第 5 章 減
5.5 グラフ
図5.15では 成されてい
図5.15 熱
さらに、
認した。試 型ダイヤモ 大きく分け ラファイト 山脈状の構
は、実線で示 いることが分
熱処理後の
図5.16 透過電子顕 試料には、電 モンド表面近 けて四つの層
、n 型ダイ 構造物が確認
Intensity (arb. units)
示す表面にの 分かる。
n型ダイヤモ
6 電極形成後 顕微鏡（TEM 電極（Ti/Pt/Au 近傍の断面TE が確認でき ヤモンド半導 認できる。これ
500 400 300 200 100
1000
のみG-bandが
モンド表面
後におけるn M: transmissi
u）を形成し
EM像を示す
る。最上位層 導体薄膜とな れは、高濃度
1200
89 が確認された
（実線）およ
n型ダイヤモ on electron m した後の状態
す。中央上部 層から、カー なっている。
度リンドーピ 1400 Raman shift
G-b
たことから、
よび内部（破
モンド表面近 microscopy）
態を用いた。
部にある白い ーボン保護膜
n 型ダイヤ
ピングの影響 1 1600
(cm-1) [P] = 1×
position sur inn
band
表面にだけ
破線）におけ
近傍の断面T 像でグラフ 図 5.16 に、
い枠は、図5.
膜、電極（上 ヤモンド半導 響だと考えら
20 1800
1020 cm-3 rface ner
けグラファイ
けるラマンス
TEM像 ファイト成分
電極形成後 .17の拡大位 上から Au、
導体薄膜には られるが、CV
000
電極
リンドープn型ダイヤモンド薄膜
イト成分が形
ペクトル
分の構造を確 後における n 位置である。
Pt、Ti）、グ は、逆さまの
VD合成中に
極
形
確 n グ の に
形成された い。いずれ とが予想さ
この n+型 広範囲にわ を拡大した である。グ
（0.34 nm）
図5.
5.5.2 結
たものか、TEM れにせよ、高濃
れる。
型ダイヤモン わたって均一 たTEM像を図 グラファイト
から、この
17 電極形成
結果と考察
図
M観察用薄片 濃度リンドー ンド半導体薄
の厚さ（お 図5.17に示す
層内には、い の構造体はグ
成後における
図5.18 グラ -40 -20 0 20 40
Current (μA)
-3
片を作製する ーピングでは 薄膜の上に形 よそ12 nm）
す。大きく分 いくつものマ グラファイト
るn型ダイヤ
ファイト電極 -2 [P] = 1×102 Spacing d = Room tempe
90 るときに形成 はダイヤモン 形成された最
）の形成が確 分けて3層あ マクロな層状
（層間距離
ヤモンド表面
極と従来の
-1 0
Voltage (
20 cm-3 18 μm erature
T G
成されたもの ンド半導体に 最も薄く、白 確認できる。
あるうち、中 状構造が確認 0.335 nm7））
面近傍（白枠
Ti電極にお
1 2
(V)
itanium electr Graphite electr
のかどうかの に大きなスト 白い層が、グ さらに、こ 中央の白い部 認される。こ であると考
部）を拡大
けるI-V特性
2 3
rodes rodes
の切り分けは トレスがかか グラファイト このグラファ 部分がグラフ この層状構造 考えられる。
した断面TE
性
はできていな かっているこ ト層であり、
ァイト層近傍 ファイト電極 造の層間距離
EM像 な
傍 極 離
91
図5.18に、グラファイト電極/n+型ダイヤモンド半導体/グラファイト電極構造および従来のTi電極/n+ 型ダイヤモンド半導体/Ti電極構造のI-V特性を示す。点線で示した従来のTi 電極では、非常に大きな 逆S字特性が見られ、理想的なオーミック特性が得られていないことが明らかである。一方、グラファ イト電極のI-V特性は、直線性が大幅に改善され、オーミック特性に近い特性が得られていることが分 かる。しかしながら、グラファイト電極の I-V 特性も点対称の逆 S 字特性であることから、従来の Ti 電極と同様に、グラファイト電極/n+型ダイヤモンド半導体界面にも高いショットキー障壁が存在するこ とが予想される。
図5.19 グラファイト電極と従来のTi電極における電極間全抵抗の電極間隔依存性
さらに、界面特性を理解するため、5.2 節の TLM 法を用いて接触抵抗の電圧依存性を解析した。図 5.19に、電極間電流を50 μAと固定したときの電極間全抵抗の電極間隔依存を示す。グラファイト電極 の方が従来のTi電極よりも全体的に抵抗が小さいことが分かる。また、傾きが同程度であることから、
シート抵抗（つまりは、バルク抵抗）は同程度であると考えられる。つまり、グラファイト電極を用い たことによる電極間全抵抗の減少は、バルク抵抗ではなく、接触抵抗成分の低減によるものだと考えら れる。ここで、それぞれの試料において、各電極間隔を 4 つ測定しており、その平均値をプロットし、
最大値と最小値の差をエラーバーとした。
図5.20 グラファイト電極と従来のTi電極における接触抵抗の電圧依存性
100 80 60 40 20 0
Total resistance (kΩ)
20 15
10 5
0
Spacing d (μm)
Titanium electrodes Graphite electrodes I0 = 50 μA Room temperature
[P] = 1×1020 cm-3
0.01 0.1 1 10
Specific contact resistance (Ωcm2 )
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
Voltage at both electrode/diamond interfaces (V) Titanium electrodes Graphite electrodes
[P] = 1×1020 cm-3 Room temperature
92
図5.20には、グラファイト電極および従来のTi電極における接触抵抗の電圧依存を示す。グラファ イト電極を用いると、界面電圧0 V付近の接触抵抗の値が0.9 Ωcm2にまで低減した。この値は、n型ダ イヤモンド半導体/電極界面で得られた接触抵抗の世界最小値である。従来のTi電極で得られた14 Ωcm2 と比較すると、グラファイト電極を用いることで接触抵抗が1桁以上も低減していることが分かる。図 4.7 と同じように、全電圧領域で接触抵抗が1 桁低減していることから、ショットキー障壁が低減され たと考えられる。
図5.21 グラファイト電極の形成温度をパラメータとした接触抵抗の電圧依存性
ダイヤモンド上のグラファイトは1000°C以上で形成され始めるが、図5.21に示すように、1000°C
や1100°Cではその効果が見られなかった。また、違う試料を用いて、1450°Cでグラファイト層を形成
し、同様の実験を行ったが、1300°Cと同程度の効果しか得られなかった。このことから、1300°C程度 以上で形成された比較的厚いグラファイト電極が接触抵抗低減に効いていると考えられ、グラファイト 膜厚の制御が今後必要である。
5.6 まとめ
本章では、ダブルショットキー構造を想定した電流固定のTLM法を用いて、高濃度リンドープn型
（n+型）ダイヤモンド(111)薄膜と金属電極との界面特性、接触抵抗のリン濃度依存性を実験的に初めて 明らかにした。第4章の数値計算結果と同じように、n型ダイヤモンド半導体薄膜の接触抵抗には大き な電圧依存が確認された。
また、窒素イオンを注入することで、深い不純物・欠陥準位を形成し、n型ダイヤモンド半導体薄膜 の接触抵抗を1桁近く低減させると同時に、深い不純物・欠陥準位が金属/ホッピング伝導層界面の電子 輸送経路の一つになっていることを明確にした。
さらに、ショットキー障壁の高さを制御するため、金属電極の代わりにグラファイト電極を用いると、
グラファイト電極/n+型ダイヤモンド半導体界面における接触抵抗が従来の Ti 電極/n+型ダイヤモンド半 導体界面における接触抵抗よりも1桁以上低減させ、0.9 Ωcm2という接触抵抗を実現した。
以上の結果より、窒素イオン注入とグラファイト電極を併用することで、さらに1桁の接触抵抗低減 に期待される。第 6章では、比較的容易に低抵抗を得ることができるグラファイト電極を用いてp-i-n+ ダイオードを作製、評価する。
0.1 1 10 100
Specific cotact resistance (Ωcm2 )
3.0 2.5
2.0 1.5
1.0 0.5
0.0
Voltage applied at electrodes/diamond interface (V) Graphite formation temperarure 1000ºC
1100ºC 1300ºC
Titanium electrodes
[P] = 1×1020 cm-3 Room temperature
93
参考文献
1) D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization, 3rd ed. (Wiley-Interscience, New York, 2006).
2) H. Kato, H. Umezawa, N. Tokuda, D. Takeuchi, H. Okushi and S. Yamasaki: Appl. Phys. Lett. 93, 202103 (2008).
3) T. Teraji, S. Koizumi, and H. Kanda, Appl. Phys. Lett. 76, 1303 (2000).
4) T. Matsumoto，H. Kato，N. Tokuda，T. Makino，M. Ogura，D. Takeuchi，H. Okushi，S. Yamasaki: Physs Status Solidi RRL, DOI: 10.1002/pssr.201308252.
5) M. Suzuki, S. Koizumi, M. Katagiri, T. Ono, N. Sakuma, H. Yoshida, T. Sakai and S. Uchikoga: Phys. Status Solidi A 203, 3128 (2006).
6) N. Tokuda, M. Fukui, T. Makino, D. Takeuchi, S. Yamasaki, and T. Inokuma: Jpn. J. Appl. Phys. 52, 110121 (2013).
7) 山華雅司、平林英明、http://www.toshiba.co.jp/tech/review/2012/10/67_10pdf/f02.pdf