ダイヤモンドと絶縁膜の界面にできる欠陥を低減：欠陥の立体原子配列も解明

奈良先端科学技術大学院大学と近畿大学、大阪大学および、台湾成功大学の研究チームは、ダイヤモンド半導体の絶縁膜界面に形成される欠陥の立体原子配列を解明した。ダイヤモンド半導体の開発、実用化に弾みをつける。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

絶縁膜の原料ガスに「ジメチルアルミニウムハイドライド」採用

　奈良先端科学技術大学院大学と近畿大学、大阪大学および、台湾成功大学の研究チームは2023年2月、ダイヤモンド半導体の絶縁膜界面に形成される欠陥の立体原子配列を解明したと発表した。ダイヤモンド半導体の開発、実用化に弾みをつける。

　ダイヤモンドは、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に比べ、放熱性や耐電圧性、高電子移動度、対放射性に優れている。ところが、ダイヤモンド表面を水素に曝して電気伝導層を形成する従来の方法だと、電気伝導層を保護するためアルミナなどによる絶縁膜が必要となる。この場合、絶縁膜とダイヤモンド表面の間に、電気的な欠陥が形成され、デバイスの性能を低下させることがあるという。

　研究チームは今回、電気的な欠陥を低減する絶縁膜の形成方法を開発するとともに、欠陥の立体原子配列測定を行った。今回、絶縁膜の原料ガスとして用いたのは、ジメチルアルミニウムハイドライド「DMAH（Al（CH₃）₂H）」である。従来のトリメチルアルミニウム「TMA（C₃H₉Al）」を用いた時に比べ、大幅に欠陥を減らすことができたという。

ダイヤモンド半導体の絶縁膜界面に生じる欠陥のイメージ図 出所：奈良先端科学技術大学院大学他

　欠陥の立体原子配列測定については、約1nmという極めて薄い絶縁膜の下に埋もれた、界面欠陥の立体原子配列を測定できる光電子ホログラフィーを用いた。大型放射光施設「SPring-8」のBL25SUと、研究メンバーが発明した新型電子エネルギー分析器を活用した。実験では、欠陥を構成する原子からの微弱な信号を捉えて光電子ホログラフィーを撮影。この光電子ホログラフィーから立体原子像を得た。この結果、水素に暴露したダイヤモンドの表面の一部が、「C-O-Al-O-C」のブリッジ構造となっていることが分かった。この手法を用い、欠陥量の異なる2種類のダイヤモンドサンプルを測定し、欠陥の原子配列を決定した。

新型電子エネルギー分析器のイメージ図 出所：奈良先端科学技術大学院大学他

ホログラム測定で得られた欠陥の原子配列イメージ 出所：奈良先端科学技術大学院大学他

新型装置で測定した界面欠陥密度 出所：奈良先端科学技術大学院大学他

　今回の研究成果は、奈良先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科物質創成科学領域の松下智裕教授、近畿大学理工学部電気電子通信工学科の藤井茉美准教授、大阪大学工学研究科物理学系専攻の森川良忠教授および、台湾成功大学の水野潤教授らで構成される研究チームによるものである。なお本研究に関する論文は、2023年2月10日、米化学会の論文誌「Nano letters」に掲載された。