Investigation of Ferroelectric Property Based on Nitride/Oxide Stack Structure and Its Application for Diamond FET

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K06330
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 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): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 電子デバイス・電子機器 / 高周波パワーデバイス / 電界効果トランジスタ / ダイヤモンド / 窒化アルミニウム / 酸化アルミニウム / 有機金属化合物気相成長法 / 強誘電体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超高速・大電流・高耐圧・高温動作ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の開発を試みた。ゲート絶縁膜として窒化アルミニウム(AlN)及び 窒化アルミニウム(AlN)/アルミナ(Al2O3)積層構造を選定し、水素終端ダイヤモンド表面に誘起される正孔伝導層をFETのチャネルとして用いた。各絶縁膜材料の成長方法は、有機金属化合物気相成長(MOVPE)法、原子層体積成長(ALD)法、超高真空スパッタ(SP)法を用いた。
MOVPE法を用いてAlN結晶成長を行い、結晶成長条件に対する成長様式の変化を評価することで、単結晶AlN/ダイヤモンドヘテロ構造を形成させることに成功した。またヘテロ接合界面に正孔キャリア(最大で2×10E14㎝^－2)が誘起されることが明らかとなった。しかしながら、この正孔キャリア濃度とAlNの結晶品質にはトレードオフの関係があり、AlNの結晶品質の向上に伴い、キャリア濃度は最大値から2桁以上減少する傾向が見られた。
並行してSP-AlN/ALD-Al2O3/ダイヤモンド(001)ヘテロ構造FETの試作検討を行った。AlN(25 nm)/Al2O3(5 nm)/ダイヤモンドヘテロ構造FET(Lg=4 um, Lgd=24 um)構造を試作し、FET特性を評価した結果、最大ドレイン電流-113 mA/mm、耐圧-247.4Vであることが明らかとなった。また同条件にてSP-AlN/ALD-Al2O3/ダイヤモンド(111)ヘテロ構造FETの試作検討を行った結果、最大ドレイン電流-180 mA/mmまで向上した。
AlN/Al2O3積層構造における強誘電体特性の発現に関しては、超高真空スパッタ法により堆積させたAlN単膜においても強誘電体特性が得られたため、AlN中の局所的な結晶欠陥(固定電荷)が強誘電体特性発現に影響していると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Surface and bulk electronic structures of unintentionally and Mg-doped In 0.7Ga 0.3N epilayer by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2018)
  • Author(s): M. Imura, S. Tsuda, H. Takeda, T. Nagata, R.G. Banal, H. Yoshikawa, A. Yang, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Koide, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 123 Pages: 095701-9
  • DOI: 10.1063/1.5016574
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Annealing effects on hydrogenated diamond NOR logic circuits (2018)
  • Author(s): J.W. Liu, H. Oosato, M.Y. Liao, M. Imura, E. Watanabe, and Y. Koide
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Pages: 153501-5
  • DOI: 10.1063/1.5022590
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A density functional study of the effect of hydrogen on electronic properties and band discontinuity at anatase TiO 2/diamond interface (2018)
  • Author(s): K. Wu, M. Liao, L. Sang, J. Liu, M. Imura, H. Ye, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 123 Pages: 161599-8
  • DOI: 10.1063/1.5002176
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of Boron Incorporation on Structural and Optical Properties of AlN Layers Grown by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2018)
  • Author(s): M. Imura, Y. Ota, R.G. Banal, M. Liao, Y. Nakayama, M. Takeguchi, and Y. Koide
  • Journal Title: Physica Status Solidi A Volume: 215 Pages: 1800282-8
  • DOI: 10.1002/pssa.201800282
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] メタルマスクを用いた(111)ダイヤモンド選択成長と水素終端ダイヤモンドFETへの応用 (2019)
  • Author(s): 井村将隆, 大里啓孝, 廖梅勇, 小出康夫
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] III-nitride/diamond heterojunction (2018)
  • Author(s): M. Imura, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: 4th JST Sakura Science Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of AlN/Diamond heterostructure formation and unique interface property (2018)
  • Author(s): M. Imura, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: European Materials Research Society (E-MRS) 2018 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Systematic investigation of surface and bulk electronic structures of unintentionally-doped InxGa1-xN (0≦x≦1) epilayers by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2018)
  • Author(s): M. Imura, S. Tsuda, T. Nagata, R. G. Banal, H. Yoshikawa, Y. Anli, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Koide, T. Yamaguchi, M. Kaneko, T. Araki, and Y. Nanishi
  • Organizer: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 (IWN2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 窒化アルミニウム成膜時のIn Situ測定 (2018)
  • Author(s): 井村将隆
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会ランチョンセミナー
• [Presentation] 硬X線光電子分光法を用いたInGaN系窒化物半導体の表面ーバルク電子状態評価 (2018)
  • Author(s): 井村将隆, 小出康夫, 荒木努, 名西やすし
  • Organizer: 第10回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
  • Invited
• [Presentation] InGaN系窒化物半導体の表面ーバルク電子状態評価 (2018)
  • Author(s): 井村将隆, 小出康夫, 荒木努, 名西やすし
  • Organizer: 第110回研究会・特別公開シンポジウム 「紫外発光デバイスの最前線と将来展望」
• [Presentation] 硬X線光電子分光法を用いたアンドープInxGa1-xN(0≦x≦1)の表面ーバルク電子状態評価 (2018)
  • Author(s): 井村将隆, 津田俊輔, 長田貴弘, 吉川英樹, 山下良之, 小林啓介, 小出康夫, 山口智広, 荒木努, 名西やすし
  • Organizer: 第37回電子材料シンポジウム