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世界初!ガスから1立方センチのダイヤモンドの作製に成功!産総研

ダイヤモンド
産業技術総合研究所は、世界で初めて、ガスからクラックのない1立方センチ級の体積を持った単結晶ダイヤモンドの作製に成功しました。

合成面積のスケールアップが容易なガスを原料とする手法により世界最大級の高品質結晶を作製できたことから、この成果は、大型ウエハー実現につながる大きな一歩だそうです。

今後、ダイヤモンドを用いた次世代パワー半導体の開発が加速し、さまざまな電気機器に組み込まれることにより、より高効率な電力利用が可能になり、飛躍的な省エネルギー社会実現につながることが期待できます。

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パワー半導体とは?

パワー半導体は、電力インフラ、自動車、鉄道車両、産業機器や家電などさまざまな設備・機器に適用され、それらの高性能化や省エネルギー化を支える重要なデバイスです。

パワー半導体は、国内メーカーが大きなシェアを持つなど、日本に強みがあるこの技術です。

これを強化するため、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が管理法人を務める内閣府プロジェクト「戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)/次世代パワーエレクトロニクス」では、2014年度からシリコン(Si)に代わる炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンドなどの新材料を用いたパワー半導体を製品へ適用するための技術開発を推進し、電気機器の大幅な高効率化と小型化を目指してきました。

中でもダイヤモンドは、耐電圧や熱伝導率などの物性値が半導体物質中最高水準であり、広範な応用が期待されている材料です。

その実用化の前提となる大型ウエハーの実現と供給体制を確立することが望まれています。しかしながら、現在市販されている単結晶ダイヤモンド基板の作製方法である高温高圧法では、インチサイズの大型ウエハーを作製するには非常に大きなプレス機が必要となりコストや技術の面から、事実上困難でした。

そのため、大面積に対応可能な結晶成長技術の確立が急務です。

そして、国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は、同プロジェクトで、マイクロ波プラズマCVD法を用いて、世界で初めて、ガスからクラックのない1立方センチ級の体積を持った単結晶ダイヤモンドの作製に成功しました。

 

今回の成果

ガスを原料とするマイクロ波プラズマCVD法を用いて、世界で初めて、クラックのない1立方センチ級の体積を持った単結晶ダイヤモンドの作製に成功しました。

  • マイクロ波プラズマCVD法によるダイヤモンド合成においては、以下がポイントとなります。
  • マイクロ波のパルス化や結晶保持構造の最適化による試料周辺の熱平衡性の向上
  • 試料位置の精密制御による長時間成長中のプラズマ/試料表面間距離の維持
  • および原料ガスへの微量酸素添加による結晶ホルダー・試料周辺における異常成長の抑制など

これにより、従来の作製方法では、サブミリオーダーの厚さでクラックが入ってしまう課題を克服し、一度の合成で2~ 5 mmの厚さまでクラックを発生させず連続的に結晶を成長させることができました。

図2 今回の成果で用いたマイクロ波プラズマCVD法の概要

図2 今回の成果で用いたマイクロ波プラズマCVD法の概要

従来の作製方法では、クラックが入る前のサブミリオーダーの厚さで一度成長をやめ、再度結晶成長を行うという処理を何度も繰り返して厚膜化する必要がありました。

これがひずみや結晶性の劣化の蓄積につながり、結果としてクラックを引き起こしていました。

今回開発した技術では、このような結晶成長の繰り返し作業を大幅に減らすことができるため、厚膜化によるひずみや結晶性の劣化を十分に抑えた高品質のダイヤモンド結晶をミリ単位で作製することができます。

図3に従来技術と今回開発した技術によるダイヤモンド結晶の品質の指標となるラマンスペクトルの半値幅(ピーク強度の半分の強度となる波数幅)の成長膜厚依存性を示します。

図3 結晶成長の指標となるラマンスペクトルの半値幅の成長膜厚依存性

図3 結晶成長の指標となるラマンスペクトルの半値幅の成長膜厚依存性

なお、この技術の詳細については、2019年3月28日、29日の両日、内閣府とNEDOの共催で開催される、SIP「次世代パワーエレクトロニクス」公開シンポジウムにて、成果報告と試料展示を行う予定だそうです。

 

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