JPH11100297A - ホウ素をドープした同位体ダイヤモンド及びその製造方法 - Google Patents
ホウ素をドープした同位体ダイヤモンド及びその製造方法Info
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- JPH11100297A JPH11100297A JP9344037A JP34403797A JPH11100297A JP H11100297 A JPH11100297 A JP H11100297A JP 9344037 A JP9344037 A JP 9344037A JP 34403797 A JP34403797 A JP 34403797A JP H11100297 A JPH11100297 A JP H11100297A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ホウ素をドープしてなり且つきわめて高い熱伝
導性を有する12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドを得る。 【解決手段】ホウ素をドープした高熱伝導性の12Ｃ又は
13Ｃ同位体ダイヤモンド及びその製造方法。該同位体ダ
イヤモンドの12Ｃ又は13Ｃ同位体の純度は、好ましくは
少なくとも９９．５％以上である。
導性を有する12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドを得る。 【解決手段】ホウ素をドープした高熱伝導性の12Ｃ又は
13Ｃ同位体ダイヤモンド及びその製造方法。該同位体ダ
イヤモンドの12Ｃ又は13Ｃ同位体の純度は、好ましくは
少なくとも９９．５％以上である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ホウ素をドープし
てなり、しかも高い熱伝導率を有する12Ｃ同位体ダイヤ
モンド又は13Ｃ同位体ダイヤモンド及びその製造方法に
関する。なお、本明細書中、12Ｃに純化したダイヤモン
ドを適宜12Ｃダイヤモンド、12Ｃ同位体ダイヤモンドと
いう。
てなり、しかも高い熱伝導率を有する12Ｃ同位体ダイヤ
モンド又は13Ｃ同位体ダイヤモンド及びその製造方法に
関する。なお、本明細書中、12Ｃに純化したダイヤモン
ドを適宜12Ｃダイヤモンド、12Ｃ同位体ダイヤモンドと
いう。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは、既知物質中最も硬度が
大きく（モース硬さ１０）、耐摩耗性がずば抜けて高い
ため、砥石、研磨材、バイト、ダイス、ボーリング用ビ
ット、切削工具用等の工具やコーティング工具等として
用いられているほか、音速が高いため高音発生用スピー
カー振動板等へも利用されている。また、ダイヤモンド
はあらゆる物質中室温下では最も熱伝導率が高く、この
特性はより高純度で発揮される。このためヒートシンク
材として電子部品に組み込まれるが、ダイヤモンドそれ
自体電気絶縁体であるため、該ヒートシンク材などのよ
うに単純な応用に限られていた。
大きく（モース硬さ１０）、耐摩耗性がずば抜けて高い
ため、砥石、研磨材、バイト、ダイス、ボーリング用ビ
ット、切削工具用等の工具やコーティング工具等として
用いられているほか、音速が高いため高音発生用スピー
カー振動板等へも利用されている。また、ダイヤモンド
はあらゆる物質中室温下では最も熱伝導率が高く、この
特性はより高純度で発揮される。このためヒートシンク
材として電子部品に組み込まれるが、ダイヤモンドそれ
自体電気絶縁体であるため、該ヒートシンク材などのよ
うに単純な応用に限られていた。
【０００３】自然界に存在する炭素又は炭素化合物中に
は12Ｃのほか、13Ｃが約１．１％含まれており、この点
天然のダイヤモンドについても同様であるが、炭素同位
体を純化したダイヤモンドはその熱伝導率が天然比のダ
イヤモンドに比べて向上することが知られている。例え
ば「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ」Ｖｏｌ．４
２，Ｎｏ．２，ｐ．１１０４〜１１１１（１５，Ｊｕｌ
ｙ １９９０）には、その原料として９９．９％12ＣＨ
4 を用いて12Ｃ＝９９．９３％のダイヤモンドが合成さ
れており、該ダイヤモンドは天然の同位体組成のダイヤ
モンドの約１．５倍にも及ぶ高い熱伝導率を有すること
が報告されている。
は12Ｃのほか、13Ｃが約１．１％含まれており、この点
天然のダイヤモンドについても同様であるが、炭素同位
体を純化したダイヤモンドはその熱伝導率が天然比のダ
イヤモンドに比べて向上することが知られている。例え
ば「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ」Ｖｏｌ．４
２，Ｎｏ．２，ｐ．１１０４〜１１１１（１５，Ｊｕｌ
ｙ １９９０）には、その原料として９９．９％12ＣＨ
4 を用いて12Ｃ＝９９．９３％のダイヤモンドが合成さ
れており、該ダイヤモンドは天然の同位体組成のダイヤ
モンドの約１．５倍にも及ぶ高い熱伝導率を有すること
が報告されている。
【０００４】この報告によれば、そのサンプルとしての
12Ｃダイヤモンド単結晶を、９９．９％に富化した12Ｃ
Ｈ4 を使用してＣＶＤ法によりダイヤモンドシートを作
り、このシートを粉砕して粉末とした後、この粉末を圧
力５２０００ａｔｍ、温度１２００℃で、溶融遷移金属
から小さいダイヤモンド種結晶上に成長させることによ
り合成している。この合成法によれば、まずＣＶＤ法に
より炭素源としてのダイヤモンド粉末を作る必要がある
が、このＣＶＤ法による収率は通常１％程度しか得られ
ず、このため上記原料を用いるにしても、最終的にダイ
ヤモンド単結晶を合成するには、別途その粉末を得る工
程を必要とするのに加え、その収率上も大きな問題があ
る。
12Ｃダイヤモンド単結晶を、９９．９％に富化した12Ｃ
Ｈ4 を使用してＣＶＤ法によりダイヤモンドシートを作
り、このシートを粉砕して粉末とした後、この粉末を圧
力５２０００ａｔｍ、温度１２００℃で、溶融遷移金属
から小さいダイヤモンド種結晶上に成長させることによ
り合成している。この合成法によれば、まずＣＶＤ法に
より炭素源としてのダイヤモンド粉末を作る必要がある
が、このＣＶＤ法による収率は通常１％程度しか得られ
ず、このため上記原料を用いるにしても、最終的にダイ
ヤモンド単結晶を合成するには、別途その粉末を得る工
程を必要とするのに加え、その収率上も大きな問題があ
る。
【０００５】ところで、ダイヤモンドの熱伝導率は結晶
性の影響を大変受けやすく、12Ｃ同位体ダイヤモンドの
場合にも、結晶性が悪いと12Ｃ純粋による高い熱伝導率
を発現させることが困難であり、またダイヤモンドに窒
素等の不純物が含まれるか、不純物を添加すると、熱伝
導率が低下することが知られている。このため、例えば
特開平４ー９２８９４号では、気相合成技術を適用し、
炭素の９９．９％以上が炭素の同位体である12Ｃ又は13
Ｃを用い、窒素の混入を２０ｐｐｍ以下とすることによ
り、高熱伝導率の合成ダイヤモンドが得られたとしてい
る。
性の影響を大変受けやすく、12Ｃ同位体ダイヤモンドの
場合にも、結晶性が悪いと12Ｃ純粋による高い熱伝導率
を発現させることが困難であり、またダイヤモンドに窒
素等の不純物が含まれるか、不純物を添加すると、熱伝
導率が低下することが知られている。このため、例えば
特開平４ー９２８９４号では、気相合成技術を適用し、
炭素の９９．９％以上が炭素の同位体である12Ｃ又は13
Ｃを用い、窒素の混入を２０ｐｐｍ以下とすることによ
り、高熱伝導率の合成ダイヤモンドが得られたとしてい
る。
【０００６】また、ダイヤモンドにホウ素をドープする
とｐ型半導体となることが知られており、このためホウ
素ドープのダイヤモンドは半導体デバイスや発光素子と
しての応用が期待されている。しかし、ダイヤモンドに
ドープされたホウ素はダイヤモンドに対して不純物とな
る。このため、従来、結晶性に敏感な12Ｃ同位体ダイヤ
モンドでは高い熱伝導率を発現させることは困難である
と考えられており、この点は、ホウ素ドープのダイヤモ
ンド、ましてホウ素ドープの12Ｃ同位体又は13Ｃ同位体
ダイヤモンドについても同様である。
とｐ型半導体となることが知られており、このためホウ
素ドープのダイヤモンドは半導体デバイスや発光素子と
しての応用が期待されている。しかし、ダイヤモンドに
ドープされたホウ素はダイヤモンドに対して不純物とな
る。このため、従来、結晶性に敏感な12Ｃ同位体ダイヤ
モンドでは高い熱伝導率を発現させることは困難である
と考えられており、この点は、ホウ素ドープのダイヤモ
ンド、ましてホウ素ドープの12Ｃ同位体又は13Ｃ同位体
ダイヤモンドについても同様である。
【０００７】すなわち、ホウ素をドープしたダイヤモン
ドでは、ドーパントのホウ素がダイヤモンドの熱伝導の
主因であるフォノンを散乱すると考えられ、そのためホ
ウ素をドープし且つ同位体を純粋にしたダイヤモンドで
は熱伝導率の向上は小さいと考えられていた。この点そ
の応用例として、例えばホウ素をドープしたダイヤモン
ドは半導体デバイスや光学材料等への応用に際して熱集
中が生じる場合があるが、このような場合、上記の点か
ら同位体純粋による高熱伝導率の効果を利用できないと
考えられていた。
ドでは、ドーパントのホウ素がダイヤモンドの熱伝導の
主因であるフォノンを散乱すると考えられ、そのためホ
ウ素をドープし且つ同位体を純粋にしたダイヤモンドで
は熱伝導率の向上は小さいと考えられていた。この点そ
の応用例として、例えばホウ素をドープしたダイヤモン
ドは半導体デバイスや光学材料等への応用に際して熱集
中が生じる場合があるが、このような場合、上記の点か
ら同位体純粋による高熱伝導率の効果を利用できないと
考えられていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、本発明者等
がホウ素をドープした同位体的に純化した12Ｃ同位体ダ
イヤモンドを現実に合成してその熱伝導率を測定したと
ころ、全く意外にも、ホウ素添加によるｐ型半導体の電
気伝導性と12Ｃ純粋による高い熱伝導率を保持している
ことが判明した。すなわち、本発明は、ホウ素をドープ
した同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモン
ドであって、しかも高い熱伝導性を有するホウ素ドープ
の12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド及びその製造方法を
提供することを目的とする。
がホウ素をドープした同位体的に純化した12Ｃ同位体ダ
イヤモンドを現実に合成してその熱伝導率を測定したと
ころ、全く意外にも、ホウ素添加によるｐ型半導体の電
気伝導性と12Ｃ純粋による高い熱伝導率を保持している
ことが判明した。すなわち、本発明は、ホウ素をドープ
した同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモン
ドであって、しかも高い熱伝導性を有するホウ素ドープ
の12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド及びその製造方法を
提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、ホウ素をドー
プした高熱伝導率の同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同
位体ダイヤモンドを提供し、また、本発明はホウ素をド
ープした高熱伝導率の同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ
同位体ダイヤモンドを用いてなることを特徴とする発光
素子を提供し、また本発明は、ホウ素をドープした高熱
伝導率の同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤ
モンドを用いてなることを特徴とする半導体デバイスを
提供する。
プした高熱伝導率の同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同
位体ダイヤモンドを提供し、また、本発明はホウ素をド
ープした高熱伝導率の同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ
同位体ダイヤモンドを用いてなることを特徴とする発光
素子を提供し、また本発明は、ホウ素をドープした高熱
伝導率の同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤ
モンドを用いてなることを特徴とする半導体デバイスを
提供する。
【００１０】また本発明は、原料として同位体的に純化
した12Ｃ又は13Ｃからなる炭素を使用し、窒素ゲッター
を含む融剤を用いて、該原料中又は融剤中、或いは原料
及び融剤の周囲にホウ素を添加し、高圧高温下で炭素原
料が融剤中に拡散することによりダイヤモンド単結晶を
種結晶ダイヤモンド上に生成させることを特徴とする12
Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド単結晶の製造方法を提供
し、さらに本発明は、原料として同位体的に純化した12
Ｃ又は13Ｃからなる炭化水素又は一酸化炭素又は二酸化
炭素又はこれらの２種以上の混合ガスと水素との混合ガ
スを用いるとともに、ドープ成分を添加することにより
反応雰囲気中に配置した基板上にダイヤモンドを薄膜状
に形成させることを特徴とするホウ素をドープした高熱
伝導性の12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドの製造方法を
提供する。
した12Ｃ又は13Ｃからなる炭素を使用し、窒素ゲッター
を含む融剤を用いて、該原料中又は融剤中、或いは原料
及び融剤の周囲にホウ素を添加し、高圧高温下で炭素原
料が融剤中に拡散することによりダイヤモンド単結晶を
種結晶ダイヤモンド上に生成させることを特徴とする12
Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド単結晶の製造方法を提供
し、さらに本発明は、原料として同位体的に純化した12
Ｃ又は13Ｃからなる炭化水素又は一酸化炭素又は二酸化
炭素又はこれらの２種以上の混合ガスと水素との混合ガ
スを用いるとともに、ドープ成分を添加することにより
反応雰囲気中に配置した基板上にダイヤモンドを薄膜状
に形成させることを特徴とするホウ素をドープした高熱
伝導性の12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドの製造方法を
提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明のダイヤモンドにおける12
Ｃ同位体又は13Ｃ同位体の純度（同位体的純化度）は少
なくとも９９．５％以上とすることが必要であり、好ま
しくは９９．９％以上、さらに好ましくは９９．９４％
以上とする。本発明においては、それら同位体的に純化
した12Ｃ同位体ダイヤモンド又は13Ｃ同位体ダイヤモン
ドにホウ素をドープすることによりｐ型半導体が得ら
れ、しかも当該ｐ型半導体は高い熱伝導率を備えてい
る。
Ｃ同位体又は13Ｃ同位体の純度（同位体的純化度）は少
なくとも９９．５％以上とすることが必要であり、好ま
しくは９９．９％以上、さらに好ましくは９９．９４％
以上とする。本発明においては、それら同位体的に純化
した12Ｃ同位体ダイヤモンド又は13Ｃ同位体ダイヤモン
ドにホウ素をドープすることによりｐ型半導体が得ら
れ、しかも当該ｐ型半導体は高い熱伝導率を備えてい
る。
【００１２】ここでホウ素のドープ量については、ｐ型
半導体としての機能を発揮させ得る量であれば特に限定
はなく、好ましくは１００ｐｐｍ以下、さらに好ましく
は６０ｐｐｍ以下であり、熱伝導率（ラマンスペクトル
の半値幅）が低下し始めるホウ素添加量の点からすると
３０ｐｐｍ程度以下であるのが好ましい。
半導体としての機能を発揮させ得る量であれば特に限定
はなく、好ましくは１００ｐｐｍ以下、さらに好ましく
は６０ｐｐｍ以下であり、熱伝導率（ラマンスペクトル
の半値幅）が低下し始めるホウ素添加量の点からすると
３０ｐｐｍ程度以下であるのが好ましい。
【００１３】前述のとおり、ダイヤモンドにドープされ
たホウ素はダイヤモンドに対して不純物となるため、従
来、結晶性に敏感な12Ｃダイヤモンドでは高い熱伝導率
を発現させることは困難であると考えられていた。本発
明においては、そのような認識、或いは技術常識とは全
く逆に、同位体的に純化した12Ｃからなる同位体ダイヤ
モンド又は13Ｃからなる同位体ダイヤモンドにホウ素を
ドープすることによりｐ型半導体が得られ、しかも当該
ｐ型半導体は高熱伝導率を備えている。このため本発明
に係るホウ素をドープした12Ｃダイヤモンドは、半導体
デバイスや発光素子など熱が関与する材料として非常に
優れた材料である。
たホウ素はダイヤモンドに対して不純物となるため、従
来、結晶性に敏感な12Ｃダイヤモンドでは高い熱伝導率
を発現させることは困難であると考えられていた。本発
明においては、そのような認識、或いは技術常識とは全
く逆に、同位体的に純化した12Ｃからなる同位体ダイヤ
モンド又は13Ｃからなる同位体ダイヤモンドにホウ素を
ドープすることによりｐ型半導体が得られ、しかも当該
ｐ型半導体は高熱伝導率を備えている。このため本発明
に係るホウ素をドープした12Ｃダイヤモンドは、半導体
デバイスや発光素子など熱が関与する材料として非常に
優れた材料である。
【００１４】ダイヤモンドの製造方法としては気相法や
高圧法があるが、本発明のホウ素をドープした高熱伝導
率の同位体的に純化したダイヤモンドは、それらの何れ
の方法によっても製造される。このうち気相法では、原
料としてメタン等の炭化水素ガス又は一酸化炭素又は二
酸化炭素又はこれらの２種以上の混合ガスと水素との混
合ガスを用い、気相反応、例えばＣＶＤ法やプラズマＣ
ＶＤ法等を適用して、反応雰囲気中に配置したシリコン
ウエハー等の基板上にダイヤモンドを薄膜状に形成させ
るが、本発明のダイヤモンドも同位体的に純化したそれ
ら原料を用いて同様にして製造される。その一例とし
て、例えば原料として同位体的に９９．５％以上に純化
した12ＣＨ4 又は13ＣＨ4 を使用し、ドープ成分として
ボラン類等を添加することにより製造される。
高圧法があるが、本発明のホウ素をドープした高熱伝導
率の同位体的に純化したダイヤモンドは、それらの何れ
の方法によっても製造される。このうち気相法では、原
料としてメタン等の炭化水素ガス又は一酸化炭素又は二
酸化炭素又はこれらの２種以上の混合ガスと水素との混
合ガスを用い、気相反応、例えばＣＶＤ法やプラズマＣ
ＶＤ法等を適用して、反応雰囲気中に配置したシリコン
ウエハー等の基板上にダイヤモンドを薄膜状に形成させ
るが、本発明のダイヤモンドも同位体的に純化したそれ
ら原料を用いて同様にして製造される。その一例とし
て、例えば原料として同位体的に９９．５％以上に純化
した12ＣＨ4 又は13ＣＨ4 を使用し、ドープ成分として
ボラン類等を添加することにより製造される。
【００１５】高圧法には衝撃高圧法や静的高圧法があ
り、静的高圧法には直接変換法や融剤法がある。このう
ち直接変換法は黒鉛単体に高温高圧をかけて直接ダイヤ
モンドに変換させる方法であり、融剤法はＦｅ、Ｃｏ、
Ｎｉ等の溶融金属（含：合金）に炭素を溶解させたの
ち、ダイヤモンドを析出させる方法である。この融剤法
には膜成長法と温度差法がある。膜成長法は黒鉛とダイ
ヤモンドが溶融金属への溶解度を異にすることを利用し
た方法であり、高圧下で溶融金属と黒鉛を接触させてお
くと、黒鉛が溶解、拡散してゆき、その直後に（溶融金
属膜の後ろに）ダイヤモンドを析出させる方法である。
り、静的高圧法には直接変換法や融剤法がある。このう
ち直接変換法は黒鉛単体に高温高圧をかけて直接ダイヤ
モンドに変換させる方法であり、融剤法はＦｅ、Ｃｏ、
Ｎｉ等の溶融金属（含：合金）に炭素を溶解させたの
ち、ダイヤモンドを析出させる方法である。この融剤法
には膜成長法と温度差法がある。膜成長法は黒鉛とダイ
ヤモンドが溶融金属への溶解度を異にすることを利用し
た方法であり、高圧下で溶融金属と黒鉛を接触させてお
くと、黒鉛が溶解、拡散してゆき、その直後に（溶融金
属膜の後ろに）ダイヤモンドを析出させる方法である。
【００１６】一方、温度差法は、温度の違いによりダイ
ヤモンドが溶融金属への溶解度を異にすることを利用し
た方法であり（温度差：２０〜５０℃程度）、高圧下で
加熱された溶融金属相に対し、その一方を高温に保持し
て原料の炭素を溶解させ、他方をより低温としてダイヤ
モンドを析出させる方法である。温度差法では、低温域
に置かれたダイヤモンド種結晶上に大粒のダイヤモンド
を成長させるが、種結晶の上部に核形成抑制用遮断層及
び隔離用遮断層を配置することにより、そこで発生する
自発的核の生成を抑制し、また種結晶の溶解をダイヤモ
ンド成長が発現するまで抑制するようにされている。
ヤモンドが溶融金属への溶解度を異にすることを利用し
た方法であり（温度差：２０〜５０℃程度）、高圧下で
加熱された溶融金属相に対し、その一方を高温に保持し
て原料の炭素を溶解させ、他方をより低温としてダイヤ
モンドを析出させる方法である。温度差法では、低温域
に置かれたダイヤモンド種結晶上に大粒のダイヤモンド
を成長させるが、種結晶の上部に核形成抑制用遮断層及
び隔離用遮断層を配置することにより、そこで発生する
自発的核の生成を抑制し、また種結晶の溶解をダイヤモ
ンド成長が発現するまで抑制するようにされている。
【００１７】図１は、上記のような温度差法について、
これまで紹介された「試料構成」等の一例を示すもので
ある〔「資源処理技術」Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１（’９
０ー春），ｐ．２３〜２８〕。図１中１は炭素源、２は
金属溶媒、３は白金箔、４はダイヤモンド種結晶であ
る。この構成試料をＮａＣｌ成形体のカプセルに入れ、
このカプセルが筒形のヒータの中に炭素源がヒータの中
央にくるように詰められるが、筒形のヒータでは中央部
が高温で両端が低温となることから、この温度分布によ
り金属溶媒に温度差がつけられる。
これまで紹介された「試料構成」等の一例を示すもので
ある〔「資源処理技術」Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１（’９
０ー春），ｐ．２３〜２８〕。図１中１は炭素源、２は
金属溶媒、３は白金箔、４はダイヤモンド種結晶であ
る。この構成試料をＮａＣｌ成形体のカプセルに入れ、
このカプセルが筒形のヒータの中に炭素源がヒータの中
央にくるように詰められるが、筒形のヒータでは中央部
が高温で両端が低温となることから、この温度分布によ
り金属溶媒に温度差がつけられる。
【００１８】次いで、それを高圧容器中に詰め、約６万
気圧に加圧した後、約１４００℃に加熱して１５〜２４
時間保持すると、図１中、符号５で示すような２〜３ｍ
ｍの結晶が得られるが、この場合上記白金箔３は、結晶
育成開始時に種結晶が金属溶媒に溶解して消失しないよ
うに種結晶を保護するためのものと説明されている。な
お、上記文献によれば、この白金箔３は、時間とともに
次第に金属溶媒に溶け込んでなくなるが、そのときには
金属溶媒は炭素で飽和されているため、ダイヤモンド種
結晶４が溶解されることはない。
気圧に加圧した後、約１４００℃に加熱して１５〜２４
時間保持すると、図１中、符号５で示すような２〜３ｍ
ｍの結晶が得られるが、この場合上記白金箔３は、結晶
育成開始時に種結晶が金属溶媒に溶解して消失しないよ
うに種結晶を保護するためのものと説明されている。な
お、上記文献によれば、この白金箔３は、時間とともに
次第に金属溶媒に溶け込んでなくなるが、そのときには
金属溶媒は炭素で飽和されているため、ダイヤモンド種
結晶４が溶解されることはない。
【００１９】ダイヤモンド単結晶を温度差法によって合
成する場合、その原料炭素としてはダイヤモンド、黒
鉛、或いはその混合物が使用される。本発明において温
度差法によって12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド単結晶
を製造する場合にも原料炭素としてそれらの炭素を用い
得るが、好ましくは熱分解炭素、化学蒸着により合成さ
れたダイヤモンド又は化学蒸着により合成されたダイヤ
モンド状炭素が使用される。
成する場合、その原料炭素としてはダイヤモンド、黒
鉛、或いはその混合物が使用される。本発明において温
度差法によって12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド単結晶
を製造する場合にも原料炭素としてそれらの炭素を用い
得るが、好ましくは熱分解炭素、化学蒸着により合成さ
れたダイヤモンド又は化学蒸着により合成されたダイヤ
モンド状炭素が使用される。
【００２０】例えば特開平４ー１０８５３２号には、炭
素源として好ましくは薄膜法（気相法）で得られたダイ
ヤモンドを使用することにより、同じく温度差法によっ
て高い同位体純度を持った熱伝導率の高い単結晶ダイヤ
モンドを製造する技術が提案されている。また、特開平
５ー２００２７１号によれば、炭素源としてホウ素を孤
立置換型不純物として含むＩＩｂ型ダイヤモンド粉末を
使用し、温度差法により半導体特性を有するダイヤモン
ド単結晶を育成しているが、これは天然同位体比のダイ
ヤモンドに係るもので、熱伝導特性についての配慮もな
いから、これらの点で本発明とは基本的に異なるもので
ある。
素源として好ましくは薄膜法（気相法）で得られたダイ
ヤモンドを使用することにより、同じく温度差法によっ
て高い同位体純度を持った熱伝導率の高い単結晶ダイヤ
モンドを製造する技術が提案されている。また、特開平
５ー２００２７１号によれば、炭素源としてホウ素を孤
立置換型不純物として含むＩＩｂ型ダイヤモンド粉末を
使用し、温度差法により半導体特性を有するダイヤモン
ド単結晶を育成しているが、これは天然同位体比のダイ
ヤモンドに係るもので、熱伝導特性についての配慮もな
いから、これらの点で本発明とは基本的に異なるもので
ある。
【００２１】このほか、その炭素源としては熱分解炭素
も使用し得るが、この場合には通常前処理が必要不可欠
である。その前処理としては、例えば熱分解炭素の粉末
を鋼製ダイを用いて圧搾し、グラファイトのカプセル中
に置き、誘導加熱炉を用いて真空中温度１８００〜２０
００℃に加熱してアニーリングする等の手法が採られ
る。ところが、その炭素源としてフレーク状の熱分解炭
素を使用すれば、そのような前処理を必要とすることな
く単結晶ダイヤモンドが得られる（特開平８ー１４１３
８５号）。当該フレーク状熱分解炭素は表１に示す特性
を備えている（表１には比較のためスート状熱分解炭素
の特性についても記載している）。
も使用し得るが、この場合には通常前処理が必要不可欠
である。その前処理としては、例えば熱分解炭素の粉末
を鋼製ダイを用いて圧搾し、グラファイトのカプセル中
に置き、誘導加熱炉を用いて真空中温度１８００〜２０
００℃に加熱してアニーリングする等の手法が採られ
る。ところが、その炭素源としてフレーク状の熱分解炭
素を使用すれば、そのような前処理を必要とすることな
く単結晶ダイヤモンドが得られる（特開平８ー１４１３
８５号）。当該フレーク状熱分解炭素は表１に示す特性
を備えている（表１には比較のためスート状熱分解炭素
の特性についても記載している）。
【００２２】上記フレーク状熱分解炭素は高濃度のメタ
ン、エタン、プロパン、ベンゼン、アセチレンその他の
炭化水素ガス又は一酸化炭素（キヤリアガスを使用せ
ず、濃度１００％の炭化水素ガス又は一酸化炭素である
場合を含む）を熱分解炉中で、例えばメタンの場合分解
処理温度１８００〜２０００℃、炉内圧力１〜５ｔｏｒ
ｒで熱分解させて黒鉛シート等の基材上に沈積させ、次
いでその基材から剥離することにより得られる。なお表
１中、ＢＡＦ値とはＸ線回折手法を用いて求められるも
ので、この数値が大きいほど異方性が大きいことを表わ
し、通常の黒鉛のＢＡＦ値は２以下である。
ン、エタン、プロパン、ベンゼン、アセチレンその他の
炭化水素ガス又は一酸化炭素（キヤリアガスを使用せ
ず、濃度１００％の炭化水素ガス又は一酸化炭素である
場合を含む）を熱分解炉中で、例えばメタンの場合分解
処理温度１８００〜２０００℃、炉内圧力１〜５ｔｏｒ
ｒで熱分解させて黒鉛シート等の基材上に沈積させ、次
いでその基材から剥離することにより得られる。なお表
１中、ＢＡＦ値とはＸ線回折手法を用いて求められるも
ので、この数値が大きいほど異方性が大きいことを表わ
し、通常の黒鉛のＢＡＦ値は２以下である。
【００２３】
【表 １】
【００２４】本発明において、炭素源としてフレーク状
熱分解炭素を用いる場合には、フレーク状熱分解炭素を
製造するその時点において、原料炭化水素ガス中又は原
料一酸化炭素中の炭素同位体の比率、例えばメタン中の
12Ｃ又は13Ｃの比率を選ぶことで、すなわち同位体組成
を変化させたメタンを使用することにより、12Ｃ又は13
Ｃを高比率で含むダイヤモンドを製造することができ
る。
熱分解炭素を用いる場合には、フレーク状熱分解炭素を
製造するその時点において、原料炭化水素ガス中又は原
料一酸化炭素中の炭素同位体の比率、例えばメタン中の
12Ｃ又は13Ｃの比率を選ぶことで、すなわち同位体組成
を変化させたメタンを使用することにより、12Ｃ又は13
Ｃを高比率で含むダイヤモンドを製造することができ
る。
【００２５】本発明の実施に際して適用する圧力及び温
度としては、ダイヤモンド安定領域内の条件であれば特
に限定はないが、好ましくは圧力約５〜６．５ＧＰａ、
温度約１３００〜１５００℃で実施することができる。
また融剤としては、融剤法用として知られている金属又
は合金（含、混合物）であれば何れも使用できるが、好
ましくはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これら金属相互の合金を用
いることができ、これらに対してホウ素源としての成
分、例えばホウ素が添加される。また必要に応じて窒素
ゲッター（Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ等）を含む融剤を用いるこ
とで、不純物としての窒素を含まないか、窒素を実質上
含まないダイヤモンドが得られる。
度としては、ダイヤモンド安定領域内の条件であれば特
に限定はないが、好ましくは圧力約５〜６．５ＧＰａ、
温度約１３００〜１５００℃で実施することができる。
また融剤としては、融剤法用として知られている金属又
は合金（含、混合物）であれば何れも使用できるが、好
ましくはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これら金属相互の合金を用
いることができ、これらに対してホウ素源としての成
分、例えばホウ素が添加される。また必要に応じて窒素
ゲッター（Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ等）を含む融剤を用いるこ
とで、不純物としての窒素を含まないか、窒素を実質上
含まないダイヤモンドが得られる。
【００２６】
【実施例】以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説
明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは
勿論である。ここでは温度差法によった実施例について
記載しているが、気相法等による場合についても同様で
ある。図２及び図３は、それぞれ、本実施例で使用した
試料構成及び超高圧装置を示すものである。
明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは
勿論である。ここでは温度差法によった実施例について
記載しているが、気相法等による場合についても同様で
ある。図２及び図３は、それぞれ、本実施例で使用した
試料構成及び超高圧装置を示すものである。
【００２７】図２のとおり、試料構成は図１に示す試料
構成とほぼ同様であり、図２中図１と共通する部分につ
いては同一の符号を用いている。１は炭素源、２は金属
溶媒（＝融剤）、３は白金箔、４はダイヤモンド種結晶
である。白金箔３はダイヤモンド種結晶４と融剤２との
間に配置するが、これは製造操作の初期段階でその種結
晶４が溶解してしまうことを防ぐためである。また、６
は黒鉛製のヒータ、７は圧力媒体、８は圧力媒体７を封
止するためその周辺に設けた鉄製の封止リングである。
本実施例では、融剤２として窒素ゲッターを含む金属溶
媒を、また圧力を均一に伝えるための圧力媒体７として
は「ＮａＣｌ＋１０ｗｔ％ＺｒＯ2 」を使用した。
構成とほぼ同様であり、図２中図１と共通する部分につ
いては同一の符号を用いている。１は炭素源、２は金属
溶媒（＝融剤）、３は白金箔、４はダイヤモンド種結晶
である。白金箔３はダイヤモンド種結晶４と融剤２との
間に配置するが、これは製造操作の初期段階でその種結
晶４が溶解してしまうことを防ぐためである。また、６
は黒鉛製のヒータ、７は圧力媒体、８は圧力媒体７を封
止するためその周辺に設けた鉄製の封止リングである。
本実施例では、融剤２として窒素ゲッターを含む金属溶
媒を、また圧力を均一に伝えるための圧力媒体７として
は「ＮａＣｌ＋１０ｗｔ％ＺｒＯ2 」を使用した。
【００２８】この試料構成（上記のように構成した試
料）をダイヤモンドの安定条件でかつ融剤が溶解する高
温高圧下の条件に保持すると種結晶上にダイヤモンド単
結晶が成長するが、円筒形のヒータを用いる場合、その
中央部が比較的高温になり、その上下周辺部の温度は低
くなるので、この性質を利用して融剤の中央側（高温）
と下側（低温）に温度差をつくり出すことができる。こ
のため炭素源が中央部すなわち高温部に位置するように
配置するが、これにより高温である上側の原料炭素を融
剤に溶解させ、低温である下側の種結晶上にダイヤモン
ド単結晶として析出させる。
料）をダイヤモンドの安定条件でかつ融剤が溶解する高
温高圧下の条件に保持すると種結晶上にダイヤモンド単
結晶が成長するが、円筒形のヒータを用いる場合、その
中央部が比較的高温になり、その上下周辺部の温度は低
くなるので、この性質を利用して融剤の中央側（高温）
と下側（低温）に温度差をつくり出すことができる。こ
のため炭素源が中央部すなわち高温部に位置するように
配置するが、これにより高温である上側の原料炭素を融
剤に溶解させ、低温である下側の種結晶上にダイヤモン
ド単結晶として析出させる。
【００２９】次に、図３は本実施例で用いたいわゆるフ
ラットベルト型の超高圧装置の断面図を示すものであ
る。図示のとおり、この装置は基本的に超硬合金を用い
たシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）及びアンビル（ａｎ
ｖｉｌ）からなり、図３中、９はガスケットである。ガ
スケット９はアンビルとシリンダーの間で圧力を封止す
るためのもので、本実施例ではその材質としてパイロフ
ェライトを用いている。このシリンダー及びアンビルで
形成される空間中に図２のとおりの試料構成を配置する
が、加熱はアンビルからステンレス鋼製の電極１１、通
電リング（鉄製）１２、モリブデン製電極１０を通して
黒鉛ヒータ６に電流を流すことにより行われる。また黒
鉛ヒータ６の上下には、断熱のためにジルコニア板１３
を使用している。
ラットベルト型の超高圧装置の断面図を示すものであ
る。図示のとおり、この装置は基本的に超硬合金を用い
たシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）及びアンビル（ａｎ
ｖｉｌ）からなり、図３中、９はガスケットである。ガ
スケット９はアンビルとシリンダーの間で圧力を封止す
るためのもので、本実施例ではその材質としてパイロフ
ェライトを用いている。このシリンダー及びアンビルで
形成される空間中に図２のとおりの試料構成を配置する
が、加熱はアンビルからステンレス鋼製の電極１１、通
電リング（鉄製）１２、モリブデン製電極１０を通して
黒鉛ヒータ６に電流を流すことにより行われる。また黒
鉛ヒータ６の上下には、断熱のためにジルコニア板１３
を使用している。
【００３０】《実施例》図２の試料構成及び図３の超高
圧装置を用いて、本発明によるダイヤモンド単結晶を製
造した。炭素源としては、キヤリアガスを使用すること
なく（すなわち１００％メタン）、ＬＮＧから精密蒸留
法により得られた同位体的に純化した12Ｃメタンガス（
12ＣＨ4 純度：９９．９５％以上）を分解処理温度１９
００℃、炉内圧力２ｔｏｒｒで熱分解させて黒鉛シート
基材に沈積させ、剥離することにより得られたものを用
いた。これは光学顕微鏡によるとＣｏｌｕｍｎａｒ状の
構造をしており、かさ密度１．１０ｇ／ｃｍ3 、ＢＡＦ
値＝５、ＢＥＴ表面積３．１ｍ2／ｇを有するものであ
る。
圧装置を用いて、本発明によるダイヤモンド単結晶を製
造した。炭素源としては、キヤリアガスを使用すること
なく（すなわち１００％メタン）、ＬＮＧから精密蒸留
法により得られた同位体的に純化した12Ｃメタンガス（
12ＣＨ4 純度：９９．９５％以上）を分解処理温度１９
００℃、炉内圧力２ｔｏｒｒで熱分解させて黒鉛シート
基材に沈積させ、剥離することにより得られたものを用
いた。これは光学顕微鏡によるとＣｏｌｕｍｎａｒ状の
構造をしており、かさ密度１．１０ｇ／ｃｍ3 、ＢＡＦ
値＝５、ＢＥＴ表面積３．１ｍ2／ｇを有するものであ
る。
【００３１】このフレーク状熱分解炭素２３１ｍｇにホ
ウ素を添加し（添加量：１０００ｐｐｍ）、炭素源１と
して使用した。窒素ゲッターを含む金属溶媒である融剤
２上に上記炭素源１を配置して図２のとおりの試料構成
とし、この試料構成を図３におけるシリンダー中に配置
した。その後、上下のアンビルにより加圧をして圧力媒
体７を６．３ＧＰａに加圧した。この加圧後、ステンレ
ス鋼製電極１１、通電リング１２、モリブデン製電極１
０を通して黒鉛ヒータ６に電流〔ＡＣ、２．６９Ｖ、６
６４Ａ（アンペア）〕を流して温度１４５０℃に加熱し
た。この場合その操作温度はＰｔ／Ｐｔ１３％Ｒｈ熱電
対により較正した。
ウ素を添加し（添加量：１０００ｐｐｍ）、炭素源１と
して使用した。窒素ゲッターを含む金属溶媒である融剤
２上に上記炭素源１を配置して図２のとおりの試料構成
とし、この試料構成を図３におけるシリンダー中に配置
した。その後、上下のアンビルにより加圧をして圧力媒
体７を６．３ＧＰａに加圧した。この加圧後、ステンレ
ス鋼製電極１１、通電リング１２、モリブデン製電極１
０を通して黒鉛ヒータ６に電流〔ＡＣ、２．６９Ｖ、６
６４Ａ（アンペア）〕を流して温度１４５０℃に加熱し
た。この場合その操作温度はＰｔ／Ｐｔ１３％Ｒｈ熱電
対により較正した。
【００３２】上記操作状態を１１０時間継続させた後、
電流を切り、その後加圧状態を解除し、ダイヤモンド単
結晶を得た。この生成ダイヤモンドの重量は７６．４ｍ
ｇであり、この結晶の表面のファセットは主に｛１０
０｝と｛１１１｝であった。以上と同様にして、12Ｃメ
タンガスから得られたフレーク状熱分解炭素にホウ素を
１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、１％、３％、１０％
（ｍｏｌ）と変えて添加したものを炭素源として、それ
ぞれダイヤモンド単結晶を製造した。
電流を切り、その後加圧状態を解除し、ダイヤモンド単
結晶を得た。この生成ダイヤモンドの重量は７６．４ｍ
ｇであり、この結晶の表面のファセットは主に｛１０
０｝と｛１１１｝であった。以上と同様にして、12Ｃメ
タンガスから得られたフレーク状熱分解炭素にホウ素を
１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、１％、３％、１０％
（ｍｏｌ）と変えて添加したものを炭素源として、それ
ぞれダイヤモンド単結晶を製造した。
【００３３】《比較例》以上の手法と同様にして、ホウ
素をドープしない（すなわち炭素源にホウ素を添加しな
いで製造した）天然同位体比ダイヤモンド（12Ｃ＝９
８．９％）、ホウ素をドープした（すなわち炭素源にホ
ウ素を添加して製造した）天然同位体比ダイヤモンド（
12Ｃ＝９８．９％）、ホウ素をドープしない12Ｃダイヤ
モンド（12Ｃ＝９９．９５％以上）を製造した。こうし
て得られた各ダイヤモンドについてその中のホウ素量及
びその熱伝導率を測定した。ここでの熱伝導率について
は下記測定１により測定した。
素をドープしない（すなわち炭素源にホウ素を添加しな
いで製造した）天然同位体比ダイヤモンド（12Ｃ＝９
８．９％）、ホウ素をドープした（すなわち炭素源にホ
ウ素を添加して製造した）天然同位体比ダイヤモンド（
12Ｃ＝９８．９％）、ホウ素をドープしない12Ｃダイヤ
モンド（12Ｃ＝９９．９５％以上）を製造した。こうし
て得られた各ダイヤモンドについてその中のホウ素量及
びその熱伝導率を測定した。ここでの熱伝導率について
は下記測定１により測定した。
【００３４】〈ホウ素量の測定〉使用装置として顕微フ
ーリエ変換赤外分光光度計〔Ｊａｎｓｓｅｎ Ｍｉｃｒ
ｏ ＦＴＩＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、日本分光
（株）社製〕を用いて、ダイヤモンド中のホウ素による
１２８０ｃｍ-1、２８００ｃｍ-1の吸収ピークの強度に
よりホウ素の定量を行った。この方法によりダイヤモン
ド中の電気伝導に寄与するホウ素量が定量される（実効
アクセプタ密度）。表２中、ホウ素の濃度とは、この計
測値を示している。表２には、それらに対応する、原料
炭素源へのホウ素の添加量（原料中ホウ素投入量）も示
している。
ーリエ変換赤外分光光度計〔Ｊａｎｓｓｅｎ Ｍｉｃｒ
ｏ ＦＴＩＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、日本分光
（株）社製〕を用いて、ダイヤモンド中のホウ素による
１２８０ｃｍ-1、２８００ｃｍ-1の吸収ピークの強度に
よりホウ素の定量を行った。この方法によりダイヤモン
ド中の電気伝導に寄与するホウ素量が定量される（実効
アクセプタ密度）。表２中、ホウ素の濃度とは、この計
測値を示している。表２には、それらに対応する、原料
炭素源へのホウ素の添加量（原料中ホウ素投入量）も示
している。
【００３５】〈熱伝導率の測定１〉ラマンスペクトルの
半値幅は間接的に熱伝導率と相関があり、高結晶性のダ
イヤモンドでは、ラマンスペクトルの半値幅が小さいほ
ど、高い熱伝導率を示唆していると考えられる。レーザ
ーラマン分光光度計〔日本分光（株）社製、ＮＲー１８
００型〕によりラマンスペクトルの測定を行った。光源
は５１４．５３ｍｍの波長のアルゴンレーザーとし、出
力は２００ｍＷとした。ダイヤモンドのピークは１３３
３ｃｍ-1付近に現れるため、その半値幅の測定を行っ
た。本測定における分解能は、回折格子（１８００／ｍ
ｍ）、スリット幅（２０μｍ）等の測定条件からして、
０．２ｃｍ-1程度であると解される。表２はこれらの測
定結果である。表２中の実施例１〜実施例５は以上の各
測定により得られた結果のうち代表例を示したものであ
る。
半値幅は間接的に熱伝導率と相関があり、高結晶性のダ
イヤモンドでは、ラマンスペクトルの半値幅が小さいほ
ど、高い熱伝導率を示唆していると考えられる。レーザ
ーラマン分光光度計〔日本分光（株）社製、ＮＲー１８
００型〕によりラマンスペクトルの測定を行った。光源
は５１４．５３ｍｍの波長のアルゴンレーザーとし、出
力は２００ｍＷとした。ダイヤモンドのピークは１３３
３ｃｍ-1付近に現れるため、その半値幅の測定を行っ
た。本測定における分解能は、回折格子（１８００／ｍ
ｍ）、スリット幅（２０μｍ）等の測定条件からして、
０．２ｃｍ-1程度であると解される。表２はこれらの測
定結果である。表２中の実施例１〜実施例５は以上の各
測定により得られた結果のうち代表例を示したものであ
る。
【００３６】表２のとおり、比較例４、すなわち12Ｃダ
イヤモンド（12Ｃ＝９９．９５％以上）のラマンスペク
トルの半値幅は１．５４ｃｍ-1であり、この値は熱伝導
率約３１Ｗ／ｃｍ・Ｋ程度に相当するものである。これ
に対して、実施例１：12Ｃダイヤモンド（12Ｃ＝９９．
９５％以上）、実施例２：12Ｃダイヤモンド（12Ｃ＝９
９．９５％以上）、実施例３：12Ｃダイヤモンド（12Ｃ
＝９９．９５％以上）では、共に上記比較例４の12Ｃダ
イヤモンドと同等のラマンスペクトル半値幅を示し、高
い熱伝導率を有することを示している。従来の技術常識
からすると、ダイヤモンドに対してホウ素は不純物であ
り、熱伝導率を低下させるはずであるのに、本発明によ
れば、ホウ素のドープが、熱伝導率に何らの影響もない
ことを示している。
イヤモンド（12Ｃ＝９９．９５％以上）のラマンスペク
トルの半値幅は１．５４ｃｍ-1であり、この値は熱伝導
率約３１Ｗ／ｃｍ・Ｋ程度に相当するものである。これ
に対して、実施例１：12Ｃダイヤモンド（12Ｃ＝９９．
９５％以上）、実施例２：12Ｃダイヤモンド（12Ｃ＝９
９．９５％以上）、実施例３：12Ｃダイヤモンド（12Ｃ
＝９９．９５％以上）では、共に上記比較例４の12Ｃダ
イヤモンドと同等のラマンスペクトル半値幅を示し、高
い熱伝導率を有することを示している。従来の技術常識
からすると、ダイヤモンドに対してホウ素は不純物であ
り、熱伝導率を低下させるはずであるのに、本発明によ
れば、ホウ素のドープが、熱伝導率に何らの影響もない
ことを示している。
【００３７】
【表 ２】
【００３８】〈熱伝導率の測定２〉上記測定２のラマン
スペクトルの半値幅による測定は間接的方法であるが、
本測定２は直接的方法である。使用装置としては定常法
高熱伝導率測定装置〔ＴＳ／Ｌλー８５５０、（株）リ
ガク社製〕を使用した。サンプルとしては、前記製造工
程で得た２×０．３×３ｍｍの各ダイヤモンドを用い
た。ダイヤモンドサンプルの両側を金製のプローブによ
り挟み（２×２×８ｍｍ）、そのプローブの両側に温度
差をつけた。真空中において定常状態になるまで保持
し、予め黒鉛ペーストを塗布したサンプル及びプローブ
の表面の温度勾配を赤外線検出器により測定した。
スペクトルの半値幅による測定は間接的方法であるが、
本測定２は直接的方法である。使用装置としては定常法
高熱伝導率測定装置〔ＴＳ／Ｌλー８５５０、（株）リ
ガク社製〕を使用した。サンプルとしては、前記製造工
程で得た２×０．３×３ｍｍの各ダイヤモンドを用い
た。ダイヤモンドサンプルの両側を金製のプローブによ
り挟み（２×２×８ｍｍ）、そのプローブの両側に温度
差をつけた。真空中において定常状態になるまで保持
し、予め黒鉛ペーストを塗布したサンプル及びプローブ
の表面の温度勾配を赤外線検出器により測定した。
【００３９】サンプルの温度勾配と金製のプローブの温
度勾配により下記式（１）によりサンプルの熱伝導率
（λSample）を算出した。式（１）中、λAuは金製プロ
ーブの熱伝導率、（ｄＴ／ｄＬ）Au、（ｄＴ／ｄＬ）
Sampleはそれぞれ金製プローブ及びサンプルの温度勾
配、ＡAu、ＡSampleはそれぞれ金製プローブ及びサンプ
ルの断面積である。表３はこうして得られた結果の代表
例をまとめて示したものである。本熱伝導率測定はサン
プルの温度が約３６℃の時に行っており、熱伝導の妨げ
となるフォノン散乱は温度が低い方が小さいため、室温
での熱伝導率の測定値はより高い値となると考えられ
る。
度勾配により下記式（１）によりサンプルの熱伝導率
（λSample）を算出した。式（１）中、λAuは金製プロ
ーブの熱伝導率、（ｄＴ／ｄＬ）Au、（ｄＴ／ｄＬ）
Sampleはそれぞれ金製プローブ及びサンプルの温度勾
配、ＡAu、ＡSampleはそれぞれ金製プローブ及びサンプ
ルの断面積である。表３はこうして得られた結果の代表
例をまとめて示したものである。本熱伝導率測定はサン
プルの温度が約３６℃の時に行っており、熱伝導の妨げ
となるフォノン散乱は温度が低い方が小さいため、室温
での熱伝導率の測定値はより高い値となると考えられ
る。
【００４０】
【式 １】
【００４１】
【表 ３】
【００４２】表３から明らかなとおり、天然同位体比の
ホウ素を含まないダイヤモンドは電気特性としては絶縁
体であり、熱伝導率約２３Ｗ／ｃｍ・Ｋという熱伝導特
性を示している。また天然同位体比でホウ素を含むダイ
ヤモンドは電気特性としてはｐ型半導体であるが、熱伝
導率は約２４Ｗ／ｃｍ・Ｋ程度の値である。これに対し
て、12Ｃ純粋（12Ｃ同位体≧９９．９５％）でホウ素を
３〜４ｐｐｍ含むダイヤモンドにおいては、ｐ型半導体
であるのに加えて、熱伝導率約３１Ｗ／ｃｍ・Ｋという
熱伝導特性を示し、同じ12Ｃ純粋ダイヤモンドでホウ素
を３０〜４０ｐｐｍ含む場合にも熱伝導率約２８Ｗ／ｃ
ｍ・Ｋという優れた値を示している。なお、ホウ素ドー
プ量に３０〜４０ｐｐｍと幅があるのはサンプル中ホウ
素がこの範囲で分布していたためである。
ホウ素を含まないダイヤモンドは電気特性としては絶縁
体であり、熱伝導率約２３Ｗ／ｃｍ・Ｋという熱伝導特
性を示している。また天然同位体比でホウ素を含むダイ
ヤモンドは電気特性としてはｐ型半導体であるが、熱伝
導率は約２４Ｗ／ｃｍ・Ｋ程度の値である。これに対し
て、12Ｃ純粋（12Ｃ同位体≧９９．９５％）でホウ素を
３〜４ｐｐｍ含むダイヤモンドにおいては、ｐ型半導体
であるのに加えて、熱伝導率約３１Ｗ／ｃｍ・Ｋという
熱伝導特性を示し、同じ12Ｃ純粋ダイヤモンドでホウ素
を３０〜４０ｐｐｍ含む場合にも熱伝導率約２８Ｗ／ｃ
ｍ・Ｋという優れた値を示している。なお、ホウ素ドー
プ量に３０〜４０ｐｐｍと幅があるのはサンプル中ホウ
素がこの範囲で分布していたためである。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、ホウ素をドープしてな
り、しかもきわめて高い熱伝導性を有する12Ｃ又は13Ｃ
同位体ダイヤモンドが得られる。このため当該ホウ素を
ドープした高熱伝導性の12Ｃ同位体ダイヤモンド又は13
Ｃ同位体ダイヤモンドは、半導体デバイスや発光素子な
ど熱が関与する材料として非常に優れた材料である。
り、しかもきわめて高い熱伝導性を有する12Ｃ又は13Ｃ
同位体ダイヤモンドが得られる。このため当該ホウ素を
ドープした高熱伝導性の12Ｃ同位体ダイヤモンド又は13
Ｃ同位体ダイヤモンドは、半導体デバイスや発光素子な
ど熱が関与する材料として非常に優れた材料である。
【図１】温度差法における試料構成等の一例を示す図。
【図２】本実施例で使用した試料構成図。
【図３】本実施例で使用した超高圧装置を示す図。
１ 炭素源 ２ 金属溶媒（融剤） ３ 白金箔 ４ ダイヤモンド種結晶 ５ 合成ダイヤモンド結晶 ６ 黒鉛製ヒーター ７ 圧力媒体 ８ 鉄製封止リング ９ ガスケット １０、１１ 電極 １２ 通電リング １３ ジルコニア板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片岡 加寿弘 埼玉県所沢市山口106ー33
Claims (12)
- 【請求項１】ホウ素をドープした高熱伝導率の同位体的
に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド。 - 【請求項２】上記同位体ダイヤモンドの12Ｃ又は13Ｃ同
位体の純度が少なくとも９９．５％以上である請求項１
記載のホウ素をドープした高熱伝導率の同位体的に純化
した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド。 - 【請求項３】上記同位体ダイヤモンドの12Ｃ又は13Ｃ同
位体の純度が少なくとも９９．５％以上であり、上記高
熱伝導率が室温下で天然同位体比の高純度ダイヤモンド
に比べて３０％以上高い熱伝導率である請求項１記載の
ホウ素をドープした高熱伝導率の同位体的に純化した12
Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド。 - 【請求項４】上記ホウ素の濃度が１００ｐｐｍ以下であ
る請求項１記載のホウ素をドープした高熱伝導率の同位
体的に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド。 - 【請求項５】ホウ素をドープした高熱伝導率の同位体的
に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドを用いてな
ることを特徴とする発光素子。 - 【請求項６】ホウ素をドープした高熱伝導率の同位体的
に純化した12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドを用いてな
ることを特徴とする半導体デバイス。 - 【請求項７】原料として同位体的に純化した12Ｃ又は13
Ｃからなる炭素を使用し、窒素ゲッターを含む融剤を用
いて、該炭素原料中及び／又は融剤中、或いは該炭素原
料及び融剤の周囲にホウ素を添加し、高圧高温下で該炭
素原料を融剤中に拡散させることによりホウ素をドープ
したダイヤモンド単結晶を種結晶ダイヤモンド上に生成
させることを特徴とする12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモン
ド単結晶の製造方法。 - 【請求項８】上記原料炭素の12Ｃ又は13Ｃ同位体の純度
が９９．５％以上である請求項７記載の12Ｃ又は13Ｃ同
位体ダイヤモンド単結晶の製造方法。 - 【請求項９】上記ホウ素の濃度が１００ｐｐｍ以下であ
る請求項７記載の12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンド単結
晶の製造方法。 - 【請求項１０】上記原料炭素が熱分解炭素、化学蒸着に
より合成されたダイヤモンド又は化学蒸着により合成さ
れたダイヤモンド状炭素である請求項７記載の12Ｃ又は
13Ｃ同位体ダイヤモンド単結晶の製造方法。 - 【請求項１１】原料として同位体的に純化した12Ｃ又は
13Ｃからなる炭化水素又は一酸化炭素又は二酸化炭素又
はこれらの２種以上の混合ガスと水素との混合ガスを用
いるとともに、ドープ成分を添加することにより反応雰
囲気中に配置した基板上にダイヤモンドを薄膜状に形成
させることを特徴とするホウ素をドープした高熱伝導率
の12Ｃ又は13Ｃ同位体ダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項１２】同位体的に純化した12Ｃ又は13Ｃからな
る炭化水素が12ＣＨ4又は13ＣＨ4である請求項１１記載
のホウ素をドープした高熱伝導率の12Ｃ又は13Ｃ同位体
ダイヤモンドの製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9344037A JPH11100297A (ja) | 1997-08-01 | 1997-11-29 | ホウ素をドープした同位体ダイヤモンド及びその製造方法 |
| EP98114316A EP0894766B1 (en) | 1997-08-01 | 1998-07-30 | Boron-doped isotopic diamond and process for producing the same |
| DE69826193T DE69826193T2 (de) | 1997-08-01 | 1998-07-30 | Bordotierter isotopischer Diamant und Verfahren zu seiner Herstellung |
| US09/732,799 US20010001385A1 (en) | 1997-08-01 | 2000-12-08 | Boron-doped isotopic diamond and process for producing the same |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22113697 | 1997-08-01 | ||
| JP9-221136 | 1997-08-01 | ||
| JP9344037A JPH11100297A (ja) | 1997-08-01 | 1997-11-29 | ホウ素をドープした同位体ダイヤモンド及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11100297A true JPH11100297A (ja) | 1999-04-13 |
Family
ID=26524107
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9344037A Pending JPH11100297A (ja) | 1997-08-01 | 1997-11-29 | ホウ素をドープした同位体ダイヤモンド及びその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0894766B1 (ja) |
| JP (1) | JPH11100297A (ja) |
| DE (1) | DE69826193T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2003034514A (ja) * | 2001-07-17 | 2003-02-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 同位体比率を制御した炭素材料及びその製造方法 |
| WO2005035174A1 (ja) * | 2003-10-10 | 2005-04-21 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | ダイヤモンド工具、合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法ならびにダイヤモンド宝飾品 |
| JP2007055819A (ja) * | 2005-08-22 | 2007-03-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 高硬度ダイヤモンド多結晶体及びその製造方法 |
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| JP2013203591A (ja) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Toyota Central R&D Labs Inc | 摺動部材 |
| JP2014084248A (ja) * | 2012-10-23 | 2014-05-12 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法 |
| US9227166B2 (en) | 2005-07-21 | 2016-01-05 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | High-hardness polycrystalline diamond and method of preparing the same |
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