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 ： 1504022S

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 バ ン ド ギ ャ ッ プ 5.47eV の ワ イ ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 で あ り 、 高 効 率 ・ 高 耐圧のパワーデバイスとして期待されている。しかし結晶欠陥がデバイス応用において、
電 気 特 性 お よ び 光 学 特 性 に 悪 影 響 と な る た め 、結 晶 欠 陥 の 導 入 メ カ ニ ズ ム の 解 明 や 結 晶
欠 陥 の 低 減 化 が 求 め ら れ て い る 。そ こ で 我 々 は CVD ダ イ ヤ モ ン ド 単 結 晶 、HPHT 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 を 行 い 、結 晶 欠 陥 の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 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 法で成長させたダイヤモンド(001)単結晶の X 線トポグラフィー観察を行い、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法により成長させたダイヤモンド単結晶の(001)面である。(001)面が表面となり、側面が(±1±10)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線を用いた反射配置で測定した。反射配置で強度の強かった{404}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 線を用いて反射配置で測定した。反射配置で侵入長をおよそ 600µm で測定したが、得られたトポグラフ像を見ると、非常に高品質で欠陥密度は低いが、積層欠陥や転位が複数観察された。これらの積層欠陥や転位は g ベクトルによってコントラストが消滅しており、この消滅則から欠陥ベクトルを同定した。

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)面サンプルでは、積層欠陥や転位が観察された。今後、(110)面、(111)面でも同様に観察し結晶欠陥の観察を行う。また他の g ベクトルでも測定を行い、観察した転位や積層欠陥を更に詳細に評価する。

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）