Control of electronic properties by improving crystalline quality of phosphorus-doped n-type diamond containing heavy metal atoms

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本研究では，熱フィラメント化学気相成長（CVD）法を用いたリンドープn型ダイヤモンド膜の高品質結晶成長技術の構築し，フィラメント材からダイヤモンド膜に混入する重金属原子の電気的・構造的作用を半導体物性評価と結晶構造解析によって実験的に明らかにすることを目的としている．初年度である令和4年度は，熱フィラメントCVD法によりリンドープダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させ，二次イオン質量分析（SIMS）によりダイヤモンド膜中の元素の深さ方向分布を取得，および比抵抗・ホール測定により電気的特性の評価を実施した．また，得られたリンドープ膜の結晶品質の指標となる成長後の表面形態を微分干渉顕微鏡を用いて観察した．成長パラメータを検討した結果，基板温度が成長膜の表面形態および電気的特性に与える影響は大きく，高品質結晶成長の実現のためにはCVDプロセス時の温度制御が重要であることがわかった．また，リンドーピングの制御範囲拡大のため高濃度ドーピングに取り組んだ．リン原料濃度10%の成長条件でエピタキシャル成長させたところ，成長膜においてリン原子の高濃度化および電気抵抗率の低減を確認した．SIMS分析の結果，リン濃度として1×10^20 cm^-3が得られ，室温における比抵抗測定で50 Ohm cm以下の低抵抗化を確認した．また，電気抵抗率の温度依存性から，キャリア伝導機構はリンドナーにより形成される準位を介したホッピング伝導が支配的であることが明らかになった．