(57)【要約】【課題】  抵抗が低く、且つ比較的少ない工程によって形成することが可能なｎ型半導体ダイヤモンド及びその製造方法を提供する。【解決手段】  ｎ型半導体ダイヤモンド１は、ダイヤモンド｛１１０｝単結晶基板である基板３上に形成されており、第１のノンドープダイヤモンド層７及びｎ型ダイヤモンド層５を備えている。第１のノンドープダイヤモンド層７は、｛１１１｝面である第１の結晶面１０及び｛１００｝面である第２の結晶面１１を表面に有している。ｎ型ダイヤモンド層５は、第１の結晶面１０上に選択的に形成されている。ｎ型ダイヤモンド層５はｎ型不純物を含んでおり、第１のノンドープダイヤモンド層７とのキャリア濃度勾配によって第１のノンドープダイヤモンド層７へキャリアが拡散することにより、ｎ型半導体ダイヤモンド１の抵抗を低くできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板上に形成されるｎ型半導体ダイヤモンドであって、
前記ダイヤモンド基板の主面上に形成され、実質的に不純物が添加されておらず、互いに等価ではない第１の結晶面及び第２の結晶面を表面に有し、前記第１の結晶面の単位領域と前記第２の結晶面の単位領域とが互いに隣接して交互に配置されたノンドープダイヤモンド層と、
ｎ型不純物を含み、前記ダイヤモンド層の前記第１の結晶面上に形成されたｎ型ダイヤモンド層と
を備え、
前記第１の結晶面及び前記第２の結晶面の前記単位領域をそれぞれ構成する面の面積が、１０μｍ２未満であることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンド。
【請求項２】
前記ダイヤモンド基板が、単結晶ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１に記載のｎ型半導体ダイヤモンド。
【請求項３】
前記ノンドープダイヤモンド層の前記第１の結晶面が｛１１１｝面であり、前記ノンドープダイヤモンド層の前記第２の結晶面が｛１００｝面であることを特徴とする請求項１または２に記載のｎ型半導体ダイヤモンド。
【請求項４】
前記ノンドープダイヤモンド層の前記第１の結晶面が、第１の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，ｘ≠１，ｙ≠１，及びｚ≠１（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であり、前記ノンドープダイヤモンド層の前記第２の結晶面が、前記第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面であることを特徴とする請求項１または２に記載のｎ型半導体ダイヤモンド。
【請求項５】
前記ダイヤモンド基板の前記主面が｛１１０｝面であることを特徴とする請求項３または４に記載のｎ型半導体ダイヤモンド。
【請求項６】
前記ダイヤモンド基板の前記主面が、第２の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であることを特徴とする請求項３または４に記載のｎ型半導体ダイヤモンド。
【請求項７】
ダイヤモンド基板の｛１１０｝主面上に、メタン濃度を０．７％以上５％以下、且つ成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、
前記ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程と
を備えることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項８】
主面が第２の条件：第２の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であるダイヤモンド基板の該主面上に、メタン濃度を０．７％以上５％以下、及び成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、
前記ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程と
を備えることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項９】
主面が｛１１０｝面であるダイヤモンド基板の該主面上に、メタン濃度を０．０１％以上０．７％未満、且つ成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、
前記ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程と
を備えることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項１０】
主面が第２の条件：第２の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であるダイヤモンド基板の該主面上に、メタン濃度を０．０１％以上０．７％未満、及び成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、
前記ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程と
を備えることを特徴とするｎ型半導体ダイヤモンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｎ型半導体ダイヤモンド及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ダイヤモンドを半導体デバイス材料として利用するための研究が盛んに行われている。半導体材料としてのダイヤモンドは、その優れた特性ゆえに、高温環境下・宇宙環境下でも動作する耐環境デバイス、高周波・高出力で動作可能なパワーデバイス、紫外線発光が可能な発光デバイス、あるいは低電圧駆動が可能な電子放出デバイス等としての実用化が期待されている。
【０００３】
ダイヤモンドを半導体デバイスの材料として利用するには、ｐ型またはｎ型の電気伝導型制御が必要である。このうち、ｐ型ダイヤモンドは、例えばダイヤモンドの化学気相成長（ＣＶＤ）時に、チャンバ内にホウ素を含む化合物を不純物源として導入することにより容易に得ることができる。例えば、特許文献１及び２には、ダイヤモンド基板上にホウ素等をドープしてｐ型半導体ダイヤモンドを形成する技術が開示されている。
【０００４】
一方、これまで合成が困難とされてきたｎ型半導体ダイヤモンドについては、近年、ダイヤモンド単結晶基板上にｎ型ドーパントとしてリンまたは硫黄をドープしながらダイヤモンドをエピタキシャル成長させることにより、比較的結晶性が良い単結晶ｎ型半導体ダイヤモンドが再現性よく得られるようになった。例えば、非特許文献１及び２には、リンや硫黄をドーピングしたｎ型半導体ダイヤモンドと、ホウ素をドーピングしたｐ型半導体ダイヤモンドとを組み合わせた紫外発光デバイスが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平４−２８０６２２号公報
【特許文献２】特開平７−０９４７０８号公報
【非特許文献１】Satoshi Koizumi、ほか３名、「Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction」、Science magazine、American Association for the Advancement of Science、２００１年６月８日、第２９２号、１８９９〜１９０１頁
【非特許文献２】Kenji HORIUCHI、ほか５名、「Efficient Free-Exciton Recombination Emission from Diamond Diode at Room Temperature」、Japanese Journal of Applied Physics、日本応用物理学会、２００１年３月１５日、第４０号、Ｌ２７５〜Ｌ２７８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１及び２に開示されたような単結晶ｎ型半導体ダイヤモンドの不純物準位は、リンをドープしたもので約０．６ｅＶ、硫黄をドープしたもので約０．４ｅＶであり非常に深い。従って、単結晶ｎ型半導体ダイヤモンドは、その室温での抵抗率が１０４Ω・ｃｍ程度となる。この抵抗率は、ホウ素がドープされたｐ型半導体ダイヤモンドと比較して３〜５桁程度高抵抗である。また、この抵抗率は、ダイヤモンド以外の材料によるｎ型半導体と比べても非常に大きい。ダイヤモンド半導体デバイスを好適に実現するためには、より抵抗が低いｎ型半導体ダイヤモンドが求められる。
【０００７】
また、ｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗を下げるために、例えば特許文献１及び２に開示されたような、半導体層と不純物を添加していない（または低濃度の）層との間のキャリア濃度勾配によるキャリア拡散を利用して、キャリアの活性化率を向上させることも考えられる。しかし、特許文献１及び２に開示された技術では、不純物を含む層と含まない層とを交互に複数回積層する工程や、フォトリソグラフィ技術を用いて不純物を含む層をエッチングする工程が必要となるが、製造工程はできるだけ少ないことが望ましい。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、低抵抗であり、且つ比較的少ない工程によって形成することが可能なｎ型半導体ダイヤモンド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】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドは、ダイヤモンド基板上に形成されるｎ型半導体ダイヤモンドであって、ダイヤモンド基板の主面上に形成され、実質的に不純物が添加されておらず、互いに等価ではない第１の結晶面及び第２の結晶面を表面に有し、第１の結晶面の単位領域と第２の結晶面の単位領域とが互いに隣接して交互に配置されたノンドープダイヤモンド層と、ｎ型不純物を含み、ダイヤモンド層の第１の結晶面上に形成されたｎ型ダイヤモンド層とを備え、第１の結晶面及び第２の結晶面の単位領域をそれぞれ構成する面の面積が、１０μｍ２未満であることを特徴とする。
【００１０】
上記したｎ型半導体ダイヤモンドでは、第１の結晶面の単位領域と第２の結晶面の単位領域とが互いに隣接して交互に配置されており、ｎ型ダイヤモンド層が第１の結晶面上に形成されている。従って、第１の結晶面上に形成されたｎ型ダイヤモンド層と、第２の結晶面付近のノンドープダイヤモンド層との間、及び第１の結晶面とｎ型ダイヤモンド層との界面付近にキャリア濃度勾配が生じ、ｎ型ダイヤモンド層からノンドープダイヤモンド層へキャリアが拡散する。また、第１の結晶面及び第２の結晶面の単位領域を構成する面が１０μｍ２未満と小さいので、ｎ型ダイヤモンド層から第２の結晶面付近のノンドープダイヤモンド層へキャリアが充分に拡散することとなる。これにより、キャリアの活性化率が向上するので、ｎ型ダイヤモンド層とノンドープダイヤモンド層とを含むｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗を下げることができる。
【００１１】
また、上記したｎ型半導体ダイヤモンドにおいては、第１の結晶面及び第２の結晶面は互いに等価ではないため、ｎ型ダイヤモンド層はこのうち成長し易い結晶面（第１の結晶面）上に選択的に成長することとなる。従って、上記したｎ型半導体ダイヤモンドによれば、ｎ型半導体ダイヤモンド層を複数回積層する工程や、ｎ型半導体ダイヤモンド層をエッチングする工程を必要としないので、比較的少ない工程によってｎ型半導体ダイヤモンドを形成することが可能となる。
【００１２】
なお、上記したｎ型半導体ダイヤモンドにおいて「実質的に不純物が添加されていない」とは、半導体としての性質、機能を有する程度には不純物が添加されていないことをいう。
【００１３】
また、ｎ型半導体ダイヤモンドは、ダイヤモンド基板が、単結晶ダイヤモンドからなることを特徴としてもよい。上記したｎ型半導体ダイヤモンドは、多結晶ダイヤモンド上にも形成可能であるが、多結晶ダイヤモンドの結晶粒界がｎ型半導体ダイヤモンドの電気的特性に影響する可能性がある。従って、ダイヤモンド基板は単結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。
【００１４】
また、ｎ型半導体ダイヤモンドは、ノンドープダイヤモンド層の第１の結晶面が｛１１１｝面であり、ノンドープダイヤモンド層の第２の結晶面が｛１００｝面であることを特徴としてもよい。例えば、ｎ型不純物であるリンを添加されたダイヤモンドは、｛１１１｝面上には成長し易く、｛１００｝面上には成長し難い。従って、このｎ型半導体ダイヤモンドによれば、ノンドープダイヤモンド層の第１の結晶面上にｎ型ダイヤモンド層を容易に選択成長させることができる。
【００１５】
また、ｎ型半導体ダイヤモンドは、ノンドープダイヤモンド層の第１の結晶面が、第１の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，ｘ≠１，ｙ≠１，及びｚ≠１（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であり、ノンドープダイヤモンド層の第２の結晶面が、第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面であることを特徴としてもよい。本発明者らは、ｎ型不純物を添加されたダイヤモンドが、第１の条件を満たす面上には成長し易く、第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面上には成長し難いことを見出した。従って、このｎ型半導体ダイヤモンドによれば、ノンドープダイヤモンド層の第１の結晶面にｎ型ダイヤモンド層を容易に選択成長させることができる。
【００１６】
また、ｎ型半導体ダイヤモンドは、ダイヤモンド基板の主面が｛１１０｝面であることを特徴としてもよい。｛１１０｝面は、ダイヤモンドの気相成長における安定成長面ではないため、｛１１０｝面にダイヤモンドを気相成長させると、｛１１０｝面以外の結晶面（例えば安定成長面である｛１００｝面や｛１１１｝面）が自律的に成長する。または、｛１１０｝面にダイヤモンドを気相成長させると、前述した第１の条件を満たす面、及び第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面が自律的に成長することを本発明者らは見出した。従って、このｎ型半導体ダイヤモンドによれば、第１の結晶面及び第２の結晶面を形成する際にエッチングなどの加工工程が必要ないので、より少ない工程によって抵抗の低いｎ型半導体ダイヤモンドを形成することが可能となる。
【００１７】
また、ｎ型半導体ダイヤモンドは、ダイヤモンド基板の主面が、第２の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であることを特徴としてもよい。発明者らは、第２の条件を満たすダイヤモンド基板上にダイヤモンドを気相成長させた場合、｛１００｝面及び｛１１１｝面、または前述した第１の条件を満たす面、及び第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面が自律的に成長することを見出した。従って、このｎ型半導体ダイヤモンドによれば、第１の結晶面及び第２の結晶面を形成する際にエッチングなどの加工工程が必要ないので、より少ない工程によって抵抗の低いｎ型半導体ダイヤモンドを形成することが可能となる。
【００１８】
また、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドの第１の製造方法は、ダイヤモンド基板の｛１１０｝主面上に、メタン濃度を０．７％以上５％以下、且つ成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドの第２の製造方法は、主面が第２の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であるダイヤモンド基板の該主面上に、メタン濃度を０．７％以上５％以下、及び成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程とを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明者らは、上記した第１及び第２の製造方法における第１の工程によって、｛１１１｝面及び｛１００｝面を有するノンドープダイヤモンド層をダイヤモンド基板上に好適に成長させ得ることを見出した。そして、ｎ型不純物を添加されたダイヤモンドは、｛１１１｝面上には成長し易く、｛１００｝面上には成長し難いので、第２の工程においてｎ型ダイヤモンド層を｛１１１｝面上に容易に選択成長させることができる。従って、上記した製造方法によれば、ノンドープダイヤモンド層に｛１１１｝面及び｛１００｝面を形成する際にエッチングなどの加工工程を必要としないので、抵抗が低いｎ型半導体ダイヤモンドをより少ない工程によって形成することができる。
【００２１】
また、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドの第３の製造方法は、主面が｛１１０｝面であるダイヤモンド基板の該主面上に、メタン濃度を０．０１％以上０．７％未満、且つ成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程とを備えることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドの第４の製造方法は、主面が第２の条件：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であるダイヤモンド基板の該主面上に、メタン濃度を０．０１％以上０．７％未満、及び成長時間を１０分以上１２０分以下とする条件下でノンドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、ノンドープダイヤモンド層の表面上に、ｎ型ダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる第２の工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明者らは、上記した第３及び第４の製造方法における第１の工程によって、前述した第１の条件を満たす面、及び第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面を有するノンドープダイヤモンド層をダイヤモンド基板上に好適に成長させ得ることを見出した。さらに、本発明者らは、第２の工程において、ｎ型不純物を添加されたダイヤモンド層が、第１の条件を満たす面上には成長し易く、第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面上には成長し難いことを見出した。よって、第２の工程においてｎ型ダイヤモンド層を第１の条件を満たす面上に容易に選択成長させることができる。従って、上記した製造方法によれば、ノンドープダイヤモンド層に第１の条件を満たす面、及び第１の条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面を形成する際に、エッチングなどの加工工程を必要としないので、抵抗が低いｎ型半導体ダイヤモンドをより少ない工程によって形成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、抵抗が低く、且つ比較的少ない工程によって形成することが可能なｎ型半導体ダイヤモンド及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるｎ型半導体ダイヤモンド及びその製造方法の実施の形態及び実施例を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２６】
（実施の形態）
図１（ａ）は、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドの実施形態を示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すｎ型半導体ダイヤモンドのＩ−Ｉ断面を示す端面図である。また、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示すｎ型半導体ダイヤモンドのII−II断面を示す端面図である。なお、図１（ａ）においては、第２のノンドープダイヤモンド層９（後述）の図示を省略している。
【００２７】
図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照すると、本実施形態のｎ型半導体ダイヤモンド１は、基板３の主面３ａ上に形成されている。基板３は単結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板であり、主面３ａの面方向は｛１１０｝である。なお、基板３は多結晶ダイヤモンドからなってもよいが、その場合、多結晶ダイヤモンドの結晶粒界がｎ型半導体ダイヤモンド１の電気的特性に影響する可能性がある。従って、基板３は単結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。
【００２８】
ｎ型半導体ダイヤモンド１は、ｎ型ダイヤモンド層５、第１のノンドープダイヤモンド層７、及び第２のノンドープダイヤモンド層９を備えている。第１のノンドープダイヤモンド層７は、基板３の主面３ａ上にエピタキシャル成長によって形成されている。第１のノンドープダイヤモンド層７には、ｎ型またはｐ型となる不純物は実質的に添加されていない。
【００２９】
ここで、図２は、第１のノンドープダイヤモンド層７を示す平面図である。第１のノンドープダイヤモンド層７は、基板３の主面３ａと接する側とは反対側の表面に第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１を有している。第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１は、互いに等価ではない結晶面である。例えば、本実施形態では第１の結晶面の面方向が｛１１１｝であり、第２の結晶面の面方向が｛１００｝である。
【００３０】
また、第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１は、ｎ型半導体ダイヤモンド１の表面側から見て、それぞれ複数の単位領域１０ａ及び１１ａから構成されている。そして、第１の結晶面１０の単位領域１０ａと第２の結晶面１１の単位領域１１ａとは、互いに隣接して交互に配置されている。例えば、本実施形態では、単位領域１０ａと単位領域１１ａとがチェック模様をなしている。また、本実施形態では、第１の結晶面１０の単位領域１０ａは三角形状の互いに等価な２つのファセット（面）１０ｂからなる。例えば、そのうち一方のファセット１０ｂは（１１１）面であり、他方のファセット１０ｂは（１ １ −１）面である。また、これは第２の結晶面１１についても同様であり、単位領域１１ａは、三角形状の互いに等価な２つのファセット１１ｂから構成される。例えば、一方のファセット１１ｂは（０ −１ ０）面であり、他方のファセット１１ｂは（−１ ０ ０）面である。これらのファセットの面積は、１つのファセットにつき１０μｍ２未満となっている。
【００３１】
再び図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照する。ｎ型ダイヤモンド層５は、ｎ型不純物が添加されている。ｎ型ダイヤモンド層５は、第１の結晶面１０上にエピタキシャル成長によって形成されている。すなわち、ｎ型ダイヤモンド層５は、第１の結晶面１０の単位領域１０ａ上に形成されており、単位領域１０ａと同様に、ｎ型半導体ダイヤモンド１の表面側から見てチェック模様をなしている。本実施形態では、ｎ型ダイヤモンド層５にはｎ型不純物としてリンが添加されている。ｎ型ダイヤモンド層５に含まれるｎ型不純物としては、リンの他にも、硫黄、リチウム、ナトリウム、窒素、砒素、塩素、セレン等を用いることができる。
【００３２】
第２のノンドープダイヤモンド層９は、第１のノンドープダイヤモンド層７の第２の結晶面１１上、及びｎ型ダイヤモンド層５上にエピタキシャル成長によって形成されたダイヤモンド層である。すなわち、第２のノンドープダイヤモンド層９は、第１のノンドープダイヤモンド層７上においてｎ型ダイヤモンド層５を覆うように形成されている。第２のノンドープダイヤモンド層７には、ｎ型またはｐ型となる不純物は実質的に添加されていない。第２のノンドープダイヤモンド層９のｎ型ダイヤモンド層５と接する側とは反対側の表面は酸素終端されており、第２のノンドープダイヤモンド層９は、ｎ型ダイヤモンド層５及び第１のノンドープダイヤモンド層７を安定に保護する保護膜の機能を果たしている。
【００３３】
なお、本実施形態では第２のノンドープダイヤモンド層９が酸素終端されているが、第２のノンドープダイヤモンド層９が酸素終端されずに、第２のノンドープダイヤモンド層９上にさらに他の半導体層が積層されてもよいことは勿論である。また、ｎ型半導体ダイヤモンド１が第２のノンドープダイヤモンド層９を備えず、ｎ型ダイヤモンド層５上にさらに他の半導体層が積層されてもよい。
【００３４】
以上の構成を有する本実施形態のｎ型半導体ダイヤモンド１は、次の作用を奏する。すなわち、ｎ型半導体ダイヤモンド１では、第１の結晶面１０上に形成されたｎ型ダイヤモンド層５と、第２の結晶面１１付近の第１のノンドープダイヤモンド層７との間にキャリア濃度勾配が生じ、ｎ型ダイヤモンド層５から第１のノンドープダイヤモンド層７へキャリアが拡散する。加えて、第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１の単位領域１０ａ及び１１ａを構成するファセット１０ｂ及び１１ｂが１ファセットあたり１０μｍ２未満と非常に小さいので、ｎ型ダイヤモンド層５から第２の結晶面１１付近の第１のノンドープダイヤモンド層７へキャリアが充分に拡散することとなる。さらに、不純物が添加されていない第１のノンドープダイヤモンド層７においては、不純物散乱などに起因するキャリアの移動度の低下が少ない。ここへ、第２のノンドープダイヤモンド層９の表面上に電界を印加すると、第１のノンドープダイヤモンド層７に拡散されたキャリアの移動によって、容易に電流が流れることとなる。
【００３５】
以上に説明した本実施形態のｎ型半導体ダイヤモンド１は、以下の効果を有する。すなわち、上記した構成及び作用によってｎ型半導体ダイヤモンド１におけるキャリアの活性化率が向上するので、ｎ型半導体ダイヤモンド１の抵抗を低くすることができる。また、ｎ型半導体ダイヤモンド１においては、第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１は互いに異なる結晶面（｛１１１｝面及び｛１００面｝）であるため、ｎ型ダイヤモンド層５は、このうち成長し易い第１の結晶面１０上に選択的に成長することとなる。従って、本実施形態によるｎ型半導体ダイヤモンド１によれば、比較的少ない工程によってｎ型半導体ダイヤモンド１を形成することが可能となる。
【００３６】
また、ｎ型半導体ダイヤモンド１は、本実施形態のように、基板３の主面３ａの面方位が｛１１０｝面であることが好ましい。｛１１０｝面は、ダイヤモンドの気相成長における安定成長面ではないため、｛１１０｝面にダイヤモンドを気相成長させると、｛１１０｝面以外の結晶面（例えば安定成長面である｛１００｝面や｛１１１｝面）が自律的に成長する。従って、本実施形態のｎ型半導体ダイヤモンド１によれば、第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１を形成する際にエッチングなどの加工工程が必要ないので、より少ない工程によってｎ型半導体ダイヤモンド１を形成することが可能となる。
【００３７】
なお、本実施形態では、前述したようにｎ型ダイヤモンド層５に添加される不純物としてはリン等様々な元素を用いることができるが、ｎ型ダイヤモンド層５に添加される不純物は、第１のノンドープダイヤモンド層７表面の面方位によりドーピング効率が大きく変化するものが好ましい。例えば、リンは、｛１１１｝面上に形成されるダイヤモンドに対するドーピング濃度が｛１００｝面上に形成されるダイヤモンドに対するドーピング濃度よりも２桁以上高いので、ｎ型ダイヤモンド層５に添加される不純物として好適である。
【００３８】
（第１の変形例）
続いて、上記した実施形態の第１変形例について説明する。本変形例が上記した実施形態と相違する点は、第１のノンドープダイヤモンド層７の第１の結晶面１０が、次の条件１：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，ｘ≠１，ｙ≠１，及びｚ≠１（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であり、第２の結晶面１１が、この条件を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面であることである。
【００３９】
本発明者らは、先の条件１を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面上に形成されるダイヤモンド層はｎ型不純物にドープされ易く、条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面上に形成されるダイヤモンド層はｎ型不純物にドープされ難いことを見出した。なお、この詳細については、後の実施例において詳述する。従って、本変形例のｎ型半導体ダイヤモンド１によれば、第１のノンドープダイヤモンド層７の第１の結晶面１０上にｎ型ダイヤモンド層５を容易に選択成長させることができる。
【００４０】
なお、上記した実施形態では基板３の主面３ａを｛１１０｝面としているが、｛１１０｝面上には｛１１１｝面及び｛１００｝面だけでなく、先の条件１を満たす面、及び先の条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面を自律成長させることが可能であることを本発明者らは見出した。この詳細については、後の実施例において詳述する。
【００４１】
（第２の変形例）
続いて、上記した実施形態の第２変形例について説明する。本変形例が上記した実施形態と相違する点は、基板３の主面３ａが、｛１１０｝面ではなく、次の条件２：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であることである。
【００４２】
本発明者らは、上記した実施形態以外に、先の条件２を満たす基板３の主面３ａ上にダイヤモンドを気相成長させた場合においても、｛１００｝面及び｛１１１｝面が自律的に成長することを見出した。なお、この詳細については、後の実施例において詳述する。従って、本変形例のｎ型半導体ダイヤモンドによれば、第１のノンドープダイヤモンド層７に第１の結晶面１０及び第２の結晶面１１を形成するためのエッチングなどの加工工程が必要ないので、より少ない工程によってｎ型半導体ダイヤモンドを形成することが可能となる。
【００４３】
（第３の変形例）
続いて、上記した実施形態の第３変形例について説明する。本変形例が上記した実施形態と相違する点の１つは、第１のノンドープダイヤモンド層７の第１の結晶面１０が、次の条件１：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，ｘ≠１，ｙ≠１，及びｚ≠１（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であり、第２の結晶面１１が、この条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面であることである。また、本変形例が上記した実施形態と相違する点のさらに１つは、基板３の主面３ａが、｛１１０｝面ではなく、次の条件２：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であることである。
【００４４】
第１変形例と同様に、先の条件１を満たす面上に形成されるダイヤモンド層はｎ型不純物にドープされ易く、条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面上に形成されるダイヤモンド層はｎ型不純物にドープされ難い。従って、本変形例のｎ型半導体ダイヤモンドによれば、第１のノンドープダイヤモンド層７の第１の結晶面１０上にｎ型ダイヤモンド層５を容易に選択成長させることができる。また、本発明者らは、先の条件２を満たす基板３の主面３ａ上にダイヤモンドを気相成長させた場合、｛１１１｝面及び｛１００｝面に限らず、先の条件１を満たす面、及び先の条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面を自律的に成長させることも可能であることを見出した。なお、この詳細については、後の実施例において詳述する。従って、本変形例のｎ型半導体ダイヤモンドによっても、より少ない工程によってｎ型半導体ダイヤモンドを形成することが可能となる。
【００４５】
続いて、上記した実施形態及び変形例によるｎ型半導体ダイヤモンド及びその製造方法の第１実施例〜第６実施例及び比較例について説明する。なお、以下の各実施例において、第１のノンドープダイヤモンド層７、ｎ型ダイヤモンド層５、及び第２のノンドープダイヤモンド層９の気相成長にはマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を使用した。
【００４６】
（第１の実施例）
まず、第１実施例について説明する。基板３としてダイヤモンド｛１１０｝単結晶基板を用意し、その｛１１０｝面上に、メタン濃度（メタン流量／水素流量）１．０％、基板温度９５０度、合成時間３０分の条件でダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、第１のノンドープダイヤモンド層７を形成した（第１の工程）。図３は、この工程の終了後に、第１のノンドープダイヤモンド層７の表面モフォロジーを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により撮影した写真である。図３の写真に示されるとおり、本発明者らは、第１のノンドープダイヤモンド層７の表面全体にわたって１０μｍ２未満の面積を有する三角形状の複数のファセットＡが自律的に形成されていることを確認した。さらに、本発明者らは、図３に示すファセットＡの主面３ａに対する角度を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）により測定して、ファセットＡの面方位の特定を試みた。図４は、ＡＦＭ分析の結果を模式的に示した第１のノンドープダイヤモンド層７の平面図である。図４に示すように、ファセットＡは、｛１１１｝面（第１の結晶面１０のファセット１０ｂ）と、｛１００｝面（第２の結晶面１１のファセット１１ｂ）とを含むことを本発明者らは見出した。さらに、２つのファセット１０ｂによって第１の結晶面１０の単位領域１０ａが構成されるとともに、２つのファセット１１ｂによって第２の結晶面１１の単位領域１１ａが構成されており、単位領域１０ａ及び１１ａは互いに隣接して交互に配置されていることを本発明者らは見出した。
【００４７】
次に、第１のノンドープダイヤモンド層７上に、リンを添加しつつダイヤモンドをエピタキシャル成長させるよう試みた（第２の工程）。このときの成長条件は、メタン濃度０．０５％、ホスフィン濃度（ホスフィン流量／メタン流量）２０００ｐｐｍ、基板温度９００度、合成時間５分であった。この工程の終了後に、第１のノンドープダイヤモンド層７上に成長したダイヤモンド膜の表面についてカソードルミネッセンス測定を行ったところ、リンに起因する鋭い発光ピークが、第１の結晶面１０上において観測され、第２の結晶面１１上においては観測されなかった。この観測結果により、リンを含むダイヤモンド膜（すなわちｎ型ダイヤモンド層５）が、第１の結晶面１０にのみ選択的に成長していることが確認された。なお、図５は、第１のノンドープダイヤモンド層７上に選択的にｎ型ダイヤモンド層５が成長した状態を示す平面図である。
【００４８】
また、第２の工程の終了後、第１のノンドープダイヤモンド層７上に成長したダイヤモンド膜に対して二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）（分析面積１００μｍ角）を行った。その結果、該ダイヤモンド膜中のリン濃度は８．２×１０１８ｃｍ−３（４７ｐｐｍ）であった。これに対し、基板３とは別にダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板を用意して、該ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上に上記条件にてリンを含むｎ型ダイヤモンド膜を成長させ、ＳＩＭＳ分析を行った。その結果、該ｎ型ダイヤモンド膜中のリン濃度は１．８×１０１９ｃｍ−３（１００ｐｐｍ）、膜厚は１０ｎｍであった。また、第１のノンドープダイヤモンド層７の表面における第１の結晶面１０の面積割合を図４から算出すると４６％であった。すなわち、第１のノンドープダイヤモンド層７上に成長したダイヤモンド膜のリン濃度と、第１のノンドープダイヤモンド層７の表面における第１の結晶面１０の面積割合とがほぼ一致した。この分析結果によっても、リンを含むｎ型ダイヤモンド層５が第１の結晶面１０上にのみ選択的にドーピングされていることが確認された。
【００４９】
続いて、第２の工程において形成されたｎ型ダイヤモンド層５を含むダイヤモンド膜上に、第１のノンドープダイヤモンド層７及びｎ型ダイヤモンド層５上に、メタン濃度１．０％、基板温度９５０度、合成時間５分の条件でダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、第２のノンドープダイヤモンド層９を形成した。これにより、第１のノンドープダイヤモンド層７、ｎ型ダイヤモンド層５、及び第２のノンドープダイヤモンド層９を含むｎ型半導体ダイヤモンド１が完成した。第２のノンドープダイヤモンド層９の表面を酸化処理して酸素終端表面とした後、ｎ型半導体ダイヤモンド１の抵抗値を測定したところ、室温におけるｎ型半導体ダイヤモンド１のシート抵抗値は４．８×１０９Ω／□であった。また、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上に本実施例と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させた場合のシート抵抗値は、３．２×１０１２Ω／□であった。このことから、上記の各工程によって形成されたｎ型半導体ダイヤモンド１によれば、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンドを成長させた場合と比べて、抵抗を低くできることが確認された。
【００５０】
（第２の実施例）
次に、第２の実施例について説明する。本実施例では、基板３の主面３ａ上に第１のノンドープダイヤモンド層７を形成する第１の工程の際の成長条件を、メタン濃度０．７％以上５％以下、基板温度８００度以上１２００度以下、成長時間１０分以上１２０分以下の範囲で変化させた。また、ｎ型ダイヤモンド層５を形成する第２の工程の際の成長条件を、メタン濃度０．０１％以上０．１％以下、ホスフィン濃度１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下、基板温度８００度以上１２００度以下、成長時間１分以上１２０分以下の範囲で変化させた。その結果、これらの成長条件の範囲内において、上記した第１実施例と同様の第１のノンドープダイヤモンド層７（図３及び図４参照）が形成されるとともに、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンドを成長させた場合と比べて、抵抗を低くできることが確認された。
【００５１】
例えば、第１のノンドープダイヤモンド層７を形成する第１の工程の際のメタン濃度を４％とし、他の成長条件及び基板３を第１の実施例と同様として、第１のノンドープダイヤモンド層７を形成した。そして、第１のノンドープダイヤモンド層７上に、リンを添加しつつダイヤモンド膜を第１の実施例と同様の条件で成長させた。そして、このダイヤモンド膜についてＳＩＭＳ分析を行った結果、分析面積１００μｍ角におけるリン濃度は、４．０×１０１８ｃｍ−３（２３ｐｐｍ）であった。また、実施例１と同様の条件で第２のノンドープダイヤモンド層９を形成し、ｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗値を測定した。その結果、シート抵抗値は５．４×１０９Ω／□であり、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンド膜を成長させた場合（３．２×１０１２Ω／□）と比べて、抵抗が低いことが確認された。
【００５２】
上記した第１実施例及び第２実施例におけるｎ型半導体ダイヤモンド１の製造方法によれば、第１の工程において、主面３ａが｛１１０｝面である基板３上に、｛１１１｝面及び｛１００｝面を有する第１のノンドープダイヤモンド層７を好適に成長させることができる。また、第２の工程において、ｎ型ダイヤモンド層５を第１のノンドープダイヤモンド層７の｛１１１｝面上に容易に選択成長させることができる。従って、第１実施例及び第２実施例の製造方法によれば、ノンドープダイヤモンド層７に｛１１１｝面及び｛１００｝面を形成するためのエッチングなどの加工工程を必要としないので、抵抗が低いｎ型半導体ダイヤモンド１をより少ない工程によって形成することができる。
【００５３】
（第３の実施例）
次に、第３の実施例について説明する。本実施例では、ノンドープダイヤモンド層に挟まれたｎ型ダイヤモンド層５を厚さ方向に３層備えるｎ型半導体ダイヤモンドを形成した。すなわち、第１実施例と同様にして形成された第２のノンドープダイヤモンド層９上に、ｎ型ダイヤモンド層を形成する工程と、その上にノンドープダイヤモンド層を形成する工程とをそれぞれ２回繰り返して、立体的なｎ型半導体ダイヤモンドを形成した。このとき、ノンドープダイヤモンド層の成長時間を５分とし、他の条件は第１実施例の第１の工程と同様とした。そして、抵抗値を測定した結果、シート抵抗は１．５×１０９Ω／□であった。これに対し、膜厚３０ｎｍ（すなわち、ｎ型ダイヤモンド層５の３倍）のｎ型ダイヤモンドを、実施例１の第２の工程と同様の条件でダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上に成長させ、このｎ型ダイヤモンド膜の抵抗値を測定した結果、シート抵抗値は１．０×１０１２Ω／□であった。従って、ノンドープダイヤモンド層に挟まれたｎ型ダイヤモンド層を厚さ方向に複数有する立体的なｎ型半導体ダイヤモンドでも、抵抗が低くなることが確認された。なお、ｎ型ダイヤモンド層を形成する工程及びノンドープダイヤモンド層を形成する工程を繰り返す回数を２回以上５０回以下の範囲で変化させた結果、本実施形態と同様にｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗が低くなることが確認された。
【００５４】
（第４の実施例）
次に、第４実施例について説明する。まず、基板３としてダイヤモンド｛１１０｝単結晶基板を用意し、その｛１１０｝面上に、メタン濃度（メタン流量／水素流量）を０．２％とする以外は第１実施例と同様の条件でダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、第１のノンドープダイヤモンド層を形成した（第１の工程）。図６は、この工程の終了後に、第１のノンドープダイヤモンド層１７の表面モフォロジーをＳＥＭにより撮影した写真である。図６の写真に示されるとおり、本発明者らは、第１のノンドープダイヤモンド層１７の表面全体にわたって１０μｍ２未満の面積を有する三角形状の複数のファセットＢが自律的に形成されていることを確認した。さらに、本発明者らは、図６に示すファセットＢの主面３ａに対する角度をＡＦＭにより分析して、ファセットＢの面方位を特定した。図７は、第１のノンドープダイヤモンド層１７表面のＡＦＭによる像である。また、図８は、ＡＦＭによる分析結果を模式的に示す第１のノンドープダイヤモンド層１７の平面図である。図８に示すように、ファセットＢは、｛５５２｝面（ファセット２０ｂ）と、｛１７ ２３ １｝面（ファセット２１ｂ）とを含むことを本発明者らは見出した。さらに、２つのファセット２０ｂによって｛５５２｝面の単位領域２０ａが構成されるとともに、２つのファセット２１ｂによって｛１７ ２３ １｝面の単位領域２１ａが構成されており、第１実施例と同様に単位領域２０ａ及び２１ａは互いに隣接して交互に配置されていることを本発明者らは見出した。
【００５５】
続いて、第１のノンドープダイヤモンド層１７上に、リンを添加しつつダイヤモンドをエピタキシャル成長させるよう試みた（第２の工程）。このときの成長条件は、第１実施例と同様である。この工程の終了後に、第１のノンドープダイヤモンド層１７上に成長したダイヤモンド膜の表面についてカソードルミネッセンス測定を行ったところ、リンに起因する鋭い発光ピークが、｛５５２｝面上において観測され、｛１７ ２３ １｝面上においてはほとんど観測されなかった。この観測結果により、リンを含むダイヤモンド膜（すなわちｎ型ダイヤモンド層）が、｛１７ ２３ １｝面にはほとんど成長せず、｛５５２｝面にのみ選択的に成長していることが確認された。従って、本実施例では、｛５５２｝面が第１の結晶面２０となり、｛１７ ２３ １｝面が第２の結晶面２１となる。なお、図９は、第１のノンドープダイヤモンド層１７の第１の結晶面２０上に選択的にｎ型ダイヤモンド層１５が成長した状態を示す平面図である。
【００５６】
続いて、第２のノンドープダイヤモンド層を第１実施例と同様の条件で形成した。そして、第１実施例と同様にして本実施例によるｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗値を測定したところ、室温におけるシート抵抗値は３．７×１０９Ω／□であった。従って、本実施例の製造方法によって形成されたｎ型半導体ダイヤモンドによれば、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンドを成長させた場合（３．２×１０１２Ω／□）と比べて、抵抗を低くできることが確認された。
【００５７】
さらに、本実施例では、第１の工程における第１のノンドープダイヤモンド層１７の成長条件として、メタン濃度を０．０１％以上０．７％未満の範囲で変化させてｎ型半導体ダイヤモンドを形成した。なお、第１の工程における他の成長条件、及び第２の工程におけるｎ型ダイヤモンド層の成長条件は、前述した第２実施例と同様とした。その結果、本発明者らは、第１のノンドープダイヤモンド層１７の表面に、条件１：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，ｘ≠１，ｙ≠１，及びｚ≠１（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝面であるファセットと、条件１を満たさない結晶面であって｛１１１｝面以外の結晶面であるファセットとが形成されていることを確認した。そして、ｎ型半導体ダイヤモンドのシート抵抗値が、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンドを成長させた場合と比べて１桁〜２桁小さくなっていることを確認した。
【００５８】
また、実施例３と同様の手法を用い、ｎ型ダイヤモンド層及びノンドープダイヤモンド層を形成する際の形成条件を本実施例のとおりとして、ｎ型ダイヤモンド層を形成する工程及びノンドープダイヤモンド層を形成する工程を繰り返す回数を２回以上５０回以下の範囲で変化させた。その結果、本実施例と同様にｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗が低くなることが確認された。
【００５９】
上記した第４実施例におけるｎ型半導体ダイヤモンドの製造方法によれば、第１の工程において、主面３ａが｛１１０｝面である基板３上に、条件１を満たす面、及び条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面を有する第１のノンドープダイヤモンド層１７を好適に成長させることができる。また、第２の工程において、ｎ型ダイヤモンド層１５を第１のノンドープダイヤモンド層１７の条件１を満たす面上に容易に選択成長させることができる。従って、第４実施例の製造方法によれば、条件１を満たす面、及び条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面を形成するためのエッチングなどの加工工程を必要としないので、抵抗が低いｎ型半導体ダイヤモンドをより少ない工程によって形成することができる。
【００６０】
（第５の実施例）
次に、第５実施例について説明する。本実施例では、主面の面方位｛ｘ ｙ ｚ｝がそれぞれ条件２：ｘ＋ｙ＋ｚ≧３，（ｘ，ｙ，ｚ）≠（１，１，１）（ｘ，ｙ，ｚ：正の整数）を満たす｛２１１｝、｛３１１｝、及び｛５１１｝である３つのダイヤモンド単結晶基板を使用し、ノンドープダイヤモンド層及びｎ型ダイヤモンド層の形成条件は実施例１と同様の条件として、ｎ型半導体ダイヤモンドを形成した。そして、いずれのダイヤモンド単結晶基板を用いても、第１のノンドープダイヤモンド層表面に｛１１１｝ファセット１０ｂ及び｛１００｝ファセット１１ｂが形成されることを本発明者らは確認した。また、表１に、３つのダイヤモンド単結晶基板それぞれを使用したときの、第１のノンドープダイヤモンド層表面における｛１１１｝面の割合、及びｎ型半導体ダイヤモンドのシート抵抗値を示す。表１に示すとおり、本実施例においても実施例１と同様にｎ型半導体ダイヤモンドのシート抵抗値を小さくできる。なお、表１には、比較のために、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンドを成長させた場合、及び第１実施例（基板主面の面方位：｛１１０｝）の場合のシート抵抗値を同時に示す。
【表１】
2005079196.tif 000003
【００６１】
（第６の実施例）
次に、第６実施例について説明する。本実施例では、主面の面方位｛ｘ ｙ ｚ｝がそれぞれ前述した条件２を満たす｛２１１｝、｛３１１｝、及び｛５１１｝である３つのダイヤモンド単結晶基板を使用し、ノンドープダイヤモンド層及びｎ型ダイヤモンド層の形成条件は実施例４と同様の条件として、ｎ型半導体ダイヤモンドを形成した。そして、いずれのダイヤモンド単結晶基板を用いても、第４実施例に示した条件１を満たす｛ｘ ｙ ｚ｝ファセット２０ｂ、及び条件１を満たさないファセットであって｛１１１｝面以外のファセット２１ｂが第１のノンドープダイヤモンド層表面に形成されることを本発明者らは確認した。また、表２に、３つのダイヤモンド単結晶基板それぞれを使用したときの、ｎ型半導体ダイヤモンドのシート抵抗値を示す。表１に示すとおり、本実施例においても実施例４と同様にｎ型半導体ダイヤモンドのシート抵抗値を小さくできる。なお、表１には、比較のために、第４実施例（基板主面の面方位：｛１１０｝）の場合のシート抵抗値を同時に示す。
【表２】
2005079196.tif 000004
【００６２】
（比較例）
次に、上記した第１実施例に対する比較例について説明する。本比較例では、第１の工程において、成長時間を２０時間とし、他の成長条件を第１実施例と同様として第１のノンドープダイヤモンド層を形成した。第１のノンドープダイヤモンド層の表面モフォロジーをＳＥＭで観察したところ、１０μｍ２以上２０μｍ２以下の面積を有する複数のファセットが形成されていた。この第１のノンドープダイヤモンド層上に、実施例１と同様にしてｎ型ダイヤモンド層及び第２のノンドープダイヤモンド層を形成し、抵抗値を測定した。その結果、シート抵抗値は１．２×１０１３Ω／□であった。従って、第１のノンドープダイヤモンド層表面に１０μｍ２以上の面積を有するファセットが形成されると、ｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗は低くならないことが確認された。
【００６３】
ファセットの面積が１０μｍ２以上の場合にｎ型半導体ダイヤモンドの抵抗が低くならない原因は、以下のように推測される。すなわち、ファセットの面積が１０μｍ２以上であると、ｎ型ダイヤモンド層間のノンドープダイヤモンド層をｎ型ダイヤモンド層から拡散するキャリアによって満たすことが出来ず、ダイヤモンド｛１１１｝単結晶基板上にｎ型ダイヤモンド膜を形成した場合よりも結果的に抵抗が上昇する。
【００６４】
本発明によるｎ型半導体ダイヤモンド及びその製造方法は、上記した実施形態、変形例、及び実施例に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記した各実施例では、第１のノンドープダイヤモンド層、ｎ型ダイヤモンド層、及び第２のノンドープダイヤモンド層を形成する際に、化学気相成長（ＣＶＤ）法を使用してホモエピタキシャルダイヤモンドを成膜している。この方法としては、直流または交流電界により放電を起こす方法、熱電子材料を加熱する方法、ダイヤモンドを成長させる表面をイオンで衝撃する方法、原料ガスを燃焼させる方法など各種の方法があるが、いずれの方法でも用いることができ、発明の効果は変わらない。
【００６５】
また、上記した実施形態、変形例、及び実施例では、第１の結晶面を｛１１１｝面または条件１を満たす面とし、第２の結晶面を｛１００｝面、または条件１を満たさない面であって｛１１１｝面以外の面としている。本発明の第１の結晶面及び第２の結晶面はこれらの面に限られるものではなく、該結晶面上にｎ型のダイヤモンド膜を気相成長させた場合に、第１の結晶面上におけるｎ型不純物のドーピング効率が第２の結晶面上よりも高ければよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１（ａ）は、本発明によるｎ型半導体ダイヤモンドの実施形態を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すｎ型半導体ダイヤモンドのＩ−Ｉ断面を示す端面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）に示すｎ型半導体ダイヤモンドのII−II断面を示す端面図である。
【図２】図２は、第１のノンドープダイヤモンド層を示す平面図である。
【図３】図３は、第１実施例において、第１のノンドープダイヤモンド層の表面モフォロジーをＳＥＭにより撮影した写真である。
【図４】図４は、第１の実施例において、ＡＦＭ分析結果を模式的に示す第１のノンドープダイヤモンド層の平面図である。
【図５】図５は、第１の実施例において、第１のノンドープダイヤモンド層上に選択的にｎ型ダイヤモンド層が成長した状態を示す平面図である。
【図６】図６は、第４の実施例において、第１のノンドープダイヤモンド層の表面モフォロジーをＳＥＭにより撮影した写真である。
【図７】図７は、第４の実施例における、第１のノンドープダイヤモンド層１７表面のＡＦＭによる像である。
【図８】図８は、第４の実施例において、ＡＦＭによる分析結果を模式的に示す第１のノンドープダイヤモンド層の平面図である。
【図９】図９は、第４の実施例において、第１のノンドープダイヤモンド層のファセット上に選択的にｎ型ダイヤモンド層が成長した状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…ｎ型半導体ダイヤモンド、３…基板、３ａ…主面、５…ｎ型ダイヤモンド層、７…第１のノンドープダイヤモンド層、９…第２のノンドープダイヤモンド層、１０、２０…第１の結晶面、１０ａ、１１ａ、２０ａ、２１ａ…単位領域、１０ｂ、１１ｂ、２０ｂ、２１ｂ…ファセット、１１、２１…第２の結晶面、１５…ｎ型ダイヤモンド層、１７…ノンドープダイヤモンド層。
【図１】
2005079196.tif 000005
【図２】
2005079196.tif 000006
【図３】
2005079196.tif 000007
【図４】
2005079196.tif 000008
【図５】
2005079196.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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