JPH01103994A - ダイヤモンドの単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体素子等として使用される、良好な結晶
性、平坦な表面及び良好な電気的特性を有するダイヤモ
ンドの単結晶成長方法に関する。

［従来の技術］ ダイヤモンドは、高い硬度、熱伝導度及び透明度を有す
る物質としてよく知られているが、大きい移動度、大き
いエネルギーギャップ及び小さい誘電率等の特徴を有す
るので、半導体の材料、例えば、耐熱半導体素子及び高
速高出力素子等の材料として期待されている。

ダイヤモンド半導体を実用化するためには結晶性の良い
単結晶を得ることが必要である。ダイヤモンドは超高圧
下で安定な炭素の同素体であるため、これまで、ダイヤ
モンド単結晶の合成は５ＧＰａ以上の超高圧下で行われ
てきた。同様に天然に産生ずるダイヤモンドも超高圧下
で生成したものと考えられている。

半導体材料においては、高純度で結晶性のよいダイヤモ
ンド単結晶だけでなく、適当な不純物を適量含んだ価電
子制御可能な結晶性のよいダイヤモンド単結晶も必要で
ある。

近年、メタン等の炭化水素ガスを原料として、高周波放
電等の手段で原料ガスを分解励起し、気相中でダイヤモ
ンドを合成する方法が開発されている［メイニア（Ｒ，
Ｍａｎｉａ）等、クリスタル・リサーチ・アンド・テク
ノロジ＝（ＣｒｙｓｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、　　１６　、７８５　（１９
８１）］。この方法を用いて超高圧下で合成したダイヤ
モンド単結晶の上にダイヤモンド単結晶層を成長させる
ことができ、ホウ素等の不純物を均一にドーピングでき
ることが確認されており、例えば、ホウ素含有単結晶層
は、超高圧下でホウ素をドーピングして合成された単結
晶と同様にＰ型半導体の性質を示す［藤森（Ｎ　、　Ｆ
　ｕｊ　ｉｍｏｒｉ）等、バキューム（Ｖａｃｕｕｍ）
、　３６　、９９　（１９８６）］。

しかし、この方法においては、例えば、（１１０）面上
に単結晶層を成長させた場合に、表面の凹凸が激しく、
成長層の厚さが３μ次以上になると、亀裂を生じたり、
単結晶層中に転位や双晶が多く発生し、ついには多結晶
として成長する等の問題があった。

［発明の目的］ 本発明の目的は、結晶欠陥がなく、表面が平滑であるダ
イヤモンド単結晶層の成長を行うことにある。

［発明の構成］ 本発明の目的は、気相中でダイヤモンド単結晶基板上に
ダイヤモンド単結晶層を成長させる方法において、ダイ
ヤモンド単結晶を成長させるダイヤモンド単結晶基板の
面が、（１１１）而又は（１００）面の面方位に対して
８°を越えない角度を有する研磨された面であることを
特徴とするダイヤモンドの単結晶成長方法によって達成
される。

（１１１）面と（１００）面に精度良く平行に研磨され
た面を成長面として気相中でダイヤモンドを成長させた
場合に、結晶欠陥が少なく、不純物を含まない、平坦な
表面を有するダイヤモンド単結晶層が容易に成長する。

（１１１）面又は（１００）面からの傾きが８°以内で
ある成長面においても、同様に結晶性の′良好な単結晶
層が成長する。

ダイヤモンドの（１１１）面及び（１００）面において
は、原子が比較的稠密で、表面の原子配列が単純で、ダ
ングリングボンドが少ない。また、ダイヤモンドが超高
圧下で成長する場合にも、安定な成長面であることが知
られている。

そこで、気相成長したダイヤモンド単結晶の結晶性及び
表面平坦性をダイヤモンド単結晶の各種の面方位を持つ
基板で比較したところ、（１１１）面及び（１００）面
が最も結晶性及び表面平坦性で優れていることが判明し
た。

（１１１）面は、ダイヤモンド結晶の結晶面の中でも最
も硬度が高いので、その研磨が困難である。

しかし、（１１１）面の面方位に対して幾らかの角度で
傾けて研磨する場合には、研磨が容易になる。

（１１１）面の面方位に対する角度が８°を越えなけれ
ば、結晶性及び表面平坦性に殆ど影響かないことを確認
した。このことは、（１００）面についても同様である
。

基板の研磨は、単結晶を成長させる面の表面粗さが、５
００人程度量下になるように行う。

本発明によれば、ダイヤモンド単結晶層は、不純物を単
結晶層中にドーピングすることによって高められるキャ
リヤー移動度のような電気的特性についても優れている
。キャリヤーを生じさせる不純物元素としては、例えば
、ホウ素、リチウム、窒素、リン、硫黄、塩素、ヒ素、
セレン等が挙げられる。

ダイヤモンドの気相合成法としては、 １、直流又は交流電界で放電を生じさせるプラズマＣＶ
Ｄ法、 ２、熱電子放射材を加熱してガスを分解する方法、３、
イオン衝撃により成長層に高いエネルギーを与える方法
、及び ４、光によりガスを分解励起する方法 などが挙げられるが、本発明はいずれの合成法において
も有効である。

［発明の効果］ 本発明によれば、良好な結晶性及び平坦な表面を有する
ダイヤモンド単結晶層を容易に製造することができる。

本発明により得られたダイヤモンド単結晶は半導体にお
いて特に有用である。

［実施例］ 以下に、実施例及び比較例を示す。

実施例１〜６及び比較例１〜５ 高周波プラズマＣＶＤ法により種々の面方位のダイヤモ
ンド単結晶基板上にダイヤモンド単結晶層を種々の厚さ
で成長させた。

原料ガスとしてメタンと水素をＩｇｌｏｏの比で石英管
内に供給し、内部を６０　Ｔｏｒｒの圧力に保った。石
英管外に設けたコイルに１３．５６ＭＨｚの高周波５０
０Ｗを印加し管内に放電を起してダイヤモンド単結晶層
を成長さ仕た。ダイヤモンド単結晶基板は、超高圧下で
人工合成されたＩｂ型ダイヤモンド単結晶を、種々の面
方位に従って、２　Ｘ　２　ｘ　Ｏ，３ｚｍの大きさに
切り出したものであり、成長面を１５０Å以下の表面粗
さに研磨した。種々の基板面方位及び成長層厚さについ
て、単結晶性及び表面粗さを評価した。結果を第１表に
示す。単結晶性は８０ＫｅＶ反射電子線回折像により観
察した。

第　　　１　　　表 実施例７〜９及び比較例６と７ 実施例１と同様のダイヤモンド成長条件で、メタン及び
水素に加えてドーピングガスＢｔＨｅを用いて、第２表
に示す基板面方位においてダイヤモンド単結晶層を成長
させた。ファンデアパラ法によりホール効果の測定を行
い、ホール移動度を評価した。結果を第２表に示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、気相中でダイヤモンド単結晶基板上にダイヤモンド
   単結晶層を成長させる方法において、ダイヤモンド単結
   晶を成長させるダイヤモンド単結晶基板の面が、（１１
   １）面又は（１００）面の面方位に対して８゜を越えな
   い角度を有する研磨された面であることを特徴とするダ
   イヤモンドの単結晶成長方法。 ２、不純物のドーピングを行いながら、ダイヤモンド単
   結晶層を成長させる特許請求の範囲第１項記載の単結晶
   成長方法。