[論文レビュー] High crystalline quality single crystal CVD diamond

P. M. Martineau, Mike Gaukroger+8 more|ArXiv.org|Sep 7, 2009

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高品質なHPHT合成型IIaダイヤモンド基板を用い、成長セクターの選択的使用とその後のHPHT処理により、拡張欠陥を最小限に抑えることで、高結晶性の単結晶CVDダイヤモンドの成長を実証した。X線トポグラフィーと欠陥マッピングにより、<100>セクターは<111>セクターに比べて顕著に低いミスクラスターディスlocation密度とスタッキングフォールト密度を示し、高精度な電子および量子応用に適した超低欠陥密度ダイヤモンドの生産が可能となった。

ABSTRACT

Homoepitaxial chemical vapour deposition (CVD) on high pressure high temperature (HPHT) synthetic diamond substrates allows production of diamond material with controlled point defect content. In order to minimize the extended defect content, however, it is necessary to minimize the number of substrate extended defects that reach the initial growth surface and the nucleation of dislocations at the interface between the CVD layer and its substrate. X-ray topography has indicated that when type IIa HPHT synthetic substrates are used the density of dislocations nucleating at the interface can be less than 400 cm-2. X-ray topography, photoluminescence imaging and birefringence microscopy of HPHT grown synthetic type IIa diamond clearly show that the extended defect content is growth sector dependent. &lt;111&gt; sectors contain the highest concentration of both stacking faults and dislocations but &lt;100&gt; sectors are relatively free of both. It has been shown that HPHT treatment of such material can significantly reduce the area of stacking faults and cause dislocations to move. This knowledge, coupled with an understanding of how growth sectors develop during HPHT synthesis, has been used to guide selection and processing of substrates suitable for CVD synthesis of material with high crystalline perfection and controlled point defect content.

研究の動機と目的

• 高結晶性で点欠陥が制御された単結晶CVDダイヤモンドを生産するための手法を開発すること。
• HPHT合成ダイヤモンド基板上でのCVD成長において、特にディスlocationとスタッキングフォールトを含む拡張欠陥を同定し、低減すること。
• HPHT成長型IIaダイヤモンドにおける欠陥含有量の成長セクター依存性を理解すること。
• 高品質な応用に適した低欠陥CVDダイヤモンド成長を可能にするために、基板選択と処理を最適化すること。

提案手法

• 高圧高溫（HPHT）合成型IIaダイヤモンド基板上でのヘテロエpitaxial化学蒸着（CVD）を実施した。
• CVD/基板界面におけるディスlocation密度と分布をマッピングするためにX線トポグラフィーを用いた。
• <111>と<100>セクターの比較を含め、成長セクターの方向に応じたスタッキングフォールトおよびディスlocation含有量を評価するために、発光分光イメージングとバイレフレンス顕微鏡を用いた。
• 欠陥含有量を成長セクターの方位と関連づけ、特に<111>と<100>セクターの比較を行った。
• 合成後処理としてHPHT処理を施し、スタッキングフォールト面積の低減とディスlocationの移動を促進した。
• HPHT成長セクターの発達と欠陥進化の理解に基づき、基板選択をガイドした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HPHT成長型IIaダイヤモンドの異なる成長セクター間で、拡張欠陥密度はどのように変化するか？
• RQ2 HPHT処理は、合成ダイヤモンドにおけるスタッキングフォールト面積を効果的に低減し、ディスlocation分布を変更できるか？
• RQ3 高品質なHPHT基板を用いた場合、CVD/基板界面におけるディスlocation核生成密度はどの程度か？
• RQ4 特定の成長セクターを選択することで、CVD成長ダイヤモンドの結晶性の完璧さはどの程度向上できるか？
• RQ5 基板選択と合成後HPHT処理の組み合わせが、CVDダイヤモンドの品質をどのように向上させるか？

主な発見

• 高品質な型IIa HPHT基板を用いた場合、CVD/基板界面におけるディスlocation核生成密度は400 cm⁻²未満であった。
• <111>成長セクターはスタッキングフォールトおよびディスlocationの両方の濃度が最も高く、<100>セクターは顕著に低い欠陥密度を示した。
• 発光分光イメージングとバイレフレンス顕微鏡による確認により、<100>セクターは<111>セクターに比べて拡張欠陥が著しく少ないことが確認された。
• HPHT処理により、スタッキングフォールトの面積が顕著に低減し、ダイヤモンド格子内でのディスlocationの移動が誘導された。
• <100>セクターの選択と合成後HPHT処理の組み合わせにより、高結晶性で低欠陥含有量のCVDダイヤモンドの生産が可能になった。
• 本研究では、HPHT成長セクターの形成と欠陥分布の明確な関連性を確立し、高品質CVDダイヤモンドのための標的的基板選択が可能になった。