原子レベルの構造制御技術開発によるダイヤモンドMOSFETの高移動度・高耐圧化

• Project/Area Number: 21H01363
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 松本 翼 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 准教授 (00739568)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: ダイヤモンド / MOSFET / パワーデバイス / エッチング / 半導体 / CVD / 炭素固溶反応

Outline of Research at the Start

極めて高いチャネル移動度・耐圧が期待できる反転層ダイヤモンドMOSFETによる省エネ社会構築を目指し、ダイヤモンド半導体の新規デバイス作製プロセスの開発により、構造最適化を行い、SiCを超える移動度と耐圧を達成する。具体的には、チャネル部における原子レベルのダイヤモンド表面荒れという高性能化を阻害する課題を解決するため、Si半導体等の従来からあるデバイス作製プロセスと、独自のCVD（化学気相成長）によるラテラル成長技術、CVDのノウハウ、Ni触媒エッチングによるダイヤモンド加工技術を組み合わせることで、新規デバイス作製プロセスの開発に取り組み、SiC-MOSFETを超える特性を達成する。

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドMOSFETにおいて、現行のメタルマスクを介した選択成長技術を用いたソース・ドレイン領域の形成では、チャネル部に微細な荒れが生じるというプロセス課題があった。これに対し、本研究では、下地基板による成長速度差を用いた方法、面内方向にのみ成長するラテラル成長法、Niが炭素を固溶する性質を用いたダマシンライクな方法を提案し、その実証を進めた。その結果、いずれの方法でもMOSFETの動作実証に成功し、従来の特性よりも一桁近く、移動度を改善することに成功した。一方で、それぞれの手法の課題も見えてきた。下地基板による成長速度差を用いた方法においては、下地基板の不純物がエッチングされてプラズマ中に入り込み、ダイヤモンドに再ドープされることが分かった。このため、低濃度層を埋め込みたい場合には、pn制御が難しくなるという課題が見つかった。二つ目の面内方向にのみ成長するラテラル成長法においては、ホウ素濃度が高くなるとエッチングが起こるため、濃度に上限ができてしまい、低抵抗化に向けてはホウ素濃度の向上が大きな障壁となっている。三つ目のNiが炭素を固溶する性質を用いたダマシンライクな方法では、エッチング表面が荒れてしまうという課題が見えてきた。これらを応用した縦型MOSFETにも挑戦したが、これらの課題に関連したところで制限されてしまった。今後は、各プロセスを改善することと、既存の装置もうまく取り入れながら、ダイヤモンド半導体デバイス作製プロセスの最適化を目指す。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication and characterization of diamond (100) p+-i-n+ diodes with heavily nitrogen-doped films (2024)
  • Author(s): Matsushima Yuki、Mura Mikiya、Matsumoto Tsubasa、Ichikawa Kimiyoshi、Hayashi Kan、Yamasaki Satoshi、Inokuma Takao、Yoshikawa Taro、Makino Toshiharu、Tokuda Norio
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 145 Pages: 111116-111116
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2024.111116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Selectively buried growth of heavily B doped diamond layers with step-free surfaces in N doped diamond (1 1 1) by homoepitaxial lateral growth (2022)
  • Author(s): Kobayashi Kazuki、Zhang Xufang、Makino Toshiharu、Matsumoto Tsubasa、Inokuma Takao、Yamasaki Satoshi、Nebel Christoph E.、Tokuda Norio
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 593 Pages: 153340-153340
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153340
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of inversion p-channel MOSFET with a nitrogen-doped diamond body (2021)
  • Author(s): Matsumoto Tsubasa、Yamakawa Tomoya、Kato Hiromitsu、Makino Toshiharu、Ogura Masahiko、Zhang Xufang、Inokuma Takao、Yamasaki Satoshi、Tokuda Norio
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 119 Issue: 24 Pages: 242105-242105
  • DOI: 10.1063/5.0075964
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] New structure of inversion channel diamond MOSFET for high power operation (2024)
  • Author(s): Tsubasa Matsumoto, Kai Sato, Yuto Nakamura, Traore Aboulaye, Toshiharu Makino, Hiromitsu Kato, Masahiko Ogura, Kimiyoshi Ichikawa, Kan Hayashi, Takao Inokuma, Satoshi Yamasaki, Norio Tokuda
  • Organizer: Kanazawa Diamond Workshop 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Proposal of inversion channel diamond MOSFET with drift layer-free for low-loss and high-voltage (2024)
  • Author(s): Tsubasa Matsumoto, Kai Sato, Yuto Nakamura, Toshiharu Makino, Hiromitsu Kato, Masahiko Ogura, Traore Aboulaye, Kimiyoshi Ichikawa, Kan Hayashi, Takako Inokuma, Satoshi Yamasaki, Norio Tokuda
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2024 - SBDD XXVIII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] n型ダイヤモンド半導体における不純物濃度と接触抵抗の関係 (2024)
  • Author(s): 松本翼，村光希哉，松島優希，宮崎泰一，林寛1，市川公善1，牧野俊晴2，猪熊孝夫1， 山崎聡1，徳田規夫
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Evaluation of Contact Resistance of Diamond MOSFETs (2023)
  • Author(s): Kai Sato1, Kimiyoshi Ichikawa1, Kan Hayashi1, Hiromitsu Kato2 , Toshiharu Makino2 Masahiko Ogura2, Takao Inokuma1, Satoshi Yamasaki1, Norio Tokuda1, Tsubasa Matsumoto
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lateral growth over holes on diamond (111) substrate (2023)
  • Author(s): Kouryou Morishita1, Kimiyoshi Ichikawa2, Kan Hayashi1,2, Tsubasa Matsumoto, Satoshi Yamasaki2, Takao Inokuma1,2, Norio Tokuda
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Niの炭素固溶反応による平坦化技術を応用した 埋込ソース・ドレイン構造を有するMOSFETの作製と実証 (2023)
  • Author(s): 加納翼1 佐藤解1 林寛1,2 市川公善2 吉川太朗2 猪熊孝夫1 山崎聡, 徳田規夫, 松本翼
  • Organizer: 第37回 ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] 高濃度窒素ドーピングによる 接触抵抗低減とダイヤモンド(100) p+-i-n+ダイオードの実証 (2023)
  • Author(s): 松島 優希, 村 光希哉, 松本 翼, 市川 公善, 林 寛, 山崎 聡, 猪熊 孝夫, 徳田 規夫
  • Organizer: 第37回 ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] ダイヤモンドMOSFETにおけるドリフト抵抗フリー構造の提案 (2023)
  • Author(s): 松本翼、佐藤解、中村勇斗、Traore Aboulaye、牧野俊晴、加藤宙光3、 小倉政彦3 、市川公善1 、林寛1 、猪熊孝夫1 、山﨑聡1 、德田規夫
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Advances in diamond MOSFET technologies (2023)
  • Author(s): Norio Tokuda, Kazuki Kobayashi, Kan Hayashi, Kimiyoshi Ichikawa, Tsubasa Matsumoto, Takao Inokuma, Satoshi Yamasaki, Xufang Zhang1†, Hiromitsu Kato2, Masahiko Ogura, Toshiharu Makino, Daisuke Takeuchi2, Christoph E. Nebel
  • Organizer: E-MRS 2023 Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of Schottky-pn diodes using lightly nitrogen doped diamond film (2023)
  • Author(s): Shota Abe1, Kai Sato1, Yuki Matsushima1, Kimiyoshi Ichikawa2, Kan Hayashi, Satoshi Yamasaki, Takao Inokuma, Norio Tokuda, Tsubasa Matsumoto
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of PIN Diodes with Heavily Nitrogen Doped Diamond Film (2023)
  • Author(s): Yuki Matsushima, Mikiya Mura, Tsubasa Matsumoto, Kimiyoshi Ichikawa, Kan Hayashi1,2, Satoshi Yamasaki2, Takao Inokuma1, Norio Tokuda
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] T. Kano, T. Matsumoto, X. Zhang, T. Inokuma, S. Yamasaki and N. Tokuda (2022)
  • Author(s): Formation of Buried Heavily Doped Layers on Diamond (111) Surface by Solid Solution Reaction of Carbon into Nickel
  • Organizer: 15th International Conference on New Diamond and Nano Carbons
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X. Zhang, T. Matsumoto, M. Sometani, M. Ogura, T. Makino, D. Takeuchi, C.E. Nebel, T. Inokuma, S. Yamasaki, N. Tokuda (2022)
  • Author(s): Impact of wet annealing treatments on Al2O3/diamond MOS interface
  • Organizer: 15th International Conference on New Diamond and Nano Carbons
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] K. Kobayashi, X. Zhang, T. Matsumoto, T. Inokuma, S. Yamasaki, C.E. Nebel and N. Tokuda (2022)
  • Author(s): Selectively buried growth of heavily B doped diamond layers in N doped diamond (111) with atomically flat surfaces
  • Organizer: 15th International Conference on New Diamond and Nano Carbons
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X. Zhang, T. Matsumoto, M. Sometani, M. Ogura, T. Makino, D. Takeuchi, C.E. Nebel, T. Inokuma, S. Yamasaki, N. Tokuda (2022)
  • Author(s): Recent Progress in Electrical Characterization of Al2O3/Diamond Interface
  • Organizer: 14th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 佐藤 解, 市川 公善, 林 寛, 小倉 政彦, 牧野 俊晴, 加藤 宙光, 竹内 大輔，猪熊 孝夫, 山崎 聡, 徳田 規夫, 松本 翼 (2022)
  • Author(s): 表面終端処理、酸化膜堆積の連続プロセスによるダイヤモンドMOSFETのヒステリシス低減
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 松本 翼，佐藤 解，中村 勇斗， Traore Aboulaye，牧野 俊晴，加藤 宙光，小倉 政彦， 市川 公善，林 寛，猪熊 孝夫，山崎 聡，德田 規夫 (2022)
  • Author(s): ダイヤモンドMOSFETにおけるドリフト抵抗フリー構造の提案
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Diamond MOSFET for Next-Generation Power Devices (2021)
  • Author(s): Tsubasa Matsumoto, Tomoya Yamakawa, Xufang Zhang, Hiromitsu Kato, Toshiharu Makino, Masahiko Ogura, Daisuke Takeuchi, Takao Inokuma, Satoshi Yamasaki, Norio Tokuda
  • Organizer: 3D PEIM'2021 symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] チャネル部追成長による反転層ダイヤモンドMOSFETの電気特性改善 (2021)
  • Author(s): 山河 智哉，松本翼， 猪熊 孝夫，山崎 聡，張 旭芳, 加藤宙光, 小倉政彦, 牧野俊晴, C.E.Nebel, 徳田 規夫
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会