[論文レビュー] Optical and Electrical Characterization of Boron-Doped Diamond

Sunil Karna, Yogesh K. Vohra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、(100)合成ダイヤモンド基板上にマイクロ波プラズマ化学気相成長法(MPCVD)で成長したボロンドーピングダイヤモンド膜を、光学的（ラマン分光法）および電気的（4点プローブ法）特性評価を組み合わせて調査した。主な発見として、ボロンドーピングによりダイヤモンドのゾーン中心光学フォノンモードに赤方シフトと幅広化が生じ、表面被膜形態が変化し、温度依存の電気的輸送機構が明らかになった。また、ボロン濃度が上昇するに従い、電気的抵抗率が著しく低下した。

ABSTRACT

The boron-doped single crystal diamond films were grown homoepitaxially on synthetic (100) oriented Type Ib diamond substrates using a Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD) technique. Raman spectrum showed a few additional bands at the lower wavenumber regions along with the zone center optical phonon mode for diamond. The change in the peak profile of the zone center optical phonon mode and its downshift were observed with the increasing boron content in the film. A modification in surface morphology of the film with increasing boron content had been observed by atomic force microscopy. Four point probe electrical measurement indicated that different conduction mechanisms are operating in various temperature regions for these semiconducting films.

研究の動機と目的

• ボロンドーピングされたダイヤモンド膜の光学的および電気的特性を、(100)型Ibダイヤモンド基板上に成長させることを目的とする。
• ボロン濃度の増加がフォノンモードおよび膜の形態に与える影響を理解することを目的とする。
• 異なる温度領域における電気的輸送挙動を特徴づけることを目的とする。
• 合成ダイヤモンド中のボロンドーピングレベルと構造的・電子的変化の相関関係を明らかにすることを目的とする。

提案手法

• ボロンドーピングされた単結晶ダイヤモンド膜は、(100)配向の合成型Ibダイヤモンド基板上にマイクロ波プラズマ化学気相成長法(MPCVD)を用いて成長させた。
• ラマン分光法を用いて、特にゾーン中心光学フォノンモードおよび低波数帯域の振動モードを分析した。
• 原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、ボロン含有量の増加に伴う表面被膜形態の変化を観察した。
• 4点プローブ測定を実施し、電気的抵抗率を評価するとともに、温度依存の電気的輸送機構を同定した。
• ラマンピークプロファイルおよびシフトの変化を、異なるボロンドーピングレベルと照合した。
• データを分析して、ボロン濃度の増加に伴う半導体的からデゲネレート的挙動への遷移を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボロンドーピング濃度の上昇が、特にゾーン中心光学フォノンモードに及ぼすラマンスペクトルへの影響は何か？
• RQ2 ボロン含有量の増加に伴い、ボロンドーピングダイヤモンド膜の表面にどのような形態的変化が生じるか？
• RQ3 異なる温度範囲において、ボロンドーピングダイヤモンド膜で支配的な電気的輸送機構は何か？
• RQ4 ボロンドーピングは、合成ダイヤモンドの電気的抵抗率およびキャリア輸送にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ボロンドーピングダイヤモンドにおけるゾーン中心光学フォノンモードは、ボロン含有量の増加に伴い周波数が系統的に低下し、ドーピングによる格子の緩みを示している。
• 低波数帯域の追加ラマンバンドが観察され、ボロンの導入に起因する欠陥または不規則性の存在を示唆している。
• 原子間力顕微鏡による観察で、ボロン含有量の増加に伴い表面被膜形態が明確に変化し、粗さの増加および特徴の形成が確認された。
• 4点プローブ測定により、電気的輸送機構が温度に依存することを示し、異なる輸送領域への遷移が明らかになった。
• 膜の電気的抵抗率は、ボロンドーピング濃度の上昇に伴い著しく低下し、デゲネレート半導体の形成と整合的であった。
• 光学的および電気的データの統合的分析により、ボロンドーピングがダイヤモンド膜の振動的および電子的性質を効果的に変化させることを確認した。