非晶質絶縁膜／ダイヤモンド単結晶界面極薄領域の超秩序構造

• Project Area: Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures
• Project/Area Number: 21H05564
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kindai University
• Principal Investigator: 藤井 茉美 近畿大学, 理工学部, 准教授 (30731913)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: ダイヤモンド / 界面欠陥密度 / 光電子ホログラフィ / 界面 / 超秩序 / 水素終端 / 超秩序構造 / 酸化アルミニウム

Outline of Research at the Start

ダイヤモンドの突出した材料物性は広く知られ，特有の新機能素子実現が期待されながら，半導体材料として活用された事例が少ない．課題の一つはパワーデバイスなどトランジスタ動作で電気的性能を担う半導体／絶縁膜界面の制御が未熟であり，本来の性能を引き出せない点にある．絶縁膜界面の原子構造が原因と考えられ，この状況を打破するには界面構造を特定することが必須である．界面の超秩序構造の観測を起点として，デバイス性能を決定付ける界面構造と，２ＤＨＧ層の高移動度化など素子高性能化に向けた界面制御技術の基盤を構築する．他に類を見ない非晶質／単結晶界面１～２ｎｍ程度の極薄領域における超秩序構造を制御する．

Outline of Annual Research Achievements

電界効果トランジスタでは一般的に非晶質酸化物がゲート絶縁膜として用いられ，ダイヤモンドでは特に原子層堆積法によって成膜した酸化アルミニウム薄膜が応用されてきた。本研究では酸化アルミニウム薄膜成膜時の原料を従来のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）からジメチルアルミニウムハイドライド（ＤＭＡＨ）に変更して複数のキャパシタ素子を作製し，平均界面欠陥密度を評価した．界面欠陥密度は、ＴＭＡでは９．０６×１０^１２　/ｅＶｃｍ　，ＤＭＡＨでは７．６２×１０^１１　/ｅＶｃｍとなり，ＤＭＡＨを用いた場合に大幅な界面欠陥密度の減少を達成した．
この界面欠陥の起源を解明するため，１～２ ｎｍの酸化アルミニウム絶縁膜をダイヤモンド基板上に成膜し，絶縁膜の上からダイヤモンドとの界面の光電子ホログラフィを測定することに成功した．この測定から，ダイヤモンドのバルク由来の光電子ホログラフィと区別して界面由来の情報を抽出したところ，水素終端された界面にＣ－ＨだけでなくＣ－Ｏ結合が存在しており、Ｃ－Ｏ－Ａｌ－Ｏ－Ｃのブリッジ構造を形成していることが明らかになった．欠陥密度の異なる２種類の試料に対して同様の測定と分析を行い、Ｃ－Ｏの結合量と界面欠陥密度に相関があることが解った。従って、Ｃ－Ｏに起因する結合がダイヤモンドデバイスの界面欠陥起源の一つであることが示唆された。
この結果は、ダイヤモンド素子の欠陥密度制御や欠陥低減手法の提案に繋がる重要な知見である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Cheng Kung University/Republic of China （Taiwan）(その他の国・地域)
• [Journal Article] An Algorithm to Correct the Sensitivity Distribution of a Retarding Field Analyzer for Photoelectron Holography (2023)
  • Author(s): Matsushita Tomohiro、Hashimoto Yusuke、Tomita Hiroto、Sun Zexu、Kawamura Sota、Fujii Mami N.、Mizuno Jun
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 21 Issue: 3 Pages: 183-187
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-027
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2023-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atomic Imaging of Interface Defects in an Insulating Film on Diamond (2023)
  • Author(s): Fujii Mami N.、Tanaka Masaki、Tsuno Takumi、Hashimoto Yusuke、Tomita Hiroto、Takeuchi Soichiro、Koga Shunjo、Sun Zexu、Enriquez John Isaac、Morikawa Yoshitada、Mizuno Jun、Uenuma Mutsunori、Uraoka Yukiharu、Matsushita Tomohiro
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Issue: 4 Pages: 1189-1194
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04176
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atomic structure analysis of gallium oxide at the Al2O3/GaN interface using photoelectron holography (2022)
  • Author(s): Uenuma Mutsunori、Kuwaharada Shingo、Tomita Hiroto、Tanaka Masaki、Sun Zexu、Hashimoto Yusuke、Fujii Mami N.、Matsushita Tomohiro、Uraoka Yukiharu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 8 Pages: 085501-085501
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac7dd9
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 酸化膜/窒化ガリウム半導体界面の電子・原子構造分析 (2023)
  • Author(s): 富田 広人、上沼 睦典、桑原田 進吾、橋本 由介、藤井 茉美、田中 晶貴、孫 澤旭、松下 智裕
  • Organizer: 日本物理学会2023春
• [Presentation] Electronic and atomic structure analysis of oxide film/GaN interface (2023)
  • Author(s): H. Tomita, M. Uenuma, S. Kuwaharada, Y. Hashimoto, M. N. Fujii, M. Tanaka, Z. Sun, T. Matsushita
  • Organizer: E-MRS 2023 Spring meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光電子ホログラムによる構造最適化手法の開発と ゲート絶縁膜/GaN界面の原子構造解析 (2022)
  • Author(s): 富田 広人、上沼 睦典、桑原田 進吾、橋本 由介、藤井 茉美、田中 晶貴、孫 澤旭、松下 智裕
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会 第9回講演会
• [Presentation] Structural analysis of native oxide thin film on gallium nitride by photoelectron holography (2022)
  • Author(s): H. Tomita, M. Uenuma, Y. Hashimoto, M. N. Fujii, S. Kuwaharada, M. Tanaka, Z. Sun, T. Matsushita
  • Organizer: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local atomic structure analysis of Al2O3/Diamond Interface by photoelectron holography (2021)
  • Author(s): Masaki Tanaka, M. N. Fujii, Y. Hashimoto, M. Uenuma, S. Koga, S. Takeuchi, Z. Sun, T. Tsuno, D. Yoshii, Y. Uraoka and T. Matsushita
  • Organizer: 13th International Symposium on Atomic Characterizations for New Materials and Devices ’21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光電子ホログラフィーによるAl2O3/Diamond界面の局所構造解析 (2021)
  • Author(s): 田中晶貴, 橋本由介, 古賀峻丞, 竹内走一郎, 孫澤旭, 藤井茉美, 上沼睦典, 津野拓海, 作場宥斗, 吉井大陸, 浦岡行治, 室隆桂之, 松下智裕
  • Organizer: 日本物理学会2021秋季大会
• [Presentation] ALD成膜したAl2O3とダイヤモンド界面構造の光電子ホログラフィ解析 (2021)
  • Author(s): 藤井茉美
  • Organizer: SPRUC原子分解能ホログラフィー・不規則系機能性材料合同研究会
  • Invited
• [Remarks] ダイヤモンド半導体の絶縁膜の界面に存在する欠陥の立体原子配列を解明
  • URL: https://newscast.jp/news/8261423