2022 Fiscal Year Research-status Report
Control of electronic properties by improving crystalline quality of phosphorus-doped n-type diamond containing heavy metal atoms
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22K14478
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
片宗 優貴 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (50772662)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | n型ダイヤモンド / 熱フィラメントCVD法 / リンドーピング / 金属不純物 / 結晶成長 / 電気的特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，熱フィラメント化学気相成長（CVD）法を用いたリンドープn型ダイヤモンド膜の高品質結晶成長技術の構築し，フィラメント材からダイヤモンド膜に混入する重金属原子の電気的・構造的作用を半導体物性評価と結晶構造解析によって実験的に明らかにすることを目的としている．
初年度である令和4年度は，熱フィラメントCVD法によりリンドープダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させ，二次イオン質量分析（SIMS）によりダイヤモンド膜中の元素の深さ方向分布を取得，および比抵抗・ホール測定により電気的特性の評価を実施した．また，得られたリンドープ膜の結晶品質の指標となる成長後の表面形態を微分干渉顕微鏡を用いて観察した．
成長パラメータを検討した結果，基板温度が成長膜の表面形態および電気的特性に与える影響は大きく，高品質結晶成長の実現のためにはCVDプロセス時の温度制御が重要であることがわかった．
また，リンドーピングの制御範囲拡大のため高濃度ドーピングに取り組んだ．リン原料濃度10%の成長条件でエピタキシャル成長させたところ，成長膜においてリン原子の高濃度化および電気抵抗率の低減を確認した．SIMS分析の結果，リン濃度として1×10^20 cm^-3が得られ，室温における比抵抗測定で50 Ohm cm以下の低抵抗化を確認した．また，電気抵抗率の温度依存性から，キャリア伝導機構はリンドナーにより形成される準位を介したホッピング伝導が支配的であることが明らかになった．
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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
本研究課題について，当初の計画通りの成果が得られている．熱フィラメントCVD法によるn型ダイヤモンドの作製プロセスにおいて，既報のリンドープダイヤモンドと同様の，高濃度ドーピングによる低抵抗化に成功した．高濃度領域では，電気抵抗率の温度依存性に金属不純物の影響はみられなかったため，低抵抗n型層の形成手法として熱フィラメントCVD法の利用が期待できる．一方，低濃度領域でのドーピングに関しては，熱フィラメントCVD装置内部に残留するリン化合物の影響を受けるため，装置内部のクリーニング工程が重要であることがわかった．今後の課題として，低濃度領域でのドーピング制御の安定化があげられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で取り組んでいるダイヤモンド(111)のエピタキシャル成長，とりわけリンドーピングを伴う成長では，温度や圧力などの成長パラメータの適切な設定が求められる．本年度の結果を受け，基板温度に着目して基板ステージ周りを改造することでCVDプロセスにおける基板温度の安定性および制御性の向上を図り，リンドープダイヤモンド膜の高品質化のための最適な成長条件を調査する．並行して，熱フィラメントCVD法により作製したリンドープダイヤモンド膜に関して，カソードルミネッセンス測定により欠陥および不純物の状態を評価し，マイクロ波CVD法で得られる高品質なリンドープダイヤモンド膜との相違点を調べる．
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| Causes of Carryover |
研究開始時に購入する予定であった光高温計について，製造メーカー側で仕様の見直しがあり，測定精度調整中とのことであった．光高温計は今年度の物品費の大半を占めていたが，製品の状態と今後の生産状況の見通しが不透明であったため，本年度での購入を見送った．一方，実験の進捗によって当初の予定よりもダイヤモンド基板が多く必要になり，物品費の一部は次年度以降購入予定であったダイヤモンド基板にあてた．研究期間全体でみると今のところ概ね予定通りの予算執行状況である．
次年度の予算について，引き続き当初の予定通り消耗品と旅費を主として使用する計画である．ただし，初年度でダイヤモンド基板を多く消費しているため，高額な光高温計については，研究の進捗と製造メーカーの状況をみて適宜対応する．
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