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 ： 1502007S

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
and Ga 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 。 ダ イ ヤ モ ン ド は 格 子 定 数 (a= 3.56Å )の 立
方 晶 系 で 、 高 温 高 圧 (HPHT)法 、 CVD 法 に よ り 合 成 が 可 能 で あ る 。 し か し 結 晶 欠 陥 が デバ イ ス 応 用 に お い て 、リ ー ク 電 流 や 耐 圧 の 低下 の 原 因 と な る た め 、課 題 で あ 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 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 characte ristics, 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
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、CVDダイヤモンド(111)単結晶のX線トポグラフィー観察を行い、結晶欠陥の観察を行う。単色X線を用いた透過配置で様々なgベクトルで測定することによって転位のバーガーズベクトルを求める。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
測定試料はエレメントシックス製のCVD法により成長させたダイヤモンド単結晶(111)面である。HPHTダイヤモンド単結晶状にCVD成長し、CVD結晶のみを切り出した結晶である。X線トポ
グラフィー観察は九州シンクロトロン光研究センターのBL09にて単色X線を用いて透過配置で測定した。強度の強かった{11-1}、{004}、{133}での回折を測定した。

図１ X 線トポグラフィー測定方法
４．実験結果と考察
CVD ダイヤモンド単結晶試料の X 線トポグラフィ
ー観察は単色化した X 線により測定した。{11-1}、{004}、{133}での回折を測定し、CVD 結晶中の転位が観察された。成長方向に延伸した転位が観察され、基板結晶と成長結晶の界面の歪によって発生したことが示唆される。また、これらの転位は束状になっており、HPHT 結晶や天然にはない、CVD結晶特有の欠陥である。様々な g ベクトルで観察し、転位のコントラストの変化からこれらの転位のバーガーズベクトルを求めた。

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。CVD結晶の(111)の測定を行い、転位を観察したが、今後これらの発生メカニズムの解明を目指す。また、他の面方位の結晶も測定し、今回の結果との比較を行う。

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）
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）
X 線トポグラフィー、ダイヤモンド、酸化ガリウム

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）