パワーデバイス応用に向けたダイヤモンド半導体のオーミック接触形成に関する研究
片宗 優貴*
九州工業大学 若手研究者フロンティア研究アカデミー*〒804-8550 福岡県北九州市戸畑区仙水町 1-1

Formation of Ohmic contact of diamond semiconductor
for power device application
Yūki Katamune *Frontier Research Academy for Young Researchers,*

Kyushu Institute of Technology
1-1 Sensui-cho, Tobata, Kitakyushu, Fukuoka 804-8550, Japan
E-mail: katamune@ele.kyutech.ac.jp
概要
ダイヤモンドは，高い絶縁破壊電圧，熱伝導度，化学的安定性など特出した物性を有しており，大電力・高周波デバイスや放射線センサなど耐過酷環境性の半導体材料として期待される．ダイヤモンド半導体デバイスの実現には，結晶成長技術やデバイスプロセス技術などの要素技術を整える必要がある．本研究では，電子デバイス応用で重要な要素技術のひとつであるオーミック接触の形成に関して，低抵抗ナノダイヤモンド系薄膜を利用した電極の作製と熱フィラメント CVD 法による n 型ダイヤモンドの結晶成長に取り組んだ．
1. はじめに能性を秘めている．電子デバイスの作製でダイヤモンドは，5.5 eV のバンドギャッ必須である不純物ドーピングによる電気伝プを持つワイドギャップ半導体であり，高導型の制御について，ダイヤモンドでは，pい絶縁破壊電圧，熱伝導度や化学的安定性型は 0.37 eV のアクセプタ準位を形成するなど他材料に比べて優れた物性を有しておホウ素，n 型は 0.57 eV のドナー準位を形成

り，高温や放射線照射などの過酷な環境下するリンを結晶成長中に取り込ませることで安定した動作が可能な次世代の半導体材で行われる[4]．この結晶成長を利用したド料として期待されている[1, 2]．パワーデバーピング技術に基づいて，これまでにショイスにおける材料固有の性能限界を示すットキー接合や pn 接合などの電子デバイ

Baliga の性能指数では，ワイドギャップ半スが作製されている[5]．近年では，反転層導体である SiC や GaN と比べて二桁程度型の金属-酸化物-半導体電界効果トランジ高く[3]，大電力・高周波デバイス応用の可スタ (MOSFET)が実証されている[6]．
1ダイヤモンド半導体デバイスの実現には，結晶成長，不純物ドーピング，デバイスプロ

金属ダイヤモンド接触
金属①UNCD/a-C
n型ダイヤモンド ②ダイヤモンド基板セスなど，個々の要素技術の確立が重要になる．オーミック接触の形成はこれら要素技術のひとつである．ワイドギャップ半導① 金属UNCD/a-C構造の形成
金属
UNCD/a-C
絶縁基板体では，原理的に金属との界面に生じるショットキー障壁の形成は避けられず，高い接触抵抗が生じる．このようなオーミック② n型ダイヤモンドの結晶成長

接触の問題は，電極界面での高い接触抵抗n型ダイヤモンド
ダイヤモンド基板が半導体内部へのキャリアの注入・抽出の効率の低下を招き，デバイス性能を損なう

図 1 ダイヤモンド半導体のオーミック要因となっている[7]．ダイヤモンドでは，接触の形成に関する研究の概要.

イオン注入による高濃度層の形成は難しく，p 型では，熱処理による界面の合金化によて原料ガスを熱的に活性化する手法であり，り接触抵抗が~10−5 Ω cm2 まで低減され多結晶ダイヤモンドの形成法として工業応る[8]．一方，n 型では，金属選定[9]，高濃用されているが，半導体用途ではフィラメ度ドーピング[10]や欠陥制御[11]，そのほント材の金属が混入するため，ほとんど検か異方成長層の形成[7]が検討されている

証されてこなかった．熱フィラメント CVDが，目標とされる接触抵抗~10−5 Ω cm2 は法は 12 インチの大面積処理が可能であり，+達成されていない．グラファイト電極と n製造プロセスとしてのメリットは大きい層の接触抵抗が 0.9 Ω cm2 と現状では最も[15]．熱フィラメント CVD 法に関して，高低く[12]，さらなる低抵抗化には高濃度ド品質自立基板[15]，~1 m cm の低抵抗高ーピングと電流経路を考慮した界面設計が濃度ホウ素ドープ p+膜[16]，その他に金属必要であると考えられる．そこで，本研究で不純物により転位密度が大幅に低減される

は電極の伝導層として，炭素材料であるナ現象[17]が報告され，再び注目されている．

ノダイヤモンド系薄膜に注目した．ナノダ

本項では，ダイヤモンド半導体のオーミ

イヤモンド系薄膜は不純物添加などの組成

ック電極の形成に向けて，ナノダイヤモン制御により電気伝導度を制御でき，ショッド系薄膜として超ナノ微結晶ダイヤモンドトキー障壁の低減と中間準位を介した電流/アモルファスカーボン混相 (UNCD/a-C)

経路による低抵抗化が期待できる (図 1)．

膜を利用した電極の作製および熱フィラメ

n 型ダイヤモンドは，天然には存在せず，ント CVD 法での n 型ダイヤモンドの結晶マイクロ波を利用したプラズマ CVD 法で成長に関する取り組みついて述べる．の結晶成長によって，主に(111)や(001)表面へのリンドーピングにより得られる[13,2. 実験方法

14]．本研究で用いる熱フィラメント CVD

UNCD/a-C 膜の形成は物理気相堆積法

法は，通電加熱した高融点金属線を利用しの一種である同軸型アークプラズマ堆積法
2により行った．円筒型の陽極の内側の同軸
H2, CH4, PMe3

上にグラファイト母材が陰極として配置さ放射温度計れた構造を持つ同軸型アークガンを用いたフィラメント (W)[18]．このアークガンを基板に対向させ，スステージ

テージ温度を 550 C として成膜した．堆積時の雰囲気は，真空中 (<10−3バタフライバルブPa) とした．

基板

ヒーター
TMP

ホウ素の添加したグラファイトを母材に用真空排気いることで堆積膜へのホウ素添加を行いターボ分子ポンプ

熱電対

自動圧力制御器
真空排気[19]，窒素ガスを流入して窒素雰囲気下で

図 2 熱フィラメント CVD 装置の概略図.

堆積することで窒素添加を行った[20]．
ダイヤモンドの結晶成長は熱フィラメン
ト CVD 法により行った．図 2 に本研究で3. 実験結果

用いた熱フィラメント CVD 装置の概略図

まず，UNCD/a-C を用いた電極の作製にを示す．キャリアガスに水素 (H2)，原料ガ関して述べる．グラファイトを原料としてスにメタン (CH4)を用いた．ドーパント原

石英基板上に堆積した UNCD/a-C 膜の電料としてトリメチルホスフィン (PMe3)

気伝導率は，ホウ素または窒素添加した場を用いた．メタン濃度 (CH4/H2) は 0.1−合で 102−104 Ω−1 cm−1 の範囲で得られた．

1%，リン原料濃度 (PMe3/CH4)は約 1000

不純物添加されていない UNCD/a-C 膜と−10000 ppm の範囲で制御した．フィラメ比べて，ホウ素添加により伝導率が増加し，ント材にはタングステンを用い，ダイヤモ窒素添加により減少する傾向がわかった．

ンド成長時は 2100 C 以上になるように通得られた UNCD/a-C 膜上に，フォトリソ電加熱した．基板ステージは 700−1000 Cグラフィによって接触抵抗の測定のためのの温度範囲で制御した．

金属電極パターンを形成した．一部の試料の評価について，表面および断面構

UNCD/a-C 膜では金属電極 (Ti/Au) の一造の観察には，微分干渉顕微鏡を用いた．オ部が剥離してしまう問題があったが，フ角などのダイヤモンドの結晶構造評価に

UNCD/a-C 膜への不純物添加により剥離は，X 線回折装置を用いた．UNCD/a-C 膜が抑制され，UNCD/a-C 膜の組成を調整すの組成分析を X 線光電子分光 (XPS) 法にることで金属との密着性の改善が可能であより行い，成長したダイヤモンド膜中の元ることがわかった．
金属と UNCD/a-C 膜の素分析を二次イオン質量分析 (SIMS) 法接合にて，c-TLM 法により接触抵抗の見積により行った．また，電気的特性の評価は，もりを試みた．TLM 法は，電極間の距離を室温から 600 C 程度までの温度範囲で，変えて測定した抵抗値と電極間距離が比例

van der Pauw 法に基づいて，電気抵抗率測関係になることを利用して，接触抵抗が推定または Hall 効果測定により行った．金属定される．今回作製した試料では，TLM 法と UNCD/a-C 膜界面における接触抵抗は，による接触抵抗の見積もりは困難であった．

円形-伝送長 (c-TLM) 法により評価した．

これは接触抵抗が膜抵抗よりも十分に低い3ことを示唆しており，UNCD/a-C 膜の膜厚が薄いため膜抵抗が高くなったことが要因

CH4/H20.25%

CH4/H21%20 m

20 mとして考えらえる．接触抵抗の正確な見積
もりには，UNCD/a-C の厚膜化や電極間距離の微細化など TLM 法での膜抵抗を下げる工夫が必要であることがわかった．
次に，接触抵抗の低減が課題となってい図 3 ダイヤモンド結晶粒の(111)表面にる n 型ダイヤモンドについて，熱フィラメ成長したダイヤモンド膜の微分干渉顕微

ント CVD 法によるリンドープダイヤモン

鏡像 (PMe3/CH4 =964 ppm).

ドの結晶成長および n 型半導体化の取り組みについて述べる．電子デバイスに利用さに成長したダイヤモンド膜の微分干渉顕微れる n 型ダイヤモンドは，マイクロ波 CVD鏡像を示す．成長時の PMe3/CH4 を約 1000法による結晶成長で得られる．本研究で用ppm とした．CH4/H2 0.1−0.5%の条件で成いる熱フィラメント CVD 法は，大面積プ長した(111)表面では，図 3 (左図) にみらロセスが可能であり工業応用上の利点があれるようなピラミッド状のヒロックが確認るが，エピタキシャル成長に関する報告例された．成長下地に用いたダイヤモンド結は少なく，過去に多結晶ダイヤモンドでの晶粒の(111)表面にはオフ角がほとんどな

リンドーピングによる n 型半導体化が試み

く，ステップフロー成長が阻害され，下地結られたが，Hall 効果で明瞭な n 型電気伝導晶の欠陥などを起点としてヒロックが形成が確認された報告はない[21, 22]．

された可能性が高い[25]．ヒロックの側面

まず，熱フィラメント CVD 法により粒にあたる結晶面はその形状から(100)面で径 1 mm 程度のダイヤモンド結晶粒の(111)あると考えられる．リン添加雰囲気での成表面を成長させ，異常成長粒子などを抑制

長ではヒロックの(100)表面には特有の表のためフィラメント温度や基板温度などの面荒れが確認された．マイクロ波 CVD 法

成長パラメータを調査した．リンドーピンの報告ではリンが取り込まれることによるグでは，(100)表面でリン取り込み効率が極(100)面の表面荒れが報告されており[26]，端に悪くなる特有の結晶面方位依存性があ

本研究においても成長膜へのリンの取り込るため[23]，成長表面として(111)表面を選みが示唆される．CH4/H2 = 1%では，ヒロ択した．当初は安全性を考慮してホスフィックのような結晶面を伴う表面形態とは異ン (PH3) などの危険ガスではなく，炭素原なり，図 3 (右図) にみられるような二次核料とリン原料を混合した有機リン溶液を原生成により異常成長粒子が無数に形成され料として用いていたが[24]，結晶成長におた表面形態が観察された．CH4/H2 = 1%とける各種パラメータの制御性の向上のため，高い場合には，非エピタキシャル成長が優高純度化が可能な気体原料である CH4 と勢になることがわかった．

PMe3 を原料として用いた．

上述の成長条件に基づいて，約 2のオフ

図 3 にダイヤモンド結晶粒の(111)表面角を付けた(111)ダイヤモンド基板上にリ4ンドープ膜の成長を行った．(111)基板上に謝辞成長したリンドープ膜の表面では，エピタ本研究の遂行にあたり，公益財団法人 高キシャル成長に伴う積層欠陥が観察された

柳新次郎財団の助成を受けた．また，本研究が，図 3 (左図) に示す同条件で成長したダの一部は，吉田学術教育振興会，科学研究費

イヤモンド結晶粒の(111)表面で見られた助成事業および NIMS 連携拠点推進制度等ようなヒロックの形成は確認されなかった．の支援を受けて行われた．ここに記し，感謝

この要因として，(111)面に対してオフ角をの意を表す．また，共同研究者と本研究に関付けたことでステップフロー成長が促進さわる関係者各位に深く感謝申し上げる．

れ，異常成長粒子の核発生が抑制されたことが考えられる．リンドーピング濃度は，参考文献

SIMS 測定の結果から PMe3/H2 を約 1000

[1] H. Umezawa, S. Ohmagari, Y. Mokuno,

ppm とした条件で~1018 cm−3 が得られた．

J.H.

成長膜の四隅に円形電極を形成し，Hall 効radiation hardness of diamond Schottky

果測定を行った結果，明確な n 型伝導が初

barrier diode and metal-semiconductor field-めて確認された[27]．キャリア濃度の温度

effect transistor. 2017 29th International

依存性からドナー準位は約 0.57 eV と見積

Symposium on Power Semiconductor Devices

もられた．この値はマイクロ波プラズマ

andCVD 法で成長されたリンドープ膜の報告

10.23919/ISPSD.2017.7988983.

値とほぼ一致しており[4]，本研究で得られ[2] H. Umezawa, M. Nagase, Y. Kato, S.-i.

たリンドープ膜においても結晶中のリンド

Shikata, Diamond Relat. Mater., 24 (2012)

ナーが活性化していると考えられる．今後

201-205.の課題として，熱フィラメント CVD 法に[3] B.J. Baliga, IEEE Electron Device Letters,特有の金属不純物が結晶成長および成長膜

10 (1989) 455-457.の電気的特性に及ぼす影響の解明などが挙[4] M. Katagiri, J. Isoya, S. Koizumi, H. Kanda,げられる．

Appl. Phys. Lett., 85 (2004) 6365-6367.

Kaneko,IC'sCharacterization(ISPSD),(2017)

ofX-ray379-382,[5] H. Umezawa, Mater. Sci. Semicond.

4. まとめProcess., 78 (2018) 147-156.

本研究では，ダイヤモンド半導体のオー[6] T. Matsumoto, H. Kato, K. Oyama, T.

ミック接触の形成に向けて，UNCD/a-C を

Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, T. Inokuma,用いた電極の作製し，熱フィラメント CVD

N. Tokuda, S. Yamasaki, Scientific Reports, 6法によるリンドープダイヤモンドの n 型半(2016) 31585.

導体化を実現した．今後，得られた n 型ダ[7] H. Kato, T. Makino, M. Ogura, N. Tokuda,

イヤモンドに対して UNCD/a-C 電極を適

H. Okushi, S. Yamasaki, Appl. Phys. Express,用し，接触抵抗低減の効果を検討する予定

2 (2009) 055502.

である．

[8] Y.G. Chen, M. Ogura, S. Yamasaki, H.
Okushi, Semicond. Sci. Technol., 20 (2005)

5860.

Nakamura, Y. Akiba, T. Kurosu, M. Iida, T.

[9] T. Teraji, S. Koizumi, H. Kanda, Phys. Stat.

Nakamura, Appl. Phys. A, 51 (1990) 344-346.

Sol. (A), 181 (2000) 129-139.

[22] S. Bohr, R. Haubner, B. Lux, Diamond[10] T. Teraji, M. Katagiri, S. Koizumi, T. Ito,Relat. Mater., 4 (1995) 133-144.

H. Kanda, Jpn. J. Appl. Phys., 42 (2003) L882.

[23] H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, H.

[11] T. Teraji, S. Koizumi, H. Kanda, Appl.

Okushi, J. Phys. D: Appl. Phys., 40 (2007)

Phys. Lett., 76 (2000) 1303-1305.

6189-6200.

[12] T. Matsumoto, H. Kato, N. Tokuda, T.

[24] Y. Katamune, D. Arikawa, D. Mori, A.

Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, H. Okushi, S.

Izumi, Thin Solid Films, 677 (2019) 28-32.

Yamasaki, physica status solidi (RRL) – Rapid[25] N. Tokuda, M. Ogura, T. Matsumoto, S.

Research Letters, 8 (2014) 137-140.

Yamasaki, T. Inokuma, Phys. Stat. Sol. (A),[13] S. Koizumi, M. Kamo, Y. Sato, H. Ozaki,213 (2016) 2051-2055.

T. Inuzuka, Appl. Phys. Lett., 71 (1997) 1065.

[26] S. Koizumi, Phys. Stat. Sol. (A), 172[14] H. Kato, S. Yamasaki, H. Okushi, Appl.

(1999) 71-78.

Phys. Lett., 86 (2005) 222111.

[27] 片宗優貴，森大地，有川大輔，和泉亮，[15] S. Ohmagari, H. Yamada, H. Umezawa,

嶋岡毅紘，市川公善，小泉聡, 熱フィラメント

A. Chayahara, T. Teraji, S. Shikata, Diamond

CVD 法による(111)面上へのリンドープ n 型Relat. Mater., 48 (2014) 19-23.

ダイヤモンド膜の成長, 2019 年第 80 回応用[16] S. Ohmagari, K. Srimongkon, H. Yamada,

物理学会秋季学術講演会, 北海道大学, 20p-

H. Umezawa, N. Tsubouchi, A. Chayahara, S.

E312-10, (2019).

Shikata, Y. Mokuno, Diamond Relat. Mater.,
58 (2015) 110-114.
[17] S. Ohmagari, H. Yamada, N. Tsubouchi,
H. Umezawa, A. Chayahara, S. Tanaka, Y.
Mokuno, Appl. Phys. Lett., 113 (2018) 032108.
[18] K. Hanada, T. Nishiyama, T. Yoshitake,
K. Nagayama, Diamond Relat. Mater., 19(2010) 899-903.
[19] Y. Katamune, S. Takeichi, R. Ohtani, S.
Koizumi,E.

Ikenaga,K.

Kamitani,T.

Sugiyama, T. Yoshitake, Appl. Phys. A, 125(2019) 295.
[20] A. Zkria, H. Gima, M. Shaban, T.
Yoshitake, Appl. Phys. Express, 8 (2015)
095101.
[21] K. Okano, H. Kiyota, T. Iwasaki, Y.

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