Improvement of diamond semiconductor device properties by clarifying the non-radiative defect generation mechanism

本研究で用いる輻射型欠陥評価系ではこれまで電流アンプで増幅した信号をロックイン検出していたが、評価系の高感度化のためには電流アンプの帰還抵抗の増加が必要となる。その際、1 GΩの帰還抵抗を用いた場合、一般に0.5 pF程度の寄生容量を持つため遮断周波数は320 Hz程度に限られてしまう。この問題の解決策としては帰還容量（数pF）を用いた電荷増幅器があげられるが、長時間の測定では出力電圧が飽和してしまう。そこで本年度は帰還容量の直流電圧成分を常時放電するフィードバック系を備えた電荷増幅器の開発として、回路シミュレータを用いて1 pFの帰還容量を有する電荷増幅器に高速オペアンプを用いた直流電圧フィードバック系および後段増幅回路を組み合わせた信号増幅系の設計を完了した。また、非輻射型欠陥にトラップされたキャリアの光励起放出による接合容量変化は接合容量に比べ微小（100 ppm以下）であるため試料インピーダンスを補償し測定レンジを可能な限り下げる必要がある。そこで試料インピーダンスを相殺する外部制御補償回路の設計を前述の信号増幅系にあわせて行った。また、本年度は当初、令和6年度に実施を予定していたマイクロ波プラズマCVD法によりホモエピタキシャル成長したダイヤモンド結晶上への絶縁膜形成プロセスの開発を前倒しして着手し、電子ビーム蒸着法により形成したシリコン薄膜の低温酸化条件を適正化することで良好な絶縁耐性を有するダイヤモンド結晶上SiO2薄膜の作製手法を確立した。

本研究で用いる輻射型欠陥評価系ではこれまで電流アンプで増幅した信号をロックイン検出していたが、評価系の高感度化のためには電流アンプの帰還抵抗の増加が必要となる。その際、1 GΩの帰還抵抗を用いた場合、一般に0.5 pF程度の寄生容量を持つため遮断周波数は320 Hz程度に限られてしまう。この問題の解決策としては帰還容量（数pF）を用いた電荷増幅器があげられるが、長時間の測定では出力電圧が飽和してしまう。そこで本年度は帰還容量の直流電圧成分を常時放電するフィードバック系を備えた電荷増幅器の開発として、回路シミュレータを用いて1 pFの帰還容量を有する電荷増幅器に高速オペアンプを用いた直流電圧フィードバック系および後段増幅回路を組み合わせた信号増幅系の設計を完了した。また、非輻射型欠陥にトラップされたキャリアの光励起放出による接合容量変化は接合容量に比べ微小（100 ppm以下）であるため試料インピーダンスを補償し測定レンジを可能な限り下げる必要がある。そこで試料インピーダンスを相殺する外部制御補償回路の設計を前述の信号増幅系にあわせて行った。また、本年度は当初、令和6年度に実施を予定していたマイクロ波プラズマCVD法によりホモエピタキシャル成長したダイヤモンド結晶上への絶縁膜形成プロセスの開発を前倒しして着手し、電子ビーム蒸着法により形成したシリコン薄膜の低温酸化条件を適正化することで良好な絶縁耐性を有するダイヤモンド結晶上SiO2薄膜の作製手法を確立した。