JPH06232050A - Diamond electric element and its manufacture - Google Patents
Diamond electric element and its manufactureInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンド整流素子及
び電界効果トランジスタ等のダイヤモンド電子素子及び
その製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond electronic device such as a diamond rectifying device and a field effect transistor, and a manufacturing method thereof.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ダイヤモンドは硬度が高く、大きな熱伝
導率を有すると共に、耐熱性、耐放射線性及び耐化学薬
品性等が優れている。そして、近年、気相合成法による
ダイヤモンドの薄膜化技術が開発され、ダイヤモンドコ
ーティングされたスピーカ用振動板及び半導体デバイス
用ヒートシンク等が実用化されつつある。2. Description of the Related Art Diamond has a high hardness, a large thermal conductivity, and excellent heat resistance, radiation resistance, chemical resistance and the like. In recent years, a diamond thinning technique by a vapor phase synthesis method has been developed, and a diamond-coated diaphragm for a speaker, a heat sink for a semiconductor device, and the like are being put to practical use.
【０００３】而して、不純物を含まないダイヤモンドは
電気絶縁体であるが、Ｂをドーピングすることによりｐ
型半導体となる。この半導体ダイヤモンドのバンドギャ
ップは約5.4eVと大きく、数100℃の高温でも半導体性質
が失われない。そこで、このようなダイヤモンド半導体
を用いた半導体デバイスの開発が進められており、高温
・大電力用の整流素子として期待されているダイヤモン
ド整流素子もそのひとつである。Thus, diamond containing no impurities is an electrical insulator, but by doping with B, p
Type semiconductor. The band gap of this semiconductor diamond is as large as about 5.4 eV, and the semiconductor properties are not lost even at a high temperature of several 100 ° C. Therefore, development of a semiconductor device using such a diamond semiconductor is underway, and one of them is a diamond rectifying element, which is expected as a rectifying element for high temperature and large power.
【０００４】従来、ダイヤモンド電子素子としては、図
１に示すＭＩＳ構造の整流素子（以下、従来技術１とい
う）（k.Miyata, D.L.Dreifus and K.Kobashi, Applied
Physics Letters, Vol.60, No.4, 1992年, p.480）
と、図２に示すＭＩＳ構造の整流素子（以下、従来技術
２という）（H.Shiomi, Y.Nishbayashi and N.Fujimor
i, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.29, N
o.12, 1990年, p.L2163、及び特開平3-278474号）が提
案されている。Conventionally, as a diamond electronic element, a rectifying element of MIS structure shown in FIG. 1 (hereinafter referred to as prior art 1) (k. Miyata, DLDreifus and K. Kobashi, Applied)
Physics Letters, Vol.60, No.4, 1992, p.480)
And a MIS structure rectifying element shown in FIG. 2 (hereinafter referred to as prior art 2) (H. Shiomi, Y. Nishibayashi and N. Fujimor.
i, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.29, N
O.12, 1990, p.L2163, and JP-A-3-278474).
【０００５】図１に示す従来技術１のＭＩＳ構造の整流
素子においては、低抵抗ｐ型Ｓｉ基板４上にＢをドーピ
ングしたｐ型半導体ダイヤモンド層３を形成し、次いで
その上に高抵抗ダイヤモンド層２を形成し、その表面に
例えばＡｌからなる金属電極１をパターン形成したもの
である。また、基板４の下面にオーミック電極５が形成
されている。In the conventional MIS structure rectifying device shown in FIG. 1, a p-type semiconductor diamond layer 3 doped with B is formed on a low-resistance p-type Si substrate 4, and then a high-resistance diamond layer is formed thereon. 2 is formed, and a metal electrode 1 made of, for example, Al is pattern-formed on the surface thereof. Moreover, an ohmic electrode 5 is formed on the lower surface of the substrate 4.
【０００６】また、図２に示す従来技術２のＭＩＳ構造
の整流素子においては、単結晶ダイヤモンド基板６の上
に、ｐ型半導体ダイヤモンド層３を形成し、このｐ型半
導体ダイヤモンド層３上に高抵抗ダイヤモンド層２を形
成し、高抵抗ダイヤモンド層２上にＡｌ電極１及びオー
ミック電極５をパターン形成したものである。In the MIS structure rectifying device of the prior art 2 shown in FIG. 2, the p-type semiconductor diamond layer 3 is formed on the single crystal diamond substrate 6, and the p-type semiconductor diamond layer 3 is formed on the p-type semiconductor diamond layer 3. The resistive diamond layer 2 is formed, and the Al electrode 1 and the ohmic electrode 5 are patterned on the high resistive diamond layer 2.
【０００７】これらのいずれの従来技術１，２において
も、ダイヤモンド層２及び３の形成にはマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法が使用されている。ｐ型半導体ダイヤモン
ド層３の形成には、反応ガスとしてＣＨ4とＨ2との混合
ガスにＢのドーピングガスとしてＢ2Ｈ6ガスを添加した
ものを用いている。この場合に、ＣＨ4濃度は、従来技
術１では0.5％であり、従来技術２では6.0％である。ま
た、オーミック電極５としては、従来技術１において
は、Ａｇペーストを用いてＳｉ基板４を銅板に接着する
ことにより、また従来技術２においては、高抵抗ダイヤ
モンド層２上に幅0.25mm、長さ2.0mmのＴｉ電極を形成
することにより得ている。In any of these prior arts 1 and 2, the microwave plasma CVD method is used for forming the diamond layers 2 and 3. In forming the p-type semiconductor diamond layer 3, a mixed gas of CH 4 and H 2 added with B 2 H 6 gas as a B doping gas is used as a reaction gas. In this case, the CH 4 concentration is 0.5% in the related art 1 and 6.0% in the related art 2. Further, as the ohmic electrode 5, in the prior art 1, the Si substrate 4 is adhered to the copper plate using Ag paste, and in the prior art 2, the width is 0.25 mm and the length is set on the high resistance diamond layer 2. It is obtained by forming a 2.0 mm Ti electrode.
【０００８】これら従来技術では、金属電極１と半導体
ダイヤモンド層３との間に高抵抗ダイヤモンド層２を挿
入することにより、金属電極１に正電圧を印加した逆バ
イアス状態で流れる電流（逆方向電流）を低減し、高抵
抗ダイヤモンド層２がない場合よりも整流特性を向上さ
せている。In these conventional techniques, by inserting the high resistance diamond layer 2 between the metal electrode 1 and the semiconductor diamond layer 3, a current flowing in a reverse bias state in which a positive voltage is applied to the metal electrode 1 (reverse current ) Is reduced, and the rectifying characteristics are improved as compared with the case where the high resistance diamond layer 2 is not provided.
【０００９】而して、従来技術１では、高抵抗ダイヤモ
ンド層２の形成に、ＣＨ4とＨ2との混合ガスにＯ2を添
加したもの（ＣＨ4濃度：0.5％、Ｏ2濃度：0.1％、
［Ｏ］／［Ｃ］＝0.4）を原料ガスとして使用してい
る。このＯ2ガスを添加するのは、これにより結晶性が
良質のダイヤモンドが得られるからである（W.A.Weime
r, F.M.Cerio and C.E.Johnson, Journal of Material
Research, Vol.6, No.10, 1991年、p.2134）。従来技術
２では高抵抗ダイヤモンド層２の形成に、ＣＨ4及びＨ2
だけからなる混合ガスを使用しており、Ｏ2ガスは添加
されていない。In the prior art 1, therefore, a high resistance diamond layer 2 is formed by adding O 2 to a mixed gas of CH 4 and H 2 (CH 4 concentration: 0.5%, O 2 concentration: 0.1). %,
[O] / [C] = 0.4) is used as the source gas. This O 2 gas is added because it gives a diamond with good crystallinity (WAWeime).
r, FMCerio and CEJohnson, Journal of Material
Research, Vol.6, No.10, 1991, p.2134). In the conventional technique 2, CH 4 and H 2 are used to form the high resistance diamond layer 2.
A mixed gas consisting of only 1 is used, and O 2 gas is not added.
【００１０】図３は従来技術２のＭＩＳ構造をゲート部
とする電界効果トランジスタ（以下、ダイヤモンドＭＩ
ＳＦＥＴという）である。このダイヤモンドＭＩＳＦＥ
Ｔは、高圧合成によるＩｂ型の単結晶ダイヤモンド６の
(100)面上にＢドープの半導体ダイヤモンド層３を形成
し、次いでＴｉからなるソース電極５ａと、ドレイン電
極５ｂをパターン形成し、その後電極５ａ，５ｂ間に高
抵抗ダイヤモンド層２を形成し、最後にＡｌからなるゲ
ート電極１を高抵抗ダイヤモンド層２上に形成すること
により製造される。このダイヤモンドＭＩＳＦＥＴはト
ランジスタ動作を示すことが報告されている（Y.Nishib
ayashi, H.Shiomi and N.Fujimori, Applications of D
iamond Films and Related Materials, edited by Y.Tz
eng, M.Yasikawa, M.Murakawa and A.Feldman, Elsevie
r Science Publishers B.V, 1991年, p,295）。FIG. 3 shows a field effect transistor (hereinafter, diamond MI) having a MIS structure of the prior art 2 as a gate portion.
SFET). This diamond MISFE
T is the value of Ib type single crystal diamond 6 produced by high pressure synthesis.
A B-doped semiconductor diamond layer 3 is formed on the (100) plane, then a source electrode 5a made of Ti and a drain electrode 5b are patterned, and then a high resistance diamond layer 2 is formed between the electrodes 5a and 5b. Finally, it is manufactured by forming the gate electrode 1 made of Al on the high resistance diamond layer 2. It is reported that this diamond MISFET exhibits transistor operation (Y. Nishib
ayashi, H.Shiomi and N.Fujimori, Applications of D
iamond Films and Related Materials, edited by Y.Tz
eng, M. Yasikawa, M. Murakawa and A. Feldman, Elsevie
r Science Publishers BV, 1991, p.295).
【００１１】しかしながら、いずれの従来技術において
も、ＭＩＳ構造をもつダイヤモンド電子素子の高抵抗ダ
イヤモンド層を気相合成により成膜する際の原料ガス中
の適切なガス濃度比（［Ｏ］／［Ｃ］）については十分
に検討されていない。However, in any of the conventional techniques, an appropriate gas concentration ratio ([O] / [C] in the raw material gas when the high resistance diamond layer of the diamond electronic device having the MIS structure is formed by vapor phase synthesis. ])) Has not been fully examined.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】従来技術１では、高抵
抗ダイヤモンド層を気相成長させる際にＯ2を添加する
ことにより結晶性の向上を図っている。しかしながら、
Ｏ2の添加量が適切でないために逆方向電流が十分に低
減されておらず、その結果整流比は4〜5桁にとどまって
いる。また、高抵抗ダイヤモンド層２の厚さが0.25μｍ
の場合に約10Ｖの逆バイアス電圧を印加すると、絶縁破
壊により大きな電流が流れてしまう。これを絶縁破壊電
界に換算すると、約4×105Ｖ／cmであり、従来技術２の
それの１／２５程度しかない。In the prior art 1, the crystallinity is improved by adding O 2 when the high resistance diamond layer is vapor-grown. However,
The reverse current is not sufficiently reduced because the amount of O 2 added is not appropriate, and as a result, the rectification ratio is limited to 4 to 5 digits. In addition, the high resistance diamond layer 2 has a thickness of 0.25 μm.
In this case, if a reverse bias voltage of about 10 V is applied, a large current will flow due to dielectric breakdown. When converted into a dielectric breakdown electric field, it is about 4 × 10 5 V / cm, which is about 1/25 of that of the prior art 2.
【００１３】従来技術２では、原料ガスにＯ2を添加し
ていないが、単結晶ダイヤモンドを基板に用いるため
に、半導体ダイヤモンド層３及び高抵抗ダイヤモンド層
２の結晶性が従来技術１の場合よりも良好だと考えら
れ、高抵抗ダイヤモンド層２の厚さが約0.5μｍの場合
に500Ｖ程度の絶縁破壊電圧を達成している。この場
合、絶縁破壊電界は約１×107Ｖ／cmとなる。In the prior art 2, O 2 is not added to the source gas, but since the single crystal diamond is used as the substrate, the crystallinity of the semiconductor diamond layer 3 and the high resistance diamond layer 2 is higher than that of the prior art 1. Is considered to be good, and a dielectric breakdown voltage of about 500 V is achieved when the thickness of the high resistance diamond layer 2 is about 0.5 μm. In this case, the breakdown electric field is about 1 × 10 7 V / cm.
【００１４】しかしながら、ゲート部にＭＩＳ構造を用
いて製作された図３のダイヤモンドＭＩＳＦＥＴでは、
図４に示すようにゲート電極に印加するゲート電圧Ｖg
（正電圧）を増加してもドレイン電流があまり低減され
ず、大きな変調動作は得られていない。これは高抵抗ダ
イヤモンド層２の結晶性が十分に良好でないために、ゲ
ート電極１に正電圧を印加したときに高抵抗ダイヤモン
ド層２を通して電流がゲートからドレインに流れてしま
うことが一つの大きな原因になっていると考えられる。However, in the diamond MISFET of FIG. 3 manufactured by using the MIS structure in the gate portion,
As shown in FIG. 4, the gate voltage V g applied to the gate electrode
Even if the (positive voltage) is increased, the drain current is not reduced so much that a large modulation operation is not obtained. This is due to the fact that the crystallinity of the high resistance diamond layer 2 is not sufficiently good, so that a current flows from the gate to the drain through the high resistance diamond layer 2 when a positive voltage is applied to the gate electrode 1. It is thought that it has become.
【００１５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、逆方向電流が小さく絶縁電圧が大きな良好
な整流性を持ち、ＭＩＳ構造のダイヤモンド整流素子と
して好適であると共に、ダイヤモンド電界効果トランジ
スタとして優れた特性を有するダイヤモンド電子素子及
びその製造方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and has a good rectifying property with a small reverse current and a large insulating voltage, and is suitable as a diamond rectifying device having a MIS structure, and also has a diamond electric field effect. An object of the present invention is to provide a diamond electronic device having excellent characteristics as a transistor and a method for manufacturing the same.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド電子素子は、基板と、半導体ダイヤモンド層と、この
半導体ダイヤモンド層の上に原料ガス中の酸素原子濃度
［Ｏ］と炭素原子濃度［Ｃ］との比を0.8≦［Ｏ］／
［Ｃ］≦50として気相合成により形成された高抵抗ダイ
ヤモンド層と、この高抵抗ダイヤモンド層の上の電極
と、を有することを特徴とする。A diamond electronic device according to the present invention comprises a substrate, a semiconductor diamond layer, and an oxygen atom concentration [O] and a carbon atom concentration [C] in a source gas on the semiconductor diamond layer. And the ratio is 0.8 ≦ [O] /
[C] ≦ 50, which is characterized by having a high resistance diamond layer formed by vapor phase synthesis and an electrode on the high resistance diamond layer.
【００１７】本発明に係るダイヤモンド電界効果トラン
ジスタの製造方法は、基板上に半導体ダイヤモンド層を
形成し、この半導体ダイヤモンド層上に原料ガス中の酸
素原子濃度［Ｏ］と炭素原子濃度［Ｃ］との比を0.8≦
［Ｏ］／［Ｃ］≦50として気相合成により高抵抗ダイヤ
モンド層を形成し、この高抵抗ダイヤモンド層上に電極
を形成したことを特徴とする。In the method for manufacturing a diamond field effect transistor according to the present invention, a semiconductor diamond layer is formed on a substrate, and an oxygen atom concentration [O] and a carbon atom concentration [C] in a source gas are formed on the semiconductor diamond layer. The ratio of 0.8 ≦
A feature is that a high resistance diamond layer is formed by vapor phase synthesis with [O] / [C] ≦ 50, and an electrode is formed on the high resistance diamond layer.
【００１８】[0018]
【作用】本発明のＭＩＳ構造によるダイヤモンド電子素
子は、原料ガス中の酸素原子濃度［Ｏ］と炭素原子濃度
［Ｃ］との比を0.8≦［Ｏ］／［Ｃ］≦50として気相合
成により形成した高品質の高抵抗ダイヤモンド層を備え
ているので、逆方向電流が大幅に減少し、また絶縁破壊
電圧も向上する。この作用を以下に説明する。なお、本
発明のダイヤモンド電子素子は、その構造自体は図１乃
至３に示すように、従来のダイヤモンド電子素子と同様
のものである。本発明は高抵抗ダイヤモンド層の特性が
従来と異なり、その高抵抗ダイヤモンド層の形成方法が
従来方法と異なる。In the diamond electronic device having the MIS structure of the present invention, the vapor phase synthesis is performed by setting the ratio of the oxygen atom concentration [O] and the carbon atom concentration [C] in the raw material gas to 0.8≤ [O] / [C] ≤50. Since it has a high-quality high-resistance diamond layer formed by, the reverse current is greatly reduced and the breakdown voltage is also improved. This action will be described below. The structure of the diamond electronic element of the present invention is the same as that of the conventional diamond electronic element as shown in FIGS. In the present invention, the characteristic of the high resistance diamond layer is different from the conventional one, and the method of forming the high resistance diamond layer is different from the conventional method.
【００１９】不純物を含まない高抵抗のダイヤモンド薄
膜を気相合成により形成する際には、一般にＣ、Ｈ、Ｏ
からなる混合ガスが原料ガスとして用いられる。例え
ば、ＣＨ4／Ｈ2／Ｏ2、ＣＨ4／ＣＯ2／Ｈ2、ＣＨ3ＯＨ
／Ｈ2、ＣＯ／Ｈ2等の混合ガスが使用され、これらをマ
イクロ波、熱又は高周波等で分解することにより、ダイ
ヤモンドを所定の基板上に析出させる。この際に、ダイ
ヤモンドと同時にグラファイト及び非晶質炭素等の非ダ
イヤモンド成分も析出するが、水素はこれらを選択的に
除去する働きがある。酸素は水素と同様に非ダイヤモン
ド成分の除去に寄与すると共に、析出途中のダイヤモン
ドとも相互作用してダイヤモンド結晶中の欠陥を減少さ
せて結晶性を向上させる作用がある。When forming a high-resistance diamond thin film containing no impurities by vapor phase synthesis, C, H, and O are generally used.
A mixed gas consisting of is used as a raw material gas. For example, CH 4 / H 2 / O 2 , CH 4 / CO 2 / H 2 , CH 3 OH
/ H 2, CO / mixed gas H 2 and the like are used, these microwaves, by decomposing with heat or high frequency, etc., to deposit a diamond on a predetermined substrate. At this time, although non-diamond components such as graphite and amorphous carbon are simultaneously deposited with diamond, hydrogen has a function of selectively removing them. Like hydrogen, oxygen contributes to the removal of non-diamond components, and also interacts with diamond in the course of precipitation to reduce defects in diamond crystals and improve crystallinity.
【００２０】而して、非ダイヤモンド成分はダイヤモン
ドに比して電気抵抗が低い。この非ダイヤモンド成分が
十分に除去されずに高抵抗ダイヤモンド層中に存在する
と、これが電流のパスとして作用し、ＭＩＳ構造におけ
る逆方向電流が大きくなってしまう。Therefore, the non-diamond component has a lower electric resistance than diamond. If this non-diamond component is not sufficiently removed and exists in the high resistance diamond layer, it acts as a current path, and the reverse current in the MIS structure becomes large.
【００２１】また、非ダイヤモンド成分が十分に除去さ
れたとしても、結晶中に欠陥が残留していると、逆方向
電流が大きくなる原因の一つとなる。図５は半導体ダイ
ヤモンド層がｐ型の場合におけるＭＩＳ構造において、
逆バイアスを印加したときのエネルギーバンド図を示
す。図５（ａ）は高抵抗ダイヤモンド層中に欠陥がない
場合、図５（ｂ）は欠陥がある場合を示す。なお、図
中、フェルミレベルをＥfで 、伝導帯下端をＥcで、価
電子帯上端をＥvで示す。Further, even if the non-diamond component is sufficiently removed, if the defect remains in the crystal, it becomes one of the causes for increasing the reverse current. FIG. 5 shows a MIS structure in which the semiconductor diamond layer is p-type,
The energy band diagram when applying a reverse bias is shown. FIG. 5A shows the case where there is no defect in the high resistance diamond layer, and FIG. 5B shows the case where there is a defect. In the figure, the Fermi level is shown by E f , the conduction band bottom is shown by E c , and the valence band top is shown by E v .
【００２２】高抵抗ダイヤモンド層中に欠陥がない場合
には、金属電極との界面に形成されるポテンシャル障壁
のため、金属電極から高抵抗ダイヤモンド層に向かう電
流は極めて流れにくくなる。しかし、欠陥がある場合に
は、バンドギャップ中に形成された準位により電流が流
れてしまう。When there is no defect in the high resistance diamond layer, the current flowing from the metal electrode to the high resistance diamond layer becomes extremely difficult to flow due to the potential barrier formed at the interface with the metal electrode. However, if there is a defect, a current will flow due to the level formed in the band gap.
【００２３】本発明のように、原料ガス中に［Ｏ］／
［Ｃ］≧0.8となるように酸素ガスを添加して高抵抗ダ
イヤモンド層を形成することにより、ダイヤモンド結晶
中の非ダイヤモンド成分と欠陥を大幅に減少させ、優れ
たダイヤモンド整流素子を製造することができる。この
［Ｏ］／［Ｃ］は大きい方が望ましいが、添加する酸素
量の増大に伴ってダイヤモンドの成長速度が低下してい
き、遂にはダイヤモンドが析出しなくなる。このため、
［Ｏ］／［Ｃ］≦50とする必要がある。As in the present invention, [O] /
By forming a high resistance diamond layer by adding oxygen gas so that [C] ≧ 0.8, non-diamond components and defects in the diamond crystal can be significantly reduced, and an excellent diamond rectifying device can be manufactured. it can. It is desirable that this [O] / [C] be large, but the growth rate of diamond decreases as the amount of oxygen added increases, and finally diamond does not precipitate. For this reason,
It is necessary to satisfy [O] / [C] ≦ 50.
【００２４】[0024]
【実施例】以下、本発明の実施例についてその比較例と
比較して説明する。実施例１ 下記工程（１）乃至（７）により、図１に示すＭＩＳ構
造ダイヤモンド整流素子を製造した。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below in comparison with comparative examples. Example 1 The MIS structure diamond rectifying device shown in FIG. 1 was manufactured by the following steps (1) to (7).
【００２５】（１）基板には低抵抗のｐ型Ｓｉ基板４
（抵抗＜0.01Ω・cm、寸法20×10mm）を用い、その表面
をダイヤモンドペーストで約１時間研磨した。(1) The substrate is a low-resistance p-type Si substrate 4
(Resistance <0.01 Ω · cm, size 20 × 10 mm) was used, and the surface was polished with diamond paste for about 1 hour.
【００２６】（２）基板４上に、Ｂドープした厚さ3μ
ｍのｐ型半導体ダイヤモンド層３をマイクロ波ＣＶＤ法
により合成した。反応ガスにはＣＨ4とＨ2の混合ガスを
用い、ＣＨ4濃度は0.5％とした。ドーピングガスにはＨ
2希釈したＢ2Ｈ6ガスを用い、その濃度は2.0ppmとし
た。基板温度、ガス圧力、合成時間は夫々800℃、35Tor
r、14時間である。(2) On the substrate 4, B-doped with a thickness of 3 μm
The m-type p-type semiconductor diamond layer 3 was synthesized by the microwave CVD method. A mixed gas of CH 4 and H 2 was used as the reaction gas, and the CH 4 concentration was 0.5%. H for the doping gas
Using 2 diluted B 2 H 6 gas, its concentration was 2.0 ppm. Substrate temperature, gas pressure and synthesis time are 800 ℃ and 35Tor, respectively.
r, 14 hours.
【００２７】（３）半導体ダイヤモンド層３上に、厚さ
0.5μｍの高抵抗ダイヤモンド層２をマイクロ波ＣＶＤ
法を用いて合成した。反応ガスにはＣＨ4とＨ2の混合ガ
ス（ＣＨ4濃度：0.5％）にＯ2を0.2％添加したもの
（［Ｏ］／［Ｃ］＝0.8）を使用した。基板温度、ガス
圧力及び合成時間は夫々800℃、35Torr、3時間である。(3) Thickness on the semiconductor diamond layer 3
0.5μm high resistance diamond layer 2 microwave CVD
It was synthesized using the method. As the reaction gas, a mixed gas of CH 4 and H 2 (CH 4 concentration: 0.5%) to which 0.2% of O 2 was added ([O] / [C] = 0.8) was used. The substrate temperature, gas pressure, and synthesis time are 800 ° C, 35 Torr, and 3 hours, respectively.
【００２８】（４）ダイヤモンドの電気的特性を安定化
させるために、真空雰囲気で、850℃に30分間熱処理し
た。この条件は従来技術１により開示されたものであ
る。(4) In order to stabilize the electrical characteristics of diamond, it was heat-treated at 850 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere. This condition is disclosed by the prior art 1.
【００２９】（５）熱処理によってダイヤモンド表面に
生じたグラファイトを除去するために、クロム酸と濃硫
酸の混液で加熱洗浄し、次いで表面の不純物を除去する
ために王水洗浄及び下記工程の洗浄処理を行った。即
ち、ＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１：１：５の混合溶液
により約８０℃で１０分間加熱洗浄する。その後、純粋
ですすいだ後、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１：１：５の
混合溶液により約８０℃で１０分間加熱する。そして、
最後に純粋ですすぐ。(5) In order to remove the graphite generated on the diamond surface by the heat treatment, it is heated and washed with a mixed liquid of chromic acid and concentrated sulfuric acid, and then, aqua regia cleaning and a cleaning treatment of the following steps to remove impurities on the surface. I went. That is, heat washing with a mixed solution of NH 4 OH: H 2 O 2 : H 2 O = 1: 1: 5 at about 80 ° C. for 10 minutes. Then, after rinsing with pure water, it is heated with a mixed solution of HCl: H 2 O 2 : H 2 O = 1: 1: 5 at about 80 ° C. for 10 minutes. And
Finally pure and rinse.
【００３０】（６）フォトリソグラフィ技術と電子ビー
ム蒸着法により、高抵抗ダイヤモンド層２上に厚さ0.3
μｍ、直径100μｍのＡｌ電極１を形成した。(6) A 0.3-thick layer is formed on the high resistance diamond layer 2 by photolithography and electron beam evaporation.
An Al electrode 1 having a diameter of 100 μm and a diameter of 100 μm was formed.
【００３１】（７）Ｓｉ基板４の裏面側に、銅板をＡｇ
ペーストで接着してオーミック電極５を設けた。(7) On the back side of the Si substrate 4, a copper plate is Ag
The paste was adhered to provide the ohmic electrode 5.
【００３２】このようにして製造したダイヤモンド整流
素子の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）をプローバにより
常温（24℃）にて測定した。図６は横軸に電圧（Ｖ）を
とり、縦軸に電流（Ｉ）をとって、得られたＩ−Ｖ特性
を示す。図７は同じく横軸に電圧をとり、縦軸に電流
（対数）をとって、logＩ−Ｖ特性を示す。図６、７に
おいて、実線が実施例１の特性である。The current-voltage characteristics (IV characteristics) of the diamond rectifying device thus manufactured were measured by a prober at room temperature (24 ° C.). In FIG. 6, the horizontal axis represents voltage (V) and the vertical axis represents current (I), and the obtained IV characteristics are shown. In FIG. 7, the horizontal axis represents voltage and the vertical axis represents current (logarithm), showing the log IV characteristic. 6 and 7, the solid line represents the characteristic of the first embodiment.
【００３３】また、比較例１として、上記実施例の工程
（３）において、Ｏ2ガスの添加量を0.175％として
（［Ｏ］／［Ｃ］＝0.7）製造した整流素子のＩ−Ｖ特
性とlogＩ−Ｖ特性も破線により併せて示す。図６，７
から分かるように、原料ガス中に酸素ガスを本発明の範
囲内で添加することにより、逆方向電流が減少し、整流
比が向上している。また、本発明により、絶縁破壊電圧
も約30Ｖから約50Ｖへと増大した。As Comparative Example 1, in the step (3) of the above-mentioned embodiment, the I-V characteristic of the rectifying device manufactured by setting the addition amount of O 2 gas to 0.175% ([O] / [C] = 0.7). And the log IV characteristic are also shown by a broken line. Figures 6 and 7
As can be seen from the above, by adding oxygen gas to the raw material gas within the range of the present invention, the reverse current is reduced and the rectification ratio is improved. The invention also increased the breakdown voltage from about 30V to about 50V.
【００３４】更に、種々の［Ｏ］／［Ｃ］で高抵抗ダイ
ヤモンド層２を形成して図１に示すダイヤモンド整流素
子を製造し、その逆バイアス10Ｖでの逆方向電流、±10
Ｖでの整流比、及び絶縁破壊電圧を測定した結果を、
［Ｏ］／［Ｃ］比と対応させて夫々図８，９，１０に示
す。高抵抗ダイヤモンド層２の膜厚は全て0.5μｍとし
た。これらの図８乃至１０に示すように、［Ｏ］／
［Ｃ］≧0.8とすることにより逆方向電流が減少し、整
流比と絶縁破壊電圧がいずれも増大して特性が向上する
ことが分かる。実施例２ 下記工程（１）乃至（６）により、図２に示すＭＩＳ構
造ダイヤモンド整流素子を製造した。Further, a high resistance diamond layer 2 was formed with various [O] / [C] to manufacture the diamond rectifying device shown in FIG. 1, and the reverse current at a reverse bias of 10 V, ± 10.
The results of measuring the rectification ratio at V and the breakdown voltage are
Corresponding to the [O] / [C] ratios are shown in FIGS. The film thickness of the high resistance diamond layer 2 was all 0.5 μm. As shown in FIGS. 8 to 10, [O] /
It can be seen that when [C] ≧ 0.8, the reverse current decreases, the rectification ratio and the breakdown voltage both increase, and the characteristics improve. Example 2 The MIS structure diamond rectifying device shown in FIG. 2 was manufactured by the following steps (1) to (6).
【００３５】（１）高圧合成により得たＩｂ型の単結晶
ダイヤモンド基板６の（100）面上に、Ｂをドープした
厚さ3μｍのｐ型半導体ダイヤモンド層３をマイクロ波
ＣＶＤ法により合成した。反応ガスにはＣＨ4とＨ2の混
合ガスを用い、ＣＨ4ガス濃度は6.0％とした。ドーピン
グガスにはＨ2希釈したＢ2Ｈ6ガスを使用し、Ｂ2Ｈ6ガ
スの濃度は2.0ppmとした。基板温度、ガス圧力及び合成
時間は夫々800℃、35Torr及び14時間である。(1) On the (100) plane of the Ib type single crystal diamond substrate 6 obtained by high pressure synthesis, a B-doped p-type semiconductor diamond layer 3 having a thickness of 3 μm was synthesized by a microwave CVD method. A mixed gas of CH 4 and H 2 was used as a reaction gas, and the CH 4 gas concentration was 6.0%. B 2 H 6 gas diluted with H 2 was used as a doping gas, and the concentration of B 2 H 6 gas was 2.0 ppm. The substrate temperature, gas pressure and synthesis time are 800 ° C., 35 Torr and 14 hours, respectively.
【００３６】（２）半導体ダイヤモンド層３上に、厚さ
0.5μｍの高抵抗ダイヤモンド層２をマイクロ波ＣＶＤ
法により合成した。反応ガスにはＣＨ4とＨ2の混合ガス
（ＣＨ4濃度：6.0％）にＯ2ガスを2.4％添加したもの
（［Ｏ］／［Ｃ］＝0.8）を使用した。基板温度、ガス
圧力及び合成時間は夫々800℃、35Torr及び3時間であ
る。(2) Thickness on the semiconductor diamond layer 3
0.5μm high resistance diamond layer 2 microwave CVD
It was synthesized by the method. The reaction gas used was a mixed gas of CH 4 and H 2 (CH 4 concentration: 6.0%) to which 2.4% of O 2 gas was added ([O] / [C] = 0.8). The substrate temperature, gas pressure and synthesis time are 800 ° C., 35 Torr and 3 hours, respectively.
【００３７】（４）ダイヤモンドの電気的特性を安定さ
せるために真空雰囲気で、850℃に30分間加熱して熱処
理した。(4) In order to stabilize the electrical characteristics of diamond, it was heat-treated by heating it at 850 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere.
【００３８】（５）熱処理によってダイヤモンド表面に
生じたグラファイトを除去するために、クロム酸と濃硫
酸の混液で加熱洗浄し、ついで表面の不純物を除去する
ために王水洗浄及びＲＣＡ洗浄を行った。(5) In order to remove the graphite generated on the diamond surface by the heat treatment, heat cleaning was performed with a mixed solution of chromic acid and concentrated sulfuric acid, and then aqua regia cleaning and RCA cleaning were performed to remove surface impurities. .
【００３９】（６）フォトリソグラフィ技術と電子ビー
ム蒸着法により、高抵抗ダイヤモンド層２上に厚さが0.
3μｍで直径が100μｍのＡｌ電極１と、厚さが0.3μｍ
で直径が5mのオーミック電極５（Ａｕ／Ｔｉ）を形成し
た。(6) By the photolithography technique and the electron beam evaporation method, the high resistance diamond layer 2 has a thickness of 0.
Al electrode 1 with a diameter of 3 μm and a diameter of 100 μm and a thickness of 0.3 μm
Then, an ohmic electrode 5 (Au / Ti) having a diameter of 5 m was formed.
【００４０】このようにして製造したダイヤモンド整流
素子のＩ／Ｖ特性をプローバを用いて常温にて測定し
た。図１１の実線はそのＩ−Ｖ特性を示し、図１２の実
線はlogＩ−Ｖ特性を示す。また、比較例２として上記
実施例の工程（３）においてＯ2ガスの添加量を2.1％と
して（［Ｏ］／［Ｃ］=0.7）製造した整流素子のＩ−Ｖ
特性とlogＩ−Ｖ特性も併せて破線により示す。図から
分かるように、原料ガスに酸素を本発明の範囲内で添加
することにより、逆方向電流が減少し、整流比が向上し
た。また、絶縁破壊電圧も約700Ｖから1200Ｖへと増大
した。The I / V characteristics of the diamond rectifying device thus manufactured were measured at room temperature using a prober. The solid line in FIG. 11 shows the IV characteristic, and the solid line in FIG. 12 shows the log IV characteristic. In addition, as Comparative Example 2, the IV of the rectifying device manufactured by setting the addition amount of O 2 gas to 2.1% in the step (3) of the above example ([O] / [C] = 0.7)
The characteristic and the log IV characteristic are also shown by a broken line. As can be seen from the figure, by adding oxygen to the source gas within the range of the present invention, the reverse current was reduced and the rectification ratio was improved. Also, the dielectric breakdown voltage increased from about 700V to 1200V.
【００４１】なお、［Ｏ］／［Ｃ］＝2.0、5.0、10.0と
して作成した整流素子も［Ｏ］／［Ｃ］＝0.8の場合と
ほぼ同様の特性を示した。実施例３ 図３のダイヤモンドＭＩＳＦＥＴを、高抵抗ダイヤモン
ド層２の形成の際に、［Ｏ］／［Ｃ］＝0.8）となるよ
うに酸素ガスを添加して製作した。得られたＭＩＳＦＥ
Ｔに対し、ゲート電極に印加する正電圧を変化させたと
きのドレイン電圧・電流特性を図１３に示す。比較例と
して、［Ｏ］／［Ｃ］＝0.7として製作したダイヤモン
ドＭＩＳＦＥＴ（比較例３）のドレイン電圧・電流特性
を図１４に示す。The rectifying elements prepared with [O] / [C] = 2.0, 5.0, and 10.0 also showed almost the same characteristics as when [O] / [C] = 0.8. Example 3 The diamond MISFET of FIG. 3 was manufactured by adding oxygen gas so that [O] / [C] = 0.8) when forming the high resistance diamond layer 2. The obtained MISFE
FIG. 13 shows drain voltage-current characteristics when the positive voltage applied to the gate electrode is changed with respect to T. As a comparative example, FIG. 14 shows the drain voltage / current characteristics of a diamond MISFET (Comparative Example 3) manufactured with [O] / [C] = 0.7.
【００４２】比較例３では高抵抗ダイヤモンド層２の結
晶性が十分に改善されていないため、ゲート電極１に正
電圧を印加したときに高抵抗ダイヤモンド層２を通して
ドレインに電流が流れてしまう。その結果、図１４から
分かるように、トランジスタの変調動作は小さいものと
なっている。これに対して、実施例３では高抵抗ダイヤ
モンド層２の結晶性が向上し、図１３に示すように、ゲ
ートから流れる電流が大幅に低減され、良好なトランジ
スタ動作が得られた。In Comparative Example 3, the crystallinity of the high resistance diamond layer 2 is not sufficiently improved, so that when a positive voltage is applied to the gate electrode 1, a current flows through the high resistance diamond layer 2 to the drain. As a result, as can be seen from FIG. 14, the modulation operation of the transistor is small. On the other hand, in Example 3, the crystallinity of the high resistance diamond layer 2 was improved, and the current flowing from the gate was significantly reduced, as shown in FIG. 13, and good transistor operation was obtained.
【００４３】なお、上記各実施例１，２，３において
は、ＭＩＳ構造を持つダイヤモンド電子素子としてダイ
ヤモンド整流素子とダイヤモンドＭＩＳＦＥＴのみをと
りあげたが、本発明に係るダイヤモンド電子素子は、高
抵抗ダイヤモンド層を含むＭＩＳ構造を構造の一部とす
る他のダイヤモンド電子素子にも適用が可能である。In each of the first, second and third embodiments, only the diamond rectifying element and the diamond MISFET are taken as the diamond electronic element having the MIS structure, but the diamond electronic element according to the present invention has a high resistance diamond layer. The present invention can be applied to other diamond electronic devices having a MIS structure including the above as a part of the structure.
【００４４】また、上記実施例では半導体ダイヤモンド
層がｐ型の場合について説明したが、半導体ダイヤモン
ド層がｎ型の場合にも、本発明の高抵抗ダイヤモンド層
を形成することが有効である。In the above embodiment, the case where the semiconductor diamond layer is p-type has been described. However, even when the semiconductor diamond layer is n-type, it is effective to form the high resistance diamond layer of the present invention.
【００４５】[0045]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｍ
ＩＳ構造における高抵抗ダイヤモンド層を、原料ガス中
の酸素原子濃度［Ｏ］と炭素原子濃度［Ｃ］との比を0.
8≦［Ｏ］／［Ｃ］≦50として気相合成により形成する
ので、整流性と耐電圧が極めて優れたダイヤモンド整流
素子を得ることができる。また、この高抵抗ダイヤモン
ド層を含むダイヤモンドＭＩＳＦＥＴはその特性が著し
く向上する。As described above, according to the present invention, M
For the high resistance diamond layer in the IS structure, the ratio of the oxygen atom concentration [O] and the carbon atom concentration [C] in the source gas was set to 0.
Since 8 ≦ [O] / [C] ≦ 50 is formed by vapor phase synthesis, it is possible to obtain a diamond rectifying element having extremely excellent rectifying property and withstand voltage. Further, the characteristics of the diamond MISFET including the high resistance diamond layer are remarkably improved.
【図１】ＭＩＳ構造ダイヤモンド整流素子の断面図であ
る。FIG. 1 is a cross-sectional view of a MIS structure diamond rectifier.
【図２】ＭＩＳ構造ダイヤモンド整流素子の断面図であ
る。FIG. 2 is a sectional view of a MIS structure diamond rectifier.
【図３】ＭＩＳ構造を用いたダイヤモンドＭＩＳＦＥＴ
の断面図である。FIG. 3 is a diamond MISFET using a MIS structure.
FIG.
【図４】図３に示す構造を有する従来のダイヤモンドＭ
ＩＳＦＥＴの特性を示す。FIG. 4 is a conventional diamond M having the structure shown in FIG.
The characteristic of ISFET is shown.
【図５】ＭＩＳ構造の逆バイアス印加時のエネルギバン
ド図を示し、（ａ）は高抵抗ダイヤモンド層中に欠陥が
ない場合、（ｂ）は高抵抗ダイヤモンド層中に欠陥があ
る場合のものである。5A and 5B are energy band diagrams of a MIS structure when a reverse bias is applied. FIG. 5A shows a case where there is no defect in the high resistance diamond layer, and FIG. 5B shows a case where there is a defect in the high resistance diamond layer. is there.
【図６】実施例１及び比較例１のＩ−Ｖ特性を示すグラ
フ図である。6 is a graph showing IV characteristics of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
【図７】実施例１及び比較例１のlogＩ−Ｖ特性を示す
グラフ図である。FIG. 7 is a graph showing the log IV characteristics of Example 1 and Comparative Example 1.
【図８】種々の［Ｏ］／［Ｃ］比で高抵抗ダイヤモンド
層２を形成したダイヤモンド整流素子（図１）の逆方向
電流特性を示すグラフ図である。FIG. 8 is a graph showing reverse current characteristics of a diamond rectifying device (FIG. 1) having a high resistance diamond layer 2 formed with various [O] / [C] ratios.
【図９】種々の［Ｏ］／［Ｃ］比で高抵抗ダイヤモンド
層２を形成したダイヤモンド整流素子（図１）の整流比
を示すグラフ図である。FIG. 9 is a graph showing rectification ratios of a diamond rectifying device (FIG. 1) having a high resistance diamond layer 2 formed with various [O] / [C] ratios.
【図１０】種々の［Ｏ］／［Ｃ］比で高抵抗ダイヤモン
ド層２を形成したダイヤモンド整流素子（図１）の絶縁
破壊電圧を示すグラフ図である。10 is a graph showing the dielectric breakdown voltage of a diamond rectifying device (FIG. 1) having a high resistance diamond layer 2 formed with various [O] / [C] ratios.
【図１１】実施例２及び比較例２のＩ−Ｖ特性を示すグ
ラフ図である。11 is a graph showing the IV characteristics of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
【図１２】実施例２及び比較例２のlogＩ−Ｖ特性を示
すグラフ図である。FIG. 12 is a graph showing the log IV characteristics of Example 2 and Comparative Example 2.
【図１３】実施例３のドレイン電圧・電流特性を示すグ
ラフ図である。FIG. 13 is a graph showing drain voltage / current characteristics of Example 3.
【図１４】比較例３のドレイン電圧・電流特性を示すグ
ラフ図である。14 is a graph showing the drain voltage / current characteristics of Comparative Example 3. FIG.
１；Ａｌ電極 ２；高抵抗ダイヤモンド層 ３；ｐ型半導体ダイヤモンド層 ４；低抵抗ｐ型Ｓｉ基板 ５；オーミック電極 ５ａ；ソース側オーミック電極 ５ｂ；ドレイン側オーミック電極 ６；単結晶ダイヤモンド基板 1; Al electrode 2; High resistance diamond layer 3; p-type semiconductor diamond layer 4; low resistance p-type Si substrate 5; ohmic electrode 5a; source side ohmic electrode 5b; drain side ohmic electrode 6; single crystal diamond substrate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/48 Ｐ 7376−4Ｍ 29/784 29/91 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI Technical indication H01L 29/48 P 7376-4M 29/784 29/91
Claims (5)
半導体ダイヤモンド層の上に原料ガス中の酸素原子濃度
［Ｏ］と炭素原子濃度［Ｃ］との比を0.8≦［Ｏ］／
［Ｃ］≦50として気相合成により形成された高抵抗ダイ
ヤモンド層と、この高抵抗ダイヤモンド層の上の電極
と、を有することを特徴とするダイヤモンド電子素子。1. A substrate, a semiconductor diamond layer, and a ratio of an oxygen atom concentration [O] and a carbon atom concentration [C] in a source gas on the semiconductor diamond layer is 0.8 ≦ [O] /
A diamond electronic element comprising a high resistance diamond layer formed by vapor phase synthesis as [C] ≦ 50, and an electrode on the high resistance diamond layer.
し、この半導体ダイヤモンド層上に原料ガス中の酸素原
子濃度［Ｏ］と炭素原子濃度［Ｃ］との比を0.8≦
［Ｏ］／［Ｃ］≦50として気相合成により高抵抗ダイヤ
モンド層を形成し、この高抵抗ダイヤモンド層上に電極
を形成したことを特徴とするダイヤモンド電子素子の製
造方法。2. A semiconductor diamond layer is formed on a substrate, and the ratio of the oxygen atom concentration [O] and the carbon atom concentration [C] in the source gas is 0.8 ≦ on the semiconductor diamond layer.
A method of manufacturing a diamond electronic element, characterized in that a high resistance diamond layer is formed by vapor phase synthesis with [O] / [C] ≦ 50, and an electrode is formed on the high resistance diamond layer.
ド整流素子として使用することを特徴とする請求項１に
記載のダイヤモンド電子素子。3. The diamond electronic device according to claim 1, wherein the diamond electronic device is used as a diamond rectifying device.
をゲート電極とし、前記半導体ダイヤモンド層上に形成
したソース電極及びドレイン電極を備えた電界効果トラ
ンジスタであることを特徴とする請求項１に記載のダイ
ヤモンド電子素子。4. The diamond electronic element is a field effect transistor having a gate electrode as the electrode and a source electrode and a drain electrode formed on the semiconductor diamond layer. Diamond electronic device.
6Ω・cm以上であることを特徴とする請求項１に記載の
ダイヤモンド電子素子。5. The high resistance diamond layer has a specific resistance of 10
The diamond electronic element according to claim 1, which has a resistance of 6 Ω · cm or more.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1432493A JPH06232050A (en) | 1993-01-29 | 1993-01-29 | Diamond electric element and its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1432493A JPH06232050A (en) | 1993-01-29 | 1993-01-29 | Diamond electric element and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06232050A true JPH06232050A (en) | 1994-08-19 |
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ID=11857899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1432493A Pending JPH06232050A (en) | 1993-01-29 | 1993-01-29 | Diamond electric element and its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06232050A (en) |
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| JP2011176336A (en) * | 2005-06-20 | 2011-09-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Diamond semiconductor element and method for forming the same |
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