2021 Fiscal Year Annual Research Report
Develop a carrier control method for diamond using heterojunction doping technique
| Project/Area Number |
20H00313
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
小出 康夫 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) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| 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 / トランジスタ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
基盤研究(A)の目的はダイヤモンドにおける室温での高キャリア濃度を確保できない欠点を解決する原理手法として、(1)ヘテロ（異種）接合窒化アルミニウム（AlN）からのキャリアドーピング、および(2)ナノラミネート酸化物薄膜の巨大誘電率効果を利用して、高濃度キャリアを確保・制御する原理の実証とともに電界効果トランジスタを作製ことに対して加速支援することに目的を置いた。2021年度の研究実績は以下の通りまとめられる。
①2020年までに構築した原子層堆積(ALD)型MOVPE法とエリプソメトリ法による可視光反射強度のその場モニターすることにより、原料ガスをそれぞれ簡潔的にパルス供給することによるAlNおよびGaNの原子層堆積法を確立できた。その手法を使い、従来より原子層レベルで平坦且つ配向性・結晶性に優れるサファイヤ基板上AlN単結晶薄膜の成長に成功し論文発表した。[M.Imura, and Y.Koide et al. AIP Advances, 12 015203 (2022)]
②テキサス大ダラス校Auciello教授との共同研究を通して開発したALD法によるTiOx[xnm]／AlOx[y nm]（x, y = 1～2 nm）ナノラミネート膜をダイヤモンドMOSFETゲートに応用し、ゲート比誘電率70を達成するともにナノラミネート構造の有効性を初めて実証した成果を論文発表した[J. Liu, O. Auciello, E. de Obaldia, B. Da, Y. Koide. Carbon. 172 112-121, (2021)]
③TiOx／AlOxナノラミネート膜の巨大誘電率のメカニズムを解明する目的で、50個程度のサンプル作製を通して再現性確認とともに、二つのメカニズム仮説「擬似混晶としての金属界面の空乏層容量」および「酸素空孔拡散・蓄積に起因する界面ダイポール生成」を見出した。
④初年度導入したTCADによりこれまで積み上げてきたダイヤモンドMOSFETの静特性をシミュレートし、これまで解析的に見積もってきたチャネル移動度値を再現したことを確認した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
原子層堆積(ALD)型MOVPE法によりAlN、GaN、およびAlGaNの原子層堆積法を確立しサファイヤ上AlNの高品質化技術を開発したこと、およびTiOx[x nm]／AlOx[y nm]（x, y = 1～2 nm）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を初めて開発し、ナノラミネート構造の有効性と二つのメカニズム仮説を提示できたことは、第２年度の当初予定通りに進んでいると評価できる。一方MgドープAlNはスパッタリング成膜でゲート構造を作製する手法からFET作製を試作する見込みである。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は昨年度までに開発および確立した手法を用いて以下の通り進める。
(1) その場エリプソモニター法を組み合わせた原子層堆積(ALD)型MOVPE法を用いてAlN／GaN、AlN/AlGaNナノラミネート膜を作製し、個々膜厚、ペア数、堆積温度など成長条件と誘電特性の関係を調べる。昨年度まで確定できなかった最終的に誘電率増大化の最適条件を見出した上で、微細構造観察からメカニズム探索を進める。
(2) 昨年度詳細に調べた原子層堆積（ALD）法を用いたTiOx[x nm]／AlOy[y nm]（x,y < 1nm）ナノラミネート膜を用いてダイヤモンドFETおよびキャパシタを作製し、トランジスタ特性の高性能化とシミュレーションによる静電容量増大効果を検証する。
(3) 濃度1E20/cm3程度までのMgドープAlNをダイヤモンドエピ基板上に成長させることを試みる。同時にホール効果測定からダイヤモンド界面に発生する正孔キャリアを確認するとともに、Mg濃度と正孔濃度との関係を調べる。
|
