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 ： ： 2111120S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）
サファイア基 板 上 のヘテロエピタキシャルダイヤモンド結 晶 の X 線 トポグラフィー観 察
X-ray topography observation of highest-quality heteroepitaxial diamond wafers grown on
sapphire substrate
嘉 数 誠 , Sdoeung Sayleap
Che Amirul Syafiq Iqval
Makoto Kasu, Sdoeung Sayleap,
Che Amirul Syafiq Iqval
佐賀大学大学院 理工学研究科
Graduate School of Engineering, Saga University
※１
※２

※３
※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 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 ．し か し ，半 導 体 デ バ イ ス の 下 地 と なる単結晶基板中の格子欠陥（結晶欠陥）は，素子特性に影響を与えるため課題である．
実 際 に ダ イ ヤ モ ン ド を 用 い た 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ（ FET）を 作 製 し た と こ ろ ，転 位 な
ど の 欠 陥 が リ ー ク 電 流 を 引 き 起 こ す こ と が 報 告 さ れ て い る ．従 っ て ， ダ イ ヤ モ ン ド に お
いても結晶欠陥の抑制や制御が不可欠であることが明らかになった．
我 々 は こ れ ま で に X 線 ト ポ グ ラ フ ィ ー に よ り ダ イ ヤ モ ン ド 単 結 晶 [1-3]や β-Ga 2 O 3 単結 晶 [4]や エ ピ タ キ シ ャ ル 薄 膜 で 転 位 や 積 層 欠 陥 の 観 察 と 同 定 を 行 っ て き た ．サ フ ァ イ ア
基 板 上 に ヘ テ ロ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 し た ダ イ ヤ モ ン ド は 1 イ ン チ ま で 大 口 径 化 で き 、低転 位 密 度 だ っ た [5]．し か し 最 近 で は 、傾 斜 し た サ フ ァ イ ア 基 板 上 に ヘ テ ロ エ ピ タ キ シ ャル成長したダイヤモンドは、さらに最大 2 インチまで大口径化ができ、X 線ロッキング
カーブ半値幅では世界最高品質だった．
そ こ で 今 回 は ，ダ イ ヤ モ ン ド を X 線 ト ポ グ ラ フ ィ ー 観 察 し ，結 晶 中 の 欠 陥 の 種 類 と 密度を調べる．これまでもトポグラフィー像をとり欠陥について調べてきましたが, ダイ
ヤモンドエピ結晶を調べる．

（ English ）Diamond is wide band gap semiconductor, and is expected as high-efficient high-powerelectronics device. However, defects in crystals lead to a leakage current and decrease thebreakdown voltage.
It has been reported that dislocations in diamond cause leakage current by field-effecttransistors. Therefore, to minimize the defect density, it is critical to understand crystal defects
such as dislocations and stacking faults. Recently we obtained high-quality diamond.

In this study, we investigated defects in diamond grown on sapphire.

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．しかしながら，半導体結晶を用いて作製される電子デバイス・光デバイスの特性は，その結晶中の格子欠陥の物性に大きく左右される．例えば，線状欠陥である転位は格子歪，欠陥準位，局所反応サイトなどを与え，多くの場合，デバイス特性を悪化させる要因となる．そのため結晶欠陥の観察や評価は，産業応用に向けた重要な課題である．我々はこれまでに X 線トポグラフィー測定によりダイヤモンド単結晶や β-Ga2O3 単結晶の転位や積層欠陥の観察と同定を行ってきた．
ダイヤモンドに関しては，これまで透過トポによる表面近傍の観察を行い，二次元像として欠陥の観察を行ってきた．しかし，これらの欠陥が実際に電子デバイスに与える影響はわかっていない．そのため，ダイヤモンド半導体の素子特性向上のために，キラー欠陥となるものを理解しておく必要がある．
最近サファイア基板上で高品質ダイヤモンドエピ結晶が得られるようになった、そこで今回は，その高品質ダイヤモンドエピ結晶のシンクロトロン X 線トポグラフィーを観察し、欠陥の分布や特性を調べた．
３．実験内容（試料,実験方法,解析方法の説明）
ダイヤモンドエピ結晶の(100)面方位の試料を用意する．そのシンクロトロンX線トポグラフィーを観察し、欠陥の分布や特性を調べる．gベクトルは出来るだけ多くのパターンで測定し，得られたトポグラフ像を比較し，欠陥コントラストの消滅則により，転位のバーガーズベクトルを同定する．
測定条件（X 線エネルギー，試料配置など）は測定試料の面方位，観察範囲（表面からの深さ）によって変更するが，ブラッグ条件に当てはめ条件を決定する．

４．実験結果と考察
今回ダイヤモンドエピ結晶をシンクロトロン X 線トポグラフィー観察した。特に測定が困難とされている透過配置(g=-400 と g=020)でも、撮像することに成功した。
５．今後の課題
今回ダイヤモンドエピ結晶をシンクロトロン X 線トポグラフィー観察した．現在、バーガーズベクトルの解析を行っている．Ｘ線トポグラフィーや AFM や断面 TEM などを活用して欠陥の分布や種類の傾向についてより詳しく調べる.

６．参考文献[1] 実験の概要（カテゴリー）（注：公募内容を確認の上、１～５から該当する項目を選びチェックしてください。複数選択可。
）☑１：設計材料・試料・デバイス評価☐２：イメージング☐３：その場測定☐４：製造技術評価☐５：その他（背 景）（注：400～600 文字程度。外部状況等を踏まえた本実験課題の背景、経緯等を記入し、必要に応じて主要論文リストを引用しつつ得られた知見等を記入して下さい。)
現在、電力エネルギー問題は深刻な社会問題です．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からです．それを解決するために，Si よりバンドギャップが広いダイヤモンドや酸化ガリウム等の様々なワイドギャップ半導体の高効率パワーデバイスの実用化が必要です．
半導体デバイスは単結晶ウエハ上に作られますが，この単結晶ウエハ中の格子欠陥（結晶欠陥）はリーク電流の発生や耐圧低下など素子特性劣化の原因となるため，これらの生成を抑制したりや制御する技術の確立が課題です．従って，これらの観察や素性の同定が求められています．
我々はこれまでに X 線トポグラフィーによりダイヤモンド単結晶[1-3]やβ-Ga2O3 単結晶[4]やエピタキシャル薄膜で転位や積層欠陥の観察と同定を行ってきました．サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドは 1 インチまで大口径化でき、低転位密度でした[5]．しかし最近
では、傾斜したサファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドは、さらに最大 2 インチまで大口径化ができ、X 線ロッキングカーブ半値幅では世界最高品質でした．
[1] M. Kasu, R. Murakami, S. Masuya, K. Harada, H. Sumiya, Applied Physics Express, 7 (2014) 125501.
[2] S.-W. Kim, Y. Kawamata, R. Takaya, K. Koyama, and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 117, 202102 (2020).
[3] S. Masuya, K. Hanada, T. Uematsu, T. Moribayashi, H. Sumiya, M. Kasu, Japanese Journal of Applied
Physics, 55 (2016) 040303.
[4] A. Kuramata, K. Koshi, S. Watanabe, Y. Yamaoka, T. Masui, and S. Yamakoshi, Jpn. J. Appl. Phys. 55,1202A2 (2016).
[5] S. -W. Kim, Y. Kawamata, R. Takaya, K. Koyama, M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 117, 202102 (2020).
[6] S. -W. Kim, R. Takaya, S. Hirano, M. Kasu, Appl. Phys. Express 14, 115501 (2021).
（これまでの実験結果および、その結果との関係）（注：200～400 文字程度。研究センターで本実験課題と同種の実験、または関連する実験を行った
ことがある場合は、それらの実験結果および、その結果と本実験課題との関係を記入して下さい。)
しかしながら、その時に最高品質の VB 結晶ウエハの面方位は(001)面のみで、バーガーズベクトルの同定や転位の方向や欠陥の三次元的な構造はわかりませんでした。そのため、今回は、同じバルク結晶を、(100),(-201),(010)面方位などでも切り出し、三次元的に転位や欠陥の観察を行いたいと思います。
（本実験課題の狙いと特色）（注：400～600 文字程度。実験の方法と関連付けて記入してください。）
今回は，サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドおよび傾斜サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドの X 線トポグラフィ観察を行います．傾斜基板も異なる傾斜方向、様々な傾斜角度のものを使います．
これまでは、実験室での X 線回折法や断面 TEM 観察で結晶品質を調べてきましたが、本実験課題により、結晶成長機構や結晶品質を決定する要因を明らかにできると考えています。
（期待される成果）（注：400～600 文字程度。先端産業の実用化技術又は基盤技術高度化に関する具体的な貢献内容の記述が必要です。
）
半導体結晶を用いて作製される電子デバイス・光デバイスの特性は，その結晶中の格子欠陥の物性に大きく左右される．例えば，線状欠陥である転位は格子歪，欠陥準位，局所反応サイトなどを与え，多くの場合，デバイス特性を悪化させる要因となります．従って，格子欠陥の抑制や制御は結晶成長

やデバイス開発に携わる研究者，エンジニアの必達の目標です．そのため，格子欠陥の低減や制御技術の確立へと発展させるためにも，これらの欠陥を観察し，構造を同定することは産業界においても学術界においても重要な課題です．
また，大電力を扱うパワーデバイスの分野では，それぞれの電子デバイスの信頼性が重要になってきます．実用化技術および基盤技術の高度化において，各種デバイスの信頼性を向上させることは不可避です．これらの問題を克服するための基礎事項として，デバイスにおける劣化機構を解明しておくことは重要な課題です．
サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドおよび傾斜サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンドの X 線トポグラフィ観察を行います．傾斜基板も異なる
傾斜方向、様々な傾斜角度のものを使います．
これまでは、実験室での X 線回折法や断面 TEM 観察で結晶品質を調べてきましたが、本実験課題により、結晶成長機構や結晶品質を決定する要因を明らかにできると考えています。
（本課題と直接関係する実験参加者の主要論文リスト等）（注：関係する主要な論文を最大 10 件程度まで。
）[1] A. Tallaire, M. Kasu, K. Ueda, T. Makimoto, “Origin of growth defects in CVD diamond epitaxial films”,
Diamond and Related Materials 17 (2008) 60.
[2] J. Achard, F. Silva, O. Brinza, X. Bonnin, V. Lille, R. Issaoui, M. Kasu, A. Gicquel, “Identification of theetch-pits crystallographic faces induced on a diamond surface by H2/O2 etching plasma treatment”, Phys.
Status Solidi, A206 (2009) 1949.
[3] M. Kasu, R. Murakami, S. Masuya, K. Harada, 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.
[4] 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 < 50 cm−2 bysynchrotron X-ray” , Japanese Journal of Applied Physics, 55 (2016) 040303.
[5] 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, 468 (2017) 439[6] S. Masuya, K. Hanada, T. Oshima, H. Sumiya, M. Kasu, “Formation of stacking fault and dislocation
behavior during the high-temperature annealing of single crystal HPHT diamond”, Diamond and RelatedMaterials 75 (2017) 155.
[7] S. Masuya, K. Sasaki, A. Kuramata, S. Yamakoshi, O. Ueda, and M. Kasu,“Characterization of crystalline
defects in β-Ga2O3 single crystals grown by edge-defined film-fed growth and halide vapor-phase epitaxy
using synchrotron X-ray topography”, Japanese Journal of Applied Physics vol.58, pp.055501 (2019).
[8] S. Sdoeung, K. Sasaki, K. Kawasaki, J. Hirabayashi, A. Kuramata, T. Oishi, and M. Kasu, “Origin ofreverse leakage current path in edge-defined film-fed growth (001) β-Ga2O3 Schottky barrier diodes observedby high-sensitive emission microscopy”, Applied Physics Letters 117, 022106 (2020).
[9] S. Sdoeung, K. Sasaki, S. Masuya, K. Kawasaki, J. Hirabayashi, A. Kuramata, and M. Kasu,“Stacking faults: Origin of leakage current in halide vapor phase epitaxial (001) β-Ga2O3 Schottky barrier
diodes”, Appl. Phys. Lett. 118, 172106 (2021).
[10] S. -W. Kim, Y. Kawamata, R. Takaya, K. Koyama, M. Kasu, “Growth of high-quality one-inch
freestanding heteroepitaxial (001) diamond on (11-20) sapphire substrate”, Appl. Phys. Lett. 117, 202102(2020).
[11] S. -W. Kim, R. Takaya, S. Hirano, M. Kasu, “Two-inch high-quality (001) diamond heteroepitaxial growthon sapphire (11-20) misoriented substrate by step-flow mode”, Appl. Phys. Express 14, 115501 (2021).
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, 468 (2017) 439.
[4] S. Masuya, K. Hanada, T. Oshima, H. Sumiya, M. Kasu, “Formation of stacking fault and dislocation
behavior during the high-temperature annealing of single crystal HPHT diamond”, Diamond and RelatedMaterials 75 (2017) 155.

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, 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（2018 年度実施課題は 2020 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：2022 年6 月）