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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Fundamental Study on Cubic Diamond Heteroepitaxial Growth on Trigonal Sapphire Substrate

Research Project

Project/Area Number 19H02616
Research InstitutionSaga University

Principal Investigator

嘉数 誠  佐賀大学, 理工学部, 教授 (50393731)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高橋 和敏  佐賀大学, シンクロトロン光応用研究センター, 教授 (30332183)
大石 敏之  佐賀大学, 理工学部, 教授 (40393491)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsダイヤモンド / パワー半導体デバイス / ヘテロエピタキシャル成長
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、申請者らが最近見出した大口径化可能な三方晶系サファイア基板結晶上の立方晶系ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長とその成長機構の解明を行うのが目的である。特にヘテロエピの結晶性に重要なサファイア結晶表面上およびIrバッファ層面上のダイヤヘテロエピの成長初期過程、すなわち炭素原子の表面拡散、核生成・合体の過程、層成長過程をシンクロトロンX線トポグラフィーや原子間力顕微鏡(AFM)、X線回折などで明らかにする。また層成長過程でのモザイクの配向性の向上、転位発生・消滅の機構、デバイス特性に関連のあるキャリア移動度への影響も明らかにする。またサファイア基板の様々な面方位によるダイヤヘテロエピ膜の面方位制御、オフ基板によるステップフロー成長も試みる。最後に大口径サファイア基板を用いたインチサイズのダイヤヘテロエピを試みる。本研究はダイヤモンドパワー素子につながる研究である。
①「ダイヤヘテロ成長初期過程の解明」本年度は傾斜基板上のステップフロー成長を用いることで、ダイヤにかかる歪を横方向に逃がし、昨年度の1インチ径から2インチ径に大口径化に成功した。平面TEMから転位が横に逃げる様子が観察された。②「ダイヤヘテロエピ膜の転位生成機構の解明」転位は、刃状転位だとわかった。③「ダイヤヘテロエピの層成長の機構の解明」反りは、MgO基板と比較しサファイア基板を用いることで、Ir緩衝層で緩和され、ダイヤへの引張歪が緩和される機構が明らかになった。④「サファイアの大口径基板による大口径ダイヤエピ、オフ基板によるステップフロー成長」傾斜基板のステップフロー成長を用いることで2インチ径まで大口径化ができた。⑤「ダイヤヘテロエピ膜の電気的特性の解明、FETの作製」世界最高の845MW/cm2の出力電力を示すFETの作製に成功した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (52 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (43 results) (of which Int'l Joint Research: 18 results,  Invited: 10 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Probe-induced surface defects: Origin of leakage current in halide vapor-phase epitaxial (001) β-Ga2O3 Schottky barrier diodes2022

    • Author(s)
      Sayleap Sdoeung, Kohei Sasaki, Katsumi Kawasaki, Jun Hirabayashi, Akito Kuramata, and Makoto Kasu
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 120 Pages: 092101

    • DOI

      10.1063/5.0085057

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Line-shaped defects: Origin of leakage current in halide vapor-phase epitaxial (001) β-Ga2O3 Schottky barrier diodes2022

    • Author(s)
      Sayleap Sdoeung, Kohei Sasaki, Katsumi Kawasaki, Jun Hirabayashi, Akito Kuramata, Toshiyuki Oishi, and Makoto Kasu
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 120 Pages: 122107

    • DOI

      10.1063/5.0088284

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of diamond modulation-doped FETs by NO2 delta doping in an Al2 O3 gate layer2021

    • Author(s)
      Makoto Kasu, Niloy Chandra Saha, Toshiyuki Oishi, and Seong-Woo Kim
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 14 Pages: 051004

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abf445

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Schottky barrier diodes fabricated on high-purity type-IIa CVD diamond substrates using an all-ion-implantation process2021

    • Author(s)
      Seiya Shigematsu, Toshiyuki Oishi, Yuhei Seki, Yasushi Hoshino, Jyoji Nakata, and Makoto Kasu,
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Pages: 050903

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abf445

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stacking faults: Origin of leakage current in halide vapor phase epitaxial (001) β-Ga2O3 Schottky barrier diodes2021

    • Author(s)
      Sayleap Sdoeung, Kohei Sasaki, Satoshi Masuya, Katsumi Kawasaki, Jun Hirabayashi, Akito Kuramata, and Makoto Kasu
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 118 Pages: 172106

    • DOI

      10.1063/5.0049761

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 345-MW/cm2 2608-V NO2 p-type Doped Diamond MOSFETs with an Al2O3 Passivation Overlayer on Heteroepitaxial Diamond2021

    • Author(s)
      Niloy Chandra Saha, Seong-Woo Kim, Toshiyuki Oishi, Yuki Kawamata, Koji Koyama, and Makoto Kasu
    • Journal Title

      IEEE Electron Device Letters

      Volume: 42 Pages: 903-906

    • DOI

      10.1109/LED.2021.3075687

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design’2021

    • Author(s)
      Jianbo Liang, Ayaka Kobayashi, Yasuo Shimizu, Yutaka Ohno, Seong-Woo Kim, Koji Koyama, Makoto Kasu, Yasuyoshi Nagai, and Naoteru Shigekawa
    • Journal Title

      Adavanced Materials

      Volume: 21 Pages: 2104564

    • DOI

      10.1002/adma.202104564

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Two-inch high-quality (001) diamond heteroepitaxial growth on sapphire (11-20) misoriented substrate by step-flow mode2021

    • Author(s)
      Seong-Woo Kim, Ryota Takaya, Shintaro Hirano, and Makoto Kasu
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 115501

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac28e7

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ダイヤモンドパワーFETと大口径ウエファーの最近の進展2022

    • Author(s)
      嘉数 誠
    • Organizer
      日本学術振興会第161委員会第117 回 研究会
    • Invited
  • [Presentation] 「ステップフローを用いたダイヤモンド2インチ径ヘテロウェハ成長と選択ドーピングしたダイヤモンドFETの開発」(招待)2022

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      独立行政法人 日本学術振興会 第R032委員会 第5回研究会 2022年1月7日(金)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Recent Progress of High-Voltage High-Power Diamond MOSFETs2022

    • Author(s)
      Makoto Kasu and Niloy Chandra Saha
    • Organizer
      1st International Workshop on Diamond Devices, Saga, Feb 21-22, 2022.
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Observation of Reverse Leakage Current in (001) Halide Vapor Phase Epitaxial (HVPE)-grown b-Gallium Oxide Schottky Barrier Diodes by High Sensitive Emission Microscope2022

    • Author(s)
      Sayleap Sdoeung, Kohei Sasaki, Katsumi Kawasaki, Jun Hirabayashi, Akito Kuramata, and Makoto Kasu
    • Organizer
      1st International Workshop on Diamond Devices, Saga, Feb 21-22, 2022.
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structural Characterization of Vertical-Bridgman and Edge-Defined Film-Fed Growth β-Ga2O3 Single Crystal Wafers by High-resolution X-ray Diffraction and Synchrotron X-ray Topography2022

    • Author(s)
      Chaman Islam, Sayleap Sdoeung, and Makoto Kasu
    • Organizer
      1st International Workshop on Diamond Devices, Saga, Feb 21-22, 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Growth of high-quality inch-diameter heteroepitaxial diamond layers on Sapphire substrates in comparison to MgO substrates2022

    • Author(s)
      R. Takaya, S-W. Kim, M. Kasu
    • Organizer
      1st International Workshop on Diamond Devices, Saga, Feb 21-22, 2022
    • Invited
  • [Presentation] Fabrication and Electrical properties for diamond Schottky Barrier Diodes with small area Schottky electrode using All-Ion-Implantation Process2022

    • Author(s)
      S. Shigematsu, Y. Seki, Y. Hoshino, J. Nakata, T. Oishi, and M. Kasu
    • Organizer
      1st International Workshop on Diamond Devices, Saga, Feb 21-22, 2022
    • Invited
  • [Presentation] 820 MW/cm2 0.42 A/mm 3326 V 選択ドーピダイヤモンドMOSFET2022

    • Author(s)
      ニロイ チャンドラ サハ, 金 聖祐, 大石敏之, 嘉数 誠
    • Organizer
      2022年秋季応用物理学会、相模原、22p-E302-9、2022年3月22-26日
  • [Presentation] 875 MW/cm2 2568 V 0.68A/mm NO2 ドープダイヤモンドMOSFET2022

    • Author(s)
      ニロイ チャンドラ サハ , 金 聖祐, 大石敏之 , 嘉数 誠
    • Organizer
      2022年秋季応用物理学会、相模原、22p-E302-10、2022年3月22-26日。
  • [Presentation] N フリーヘテロエピタキシャルダイヤモンドの成長2022

    • Author(s)
      金 聖祐,高谷 亮太 , 平野 慎太郎, 川又 友喜, 小山 浩司, 嘉数 誠
    • Organizer
      2022年秋季応用物理学会、相模原、25a-E204-9、2022年3月22-26日
  • [Presentation] 高感度エミッション顕微鏡によるHVPE (001)β型酸化ガリウムSBDのリーク電流の起源の同定ー研磨による表面キズ2022

    • Author(s)
      スダーン セイリープ、シャーマン イスラム, 桝谷聡士, 佐々木公平, 川崎克己, 平林潤, 倉又朗人, 嘉数 誠
    • Organizer
      2022年秋季応用物理学会、相模原、25p-E202-10、2022年3月22-26日
  • [Presentation] 精密 X 線回折法による高品質 EFG β-Ga2O3単結晶の格子定数の決定2022

    • Author(s)
      ムヒドゥル イスラム チャマン , スダーン セイリープ ,嘉数 誠
    • Organizer
      2022年秋季応用物理学会、相模原、26p-E202-13、2022年3月22-26日
  • [Presentation] 垂直 VB 成長と EFG 成長(001) β-Ga2O3 結晶の X 線トポグラフィー観察2022

    • Author(s)
      ムヒドゥル イスラム チャマン, 干川圭吾 , スダーン セイリープ , 嘉数 誠
    • Organizer
      2022年秋季応用物理学会、相模原、26p-E202-14、2022年3月22-26日
  • [Presentation] 究極の半導体 ダイヤモンドの大口径ウェハとパワーデバイスの最近の進展(招待)2022

    • Author(s)
      嘉数 誠
    • Organizer
      令和3年度ナノ・マイクロ技術支援講座(ナノ茶論)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ダイヤモンド半導体ウェハとデバイス技術の最近の進展2021

    • Author(s)
      嘉数 誠
    • Organizer
      (一社)電子実装工学研究所(IMSI)接合界面創成技術研究会
    • Invited
  • [Presentation] 145-MW/cm2 NO2-Doped Diamond MOSFETs2021

    • Author(s)
      Makoto Kasu
    • Organizer
      Diamond Electronics Workshop, Online (Washington DC)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 2608-V 344.6-MW/cm2 NO2 p-type Doped Diamond MOSFETs on High-Quality Heteroepitaxial Diamond Layers2021

    • Author(s)
      M. Kasu, N.C. Saha, S. -W. Kim, Y. Kawamata, K. Koyama, and T. Oishi
    • Organizer
      Materials Research Society 2021 Spring Meeting, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Killer defects in β-Ga2O3 Schottky barrier diodes observed by ultrahigh sensitive emission microscopy and synchrotron X-ray topography2021

    • Author(s)
      M. Kasu, S. Sayleap, H. Takaji, K. Sasaki, J. Arima, K. Kawasaki, J. Hirabayashi, A. Kuramata
    • Organizer
      Materials Research Society 2021 Spring Meeting, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High Current (776 mA/mm) and High Voltage (618 V) Operation of Heteroepitaxial Diamond FETs with NO2 Doping2021

    • Author(s)
      Niloy Chandra Saha, Seong-Woo Kim, Toshiyuki Oishi, Yuki Kawamata, Koji Koyama, Makoto Kasu
    • Organizer
      New Diamond and Nano Carbons 2020/2021, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Diamond Schottky barrier diodes with double Boron ion implantation structure2021

    • Author(s)
      S. Sigematsu, T. Oishi, Y. Seki, J. Nakata, and M. Kasu
    • Organizer
      New Diamond and Nano Carbons 2020/2021, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mechanism of Diamond Heteroepitaxial Growth on Sapphire Substrate2021

    • Author(s)
      R. Takaya, Y. Kawamata, K. Kawamata, Seong -Woo Kim, and M. Kasu
    • Organizer
      New Diamond and Nano Carbons 2020/2021, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modulation-doped diamond field-effect transistors fabricated by NO2 delta doping in an Al2O3 gate layer2021

    • Author(s)
      M. Kasu, N.C. Saha, S.-W. Kim, and T. Oishi
    • Organizer
      31st International Conference on Diamond and Carbon Materials, Online
  • [Presentation] Initial Growth Mechanism of High-Quality Diamond Heteroepitaxial Layers on Sapphire and MgO Substrates2021

    • Author(s)
      Makoto Kasu, Ryota Takaya, Ryo Masaki, Niloy Chandra Saha, Yuki Kawamata, Koji Koyama, and Seong-Woo Kim
    • Organizer
      31st International Conference on Diamond and Carbon Materials, Online, 6-9 September 2021.
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] イオン注入法のみでドーピングし作製したダイヤモンドショットキーバリアダイオード2021

    • Author(s)
      重松 誠弥,関 裕平,星野 靖,中田 穣治,大石 敏之,嘉数 誠
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] 選択ドーピングしたダイヤモンド電界効果トランジスタ2021

    • Author(s)
      嘉数 誠,ニロイ サハ チャンドラ, 金 聖祐,大石敏之
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] 高感度エミッション顕微鏡によるHVPE (001) β型酸化ガリウムSBDのリーク電流の起源の同定ープローブによる欠陥2021

    • Author(s)
      スダーン セイリープ, シャーマン イスラム, 桝谷聡士, 佐々木公平, 川崎克己, 平林潤, 倉又朗人, 嘉数 誠
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] サファイア基板に大口径・高品質ヘテロエピタキシャルダイヤモンドが成長する機構2021

    • Author(s)
      高谷亮太,眞崎 瞭, 金 聖祐, ニロイ チャンドラ サハ, 嘉数 誠
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] ステップフロー成長を用いたヘテロエピタキシャルダイヤモンドの高品質化2021

    • Author(s)
      金 聖祐,高谷亮太, 嘉数 誠
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] 高分解能X線回折法によるVB成長β型酸化ガリウムの結晶品質の評価2021

    • Author(s)
      チャマン イスラム, 干川圭吾, 嘉数 誠
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] 緑色発光を用いたβ-Ga2O3結晶の微細構造評価2021

    • Author(s)
      庄司 昂平, 中西 雅彦, 桝谷 聡士, 嘉数 誠, 山口 智広, 本田 徹, 佐々木 公平, 倉又 朗人, 尾沼 猛儀
    • Organizer
      2021年秋季応用物理学会、オンライン
  • [Presentation] 影が太陽光モジュールの発電量に与える影響のメカニズム2021

    • Author(s)
      高治 広行、 嘉数 誠、 吉岡 達也
    • Organizer
      2021年電気・情報関係学会九州支部第74回連合大会、オンライン
  • [Presentation] ダイヤモンド大口径ウェハおよびパワートランジスターの最近の進展2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      耐放射線デバイス研究会、鳥栖、2021年10月8日(招待)
  • [Presentation] ダイヤモンド大口径ウェハおよびパワートランジスターの最近の進展2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス 2021、オンライン、2021年10月9日(招待)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] サファイア基板上大口径・高品質ヘテロエピタキシャルダイヤモンドの成長機構2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、高谷亮太、 金 聖祐
    • Organizer
      日本結晶成長学会第50回結晶成長国内会議(JCCG-50) オンライン
  • [Presentation] ステップフロー成長を用いたサファイア基板上大口径・高品質ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長2021

    • Author(s)
      金聖祐, 平野慎太郎, 高谷亮太, 嘉数誠
    • Organizer
      日本結晶成長学会第50回結晶成長国内会議(JCCG-50) オンライン
  • [Presentation] 高感度エミッション顕微鏡およびシンクロトロンX線トポグラフィーによるHVPE(001)β型酸化ガリウムSBDのキラー欠陥の同定2021

    • Author(s)
      嘉数 誠,スダーン セイリープ,シャーマン イスラム,桝谷聡士,佐々木公平,川崎克己,平林 潤,倉又朗人
    • Organizer
      日本結晶成長学会第50回結晶成長国内会議(JCCG-50) オンライン
  • [Presentation] ダイヤモンド半導体の最近の進展大口径ヘテロエピタキシャル成長とパワー半導体デバイスの開発」(招待)2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      「2021 Nano Scientific Symposium Japan」 「ナノ科学シンポジウム 2021」、横浜、2021年11月22日
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ダイヤモンドウェハおよびトランジスタ技術の最近の進展」(招待)2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      2021 Microwave Workshops & Exhibition (MWE 2021)、横浜、2021年11月24日
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロ波帯ハイパワーアンプ応用を目指したダイヤモンドトランジスタの研究」(招待)2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      2021 Microwave Workshops & Exhibition (MWE 2021)、横浜、2021年11月25日
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Diamond Field-Effect Transistors with Modulation Doping2021

    • Author(s)
      Makoto Kasu, Niloy Chandra Saha, Seong-Woo Kim, and Toshiyuki Oishi
    • Organizer
      2021 Materials Research Society Fall Meeting, EQ19.12, Online,
    • Invited
  • [Presentation] High Quality Heteroepitaxial Diamond by Using Step-Flow Growth2021

    • Author(s)
      Seong-Woo Kim, Ryota Takaya, and Makoto Kasu
    • Organizer
      2021 Materials Research Society Fall Meeting, ET, Online
    • Invited
  • [Presentation] HVPE成長β-Ga2O3 SBDのキラー欠陥のエミッション顕微鏡とシンクロトロン X 線トポグラフィーによる観察」(招待)2021

    • Author(s)
      嘉数 誠
    • Organizer
      日本学術振興会「結晶加工と評価技術」第 145 委員会 第 173 回研究会、オンライン、2021年12月8日
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 「ダイヤモンド半導体デバイスの最近の進展2インチ径ヘテロエピウェハ成長と選択ドープパワーデバイスの作製」(招待)2021

    • Author(s)
      嘉数 誠、金 聖祐
    • Organizer
      応用物理学会、先進パワー半導体研究会、オンライン、2021年12月10日。
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 研究室のホームページ

    • URL

      http://www.ee.saga-u.ac.jp/pelab/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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