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 ： 1904020S

Ｂ Ｌ 番 号 ： 09

（様式第 5 号）

実 施 課 題 名 熱 フ ィ ラ メ ン ト CVD 法 に よ り 合 成 し た 不 純 物 ド ー プ ダ イ ヤ モ
ンド薄膜の X 線トポグラフィ解析
X-ray topography imaging of impurity -doped diamond films prepared by
hot-filament CVD
大 曲 新 矢 1， 小 林 篤 史 1， 片 宗 優 貴 2

Shinya Ohmagari 1 , Atsushi Kobayashi 1 , and Yuki Katamune 2
1 産総研先進パワエレ，2 九工大若手アカデミー

1 AIST ADPERC， 2 Kyushu Inst. Tech.
※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）
大 面 積 均 一 成 長 に 優 位 性 の あ る 熱 フ ィ ラ メ ン ト CVD 法 を 用 い た ダ イ ヤ モ ン ド 単 結 晶
ホモエピタキシャル薄膜成長と，転位の伝搬・増殖挙動を明らかとするために，X 線ト
ポグラフィ法により欠陥構造を評価した．今回は基板中の転位構造の観察を試みた．
CVD 製 単 結 晶 ダ イ ヤ モ ン ド 基 板 中 に は ，成 長 セ ク タ ー は 存 在 せ ず ，多 数 の 転 位（ お よ び転位束）が観測された．転位種の判別や転位密度の定量には，結晶全体に広がる内部ひずみの低減が必要である．
（ English ）Hot-filament CVD possesses great advantageous for large-diameter and homogeneous diamondgrowth. In order to clarify the propagation and proliferation behavior of dislocations, thedefect structure was evaluated by X -ray topography. In this study, we attempted to observe thedislocation structure in the substrate. For the CVD-grown single-crystal diamond substrate, nogrowth sector was observed, and dislocations (and dislocation bundles) were observed. For
further discussing the dislocation density and type of dislocations, it is necessary to reduce theinternal strain spreading throughout the crystal.

２．背景と目的
ダイヤモンドは，高絶縁破壊電界 (>10MV/cm)，高移動度 (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．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劣化する．我々は大面積均一成長に優位性のある，熱フィラメント CVD 法による単結晶ホモエピタキシャル成長に取り組んでいる [1-3]．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 B ドーピングが可能であること，(2) >1021cm-3 の高濃度ドーピングにおいてマクロスコピックに平滑な結晶成長が可能であることを明らかとしてきた．抵抗率は，世界最小レベ
ル 1 mΩcm (@室温) を実現している．本研究課題では，X 線トポグラフィ法による，不純物ドープ単結晶ダイヤモンド薄膜の構造評価を行う．基板から膜中への転位の伝搬・増殖挙動を明らかにする

ため，今回は基板中の転位構造を観察した．
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
単結晶ダイヤモンド基板上に，20-50 mの薄膜をホモエピタキシャル成長し，基板中および膜中の転位イメージングを行う．非対称ブラッグ反射条件で{044}および{113}面を測定する．今回は，CVD製基板中の欠陥構造を評価した．
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}・X線フィルムで撮影
・試料サイズ 2-3 mm角
結晶構造：ダイヤモンド構造
主要面：(100)
基板：CVD製，およびHPHT製ダイヤモンド単結晶基板
試料数：3枚

４．実験結果と考察
図 1 に CVD 法で合成されたダイヤモンド結晶の X 線トポグラフィ像を示す．放射光の光子エネル
ギーは 12 keV，入射角度は 10 度，回折面は(404)に設定した．結晶内部のひずみ場を反映して，多数の欠陥が白黒のコントラストとして観測された．また全体像が歪んでいることから，結晶全体に渡ってひずみが蓄積されていることが分かった．高温高圧 (HPHT) 製結晶では，成長セクターに加え，積層欠陥や貫通転位による明瞭なコントラストが確認できた．

図 1． CVD ダイヤモンド結晶 (2 × 2 mm2) の X 線トポグラフィ像

５．今後の課題
CVD 法で合成した単結晶ダイヤモンド基板の内部欠陥構造を，X 線トポグラフィ法により評価した．CVD 合成ダイヤモンドの結晶内部には，結晶成長に由来する特有のひずみが結晶全体に渡って存在することが明らかになった．今後，基板から膜中に伝搬する転位の挙動を評価するために，内部歪みの小さい基板上へのエピ成長が必要である．

６．参考文献[1] S. Ohmagari et al., Diamond Relat. Mater. 48 (2014) 19.
[2] 大曲ら，「不純物ドープダイヤモンド及びその製造方法」特願 2015-098261[3] 大曲ら，「半導体-金属複合材料及びその製造方法」特願2015-030450
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] "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[2] "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. (2019) in press[3]"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[4] "Growth and characterization of heavily B-doped p+ diamond for vertical power devices"
Shinya Ohmagari
In: S. Koizumi, H. Umezawa, J. Pernot, M. Suzuki (Eds), Power Electronics Device Applications of Diamond
Semiconductors, A volume in Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, 99 - 117
Chapter 2.1 (Elsevier 2018).
[5]"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[6]"Lifetime and migration length of B-related admolecules on diamond {100}-surface: Comparative study ofhot-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[7]"Characterization of X-Ray Radiation Hardness of Diamond Schottky Barrier
Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor"
H. Umezawa, S. Ohmagari, Y. Mokuno, and J.H. Kaneko
IEEE Conference Publications, ISPSD (2017) 379-382. 10.23919/ISPSD.2017.7988983

Diodeand[8]"Submicron-scale diamond selective-area growth by hot-filament chemical vapor deposition"
S. Ohmagari, T. Matsumoto, H. Umezawa, and Y. Mokuno
Thin Solid Films 615 (2016) 239. http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2016.07.017[9]"Ohmic contact formation to heavily boron-doped p+ diamond prepared by hot-filament chemical vapordeposition"
S. Ohmagari, T. Matsumoto, H. Umezawa, and Y. Mokuno
MRS Advances 1 (2016) 3489. https://doi.org/10.1557/adv.2016.471[10]"Boron inhomogeneity of HPHT-grown single-crystal diamond substrates: confocal micro-Raman mapping
investigations"K. Srimongkon, S. Ohmagari (C.A.), Y. Kato, V. Amornkitbamrung, and S. Shikata
Diamond Relat. Mater. 63 (2016) 21. doi: 10.1016/j.diamond.2015.09.014
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，不純物，転位，結晶欠陥

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：2021 年 3 月）