原子レベルの構造制御技術開発によるダイヤモンドMOSFETの高移動度・高耐圧化

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01363
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 松本 翼 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 准教授 (00739568)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / MOSFET / パワーデバイス / エッチング / 半導体 / CVD

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドMOSFETにおいて、現行のメタルマスクを介した選択成長技術を用いたソース・ドレイン領域の形成では、チャネル部に微細な荒れが生じるというプロセス課題があった。これに対し、本研究では、下地基板による成長速度差を用いた方法、面内方向にのみ成長するラテラル成長法、Niが炭素を固溶する性質を用いたダマシンライクな方法を提案し、その実証を進めた。その結果、いずれの方法でもMOSFETの動作実証に成功し、従来の特性よりも一桁近く、移動度を改善することに成功した。一方で、それぞれの手法の課題も見えてきた。下地基板による成長速度差を用いた方法においては、下地基板の不純物がエッチングされてプラズマ中に入り込み、ダイヤモンドに再ドープされることが分かった。このため、低濃度層を埋め込みたい場合には、pn制御が難しくなるという課題が見つかった。二つ目の面内方向にのみ成長するラテラル成長法においては、ホウ素濃度が高くなるとエッチングが起こるため、濃度に上限ができてしまい、低抵抗化に向けてはホウ素濃度の向上が大きな障壁となっている。三つ目のNiが炭素を固溶する性質を用いたダマシンライクな方法では、エッチング表面が荒れてしまうという課題が見えてきた。これらを応用した縦型MOSFETにも挑戦したが、これらの課題に関連したところで制限されてしまった。今後は、各プロセスを改善することと、既存の装置もうまく取り入れながら、ダイヤモンド半導体デバイス作製プロセスの最適化を目指す。

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] Fabrication and characterization of diamond (100) p+-i-n+ diodes with heavily nitrogen-doped films (2024)
  • Author(s): Matsushima Yuki、Mura Mikiya、Matsumoto Tsubasa、Ichikawa Kimiyoshi、Hayashi Kan、Yamasaki Satoshi、Inokuma Takao、Yoshikawa Taro、Makino Toshiharu、Tokuda Norio
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 145 Pages: 111116～111116
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2024.111116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] New structure of inversion channel diamond MOSFET for high power operation (2024)
  • Author(s): Tsubasa Matsumoto, Kai Sato, Yuto Nakamura, Traore Aboulaye, Toshiharu Makino, Hiromitsu Kato, Masahiko Ogura, Kimiyoshi Ichikawa, Kan Hayashi, Takao Inokuma, Satoshi Yamasaki, Norio Tokuda
  • Organizer: Kanazawa Diamond Workshop 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Proposal of inversion channel diamond MOSFET with drift layer-free for low-loss and high-voltage (2024)
  • Author(s): Tsubasa Matsumoto, Kai Sato, Yuto Nakamura, Toshiharu Makino, Hiromitsu Kato, Masahiko Ogura, Traore Aboulaye, Kimiyoshi Ichikawa, Kan Hayashi, Takako Inokuma, Satoshi Yamasaki, Norio Tokuda
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2024 - SBDD XXVIII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] n型ダイヤモンド半導体における不純物濃度と接触抵抗の関係 (2024)
  • Author(s): 松本翼，村光希哉，松島優希，宮崎泰一，林寛1，市川公善1，牧野俊晴2，猪熊孝夫1， 山崎聡1，徳田規夫
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Evaluation of Contact Resistance of Diamond MOSFETs (2023)
  • Author(s): Kai Sato1, Kimiyoshi Ichikawa1, Kan Hayashi1, Hiromitsu Kato2 , Toshiharu Makino2 Masahiko Ogura2, Takao Inokuma1, Satoshi Yamasaki1, Norio Tokuda1, Tsubasa Matsumoto
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lateral growth over holes on diamond (111) substrate (2023)
  • Author(s): Kouryou Morishita1, Kimiyoshi Ichikawa2, Kan Hayashi1,2, Tsubasa Matsumoto, Satoshi Yamasaki2, Takao Inokuma1,2, Norio Tokuda
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Niの炭素固溶反応による平坦化技術を応用した 埋込ソース・ドレイン構造を有するMOSFETの作製と実証 (2023)
  • Author(s): 加納翼1 佐藤解1 林寛1,2 市川公善2 吉川太朗2 猪熊孝夫1 山崎聡, 徳田規夫, 松本翼
  • Organizer: 第37回 ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] 高濃度窒素ドーピングによる 接触抵抗低減とダイヤモンド(100) p+-i-n+ダイオードの実証 (2023)
  • Author(s): 松島 優希, 村 光希哉, 松本 翼, 市川 公善, 林 寛, 山崎 聡, 猪熊 孝夫, 徳田 規夫
  • Organizer: 第37回 ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] ダイヤモンドMOSFETにおけるドリフト抵抗フリー構造の提案 (2023)
  • Author(s): 松本翼、佐藤解、中村勇斗、Traore Aboulaye、牧野俊晴、加藤宙光3、 小倉政彦3 、市川公善1 、林寛1 、猪熊孝夫1 、山﨑聡1 、德田規夫
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Advances in diamond MOSFET technologies (2023)
  • Author(s): Norio Tokuda, Kazuki Kobayashi, Kan Hayashi, Kimiyoshi Ichikawa, Tsubasa Matsumoto, Takao Inokuma, Satoshi Yamasaki, Xufang Zhang1†, Hiromitsu Kato2, Masahiko Ogura, Toshiharu Makino, Daisuke Takeuchi2, Christoph E. Nebel
  • Organizer: E-MRS 2023 Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of Schottky-pn diodes using lightly nitrogen doped diamond film (2023)
  • Author(s): Shota Abe1, Kai Sato1, Yuki Matsushima1, Kimiyoshi Ichikawa2, Kan Hayashi, Satoshi Yamasaki, Takao Inokuma, Norio Tokuda, Tsubasa Matsumoto
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of PIN Diodes with Heavily Nitrogen Doped Diamond Film (2023)
  • Author(s): Yuki Matsushima, Mikiya Mura, Tsubasa Matsumoto, Kimiyoshi Ichikawa, Kan Hayashi1,2, Satoshi Yamasaki2, Takao Inokuma1, Norio Tokuda
  • Organizer: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • Int'l Joint Research