The Growth and Characteristics of Diamond Grown by Microwave Plasma-Assisted CVD

Abstract

Because diamond has extremely superior characteristics in many physical properties and device performance indices compared with main current semiconductor materials, it is highly expected as``as``an ultimate semiconductor material.'' Diamond is an ever-evolving material for semiconductor production, and this fact is supported by the technology for synthesizing high quality diamond called the chemical vapor deposition (CVD) method. Till now, various speciˆc techniques have been proposed and used to implement the CVD method. Recently, the microwave plasma CVD method has been becoming standard. As demonstrated by the history of the production of semiconductor materials such as silicon, diamond synthesis requires not only an increase in the crystalline quality of produced diamond but also the production of large size diamond crystals. These eŠorts are accelerating in the world, but, on the other hand, a breakthrough or signiˆcant advance in the development in diamond synthesis technologies is required. In other words, the microwave plasma-assisted CVD method is now becoming a standard technique for diamond synthesis, but one of the important aspects in future diamond research includes determining whether this method can be a perfectˆnalperfectˆnal approach for synthesizing large diamond crystals quickly and eŠectively. This paper discusses the characteristics of diamond when used as a semiconductor device substrate, together with the microwave plasma-assisted CVD method which is currently one of the representative diamond synthesis methods. Also this paper describes the cathodoluminescence method usually used to evaluate synthetically produced diamond. . は じ め に ダイヤモンドが「究極の宝石」と言われている理由には， 他の宝石にはない独特の輝き，希少性そして耐久性など卓越 した特徴を異例な程兼ね備えているからだと言う．いまなお 宝石としての高い知名度と経済的価値を持つこのダイヤモン ドが，科学的な研究の対象となって以来，現在では「究極の 半導体材料」として新たな進化を成し遂げようとしている． これは，ダイヤモンドが半導体性を持ち，他の物質には無い 多くの卓越した物理的，化学的性質を示すためである．特 に，この進化の重要な原動力となったのがダイヤモンドの人 工合成の成功であり，その歴史の中には日本人の貢献があ る 1,2) ．しかしながら，残念なことに，ダイヤモンドが人工 的に合成できること，さらに半導体性をもつという事実は， 国内外に問わずダイヤモンド研究を主体とするコミュニテ ィーから少しでも異なると，ほとんど知られていないことに いつも気づかされる． ここでは半導体としてのダイヤモンドの性質とダイヤモン ド合成の代表の一つであるマイクロ波プラズマ（microwave plasma assisted ） 化 学 気 相 堆 積 （ CVD: chemical vapor deposition）法について紹介する．また，合成されたダイヤ モンドの評価方法のひとつとして，ここでは，カソードルミ ネッセンス（CL: cathodoluminescence）法について紹介す る． . 半導体としてのダイヤモンド 3) . ダイヤモンドの結晶構造 ダイヤモンドはグラファイトと同じ炭素からなる同素体で あるが，炭素原子の混成軌道の違いから，結晶構造だけでは なく，その物性も全く異なっている．炭素（C）は，Si, Ge, Sn そして Pb と同じ周期表第 IV 属に属する原子で，直線的 な 2 配位の sp 混成軌道，平面的（正三角形）な 3 配位の sp 2 混成軌道，正四面体的な sp 3 混成軌道の 3 つの結合形態 を持つことができる．Fig. 1 は，ダイヤモンドの原子模型 を示す．ダイヤモンドは，最外殻軌道に存在する 4 つの電 子が正四面体の頂点で他の炭素と結合した sp 3 混成軌道によ