2017 Fiscal Year Research-status Report
Establishing doping technique for semi-conducting nano-polycrystalline diamond
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17K18883
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
石川 史太郎 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 准教授 (60456994)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2019-03-31
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| Keywords | ダイヤモンド / 高温・高圧合成 / ドーピング / 不純物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンドは優れた半導体としての物性を併せ持つことが知られており、将来のパワーデバイス材料として期待されている。愛媛大学では、従来高温・高圧下でのダイヤモンド合成に取り組んでいる。世界最大級の超高圧発生装置により、通常のダイヤモンドよりも高硬度な、ナノ多結晶ダイヤモンド（ヒメダイヤ）の合成や、その高品質化・大型化に成功している。本研究は高温・高圧合成による電子材料ダイヤモンド合成技術確立を目的として研究を行った。具体的には以下の研究を行った。
①出発物質となるグラファイトと共にPを含む素材を封入してダイヤモンドを合成することで、Pを不純物として含有するダイヤモンドの合成を試みた。封入材料には加工がしやすく安定なInP結晶を選定した。合成後の作製試料のX線回折測定では、結晶格子定数の変化が観測された。透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型X線分析からは、ダイヤモンド中にInおよびPが観測され、ダイヤモンド中にこれら元素を含む合成試料の作製に成功した。
②ナノ多結晶表面に長短パルスレーザーを照射することで、ドーピング元素との反応を促進させる加熱処理と変質を行うことを試みた。変質した部位はグラファイトが形成され、高い導電性を示す層となった。
③化学気相堆積法で作製された単結晶ダイヤモンド表面にPをイオン注入し、ナノ多結晶ダイヤモンド合成条件となる2300℃、15GPaの高温・高圧印加を行った。その結果、予期しない微細構造が形成された。同微細構造は試料表面から観察するとピラミッドのように見える構造を形成した。さらにピラミッド状構造内部は非常に不純物濃度の低いダイヤモンドであることが判明し、同構造形成中に純度の高い結晶が合成される機構が存在すること、ダイヤモンド中の不純物濃度制御技術としての展開が考えられた。
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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
①高温・高圧合成によるPを含むダイヤモンドを合成する試みは構造上は成功し、透過型電子顕微鏡観察から確かなPの含有を確認できている。合成時にドーピング元素を同時封入するだけの簡便な手法でPの導入に成功した結果は、非常に有望であると考えている。
②表面のレーザー処理で偏した部位の高い低抵抗化は、電極形成などにも有望であるとかんがえている。
③予期せず合成に成功したピラミッド構造を有するダイヤモンド微細構造は、その不純物濃度の低さなどから有効に利用できれば画期的な構造、新材料となる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
①高温・高圧合成によるPを含むダイヤモンドを合成する試みは構造上の導入は電子顕微鏡観察で判別可能なレベルの高濃度で成功している。今後導電性の検証に展開し、同技術によるナノ多結晶ダイヤモンドの半導体化を目指した研究を進める。
②表面のレーザー処理で偏した部位の高い低抵抗化は、非常に簡便、短時間で導電層形成が可能な手法になり得る。これを電極形成手法などに展開できるよう、変質層の基礎構造・物性の把握を進める。
③合成に成功したピラミッド構造を有するダイヤモンド微細構造は、透過型電子顕微鏡観察からエピタキシャル成長により発生した可能性が高い。その場合、新しいダイヤモンド合成手法、微細構造形成手法、不純物濃度制御手法に展開できる可能性がある。これらを確立できるよう、その形成機構、物性把握を詳細に行う。
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| Causes of Carryover |
今年度は、所属機関（愛媛大学）の当該研究に関連して形成された研究組織（愛媛大学リサーチユニット）より予算が十分配分され、必要な消耗品および測定委託費、旅費を捻出することができた。これにより次年度使用が生じた。また、今年度は試料作製までにとどまり、目的である導電性評価のための予算執行にも関わる備品導入が遅れることとなった。来年度は試料作製技術をさらに発展させ、導電性制御まで繰り越した資産を持って遂行する予定である。
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