n型半导体金刚石的制造方法及半导体金刚石技术

加工金刚石｛１００｝单晶基板（１０），形成金刚石｛１１１｝面后，一边在金刚石｛１１１｝面上掺杂ｎ型掺杂剂一边使金刚石外延生长，形成ｎ型金刚石外延层（２０）。而且通过将上述方式得到的ｎ型半导体金刚石和ｐ型半导体金刚石、和未掺杂金刚石加以组合，采用ｐ型半导体金刚石｛１００｝单晶基板等，可以得到ｐｎ结型、ｐｎｐ结型、ｎｐｎ结型及ｐｉｎ结型半导体金刚石。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及n型半导体金刚石的制造方法、n型半导体金刚石、pn结型半导体金刚石、pnp结型半导体金刚石、npn结型半导体金刚石以及pin结型半导体金刚石。
技术介绍
现在利用金刚石作为半导体器件材料的研究正在全力进行。使用金刚石的半导体器件，在高温环境下，即使在宇宙环境下也稳定地动作，而且能够耐受高速和高输出的动作，因此其必要性很高。为了利用金刚石作为半导体器件的材料，需要进行p型或n型导电型控制。p型半导体金刚石，例如在金刚石的化学气相生长(CVD)时，通过向腔室内导入以含硼化合物作为杂质源而能够容易得到。另一方面，迄今为止一直难于合成的n型半导体金刚石，近年来通过一边在金刚石{111}单晶基板上掺杂磷作为n型掺杂剂，一边使金刚石外延生长而可以获得。而且有人提出这样一种金刚石紫外线发光元件，其中具有在导电性的金刚石{111}单晶基板上形成的硼掺杂p型半导体金刚石薄膜的表面上，层叠有磷掺杂n型半导体金刚石薄膜作为n型层的pn结结构(非专利文献1)。非专利文献1《新型金刚石》“新型金刚石薄膜”，2001年，第17卷，第4期，第10～16页。近年来，从利用金刚石作为紫外线发光元件等半导体器件的观点来看，在外延生长中采用的单晶基板希望是优质大面积的。由于气相合成得到的金刚石单晶的稳定自形面为{111}和{100}，所以要以均匀外延生长得到金刚石单晶薄膜的情况下，能够使用的单晶基板的基板面被限制在{111}或{100}上。然而，金刚石{111}单晶基板，采用高压合成法和气相合成法时存在不能得到大面积和优质品的问题。与此相比，可以考虑采用立方晶系的氮化硼、铟和硅等的{111}单晶基板，使金刚石单晶薄膜在其上非均匀外延生长的方法。但是，从在半导体器件上的应用的观点来看，此方法在大面积成膜和结晶性等方面也不充分。另外，虽然也考虑了以{111}结晶面支配的多晶金刚石作为基板的方法，但是在此方法虽然可以期待低成本化和大面积化，但是由于受到晶界的影响，所以有不能得到所需的器件特性的重大问题。另一方面，金刚石{100}单晶基板，通过将切成厚度数百微米、大小数毫米的正方形的、高压合成的金刚石{100}单晶薄板，以没有间隙地排列成矩阵状，利用能够输入60千瓦功率的微波等离子体CVD装置使其均匀外延生长，可以得到大面积和优质品。然而，一旦在金刚石{100}单晶基板上一边掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，外延层n型掺杂剂的掺杂效率就会非常低，市场有作为导电性金刚石不能获得有效的载流子密度的问题。
技术实现思路
本专利技术正是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够获得载流子密度大、优质且大型n型半导体金刚石的制造方法、n型半导体金刚石、pn结型半导体金刚石、pnp结型半导体金刚石、npn结型半导体金刚石及pin结型半导体金刚石。本专利技术人等为了达成上述目的而进行深入研究的结果发现，通过对金刚石{100}单晶基板的表面进行微细加工的情况下形成{111}面，在此金刚石{100}单晶基板上一边掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，使用金刚石{100}基板能够适当得到n型半导体金刚石。而且本专利技术人等经过进一步研究，结果发现通过将上述n型半导体金刚石与p型半导体金刚石、和磷掺杂金刚石适当组合，或者以金刚石{100}单晶基板作为p型半导体金刚石{111}{100}单晶基板等，可以得到具有pn结或pnp结、npn结、pin结的半导体金刚石。也就是说，本专利技术的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，其中包括加工金刚石{100}单晶基板，形成金刚石{111}面的工序；一边在金刚石{111}面上掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，形成n型金刚石外延层的工序。按照本专利技术，由于一边在金刚石{111}面上掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，所以能够得到载流子密度大而且优质的n型半导体金刚石。而且由于起初不使用金刚石{111}，而是使用大面积的金刚石{100}单晶基板形成金刚石{111}面，所以能够得到大面积的n型半导体金刚石。本专利技术中优选通过加工金刚石{100}单晶基板，形成截面为三角形向一方向延伸的金刚石的三角形隆起，以三角形隆起的表面作为上述的金刚石{111}面。通过将面积大的金刚石{100}单晶基板为基础(原板)形成上述三角形隆起，可以容易形成大面积的金刚石{111}。上述的三角形隆起，优选通过加工金刚石{100}单晶基板的表层部分，形成截面为矩形并向一个方向延伸的金刚石隆起之后，使金刚石在矩形隆起上生长的方式形成。这样能够容易形成表面为{111}面的金刚石的三角形隆起。本专利技术中优选进一步包括将n型金刚石外延层的表层除去至上述三角形隆起的顶部为止。作为三角形隆起的表面的金刚石{111}面上，一旦使金刚石优先在<111>方向上生长的条件下，一边掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，则{111}面的面积就会随着金刚石的生长而减小。外延层的表面几乎变成平的{100}面，金刚石将仅会在<100>方向上生长。其中一边在<100>方向上生长一边掺杂了n型掺杂剂的外延层，由于掺杂效率低而会使载流子密度降低。于是通过将外延层的表面除去到{111}面存在的三角形隆起的顶部，能够得到作为{100}面、载流子密度大、优质的n型半导体表面积最大的金刚石。而且如上所述，在金刚石的生长的同时，虽然{111}面的面积减小而{100}面的面积增大，但是一旦在形成完全平的{100}面之前停止生长，就会处于{111}面与{100}面两者表面同时存在的状态。这种表面的情况下，在找出在{100}面上使高品质的磷掺杂金刚石层和硼掺杂p型金刚石层外延生长的气相合成条件之后，为了将更适合器件形成的全部表面制成{100}面，优选包括利用抛光等使表面形成与{100}单晶基板完全平行面的工序。上述矩形隆起，优选采用对金刚石{100}单晶基板实施化学气相合成加工或蚀刻加工的方式形成。这样能够容易形成上述矩形隆起。上述三角形隆起，优选存在多个，使各三角形隆起沿着与延伸方向直行的方向以没有间隙地并列排列。表面为{111}面的多个三角形隆起一旦在有间隙下并列排列，金刚石{111}面与金刚石{100}面就会在金刚石{100}单晶基板的表面上交互并列。这种情况下一旦在其上一边掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，掺杂效率就会在金刚石{111}面与金刚石{100}面上有很大差异，因而不能得到具有一致的载流子密度的n型半导体金刚石。其中，由于金刚石{111}面上n型金刚石外延层掺杂效率高，所以为了得到载流子密度大而均质的n型半导体金刚石，优选使表面为{111}面的各三角形隆起以无间隙并列排列。本专利技术中，优选通过对金刚石{100}单晶基板加工，形成成为四角锥状的金刚石的四角锥状隆起，使四角锥状隆起的各侧面为上述金刚石的{111}面。通过以大面积的金刚石{100}面单晶基板作为原板形成上述四角锥状隆起，能够容易形成大面积的金刚石{111}面。四角锥状隆起，是四角锥状凹部的情况下也具有完全相同的效果。上述四角锥状隆起，优选通过对金刚石{100}单晶基板的表层部分进行蚀刻加工，形成金刚石的锥状隆起后，使金刚石在锥状隆起上生长的方式而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ｎ型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，包括：加工金刚石｛１００｝单晶基板，形成金刚石｛１１１｝面的工序；和一边在金刚石｛１１１｝面上掺杂ｎ型掺杂剂一边使金刚石外延生长，形成ｎ型金刚石外延层的工序。

【技术特征摘要】
JP 2002-6-18 177647/2002;JP 2003-4-2 99601/20031.一种n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，包括加工金刚石{100}单晶基板，形成金刚石{111}面的工序；和一边在金刚石{111}面上掺杂n型掺杂剂一边使金刚石外延生长，形成n型金刚石外延层的工序。2.根据权利要求1所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于通过加工金刚石{100}单晶基板，形成截面为三角形并向一个方向延伸的金刚石三角形隆起，以所述的三角形隆起的表面作为所述的金刚石{111}面。3.根据权利要求2所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于所述的三角形隆起，是通过对所述的金刚石{100}单晶基板的表层部分进行加工，形成截面呈矩形并向一个方向延伸的金刚石矩形隆起后，使金刚石在所述的矩形隆起上生长而形成的。4.根据权利要求2或3所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，其中还包括将所述n型金刚石外延层的表层除去至所述的三角形隆起的顶部为止的工序。5.根据权利要求2或3所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，其中还包括使所述的n型金刚石外延层的表层形成与{100}单晶基板作成平行的面的工序。6.根据权利要求3～5中任何一项所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于所述矩形隆起，采用对所述的金刚石{100}单晶基板实施化学气相合成或蚀刻加工的方式形成。7.根据权利要求2～6中任何一项所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，所述三角形隆起存在多个，使各所述三角形隆起沿着与延伸方向直行的方向以无间隙地并列的。8.根据权利要求1所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于其中通过对所述金刚石{100}单晶基板进行加工，形成成为四角锥状的金刚石的四角锥状隆起或凹部，使四角锥状隆起或凹部的各侧面为所述的金刚石{111}面。9.根据权利要求8所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，其中所述四角锥状隆起或凹部，通过对金刚石{100}单晶基板的表层部分进行加工，形成金刚石的锥状隆起或凹部后，使金刚石在所述锥状隆起或凹部上生长的方式形成。10.根据权利要求8或9所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，其中进一步包括将所述n型金刚石外延层的表层除去至所述四角锥状隆起的顶部为止的工序。11.根据权利要求8或9所述的n型半导体金刚石的制造方法，其特征在于，其中进一步包括使所述n型金刚石外延层的表层形...

【专利技术属性】
技术研发人员：难波晓彦，今井贵浩，西林良树，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]