Development of high-mobility diamond FETs using h-BN heterostructures and exploration of their quantum transport phenomena

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02605
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: YAMAGUCHI Takahide 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (70399385)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / 電界効果トランジスタ / 移動度 / 六方晶窒化ホウ素 / 量子振動 / ワイドバンドギャップ

Outline of Final Research Achievements

We have conducted research on performance improvement of diamond field-effect transistors (FETs), which have potential applications in power electronics and communications. We have successfully detected clear quantum oscillations (Shubnikov-de Haas oscillations), whose frequency depended on gate voltage, by using hexagonal boron nitride (h-BN) as a gate insulator for diamond FETs and thereby increasing their channel mobility. The lamination of hydrogen-terminated diamond surface with h-BN without exposure to air decreased the density of atmospheric charged impurities at the interface and enabled us to further increase a room-temperature channel mobility of diamond FETs to 680 cm2V-1s-1, which is among the highest among wide-bandgap p-channel FETs reported so far.

Free Research Field

半導体物理、低温物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダイヤモンド電界効果トランジスタのチャネル移動度向上は、素子の低損失化、高速化、および小型化につながる成果である。とくに、これまでのトランスファードーピングに基づいた特殊な設計ではなく、シリコンなどの一般的な半導体のFETと同様の設計指針に基づいて水素終端ダイヤモンドFETを作製できることを実証できたことは、今後のダイヤモンド素子開発の重要な基盤になると考えられる。また、量子輸送現象の観測はダイヤモンド表面の二次元正孔系についての知見を与えただけでなく、超伝導やスピントロニクス分野への波及効果も期待できる成果である。