ型のダイヤモンド半導体を用いて電子デバイスを形成することができ、ダイヤモンドの優れた物性および希有な特性を利用した電子デバイスを得ることができる。
【００２７】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２８】
【実施例】
＜実施例１＞
マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりｐ型ダイヤモンド薄膜を製造し、そのｐ型ダイヤモンド薄膜をＨｅ雰囲気中に曝し、その特性の評価を行った。
【００２９】
具体的には、Ｍｏ（モリブデン）製の試料ホルダー上に高温高圧合成Ｉｂ（１００）ダイヤモンド基板（住友電気工業株式会社製、商品名「スミクリスタル（登録商標）」）を置き、濃度０．０５％のメタン（製造元：東京ガス株式会社、純度７Ｎ）、基板温度約９００℃、圧力８０Ｔｏｒｒで通常のマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、アンドープのダイヤモンド合成と同じ方法で、４８時間ダイヤモンド薄膜の合成を行った。
【００３０】
次に上記の方法により得られたＡｓ−Ｇｒｏｗｎのｐ型ダイヤモンド薄膜である試料にｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗの形状でＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉの電極を作製し、電気抵抗およびホール効果測定を行った。
【００３１】
図１に、ｐ型ダイヤモンド薄膜の試料の温度を８０℃に保ち、およそ１ＴｏｒｒのＨｅ（製造元：岩谷産業株式会社、純度４Ｎ）雰囲気中において測定した試料のシート抵抗の時間的変化を示す。同図より明らかなように測定の開始時は従来通り試料はｐ型電気伝導性であったが、時間が経つに連れて抵抗が徐々に増加し、約３５時間を経過した時点でｎ型電気伝導性に変化した。また図１には示されていないが、さらにｎ型電気伝導性の状態から室温で室内の空気に曝すことで試料は再びｐ型電気伝導性を示した。
＜実施例２＞
次に実施例１と同様にマイクロ波プラズマＣＶＤにより形成されたＡｓ−Ｇｒｏｗｎのｐ型ダイヤモンド薄膜の試料にｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗの形状でＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉの電極を作製し、電気抵抗測定を行った。この例では、ｐ型ダイヤモンド薄膜の試料の温度を変化させた状態で、Ｈｅ雰囲気中（１．１ｍｂａｒ）と空気雰囲気中で試料のシート抵抗を測定し、その試料のシート抵抗の時間的変化を図２に示す。
【００３２】
同図より明らかなように、ｐ型ダイヤモンド薄膜の温度を２５℃から８０℃に上昇させてＨｅに曝した状態ではシート抵抗は緩やかに増加したが、２０時間を経過した時点で試料の温度を１２０℃に上昇させたことで８０℃のときと比べて急速にシート抵抗が増加し、ｐ型電気伝導性からｎ型電気伝導性に変化した。そして４０時間が経過した時点で再び２５℃の室温とし、さらに約５０時間を経過した時点で空気に曝したことで徐々にシート抵抗が減少し約９０時間を経過した時点で再びｐ型電気伝導性に変化した。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、低抵抗のｎ型ダイヤモンド半導体、および容易にｐ型またはｎ型のいずれかの必要な電気伝導性を有するダイヤモンド半導体を得ることのできる、ダイヤモンド半導体の電気伝導性変換方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｈｅ雰囲気中において測定したダイヤモンド薄膜の試料のシート抵抗の時間的変化を例示した図である。
【図２】Ｈｅ雰囲気中と空気雰囲気中において温度を変化させた状態で測定したダイヤモンド薄膜の試料のシート抵抗の時間的変化を例示した図である。
【図１】
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【図２】
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