著者
鄭州砥粒・研削研究所 王光祖
ダイヤモンドは、その優れた物理的・化学的特性により、様々な分野で広く応用されている。 間接的なワイドバンドギャップ半導体であるダイヤモンドは、 約5.2eVのバンドギャップ 、最大 22W/(cm・K)という極めて高い熱伝導率 、室温での電子・正孔移動度 4500cm²/(V・s) および 3380cm²/(V・s)という、 GaNや SiCのような第三世代半導体材料よりも著しく高い値を有して いる 。その結果、ダイヤモンドは 高温・高出力電子 デバイスや 高周波・高出力マイクロ波デバイスへの応用に大きな可能性を示しています 。
また、ダイヤモンドの励起子結合エネルギーは 80meVと高く、室温で強い自由励起子発光が可能であり、その発光波長は 約235nmです。このためダイヤモンドは、 高出力の深紫外発光ダイオード（DUV LED）の製造に有望な候補となる 。ダイヤモンドはまた、 極紫外線（EUV）、深紫外線（DUV）、高エネルギー粒子検出器の開発においても重要な役割を果たしている 。
ダイヤモンド半導体材料の成長と関連デバイスの製造には大きな課題が残されていますが、ダイヤモンドをベースとした半導体材料とデバイスが、近い将来、大きな技術的ブレークスルーをもたらすことが予見されます。したがって、ダイヤモンドは パワー半導体デバイス製造の分野で大きな可能性を秘めています 。
現在、ダイヤモンド半導体の新材料、新デバイス、新技術への応用は急速な発展を遂げています。世界中で、ダイヤモンド半導体に集中的な研究努力が注がれており、絶え間ない技術革新によって、その応用の可能性が複数の産業にわたって広がっています。 高品質で大面積のダイヤモンドウェーハのような主要技術のブレークスルーを加速するために 、複数の分野の研究者と業界の専門家が積極的に協力しています。 パワーダイヤモンド材料は 、やがて研究室の枠を超え、商業的展開が実現すると広く信じられている 。
長年にわたる持続的な研究開発の結果、ダイヤモンド半導体は徐々に実用化に向かっている。しかし、 硬くて脆い典型的な材料であるダイヤモンドは、依然として加工が非常に難しい。現在、一般的な切断方法としては、 ウォータージェット切断、放電加工（EDM）、レーザー切断などがある 。
レーザー切断は、ほぼすべての材料を加工できる精密加工技術である。その原理は、高出力・高密度のレーザービームを被加工物に集光し、照射された材料を急速に溶融、気化、アブレーション、発火させるものである。同時に、溶融材料は高速同軸ガスジェットによって排出され、材料分離が達成される。
半導体産業におけるダイヤモンドの強い魅力にもかかわらず、その応用は効率的なスライス技術の欠如によって制約されてきた。現在のところ、ダイヤモンド・ウェーハはまだ個別に合成する必要があり、製造コストが高く、大規模な産業への導入には限界がある。
千葉大学（日本）の発表によると 、 同大学院の比田井宏文教授が率いる研究チームが、この 分野で画期的な成果を挙げた。研究チームは、パルスレーザー照射によってダイヤモンドを薄板にスライスする新しいレーザースライス技術を開発し、次世代半導体材料への道を開いた。この技術により、最適な結晶学的平面に沿った正確な切断が可能になり、表面が滑らかなダイヤモンド・ウェーハが得られる。
ダイヤモンドを含む結晶性材料の特性は、結晶方位によって変化する。結晶面とは、結晶格子内の原子を含む仮想の平面のことです。ダイヤモンドは特定の面に沿って比較的容易に劈開することができますが、切断によって劈開面に沿ってクラックが進展することがよくあります。例えば、｛111｝面に沿った切断は比較的容易ですが、｛100｝面に沿った切断は、クラックが｛111｝劈開面に沿って伝播する傾向があり、材料損失につながるため、はるかに困難です。
クラックの伝播を抑制するために、研究者らは革新的なダイヤモンド加工技術を開発した。ウェーハグリッドを直接切断する代わりに、短パルスのレーザービームを材料内部の狭い円錐領域に集光する。比田井教授は、集光レーザー照射によって、ダイヤモンドは ダイヤモンドよりも密度の低いアモルファスカーボンに変化すると説明する。 こうしてできた低密度の格子線は、ダイヤモンド構造内のあらかじめ決められた破砕経路として機能する。
この処理の後、規則的な形状を持つダイヤモンド・ウェーハを容易に分離することができ、後続の製造工程で使用する基板を十分に準備することができる。全体として、この技術はダイヤモンドを次世代半導体材料として確立するための重要な一歩である。比田井教授が強調したように、ダイヤモンド半導体デバイスの製造には、高品質のダイヤモンドウェーハを低コストで製造する能力が不可欠であり、この研究によってその目標に大きく近づくことができる。
半導体材料としてのダイヤモンドは、高い光フォノンエネルギー、既知の半導体の中で最も高い電子および正孔の移動度、そして最も高い熱伝導率を特徴とする。これらの特性により、ダイヤモンドは、 大電力、強電界、耐放射線性に対する将来の要求を満たすことができ 、パワー半導体デバイスの理想的な材料となっています。
近年、ダイヤモンド半導体は、次世代の 高周波・大電力電子デバイスの候補として広く注目を集めています 。素晴らしいデバイス性能が実証されていますが、ダイヤモンドを用いたパワーデバイスの動作寿命は、現在の技術的限界のため、期待値をはるかに下回っており、さらなる改善の余地が大きく残されています。
ダイヤモンド半導体は 5.47eVという広いバンドギャップを持つ 。深紫外オプトエレクトロニクスの分野において、ダイヤモンドは、その広いバンドギャップ、高温耐性、耐放射線性により、極端な条件下で動作する検出器に固有の利点を提供します。
ダイヤモンド検出器は、小型で放射線に強く、応答速度が速いという特徴があり、特に原子力の放射線検出において有利である。しかし、 検出性能は内部不純物や欠陥の影響を強く受けるため、ダイヤモンド検出器の大規模な応用は、 高品質の単結晶ダイヤモンド材料の入手可能性に制約されているのが現状である 。
電子技術の急速な進歩に伴い、半導体材料は進化を続け、集積回路は大規模化、高集積密度化、高出力化が進んでいる。統計によると、 電子デバイスの故障の55％以上は 過度の温度が原因である。熱を効果的に放散できない場合、局所的な過熱は性能を低下させ、デバイスの焼損につながることさえあります。そのため、デバイスの信頼性と安定性を確保するためには、高度な熱管理技術の開発が急務となっている。
自然界で最も熱伝導率の高い材料であるダイヤモンドは、ハイパワーデバイスにおいてほぼ完璧な放熱を実現できる基板材料として注目されています。 高品質・大面積のダイヤモンド半導体材料を製造するためには、CVDダイヤモンド基板の結晶サイズを拡大 し、単結晶ダイヤモンドを高速成長させることが必須条件となります。
現在、 MPCVD法による大面積単結晶ダイヤモンドの作製には、主に 、 繰り返し成長法、 3次元成長法、 モザイク（タイリング）成長法の3つの方法が用いられています 。
繰り返し成長法：
成長中に試料を定期的に取り出して成長面を研磨・洗浄し、その後成長を再開する。このサイクルを複数回繰り返すことで、ダイヤモンドの厚みを大きくすることができます。表面研磨により、段差や多結晶領域が除去され、その後の成長品質が保証されます。この方法では、垂直方向には大きく成長できますが、横方向への拡大は限定的であるため、結晶面積を大幅に拡大するには効果がありません。
三次元成長法：
この方法は、繰り返し成長を組み合わせたものである。まず(100)面でダイヤモンドを一定の厚さまで成長させ、研磨した後、(010)面で成長を進める。これを繰り返すことで大面積の単結晶を得る。しかし、中断が多いため結晶品質が低下しやすく、成長と表面処理を繰り返すため効率が悪く、コストも高くなる。
モザイク（タイリング）成長法：
この方法では、大きさ、厚さ、結晶方位が同一の小さな正方形のダイヤモンド基板を複数枚タイル状に並べ、その後に大面積の単結晶をエピタキシャル成長させる。重要な要件は、結晶方位を正確に揃えることであり、わずかなずれでもエピタキシャル成長の品質に重大な影響を与える。他の2つの方法と比較すると、モザイク成長は、（界面を除いて）比較的高い品質の大面積単結晶ダイヤモンドを製造する上で明らかな利点がある。しかしながら、個々の基板間の完全な整合は依然として困難であり、接合部に欠陥やクラックが発生する可能性がある。
対照的に、モザイク法は、大型単結晶への、より迅速で実用的な経路を提供する（図1および2に示すように）。山田英明らは、イオン注入リフトオフ法を用いて、種結晶と同じ結晶特性を持つ半インチのダイヤモンド単結晶プレートを複数合成することに成功した。その後、エピタキシャル成長を行い、リフトオフと成膜を繰り返し、最終的に大面積の単結晶ダイヤモンドウエハーが得られた。
現在のウェーハサイズは、ダイヤモンド半導体アプリケーションの要件（一般に少なくとも 2インチと考えられている）にはまだ満たないが、 モザイク・アプローチは、大面積単結晶成長のための効果的なソリューションを提供する。プロセスの最適化を続けることで、モザイク界面に起因する表面品質の問題は徐々に解決されることが期待される。
図1： 3次元成長プロセスの模式図
図2: 大面積単結晶ダイヤモンドのモザイク成長プロセスの模式図
現在、単結晶ダイヤモンドは製造コストが高いため、市場導入が制限され続けている。ダイヤモンドの市場価値を拡大するためには、製造コストの低減が不可欠であり、そのためには バッチ生産による効率化が唯一の道である 。Asmussenらが 915MHz MPCVDを用いて100個近いダイヤモンドシードの同時成長に成功して以来 、大規模なマルチシード成長が主要な研究テーマとなっている。マルチウェーハ成長は現在、生産効率を向上させるための重要な方向性とみなされている。
半導体産業の急速な拡大に伴い、高性能材料への需要が高まっている。ダイヤモンド半導体デバイスは、高熱伝導性、高ブレークダウン電界強度、高キャリア移動度などの優れた物理的特性を備えています。これらの利点は、エネルギー損失を大幅に削減し、迅速な熱放散を可能にし、デバイスの寿命を延ばします。特に、ダイヤモンド・デバイスは 、シリコン・ベースのデバイスと比較して、50,000倍の出力 電力と 1,200倍の動作周波数を維持することができ 、パワー半導体アプリケーションにおける大きな可能性を強調しています。
現在、ダイヤモンド半導体は、新しい材料、デバイス、技術において急速な発展を遂げています。世界的な研究努力は激化の一途をたどっており、現在進行中の技術革新は、産業界に幅広い応用の可能性をもたらしています。高品質で大面積のダイヤモンドウェーハなどの主要技術のブレークスルーを進めるために、研究者と産業界の専門家の学際的な協力が加速しています。 パワーダイヤモンド材料は 、近い将来、研究室での研究から商業的応用へと移行することが期待されています 。
ダイヤモンド半導体は、計算速度が速いだけでなく、卓越した高温耐性も備えている。シリコンウェーハは通常 300℃以下 、ガリウムヒ素は 400℃以下の温度に 耐えるが、ダイヤモンドは 700℃近い温度にも 劣化することなく 耐えることができる 。さらに、ダイヤモンドはあらゆる材料の中で最も高い熱伝導率を示し、熱伝導率は シリコンの約30倍です。その結果、高出力のダイヤモンド半導体デバイスは冷却システムを追加することなく動作することができ、ダイヤモンドは集積回路にとって理想的な材料となります。
ダイヤモンド半導体の大規模な開発は、シリコン技術がその物理的限界に近づいているかどうかにかかっているかもしれない。シリコンベースの技術が本質的なボトルネックに直面すれば、ダイヤモンド半導体の優れた性能が広く認知され、商業化が加速されるでしょう。その段階で、ダイヤモンドは半導体市場を席巻し、新たな "ダイヤモンド時代 "が到来するかもしれない 。
ダイヤモンド半導体はまだ多くの課題を抱えているが、長期的な展望は依然として有望である。半導体材料の進化は、ゲルマニウムから始まり、シリコンへと移行し、次は炭化ケイ素に導かれるかもしれない。SiCはダイヤモンドと似た構造を持つが、シリコン原子を含んでおり、事実上 "ダイヤモンドの半分 "に相当する。SiCは、シリコンの時代とダイヤモンド半導体の時代との過渡的な材料となる可能性が高い。
最終的には、ダイヤモンドが将来の半導体材料の主流になると予想されている。半導体材料の歴史的な軌跡は、ゲルマニウムからシリコン、炭化ケイ素、そしてダイヤモンドの形をした炭素へと、周期表のIV族に沿っている。炭素を超える元素は、このグループには存在しない。ダイヤモンドが主流になれば、半導体材料系は長期的に安定する可能性がある。最終的にダイヤモンドに取って代わる材料がないのであれば、 「ダイヤモンドは永遠である」という 言葉は単なる比喩ではないことが証明されるかもしれない。