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 ： 1410119S

Ｂ Ｌ 番 号 ： 09A（様式第 5 号）

ダイヤモンド・バルク単結晶のＸ線トポグラフィー測定
X-ray Topography Measurement of Diamond Bulk Single Crystal
嘉 数 誠 1・ 村 上 竜 一 1・ 枡 谷 聡 士 1・ 植 松 卓 巳 1

Makoto Kasu, Ryuichi Murakami, Satoshi Masuya, Takumi Uematsu
1 佐賀大学大学院工学系研究科

1 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 開 示 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 二 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 禁 制 帯 幅 5.47eV の ワ イ ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 で あ り 、 高 電 圧 デ バ イ ス 用の 新 し い 半 導 体 と し て 期 待 さ れ て い る 。 ダ イ ヤ モ ン ド は 格 子 定 数 (a= 3.56Å )の 立 方 晶 系
で 、高 温 高 圧 法 、CVD 法 に よ り 合 成 が 可 能 で あ る が 、そ の 結 晶 欠 陥 は デ バ イ ス 特 性 に 悪影 響 を 与 え る た め 、問 題 で あ る 。そ こ で 我 々 は CVD ダ イ ヤ モ ン ド 、HTHP ダ イ ヤ モ ン ドの シ ン ク ロ ト ロ ン 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 たので報告する。
（ English ）Diamond is a widegap semiconductor with a bandgap of 5.47eV and is expected as
high-efficient high-power device material.Diamond is cubic crystal with a lattice constant of
a= 3.56 A, and can be grown by high -temperature high-pressure method, and CVD method.
Their cystal defects influences seriously devide characteristics, and therefore we performed its
X-ray topography measurements of CVD diamond single crystal and HTHP diamond single
crystal, and investigated defect formation mechanism.

２．背景と目的
私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。
我々はその中でもダイヤモンドに特に注目しており、これらの電子材料を用いると高周波で大電力を扱うことのできる、優れた特性を持ったデバイスを作製できる。
前回、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶の単色でX線トポグラフィーを測定し、欠陥の構造的な関係を調べたが、今回は特に高温高圧合成ダイヤモンドに含まれていた積層欠陥を違うｇベクトルでの回折を撮影することにより解明した。また、CVD法で結晶成長したダイヤモンド単結晶を反射配置で測定を行い、その欠陥の生成機構を解明する。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
HPHT ダイヤモンドの測定試料は高温高圧法により成長したⅡa 型のバルク単結晶で、（110）が表面に、(010)が側面になるようにレーザーで切り出し、表裏面を機械研磨し平坦にしたものである。X 線トポグラフィー測定は九州シンクトロン光研究セン
ターのビームライン BL09A で行い、使用した X 線波長は 14.5keV（波長 0.8552Å）で、強度の強かった(220)回折を用い X 線を seed 側から照射する透過配置で測定を行った。また、CVD ダイヤモンドは化学気相法により生成した単結晶で(001)面表面のサンプル a0012 と a0041 を反射配置で測定した。

図１ X 線トポグラフィー測定方法

４．実験結果と考察
エレメントシックスによる CVD 法を用いて成長させたダイヤモンド(100)結晶の結晶欠陥を X 線トポグラフィーを用いて観察した。また、高温高圧法によって成長させたダイヤモンド(110)の積層欠陥の欠陥タイプを割り出すために(202)回折の撮影を行った。これらのことより CVD ダイヤモンド(100)からは SiCなどによく見られる貫通転位のようなものが初めて観察でき、HTHP ダイヤモンド(110)では積層欠陥のタイプをフランクタイプとショックレータイプの 2 種類のものができていることが分かった。

５．今後の課題
次々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をシンクロトロン放射光を用いたX 線トポグラフィーで評価を行った。今後、CVD(111)成長膜との比較を行い、欠陥の成績機構を解明する予定である。
６．参考文献[1] H. Sumiya、 K. Tamasaku、 Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 090102.
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）
村上竜一、角谷均、嘉数 誠「高温高圧合成ダイヤモンド単結晶のシンクロトロン光を用いたX 線トポグラフィー観察」、平成 25 年春季応用物理学会学術講演会、2013 年 3 月 27~30 日、厚木。
A. Boussadi、J. Achard、 A. Tallaire、 M. Kasu、 J. Barjon、 O. Brinza、 A. Gicquel “Dislocation propagationin boron-doped CVD diamond grown on engineered shape substrates”、 Internatinal Conference of Diamond
Related Carbon 2013 Sep2~5、Riva del Garda.
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）
HTHP、CVD、ダイヤモンド、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（2014 年度実施課題は 2016 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（印刷物の提出）（報告時期：2016 年 3 月）