ダイヤモンド結晶中の遷移金属不純物と転位のインタラクション

• 研究課題/領域番号: 20K04573
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21050:電気電子材料工学関連
• 研究機関: 公益財団法人科学技術交流財団(あいちシンクロトロン光センター、知の拠点重点研究プロジェクト統括部)
• 研究代表者: 花田 賢志 公益財団法人科学技術交流財団(あいちシンクロトロン光センター、知の拠点重点研究プロジェクト統括部), あいちシンクロトロン光センター, 技術研究員 (30637319)
• 研究分担者: 有元 圭介 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (30345699) ; 田渕 雅夫 名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 教授 (90222124)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: ダイヤモンド / 転位 / 金属援用終端法 / 金属不純物ドープ / タングステン

研究開始時の研究の概要

ダイヤモンドは物質中最高の熱伝導率，高いキャリア移動度など優れたデバイス特性を有し，エレクトロニクス応用が期待されている．大型ウェハ開発が進んでいるが，大型化に伴い，デバイス特性の劣化を引き起こす結晶欠陥の密度は増加する．産総研の大曲らは，結晶成長中の金属不純物添加により，貫通転位の伝搬を抑制する金属援用終端（MAT）法を提案した．MAT法は面積制約がなく，数um厚の結晶成長で転位伝搬を抑制できる．MAT法を用いて作製したショットキーバリアダイオードは，リーク電流の抑制と耐圧向上が確認された．一方，金属不純物と転位の相互作用は未解明であり，そのメカニズム解明は学術的・工学的に重要である．

研究成果の概要

本研究では、金属援用終端法を用いてタングステン(W)ドープされたダイヤモンド結晶中のW金属について局所構造を決定し、転位構造の変態機構を明らかにすること、転位と金属不純物との相関を紐解くことを目的として研究を行った。Ｘ線吸収微細構造測定によりダイヤモンド結晶中にW原子がドーピングされていること、W原子の化学状態を明らかにすることができたが、W原子の結晶中のドーピングサイトまでは明らかにすることはできなかった。また、W不純物と転位との相関を明らかにすることはできなかったが、Ｘ線トポグラフィ測定により貫通転位から基底面転位へ変換され結晶外へ転位が排出された可能性を示唆することはできた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ダイヤモンド結晶成長中に金属を微量添加することで、基板から膜中に伸展する貫通転位の伝搬を抑制する金属援用終端法が提案されている。この金属援用終端法の低転位化メカニズム・転位と金属不純物との相関を解明することは、単結晶低転位化技術発展のための学術的知見に寄与することになる。
本研究では、金属援用終端法を用いてタングステンドープされたダイヤモンド単結晶内の転位と金属不純物との相関について明らかにできなかったが、結晶内の貫通転位が基底面転位へ変換され結晶外へ排出された可能性を示唆できた。これが低転位化機構メカニズムの一つである可能性が考えられ、いくらか学術的知見に寄与できたと考えられる。