省電力ノーマリオフ型pチャネルダイヤモンドFETの大電流動作化

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420349
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 井村 将隆 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 研究員 (80465971)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 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 / 酸化ジルコニウム / ヘテロ接合

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ダイヤモンドを水素とアンモニアの混合雰囲気にて高温熱処理(1250℃)することでダイヤモンド表面に新規正孔伝導層を形成させ、この新規正孔伝導層と各種ゲート絶縁膜を選定し組み合わせることで、超高速・大電流・高耐圧・高温動作可能な省電力ノーマリーオフ型ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の開発を試みている。具体的なゲート絶縁膜材料は、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、ランタンアルミネート(LaAlO3)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ジルコニウム(ZrO2)を用い、各膜の結晶成長法は有機金属化合物気相成長(MOVPE)法、原子層体積成長(ALD)法、超高真空スパッタ法を用いた。
平成26年度では、新規材料としてZrO2絶縁膜を積極的に用い、電子状態及びFET特性を評価した。まず通常の水素終端ダイヤモンド表面にALD法にてAl2O3絶縁膜をバッファー層として用い、その上にスパッタ法にてZrO2を堆積して平成25年度同様、光電子分光法による電子状態評価及びFET静特性評価を行った。デバイス構造の最適化の結果、オン電流値としては比較的良好な値(-224 mA/mm@Lg=4μm)を得ることに成功した。また抵抗成分を用いたダイヤモンドインバーターの試作に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成26年度では、新規絶縁膜材料の開拓及びダイヤモンドインバーターの作製に成功した。結晶成長条件、デバイスプロセス条件の更なる最適化も行い、得られた各種評価結果も予測していたものに近い結果であった。そのためおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

平成27年度では、平成26年同様に各種絶縁膜・高分極膜・高誘電体膜・超強誘電体膜の選定・組み合わせによるダイヤモンドFETの大電流動作の検討を行う。また同時に、FET静特性を超高速・大電流・高耐圧・高温動作の観点から評価し、当該分野での実用化の道筋を開拓する。特に耐圧及び高温動作に関しての結果が少ないため積極的に評価を行い、得られた知見を学会及び学術論文等で報告する。

Causes of Carryover

平成2５年度にて、材料探索を積極的に行い、平成２６年度ではその結果を踏まえて装置改良・開発のために予算を使用した。大幅な装置改良・開発は最適実験条件のズレを生じさせるため、必要最低限な装置改良・開発にとどめた。そのため予定していた使用額に差額がでてしまった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成２７年度では、大幅な装置改良・開発を視野に入れつつ、当該予算を積極的に使用予定である。

Research Products

• [Journal Article] Low on-resistance diamond field effect transistor with high-k ZrO2 as dielectric (2014)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, A. Tanaka, H. Iwai, and Y. Koide
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Pages: 3695-1 3695-2
  • DOI: 10.1038/Srep06395.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Diamond field effect transistors with a high-dielectric constant Ta2O5 as gate material (2014)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, E. Watanabe, H. Oosato, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Physics D Volume: 47 Pages: 245102-1 5
  • DOI: 10.1088/0022-3727/47/24/245102.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Diamond logic inverter with enhancement-mode metal-insulator-semiconductor field effect transistor (2014)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, E. Watanabe, H. Oosato, and Y. Koide
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 105 Pages: 082110-1 4
  • DOI: 10.1063/1.4894291.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Atomic Layer Deposited HfO2/Al2O3 Multi-nano-layer on Diamond for Field Effect Transistor (2014)
  • Author(s): J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: The 4th Annual World Congress of Nano-S&T
  • Place of Presentation: Qingdao, Qingdao, China.
  • Year and Date: 2014-10-29 – 2014-10-30
• [Presentation] AlN/ (111)面ダイヤモンドヘテロ接合界面の微細構造観察と電気的特性評価 (2014)
  • Author(s): 井村将隆、劉江偉、廖梅勇、小出康夫、松元隆夫、柴田直哉、幾原雄一
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス.
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] ウェットアニールダイヤモンド(111)上 ALD-Al2O3 膜を用いたMOS キャパシタ の電気的特性 (2014)
  • Author(s): 上田諒浩、宮田大輔、徳田規夫、井村将隆、小出康夫、小倉政彦、山崎聡、猪熊孝夫
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス.
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Hydrogenated-diamond logic inverter fabrication with enhancement-mode metal-insulator-semiconductor field effect transistor (2014)
  • Author(s): 劉江偉、M.Y.Liao、井村将隆、小出康夫
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス.
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] 窒化物半導体の界面制御とナノラミネート特異構造を用いた電子デバイスの開発 (2014)
  • Author(s): 小出康夫、井村将隆、劉江偉、M.Y.Liao
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス.
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Energy-Band Offset of AlN/Diamond(111) Heterojunction Determined by X- ray Photoelectron Spectroscopy (2014)
  • Author(s): M. Imura, J. W. Liu, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials 2014 (SSDM2014)
  • Place of Presentation: Epochal Tsukuba, Tsukuba, Japan.
  • Year and Date: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [Presentation] High-k/hydrogenated-diamond metal-insulator-semiconductor field effect transistors fabrication (2014)
  • Author(s): J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: International Conference on Diamond and Carbon Materials (ICDCM2014)
  • Place of Presentation: Melia Castilla, Madrid, Spain.
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-11
• [Presentation] Atomically controlled diamond surfaces and interfaces (2014)
  • Author(s): N. Tokuda, D. Miyata, A. Ueda, T. Chonan, T. Minamiyama, T. Inokuma, M. Imura, Y. Koide, M. Ogura, T. Makino, D. Takeuchi, and S. Yamsaki
  • Organizer: 25th International Conference on Diamond and Carbon Materials
  • Place of Presentation: Melia Castilla, Madrid, Spain., (2014),
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-11
  • Invited
• [Presentation] Recent progress of field effect transistors by AlN/Diamond Heterostructure (2014)
  • Author(s): M. Imura, J. W. Liu, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: The 15th IUMRS-International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014)
  • Place of Presentation: Fukuoka University, Fukuoka, Japan.
  • Year and Date: 2014-08-24 – 2014-08-30
  • Invited
• [Presentation] HfO2 on hydrogenated-diamond for field effect transistors (2014)
  • Author(s): J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: The 15th IUMRS-International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014)
  • Place of Presentation: Fukuoka University, Fukuoka, Japan.
  • Year and Date: 2014-08-24 – 2014-08-30
• [Presentation] X線光電子分光法によるAlN/(111)ダイヤモンドヘテロ接合のエネルギーバンド オフセット評価 (2014)
  • Author(s): 井村将隆、田中彰博、岩井秀夫、劉江偉、廖梅勇、小出康夫
  • Organizer: 第33回電子材料シンポジウム
  • Place of Presentation: ラフォーレ修善寺
  • Year and Date: 2014-07-07 – 2014-07-09
• [Presentation] Atomic layer deposited Al2O3/diamond field effect transistors using surface p-channel prepared by thermal treatment with H2+NH3 gases (2014)
  • Author(s): M. Imura, J. W. Liu, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: 14th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD2014)
  • Place of Presentation: Hotel Granvia Kyoto, Kyoto, Japan.
  • Year and Date: 2014-06-15 – 2014-06-18
• [Presentation] “Diamond metal-insulator-semiconductor field effect transistor logic inverters (2014)
  • Author(s): J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: International Symposium on Single Crystal Diamond Electronics and the Fourth Chinese Vacuum Forum (SCDE 2014)
  • Place of Presentation: Xian China high-speed Le Grand Large Hotel, Xian, China.
  • Year and Date: 2014-06-12 – 2014-06-17
• [Presentation] Frequency dispersion properties at Al2O3 and HfO2/H-terminated diamond interfaces (2014)
  • Author(s): Y. Koide, J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, H. Oosato, and E. Watanabe
  • Organizer: New Diamond and Nano Carbons Conference (NDNC 2014)
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Chicago, Chicago, Illinois, USA,
  • Year and Date: 2014-05-25 – 2014-05-29
• [Presentation] Electrical properties of atomic layer deposited HfO2/Al2O3 multilayer on diamond (2014)
  • Author(s): J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: New Diamond and Nano Carbons Conference (NDNC 2014)
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Chicago, Chicago, Illinois, USA,
  • Year and Date: 2014-05-25 – 2014-05-29
• [Presentation] Fabrication of low on-resistance diamond field effect transistors (2014)
  • Author(s): J. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: New Diamond and Nano Carbons Conference (NDNC 2014)
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Chicago, Chicago, Illinois, USA,
  • Year and Date: 2014-05-25 – 2014-05-29