Control of nanostructures of directly-bonded Si/diamond interfaces by annealing
| Project/Area Number |
23K21083
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| Project/Area Number (Other) |
21H01830 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30010:Crystal engineering-related
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University (2022-2024)
Osaka City University (2021) |
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Principal Investigator |
重川 直輝 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (60583698)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
嘉数 誠 佐賀大学, 理工学部, 教授 (50393731)
大野 裕 東北大学, 金属材料研究所, 特任研究員 (80243129)
梁 剣波 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80757013)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
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| Keywords | ダイヤモンド / シリコン / 接合界面 / 中間層 / 耐熱性 / 表面活性化接合 / ダイヤモンド//3C-SiC接合界面 / 熱処理 / 界面熱抵抗 / ヘテロエピタキシャル成長 / ダイヤモンド//Si接合界面 / 立方晶SiC中間層 / ダイヤモンド//シリコン接合 / HAADF-STEM / EDX / X線回折 |
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| Outline of Research at the Start |
表面活性化接合により形成されるダイヤモンド/Si直接接合界面は両者の大きな熱膨張係数差にかかわらず1000℃の耐熱性を示す。熱処理時に形成される中間層が耐熱性実現の重要な役割を果たしていると予測される。本研究においては、高分解能電子顕微鏡観察、微小領域ラマン散乱測定、X線小角散乱などの先進的な評価手法を駆使し、界面のナノ構造、歪、通電時の自己発熱効果を測定する。界面の耐熱性や熱伝導特性において中間層が果たす役割を解明し、Si以外のIV族半導体との接合も含めて応用可能性を探索する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度の成果（1000 ℃にて熱処理されたシリコン//ダイヤモンド接合界面において、立方晶SiC微結晶からなるシリコンカーバイド化合物層が形成されること、接合界面の熱的安定性は同層の効果に依ること）に着想を得て、3C-SiCエピタキシャル層と単結晶ダイヤモンド接合を形成し、その耐熱性を検証するとともに断面TEM観察により熱処理による界面ナノ構造の変化を明らかにした。それにより、3C-SiC//単結晶ダイヤモンド接合が窒化物素子作製に必要な熱処理温度を上回る1100 ℃の耐熱性を備えること、接合直後に界面に形成されるアモルファス層は熱処理の結果微結晶層となること（熱処理の結果界面の結晶性が改善すること）を示した。更に、海外機関との共同研究により熱処理前後の接合界面を介した熱伝導を調査し、界面の熱伝導率が熱処理によって上昇すること（熱処理前の界面熱伝導率：35 MW/m2K、熱処理後の界面熱伝導率：110 MW/m2K）を見出した。
3C-SiCエピタキシャル層はシリコン(111)基板上に窒化物半導体層を結晶成長する際のバッファ層として使われており、かつ、1100 ℃は窒化物半導体層の結晶成長温度とほぼ等しいことから、今回の結果により窒化物半導体/3C-SiC//ダイヤモンド接合上に窒化物半導体層の（再）成長が可能であることを示唆する応用上重要な成果が得られた。更に熱処理による界面の結晶性の改善、界面熱伝導の向上は素子の熱抵抗低減、大出力化に資する成果である。また、前年度の特許出願内容をもとにPCT出願1件を行った。
加えて、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長において、2022年度の成果をもとに、基板材料、Ir中間バッファ層、ダイヤモンド層間の歪、結晶品質を評価し成長機構を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度までの知見に基づきダイヤモンドの接合対象をIV族化合物半導体である3C-SiCへ展開することにより応用上価値の高い接合界面実現の見通しを得ていること、前年度の特許出願をもとにPCT出願を1件行い、成果の海外展開を進めたことから、おおむね順調に進捗していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
より高温での熱処理により接合界面の耐熱限界を明らかにするとともに、ダイヤモンド上窒化物半導体のデバイスプロセスの新領域の開拓につながる知見を探索する。
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Report
(3 results)
Research Products
(10 results)
