Develop a carrier control method for diamond using heterojunction doping technique

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• 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, 電子・光機能材料研究センター, 特命研究員 (70195650)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 劉 江偉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, 主幹研究員 (30732119) ; 廖 梅勇 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, 主席研究員 (70528950) ; 井村 将隆 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, 主幹研究員 (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

本基盤研究(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することにある。2023年最終年度は、昨年度計画した点を踏まえ、開発および確立した手法を用いて以下の通り進めた結果、研究実績は以下の通りまとめられる。
(1)有機金属化合物気相成長(MOVPE法)によるMgドープAlNの酸素終端ダイヤモンド基板上への成長は、1100℃程度で進めたがダイヤ界面近傍に発生する高密度転位が影響してダイヤモンド側への十分な正孔発生は得られなかった。引き続きMOVPE成長条件を検討するともに転位密度減少方策含め検討を継続する予定である。
(2)他の方法として、ダイヤモンド/MgドープAlN作製のために、原子層堆積法及びスパッタリング法を用いて、ダイヤモンドエピ基板上にAlN/MgO/AlNの3層構造を作製し、800℃以上の熱処理からMgドープAlN(O)の作製を試みた。その結果、800℃の熱処理ではAlN/MgO/AlN構造は絶縁性であり、1200及び1400℃の熱処理後に10kOhm/sqの導電性に変化した。
(3)熱処理AlN/MgO/AlN構造をゲート構造及びTiAuをソース、ゲート、及びドレイン金属電極とした電界効果トランジスタを作製した。結果としてダイヤモンド側への正孔発生は確認できずトランジスタ動作の実証はできなかった。ダイヤモンド上へのアクセプタとして振る舞うMgを添加したAlN層を作製する手法の探索は今後も進める予定である。
(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を進めた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Electrical property improvement for boron-doped diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (2024)
  • Author(s): J. W Liu, T. Teraji, B. Da, Y. Koide
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 124 Pages: 072103
  • DOI: 10.1063/5.0194424
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression of High Threshold Voltage for Boron-Doped Diamond MOSFETs (2024)
  • Author(s): J. W Liu, T. Teraji, B. Da, Y. Koide
  • Journal Title: IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 71 Pages: 1764～1768
  • DOI: 10.1109/ted.2024.3356468
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental Formation and Mechanism Study for Super-High Dielectric Constant AlOx/TiOy Nanolaminates (2023)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Okamura, H. Mashiko, M. Imura, M.Y. Liao, R. Kikuchi, M. Suzuka, Y. Koide
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 13 Pages: 1256～1256
  • DOI: 10.3390/nano13071256
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Low-Resistance Ohmic Contact Materials for p-GaN Based on Metallurgy (2023)
  • Author(s): Y. Koide
  • Journal Title: COJ Technical & Scientific Research Volume: 4 Pages: 000585
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrical Properties of Boron-Doped Diamond MOSFETs With Ozone as Oxygen Precursor for Al2O3 Deposition (2023)
  • Author(s): J.W. Liu, T. Teraji、D. Bo, Y. Koide
  • Journal Title: IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 70 Pages: 2199～2203
  • DOI: 10.1109/ted.2023.3256349
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ホウ素ドープダイヤモンド金属酸化物半導体界面効果トランジスタ. (2024)
  • Author(s): 劉 江偉, 寺地 徳之, 達 博, 小出 康夫.
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Super-High Dielectric Constant AlOx/TiOy Nanolaminates: Formation and Mechanism Discussion. STAC (2024)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, Masayuki Okamura, Naonori Mashiko, IMURA, Masataka, LIAO, Meiyong, Ryousuke Kikuchi, Michio Suzuka, KOIDE, Yasuo.
  • Organizer: D2MatE 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of post-growth annealing with trimethylgallium on structural quality of AlN layers grown on c-plane sapphire substrate by MOVPE (2023)
  • Author(s): IMURA Masataka, INABA hideki, MANO, Takaaki, KOIDE, Yasuo
  • Organizer: The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High Thermal Stability for Boron-Doped Diamond Field-Effect Transistors (2023)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo
  • Organizer: NIMS Award Symposium 2023
• [Presentation] Boron-doped diamond MOSFETs. (2023)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Deposition and mechanism study for super-high dielectric constant AlOx/TiOy nanolaminates (2023)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, Masayuki Okamura, Naonori Mashiko, IMURA, Masataka, LIAO, Meiyong, Ryousuke Kikuchi, Michio Suzuka, KOIDE, Yasuo.
  • Organizer: 6th International Conference on MATERIALS SCIENCE & NANOTECHNOLOGY.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MATERIALS SCIENCE AND DEVICE TECHNOLOGY DEVELOPMENT FOR INTERFACEENGINEERED SUPER HIGH-K DIELECTRIC NANOLAMINATE-BASED OXIDES / CRYSTALLINE DIAMOND FOR NEW GENERATION HIGH POWER ELECTRONICS. (2023)
  • Author(s): Orlando Auciello, Geunhee Lee, Elida de Obaldia, LIU, Jiangwei, KOIDE, Yasuo, Abel Hurtado-Macas
  • Organizer: 31st International Materials Research Congress 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diamond Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistors on a Large-area Wafer (2023)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, OOSATO, Hirotaka, DA, Bo, KOIDE, Yasuo.
  • Organizer: 2023 IEEE 6th International Conference on Electronic Information and Communication Technology (ICEICT 2023).
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Discussion on resistances in hydrogen-terminated diamond MOSFETs. (2023)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, OOSATO, Hirotaka, DA, Bo, KOIDE, Yasuo.
  • Organizer: International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Boron-doped diamond MOSFETs with high output current and extrinsic transconductance (2023)
  • Author(s): LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo.
  • Organizer: International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC) 2023.
  • Int'l Joint Research