2020 Fiscal Year Annual Research Report
Improvement of crystal quality of heteroepitaxial diamond toward realization of next-generation power electronics devices
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20H02478
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
會田 英雄 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (10811648)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤邊 厚仁 青山学院大学, 理工学部, 教授 (70187300)
木村 豊 青山学院大学, 理工学部, 助教 (40838851)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ダイヤモンド / ヘテロエピタキシャル成長 / CVD法 / 欠陥密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
温室効果ガス削減に極めて大きな貢献が期待されるダイヤモンドによる究極の省エネルギーパワー半導体デバイスの実現には、高品質かつ大型のダイヤモンド基板実現が必須である。本研究では、ヘテロエピタキシャル成長法により基板の大型化と結晶欠陥密度低減を目指す。今年度はダイヤモンド成長用下地基板構造の完璧表面創成を目指した。すなわち、下地結晶基板状態を原子オーダーで引継ぎダイヤモンド結晶を成長させるための原子オーダー無じょう乱表面を有するMgO基板表面創成を実施した。さらに、その後に熱処理による表面原子再配列効果を利用し原子ステップテラス構造を有するMgO基板の開発を進めた。MgO結晶は表面剥離性および潮解性を持つため、加工難易度が高い。本研究では、各基板加工工程での加工変質層深さの定量化を行うことで研削、精密機械研磨、および化学機械研磨をMgO基板に合わせて最適化した。また基板加工によって原子レベル平坦化を達成しても、MgO基板の潮解性が故に、その後の洗浄プロセスが返って基板表面を悪化させる影響が認められ、洗浄のプロセスの最適化も行った、一連の基板加工プロセスが完成して、ＭｇＯ基板に対する原子平坦ステップテラス表面を達成した。
また、下地基板上へのダイヤモンドの初期核形成およびコアレセンス様式制御の基礎検討を進めるため、今年度はプラズマ中でのダイヤモンド微小核の形成やその成長過程の見える化に着目した。光干渉法をマイクロ波プラズマCVD装置に組み込み、リアルタイムで成長過程を観察する手法をヘテロエピタキシャルダイヤモンド成長に対して初めて適用し、その基礎的なプロセスデータの取得に成功した。
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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
本研究は4年間の研究課題として計画し、『下地基板アプローチ』と『成膜プロセスアプローチ』をパラレルに前半2年で研究開発しつつ、後半2年間にはこれらの検討を融合する計画で推進している。下地基板のアプローチでは、主要な研究課題の一つであるMgO基板の原子平坦化加工プロセスについて初年度に大きな研究成果を上げることができ、原子平坦化表面創成に関わる加工プロセスおよび加工後の洗浄プロセス、さらに熱処理プロセスまでの一連の加工・基板前処理プロセスを完成することができた。原子ステップテラスの精密コントロールにはさらに緻密な熱処処理工程の最適化を要するものと予測されるが、原子ステップテラスを有するMgO基板を得る基礎プロセス開発に成功しており、当初計画通りの開発が進んでいる。
一方、もう一つの所要課題である成長テクニックの開発では、その前段階としてまず成長を見える化する必要性に着目し研究課題に組み込んだが、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長のリアルタイムでの核成長様式の観察に成功し大きな成果となった。この技術は現在進行中の各種の成膜条件の最適化に向けて強力な分析能を発揮することから、低転位化をもたらす成膜様式の解明につながると確信する。
以上の研究成果が得られていることから、おおむね順調に研究計画が進行しており、次年度の研究計画も計画通り推進できる見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度も昨年度に引き続いてダイヤモンド成長に関する下地基板処理技術とダイヤモンド成長テクニックの2課題をパラレルに取り組み予定である。下地基板に対しては、昨年までにおおむね完成した下地結晶基板の原子オーダー無じょう乱表面形成技術を発展させ、MgO基板の熱処理による表面原子再配列効果を利用した原子ステップテラス構造を有するMgO基板の開発を進める。そのため、アニール時間、アニール温度、雰囲気、昇温降温プロセスの最適化を図ることで原子ステップ高さのコントロール性を向上させる。熱処理結果をフィードバックして加工条件の最適化を図りつつ、MgO基板の前処理プロセスを完成させる計画である。
一方、成長テクニックの検討では、下地基板上へのダイヤモンドの初期核形成およびコアレセンス様式制御の基礎検討を実施する。昨年度まで核形成プロセスのリアルタイム観察技術を確立していることから、核密度を変更してコアレセンス様式がダイヤモンド品質に及ぼす影響を調査する。成長初期における核形成とその拡大状態を核発生密度、核成長レート、コアレセンス形態に関する基礎的な相関関係を明かにしていく。
また、原子平坦化したMgO基板を用いたダイヤモンド成長プロセスの検討を開始する予定である。まず今年度は原子平坦化したMgO基板上へのIr下地層の形成を行う。従来からの表面創成が不十分なＭｇＯ基板へのＩｒ成膜との比較によって、ダイヤモンド成膜用下地Ｉｒ膜成長に対するＭｇＯ原子平坦化処理の効果を明らかにする。具体的には、Ｉｒ膜品質、配向性、基板との密着性などを評価し、さらにダイヤモンド核成長プロセスへの影響も調べる予定である。
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