Development of diamond electron device using III-nitride nanolaminate singularity structure

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity
• Project/Area Number: 16H06419
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: KOIDE Yasuo 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (70195650)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 劉 江偉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 独立研究者 (30732119) ; 廖 梅勇 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (70528950) ; 井村 将隆 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (80465971)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / Ⅲ族窒化物 / ヘテロ接合 / ナノラミネート構造 / 電界効果トランジスタ

Outline of Final Research Achievements

We have developed an atomic layer deposition (ALD) MOVPE technique and established the ALD method of III-nitride semiconductors by pulsed supply of organometallic compounds and ammonia. Nanolaminate films of [AlN(0.2nm)/GaN(0.04nm)] (250 pairs) were grown, and a 3.6-fold increase in dielectric constant was observed compared to the AlN single film with a same thickness. The result showed for the first time in the world the dielectric constant enhancement of group III nitride semiconductor nanolaminate films. Although the application to diamond FETs could not be achieved, we successfully fabricated and operated the first diamond MOSFET using TiOx[x nm]/AlOx[y nm] (x, y = 1 to 2 nm) nanolaminate films as the gate structure as a result of overseas collaborative research.

Free Research Field

半導体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

次世代省エネルギーパワー半導体の候補材料として、熱放散性や熱安定性の高いダイヤモンド電界効果トランジスタを開発することを目的とした。AlN/GaNナノラミネート膜を作製し、同程度膜厚のAlN単層膜に比べて3.6倍の誘電率増加を観測し、III族窒化物半導体のナノラミネート膜における誘電率の増大効果を世界で初めて実証するとともに、高誘電率TiOx／AlOxナノラミネート膜をゲート構造に応用したダイヤモンドMOSFETを初めて試作し動作に成功した。誘電率増大化の学術的メカニズムは今後のパワー半導体デバイスに展開する基礎となることが示唆された。