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Dokumentenidentifikation DE69926985T2 13.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001036863
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON DIAMANTEN DES N-TYPS MIT NIEDRIGEM WIDERSTAND
Anmelder Japan Science and Technology Agency, Kawaguchi, Saitama, JP
Erfinder YOSHIDA, Hiroshi, Kawanishi-shi, Hyogo 666-0111, JP
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69926985
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.06.1999
EP-Aktenzeichen 999268014
WO-Anmeldetag 24.06.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/JP99/03383
WO-Veröffentlichungsnummer 2000001867
WO-Veröffentlichungsdatum 13.01.2000
EP-Offenlegungsdatum 20.09.2000
EP date of grant 31.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse C30B 29/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C30B 25/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C30B 33/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01J 1/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01J 9/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01J 3/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synthetisieren eines künstlichen Diamanten und im besonderen ein Verfahren zum Synthetisieren eines transparenten Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand beim Herstellen eines Diamanten mittels eines Dampf- bzw. Gasphasenwachstumsverfahrens, eines Sputter-Verfahrens, eines Hochtemperatur- und Hochdruck-Syntheseverfahrens oder dergleichen.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Als ein Verfahren zum Synthetisieren eines Diamanten, ein Verfahren zum künstlichen Synthetisieren eines Diamanten aus einem Graphitkohlenstoff unter Verwendung eines Katalysators bei hoher Temperatur und hohem Druck (50 kbr, 1500 K oder mehr) und ein Verfahren zum Synthetisieren eines Diamantdünnfilms auf einem Substrat mittels eines CVD ("chemical vapor deposition"; chemische Gasphasenabscheidung)-Verfahrens aus einem gemischten Gas aus einem Kohlenwasserstoff und einem Wasserstoff unter niedrigem Druck (< 1 Torr) und hoher Temperatur (> 800°C) oder dergleichen sind bekannt. Die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichungsschrift Nr. S62(1987)-70295 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Diamantdünnfilms als vom n-Typ. Gemäß diesem Verfahren werden ein Reaktionsgas, das ein Gas einschließlich P, As oder Sb als Dotierungselement enthält, ein Kohlenwassergas und Wasserstoff durch Hitze zersetzt oder durch Plasma zersetzt, um auf einem Substrat mittels eines Mikrowellenplasma-CVD-Verfahrens oder eines wärmezersetzenden CVD-Verfahrens verdampft zu werden, um dadurch einen Halbleiter-Diamantdünnfilm vom n-Typ herzustellen.

Das oben genannte Plasma-CVD-Verfahren und das wärmezersetzende CVD-Verfahren haben Nachteile dergestalt, dass es aufgrund des Hochtemperaturablaufs problematisch ist, das Verfahren auszuführen, der erlangte Film aufgrund der im Film verbleibenden Eigen- bzw. Restspannung einfach bricht und es schwierig ist, die Menge an Dotiersubstanz zu steuern. Als ein Verfahren zum Lösen dieser Probleme offenbart die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichungsschrift Nr. H5(1993)-345696 ein Verfahren zum Herstellen eines Diamantdünnfilms mit einer hervorragenden Härte, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und dergleichen, und der in der Lage ist, auf eine elektrische Hochtemperaturausrüstung angewandt zu werden. Bei dem Verfahren wird gleichzeitig ein Dotiersubstanz-Ionenstrahl eingeführt, wenn ein Film bei einer niedrigen Temperatur durch Sputtern eines Ionenstrahls aufwächst.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Bilden eines Diamanten vom p-Typ oder n-Typ bekannt (ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichungsschriften Nrn. H5(1993)-117088 und H5(1993)-117089). Bei diesem Verfahren wird ein Elektronenstrahl oder ein Excimer-Laserstrahl auf eine Oberfläche eines einkristallinen Diamanten eingestrahlt, um eine auf dem einkristallinen Diamanten abgeschiedene Dotiersubstanz zu aktivieren, so dass die Dotiersubstanz hinein diffundiert. Auch ist ein Halbleiterdiamant vom n-Typ bekannt, in welchen Stickstoffatome von 1 × 1019 cm–3 oder mehr dotiert werden (ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichungsschrift Nr. H7(1995)-69794). Auch ist es bekannt, beim Bilden eines Diamanteinkristalls vom n-Typ mittels eines Gasphasenaufwuchsverfahrens, um eine Reaktion von Gasen aufgrund einer zugehörigen Korrosion zu verhindern, bevor ein Substrat erreicht wird, jedes Gas dem Substrat direkt in einem molekularen Flusszustand zuzuführen (ungeprüfte japanische Patentveröftentlichungsschrift Nr. H10(1998)-149986).

Ferner hat der Erfinder ein Verfahren zum Erlangen eines einkristallinen Diamanten erfunden, das in der Kristallisation hervorragend ist (ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichungsschrift Nr. N9(1997)-20593). Bei dem Verfahren wird ein amorpher Kohlenstoffhybrid durch Hinzufügen eines Sauerstoffs zu einem Kohlenstoff gebildet, schnelles Herunterkühlen eines zersetzten Kohlenstoffgashydrids auf einem Substrat oder Besputtern von Kohlenstoff mit Wasserstoffatomen gebildet, und die Atome werden bei niedriger Temperatur durch Bilden atomarer Löcher und an Zwischengitterplätzen angeordneten Atompaaren im amorphen Kohlenstoffhydrid in einen Kristalldiamanten umgewandelt, um dadurch wirksam eine Bewegung des an einem Zwischengitterblatt angeordneten Atoms zu bewirken. Der durch dieses Verfahren erlangte einkristalline Diamant erreicht Eigenschaften, die von verschiedenen Halbleitermaterialien und optischen Halbleitermaterialien benötigt werden, welche eine hochgradig kontrollierte Kristallisation benötigen.

Ein Verfahren zum Synthetisieren eines hochgradig leitenden epitaktischen Diamantfilms vom n-Typ durch Gasquellen-Molekularstrahl-Epitaxie mit Methan und Tri-n-butylphosphin ist ebenfalls in Appl. Phys. Lett., Band 71, Nr. 7, 18. Aug. 1997, Seiten 945–947, offenbart.

(VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME)

Ein Diamantdünnfilm vom p-Typ mit niedrigem Widerstand kann einfach mittels einer herkömmlichen Technik hergestellt werden. Obwohl ein Diamant von n-Typ mit hohem Widerstand hergestellt werden kann, ist es schwierig, einen Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand herzustellen, weil es aufgrund des Selbstausgleicheffekts und des tiefen Donatorpegels bzw. -niveaus (500 meV) unmöglich ist, bei Raumtemperatur (300°K) zu aktivieren.

Falls ein Diamant vom n-Typ mit niedrigem Widerstand als ein einkristalliner Diamantdünnfilm synthetisiert werden kann, und zwar durch sein Kombinieren mit einem Diamanten vom p-Typ mit niedrigem Widerstand, was bereits durch Dotieren mit Fremdatomen bzw. Störstellen erreicht worden ist, ist es möglich, eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Halbleitervorrichtung herzustellen, welche einen bei hoher Temperatur betreibbaren Diamanten und eine aus Diamant hergestellte Ultraviolett-Halbleiterlaserdiode verwendet, was für eine Aufnahme mit hoher Dichte und eine Übertragung großer Informationsmengen unabdingbar ist.

Es ist auch möglich, einen transparenten einkristallinen Schutzfilm vom n-Typ herzustellen, der die hohen Härte eines Diamanten ausnutzt, der in seiner elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit hervorragend ist. Weiterhin ist es durch Ausnutzen der negativen Elektronenaffinitätsenergie eines Diamanten möglich, eine Anzeigeneinheit mit einer großen Oberfläche herzustellen, welche aus hocheffizienten Elektronenstrahlmaterialien eines Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand hergestellt ist.

Einen Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand zu bilden, bedeutet, das wegen N tiefe Donatorniveau in einem synthetisierten Diamanten auszulöschen und das tiefe Niveau in ein flaches Niveau abzuändern, wobei eine Absorption natürlichen Lichts (Sonnenlichts) verhindert wird, um dadurch die durch das tiefe Niveau des einzelnen N im synthetischen Diamanten erzeugte Farbe auszulöschen. Dies ist das gleiche wie beim Bilden eines transparenten synthetisierten Diamanten durch Bilden eines Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand. Durch Synthetisieren eines Diamanten mittels einer Hochtemperatur- und Hochdruck-Synthetisierungstechnik unter Verwendung eines Nickel-Katalysators oder dergleichen wird es möglich, einen transparenten bzw. lichtdurchlässigen Diamanten herzustellen, der so wertvoll wie ein Juwel ist.

(MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME)

Der Erfinder hat die Tatsachen herausgefunden, dass es, um die oben genannten Probleme zu lösen, durch Bilden eines einkristallinen Diamantdünnfilms auf einem Substrat mittels eines Gasphasenaufwuchsverfahrens oder eines Sputter-Verfahrens, durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom p-Typ und einer Dotiersubstanz vom n-Typ möglich wird, eine Dotiersubstanz vom n-Typ in hohen Dichten zu stabilisieren, ein Fremdatomniveau abzusenken und die Zahl der Ladungsträger erheblich zu erhöhen, um dadurch einen einkristallinen Diamantdünnfilm mit niedrigem Widerstand zu synthetisieren.

Der Erfinder hat auch die folgende Tatsache herausgefunden. Dies ist, dass durch Synthetisieren eines künstlichen Diamanten mittels eines herkömmlichen Hochtemperatur- und Hochdruck-Synthetisierverfahrens unter Verwendung eines Nickelkatalysators oder dergleichen, durch Mischen von H als einer Dotiersubstanz vom p-Typ und N, P oder As als einer Dotiersubstanz vom n-Typ beim atomaren Dichteverhältnis von 1:2 bis 1:3 vor dem Synthetisieren, ein Donatorakzeptor-Verbund, wie beispielsweise ein P-H-P-Paar, ein N-H-N-Paar oder ein As-H-As-Paar, in einem Kristall gebildet wird, um das Fremdatomniveau im Vergleich zu einem einzigen Dotieren zu verringern, um dadurch einen Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand zu bilden. Dies ergibt einen transparenten künstlichen Diamanten, wobei ein herkömmlicher künstlicher Diamant, der mittels eines herkömmlichen Verfahrens hergestellt wird, eine Farbe aufweist, weil das natürliche Licht durch das tiefe Fremdatomniveau von N absorbiert wird.

In anderen Worten basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Prinzip, dass, unbeachtlich eines Verfahrens zum Synthetisieren eines Diamanten, durch simultanes Dotieren von H als einen Akzeptor und P, N oder As als einen Donator bei dem atomaren Dichteverhältnis von 1:2 bis 1:3 ein Akzeptor-Donator-Komplex (Verbund) gebildet wird, der zu einem verringerten Donatorniveau führt. Gemäß diesem Prinzip kann man auch einen Diamanten in einem metallischen Zustand (0,001 &OHgr;cm) herstellen.

Wie in 1 gezeigt, wird durch Bilden eines P-H-P-Paars, eines N-H-N-Paars oder eines As-H-As-Paars (-Komplexes) durch gleichzeitiges Dotieren eine Elektronenstreuung aufgrund einer Ladungsträger-Dotiersubstanz vom n-Typ herabgesetzt, und die Bewegung des Elektrons wird erheblich erhöht. Dies senkt das Donatorniveau, um dadurch die Ladungsträgerdichte in einem Diamantkristall zu erhöhen, was die Aktivierungsrate 10 bis 1000 Mal erhöht, was zu einem Diamanten vom n-Typ mit niedrigem Widerstand führt.

In dem Diamantkristall nehmen N als ein Akzeptor und N, P oder As als ein Donator eine strukturelle Position (einen Fremdatomkomplex) ein, die das in 2 gezeigte Kristallmodell bildet. Das Positionieren des Akzeptoratoms H zwischen dem Donatoratom (P, N, As) und dem Donatoratom (P, N, As) stabilisiert die kristallographische Strukturposition. Dementsprechend können Donatoren in höherer Dichte dotiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden N, P oder As als eine Dotiersubstanz vom n-Typ in atomarer Form und H als eine Dotierungssubstanz vom p-Typ in atomarer Form elektrisch mittels einer Hochfrequenz- bzw. Radiowelle, einem Laser, einem Röntgenstrahl, einem Elektronenstrahl oder dergleichen gleichzeitig dotiert. Weiterhin werden ein Kohlenstoffpartialdampfdruck, ein Partialdruck der Dotierungssubstanz vom n-Typ und ein Partialdruck der Dotierungssubstanz vom p-Typ so gesteuert, dass die atomare Dichte der Dotierungssubstanz vom n-Typ dergestalt erhöht wird, dass die atomare Dichte der Dotierungssubstanz vom n-Typ größer ist als diejenige der Dotierungssubstanz vom p-Typ.

Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Entfernen von H als einem Donator aus dem Kristall bereit. Bei dem Verfahren wird ein einkristalliner Dünnfilm des synthetisierten Diamanten einmal abgekühlt und bei hoher Temperatur für eine kurze Zeit in einem elektrischen Feld wärmebehandelt, so dass der aus Wasserstoff hergestellte Donator aus dem Kristall entfernt wird.

Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines hocheffizienten spinpolarisierten Elektrodenstrahlmaterials bereit. Bei dem Verfahren wird ein kreispolarisierter Laser bzw. Laserstrahl auf einen einkristallinen Dünnfilm eines synthetisierten Diamanten eingestrahlt.

(Funktion)

Durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom n-Typ und einer Dotiersubstanz vom p-Typ wird die zwischen ihnen vorhandene elektrostatische Energie oder Gitterenergie herabgesetzt, was eine Dotiersubstanz vom n-Typ stabilisiert und ein stabiles Dotieren der n-Dotiersubstanz mit hoher Dichte erlaubt, was zu einem niedrigen Widerstand führt.

Ferner wird durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom n-Typ und einer Dotiersubstanz vom p-Typ ein Paar aus einer Dotiersubstanz vom n-Typ und einer Dotiersubstanz vom p-Typ in einem Diamantkristall gebildet, was eine Elektronenstreuung eines Ladungsträgers vom n-Typ aufgrund einer Ladungsträger-Dotiersubstanz vom n-Typ herabsetzt, um dadurch die Ladungsträgerbeweglichkeit zu erhöhen, was zu einem niedrigen Widerstand führt. In anderen Worten kann man gemäß der vorliegenden Erfindung einen einkristallinen Diamantdünnfilm mit einer Filmdicke von ungefähr 0,01 bis ungefähr 1 &mgr;m und einem Filmwiderstand von 1,0 &OHgr;cm oder weniger erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Prinzip zeigt, dass ein Donatorniveau durch gleichzeitiges Dotieren eines Donators und eines Akzeptors niedriger wird. 2 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Donator-Akzeptor-Verbund zeigt, der durch gleichzeitiges Dotieren eines Donators und eines Akzeptors gebildet wird. 3 ist eine Seitenansicht, die ein Konzept einer Vorrichtung zum Ausführen eines gleichzeitigen Dotierverfahrens zum Bilden eines Diamantdünnfilms gemäß einem Molekularstrahl-Epitaxieverfahren zeigt.

DIE BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG

In der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein Gasphasenaufwuchsverfahren beispielsweise ein metall-organisches Verfahren, das ein Verbundgas verwendet ("metal-organic chemical vapor deposition"; MOCVD-Verfahren) und ein Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, das einen Atomstrahl verwendet ("molecular beam epitaxy"; MBE-Verfahren). Ein Sputterverfahren bezeichnet beispielsweise ein Sputtern eines Graphits durch ein Wasserstoffatom und verschiedene andere Verfahren, die zum Synthetisieren eines Diamantdünnfilms verwendbar sind.

Beispielsweise wird bei dem MBE-Verfahren Kohlenstoffgashydrid unter ausreichenden Wasserstoffbedingungen zersetzt und wird angehäuft bzw. akkumuliert, um bei niedriger Temperatur auf einem Halbleitersubstrat auskristallisiert zu werden, so dass ein einkristalliner Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand gebildet wird. Statt des Verfahrens, bei welchem ein Kohlenstoffgashydrid zersetzt wird, kann ein Verfahren verwendet werden, in welchem Sauerstoff in Form eines Plasmas dem Kohlenstoff hinzugefügt wird. Bei dem MOCVD-Verfahren oder dem MBE-Verfahren kann ein Gas, welches eine große Menge von Wasserstoff erzeugt, wie beispielsweise Tributylphosphin, als ein Dotiermaterial verwendet werden.

Durch gleichzeitiges Dotieren einer atomaren Dotiersubstanz vom n-Typ (Donator) und einer atomaren Dotiersubstanz vom p-Typ (Akzeptor) wird ein Donator-Akzeptor-Paar in einem Kristall gebildet, um die elektrostatische Energie oder Gitterenergie zwischen ihnen zu verringern, was zu einem stabilen Dotieren der Dotiersubstanz vom n-Typ mit hoher Dichte führt. Da weiterhin der Donator-Akzeptor-Verbund gebildet wird, sinkt das Donatorniveau in großem Maße ab. Daher können Materialien für Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Diamant-Halbleitervorrichtungen, die bei hoher Temperatur betreibbar sind, oder hocheffiziente Elektronenstrahlmaterialien hergestellt werden.

3 zeigt ein Beispiel einer schematischen Seitenansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines MBE-Verfahrens als einem der erfindungsgemäßen Verfahren.

Ein Diamanteinkristallsubstrat 2 wird an einem Halter (nicht gezeigt) befestigt. Das Substrat 2 wird mittels einer elektrischen Heizvorrichtung (nicht gezeigt) auf 300°C bis 950°C in einem Zustand aufgeheizt, bei dem die Vakuumkammer 1 in einem Vakuumzustand mittels einer Vakuumevakuiervorrichtung (nicht gezeigt) gehalten wird. Kohlenstoffhydridgas oder mit Wasserstoff angereichter Kohlenstoff wird durch ein Gaseinlassrohr 4 eingeführt und mittels einer Hochfrequenzspule 7 thermisch zersetzt, um in einem Molekularfluss zum Substrat 2 geführt zu werden, um auf dem Substrat 2 absorbiert zu werden.

Ein Donator, wie beispielsweise N, P oder As, wird durch die Hochfrequenzspule 7 thermisch zersetzt und durch das Gaseinlassrohr 5 in Richtung des Substrats 2 geführt. Gleichzeitig wird ein Akzeptor, wie beispielsweise H, durch sein Führen durch das Gaseinlassrohr 6 zum Substrat 2 hin dotiert, um dadurch einen Diamanten 3 auf dem Substrat zu bilden. N, P oder As als ein Donator vom n-Typ und H als ein Akzeptor vom p-Typ können atomares Gas sein, das durch Bestrahlen eines molekulares Gases durch eine elektromagnetische Welle in einem Mikrowellenbereich gebildet wird, oder eine atomaren Einfachzelle, die durch Aufheizen bei einer Hochtemperatur gebildet wird.

Beim Bilden des Kristalls werden ein Kohlenstoffdampf-Partialdruck, ein Partialdruck der Dotiersubstanz vom n-Typ und ein Partialdruck der Dotiersubstanz vom p-Typ so gesteuert, dass die atomare Dichte der Dotiersubstanz vom n-Typ so erhöht wird, dass die atomare Dichte der Dotiersubstanz vom n-Typ größer ist als diejenige der Dotiersubstanz vom p-Typ. In anderen Worten wird das Verhältnis der atomaren Dichte der Dotiersubstanz vom p-Typ zur Dotiersubstanz vom n-Typ dergestalt gesteuert, dass die atomare Dichte der n-Typ-Dotiersubstanz größer ist als die der p-Typ-Dotiersubstanz, wie beispielsweise 1:2 bis 1:3, um dadurch einen Fremdatomverbund vom n-Typ zu bilden, in welchem die atomare Dichte der Dotiersubstanz vom p-Typ zur Dotiersubstanz vom n-Typ 1:2 bis 1:3 beträgt.

Darüber hinaus wird nach Bilden eines einkristallinen Diamantdünnfilms vom n-Typ mit niedrigem Widerstand auf dem Halbleiterdiamantsubstrat 2 bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck der Dünnfilm einmal abgekühlt und bei hoher Temperatur für eine kurze Zeit in einem elektrischen Feld wärmebehandelt, so dass der aus Wasserstoff hergestellte Akzeptor aus dem Kristall entfernt wird, um so eine Passivierung durch Wasserstoff wiederherzustellen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Menge des Wasserstoffakzeptors als einer p-Dotiersubstanz, welche sich im Kristall einfach bewegt, durch Elektronenanregung (Elektronenstrahl-Bestrahlung) und Wärmeanregung dergestalt gesteuert, dass die atomare Dichte der Dotiersubstanz vom n-Typ ein wenig höher ist als diejenige der Dotiersubstanz vom p-Typ, wie beispielsweise dann, wenn das atomare Dichteverhältnis des Donators zum Wasserstoffakzeptor 1:2 bis 1:3 beträgt.

Ferner wird ein einkristalliner Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand durch gleichzeitiges Dotieren einer Dotiersubstanz vom p-Typ und einer Dotiersubstanz vom n-Typ gebildet, um eine negative Elektronenaffinitätsenergie zu erreichen. Dies erzeugt ein höheres Niveau von Elektronen als ein Vakuumniveau. Als ein Ergebnis kann der Diamantdünnfilm als ein Elektronenemitter für eine Großbildschirmanzeige oder dergleichen verwendet werden. Durch Einstrahlen eines zirkular polarisierten Elektronenstrahls auf den einkristallinen Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand, der die negative Elektronenaffinitätsenergie zeigt, um die Zahl der Elektronen zwischen dem aufwärts gerichteten Spin und dem abwärts gerichteten Spin aufzuteilen, können Elektronen mit einem unterschiedlich gerichteten Spin bei niedriger Spannung herausgenommen werden. Daher kann ein hoch effizientes Material für einen Spin-polarisierten Elektronenstrahl hergestellt werden.

Beim Synthetisieren eines künstlichen Diamanten mittels eines herkömmlichen Hochtemperatur- und Hochdruck-Synthetisierungsverfahrens unter Verwendung eines Nickelkatalysators, werden ein N- oder P-Verbund einschließlich einer großen Menge von H, wie beispielsweise NH3, in einem nicht-diamantenen Kohlenstoff, wie beispielsweise einem Graphit, oder ein As-Verbund in einer Hochtemperatur- und Hochdruck-Vorrichtung aufgebracht. Dann werden N als eine p-Typ-Dotiersubstanz und N, P oder As eine n-Typ-Dotiersubstanz gemischt, so dass das Verhältnis der atomaren Dichte der p-Typ-Dotiersubstanz zur n-Typ-Dotiersubstanz 1:2 bis 1:3 unter normalen Hochtemperatur- und Hochdruck-Herstellungsbedingungen wird.

(Beispiele)

Wie in 3 gezeigt, wurde die Vakuumkammer 1 auf einem Vakuumniveau von 10–10 Torr gehalten, und das Substrat 2 wurde mittels einer elektrischen Heizvorrichtung beheizt. CH-Gas (Kohlenwasserstoff, Methan, Ethan, Propan) wurde durch das Gaseinlassrohr 4 eingeführt und wurde thermisch durch die Hochfrequenzspule 7 zersetzt, um den molekularen Fluss in Richtung des Substrats 2 zu führen, damit dieser auf dem Substrat 2 absorbiert wird. P als ein Donator wurde in Richtung des Substrats 2 durch das Einlassrohr 5 bei einer Durchflussrate von 5 × 10–9 Torr ausgegeben, und H als ein Akzeptor wurde von dem Einlassrohr 6 in Richtung des Substrats 2 bei einer Flussrate von 10–9 Torr ausgegeben, um sie so gleichzeitig zu dotieren, um dadurch einen Diamanten 3 bei der Substrattemperatur von 400°C, 450°C, 600°C, 800°C und 900°C zu bilden. P als ein Donator und H als ein Akzeptor wurden durch die Hochfrequenzspule 7 elektrisch angeregt, um so in einen atomaren Gaszustand zu gelangen. Nachdem 90 Minuten vergangen waren, wurde das Kristallwachstum unterbrochen.

Der erlangte Einkristall-Diamantdünnfilm hat die in Tabelle 1 gezeigte Dicke. Im Fall des gleichzeitigen Dotierens von P und H war die Ladungsträgerdichte vom n-Typ bei jeder Kristallwachstumstemperatur um ein paar Stellen höher im Vergleich zu dem Fall, bei dem nur der P-Dampf als ein Donator vom n-Typ ohne Zuführen von H-Dampf als Dotiersubstanz vom p-Typ dotiert wurde.

Ferner war die Donatordichte in Abhängigkeit von der Kristallwachstumstemperatur (der Substrattemperatur) unterschiedlich. Die Donatordichte betrug 1 × 1020 cm–3 oder mehr bei der Substrattemperatur von 800°C. Zusätzlich betrug der Filmwiderstand 1,0 &OHgr;cm oder weniger, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Diamant vom n-Typ als ein einkristalliner Diamantdünnfilm synthetisiert werden.

Daher ist es möglich, eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Halbleitervorrichtung unter Verwenden eines Diamanten herzustellen, die bei hoher Temperatur betreibbar ist, sowie eine Ultraviolett-Halbleiter-Laserdiode, die zum Aufnehmen mit hoher Dichte und Übertragen großer Informationsmengen mittels eines Diamanten unerlässlich ist.

Es ist auch möglich, einen transparenten einkristallinen Schutzfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand herzustellen, welcher die hohen Härteeigenschaften des Diamanten verwendet. Weiterhin kann, da ein einkristalliner Diamantdünnfilm vom n-Typ mit niedrigem Widerstand durch gleichzeitiges Dotieren mit einer Dotiersubstanz vom p-Typ und einer Dotiersubstanz vom n-Typ hergestellt werden kann, eine negative Elektronenaffinitätsenergie erlangt werden. Dadurch ist es durch Einstrahlen eines zirkular polarisierten Laserstrahls auf den Dünnfilm möglich, eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Anzeigeeinheit herzustellen, die bei hoher Temperatur betreibbar ist und eine große Anzeigefläche aufweist, welche mittels hocheffizienter Elektronenstrahlmaterialien hergestellt ist.


Anspruch[de]
  1. Ein Verfahren zum Synthetisieren eines Diamanteinkristall-Dünnfilms des n-Typs mit niedrigem Widerstand, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:

    Bilden eines transparenten Einkristall-Diamantdünnfilms auf einem Substrat mittels eines Dampfphasenwachstumsverfahrens oder eines Sputtering-Verfahrens; und

    gleichzeitiges Dotieren von N, P oder As als eine n-Typ-Dotiersubstanz und H als eine p-Typ-Dotiersubstanz in einem Kristall, um ein Donator-Akzeptor-Verbindungspaar in dem Kristall zu bilden, in dem die atomare Dichte der p-Typ-Dotiersubstanz zu der n-Typ-Dotiersubstanz 1:2 bis 1:3 ist, um hierdurch den Diamanteinkristall-Dünnfilm des n-Typs mit niedrigem Widerstand zu synthetisieren.
  2. Verfahren zum Synthetisieren bzw. Herstellen eines Diamanteinkristall-Dünnfilms des n-Typs mit niedrigem Widerstand gemäß Anspruch 1, wobei ein atomares N, P oder As als eine n-Typ-Dotierungssubstanz und ein atomares H als p-Typ-Dotierungssubstanz, und zwar angeregt mittels hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, einem Laser, einem Röntgenstrahl oder einem Elektronenstrahl, gleichzeitig dotiert werden.
  3. Verfahren zum Synthetisieren eines Einkristall-Dünnfilms des n-Typs mit niedrigem Widerstand gemäß Anspruch 1, wobei der Kohlenstoffpartialdampfdruck, der n-Typ-Dotierungssubstanzpartialdruck und p-Typ-Dotierungssubstanzpartialdruck so gesteuert wird, dass die atomare Dichte der n-Typ-Dotierungssubstanz größer als die atomare Dichte der p-Typ-Dotierungssubstanz wird.
  4. Diamanteinkristall-Dünnfilm des n-Typs der mittels des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 bis 3 erlangt wird.
  5. Verwendung des Diamanteinkristall-Dünnfilms des n-Typs gemäß Anspruch 4 für die Wiederherstellung einer Neutralisierung (passivation) mittels eines Wasserstoffs, wobei der Diamanteinkristall-Dünnfilm des n-Typs einer Kühlung ausgesetzt wird und dann bei hoher Temperatur für eine kurze Zeit in einem elektrischen Feld wärmebehandelt wird, so dass der Donator, hergestellt durch Wasserstoff, aus dem Kristall entfernt wird.
  6. Verwendung des Diamanteinkristall-Dünnfilms des n-Typs gemäß Anspruch 4 zum Bilden eines hocheffizienten spinpolarisierten Elektronenstrahls, wobei ein kreispolarisierter Laser auf den Diamanteinkristall-Dünnfilm des n-Typs gestrahlt wird.
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