九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1607059S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）

ダイヤモンド・バルク単結晶及び酸化ガリウム・バルク単結晶のＸ線トポグラフィー測定
X-ray Topography of Diamond Bulk Single Crystals andGa 2 O 3 Bulk Single Crystals
嘉数 誠，大島孝仁，桝谷聡士，森林朋也，石原滉大

Makoto Kasu, Takayoshi Oshima, Satoshi Masuya
Tomoya Moribayashi, Kota Ishihara
佐賀大学大学院 工学系研究科
Graduate School of Engineering, Saga University※１※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ，長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス ，長 期 産 学 連 携 ユ ー ス ）課 題 は ，実 施 課 題
名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ），（ Ⅱ ），（ Ⅲ ） を 追 記 し て く だ さ い ．
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は ，本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開 ｛ 論 文 （ 査 読 付 ） の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝ が 必 要 で す ． (ト ラ イ アルユース，及び産学連携ユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
ダ イ ヤ モ ン ド は 5.47eV の ワ イ ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 で あ り ， 高 い 絶 縁 破 壊 電 界 や 熱 伝 導 率な ど か ら 次 世 代 の パ ワ ー デ バ イ ス 材 料 と し て 期 待 さ れ て い る ．し か し ，基 板 と し て 用 いる 単 結 晶 中 の 格 子 欠 陥 は リ ー ク 電 流 の 増 加 や 耐 圧 の 低 下 な ど ，素 子 特 性 に 影 響 を 与 え る
た め 課 題 で あ る ．そ の た め ，本 課 題 で は HPHT ダ イ ヤ モ ン ド 単 結 晶 中 の 格 子 欠 陥 を X 線
トポグラフィーにより観察した．
（ English ）Diamond is a wide gap semiconductor with a bandgap of 5.47eV and is expected as
high-efficient high-power device. However, defects in diamond crystals lead to a leakage
current and decrease the breakdown voltage. Therefore, to minimize the defect density, it iscritical to understand crystal defects such as dislocations and stacking faults . In this study,
we performed X-ray topography observation of HPHT diamond single crystals, andinvestigated defects in HPHT diamond single crystals .

２．背景と目的
我々はこれまで新しい電子材料の創製とそれを生かしたデバイス応用に関する研究を行ってきた．
現在は，シリコンカーバイド(SiC)，窒化ガリウム(GaN)，窒化アルミニウム(AlN)，ダイヤモンド，β-Ga2O3 等の広いバンドギャップをもつ新しい半導体の創製とそれを用いた高エネルギー効率のパワーデバイスの応用に関する研究を行っている．
環境・エネルギー問題は，今や不可避の深刻な社会問題である．エレクトロニクス，情報通信ネッ
トワーク，電力ネットワークのエネルギー効率は，システムのハードウェアーの大部分を占めるシリコン(Si)材料の固有の物性限界に到達している．それを打破するために，Si よりバンドギャップが広い SiC や GaN や，新しいワイドギャップ半導体であるダイヤモンドや酸化ガリウムを用いた高効率パワーデバイスの実用化に繋げ，エネルギー問題を根本的に解決することが最大の目標である．
今回は HPHT 法で成長した(001)面単結晶と(111)面単結晶の観察を行った．前回アニール処理による結晶欠陥の挙動を調べたが，表面近傍で変質層が形成されており，欠陥像が観察しづらい状態であった．そのため今回は表面処理を行って再度測定を行い，アニール処理を行った場合の結晶欠陥の観察を行った．

３．実験内容（試料，実験方法，解析方法の説明）
測定試料はHPHT法により(001)面種結晶から成長させたダイヤモンド単結晶(001)面結晶と(110)面結晶[1]，(111)面種結晶から成長させたダイヤモンド(111)面結晶である[2]．X線トポグラ
フィーは九州シンクロトロン光研究センターのBL09で行い，単色X線を用いて，図1に示す配置で測定した．(001)面結晶は透過配置で{220}回折，反射配置で{404}回折を測定した．(110)面結晶は透過配置で{111}回折，(111)面結晶は透過配置で{-111}回折，反射配置で{220}回折を測定した．

４．実験結果と考察
HPHT ダイヤモンド単結晶の X 線トポグラフ像を見ると，積層欠陥や転位が観察された．また，回折条件によって欠陥コントラストが変化している．様々な条件でトポグラフ像を比較し，それぞれの欠陥ベクトルを同定した．また前回の測定結果と比較して，(001)面結晶，(110)面結晶，(111)面結晶全てにおいて，熱処理により結晶欠陥が挙動を示していた．

５．今後の課題
次世代のパワー半導体として注目されるダイヤモンド単結晶のシンクロトロン放射光を用いた X
線トポグラフィー観察を行い，結晶欠陥の評価を行った．(001)面，(110)面，(111)面の全てで熱処理により結晶欠陥が変化することが分かった．
今後は積層欠陥や転位などの挙動を解析し，これらの機構を詳細に調査する．

６．参考文献[1] H. Sumiya, K. Tamasaku, Japanese Journal of Applied Physics, 51 (2012) 090102.
[2] H. Sumiya, K. Harano, K. Tamasaku, Diamond & Related Materials 58 (2015) 221–225

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）[1] M. Kasu, R. Murakami, S. Masuya, K. Harada, and H. Sumiya, Synchrotron X-ray topography ofdislocations in high-pressure high-temperature-grown single-crystal diamond with low dislocation density,Applied Physics Express, 7 (2014)125501.
[2] S. Masuya, K. Hanada, T. Uematsu, T. Moribayashi, H. Sumiya, M. Kasu, Determination of the type ofstacking faults in single-crystal high-purity diamond with a low dislocation density of <50cm-2 by synchrotron
X-ray topography, Japanese Journal of Applied Physics 55, (2016)040303
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
ダイヤモンド，酸化ガリウム，X 線トポグラフィー

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください．また，論文（査読付）発表と研究センターへの報告，または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2016 年度実施課題は 2018 年度末が期限となります．
）
長期タイプ課題は，ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください．

① 論文（査読付）発表の報告（報告時期：2018 年

3 月）