Reduction of threading dislocations in diamond via in-situ metal incorporations and their application for electric devices as a buffer layer

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15295
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: OHMAGARI Shinya 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40712211)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / 欠陥 / 転位 / 化学気相成長法（CVD） / ショットキーバリアダイオード / デバイス

Outline of Final Research Achievements

We have proposed a novel concept for reducing device-killing defects by introducing metal impurity incorporations to achieve high quality diamond semiconductor devices. This technique is based on the hot-filament CVD using high-melting-point metal wires, and the key is to intentionally introduce metallic impurities of about 10-100 ppm into the film by controlling the growth conditions. From the cathodoluminescence method and the etch-pit method, it was confirmed that the dislocations extending from the substrate into the film were reduced to 1/10 to 1/100, and it was also demonstrated that the performance of Schottky diodes was improved and the in-plane device variation was reduced.
This technology enables scaling up of the device size, and is expected to be applied to power devices and sensors that require mm-order active area.

Free Research Field

結晶工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダイヤモンドは優れた物性と耐環境性を兼ね備えたロバストな電子材料である。エレクトロニクス応用には、大口径・低コストウェハの実現と共に、素子間（およびウェハ間）のバラツキ制御が必要となる。デバイス特性に致命的な影響を及ぼすキラー欠陥の同定および制御は、高歩留まりなデバイスを実現するために必要不可欠である。本研究では、CVD成長中に金属不純物を混入することにより欠陥の伝搬をコントロールする手法を提案し、ショットキーダイオードにおける性能向上およびバラツキ低減を実現した。これにより、大きな素子面積が必要なパワーデバイスや極限環境センサ（放射線検出器、原子力電池など）への応用が期待できる。