JP5521132B2 - ダイヤモンド電子素子 - Google Patents
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- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Description
本発明は、ダイヤモンド電子素子とダイヤモンド電子素子の製造方法とに関する。
ダイヤモンドは、従来の半導体材料に比べてバンドギャップが大きく、高絶縁破壊電圧、高移動度、高熱伝導率などの優れた物性を持つため、電子デバイスへの応用が望まれている。特に、ダイヤモンドを用いた電子素子の絶縁破壊電圧は、理論的には１０ＭＶ／ｃｍに達すると考えられている。このため、ダイヤモンドを用いた高耐電圧の電子素子の開発が進められている。ダイヤモンドを用いた電子素子の一例が非特許文献１及び非特許文献２に記載されている。
A.Vescan,I.Daumiller,P.Gluche,W.Ebert,E.Kohn,"Hightemperature, high voltage operation of diamond Shottky diode",Diamond andRelated Materials,7 (1998),p.581-584 D.J.Twitchen,A.J.Whitehead,S.E.Coe,J.Isberg,J.Hammersberg,T.Wikstrom,E.Johansson,"High-VoltageSingle-Crystal Diamond Diodes",IEEE Transaction on Electron Devices,MAY2004,Vol.51,No.5,p.826
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しかしながら、非特許文献１のダイヤモンドショットキーダイオードにおいては、絶縁破壊電圧は３ＭＶ／ｃｍに過ぎない。また、非特許文献２のダイヤモンドショットキーダイオードは、平均電圧１．４ＭＶ／ｃｍに対する逆方向リーク電流が約１ｍＡ／ｃｍ２であり、高耐電圧のダイヤモンド電子素子とは言い難い。そこで、本発明は、高耐電圧のダイヤモンド電子素子を提供することを課題とする。
本発明のダイヤモンド電子素子は、ダイヤモンドエピタキシャル層を有する本体部と、前記本体部に設けられた電極とを備えたダイヤモンド電子素子であって、前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、３×１０４ｃｍ−２以下の面密度の複合転位を有する所定のダイヤモンド領域を含み、前記電極は、前記ダイヤモンド領域上に設けられている、ことを特徴とする。更に、前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層を所定の方法でドライエッチングした場合に所定のエッチピットの発生原因となる欠陥である。更に、前記ドライエッチングに使用するガスは、水素と酸素を含む。更に、前記エッチピットの深さは、前記エッチピットの口径の２倍以上である。更に、前記ダイヤモンド領域は、前記エッチピットの発生原因とならない欠陥をさらに含む。
また、本発明のダイヤモンド電子素子において、前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（１１３）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含んでもよいし、前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（０４４）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含んでもよいし、前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（２２０）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含んでもよい。
また、本発明のダイヤモンド電子素子において、前記本体部は、ダイヤモンド基板をさらに有し、前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、前記ダイヤモンド基板上にエピタキシャル成長されて設けられており、前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（１１３）、（０４４）及び（２２０）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含み、前記基板に含まれる複合転位は、前記Ｘ線回折面（１１３）及び前記Ｘ線回折面（０４４）のＸ線トポグラフィー像が検出され、且つ、前記Ｘ線回折面（２２０）のＸ線トポグラフィー像が検出されない欠陥を含んでもよい。
本発明のダイヤモンド電子素子の製造方法は、ダイヤモンド基板上にエピタキシャル成長によってダイヤモンドエピタキシャル層を設ける成長工程と、Ｘ線トポグラフィーを用いて前記ダイヤモンドエピタキシャル層に含まれる複合転位の密度を測定する測定工程と、前記測定工程によって得られる結果に基づいて、複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２以下である前記ダイヤモンドエピタキシャル層の領域上に電極を設ける工程と、を備えることを特徴とする。
本発明者は、高耐電圧を実現するダイヤモンド電子素子を開発すべく研究を重ねた。この研究の結果、本発明者は、上記の本発明に係るダイヤモンド電子素子と、ダイヤモンド電子素子の製造方法とに示すように、ダイヤモンド電子素子の電圧印加領域が含む複合転位の密度が３×１０４ｃｍ−２以下である本発明のダイヤモンド電子素子が、高耐電圧を実現することを見出した。
本発明によれば、高耐電圧のダイヤモンド電子素子及び高耐電圧のダイヤモンド電子素子の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、ダイヤモンド電子素子２の内部構造を示す図である。ダイヤモンド電子素子２は、ダイヤモンド基板２１、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２、電極２３、電極２４及び第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８を備える。ダイヤモンド電子素子２の本体部は、ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を有する。ダイヤモンド基板２１上に、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８が設けられ、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８上に第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２が設けられている。第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面から裏面に至る（第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面から第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に至る）コンタクトホールを有しており、このコンタクトホールに電極２３が充填されている。電極２３は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面上に突出していると共に、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に接続している。第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面には、電極２４が設けられている。電極２４は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面上に突出しており、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２に接続している。
ダイヤモンド基板２１は、例えばＩｂダイヤモンド、ＩＩａダイヤモンド又は気相合成ダイヤモンド等であり、低欠陥・低転位のダイヤモンドから成る。第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２は、何れも、低欠陥・低転位のエピタキシャル層である。ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の低欠陥・低転位の箇所は、例えば、Ｘ線トポグラフィーを用いた分析方法によって特定される。
第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８は、ダイヤモンド基板２１の表面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エピタキシャル層であり、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２は、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面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エピタキシャル層である。第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２のそれぞれは、ｐ＋型及びｐ型（又はノンドープ）（この場合、ダイヤモンド電子素子２はユニポーラデバイス）であるか、又は、ｎ＋型及びｎ型（又はノンドープ）（この場合、ダイヤモンド電子素子２はユニポーラデバイス）であるか、又は、ｎ型及びｐ型（この場合、ダイヤモンド電子素子２はバイポーラデバイス）であるか、又は、ｐ型及びｎ型（この場合、ダイヤモンド電子素子２はバイポーラデバイス）等である。ｐ型（及びｐ＋型）のドーパントは例えばホウ素等であり、ｎ型（及びｎ＋型）のドーパントは例えばリン等である。また、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２から成るダイヤモンドエピタキシャル層の膜厚は導電性を上げることとデバイスの剛性を保つことから決定され、１〜２０μｍ程度が好ましい。
電極２３は、オーミック電極である。電極２３は、例えば、チタン／白金／金から成るか、又は、チタン／モリブデン／金から成る。電極２３のチタン層は第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に接続している。電極２４は、オーミック電極、又は、Ｐｔから成るショットキー電極である。ダイヤモンド電子素子２がバイポーラデバイスの場合、電極２４はオーミック電極であり、ダイヤモンド電子素子２がユニポーラデバイスの場合、電極２４はショットキー電極である。
第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２は、後述の複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の電圧印加領域Ｅ１（ダイヤモンド領域）を含む。複合転位は、後述のＸ線トポグラフィーによって検出される。この複合転位の面密度は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面（電極２４の設けられている面であるが、ダイヤモンド基板２１と第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８との接合面等も同様）に垂直な結晶方位を［００１］とした場合のＸ線回折面（１１３）、（２２０）又は（０４４）における面密度である。なお、ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２のそれぞれの形成後には、（１１３）面、（２２０）面及び（０４４）面の少なくとも一面をＸ線回折面としたＸ線トポグラフィーによる欠陥解析が、ダイヤモンド基板２１、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２及び第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８のそれぞれに対して行われる。この欠陥解析によって電圧印加領域Ｅ１内の複合転位が検出される。
なお、図１に示すダイヤモンド電子素子２以外にも、図２に示すダイヤモンド電子素子２ａ、図３に示すダイヤモンド電子素子２ｂ、図４に示すダイヤモンド電子素子２ｃ、図５に示すダイヤモンド電子素子２ｄがある。図２に示すダイヤモンド電子素子２ａは、ダイヤモンド電子素子２の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２に替えて、ダイヤモンド基板２１上にドリフト層２２ａが設けられている。ダイヤモンド電子素子２ａの本体部は、ダイヤモンド基板２１及びドリフト層２２ａを有する。ドリフト層２２ａは、ダイヤモンド基板２１の表面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エピタキシャル層である。ドリフト層２２ａの表面に電極２３ａ及び電極２４ａが設けられている。電極２３ａ及び電極２４ａはドリフト層２２ａに接続している。電極２３ａは、電極２３と同様のオーミック電極の構成を有しており、電極２４ａは、Ｐｔから成るショットキー電極である。ドリフト層２２ａの膜厚は、ダイヤモンド電子素子２ａの導電性に影響を及ぼす。ドリフト層２２ａの膜厚は１〜５０μｍ程度が好ましい。
ドリフト層２２ａは、後述の複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の電圧印加領域Ｅ２（ダイヤモンド領域）を含む。複合転位は、後述のＸ線トポグラフィーによって検出される。この複合転位の面密度は、ドリフト層２２ａの表面（電極２４ａの設けられている面であるが、ダイヤモンド基板２１とドリフト層２２ａとの接合面等も同様）に垂直な結晶方位を［００１］とした場合のＸ線回折面（１１３）、（２２０）又は（０４４）における面密度である。なお、ダイヤモンド基板２１、ドリフト層２２ａのそれぞれの形成後には、（１１３）面、（２２０）面及び（０４４）面の少なくとも一面をＸ線回折面としたＸ線トポグラフィーによる欠陥解析が、ダイヤモンド基板２１、ドリフト層２２ａのそれぞれに対して行われる。この欠陥解析によって電圧印加領域Ｅ２内の複合転位が検出される。
図３に示すダイヤモンド電子素子２ｂは、ダイヤモンド電子素子２のダイヤモンド基板２１が除去されたものとなっている。ダイヤモンド電子素子２ｂの場合、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面に電極２４ｂが設けられ、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面に電極２３ｂが設けられている。換言すると、電極２３ｂ上に第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８が設けられ、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８上に第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２が設けられ、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２上に電極２４ｂが設けられている。ダイヤモンド電子素子２ｂの本体部は、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を有する。電極２４ｂは第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２に接続しており、電極２３ｂは第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に接続している。電極２３ｂは電極２３と同様のオーミック電極の構成を有し、電極２４ｂは電極２４と同様の構成を有する。また、ダイヤモンド電子素子２ｂにおける第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２から成るダイヤモンドエピタキシャル層の膜厚は導電性を上げることとデバイスの剛性を保つことから決定され、２０〜２００μｍ程度が好ましい。電極のコンタクトや素子の発熱で発生する応力による割れを避けることができる。
第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２は、後述の複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の電圧印加領域Ｅ３（ダイヤモンド領域）を含み、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８は、後述の複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の電圧印加領域Ｅ４（ダイヤモンド領域）を含む。複合転位は、後述のＸ線トポグラフィーによって検出される。この複合転位の面密度は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面（電極２４ｂの設けられている面であるが、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２と第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８との接合面も同様）に垂直な結晶方位を［００１］とした場合のＸ線回折面（１１３）、（２２０）又は（０４４）における面密度である。なお、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２のそれぞれの形成後には、（１１３）面、（２２０）面及び（０４４）面の少なくとも一面をＸ線回折面としたＸ線トポグラフィーによる欠陥解析が、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２及び第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８のそれぞれに対して行われる。この欠陥解析によって電圧印加領域Ｅ３又は電圧印加領域Ｅ４内の複合転位が検出される。
図４に示すダイヤモンド電子素子２ｃは、ダイヤモンド基板２１、第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３、電極３４及び電極３５を備える。ダイヤモンド電子素子２ｃの本体部は、ダイヤモンド基板２１、第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２及び第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３を有する。ダイヤモンド基板２１の表面には第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１が設けられており、第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１の表面の一部（この表面の中央）には、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２が設けられており、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２の表面には第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３が設けられており、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３の表面には電極３４が設けられている。第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１は、ダイヤモンド基板２１の表面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エピタキシャル層であり、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２は、第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１の表面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エピタキシャル層であり、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３は、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２の表面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エピタキシャル層である。第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１はダイヤモンド基板２１に接続し、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２は第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１に接続し、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３は第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２に接続し、電極３４は第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３に接続している。第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１の表面のうち第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２の設けられている領域を除く所定箇所に、電極３５が設けられている。電極３５は第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１に接続している。第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１は、ｐ型のダイヤモンドエピタキシャル層であり、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２は、ノンドープのドリフト層であり、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３はｎ型のダイヤモンドエピタキシャル層である。電極３４及び電極３５は、電極２３と同様のオーミック電極の構成を有する。
第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２及び第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３は、後述の複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の電圧印加領域Ｅ５（ダイヤモンド領域）を含む。複合転位は、後述のＸ線トポグラフィーによって検出される。この複合転位の面密度は、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３の表面（電極３４の設けられている面であるが、ダイヤモンド基板２１と第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１との接合面等も同様）に垂直な結晶方位を［００１］とした場合のＸ線回折面（１１３）、（２２０）又は（０４４）における面密度である。なお、ダイヤモンド基板２１、第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３のそれぞれの形成後には、（１１３）面、（２２０）面及び（０４４）面の少なくとも一面をＸ線回折面としたＸ線トポグラフィーによる欠陥解析が、ダイヤモンド基板２１、第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１、第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３のそれぞれに対して行われる。この欠陥解析によって電圧印加領域Ｅ５内の複合転位の面密度が検出される。
図５に示すダイヤモンド電子素子２ｄは、ダイヤモンド基板２１、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７、絶縁層３８、ゲート電極３９、ドレイン電極４０、ソース電極４１を備えたｐ型ＭＩＳトランジスタである。ダイヤモンド電子素子２ｄの本体部は、ダイヤモンド基板２１、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７及び絶縁層３８を有する。ダイヤモンド基板２１の表面に第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６が設けられており、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６はダイヤモンド基板２１と接続している。第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６は、ダイヤモンド基板２１の表面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エピタキシャル層であり、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７は、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６の表面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エピタキシャル層である。第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６の表面の一部には第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７が設けられており、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６は第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７と接続している。第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６の表面の他の部分には絶縁層３８が設けられており、絶縁層３８は第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６と接続している。絶縁層３８の表面の一部にはゲート電極３９が設けられており、ゲート電極３９は絶縁層３８と接続している。第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７の表面の一部にはドレイン電極４０及びソース電極４１が設けられており、ドレイン電極４０及びソース電極４１は第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７と接続している。ゲート電極３９（及び絶縁層３８）は、ドレイン電極４０とソース電極４１との間に設けられている。第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６はドリフト層であり、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７はｐ＋型層である。
第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６は、後述の複合転位の面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の電圧印加領域Ｅ６（ダイヤモンド領域）を含む。複合転位は、後述のＸ線トポグラフィーによって検出される。この複合転位の面密度は、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６の表面（電極２４の設けられている側の面であり、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７や絶縁層３８の設けられている面であるが、ダイヤモンド基板２１と第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６との接合面等も同様）に垂直な結晶方位を［００１］とした場合のＸ線回折面（１１３）、（２２０）又は（０４４）における面密度である。なお、ダイヤモンド基板２１、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６（更には、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７）のそれぞれの形成後には、（１１３）面、（２２０）面及び（０４４）面の少なくとも一面をＸ線回折面としたＸ線トポグラフィーによる欠陥解析が、ダイヤモンド基板２１、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６（更には、第７ダイヤモンドエピタキシャル層３７）のそれぞれに対して行われる。この欠陥解析によって電圧印加領域Ｅ６内の複合転位が検出される。
ここで、面密度が３×１０４ｃｍ−２個以下であると規定されている電圧印加領域Ｅ１〜Ｅ６内の複合転位は、Ｘ線回折面を（１１３）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位、Ｘ線回折面を（２２０）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位、及び、Ｘ線回折面を（０４４）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位の少なくとも一の転位を含む。なお、電圧印加領域Ｅ１〜Ｅ６内の複合転位が、Ｘ線回折面を（１１３）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位、Ｘ線回折面を（２２０）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位、及び、Ｘ線回折面を（０４４）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位を全て含む場合、ダイヤモンド基板２１内の複合転位は、Ｘ線回折面を（１１３）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位、及び、Ｘ線回折面を（０４４）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位のみを含み、Ｘ線回折面を（２２０）面とした場合に検出されるＸ線トポグラフィー像の示す転位を含まない。
ここで、図２２を参照して電圧印加領域について説明する。電圧印加領域とは、電子デバイスの動作時に逆バイアスを印加して空乏層を広げる領域であり、例えば図１に示すダイヤモンド電子素子２や図３に示すダイヤモンド電子素子２ｂがショットキーダイオード（ユニポーラデバイス）の場合、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８内において電極２４（ショットキー電極）や電極２４ｂ（ショットキー電極）の設置位置に対応する（電極２４や電極２４ｂの下部にある）電圧印加領域Ｅ１や電圧印加領域Ｅ３である。電圧印加領域Ｅ１や電圧印加領域Ｅ３は、電極２４や電極２４ｂ（ショットキー電極）と第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８（バルク層）との間に電界が強くかかっているので結晶性の良いダイヤモンドにおいては空乏層となって絶縁性を示す。一方、複合転位が電圧印加領域Ｅ１や電圧印加領域Ｅ３に存在する場合、空乏層は広がらず、複合転位は電流リークの経路として機能し、電子デバイスの耐電圧特性を著しく悪化させる。
電極２４や電極２４ｂに電圧を印加した場合の第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２内の電界分布を図２２（Ａ）に示す。図２２（Ａ）中の曲線Ｍ１は等電位線を表しており、この図のようにシンプルな電極２４や電極２４ｂの場合、電極２４や電極２４ｂの端の部分で電界が集中するため、電圧印加領域Ｅ１や電圧印加領域Ｅ３は正確には電極２４や電極２４ｂの下部よりも横に広くなる。図２２（Ａ）のようなシンプルな電極２４や電極２４ｂの場合の電圧印加領域Ｅ１や電圧印加領域Ｅ３は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の厚さの１／２程度の距離まで横方向に広がる。一方、図２２（Ｂ）のようにフィールドプレートＭ２など電界緩和構造を設けた場合は、電極２４や電極２４ｂの下部の電界分布が平行に近くなって過度の電界集中が無くなるため、電圧印加領域Ｅ１や電圧印加領域Ｅ３はほぼ電極２４や電極２４ｂの接触面の下部のみとなる。また、図２に示すダイヤモンド電子素子２ａのような横型ショットキーダイオードの場合の電圧印加領域は、電界は深さ方向に強くかからないため、電極２４ａ（ショットキー電極）と電極２３ａ（オーミック電極）との間の表面近傍の電圧印加領域Ｅ２となる。
また、図１及び図３に示すダイヤモンド電子素子２ｂがバイポーラデバイスの場合（例えば、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８がｎ型層であり、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２がｐ型層であり、電極２４ｂがオーミック電極の場合）、ダイヤモンド電子素子２ｂの電圧印加領域は、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８と第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２とに延びる電圧印加領域Ｅ４である。この場合、空乏層はｐ型層（第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２）とｎ型層（第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８）の接合部分に形成される。このためｐ型層（第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２）とｎ型層（第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８）の接合部だけが電圧印加領域と考えられるが、実際には、電極２３ｂと電極２４ｂとで挟まれた領域（電圧印加領域Ｅ４）を電圧印加領域として複合転位の有無を判断すれば良い。
また、図４に示すダイヤモンド電子素子２ｃの場合の電圧印加領域は、電圧印加領域Ｅ５となる。第３ダイヤモンドエピタキシャル層３１（ｐ型層）は導電性を得るため高ドープであり、電極３５（ｐ型オーミック電極）と電極３４（ｎ型オーミック電極）との間に逆バイアスをかけると電圧印加領域Ｅ５に空乏層ができる。
また、図５に示すダイヤモンド電子素子２ｄの場合の電圧印加領域は、第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６の表面のうち絶縁層３８を介してゲート電極３９の設けられている領域から第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６内に延在する（ゲート電極３９の下部にある）電圧印加領域Ｅ６となる。ドレイン電極４０とソース電極４１との間に電圧を印加して電流を流す場合、例えばゲート電極３９に負バイアスをかけると、ゲート電極３９下の第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６においては、キャリアが誘起され、電流が流れる。ゲート電極３９に正バイアスをかけると、ゲート電極３９下の第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６においては、空乏層が広がり、電流は流れなくなる。
次に、ダイヤモンド電子素子２の製造方法を説明する。まず、ダイヤモンド基板２１を用意する。ダイヤモンド基板２１は、高温高圧合成・天然・気相合成など合成方法に規定はないが、可能な限り低欠陥・低転位のダイヤモンドが望ましい。例えば、種結晶から広がる束状転位や成長セクターなどは避けた方が望ましい。種結晶から広がる束状転位や成長セクターなどを避ける方法としては、光学顕微鏡や偏光による異常屈折測定、ラマン分光やフォトルミネッセンスやカソードルミネッセンスのマッピングなどがあるが、Ｘ線トポグラフィーを用いた欠陥分析を行うのが好適である。Ｘ線トポグラフィーは、図６に示すようなＸ線回折の強度分布を結晶全体で撮影する手法であり、複数の原子Ｇ１から成る結晶の完全性を評価するのに適した方法である。なお、Ｘ線回折面（結晶面Ｓ）の法線ベクトルをｇベクトルと称する。
刃状転位やらせん転位等の結晶欠陥がある場合、図７の図中符号Ｇ２に示すようにＸ線回折強度Ｉに強弱（濃淡）が現れる。図中符号Ｇ３に示す領域におけるＸ線回折強度Ｉは、結晶面Ｓに歪みが生じている箇所のＸ線回折強度Ｉであって比較的弱く（淡く）、図中符号Ｇ４に示す領域におけるＸ線回折強度Ｉは、結晶面Ｓに歪みが生じている箇所に隣接する箇所のＸ線回折強度Ｉであって比較的強い（濃い）。
ここで、図８を参照して、刃状転位やらせん転位等の結晶欠陥を説明する。刃状転位やらせん転位の場合は、結晶Ｇ５のずれ方向のベクトルとＸ線回折面との角度によってＸ線回折強度Ｉの濃淡が変わる。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の図中符号Ｇ６はバーガースベクトル（Burgers Vector）であり（以下、バーガースベクトルＧ６という）、結晶Ｇ５の本来の位置からの原子のずれを表している。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の図中符号Ｇ７は転位の進む方向（転位線の延びる方向）を表している（以下、転位線方向ベクトルＧ７という）。バーガースベクトルＧ６と転位線方向ベクトルＧ７とが垂直となる場合を刃状転位と称し、バーガースベクトルＧ６と転位線方向ベクトルＧ７とが平行となる場合をらせん転位と称するが、これら両転位の混合した複合転位も存在する。
Ｘ線トポグラフィー強度Ｉは、ｇベクトルとバーガースベクトルＧ６との内積となるので、転位とＸ線トポグラフィー強度Ｉとの関係はｇベクトルで決まる。すなわち、Ｘ線トポグラフィー強度Ｉは、ｇベクトルとバーガースベクトルＧ６とが平行の場合に最も強く、ｇベクトルとバーガースベクトルＧ６とが垂直の場合に最も弱い。
以上説明したＸ線トポグラフィーを用いた方法によってダイヤモンド単結晶中にどのように欠陥・転位が分布しているかを見ることができる。転位の見え方は、例えば図１０や図１１に示すようになる。なお、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に生じる転位は、ドライエッチング後の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面にエッチピットとして顕在化する。図９（Ａ）にドライエッチング前の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面の顕微鏡像を示し、図９（Ｂ）にドライエッチング後の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面の顕微鏡像を示す。図９（Ａ）に示す顕微鏡像と、図９（Ｂ）に示す顕微鏡像とは、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の同一の表面領域の像である。また、図１０（Ａ）は、Ｘ線回折面（１１３）のｇベクトルに沿ってみたダイヤモンド基板２１のＸ線トポグラフィーによる像であり、図１０（Ｂ）は、Ｘ線回折面（２２０）のｇベクトルに沿ってみたダイヤモンド基板２１のＸ線トポグラフィーによる像である。図１１（Ａ）は、Ｘ線回折面（１１３）のｇベクトルに沿ってみた第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８のＸ線トポグラフィーによる像であり、図１１（Ｂ）は、Ｘ線回折面（２２０）のｇベクトルに沿ってみた第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８のＸ線トポグラフィーによる像である。ここで、ダイヤモンド基板２１及び第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面に垂直な方向を＜００１＞としている。図１０及び図１１に示す像において、濃淡のある領域に転位が存在している。
なお、図９（Ｂ）の図中符号Ｈ１１，Ｈ１２，Ｈ１３，Ｈ１４に示す領域と、図１０（Ａ）の図中符号Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４に示す領域と、図１０（Ｂ）の図中符号Ｈ３１，Ｈ３２，Ｈ３３，Ｈ３４に示す領域と、図１１（Ａ）の図中符号Ｈ４１，Ｈ４２，Ｈ４３，Ｈ４４に示す領域と、図１１（Ｂ）の図中符号Ｈ５１，Ｈ５２，Ｈ５３，Ｈ５４に示す領域とは、それぞれ対応している。すなわち、図９（Ｂ）の図中符号Ｈ１１、図１０（Ａ）の図中符号Ｈ２１、図１０（Ｂ）の図中符号Ｈ３１、図１１（Ａ）の図中符号Ｈ４１及び図１１（Ｂ）の図中符号Ｈ５１にぞれぞれ示す領域は図１２に示す転位線Ｇ１１に対応しており、図９（Ｂ）の図中符号Ｈ１２、図１０（Ａ）の図中符号Ｈ２２、図１０（Ｂ）の図中符号Ｈ３２、図１１（Ａ）の図中符号Ｈ４２及び図１１（Ｂ）の図中符号Ｈ５２にぞれぞれ示す領域は図１２に示す転位線Ｇ１２に対応しており、図９（Ｂ）の図中符号Ｈ１３、図１０（Ａ）の図中符号Ｈ２３、図１０（Ｂ）の図中符号Ｈ３３、図１１（Ａ）の図中符号Ｈ４３及び図１１（Ｂ）の図中符号Ｈ５３にぞれぞれ示す領域は図１２に示す転位線Ｇ１３に対応しており、図９（Ｂ）の図中符号Ｈ１４、図１０（Ａ）の図中符号Ｈ２４、図１０（Ｂ）の図中符号Ｈ３４、図１１（Ａ）の図中符号Ｈ４４及び図１１（Ｂ）の図中符号Ｈ５４にぞれぞれ示す領域は図１２に示す転位線Ｇ１４に対応している。
このようなＸ線トポグラフィーを用いた欠陥分析によって、ダイヤモンド基板のうち欠陥・転位の少ない領域（ダイヤモンド基板２１）を用いる。ダイヤモンド基板２１に含まれる不純物については特に規定しない。ダイヤモンド基板２１は、例えばＩｂダイヤモンドなど比較的安価で大量に入手できるものでも良いが、高温・高耐電圧動作を行う場合は不純物の少ない例えばＩＩａダイヤモンドや気相合成ダイヤモンドである。また、最終的にダイヤモンド基板２１を除去しても良く、この場合、例えば第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を形成した後に研磨やドライエッチングで除去する。この場合、例えば図３に示すダイヤモンド電子素子２ｂが製造される。
次に、ダイヤモンド基板２１に第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８を形成するが、この前処理として、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の形成されるダイヤモンド基板２１の表面を平坦に研磨する。この場合、例えばスカイフ研磨などが用いられる。ダイヤモンド基板２１はＯＦＦ角を付けても良く、例えば＜１１０＞方向や＜１００＞方向に１．５〜５度程度に傾けるのが望ましい。研磨後、酸と有機とで充分洗浄して異物を除去する。酸洗浄には、例えばフッ酸、王水、硫酸過水、硫酸硝酸混合液などを用いる。有機溶剤は、例えば、アセトン、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール等である。洗浄後、ドライエッチングで研磨ダメージ層を除去する。ドライエッチング方法は酸素やＣＦ４などを主体としたＩＣＰエッチングや平行平板型プラズマエッチングでも良い。またダイヤモンドの合成と同じくマイクロ波プラズマ法により、水素や、微量の酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素の何れかを水素に添加したガスで表面処理しても良い。ドライエッチングの後、再び酸・有機洗浄しても良い。
上記の前処理の後、ダイヤモンド基板２１の表面上に第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を形成する。第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２は、ｐ型又はｎ型の不純物をドーピングした層であり、マイクロ波プラズマ法で水素とメタンを主体とし、不純物を気相中に添加して合成する。ｐ型の場合、不純物として例えばホウ素を用いる。この場合、不純物ガスとしてジボラン、トリメチルボロンなどのガスを用いたり、Ｂ２Ｏ３など固体ホウ素源を合成装置中に設置し、この個体ホウ素源から蒸発したホウ素ガスを用いても良い。ｎ型の場合、不純物として例えばリン、硫黄、窒素、リチウム又はこれらの混合物などを用いる。この場合、例えばホスフィン、トリメチルリン、硫化水素、窒素の何れかを不純物ガスとして添加したり、固形のリン化合物やＬｉ２Ｏなどのリチウム源を用いても良い。
なお、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の形成前に、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面に対して、ダイヤモンド基板２１に対して行ったのと同様のドライエッチングを行うのが望ましい。このドライエッチングは、上述したダイヤモンド基板２１に対して行ったのと同様の方法の他に、水素だけを用いたマイクロ波プラズマＣＶＤも含まれる。また、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の合成はマイクロ波プラズマ法を用い、不純物を添加するために第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８と同様の不純物をガス中に添加しても良いが、不純物を排除するため酸素、二酸化炭素、一酸化炭素などのガスを添加しても良い。第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を合成する場合、マイクロ波プラズマ密度の高い方が欠陥・転位が少なくなるため望ましい。第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の厚さと不純物濃度は、耐電圧と抵抗とのバランスによって決定される。そして、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を形成する度にＸ線トポグラフィーによる欠陥解析等の方法を用いて第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２における欠陥・転位の分布を測定しておく。Ｘ線トポグラフィーによる欠陥解析等の方法を用いて第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の低欠陥・低転位の領域を特定し、この領域を用いる。
そして、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を形成した後、ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を酸素終端もしくは水素終端にするために表面処理を行っても良い。酸素終端する場合は、硫酸硝酸混合液などの酸洗浄や、酸素プラズマやオゾン等で表面処理しても良い。また水素終端する場合は、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置などによって水素プラズマ処理を行っても良い。
上記表面処理の後に電極２３（オーミック電極）を形成する。電極２３は第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８と直接接することが望ましい。このため、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の一部をエッチングによって除去してコンタクトホールを形成し、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８を露出させる。そして、このコンタクトホールに電極材料を充填することによって電極２３を形成する。これによって、電極２３は、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８と接続する。電極２３は、チタン／白金／金やチタン／モリブデン／金などの積層構造を有する。電極２３は主としてダイヤモンドと反応性の高い金属が用いられるので、例えばチタンを第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に接触させ、アニール処理をしてオーミック特性を改善する。そして、オーミック特性を良好にするため、電極２３の成膜中もしくは成膜後に加熱処理しても良い。また、電極２３の形成後に上記の表面処理や酸・有機洗浄を行っても良い。
次に電極２４を形成する。電極２４がショットキー電極の場合（ダイヤモンド電子素子２がユニポーラの場合）について説明する。電極２４の材料は、Ｐｔ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ，ＴｉＳｉ２，ＷＣ，Ｒｕ等である。電極２４を形成する場合、フィールドプレート構造やガードリング構造などの電界緩和構造を形成しても良い。なお、Ｘ線トポグラフィーを用いた欠陥解析によって欠陥・転位密度の低い領域、特に複合転位密度の低い領域を特定し、この領域に電極２４を形成するのが望ましい。
次に、ダイヤモンド電子素子２の製造方法についての実施例を説明する。以下に説明するダイヤモンド電子素子２は、バイポーラデバイスの場合に相当する。ダイヤモンド基板２１に高温高圧合成で作製したＩｂ（００１）単結晶を用意し、スカイフ研磨によって＜１１０＞方向に２．５度のＯＦＦ方位をつけてダイヤモンド基板２１の表面を平坦に研磨した。この後、研磨したダイヤモンド基板２１の表面をＸ線トポグラフィーで観察し、種結晶付近の束状転位及び成長セクターの無い領域を選定し、この領域に対し以下のプロセスを進めた。
まず、ダイヤモンド基板２１をフッ酸、王水で酸洗浄した後、アセトン、イソプロピルアルコールでの有機洗浄を行った。更に、研磨したダイヤモンド基板２１の表面をＩＣＰプラズマエッチングを用いて５μｍ分だけエッチングし、ダイヤモンド基板２１の表面の研磨傷などのダメージ層を除去した。このエッチングの後、このエッチングしたダイヤモンド基板２１の表面にｐ＋型の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８をマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって合成した。この場合、水素ガスのみを５０Ｔｏｒｒ、合計流量４００ｓｃｃｍで導入し、マイクロ波パワー１２００Ｗ、基板温度を摂氏９００度として１５分間処理を行い、次に水素ガス中のメタン濃度を０．６％とし、また、炭素に対するホウ素の元素組成率が１．６％となるようにＢ２Ｈ６を添加し、膜厚１０μｍのｐ＋型の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８を合成した。この合成の後、Ｘ線トポグラフィーを用いて第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に対する転位分布を撮影した。
次に、ｐ−型の第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２をマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって合成した。水素ガスのみを１２０Ｔｏｒｒ、合計流量４００ｓｃｃｍで導入し、マイクロ波パワー３０００Ｗ、基板温度を摂氏９００度として１０分間処理を行い、次に水素ガス中のメタン濃度を４％とし、酸素／炭素元素比率が０．４となるように二酸化炭素添加して基板温度を摂氏１０００度としてｐ−型の第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を１０μｍだけ合成した。この合成の後、Ｘ線トポグラフィーを用いて第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２に対する転位分布を撮影し、複合転位密度が３×１０４ｃｍ−２個以下となる電極形成位置（電圧印加領域Ｅ１）を選定した。次に、ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２を加熱した硫酸硝酸混合液で洗浄した後にアセトン、イソプロで有機洗浄を行い、ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の外面（表面）を酸素終端にした。
次に、オーミック電極である電極２３を形成するため、マスクとしてＡｌを第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面に蒸着した後、酸素にＣＦ４ガスを添加してＩＣＰプラズマエッチングしてコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを介して第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の表面を露出させた。このコンタクトホールにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを１０００オングストロームずつ成膜し、真空中において摂氏４００度のもとで３０分アニールして電極２３を形成した。そして、上述した第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の電極形成位置（電圧印加領域Ｅ１）にある第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面に直径２００μｍの電極２４（Ｐｔショットキー電極）を形成した。このようにして製造したダイヤモンド電子素子２のショットキー特性は図２１に示すようになっており、１ｋＶ以上まで１０−１０Ａ（アンペア）以下の非常に低いリーク電流のデバイスが実現できた。
次に、Ｘ線トポグラフィーを用いて検出されるダイヤモンド結晶内の欠陥・転位を詳細に説明する。ここでは、説明簡略化のため、図２に示すダイヤモンド電子素子２ａを用いて説明する。転位欠陥には刃状転位やらせん転位などの転位があるが、それぞれの転位は、図８に示すように、一方向のバーガースベクトルＧ６を保ったまま成長する。Ｘ線トポグラフィーを用いて欠陥・転位を検出する場合、バーガースベクトルＧ６と平行な成分を持つｇベクトルの方向のみにおいて（このｇベクトルの結晶面がＸ線回折面となっている場合に）Ｘ線トポグラフィーの像として検出され、ｇベクトルに直行する方向においてはＸ線トポグラフィーの像として検出されないのが一般的である。図１０（Ａ）に示すダイヤモンド基板２１のＸ線トポグラフィー像は、Ｘ線回折面（結晶面）が（１１３）面でありＸ線波長が０．９５オングストロームの場合に検出された像であり、図１０（Ｂ）に示すダイヤモンド基板２１のＸ線トポグラフィー像は、Ｘ線回折面（結晶面）が（２２０）面でありＸ線波長が０．７１オングストロームの場合に検出された像である。（１１３）面のｇベクトルと（２２０）面のｇベクトルとの成す角度は６３．８度であるので、Ｘ線トポグラフィーにおいて、Ｘ線回折面（結晶面）が（１１３）面の場合の像と、Ｘ線回折面（結晶面）が（２２０）面の場合の像とが同時に見られるような欠陥は比較的少ない。
なお、Ｘ線回折面（結晶面）が（１１３）面の場合の像はダイヤモンド基板２１の表面に垂直方向にバーガースベクトルＧ６を持つ転位に敏感であり、Ｘ線回折面（結晶面）が（２２０）面の場合の像はダイヤモンド基板２１の表面に平行方向にバーガースベクトルＧ６を持つ転位に敏感となる。その他、例えば、Ｘ線回折面（結晶面）が（０４４）面でありＸ線波長が０．９１オングストロームの場合のＸ線トポグラフィー像を検出しても良い。なお、Ｘ線回折面（結晶面）として（１１３）面以外にも（１−１３）面を用いても良いし、（２２０）面以外にも（２−２０）面を用いても良いし、（０４４）面以外にも（４０４）面を用いても良い。
また、ドリフト層２２ａをダイヤモンド基板２１の表面に形成した後に、ダイヤモンド基板２１に対して行ったのと同様のＸ線トポグラフィーによって検出されたドリフト層２２ａの像を、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示す。図１１（Ａ）に示すドリフト層２２ａのＸ線トポグラフィー像は、Ｘ線回折面（結晶面）が（１１３）面でありＸ線波長が０．９５オングストロームの場合に検出された像であり、図１１（Ｂ）に示すドリフト層２２ａのＸ線トポグラフィー像は、Ｘ線回折面（結晶面）が（２２０）面でありＸ線波長が０．７１オングストロームの場合に検出された像である。ドリフト層２２ａの場合、転位像が全体的に増加し、Ｘ線回折面（結晶面）が（１１３）面の場合の像と、Ｘ線回折面（結晶面）が（２２０）面の場合の像とが同時に見られるような欠陥は比較的多い。このことから、ドリフト層２２ａ内には、刃状転位やらせん転位だけでなく、これらの転位が複合された２つのバーガースベクトルＧ６を持つ複合転位が増加したことがわかる。
ダイヤモンド基板２１及びドリフト層２２ａに生じた転位の伝播の様子を図１２に示す。図中符号Ｇ１１〜Ｇ１４は転位の伝播方向を示し、図中符号Ｇ１５及びＧ１６は転位のバーガースベクトルを示す。ダイヤモンド基板２１に転位がある場合、ドリフト層２２ａにも転位が伝播して成長するが、図中符号Ｇ１３に示す転位のように転位がダイヤモンド基板２１からドリフト層２２ａにそのまま伝播する場合と、図中符号Ｇ１１に示す転位のように、ダイヤモンド基板２１からドリフト層２２ａへの伝播において複合転位に転換する場合とがある。またダイヤモンド基板２１中に転位の無い場所であってもドリフト層２２ａに転位が発生する場合があり、図中符号Ｇ１４に示す転位のようにバーガースベクトルが一方向の単純転位が発生する場合と、図中符号Ｇ１２に示す転位のように複合転位が発生する場合とがある。ドリフト層２２ａに複合転位が発生した場合（図中符号Ｇ１１及びＧ１２に示す転位の場合）に、エッチピットＧ１７が発生する。ダイヤモンド電子素子２ａにおける転位の他の伝播、発生の態様は、図１４（Ａ）に示す７種類の態様がある。
なお、上記のような転位の伝播、発生の態様は、図１に示すダイヤモンド電子素子２のような３層構造（ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８及び第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２）以上のダイヤモンド電子素子の場合においても同様であり、例えば図１３に示す像は、Ｘ線回折面（結晶面）が（１１３）面の場合のダイヤモンド電子素子２のＸ線トポグラフィー像である。図１３（Ａ）には第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２に対するＸ線トポグラフィー像が示され、図１３（Ｂ）には第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８に対するＸ線トポグラフィー像が示され、図１３（Ｃ）にはダイヤモンド基板２１に対するＸ線トポグラフィー像が示されている。図１３（Ｃ）に示す像はダイヤモンド基板２１の所定領域Ｅ１のＸ線トポグラフィー像であり、図１３（Ｂ）に示す像はダイヤモンド基板２１の所定領域Ｅ１上にある第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の所定領域Ｅ２のＸ線トポグラフィー像であり、図１３（Ａ）に示す像は第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８の所定領域Ｅ２上にある第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の所定領域Ｅ３のＸ線トポグラフィー像である。図１３に示す像によれば、転ダイヤモンド基板２１、第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２において転位が伝播、発生、消滅していることがわかる。この他に、ダイヤモンド電子素子２における転位の他の伝播、発生、消滅の態様は、図１４（Ｂ）に示す６種類の態様と、図１４（Ｃ）に示す８種類の態様とがある。
発明者らが鋭意研究した結果、ダイヤモンド電子素子２や、ダイヤモンド電子素子２ａ〜ダイヤモンド電子素子２ｄ等のダイヤモンド電子デバイスにおいては、複合転位がデバイス特性を大きく劣化させることがわかった。次に、一例として、ダイヤモンド電子素子２のデバイス特性について説明する。以下に説明するデバイス特性は、ショットキーダイオードとしてのダイヤモンド電子素子２（ユニポーラデバイス）のデバイス特性である。このデバイス特性を図１５に示す。発明者らによる鋭意研究の結果、ダイヤモンド電子素子２のショットキーダイオード特性のうち、特に逆方向特性は前述の複合転位が多いほど特性が悪化することがわかった。この結果は、複合転位の発生によってｓｐ３結合とならないダイヤモンドの炭素原子の結合が連続して形成されたので、その部分が導電性のリークパスとなり、よって、デバイスの耐電圧が悪化したことによるものと思われる。
複合転位の検出は、Ｘ線トポグラフィーを用いる以外に、エッチピットを用いても可能である。エッチピットは、特にマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて水素に酸素、二酸化炭素又は一酸化炭素を加えたガスを用いてダイヤモンド結晶の表面をプラズマ処理することによって形成することができる。この処理を行うと、ダイヤモンド結晶の表面に微小なピットが多数発生するが、発明者らの鋭意研究の結果、複合転位が生じている箇所は特に深いエッチピットが生じていることがわかった。このようなエッチピットの断面の模式図（Ｃａｓｅ−１，Ｃａｓｅ−２，Ｃａｓｅ−３）を図１６に示す。また、エッチピットの形状を図１７及び図１８に示す。図１８に示すように、エッチピットの深さＬはエッチピットの口径Ｌの二倍以上である。このようなエッチピットの形状は、複合転位がｓｐ３結合から外れているために他のダイヤモンドと比べてエッチング速度が２倍以上早いこと、更に、例えばダイヤモンド電子素子２ａの場合を考えるとダイヤモンド基板２１からドリフト層２２ａまで貫通する複合転位がエッチングによって選択的に除去されること、等が原因で生じる。また、エッチピットは、図１７や図１８に示すようにダイヤモンド結晶の＜１１０＞方向に辺を持つ構造となっている。特に、図１８に示すエッチピットのように正方形から外れて歪な形状のエッチピットは、発明者らの鋭意研究の結果、デバイス特性を悪化させることがわかった。歪な形状とは、例えばＬ字型、コ字型、ロ字型、Ｔ字型、十字型、あるいはこれらの複合した形状で、それぞれの辺の向きはダイヤモンド結晶の［１１０］、［１−１０］方向とほぼ平行となっている。
ここで、ダイヤモンド電子素子２におけるデバイス特性と複合転位との関係の一例を図１９に示す。図１９の図中符号Ｌ１に示す結果（低リーク電流）は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２内の複合転位が比較的少ない場合であり、図２０（Ａ）に示すように、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面に図中符号Ｈ６１の示すエッチピットのみが生じている場合である。図１９の図中符号Ｌ２に示す結果（高リーク電流）は、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２内の複合転位が比較的多い場合であり、図２０（Ｂ）に示すように、第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２の表面に図中符号Ｈ６２等の示す複数のエッチピットが生じている場合である。図１９及び図２０に示す結果から、ダイヤモンド電子素子２の第２ダイヤモンドエピタキシャル層２２（更には、ダイヤモンド電子素子２の第１ダイヤモンドエピタキシャル層２８や、ダイヤモンド電子素子２ａのドリフト層２２ａや、ダイヤモンド電子素子２ｃの第４ダイヤモンドエピタキシャル層３２、第５ダイヤモンドエピタキシャル層３３や、ダイヤモンド電子素子２ｄの第６ダイヤモンドエピタキシャル層３６等）において複合転位の比較的少ない領域を選び、この領域（電圧印加領域）にダイヤモンド電子素子２の電極２４（更には、ダイヤモンド電子素子２ａの電極２４ａや、ダイヤモンド電子素子２ｂの電極２４ｂダイヤモンド電子素子２ｃの電極３４や、ダイヤモンド電子素子２ｄのゲート電極３９）を形成することによって、高性能の高耐圧デバイス（ダイヤモンド電子素子２及びダイヤモンド電子素子２ａ〜２ｄ）を作製できる。特に、複合転位密度が３×１０４ｃｍ−２個以下の領域上（電圧印加領域Ｅ１〜電圧印加領域Ｅ６）に電極２４等の電極を形成すると特性の良いダイヤモンド電子素子２及びダイヤモンド電子素子２ａ〜２ｄを作製できることがわかった。
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
ダイヤモンド電子素子…２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ、ダイヤモンド基板…２１、第２ダイヤモンドエピタキシャル層…２２、ドリフト層…２２ａ、電極…２３，２３ａ，２３ｂ，２４，２４ａ，２４ｂ、第１ダイヤモンドエピタキシャル層…２８、第３ダイヤモンドエピタキシャル層…３１、第４ダイヤモンドエピタキシャル層…３２、第５ダイヤモンドエピタキシャル層…３３、電極…３４，３５、第６ダイヤモンドエピタキシャル層…３６、第７ダイヤモンドエピタキシャル層…３７、絶縁層…３８、ゲート電極…３９、ドレイン電極…４０、ソース電極…４１、電圧印加領域…Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６、原子…Ｇ１、結晶…Ｇ５、バーガースベクトル…Ｇ６、転位線方向ベクトル…Ｇ７、結晶…Ｇ８、結晶面…Ｓ
Claims (7)
- ダイヤモンドエピタキシャル層を有する本体部と、前記本体部に設けられた電極とを備えたダイヤモンド電子素子であって、
前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、３×１０４ｃｍ−２以下の面密度の複合転位を有する所定のダイヤモンド領域を含み、
前記電極は、前記ダイヤモンド領域上に設けられており、
前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（１１３）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含む、
ことを特徴とするダイヤモンド電子素子。 - ダイヤモンドエピタキシャル層を有する本体部と、前記本体部に設けられた電極とを備えたダイヤモンド電子素子であって、
前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、３×１０ ４ ｃｍ −２ 以下の面密度の複合転位を有する所定のダイヤモンド領域を含み、
前記電極は、前記ダイヤモンド領域上に設けられており、
前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（０４４）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含む、
ことを特徴とするダイヤモンド電子素子。 - ダイヤモンドエピタキシャル層を有する本体部と、前記本体部に設けられた電極とを備えたダイヤモンド電子素子であって、
前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、３×１０ ４ ｃｍ −２ 以下の面密度の複合転位を有する所定のダイヤモンド領域を含み、
前記電極は、前記ダイヤモンド領域上に設けられており、
前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（２２０）のＸ線トポグラフィー像が検出される欠陥を含む、
ことを特徴とするダイヤモンド電子素子。 - ダイヤモンドエピタキシャル層を有する本体部と、前記本体部に設けられた電極とを備えたダイヤモンド電子素子であって、
前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、３×１０ ４ ｃｍ −２ 以下の面密度の複合転位を有する所定のダイヤモンド領域を含み、
前記電極は、前記ダイヤモンド領域上に設けられており、
前記本体部は、ダイヤモンド基板をさらに有し、
前記ダイヤモンドエピタキシャル層は、前記ダイヤモンド基板上にエピタキシャル成長されて設けられており、
前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層の所定の面に垂直な結晶方位を［００１］とした場合に、Ｘ線回折面（１１３）、（０４４）及び（２２０）のＸ線トポグ
ラフィー像が検出される欠陥を含み、
前記基板に含まれる複合転位は、前記Ｘ線回折面（１１３）及び前記Ｘ線回折面（０４４）のＸ線トポグラフィー像が検出され、且つ、前記Ｘ線回折面（２２０）のＸ線トポグラフィー像が検出されない欠陥を含む、
ことを特徴とするダイヤモンド電子素子。 - 前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層をマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて水素、酸素、二酸化炭素、又は一酸化炭素を加えたガスを用いてダイヤモンド結晶の表面をプラズマ処理する方法でドライエッチングした場合に、ダイヤモンド結晶の＜１１０＞方向に辺を持つ構造となっているエッチピットの発生原因となる欠陥である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子素子。
- 前記複合転位は、前記ダイヤモンドエピタキシャル層をマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて水素、酸素、二酸化炭素、又は一酸化炭素を加えたガスを用いてダイヤモンド結晶の表面をプラズマ処理する方法でドライエッチングした場合に、ダイヤモンド結晶の＜１１０＞方向に辺を持ちＬ字型、コ字型、ロ字型、Ｔ字型、十字型、又は複合型の形状であるエッチピットの発生原因となる欠陥であり、
前記複合型の形状は、Ｌ字型、コ字型、ロ字型、Ｔ字型、及び十字型の複合した形状である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子素子。 - 前記複合転位によって生じる前記エッチピットの深さは、該エッチピットの口径の２倍以上である、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のダイヤモンド電子素子。
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