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 ： 1507055S

Ｂ Ｌ 番 号 ： Ｂ Ｌ 12（様式第 5 号）

超 高 濃 度 ド ー プ 低 抵 抗 ダ イ ヤ モ ン ド 薄 膜 の X 線 吸 収 端 近 傍 微 細 構 造 解 析 (I)Near-edge X-ray absorption structural study of heavily doped diamond thin films
大曲 新矢

Shinya Ohmagari（国研）産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター

Advanced Power Electronics Research Center,
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)※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 超 低 損 失 パ ワ ー デ バ イ ス 応 用 に 向 け ，低 抵 抗 ダ イ ヤ モ ン ド ウ ェ ハ 開 発 に取 り 組 ん で い る ． 近 年 我 々 は ， 熱 フ ィ ラ メ ン ト CVD 法 を 用 い た 高 濃 度 ホ ウ 素 ド ー プ ダイ ヤ モ ン ド 成 長 に お い て ， 1 mcm 級 の 低 抵 抗 化 が 可 能 で あ る こ と を 見 出 し た ． 本 課 題
で は ， 結 晶 内 部 の 化 学 結 合 状 態 調 べ る た め に ， X 線 吸 収 端 近 傍 微 細 構 造 (NEXAFS) を解 析 し た ． そ の 結 果 ， NEXAFS C-K 端 に お い て ダ イ ヤ モ ン ド コ ア エ キ シ ト ン に 由 来 す る
急 峻 な ピ ー ク が 発 現 し て い る こ と が 分 か っ た ．超 高 濃 度 ド ー プ に 関 わ ら ず ，良 好 な 結 晶性が維持されており，そのことが低抵抗化に寄与していると考えられる．
（ English ）Developing the low-resistivity diamond wafer is important task for the application ofultra-low loss power devices. Recently, we have found that low -resistivity (1 mcm order)
diamond can be grown by hot -filament CVD with heavily boron-doping. In this study,
NEXAFS measurements were performed to clarify the detailed chemical bonding structures of
doped diamond. A sharp peak due to diamond core-exciton appeared, which indicates highcrystalline quality of diamond. It is suggested t hat the high quality of diamond might
contribute for low-resistivity.

２．背景と目的
ダイヤモンドは，高い絶縁破壊電界 (>10MV/cm)，高速移動度 (電子 7300 cm2/Vs，正孔 5300
cm2/Vs)，物質中最高の熱伝導率 (22 W/cmK) を有しており，高温・極限環境でも安定動作する次々世代のパワー半導体材料として期待されている．100A 級駆動の実用素子構造には，寄生抵抗成分（バルク抵抗+金属接触抵抗）を極限まで低減することが必要となる．ダイヤモンドは高濃度ホウ素ドープによる低抵抗化が可能であるが，1020cm-3 を超えるドーピングに関しては，転位の増大およびドーパント不純物の偏在により結晶品質が著しく低下するという問題があった．我々は，成長パラメータの緻密制御，基板温度均一化等の結晶成長技術の高度化を基調とした材料開発に取り組んでいるが，近年、ダイヤモンド中への高濃度ドーピングに関して、熱フィラメント CVD 法が有望であることを見出した．これまでに (1) 気相から膜中へのドーピング効率が 100%を超える高効率ドーピングが可能であること，(2) 1021cm-3 台の超高濃度ドーピングにおいても高品質な結晶成長が可能であることを明らかとしてきた．抵抗率については，これまで報告されてきた値より低い、1 mcm (@室温) の低抵抗化を実現し，デバイス適用の可能性も見えてきた．各種分光学的手法により，ドーパント (ホウ素) 原子は置換サイトに位置し，電気的活性状態を維持していることを予測しているが，確たる証拠は得られていない．本課題により C1s, B1s の NEXAFS 解析から詳細な結合様式を明らかとし，ドーパントサイトに関する知見を得ることを目的とする．

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
図1に熱フィラメント (HF) CVD装置の概略図を示す．本手法はW, Ta, Re等の高融点金属ワイヤーを通電加熱し、原料ガスを熱活性化させる薄膜成長法である．原理的に合成面積の制約を受けず12インチ以上の合成も可能であり，また合成中のフィラメント材の温度管理とワイヤー伸び・たわみを制御することで、100時間以上の連続合成にも耐えうるという特徴を有する。本研究ではHFCVDを用い，高濃度ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド薄膜を合成した．ホウ素ドープにはトリメチルボロン(TMB) を用い，ホウ素/カーボン比 ([B]/[C]) 換算で200~12000 ppmのガス雰囲気で合成した．典型的な合成条件は，メタン/水素ガス流量比3%, フィラメント温度2100C，フィラメント-基板間距離15 mmであり，成長時間は5時間とした．表1に分析試料一覧を示す．標準試料として，高温高圧法で合成されたホウ素ドープバルク結晶を用いた．結晶内部での化学結合状態を評価するために，
SAGA-LS BL12にてNEXAFS測定をおこなった．信号検出は，試料補充電流をモニターする全電子収量法 (Total Electron Yield: TEY) にておこなった．スキャン範囲はC1s; 275~345 eV, B1s;
185~220 eVとした．

MFC

H2

Gas inlet

CH4Filament

Radiation
thermometer

Substrate

TMB/H212 in.
Connected to filament array
DC power
supply (25kW)

Gate valve

Vac.

図1. 熱フィラメントCVD装置の概略図

合成手法
試料 1

HFCVD

試料 2

HFCVD

試料 3

HFCVD

参考試料

HPHT

表1. 分析に用いた試料一覧
膜中ホウ素量 (cm3)
ホウ素ドープ量(SIMSにて測定)
0.06 %
4.71019(600 ppm)
0.16 %
2.01020(1600 ppm)
0.60 %
1.21021(6000 ppm)
0.03 %
91019 (キャリア濃度)(300 ppm)

抵抗率 (cm)
9.41024.0103
1.61038102４．実験結果と考察
NEXAFS C-K 端スペクトルでは，289 eV 付近にダイヤモンドコアエキシトンに由来する急峻なピークが発現していることが分かった．1021cm-3 を超える高濃度ドープに関わらず，良好な結晶性が維持されており，そのことが低抵抗化に寄与していると考えられる．ラボ XRD の解析より，高濃度ドープ膜は基板と擬似格子整合しており，格子緩和を伴わないコヒーレント成長していることが明らかとなっており，今回得られた知見と符合する．スペクトルの詳細は現在解析中である．

５．今後の課題
バルクセンシティブな蛍光収量法との比較，偏光角度依存性を調査し，更なる知見を得ていく．
６．参考文献S. Ohmagari, K. Srimongkon, H. Yamada, H. Umezawa, N. Tsubouchi, A. Chayahara, S. Shikata, and Y.
Mokuno, Diamond and Related Materials, 58 (2015) 110-114.
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）
準備中
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，パワーデバイス，低抵抗コンタクト

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：2016 年 8 月）