次々世代デバイス材料CVDダイヤモンドの実用化へ
デバイスの性能限界を決める
物性値が卓越しているダイヤモンド
近い将来、Si デバイスは性能限界に到達することになり、特定用途においては、Si の物性値を超える新材料開発が必須であると考えられます。新材料には高温での安定動作という面でバンドギャップの大きさが求められます。GaN、SiC、ダイヤモンド等が大きいバンドギャップをもつ材料として知られていますが、我々はこの中でダイヤモンドに注目しました。ダイヤモンドは絶縁破壊電界の大きさ、熱伝導率、化学的安定性、といった点で卓越した物性値を示すうえ、電子を真空中に放出し易いという性質も有しているからです。これらの優れた性質をフルに活用できれば、次世代デバイス材料として研究・開発が進んでいるGaN等のさらに次の世代に本格的に活用されるデバイス材料になると期待されます。
ダイヤモンドの場合、結晶品質の向上、成長速度の増大、および結晶サイズの増大が主な課題であり、本研究室ではマイクロ波CVD という手法で電子デバイスの試作に使用できる程度に高品質なダイヤモンド結晶の高速合成を目指しています。
品質を維持し結晶成長速度を100倍に
マイクロ波CVDによるダイヤモンド結晶成長の様子を右図に示します。マイクロ波によりCH4とH2をプラズマ状態にし、基板上にダイヤモンドを堆積させて結晶成長を進めます。この手法は高品質なダイヤモンドを合成するために有効な手法ですが、従来は1μmの良質な膜をつくるのに数十時間以上もかかっていました。少なくとも数μm/hぐらいの速度でないと多くの電子デバイスは容易には試作できない状態であったわけです。生成速度を上げるために単純に原料ガス中のメタン濃度を上げると、結晶品質が落ちたり、グラファイトなどの非ダイヤモンド成分が形成されたりしてしまいます。電子デバイスというのは欠陥や不純物に非常に敏感です。例えばX線検査にひっかからないような欠陥でも、性能に影響する場合がしばしばあるので、結晶の品質をいかに上げるかということが重要なのです。
そこで、我々はダイヤモンドの合成プロセスを再検討した結果、従来は高品質ダイヤモンド合成には不適であるとされていた合成条件ではありましたが、原料濃度を上げることとあわせて、プラズマ生成のために投入するマイクロ波の出力も従来の5倍以上に高めました。その結果、電子デバイスが試作できる程度に結晶品質の高いダイヤモンド薄膜を3.5μm/hという高い速度で合成することに成功したのです。
軟X線・紫外線検出器の試作
結晶薄膜の成長速度という１つのヤマは越えることができましたが、高品質なn型ダイヤモンドの合成等未解決の問題がかなりあるため、既存の半導体デバイス技術が適用されにくいという問題点が残りました。とはいえ、我々はダイヤモンドがデバイス材料として実際に使えるということを、世の中に示さないといけない。
そこで、アンドープ層を活用できるデバイスとして、先ずは紫外線やX線を対象とした検出器の開発に取り組みました。その結果、検出器に予想外の増幅機能を発見することができ、非常にコンパクトで感度の高い軟X線・紫外線検出器を作成することができました。
- 伊藤 利道 教授
- CVDダイヤモンド成長中の様子
(模式図) 
- マイクロ波プラズマCVD法により
合成中のダイヤモンド
（ダイヤモンドは中央部
で白く光っている） 
- 高出力マイクロ波プラズマCVD装置
- 平面型軟X線・紫外線検出器の試作例
（光学写真） 
さらに大きく、さらに速く
卓越した物性に基づく高電力密度デバイス、高速デバイス、電子放出デバイスや高安定化学反応電極、あるいは、固有の不純物状態を活用する量子コンピュータ用基礎デバイス等、幅広い分野への応用が期待されるCVDダイヤモンド。現在は3mm角程度の高圧合成ダイヤモンド基板の上に、結晶を成長させていますが、将来的にはもっと大きな面積の結晶を成長させなければなりません。プロセス的にみて、結晶の面積が産業応用には大変重要なポイントになるからです。加えて、結晶品質及び結晶成長速度もさらに高める必要があります。
我々は、マイクロ波CVDによる高品質ダイヤモンド薄膜の製法の研究を更に進めて、CVDダイヤモンドを重要な次々世代デバイス材料として世に送り出したいと考えています。
子供の頃は数学や物理が好きでした、というより他がだめでしたね。
もともと、電気への興味がそれほど強かったわけではありませんでした。大学に入学して、初めて、電気に関わる物性の面白さや奥深さを教授して頂きました。
