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 ： 1510087S

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、花田賢志、桝谷聡士、植松卓巳、森林朋也、Makoto Kasu, Kenji Hanada, Satoshi Masuya
Takumi Uematsu, Tomoya Moribayashi
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 バ ン ド ギ ャ ッ プ を 持 ち 、 高 い 絶 縁 破 壊 電 界 や 熱 伝 導 率 、 移 動度 を 持 つ こ と か ら 高 効 率 ・ 高 耐 圧 の パ ワ ー デ バ イ ス と し て 期 待 さ れ て い る 。し か し 基 板結晶の結晶欠陥は素子特性においてリーク電流の発生や耐圧の低下の原因となるため、結 晶 欠 陥 の 低 減 化 が 求 め ら れ る 。 そ の た め 本 課 題 で は 結 晶 欠 陥 の 低 減 を 目 指 し 、 HPHT
ダ イ ヤ モ ン ド 単 結 晶 (110)の X 線 ト ポ グ ラ フ ィ ー 観 察 を 行 っ た の で 報 告 す る 。
（ 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 dislocat ions 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。
今回 HPHT 法で(001)面種結晶から成長させたダイヤモンド(110)単結晶の X 線トポグラフィー観察を様々な回折条件で行い、結晶欠陥の調査を行った。

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を(110)面に切り出した結晶である[1]。(110)面が表面となり、側面が(-110)となるようにレーザーで切り出し、表面を機械研磨し平坦にしている。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線を用いた透過配置で測定した。透過配置で強度の強かった{004}回折および{-220}回折を観察した。

４．実験結果と考察
HPHT ダイヤモンド単結晶を単色 X 線を用いて透過配置で測定した。透過配置で得られたトポグラフ像を見ると、積層欠陥や転位が観察されており、回折条件によって見え方が変わっている[2]。前回測定した試料に熱処理を行い、再び測定を行うと欠陥が変化していた。

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。(110)面サンプルでは、熱処理によって積層欠陥や転位が挙動を示した。今後、異なる面方位の結晶の観察や酸化ガリウム単結晶の観察を行い、メカニズムの考察を行う。

６．参考文献[1] H. Sumiya, K. Tamasaku, Japanese Journal of Applied Physics, 51 (2012) 090102.

[2] M. Kasu, R. Murakami, S. Masuya, K. Harada, and H. Sumiya, Appl. Phys. Exp. 7 (2014) 125501

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）
M. Kasu, R. Murakami, S. Masuya, K. Harada, and H. Sumiya, Synchrotron X-ray topography of dislocations
in high-pressure high-temperature-grown single-crystal diamond with low dislocation density, Applied Physics
Express, 7 (2014)125501
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（2015 年度実施課題は 2017 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：2017 年3 月）