• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Control of electronic properties by improving crystalline quality of phosphorus-doped n-type diamond containing heavy metal atoms

Research Project

Project/Area Number 22K14478
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionKyushu Institute of Technology

Principal Investigator

片宗 優貴  九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (50772662)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywordsn型ダイヤモンド / 熱フィラメントCVD法 / リンドーピング / 重金属不純物 / 結晶成長 / 電気的特性 / 金属不純物 / 化学気相成長法
Outline of Research at the Start

n型ダイヤモンド半導体は結晶品質と不純物の制御が不十分な結晶では実現困難と考えられていたが,近年,申請者らは熱フィラメントCVD法を用いて金属不純物存在下においてもリンドーピングによりn型電気伝導性が得られることを発見した.しかしながら,金属不純物やそれに付随した欠陥が存在する結晶において,なぜ電子伝導が失われずに発現するのか,n型ダイヤモンドの電子伝導を決定づける要因は明らかではない.本研究では,熱フィラメントCVDプロセスを適正化することで高品質n型ダイヤモンド膜を実現し,半導体物性評価と結晶構造解析により重金属原子の電気的・構造的作用を実験的に明らかにすることを目的とする.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,熱フィラメント化学気相成長(CVD)法を用いたリンドープn型ダイヤモンド膜の高品質結晶成長技術の構築し,フィラメント材からダイヤモンド膜に混入する重金属原子の電気的・構造的作用を半導体物性評価と結晶構造解析によって実験的に明らかにすることを目的としている.
2年目にあたる令和5年度は,熱フィラメントCVD法で得られるリンドープダイヤモンド膜の結晶品質の向上のため,成長パラメータの中で基板温度に注目して基板ステージ周りの改造を行い,ダイヤモンド成長中の基板温度の安定性及び制御性の改善を試みた.得られたリンドープ膜の表面形態を微分干渉顕微鏡を用いて観察し,結晶品質を評価するための指標とした.成長膜の表面に金属電極を形成し,比抵抗測定により電気的特性を評価した.また,カソードルミネッセンス測定により成長膜の欠陥構造を評価した.
基板温度の影響について,ステージ温度を900℃±100℃の範囲内で調整したところ,得られたリンドープダイヤモンド膜の表面形態に違いが観察され,温度の上昇に伴い鏡面に近い平滑表面が形成される傾向がみられた.成長膜の表面平滑性が改善に伴い結晶品質の向上が見込まれる一方で,表面形態とn型電気伝導の発現は必ずしも一致しないことが明らかになった.このことから基板温度で成長モードが異なりダイヤモンドへのリン原子の取り込まれ方が変化している可能性が考えられる.また,カソードルミネッセンス測定では,熱フィラメントCVD法で作製したリンドープダイヤモンドにおいて,マイクロ波CVD法の場合と類似した励起子発光を観測することができた.熱フィラメントCVD法では結晶欠陥に関連したBand-A発光強度が依然として高く,金属不純物との関係は不明であるが,さらなる結晶品質の改善が必要であることがわかった.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題の進捗は概ね当初の計画通りであり,熱フィラメントCVD法でのリンドープダイヤモンドの作製における成長パラメータと膜特性の関係が少しずつ明らかになってきている.熱フィラメントCVD法での成長パラメータを調整する中で膜中リン濃度 10^19 cm^-3前後のドーピングではある一定の再現性の確保することができた.予算の都合で基板ステージ周りの大幅な改造は難しかったが,これには基板-ステージ間の接触面の改善など成長時の基板の温度を安定化させた効果が大きかったと考えられる.課題として,室温領域でホッピング伝導を抑制してバンド伝導を優勢にするため,リンドーピング濃度の低減することがあげられる.

Strategy for Future Research Activity

今回得られた結果からリンドーピングによりn型電気伝導が得られる温度領域は狭いことが明らかになった.熱フィラメントCVD法は原理上,基板温度の正確な把握が難しいため,ステージ温度とフィラメント温度との両面での基板温度の調整が必要である.そこで,フィラメント温度が結晶成長に与える効果について,可能な範囲で前駆体生成と基板加熱のそれぞれの効果を調査する.また,成長モード制御のため表面研磨状態やオフ角の揃った基板をより積極的に用いることで最適な成長条件を絞り込む.低濃度領域(リン濃度:10^18 cm^-3以下)でのドーピング制御について装置内部のクリーニングによる低濃度化を試みたが,残留リン化合物の影響の完全な除去は難しいことがわかったため,ドーピング効率の低減などの新たな成長パラメータ制御を検討する.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Heavy phosphorus doping of diamond by hot-filament chemical vapor deposition2023

    • Author(s)
      Katamune Yuki、Izumi Akira、Ichikawa Kimiyoshi、Koizumi Satoshi
    • Journal Title

      Diamond and Related Materials

      Volume: 134 Pages: 109789-109789

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2023.109789

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 電子線後方散乱回折法によるリン添加多結晶ダイヤモンド膜の結晶方位評価の検討2023

    • Author(s)
      山口一色、片宗優貴、和泉亮
    • Organizer
      2023年度日本表面真空学会 九州支部学術講演会(九州表面・真空研究会2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] リン添加多結晶ダイヤモンド膜の成長と結晶方位評価2023

    • Author(s)
      山口一色、片宗優貴、和泉亮
    • Organizer
      第20回Cat-CVD研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] リン添加による多結晶CVDダイヤモンド膜の表面構造変化2023

    • Author(s)
      片宗 優貴,松本 拓万,山口 一色,和泉 亮
    • Organizer
      第20回Cat-CVD研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 熱フィラメントCVD法により成長したリン添加多結晶ダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス評価2023

    • Author(s)
      井下 智史,片宗 優貴,和泉 亮,寺地 徳之,渡邊 賢司,小泉 聡
    • Organizer
      第20回Cat-CVD研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Si 上に形成したリン添加多結晶ダイヤモンド膜のカソードルミネッセンス2023

    • Author(s)
      井下智史, 片宗優貴, 和泉亮, 寺地徳之, 渡邊賢司, 小泉聡
    • Organizer
      2023年度応用物理学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] HFCVD 法によるリン添加多結晶ダイヤモンド膜の成長に及ぼす予備成長層の厚さの影響2023

    • Author(s)
      中村龍平, 片宗優貴, 和泉亮
    • Organizer
      2023年度応用物理学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] リン添加多結晶ダイヤモンド膜の厚膜化に伴う結晶方位の変化2023

    • Author(s)
      山口一色, 片宗優貴, 和泉亮
    • Organizer
      2023年度応用物理学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 多結晶ダイヤモンドのCVD成長とリン添加の影響2023

    • Author(s)
      堀田有花,片宗優貴,和泉亮
    • Organizer
      第14回半導体デバイスフォーラム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 熱フィラメントCVD法によるn型ダイヤモンドの成長と高濃度ドーピング2022

    • Author(s)
      片宗 優貴,和泉 亮,市川 公善,小泉 聡
    • Organizer
      第19回CatCVD研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Heavily phosphorus-doped diamond thin films grown by hot filament CVD2022

    • Author(s)
      Yuki Katamune, Akira Izumi, Kimiyoshi Ichikawa, Satoshi Koizumi
    • Organizer
      New Diamond and Nano Carbons (NDNC2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 熱フィラメントCVD法により成長した 高濃度リンドープダイヤモンド(111)薄膜の電気的特性2022

    • Author(s)
      片宗 優貴,和泉 亮,市川 公善,小泉 聡
    • Organizer
      第35回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 研究者情報

    • URL

      https://hyokadb02.jimu.kyutech.ac.jp/html/100000924_ja.html

    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi