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 ： 1702003S

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 ， 桝 谷 聡 士 ， 森 林 朋 也 ， Saha Niloy Chandra

Makoto Kasu, Satoshi Masuya, Tomoya Moribayashi, Saha Niloy Chandra
佐賀大学大学院 工学系研究科
Graduate School of Engineering, Saga University
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先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）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
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
ダイヤモンドや酸化ガリウムは広いバンドギャップ，高い絶縁破壊電界や優れた熱伝
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 ．半 導 体 に は 下 地 基 板と し て 単 結 晶 が 必 要 で あ る が ，結 晶 中 の 格 子 欠 陥 は リ ー ク 電 流 や 耐 圧 低 下 の 原 因 と な り
課 題 で あ る ．そ の た め こ れ ら の 低 減 化 の た め に も ，結 晶 欠 陥 の 観 察 や 同 定 が 必 要 で あ る ．
そこで本研究では X 線トポグラフィーによりダイヤモンド単結晶中や酸化ガリウム単結晶の格子欠陥を観察し，これらの素性を調べる．
（ English ）Diamond and Gallium oxide are wide band gap semiconductor, and are 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 fa ults. In this study,
we performed X-ray topography to observe crystal defect in diamond and Gallium oxide
single crystal.

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低損失・高耐圧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．
本研究では，ダイヤモンドと同様に次世代半導体として期待されている β-Ga2O3 に関して測定を行う．β-Ga2O3 の結晶欠陥に関しては未だに報告が少ないため，X 線トポグラフィー観察により転位や積層欠陥の同定を行う．

また α-Ga2O3 に関しても測定を行う．α-Ga2O3 はこれまでほとんど報告がないため，結晶欠陥に関する知見がほとんど得られていない．そのため本研究では様々な回折で測定を行い，α-Ga2O3 中に発生する結晶欠陥の観察と同定を行う．
３．実験内容（試料，実験方法，解析方法の説明）
測定試料は融液成長の一つであるEFG法により成長した(010) β-Ga2O3単結晶である[1]．この結晶を用いて図1に示すような配置でX線トポグラフィーを行った．今回は反射Bragg配置にて{202}回折，{113}回折を測定した．
また，CVD成長したα-Ga2O3単結晶においても測定を行った．測定した試料はC面のサファイア上に成長したC面α-Ga2O3単結晶である．この試料を反射Bragg配置にて{0006}回折，{10-14}回折等を測定した．

４．実験結果と考察(010) β-Ga2O3 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．融液成長の際に引上げ方向である[010]方向に沿って，欠陥が導入していることがわかった．また C 面表面に対して貫通型のような欠陥も観察された．今後転位コントラストの消滅により転位のバーガーズベクトルを同定する．
α-Ga2O3 単結晶に関しては，下地であるサファイア基板と α-Ga2O3 のエピタキシャル膜をそれぞれ測定した．サファイア基板に関しては転位や研磨痕のような欠陥が観察されたが，α-Ga2O3 膜に関しては転位密度が高いため，欠陥を一つ一つ観察することが出来なった．成長方法の改善や条件を改めることにより更なる高品質膜を成長させることが課題となった．

５．今後の課題
次世代のパワー半導体として注目される酸化ガリウム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．β-Ga2O3 単結晶において様々な回折条件で測定を行い，結晶欠陥を観察した．b 軸方向に延伸する転位のような欠陥が観察された．今後は転位コントラストの消滅により転位のバーガーズベクトルを同定する．
α-Ga2O3 単結晶においても様々な回折条件で測定を行い，下地のサファイア基板と α-Ga2O3 膜の観察を行った．転位密度が高く，転位コントラストが重なり合っていた為，一つ一つの欠陥を観察することが困難だった．今後更に低欠陥密度結晶を成長させることが課題である．

６．参考文献[1] A. Kuramata, K. Koshi, S. Watanabe, Y. Yamaoka, T. Masui, S. Yamakoshi, Japanese Journal of Applied
Physics, 55 (2016) 1202A2.
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[3] S. Masuya, K. Hanada, T. Moribayashi, H. Sumiya, M. Kasu, Determination of partial dislocations ofstacking fault in (111) single crystal diamond grown on (111) seed crystal by synchrotron X-ray topography,
Journal of Crystal Growth, in press.
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（2017 年度実施課題は 2019 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）