JP2003303954A - n型ダイヤモンド半導体 - Google Patents
n型ダイヤモンド半導体Info
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Abstract
キャリア濃度や抵抗率の変化が少ないn型ダイヤモンド
半導体を得る。 【解決手段】 ドープ層とノンドープ層を交互に積層
して構成したものであり、(a)単結晶ダイヤモンド基
板100と、(b)実質的に不純物が添加されていない
ダイヤモンド半導体材料から成る薄いノンドープ層11
01〜110n+ 1(nはサイクル数)と、(c)ノン
ドープ層1101〜110n+1に挟まれるように形成
され、n型ダイヤモンド半導体となるように2種類以上
の不純物が添加されたダイヤモンド半導体材料から成る
非常に薄いドープ層1201〜120nとから構成され
る。
Description
D、トランジスタ、電子放出素子などの電子デバイスに
使用するn型ダイヤモンド半導体に関し、室温から高温
に至るまでの広い温度範囲で、キャリア濃度や抵抗率の
変化が少ないn型ダイヤモンド半導体に関するものであ
る。より詳細には、通常のドーピングで得られる深い不
純物準位を持つn型ダイヤモンド半導体と比較して、室
温から高温までの広い温度範囲で、キャリア濃度や抵抗
率の変化が少ないn型ダイヤモンド半導体に関する。
などの過酷な環境下で安定に動作するデバイスとして、
あるいは高速、高出力での動作にも耐え得るデバイスと
してその応用が注目されている。ダイヤモンド半導体が
高温下でも動作可能な理由として、バンドギャップが約
5.5eVと大きいことが挙げられる。この値は、現在
広く使用されているシリコン(約1.1eV)やガリウ
ム砒素(約1.4eV)に比べて非常に大きい。このバ
ンドギャップの広さゆえに、半導体のキャリアが制御さ
れなくなる温度範囲(真性領域)が1400℃以下には
存在しない。
が、結晶中に不純物をドーピングすることにより、p型
半導体やn型半導体とすることができる。例えば、ホウ
素をドーピングすれば、p型半導体となり、窒素やリン
やイオウをドーピングすれば、n型半導体となる。
ピングしても、これら不純物の不純物準位は深く、電子
や正孔を伝導帯、価電子帯に励起するには、大きなエネ
ルギーが必要である。このため、励起されたキャリアの
濃度は温度によって大きく異なり、また、キャリアの飽
和領域は、非常に高い温度領域となる。例えば、リンを
ドーピングしたn型ダイヤモンド半導体の活性化エネル
ギーは約0.6eVであり、300K(室温)から80
0Kの温度範囲で、キャリア濃度の変化は4桁以上あ
り、飽和領域は800K以上の温度である。つまり、室
温から高温までの温度範囲では、周囲の温度によってデ
バイスの特性が大きく変化するので、ダイヤモンド半導
体デバイスが、高温下でも使用可能であるという長所を
活かすことができなかった。
制し、室温から高温までの温度範囲でキャリア濃度の変
化が少ないダイヤモンド半導体を得るための方法とし
て、不純物を多量にドーピングして不純物準位を縮退さ
せる方法がある。しかし、不純物を多量にドーピングす
ると、キャリアが増えすぎてしまう。その結果、金属と
同様の電気伝導性を示すようになり、半導体特性が失わ
れてしまう。
号公報に開示されているように、多量に不純物がドーピ
ングされた数nmの厚みのドープ層と、不純物が実質的
にドープされていない数十〜数百nmの厚みのノンドー
プ層とを交互に積層し、多層構造としたダイヤモンド半
導体が提案されている。
薄いノンドープ層で挟んだ構造では、不純物濃度の深さ
方向プロファイルがδ(デルタ)関数的に変化している
ので、ドープ層で発生するキャリアはノンドープ層へ拡
散する。その結果、平均キャリア濃度は半導体特性が得
られる程度に減少し、且つキャリアの供給源は、キャリ
ア濃度の温度依存性がほとんどないドープ層であるの
で、全体として平均キャリア濃度の温度依存性がほとん
どないダイヤモンド半導体となる。
特性を示しつつ、キャリア濃度の温度依存性がほとんど
ないダイヤモンド半導体を得ようとすれば、不純物が高
濃度にドープされたドープ層が必要となる。高濃度のド
ープ層は、p型ダイヤモンド半導体であれば、ホウ素は
ダイヤモンドの結晶性を保ったまま高濃度にドープする
ことが可能であるので、比較的簡単に得ることができ
る。しかし、n型ダイヤモンド半導体の場合は、単独の
不純物を、良好な結晶性を保ったまま縮退するまで高濃
度に安定してドープすることは容易ではない。このため
に、これまで室温から高温までの動作温度領域で半導体
特性を示しつつ、キャリア濃度の温度依存性がほとんど
ないn型ダイヤモンド半導体を得ることは困難であっ
た。
から高温に至る広い温度範囲で、半導体特性を示しつ
つ、キャリア濃度の温度依存性がほとんどない、半導体
デバイスに利用可能なn型ダイヤモンド半導体を提供す
ることである。
ド半導体は、ダイヤモンド半導体材料から成り、(a)
実質的に不純物が添加されていない第1のノンドープ層
と、(b)前記第1のノンドープ層の一方の表面に形成
されたn型半導体となるように2種類以上の不純物が添
加されたドープ層と、(c)前記ドープ層の表面に形成
された実質的に不純物が添加されていない第2のノンド
ープ層と、を備えることを特徴とする。ドープ層は、ダ
イヤモンドの結晶性を保ったまま不純物準位が縮退する
程度の濃度までn型半導体となる不純物をドーピングす
るために、2種類以上の不純物をドーピングすることを
特徴とする。
とドープ層とが交互に積層されるとともに、両端の層を
ノンドープ層として構成することが可能である。
の不純物は、窒素(N)、リン(P)、イオウ(S)、
砒素(As)、セレン(Se)、塩素(Cl)からなる
A群より選ばれる1種類以上の原子と、水素(H)、ホ
ウ素(B)、リチウム(Li)、アルミニウム(Al)
からなるB群より選ばれる1種類以上の原子とすること
ができる。また、前記添加する不純物の内、少なくとも
1種類の原子の不純物濃度が、1019cm−3以上で
あることが望ましい。
窒素(N)とホウ素(B)である場合は、窒素原子濃度
(Cn)とホウ素原子濃度(Cb)とが、Cb<Cn≦
100Cbの範囲であり、且つCn≧1019cm−3
であることが望ましい。
イオウ(S)とホウ素(B)である場合は、イオウ原子
濃度(Cs)とホウ素原子濃度(Cb)とが、0.5C
b<Cs≦100Cbの範囲であり、且つCs≧10
19cm−3であることが望ましい。
ム(Li)と窒素(N)である場合は、リチウム原子濃
度(CLi)と窒素原子濃度(Cn)とが、CLi≦1
0C nの範囲であり、且つCLi≧1019cm−3で
あることが望ましい。この場合、前記リチウム原子が、
ドープ層のダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位
置に、前記窒素原子が前記炭素原子の置換位置に、それ
ぞれ入っており、かつリチウム原子と窒素原子は互いに
隣接している構造であるが望ましく、前記リチウム原子
と窒素原子の中心間距離が、0.145nm以上、0.
155nm以下であることが望ましい。
ヤモンド半導体の活性化エネルギーは、0.1eV未満
とすることができる。
は、ダイヤモンド半導体材料から成り、n型半導体を形
成する不純物を2種類以上含んだ非常に薄いドープ層
を、実質的に不純物が添加されていない薄いノンドープ
ダイヤモンド層で挟んだ構造である。あるいは、非常に
薄いドープ層と薄いノンドープ層が交互に積層された多
層構造で、両端をノンドープ層とした構造である。この
ような、いわゆるδ(デルタ)ドープ構造とすることに
よって、全体として半導体特性が得られる程度にキャリ
ア濃度、すなわち電子濃度を調節できる。且つ、全体と
して、電子濃度の温度依存性がほとんどないn型ダイヤ
モンド半導体を得ることができる。
オーダーと非常に薄くすると、ドープ層で発生したキャ
リア(電子)に対するノンドープ層に拡散したキャリア
の割合が多くなり、構造全体でより均一なキャリア濃度
のn型ダイヤモンド半導体を得ることができる。
とするために、n型特性を引き出すための1種類の不純
物をドーピングするとともに、それをダイヤモンドの結
晶性を保ったまま縮退する程度の濃度まで安定してドー
ピングするために、さらに別の1種類以上の不純物をド
ーピングする。
層の厚さをD、ドープ層の電子濃度をn+とすると、平
均の電子濃度nは、n=n+*d/(d+D)となる。
な広がりを持つ薄膜とすることが容易であるが、1次元
的な線状膜であっても、0次元的な点状膜であっても、
ノンドープ(層)で囲まれている構造であれば、得られ
る効果は変わらない。
プ層とノンドープ層を交互に積層する場合、ドープ層の
厚みは、50nm未満、ノンドープ層の厚みは、500
nm未満が好ましい。ドープ層の厚みが50nm以上に
なると、ドープ層中心付近のキャリアは拡散しにくくな
り、半導体特性が得られなくなる。ノンドープ層の厚み
が500nm以上になると、キャリアの拡散がノンドー
プ層の中心付近に届かなくなり、キャリア濃度の深さ方
向プロファイルがノンドープ層中心付近で途切れてしま
うので、全体として半導体特性が得られなくなる。ま
た、ノンドープ層の不純物濃度は、少ないほどよいが、
ドープ層からのキャリアの拡散が起こりやすいように、
1017cm−3以下であることが望ましい。
層へは、窒素(N)、リン(P)、イオウ(S)、砒素
(As)、セレン(Se)、塩素(Cl)からなるA群
より選ばれる1種類以上の原子と、水素(H)、ホウ素
(B)、リチウム(Li)、アルミニウム(Al)から
なるB群より選ばれる1種類以上の原子と、をドープす
ることが好ましい。こうすれば、n型半導体特性を実現
する不純物を、不純物準位が縮退する程度の多量の不純
物をドーピングすることができる。
種類の原子の不純物濃度が、101 9cm−3以上であ
ることが好ましい。この程度多量にドープすることによ
って、ドープ層は、キャリア濃度の温度依存性があまり
なく、周囲の温度変化に対して安定したキャリアの供給
源となりやすい。不純物濃度は、1020cm−3以上
であれば、更に好ましい。
とホウ素、イオウとホウ素、リチウムと窒素の3種
類がある。窒素とホウ素の場合、窒素原子濃度(Cn)
とホウ素原子濃度(Cb)は、Cb<Cn≦100Cb
の範囲であり、Cnが101 9cm−3以上であること
が好ましい。イオウとホウ素の場合、イオウ原子濃度
(Cs)とホウ素原子濃度(Cb)は、0.5Cb<C
s≦100Cbの範囲であり、Csが1019cm−3
以上であることが好ましい。リチウムと窒素の場合は、
リチウム原子濃度(CLi)と窒素原子濃度(Cn)
は、CLi≦10C nの範囲であり、CLiが1019
cm−3以上であることが好ましい。更に好ましくは、
前記、Cn、Cs、CLiが1020cm−3以上であ
る。
ドープ層は、キャリア濃度の温度依存性がほとんどな
く、より安定したキャリア供給源とすることができる。
しかし、窒素とホウ素の場合、Cb<0.01Cnとホ
ウ素の濃度が極端に少なくなると、Cnを1019cm
−3以上とすることが困難になる。また、イオウとホウ
素の場合も、Cb<0.01Csとホウ素の濃度が極端
に少なくなると、Csを1019cm−3以上にするこ
とが困難になる。
ムは、ダイヤモンドを構成する炭素原子の格子間位置に
入る。他の原子は、炭素原子の置換位置に入る。そし
て、リチウム原子と窒素原子はある程度近くに存在し
て、リチウムを固定する働きをする。しかし、Cn<
0.1CLiと窒素の濃度が低い場合には、窒素原子が
少なくなり、リチウム原子を固定する能力が少なくなる
ので、ドープ層のキャリア濃度が不安定になる。
素原子の置換ドーピングにおいて、第一原理計算によ
り、形成エネルギーを計算することで、最適構造を予測
した。その結果、リチウム原子と窒素原子は近接してい
る方が、形成エネルギーが低くなり、近接した構造が最
も安定で、最適構造であることが判った。この場合、リ
チウム原子と窒素原子の中心距離は、0.1494nm
で、活性化エネルギーは0.10eVであると計算され
た。また、このような計算を複数回繰り返すことで、最
適構造を取り得るリチウム原子と窒素原子の中心距離
は、0.145nm以上、0.155nm以下であるこ
とが判った。
半導体の活性化エネルギーは、0.1eV未満とするこ
とができるので、室温から高温までの広い温度範囲で、
キャリア濃度の温度依存性が少ない。
あるいは人工(高圧合成)のバルク単結晶であっても、
気相合成による薄膜多結晶あるいは、薄膜単結晶(エピ
タキシャル膜)であっても、その効果は変わらない。
る方法としては、(1)直流または交流電界により放電
を起こし、原料ガスを活性化する方法、(2)熱電子放
射材を加熱し、原料ガスを活性化する方法、(3)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、
(4)レーザーや紫外線などの光で原料ガスを励起する
方法、および(5)原料ガスを燃焼させる方法など各種
の方法があるが、いずれの方法も本発明に用いることが
でき、発明の効果は変わらない。
高温までの広い温度範囲で、半導体特性を示しつつ、キ
ャリア濃度の温度依存性が少ないn型ダイヤモンド半導
体を得ることができる。
の一例である。図示のように、このn型ダイヤモンド半
導体は、人工単結晶ダイヤモンド基板100の{10
0}面上に、マイクロ波プラズマCVD法によって、次
のような条件で、ノンドープ層1101〜110n+1
(nはサイクル数)と、窒素とホウ素をドープしたドー
プ層1201〜120nを交互に成膜した。
通りである。 H2(水素)ガス流量:2000sccm(cm3/
分) CH4(メタン)ガス流量:1sccm(cm3/分) 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
の成膜条件は、以下の通りである。 H2(水素)ガス流量:2000sccm CH4(メタン)ガス流量:1sccm B2H6(ジボラン)(水素希釈1000ppm)ガス
流量:1sccm NH3(アンモニア)(水素希釈1%)ガス流量:3s
ccm 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
ンドープ層と窒素とホウ素をドープしたドープ層を交互
に積層するのであるが、膜の厚さと積層数(サイクル数
n)を異ならせた以下の2種類の試料を作成した。 試料(a):ノンドープ層30nm、ドープ層3nm、
サイクル数n=10 試料(b):ノンドープ層300nm、ドープ層3n
m、サイクル数n=5
100>方向にエピタキシャル成長していることを確認
した。また、人工単結晶ダイヤモンドの{100}面上
に、窒素とホウ素をドープした上記条件(2)と同条件
で、100nmの厚さのエピタキシャルダイヤモンド膜
を成膜し、その膜を2次イオン質量分析(SIMS)測
定することにより、ダイヤモンド膜中の窒素とホウ素の
量を測定した。その結果、窒素原子濃度(Cn)は8x
1020cm−3であり、ホウ素原子濃度(C b)は1
x1019cm−3であった。上記条件(2)では、窒
素濃度とホウ素濃度が、Cb<Cn≦100Cbの範囲
内にあり、窒素原子が1019cm−3以上であること
が確認された。
ホール効果測定によりキャリア濃度の温度依存性測定、
および抵抗率の温度依存性測定を行った。なお、測定の
前に、各試料の表面の水素終端に伴う表面導電層を除去
するために、各試料を大気中で加熱(400℃、40
分)し、表面を酸素終端とした。また、電極は、試料表
面の電極形成部にイオン注入(イオン種:Ar+、エネ
ルギー:30keV、ドーズ量:5x1015c
m−2)を行うことにより、黒鉛化層を形成し、その上
からTi、Pt、Auの薄膜を順に夫々300nmの厚
さで成膜することにより、オーミック電極を形成した。
度の温度依存性の測定結果を図2に示す。横軸は、絶対
温度の逆数1/T(K−1)であり、縦軸は、キャリア
濃度(cm−3)である。この結果より、試料(a)と
試料(b)は、ともにn型の伝導型であることが判り、
800K〜300K(室温)(横軸0.0013〜0.
0033)の範囲で、キャリア濃度が温度によってほと
んど変化していないことが判った。また、活性化エネル
ギーは、試料(a)が0.03eV、試料(b)が0.
05eVであった。これより、800Kから室温の範囲
で、温度に依存しない飽和領域の存在が確認された。
濃度の異なる試料を作成できたことが判った。試料
(a)はノンドープ層を30nm、ドープ層を3nmづ
つ積層したものであり、試料(b)はノンドープ層を3
00nm、ドープ層を3nmづつ積層したものであるか
ら、平均キャリア濃度は、試料(b)が試料(a)の約
1/10になるはずであるが、実際の測定によって、そ
のようになっていることが確認できた。
3に示す。横軸は、図2と同様絶対温度の逆数1/T
(K−1)であり、縦軸は、抵抗率(Ω・cm)であ
る。この結果から、試料(a)と試料(b)は、800
K〜300K(室温)の温度範囲で抵抗率の温度依存性
がほとんどないことが確認できた。
持つδドープ構造によって、全体として半導体特性が得
られる程度に平均キャリア濃度、つまり平均電子濃度を
調節でき、かつ、キャリアの供給源であるn型ドープ層
の電子濃度の温度依存性がほとんどないため、全体とし
て電子濃度および抵抗率の温度依存性がほとんどないn
型ダイヤモンド半導体が作成できたことを確認した。
条件のうち、ジボラン(水素希釈10ppm)のガス流
量を10sccm、アンモニア(水素希釈1000pp
m)のガス流量を1sccmとした以外は、実施例1の
ドープ層の成膜条件で、人工単結晶ダイヤモンド基板の
{100}面上に、ノンドープ層とドープ層を交互に成
膜した。ただし、膜の厚みとサイクル数は、以下のよう
にした。比較試料:ノンドープ層30nm、ドープ層1
00nm、サイクル数n=5
り、<100>方向にエピタキシャル成長していること
を確認した。また、実施例1と同様にSIMS測定によ
り、ドープ層の窒素とホウ素の量を測定したところ、C
nは6x1018cm−3、Cbは5x1017cm
−3であった。
ール効果測定により、キャリア濃度の温度依存性を測定
したところ、伝導型はn型であったが、キャリア濃度の
温度依存性は大きかった。また、キャリア濃度の温度依
存性から、比較試料の活性化エネルギーを求めたとこ
ろ、活性化エネルギーは、1.7eVと大きかった。こ
のように、ドープ層の不純物濃度が低く、且つ厚いため
にδドープ構造ではない場合は、活性化エネルギーは、
0.1eV以上となることが判った。
基板100の{100}面上に、マイクロ波プラズマC
VD法によって、次のような条件で、ノンドープ層11
01〜110n+1(nはサイクル数)と、イオウとホ
ウ素をドープしたドープ層1201〜120nを交互に
成膜した。
通りである。 H2(水素)ガス流量:2000sccm CH4(メタン)ガス流量:1sccm 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
層の成膜条件は、以下の通りである。 H2(水素)ガス流量:2000sccm CH4(メタン)ガス流量:1sccm B2H6(ジボラン)(水素希釈1000ppm)ガス
流量:1sccm H2S(硫化水素)(水素希釈1000ppm)ガス流
量:5sccm 圧力:100torr(13.3KPa) マイクロ波パワー:300W 基板温度:850℃
ンドープ層とイオウとホウ素をドープしたドープ層を交
互に積層するのであるが、膜の厚さとサイクル数nを異
ならせた以下の2種類の試料を作成した。 試料(c):ノンドープ層30nm、ドープ層3nm、
サイクル数n=10 試料(d):ノンドープ層300nm、ドープ層3n
m、サイクル数n=5
100>方向にエピタキシャル成長していることを確認
した。また、実施例1と同様にイオウとホウ素を添加し
た100nm厚さの試料を作成し、SIMS測定でイオ
ウ原子濃度(Cs)とホウ素原子濃度(Cb)を測定し
た結果、イオウ原子濃度(Cs)は7x1020cm
−3、ホウ素原子濃度(Cb)は9x1018cm−3
であった。つまり、ドープ層は、0.5Cb<Cs≦1
00Cbの範囲内であり、イオウ原子が1019cm
−3以上であることが確認できた。
実施例1と同様に、キャリア濃度と抵抗率の温度依存性
を測定した。なお、測定前の前処理も実施例1と同様の
処理を行った。
度の温度依存性の測定結果を図4に示す。本測定により
伝導型はn型であることが判った。また、この結果よ
り、試料(c)、試料(d)は、800K〜300K
(室温)(横軸0.0013〜0.0033)の範囲
で、キャリア濃度が温度によってほとんど変化していな
いことが判った。また、活性化エネルギーは、どちらの
試料も0.01eVであった。これより、800Kから
室温の範囲で、温度に依存しない飽和領域の存在が確認
された。また、実施例1と同様にキャリア濃度の異なる
試料を作成できたことが判った。
5に示す。横軸は、図4と同様絶対温度の逆数1/T(K
−1)であり、縦軸は、抵抗率(Ω・cm)である。こ
の結果から、800K〜300K(室温)の温度範囲で
抵抗率の温度依存性がほとんどないことを確認できた。
を持つδドープ構造によって、全体として実施例1と同
様の特性を示すn型ダイヤモンド半導体が作成できたこ
とを確認した。
基板100の{100}面上に、次のような条件で、ノ
ンドープ層1101〜110n+1(nはサイクル数)
と、リチウムと窒素をドープしたドープ層1201〜1
20nを交互に成膜した。成膜は、真空紫外光を用いた
光励起気相合成法を用いた。
通りである。 H2(水素)ガス流量:4000sccm CH4(メタン)ガス流量:1sccm 圧力:30torr(4KPa) 基板温度(ヒータ加熱):300℃ 光源:シンクロトロン放射光(波長:70nm、蓄積電
流:200mA)
層の成膜条件は、以下の通りである。 H2(水素)ガス流量:4000sccm CH4(メタン)ガス流量:1sccm NH3(アンモニア)(水素希釈1%)ガス流量:10
sccm 圧力:30torr(4KPa) 基板温度(ヒータ加熱):300℃ 光源:シンクロトロン放射光(波長:70nm、蓄積電
流:200mA)
リチウム)をターゲットにして、5J/cm2の強度の
ArFエキシマレーザーによるレーザーアブレーション
法で行った。
ンドープ層とリチウムと窒素をドープしたドープ層を交
互に積層するのであるが、膜の厚さとサイクル数nを異
ならせた以下の2種類の試料を作成した。 試料(e):ノンドープ層30nm、ドープ層3nm、
サイクル数n=10 試料(f):ノンドープ層300nm、ドープ層3n
m、サイクル数n=5
100>方向にエピタキシャル成長していることを確認
した。また、実施例1と同様にリチウムと窒素を添加し
た100nmの厚さの試料を作成し、SIMS測定でリ
チウム原子濃度(CLi)と窒素原子濃度(Cn)を測
定した結果、リチウム原子濃度(CLi)は3x10
20cm−3、窒素原子濃度(Cn)は4x1020c
m−3であった。つまり、ドープ層は、CLi≦10C
nの範囲内であり、リチウム原子が1019cm −3以
上であることが確認できた。
位置を特定するために、ラザフォード後方散乱分析、粒
子線励起X線放射分析、核反応分析、及び電子スピン共
鳴分析を組み合せた分析を行った。その結果、リチウム
原子は、ほとんどがダイヤモンドを構成する炭素原子の
格子間位置にあり、窒素原子は、炭素原子の置換位置に
あることが判った。また、大部分の窒素原子に隣接して
リチウム原子が存在していることも判った。これらの結
果から、リチウム原子と窒素原子の中心距離は、第一原
理計算により計算された最適構造の約0.15nmであ
ると推定された。
実施例1と同様に、キャリア濃度と抵抗率の温度依存性
を測定した。なお、測定前の前処理も実施例1と同様の
処理を行った。
度の温度依存性の測定結果を図6に示す。本測定により
伝導型はn型であることが判った。また、この結果よ
り、試料(e)、試料(f)は、800K〜300K
(室温)(横軸0.0013〜0.0033)の範囲
で、キャリア濃度が温度によってほとんど変化していな
いことが判った。また、活性化エネルギーは、試料
(e)が0.01eV、試料(f)が0.02eVであ
った。これより、800Kから室温の範囲で、温度に依
存しない飽和領域の存在が確認された。また、実施例1
と同様にキャリア濃度の異なる試料を作成できたことが
判った。
7に示す。横軸は、絶対温度の逆数1/T(K−1)であ
り、縦軸は、抵抗率(Ω・cm)である。この結果か
ら、800K〜300K(室温)の温度範囲で抵抗率の
温度依存性がほとんどないことを確認できた。
を持つδドープ構造によって、全体として実施例1と同
様の特性を示すn型ダイヤモンド半導体が作成できたこ
とを確認した。
温〜800Kの温度範囲でキャリア濃度、つまり電子濃
度や抵抗率の温度依存性がほとんどない。しかも電子濃
度を自在に制御することができる。従って、本発明のn
型ダイヤモンド半導体は、室温から高温までの広い温度
範囲で安定して動作するダイオード、LED、トランジ
スタ、電子放出素子などのデバイスに使用可能である。
成図の一例である。
と試料(b)についてホール効果測定を行いキャリア濃
度の温度依存性を求めたグラフである。
と試料(b)について抵抗率の温度依存性を求めたグラ
フである。
と試料(d)についてホール効果測定を行いキャリア濃
度の温度依存性を求めたグラフである。
と試料(d)について抵抗率の温度依存性を求めたグラ
フである。
と試料(f)についてホール効果測定を行いキャリア濃
度の温度依存性を求めたグラフである。
と試料(f)について抵抗率の温度依存性を求めたグラ
フである。
Claims (10)
- 【請求項1】 ダイヤモンド半導体材料から成り、
(a)実質的に不純物が添加されていない第1のノンド
ープ層と、(b)前記第1のノンドープ層の一方の表面
に形成されたn型半導体となるように2種類以上の不純
物が添加されたドープ層と、(c)前記ドープ層の表面
に形成された実質的に不純物が添加されていない第2の
ノンドープ層と、を備えることを特徴とするn型ダイヤ
モンド半導体。 - 【請求項2】 前記ノンドープ層と前記ドープ層とが交
互に積層されるとともに、両端の層はノンドープ層であ
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】 前記ドープ層に添加する2種類以上の不
純物が、窒素(N)、リン(P)、イオウ(S)、砒素
(As)、セレン(Se)、塩素(Cl)からなるA群
より選ばれる1種類以上の原子と、水素(H)、ホウ素
(B)、リチウム(Li)、アルミニウム(Al)から
なるB群より選ばれる1種類以上の原子と、であること
を特徴とする請求項1または2に記載のn型ダイヤモン
ド半導体。 - 【請求項4】 前記添加する不純物の内、少なくとも1
種類の原子の不純物濃度が、1019cm−3以上であ
ることを特徴とする請求項3に記載のn型ダイヤモンド
半導体。 - 【請求項5】 前記ドープ層に添加する不純物は、窒素
(N)とホウ素(B)であって、窒素原子濃度(Cn)
とホウ素原子濃度(Cb)とが、Cb<Cn≦100C
bの範囲であり、且つCn≧1019cm−3であるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載のn型ダイヤモ
ンド半導体。 - 【請求項6】 前記ドープ層に添加する不純物は、イオ
ウ(S)とホウ素(B)であって、イオウ原子濃度(C
s)とホウ素原子濃度(Cb)とが、0.5Cb<Cs
≦100Cbの範囲であり、且つCs≧1019cm
−3であることを特徴とする請求項1または2に記載の
n型ダイヤモンド半導体。 - 【請求項7】 前記ドープ層に添加する不純物は、リチ
ウム(Li)と窒素(N)であって、リチウム原子濃度
(CLi)と窒素原子濃度(Cn)とが、CLi≦10
Cnの範囲であり、且つCLi≧1019cm−3であ
ることを特徴とする請求項1または2に記載のn型ダイ
ヤモンド半導体。 - 【請求項8】 前記リチウム原子が、ドープ層のダイヤ
モンドを構成する炭素原子の格子間位置に、前記窒素原
子が前記炭素原子の置換位置に、それぞれ混入してお
り、かつリチウム原子と窒素原子は互いに隣接している
構造であることを特徴とする請求項7に記載のn型ダイ
ヤモンド半導体。 - 【請求項9】 前記リチウム原子と窒素原子の中心間距
離が、0.145nm以上、0.155nm以下である
ことを特徴とする請求項8に記載のn型ダイヤモンド半
導体。 - 【請求項10】 活性化エネルギーが0.1eV未満で
あることを特徴とする請求項1〜9いずれかに記載のn
型ダイヤモンド半導体。
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