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JP2952342B2 - n-type diamond semiconductor - Google Patents
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JP2952342B2 - n-type diamond semiconductor - Google Patents

n-type diamond semiconductor

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JP2952342B2
JP2952342B2 JP34905096A JP34905096A JP2952342B2 JP 2952342 B2 JP2952342 B2 JP 2952342B2 JP 34905096 A JP34905096 A JP 34905096A JP 34905096 A JP34905096 A JP 34905096A JP 2952342 B2 JP2952342 B2 JP 2952342B2
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atoms
silicon
donor
ionization potential
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、n型ダイヤモンド半
導体に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an n-type diamond semiconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、4価の炭素結晶のダイヤモンド構
造によるダイヤモンド半導体は、これと同じ4価のシリ
コン結晶のダイヤモンド構造によるシリコン半導体に比
べて開発が遅れている。
2. Description of the Related Art Conventionally, the development of a diamond semiconductor having a diamond structure of a tetravalent carbon crystal has been delayed compared to a silicon semiconductor having a diamond structure of the same tetravalent silicon crystal.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】これは、ダイヤモンド
半導体に対して適当な不純物、特にドナー原子が見出さ
れていないことによるものである。
This is due to the fact that suitable impurities, especially donor atoms, have not been found in diamond semiconductors.

【0004】従来より行われているドナー原子乃至アク
セプター原子を見出すために使用された理論をシリコン
半導体について説明すると、n型シリコン半導体は、シ
リコンの単結晶に5価のリン(P)や砒素(As)原子
を微量の不純物として添加することによって得られるこ
とが知られている。
A conventional theory used for finding a donor atom or an acceptor atom will be described with respect to a silicon semiconductor. An n-type silicon semiconductor is a single crystal of silicon in which pentavalent phosphorus (P) or arsenic ( It is known that it can be obtained by adding As) atoms as trace impurities.

【0005】これは図1(b)の概念図に示すように、
4価のシリコン結晶のダイヤモンド構造のシリコン原子
の一部が5価のリン(P)や砒素(As)原子に置換さ
れ、5価の原子の最外殻の4個の電子と共有結合してダ
イヤモンド構造を保ち、残りの1個の電子がシリコンの
結晶に電子を供給し、この不純物原子自身は正に帯電
し、n型半導体になると理解されている。
[0005] As shown in the conceptual diagram of FIG.
Some of the silicon atoms in the diamond structure of the tetravalent silicon crystal are replaced by pentavalent phosphorus (P) or arsenic (As) atoms and covalently bond with the four outermost electrons of the pentavalent atom It is understood that the diamond structure is maintained, and the remaining one electron supplies electrons to the silicon crystal, and the impurity atoms themselves become positively charged and become an n-type semiconductor.

【0006】この電子を供給する正に帯電した不純物原
子をドナー原子と呼ばれるが、このシリコン単結晶に供
給された電子はほんの僅かなエネルギー(室温程度のkT
で十分)でシリコン原子からの束縛から解放され、隣の
シリコン原子へ移動可能になり、所謂伝導電子となる。
The positively charged impurity atoms that supply the electrons are called donor atoms. The electrons supplied to the silicon single crystal have only a small energy (kT of about room temperature).
Is released from the bond from the silicon atom, and can move to the next silicon atom, and becomes a so-called conduction electron.

【0007】また、シリコンの単結晶に3価のホウ素
(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)原子
を微量の不純物として添加することによってp型シリコ
ン半導体が得られることが知られている。
It is known that a p-type silicon semiconductor can be obtained by adding trivalent boron (B), aluminum (Al), or gallium (Ga) atoms as trace impurities to a single crystal of silicon. .

【0008】この場合は図1(c)の概念図に示すよう
に、4価のシリコン結晶のダイヤモンド構造のシリコン
原子が一部3価の原子に置換され、3価の原子は隣接す
る4価のシリコン原子の最外殻の4個の電子と共有結合
し、共有結合電子が1個不足した状態になるが、シリコ
ンの単結晶から電子を1個受け取り共有結合を形成しダ
イヤモンド構造を保ち、電子を1個受け取った分だけこ
の不純物原子自身は負に帯電し、p型半導体になると理
解されている。
In this case, as shown in the conceptual view of FIG. 1C, trivalent atoms are partially substituted for silicon atoms in the diamond structure of the tetravalent silicon crystal, and trivalent atoms are adjacent to tetravalent atoms. Is covalently bonded to the four outermost electrons of the silicon atom, and one covalent electron is lacking, but receives one electron from the single crystal of silicon to form a covalent bond and maintain the diamond structure, It is understood that the impurity atoms themselves are negatively charged by the amount of receiving one electron and become a p-type semiconductor.

【0009】この電子を受け取る不純物原子をアクセプ
ター原子と呼んでいるが、電子を供給したシリコン単結
晶には電子の抜けた穴(hole) ができ、この場合ほんの
僅かなエネルギー(室温程度のkTで十分)で隣のシリコ
ン原子の束縛から解放された電子がこの穴(hole)に供給
され、穴(hole)は隣の原子へ移動可能となると理解され
る。
The impurity atoms that receive the electrons are called acceptor atoms, but holes are formed in the silicon single crystal to which the electrons are supplied, and in this case, only a small amount of energy (kT at room temperature or so) is generated. It is understood that the electrons released from the binding of the adjacent silicon atoms are supplied to this hole, and the hole can move to the next atom.

【0010】このような従来の理論に基づいた考察では
てシリコンの単結晶に4価の炭素(C)原子が微量の不
純物として添加された場合、SiCの結合(single bon
d) は4価同士のSi原子とC原子からなる共有結合
で、両原子とも中性であると考えられていた。
According to the consideration based on such a conventional theory, when a tetravalent carbon (C) atom is added as a small amount of impurity to a single crystal of silicon, a single bond of SiC is generated.
d) is a covalent bond composed of tetravalent Si atoms and C atoms, and both atoms were considered to be neutral.

【0011】一方、シリコン単結晶に4価の炭素(C)
原子が微量の不純物として添加された場合について、本
願発明者らはシリコンと炭素の結合の特性をab-initio
MO(Molecular Obital/分子軌道法/RHF631G) を用いて計
算した。
On the other hand, tetravalent carbon (C) is added to a silicon single crystal.
In the case where atoms are added as trace impurities, the inventors of the present invention have changed the characteristics of the bond between silicon and carbon to ab-initio.
The calculation was performed using MO (Molecular Obital / Molecular Orbital Method / RHF631G).

【0012】計算に用いたモデルのメチルシラン(A1
/CH3SiH3 )及び比較のためにSi原子同士の結合(sin
gle bond) のモデルとしてジシラン(B1/Si2H6)とC
原子同士の結合(single bond) のモデルとしてエタン
(C1/C2H6) も併せて図2に示し、更に計算結果の概
要を下記表1及び図3に示す。
The model of methylsilane (A1
/ CH 3 SiH 3 ) and bonding (sin) between Si atoms for comparison.
disilane (B1 / Si 2 H 6 ) and C
Ethane (C1 / C 2 H 6 ) is also shown in FIG. 2 as a model of a single bond, and the summary of the calculation results is shown in Tables 1 and 3 below.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】以上の計算結果によれば、Si原子もC原
子も中性でなく、Si原子は正(0.2382/net atomic cha
rge)に、C原子は負(-0.2382/net atomic charge) に帯
電する結果が得られた。
According to the above calculation results, neither the Si atom nor the C atom is neutral, and the Si atom is positive (0.2382 / net atomic cha
rge), the C atom was negatively charged (−0.2382 / net atomic charge).

【0015】この結果からすると、Si原子は正に帯電
しているので、ドナーと考えられるが、本願発明者らの
先のab-initio MOの計算結果は、SiCの結合(single
bond) イオン化ポテンシャル(12.2396ev/ 表1のモデル
A1)はSi原子同士の結合(single bond) のイオン化
ポテンシャル(11.0214ev/ 表1のモデルB1)とC原子
同士の結合(single bond) のそれ(13.9334ev/ 表1のモ
デルC1)との中間の値を示している。
According to these results, the Si atom is positively charged and is considered to be a donor. However, the calculation result of the ab-initio MO of the present inventors shows that the SiC bond (single
bond) The ionization potential (12.2396ev / model A1 in Table 1) is the ionization potential (11.0214ev / model B1 in Table 1) of the bond between Si atoms (single bond) and that of the bond (single bond) between C atoms. 13.9334ev / indicates an intermediate value from the model C1) in Table 1.

【0016】これは、Si原子とC原子の最外殻の軌道
がオーバーラップし、電子親和力の違いにより、Si原
子の最外殻軌道の価電子がオーバーラップしたC原子の
最外殻軌道に少し偏って存在していることを示してい
る。
This is because the outermost orbits of the Si atom and the C atom overlap, and the valence electrons of the outermost orbital of the Si atom overlap with the outermost orbital of the C atom due to the difference in electron affinity. It indicates that it exists slightly biased.

【0017】即ち、Si原子もC原子も内殻はシールド
されているので無視すると、どちらも+4の電荷を中心
に最外殻に4個の電子を持つ構造と考えられ、中心の電
荷はどちらも同じ+4であるが、Si原子とC原子の最
外殻軌道半径はSi原子は3pでC原子は2pであり、C原
子の最外殻軌道半径の方がかなり小さいため、図4の概
念図に示すように、オーバーラップした価電子はC原子
の方に引かれて偏っており、このため上述のようにSi
原子は正に、C原子は負に荷電する結果が得られるので
ある。
That is, if the Si shell and the C atom are neglected because their inner shells are shielded, they are considered to have a structure having four electrons in the outermost shell with a +4 charge at the center. Is the same as +4, but the outermost orbital radii of Si and C atoms are 3p for Si atoms and 2p for C atoms, and the outermost orbital radii of C atoms are much smaller. As shown in the figure, the overlapped valence electrons are attracted and biased toward the C atom, and as a result,
The result is that atoms are positively charged and C atoms are negatively charged.

【0018】したがって、この電子過剰になったC原子
の電子構造を考察するならば、最外殻電子が4個の炭素
原子単独の場合に比べてSi原子と結合した場合のC原
子のイオン化ポテンシャルは電子過剰になった分だけ炭
素原子のイオン化ポテンシャル Vipよりも小さな値にな
っていて、電子を出し易くなると考えられる(図3参
照)。
Therefore, considering the electronic structure of the electron-excess C atom, the ionization potential of the C atom in the case where the outermost electron is bonded to the Si atom as compared with the case where only four carbon atoms are used alone is considered. Is smaller than the ionization potential Vip of carbon atoms by the amount of excess electrons, and it is considered that electrons can be easily emitted (see FIG. 3).

【0019】また、C原子と結合している電子不足にな
ったSi原子について見れば、最外殻電子が4個のシリ
コン原子単独の場合に比較し,Si原子の第1イオン化
ポテンシャルは電子不足になった分だけシリコン原子の
イオン化ポテンシャル Vipよりも第2イオン化ポテンシ
ャルに近い大きな値になっていて、電子を出し難いと考
えられる。
In the case of the Si-deficient Si atom bonded to the C atom, the first ionization potential of the Si atom is lower than that of the case where the outermost electrons are four silicon atoms alone. The value becomes closer to the second ionization potential than the ionization potential Vip of the silicon atom by the amount of, and it is considered that it is difficult to emit electrons.

【0020】このことを考え併せると、この電子過剰に
なったC原子がドナー原子であり、このC原子の最外殻
電子が伝導帯にドナーされることを示していると考えら
れる(図3参照)。
Considering this fact, it is considered that the electron-rich C atom is a donor atom, and that the outermost shell electron of the C atom is donated to the conduction band (FIG. 3). reference).

【0021】Si原子については、電子不足になり、ア
クセプター原子になっていることを示していると考えら
れる。
It is considered that the Si atom becomes short of electrons, indicating that it is an acceptor atom.

【0022】このことは、表1のMOの計算結果を見る
と、HOMO( 最大被占軌道/Highest Occupied Molecular
Orbital)はσ軌道(single bond) で、波動関数の係数の
最大値(Max.of W.F.C./wave function coefficient の
最大値) はC原子の最外殻占有軌道(2pz) にあり、また
LUMO( 最低非被占軌道/Lowest Unoccupied MolecularOr
bital) もσ軌道で、波動関数の係数の最大値(Max.of
W.F.C./wave function coefficient の最大値) はSi
原子の最外殻非占軌道にあることを示していることから
明らかである。
This can be seen from the result of MO calculation in Table 1, which shows that HOMO (Highest Occupied Molecular
Orbital) is the σ orbit (single bond), the maximum value of the wave function coefficient (Max.of WFC / wave function coefficient) is in the outermost occupied orbital of C atom (2pz), and
LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Or
bital) is also the σ orbit, and the maximum value of the wave function coefficient (Max.of
The maximum value of WFC / wave function coefficient) is Si
It is clear from the fact that the atom is in the outermost unoccupied orbit.

【0023】更に、SiCの2重結合(double bond/ 表
1のモデルA2)及び共役(conjugated double bond/表
1のモデルA3)の計算結果もやはり表1に示すよう
に、HOMO( π軌道)の波動関数の係数の最大値(Max.of
W.F.C./wave function coefficient の最大値) はC原
子の最外殻占有軌道にあり、またLUMO( π軌道) の波動
関数の係数の最大値(Max.of W.F.C./wave function coe
fficientの最大値) はSi原子の最外殻非占軌道にある
ことを示している。
Further, as shown in Table 1, the calculation results of the double bond (double bond / model A2 in Table 1) and the conjugate (conjugated double bond / model A3 in Table 1) of HOMO (π orbital) are also shown in Table 1. Maximum value of the wave function coefficient (Max.of
The maximum value of the WFC / wave function coefficient is in the outermost occupied orbit of the C atom, and the maximum value of the wave function coefficient of LUMO (π orbit) (Max.of WFC / wave function coe
fficient) indicates that the Si atom is in the outermost unoccupied orbit.

【0024】以上のSi原子とC原子間の結合(bond)の
特性の計算結果から考察して次のような結論を導き出せ
る。(1) 上述の従来の理論ではSiC半導体結晶中のS
i原子、C原子何れも中性と考えられていたが、シリコ
ン単結晶中の炭素はドナー原子であり、SiC半導体結
晶中においてもC原子はドナー原子であり、Si原子は
アクセプター原子である。即ち、Si原子は正に、C原
子は負に荷電し、Si原子が電子プアーになり、アクセ
プター原子になっている。
The following conclusions can be drawn from the above calculation results of the characteristics of the bond between Si atoms and C atoms. (1) According to the conventional theory described above, S in the SiC semiconductor crystal
Although both the i atom and the C atom were considered to be neutral, the carbon in the silicon single crystal is a donor atom, the C atom is a donor atom in the SiC semiconductor crystal, and the Si atom is an acceptor atom. That is, the Si atom is positively charged, the C atom is negatively charged, and the Si atom becomes an electron poor and becomes an acceptor atom.

【0025】したがって、SiCは両性の真性半導体と
考えられているが、Siのアクセプターレベルが浅いこ
とから考えると、SiC半導体はp型半導体の特性をよ
り鮮明に示し、補償度が大きいであろうことが推定され
るが、事実そのような特性を示している。
Accordingly, SiC is considered to be an amphoteric intrinsic semiconductor. However, considering that the acceptor level of Si is shallow, the SiC semiconductor more clearly shows the characteristics of the p-type semiconductor and has a high degree of compensation. It is presumed to be waxy, but in fact exhibits such properties.

【0026】(2) また、本願発明者らの行ったab-initi
o MOの計算結果は、C原子は負に荷電するが、ドナー原
子であることを示している。この計算結果は、C原子と
Si原子の電気陰性度乃至電子親和力の違いから考える
と、図3から明らかなように至極当然の結果である。
(2) In addition, the ab-initi
o MO calculations show that C atoms are negatively charged but are donor atoms. Considering the difference in electronegativity or electron affinity between C atoms and Si atoms, this calculation result is an extremely natural result as is apparent from FIG.

【0027】一方、窒素をドープしたβ−SiCの窒素
ドナーの活性化エネルギーは34-38meVであるのに対して
non-doped のn型β−SiCのunknown donor の活性化
エネルギーは18-25meVであるとの実験結果が報告されて
いる。
On the other hand, the activation energy of the nitrogen donor of β-SiC doped with nitrogen is 34-38 meV, whereas
Experimental results have reported that the activation energy of an unknown donor of non-doped n-type β-SiC is 18-25 meV.

【0028】これによれば、SiCの活性化エネルギー
の実験値は窒素原子をドナーと考えた値の半分程度であ
るが、これらの実験結果は本願発明者らの計算結果が示
すようにC原子がドナーであると考えると説明すること
ができる。
According to this, the experimental value of the activation energy of SiC is about half of the value when a nitrogen atom is considered as a donor, but these experimental results are, as shown by the calculation results of the present inventors, the C atom. Can be explained by considering that is a donor.

【0029】即ち、Si原子のイオン化ポテンシャルが
8.151eV であるのに対して、C原子のイオン化ポテンシ
ャルは11.256eVであり、N原子のイオン化ポテンシャル
の14.53eV よりもずっと小さく、ドナーレベルもN原子
のそれよりもずっと浅いと考えられる。
That is, the ionization potential of the Si atom is
In contrast to 8.151 eV, the ionization potential of C atoms is 11.256 eV, which is much smaller than the ionization potential of N atoms of 14.53 eV, and the donor level is considered to be much shallower than that of N atoms.

【0030】活性化エネルギーはドナー原子のイオン化
ポテンシャルとSi原子のイオン化ポテンシャルとの差
に比例すると仮定すると、C原子はイオン化ポテンシャ
ルの差が約3.1eV で、N原子はイオン化ポテンシャルの
差は約6.4eV であり、SiCの活性化エネルギーの実験
値がN原子をドナーと考えた値の半分程度であること
は、このように、C原子をドナーと考えると理解でき、
実験結果を良く説明しているといえる。
Assuming that the activation energy is proportional to the difference between the ionization potential of the donor atom and the ionization potential of the Si atom, the difference in ionization potential of the C atom is about 3.1 eV, and the difference in the ionization potential of the N atom is about 6.4. eV, and the experimental value of the activation energy of SiC is about half of the value when N atoms are considered as donors. Thus, it can be understood that C atoms are considered as donors.
It can be said that the experimental results are well explained.

【0031】なお、この実験結果はN原子がSiCのn
型のドナー原子として不適当であることも示している
が、本願発明者らが得た以上の理論的考察から、原子の
電気陰性度乃至電子親和力とイオン化ポテンシャルのプ
ロット図より適当なn型のドナー原子、p型のアクセプ
ター原子を選択することができる。
The experimental results show that the N atom is n of SiC.
Although it is shown that it is unsuitable as a donor atom of the type, from the theoretical considerations obtained by the inventors of the present invention, a plot of the electronegativity or electron affinity of the atom and the ionization potential of the appropriate n-type A donor atom and a p-type acceptor atom can be selected.

【0032】図5は、各種原子の電気陰性度とイオン化
ポテンシャルのプロット図を示すものであるが、例えば
Si原子に対して適当なp型のアクセプター原子は、電
気陰性度がSi原子より小さく、且つイオン化ポテンシ
ャルがSi原子より小さな原子、即ち図中Si原子の左
上部に存在する原子がそれに該当するアクセプター原子
であることを示している。
FIG. 5 shows a plot of the electronegativity of various atoms and the ionization potential. For example, a p-type acceptor atom suitable for a Si atom has a lower electronegativity than a Si atom. In addition, an atom having an ionization potential smaller than that of a Si atom, that is, an atom existing at the upper left of the Si atom in the figure is a corresponding acceptor atom.

【0033】Si原子に対して適当なn型のドナー原子
は、電気陰性度がSi原子より大きく、且つイオン化ポ
テンシャルがSi原子のそれよりも余り大きくない原
子、即ち図中Si原子の右部で余り下方でない部分に存
在する原子がそれに該当するドナー原子であることを示
している。
An n-type donor atom suitable for a Si atom is an atom whose electronegativity is larger than that of a Si atom and whose ionization potential is not much larger than that of the Si atom, that is, the right side of the Si atom in the figure. This indicates that atoms existing in a portion that is not too low are the corresponding donor atoms.

【0034】更に、本願発明者らが得た理論的考察か
ら、ダイヤモンド半導体にSi原子を不純物として導入
するとp型ダイヤモンド半導体を作成することができ
る。
Further, from the theoretical considerations obtained by the present inventors, a p-type diamond semiconductor can be produced by introducing Si atoms as impurities into the diamond semiconductor.

【0035】また、本願発明者らの得た理論によればC
原子に対してドナー原子となる不純物原子を添加すれ
ば、現在作成が難しいとされるn型ダイヤモンド半導体
も作成される。
According to the theory obtained by the present inventors, C
If an impurity atom serving as a donor atom is added to an atom, an n-type diamond semiconductor which is considered to be difficult to produce at present is produced.

【0036】即ち、n型ダイヤモンド半導体を作成する
のに適当なドナー原子は、電気陰性度がC原子のそれよ
りも大きく、且つイオン化ポテンシャルがC原子のそれ
よりも余り大きくない、具体的にはダイヤモンド半導体
を構成するC原子同士の単結合のそれ以下、更に具体的
には例えばエタン(C2H6)のそれ(13.831eV)以下の5価以
上の原子であり、この条件に合致するドナー不純物の有
力な候補は図5においてSe,S,Br,Iであると結
論できる。
That is, a donor atom suitable for producing an n-type diamond semiconductor has an electronegativity larger than that of a C atom and has an ionization potential not much larger than that of a C atom. A pentavalent or higher atom that is less than that of a single bond between C atoms constituting the diamond semiconductor, more specifically, that of ethane (C 2 H 6 ) that is less than that (13.831 eV), It can be concluded that the promising candidates for impurities are Se, S, Br and I in FIG.

【0037】[0037]

【課題を解決するための手段】この発明は、以上のよう
な本願発明者らが得た知見に基づいて電気陰性度がC原
子のそれより大きく、且つイオン化ポテンシャルがC原
子同士のそれ以下で、5価以上の原子をドナー原子とし
てダイヤモンド半導体中に添加したn型ダイヤモンド半
導体を提案するものである。
According to the present invention, based on the findings obtained by the inventors of the present invention, the electronegativity is larger than that of C atoms, and the ionization potential is lower than that of C atoms. The present invention proposes an n-type diamond semiconductor in which a pentavalent or higher valent atom is added to a diamond semiconductor as a donor atom.

【0038】ここで、好ましいドナー原子としてはB
r,Iを挙げることができる。
Here, a preferred donor atom is B
r and I.

【0039】[0039]

【参考例】以下、この発明の参考例を示す。参考例 1 少量の高純度の二酸化セレン(SeO)をエタノール(CH
OH)に溶解し、これを有機溶媒のアセトン(CH)CO
で希釈したソースガスを、高純度(99.99999%)の水素ガ
ス(H)で希釈し、ホットフィラメントCVD反応炉内
に搬送し、900℃以上に予加熱したシリコン単結晶基板
上にダイヤモンド半導体膜を成膜させた。作成した人工
ダイヤモンド薄膜を4端子法及びHall測定により、抵抗
率が約1.0 ×10−2Ωcmの良好なn型ダイヤモンド半導
体膜を作成することが確認できた。
Reference Example Hereinafter, a reference example of the present invention will be described. Reference Example 1 A small amount of high-purity selenium dioxide (SeO 2 ) was added to ethanol (C 2 H
5 OH), and this is dissolved in acetone (CH 3 ) 2 CO 2 as an organic solvent.
Dilute the source gas diluted with high-purity (99.99999%) hydrogen gas (H 2 ), transport it into a hot filament CVD reactor, and preheat it to 900 ° C or higher. Was formed into a film. It was confirmed that a good n-type diamond semiconductor film having a resistivity of about 1.0 × 10 −2 Ωcm was prepared from the prepared artificial diamond thin film by a four-terminal method and Hall measurement.

【0040】参考例2 高純度のメタンガス(CH) に高純度のセレン化水素(H
Se)を極少量( 0.02mol%) 添加したソースガスを、高
純度(99.99999%) の水素ガス(H)で希釈( 0.05%)し、
マイクロ波(2.45GHz) プラズマCVD反応炉(50 〜1000
Pa/230Pa) 内に搬送(50mms−1)し、予加熱( 850 ℃)
したシリコン単結晶基板(<100>)上及びβ-SiC基板上に
ダイヤモンド半導体膜を成膜させた。作成したダイヤモ
ンド薄膜を4端子法及びHall測定により、抵抗率が約2.
5 ×10Ωcmの良好なn型ダイヤモンド半導体膜を作成
させることが確認できた。
Reference Example 2 High-purity methane gas (CH 4 ) was mixed with high-purity hydrogen selenide (H
2 Se) a very small amount (0.02 mol%) added source gas, diluted with hydrogen gas of high purity (99.99999%) (H 2) (0.05%),
Microwave (2.45GHz) Plasma CVD reactor (50 to 1000
(50mms -1 ) and preheated (850 ° C)
A diamond semiconductor film was formed on the silicon single crystal substrate (<100>) and on the β-SiC substrate. The resistivity of the prepared diamond thin film was about 2.
It was confirmed that a good n-type diamond semiconductor film of 5 × 10 2 Ωcm was formed.

【0041】参考例3 高純度の二酸化セレン(SeO)とエタノール(CHOH)
を混合し、これをアセトン((CH)CO)で希釈したソー
スガスを、高純度(99.99999%) の水素ガスで希釈(2vol
%) し、ホットフィラメントCVD反応炉(100Torr) に
搬送(50SCCM) し、予加熱( 850 ℃) したシリコン単結
晶基板(<100>) 上に成膜させた。作成した薄膜を4端子
法及びHall測定により、抵抗率が約4.5 ×10Ωcmの良
好なn型ダイヤモンド半導体膜が作成されていることが
確認できた。
Reference Example 3 High purity selenium dioxide (SeO 2 ) and ethanol (C 2 H 5 OH)
And a source gas diluted with acetone ((CH 3 ) 2 CO) is diluted with high-purity (99.99999%) hydrogen gas (2 vol.
%), Transferred (50 SCCM) to a hot filament CVD reactor (100 Torr), and formed a film on a preheated (850 ° C.) silicon single crystal substrate (<100>). By the four-terminal method and Hall measurement of the formed thin film, it was confirmed that a good n-type diamond semiconductor film having a resistivity of about 4.5 × 10 2 Ωcm was formed.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上要するに、この発明によれば本願発
明者らの得た理論的な考察に基づいて従来では考えられ
なかった原子をドナーとして良好なn型ダイヤモンド半
導体を得ることができた。
In summary, according to the present invention, based on the theoretical considerations obtained by the inventors of the present invention, a good n-type diamond semiconductor could be obtained using atoms, which could not be considered heretofore, as donors.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 従来の理論に基づくn型或はp型シリコン半
導体の原理説明図で、(a)は不純物をドープしない状
態、(b)はP原子をドープしてn型にした状態、
(c)はAl原子をドープしてp型にした状態。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of an n-type or p-type silicon semiconductor based on a conventional theory, wherein (a) is a state in which impurities are not doped, (b) is a state in which P atoms are doped to be n-type,
(C) is a state in which Al atoms are doped to be p-type.

【図2】 計算に用いたSiCの分子モデルを示す図FIG. 2 is a diagram showing a molecular model of SiC used for calculation.

【図3】 HOMOとLUMOのエネルギーレベルを示
す図
FIG. 3 is a diagram showing energy levels of HOMO and LUMO.

【図4】 Si−Cの結合における荷電子電荷の分布状
態を示す図
FIG. 4 is a diagram showing a distribution state of valence charges in a Si—C bond;

【図5】 各種原子の電気陰性度とイオン化ポテンシャ
ルをプロットした図
FIG. 5 is a diagram plotting the electronegativity and ionization potential of various atoms.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 29/04 CA(STN)Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C30B 29/04 CA (STN)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド半導体中に、電気陰性度が
C原子より大きく、且つイオン化ポテンシャルがC原子
同士の単結合のそれ以下で、5価以上の原子であるBr
又はIをドナー原子として添加したことを特徴とするn
型ダイヤモンド半導体。
1. A diamond semiconductor having an electronegativity greater than that of a C atom, an ionization potential lower than that of a single bond between C atoms, and a pentavalent or higher Br atom.
Or n added with I as a donor atom
Type diamond semiconductor.
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