[发明专利]金刚石衬底及其制造方法

说明书

本发明为一种形成具有氮空位中心的金刚石晶体层的金刚石衬底的制造方法，其为利用CVD法并使用包含烃气与氢气的原料气体而在基底衬底上形成金刚石晶体的方法，该方法中，为了在所述金刚石晶体的至少一部分形成所述具有氮空位中心的金刚石晶体层，在将氮气或氮化物气体混入所述原料气体的同时，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，将烃气的量设为0.005体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.995体积％；将氮气或氮化物气体的量设为5.0×10^‑5体积％以上且5.0×10^‑1体积％以下。由此，提供一种金刚石衬底的制造方法，其通过以规定的条件进行CVD，能够在基底衬底上形成一种NV轴为[111]高度取向且具有高密度的氮‑空位中心(NVC)的金刚石晶体。

技术领域

本发明涉及一种金刚石衬底及其制造方法。

背景技术

金刚石在室温具有5.47eV的较宽能隙(bandgap)，作为宽能隙半导体(widebandgap semiconductor)而为人所知。

在宽能隙半导体中，金刚石的介电击穿电场强度(dielectric breakdownelectric field strength)极高，为10MV/cm，可在高电压下进行运作。此外，金刚石在已知物质中具有最高的导热率，因此散热性也优异。进一步，由于载流子迁移率和饱和漂移速度极大，因此金刚石适合作为高速器件。

因此，即便是与碳化硅或氮化镓之类的半导体相比，金刚石也表现出了最高的表示作为高频高功率器件的性能的约翰逊性能指标(Johnson’s figure of merit，JFOM)的值，其被称为终极半导体。

进一步，关于金刚石，具有存在于晶体中的氮-空位中心(nitrogen-vacancycenter，NVC)的现象，而具有可在室温下操作并检测出单一自旋(single spin)，且能够将该状态利用光学探测磁共振(optically detected magnetic resonance，ODMR)来成像的特征。期待活用此特征而作为磁场、电场、温度、压强等的高灵敏度传感器应用于广泛的领域中。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：US 2013/0143022 A1

非专利文献

非专利文献1：M.Hatano et al.,OYOBUTURI 85,311(2016)

非专利文献2：T.Fukui,et al.,APEX 7,055201(2014)

非专利文献3：H.Ozawa,et.al.,NDF Dia.Symp.29,16(2015)

发明内容

本发明要解决的技术问题

如上所述，期待金刚石作为半导体材料、或电子及磁性器件用材料而实用化，并期望提供大面积且高质量的金刚石衬底。例如，专利文献1已针对利用通过化学气相沉积法进行的异质外延生长来形成金刚石(111)晶体的技术进行了报告。此外，特别是在金刚石的用途中重要性较高的NVC器件用途中，氮-空位轴(NV轴)需为高度取向，因此，期望金刚石表面为NV轴在[111]方向上对齐的(111)晶面(非专利文献1)。此外，若考虑到应用于例如医疗用的核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)领域，则只要成为磁性传感器部分的金刚石衬底为大直径(大口径)，就可实现能够效率良好地测定较广泛的区域的装置。此外，在制造成本方面也有利。

此外，当将该金刚石衬底用于电子及磁性器件时，关于传感器部分，在金刚石晶体中，NV轴不仅需要在[111]方向上对齐，进一步还需要高密度地形成。

迄今为止所报告的[111]取向且形成有高密度NVC的金刚石晶体的制作如下所述。