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

通过改善含重金属原子的磷掺杂n型金刚石的晶体质量来控制电子性能

• 批准号: 22K14478
• 负责人: 片宗 優貴
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14478/
• 关键词: n型ダイヤモンド; 熱フィラメントCVD法; リンドーピング; 金属不純物; 結晶成長; 電気的特性; 化学気相成長法; 重金属不純物

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．

In this study, we aim to construct a high quality crystal growth technique for n-type films by CVD method, and to evaluate the electrical and structural effects of heavy metal atoms mixed into n-type films. In the first year and the fourth year, the thermal CVD method was used to obtain the depth distribution of elements in the film, and the specific resistance measurement was used to evaluate the electrical characteristics. The crystal quality index of the film after growth is obtained by differential scanning microscopy. As a result, substrate temperature has a great influence on the surface morphology and electrical characteristics of the growth film, and temperature control is important for the realization of high-quality crystal growth. For example, if the concentration of the compound is too high, the concentration of the compound will be too high. The growth conditions of the raw material concentration of 10% were determined. The high concentration of the atoms in the growth film and the low resistance to electricity were confirmed. The SIMS analysis results showed that the concentration of the atoms in the growth film was 1×10^20 cm^-3. The specific resistance at room temperature was determined to be 50 Ohm cm or less. The temperature dependence of the electrical resistivity varies with the temperature of the conductor.

项目成果

Heavy phosphorus doping of diamond by hot-filament chemical vapor deposition

热丝化学气相沉积金刚石重磷掺杂

• DOI: 10.1016/j.diamond.2023.109789
• 发表时间: 2023
• 期刊: Diamond and Related Materials
• 影响因子: 4.1
• 作者: Katamune Yuki;Izumi Akira;Ichikawa Kimiyoshi;Koizumi Satoshi
• 通讯作者: Koizumi Satoshi

熱フィラメントCVD法によるn型ダイヤモンドの成長と高濃度ドーピング

热丝CVD法生长n型金刚石及高浓度掺杂

• 发表时间: 2022
• 作者: Katamune Yuki;Izumi Akira;Ichikawa Kimiyoshi;Koizumi Satoshi;片宗 優貴，和泉 亮，市川 公善，小泉 聡
• 通讯作者: 片宗 優貴，和泉 亮，市川 公善，小泉 聡

研究者情報

研究员信息

Heavily phosphorus-doped diamond thin films grown by hot filament CVD

热丝 CVD 生长重度磷掺杂金刚石薄膜

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuki Katamune;Akira Izumi;Kimiyoshi Ichikawa;Satoshi Koizumi
• 通讯作者: Satoshi Koizumi

熱フィラメントCVD法により成長した 高濃度リンドープダイヤモンド(111)薄膜の電気的特性

热丝CVD法生长高浓磷掺杂金刚石(111)薄膜的电学性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuki Katamune;Akira Izumi;Kimiyoshi Ichikawa;Satoshi Koizumi;片宗 優貴，和泉 亮，市川 公善，小泉 聡
• 通讯作者: 片宗 優貴，和泉 亮，市川 公善，小泉 聡