ダイヤモンド半導体における電気的欠陥の立体原子配列を解明近畿大など研究グループ

近畿大学は2023年2月22日、奈良先端科学技術大学院大学と大阪大学、台湾成功大学と共同で、ダイヤモンドとアルミナ絶縁膜の間に形成される電気的な欠陥の立体原子配列を解明したと発表した。次世代の半導体として注目されているダイヤモンド半導体の実用化につながると期待される。

ダイヤモンドは、半導体として多く使用されている炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）よりも放熱性や耐電圧性、高電子移動度、対放射性に優れ、次世代の半導体として注目されている。実用化に成功すれば、パワーデバイスの小型化や低消費電力化が可能になり、電気自動車やエネルギー、情報通信、航空宇宙など幅広い分野でブレークスルーをもたらすとも言われる。

実用化に向け、現在はダイヤモンドに電気を通す方法として、表面を水素にさらすことで電気伝導層を形成する手法が研究されている。しかし、ダイヤモンド表面に伝導層を保護するための絶縁膜を形成する際、絶縁膜とダイヤモンドの間に電気的な欠陥が形成され、デバイスの性能を下げてしまうという課題があった。

絶縁膜の形成にはアルミナなどが研究されており、原料ガスとして一般的にTMA（C₃H₉Al）が用いられるが、今回の研究ではDMAH（Al（CH₃）₂H）を使ったところ、従来よりも大きく欠陥を低減させることに成功した。そのうえで、研究グループは欠陥の原子配列の解明を試みた。

電子顕微鏡などでは測定できないため、光電子ホログラフィーによって絶縁膜に埋もれた界面の原子配列を観察しようと考えた。測定は、研究グループのメンバーが開発した新型の電子エネルギー分析器を用いて大型放射光施設SPring-8のBL25SUで行った。その結果、SPring-8の明るいX線と新型装置での高精度な測定によって、欠陥を構成する原子からの微弱な信号を捉え、光電子ホログラフィーの撮影に成功した。

この光電子ホログラフィーをもとに研究グループは立体原子像を得ることに成功。水素にさらされたダイヤモンドの表面の一部は、C-O-Al-O-Cの橋が架かるような構造になっていることを突き止め、この手法を用いて欠陥量の異なる2種類のダイヤモンドサンプルから欠陥の原子配列を解明した。

欠陥の原子配列が明らかになったことで、欠陥の詳細な物性を解明し、欠陥を低減する手法の開発につながることが期待できる。研究グループは欠陥を低減し、ダイヤモンド半導体をデバイスとして利用できるようになれば、パワー半導体の小型化や低消費電力化が可能になり、多くの先端技術に大きな革新をもたらすと期待を寄せている。

今回の成果は2023年2月10日、アメリカ化学会の論文誌『Nano letters』に掲載された。

ダイヤモンド半導体における電気的欠陥の立体原子配列を解明　近畿大など研究グループ