ヘテロエピタキシャルダイヤモンド薄膜の合成と新規半導体化プロセスの開発

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07555240
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 諸岡 茂治 九州大学, 工学部, 教授 (60011079)
• 研究分担者: 安藤 寿浩 無機材質研究所, 先端機能材料研究センター, 研究員 ; 前田 英明 九州大学, 工学部, 助教授 (60238871) ; 草壁 克己 九州大学, 工学部, 助教授 (30153274)
• キーワード: Chemical Vapor Deposition / ダイヤモンド / ヘテロエピタキシ- / ホール効果 / 核発生 / ホモエピタキシ- / ド-ピング / 半導体

研究概要

マイクロ波プラズマCVDを用いて、シリコン(100)上でのヘテロエピタキシャルダイヤモンド薄膜、及び、ダイヤモンド単結晶上でのホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜を合成した。また、作成したダイヤモンド薄膜の半導体化について検討した。
ヘテロエピタキシャルダイヤモンドの品質は初期核の配向率に大きく依存する。この初期核の析出機構を詳細に検討し、新規なプロセスである「2段階バイアス処理法」の提案を行った。また、CH_4/H_2とC_2H_4/H_2の反応系の比較を行い、原料ガスにC_2H_4を用いた方がダイヤモンド核の配向性が向上することを見い出した。以上の条件の最適化により、通常40%程度であるダイヤモンド微結晶の生成率を60%まで増大させることに成功した。
ダイヤモンド薄膜の半導体特性は、ドーパント及びド-ピング源により大きく影響を受ける。通常はホウ素源にB_2H_6、リン源にPH_3が用いられるが、毒性と爆発の危険性がある。我々は毒性が低く、取り扱いが容易なホウ素源、及び、リン源として、トリメチルホウ素(B(CH_3)_3、以下TMB)、及びトリエチルリン(P(C_2H_5)_3、以下TEP)を導入し、ダイヤモンド【100】、【111】方向の成長速度の基板温度依存性、メタン濃度依存性、ドーパント濃度依存性などを検討した。また、単結晶ダイヤモンド上ヘモホモエピタキシャルドープ膜を作成し、高分解能SEMによる表面形態の観察、マラン分光による結晶性の評価、RHEEDによる表面の平滑性の評価、2次イオン質量分析による膜中のホウ素、リンの定量を行った。また、ホール効果の測定を行い、電気特性について検討した。
TMBを用いた(100)及び(111)ホモエピタキャシャルホウ素ドープ膜は平滑であった。SIMS分析の結果、B原子は膜中に均一に取り込まれていた。TMBによって作成したホウ素ドープ膜は、キャリア濃度が3*10^<13>cm^<-3>の時に、300cm^2・V^<-1>・s^<-1>というホール移動度であり、また、200Kから293Kの温度範囲における電気電導率の活性化エネルギーは0.2eV程度の値であった。これらの値は、B_2H_6によって作成した膜と比較としていずれも小さな値であった。
TEPを用いた(100)ホモエピタキシャルリンドープ膜は750ﾟCから850ﾟCまでは平滑であったが、その他の温度範囲、及び(111)ホモエピタキシャルリンドープ膜は多結晶化した。SIMS分析の結果、リン原子は膜中に均一に取り込まれており、マラン分光の結果、天然ダイヤモンドと同一の半値幅であった。なお、作成したリンドープダイヤモンドは高抵抗であったが、成長条件の最適化によって改善されると思われる。

研究成果

• [文献書誌] H.Maeda,M.Irie,T.Hino,K.Kusakabe, S.Morooka: "Formation of Highly Oriented Diamond Film on Carburized(100) SiSubstrate" Journal of Materials Research. 10.1. 158-164 (1995)
• [文献書誌] N.Chya,H.Maeda,K.Kusakabe,S.Morooka: "Enhncement of Diamond Growth under W Irradiation" Proceedings of Applied Diamond Conference 1995. 369-372 (1995)
• [文献書誌] 前田英明,丸井隆雄,上野武雄,齊藤丈靖,草壁克己,諸岡茂治: "バイヤス処理による高配向ダイヤモンドの核発生" 日本結晶成長学会誌. 22.4. 329-333 (1995)
• [文献書誌] H.Maeda,K.Ohtsubo,M.Irie,N.Chya,K.Kusakabe,S.Morooka: "Determination of Diamond[100] and [111]Growth Rate and Formation of Highly Oriented Diamond Film by Microwave Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition" Journal of Materials Research. 10.12. 3115-3123 (1995)
• [文献書誌] 齊藤丈靖,草壁克己,諸岡茂治: "ダイアモンド薄膜のヘテロエピタキシャル成長と最近の進展" 化学工学. 30.12. 881-882 (1996)
• [文献書誌] T.Saito,S.Tsuruga,H.Maeda,K.Kusakabe,S.Morooka: "Improvement of Diamond Nuclei Orientation by Double-Step Bias Treatment in Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition Using C_2H_4 and CH_4 as Carbon Source" Diamond and Related Materials. 印刷中. (1997)