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 ： 2009098S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）

高輝度白色 X 線照射によるダイヤモンド電子デバイスの劣化機構解析
Degradation behavior of diamond-based electronics upon high-brightness white X-rayirradiation
大 曲 新 矢 1 、 Sittimart Phongsaphak 1 , 2 、 岩 尾 友 貴 1 , 2 、 片 宗 優 貴 3 、 吉 武 剛 2
Shinya Ohmagari 1 , Sittimart Phongsaphak 1 , 2 , Tomoki Iwao 1 , 2 , Yuki Katamune 3 , and Tsuyoshi
Yoshitake 2
1 国立研究開発法人産業技術総合研究所センシングシステム研究センター
Sensing System Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science an dTechnology
2 九州大学大学院総合理工学府量子プロセス理工学
Department of Applied Science for Electronics and Materials , Kyushu University
3 九州工業大学大学院電気電子工学研究系
Graduate School of Engineering , Kyushu Institute of Technology
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※２

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※４

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 は 大 き な バ ン ド ギ ャ ッ プ を 有 し 、高 温 で も 低 い 真 性 キ ャ リ ア 濃 度 を 有 す
る こ と か ら 、高 温 ・ 放 射 線 環 境 等 の 特 殊 環 境 で 動 作 す る 半 導 体 デ バ イ ス と し て 期 待 さ れている。今回は、ダイヤモンドデバイスの X 線照射による劣化挙動を評価するために、
高 輝 度 な シ ン ク ロ ト ロ ン 光 を 用 い た 照 射 実 験 を 行 っ た 。白 色 X 線 照 射 前 後 の ダ イ ヤ モ ン
ド 基 板 の 結 晶 性 を X 線 ト ポ グ ラ フ ィ 法 で 評 価 し た と こ ろ 、 12.5 MGy 照 射 後 も 大 き な 結晶 性 の 乱 れ は 確 認 さ れ な か っ た が 、基 板 エ ッ ジ 部 の 一 部 の 領 域 で 転 位 ・ 積 層 欠 陥 の 導 入が確認された。
（ English ）Because diamond has a large band gap and a low intrinsic carrier concentration even at hightemperatures, it can be operable in harsh environments such as high temperature and radiation
environments. In this study, we performed irradiation experiments using high intensity
synchrotron radiation to evaluate the degradation behavior of diamond devices . The crystalline
properties of diamond substrates before and after white X -ray irradiation were evaluated by
X-ray topography. No significant crystalline degradation was observed after 12.5 MGy
irradiation, but dislocations and stacking defects were partially introduced in some regions,mainly at the substrate edges.

２．背景と目的
航空宇宙産業，原子力発電，核融合炉など過酷環境下で動作する IoT・センサー，信号処理デバイスの信頼性向上のために，半導体材料の革新が進められている．ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（SiC）は，Si の 10 倍以上の耐放射線性を有しており，高温や高い放射線照射下でも安定動作な可能な半導体デバイスとして応用が期待されている．これまでに，SiC-MOSFET構造で，高温下で数 MGy を超える高いガンマ線耐性が確認されている．
ダイヤモンドは単一元素からなる半導体材料であり，炭素原子同士の強固な化学結合に起因した大きなバンドギャップ（Eg = 5.5 eV），高いキャリア移動度，高温でも低い真性キャリア濃度を特徴としており，高速・高温・低損失動作が可能な電子デバイスへの応用が期待されている．これまでに，ショットキー金属／ダイヤモンド半導体構造をベースとした，ダイオード，金属-半導体電界効果トランジスタ (Metal-semiconductor field-effect transistor) 構造において，10 MGy の X 線照射後においても優れたデバイス特性を示すことが報告されている [Umezawa, Ohmagari et al.,Int. Symp. Power Semicond. Devices IC’s (2017) 379-382]．原子炉や核融合炉では，高温・放射線環境に加え，腐食性環境による素子劣化が想定されているが，ダイヤモンド半導体は優れた特性から，その全ての要求を満たす素子を実現できる可能性がある．
本実験では，ダイヤモンドエレクトロニクスの劣化機構を評価するために，高輝度白色 X 線照射前後でのデバイス特性比較を行う．また，ダイヤモンドそのものの材料劣化を評価するために，同時に X 線トポグラフィ法による欠陥構造評価を実施する．デバイス特性，結晶構造の両面からの評価により，ダイヤモンドの高い放射線性を実証する．
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
単色 X 線トポグラフィ BL09
・単結晶ダイヤモンド (100)・非対称ブラッグ反射条件，{044}，{113}・斜入射条件で，基板と膜 (約 20-50μm) を分離して観察する・イメージングプレートで観察
・試料サイズ 3mm 角
結晶構造：ダイヤモンド構造
主要面：(100)
基板：高温高圧製ダイヤモンド単結晶
薄膜：不純物 (B, P) ドープダイヤモンド
４．実験結果と考察
BL09 の高輝度白色 X 線照射時における、ダイヤモンド 330.5 mm 厚の吸収線量を計算したところ、大気中の照射で、約 700 Gy/sec の線量率（蓄積電流 200 mA 時）が得られることが分かった。今回は、2.5 MGy の照射間隔で、照射前後の結晶性劣化を X 線トポグラフィ法にて評価した。図 1 (a) に照射前の X 線トポグラフィ像を示す。基板には、高温高圧製ダイヤモンド(100)を用い、回折面は 113 とした。基板中央部の転位密度は、400 cm-2 以下であった。図 1(b)に 12.5 MGy 照射後の X 線トポグラフィ像を示す。結晶性の大きな劣化は見られないものの、一部の領域で転位や積層欠陥の導入が確認された。導入された転位種の解析、導入メカニズム、デバイス特性に与える影響については今後評価を進めていく予定である。

図 1. ダイヤモンド(3×3×0.5 mmt)における，X 線吸収スペクトル．

(a)

(b)

図 1. ダイヤモンド高温高圧製基板 (100) の X 線トポグラフィ評価。(a) 照射前、(b) 12.5 MGy
照射後。回折面は 113。
５．今後の課題
ダイヤモンドの X 線照射損傷について、転位導入のメカニズムも含めた解析が必要である。また、各種デバイス（ダイオード、FET）構造におけるデバイス挙動の劣化も評価を進めていく予定である。
６．参考文献[1] "Suppression of killer defects in diamond vertical-type Schottky barrier diodes"
A. Kobayashi, S. Ohmagari (Corr. Author), H. Umezawa, D. Takeuchi, and T. Saito
Jpn. J. Appl. Phys. 59, SGGD10 (2020).

[2] "Toward High-Performance Diamond Electronics: Control and Annihilation of Dislocation Propagation byMetal-Assisted Termination"

S. Ohmagari, H. Yamada, N. Tsubouchi, H. Umezawa, A. Chayahara, Y. Mokuno, and D. Takeuchi
Phys. Status Solidi A 1900498 (2019). FEATURE ARTICLE DOI: 10.1002/pssa.201900498[3] "Doping-induced strain in heavily B-doped (100) diamond films prepared by hot-filament chemical vapor
deposition"
S. Ohmagari, H. Yamada, H. Umezawa, A. Chayahara, Y. Mokuno
Thin solid films 680, 85 (2019).

[4] "Thermally stable heavily boron-doped diamond resistors fabricated via selective area growth by
hot-filament chemical vapor deposition"
S. Suzuki, S. Ohmagari (Corr. Author), H. Kawashima, T. Saito, H. Umezawa, and D. Takeuchi
Thin solid films 680, 81 (2019).

[5] "Schottky barrier diodes fabricated on diamond mosaic wafers: dislocation reduction to mitigate the effectof coalescence boundaries"
S. Ohmagari, H. Yamada, N. Tsubouchi, H. Umezawa, A. Chayahara, A. Seki, F. Kawaii, H. Saitoh, and Y.
MokunoAppl. Phys. Lett. 114, 082104 (2019). Editor's pick https://doi.org/10.1063/1.5085364[6] "Improved drain current of diamond metal-semiconductor field-effect transistor by selectively grown p+contact layer"
H. Kawashima, S. Ohmagari, H. Umezawa, and D. Takeuchi
Jpn. J. Appl. Phys. 58, SBDD17 (2019).

[7]"Large reduction of threading dislocations in diamond by hot-filament chemical vapor deposition
accompanying W incorporations"
S. Ohmagari, H. Yamada, N. Tsubouchi, H. Umezawa, A. Chayahara, S. Tanaka, and Y. Mokuno
Appl. Phys. Lett. 113 (2018) 032108. https://doi.org/10.1063/1.5040658[8]"Growth and characterization of freestanding p+ diamond (100) substrates prepared by hot-filamentchemical vapor deposition"
S. Ohmagari, H. Yamada, H. Umezawa, N. Tsubouchi, A. Chayahara, and Y. Mokuno
Diamond and Related Materials 81 (2018) 33. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2017.11.003[9]"Lifetime and migration length of B-related admolecules on diamond {100}-surface: Comparative study of
hot-filament and microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition"
S. Ohmagari, M. Ogura, H. Umezawa, and Y. Mokuno
Journal of Crystal Growth 479 (2017) 52. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.09.022[10]"Characterization of X-Ray Radiation Hardness of Diamond Schottky Barrier Diode andMetal-Semiconductor Field-Effect Transistor"
H. Umezawa, S. Ohmagari, Y. Mokuno, and J.H. Kaneko
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）なし

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、単結晶、ダイオード、X 線照射、トポグラフィ

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。提出期限は利用年度終了後 2 年以内です。例えば 2018 年度実施課題であれば、2020 年度末（2021 年 3 月 31日）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： ２０２２年３月）