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

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25420349
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 井村 将隆 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 環境・エネルギー材料部門, 主任研究員 (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 / ノーマリオフ型 / 窒化アルミニウム / 酸化アルミニウム / 酸化ジルコニウム

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ダイヤモンド表面の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、各種の成長方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25年度において、デバイスプロセスの条件により、水素終端ダイヤモンドFETの閾値特性(ノーマリオン／オフ)を変化させることが可能であることを発見した。そのため、平成27年度では、主にこの物理現象(閾値特性現象)を明らかにするために、ダイヤモンドと各種絶縁体の界面の微細構造観察を収差補正走査型透過型電子顕微鏡法を用いて行い、電気特性及びFET特性との比較を行った。その結果、負電荷を有す界面の吸着／脱離もしくは絶縁体膜中の負電荷の生成／消滅が、表面正孔伝導層の生成／消滅に寄与し、閾値特性(ノーマリオン／オフ)が制御可能であることを結論付けた。またこの結果を踏まえプロセス条件の再検討を行い、オン電流値としては比較的良好な値(-100~-200 A/mm)を比較的再現性良く得ることに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Influence of surface structure of (0001) sapphire substrate on the elimination of small-angle grain boundary in AlN epilayer (2015)
  • Author(s): R. G. Banal, M. Imura, and Y. Koide
  • Journal Title: Aip Advances Volume: 5 Pages: 097143 1-8
  • DOI: 10.1063/1.4931159
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impedance analysis of Al2O3/H-terminated diamond metal-oxide-semiconductor structures (2015)
  • Author(s): M. Y. Liao, J. W. Liu, L. W. Sang, D. Coathup, J. L. Li, M. Imura, Y. Koide, and H. T. Ye
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 106 Pages: 083506 1-5
  • DOI: 10.1063/1.4913597
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Control of normally on/off characteristics in hydrogenated diamond metal-insulator-semiconductor field-effect transistors (2015)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, T. Matsumoto, N. Shibata, Y. Ikuhara, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 118 Pages: 115704 1-6
  • DOI: 10.1063/1.4930294
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical properties of atomic layer deposited HfO2/Al2O3 multilayer on diamond (2015)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, H. Oosato, E. Watanabe, and Y. Koide
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 54 Pages: 55-58
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2014.10.004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 半導体の基礎II:窒化物半導体を用いた光・電子デバイス (2015)
  • Author(s): 井村将隆
  • Organizer: ソディック－未踏科学技術協会 企業内セミナー(招待講演)
  • Place of Presentation: ソディック株式会社
  • Year and Date: 2015-11-24 – 2015-11-24
  • Invited
• [Presentation] AlN/ダイヤモンド及びダイヤモンド/AlN/サファイア上のヘテロエピタキシャル成長 (2015)
  • Author(s): 井村将隆、R.G.Banal、劉江偉、廖梅勇、小出康夫
  • Organizer: 第29回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学葛飾キャンパス
  • Year and Date: 2015-11-17 – 2015-11-19
• [Presentation] Control of normally-on/off in hydrogenated-diamond MISFET (2015)
  • Author(s): 劉江偉、廖梅勇、井村将隆、小出康夫
  • Organizer: 第29回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学葛飾キャンパス
  • Year and Date: 2015-11-17 – 2015-11-19
• [Presentation] Effect of Boron incorporation on the structural quality of AlBN layer s grown by MOVPE (2015)
  • Author(s): M. Imura, Y. Ota, R. G. Banal, and Y. Koide
  • Organizer: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides(ISGN-6)
  • Place of Presentation: Act City, Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-11-08 – 2015-11-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-temperature AlN Buffer Layer Technique to Eliminate the Small-angle Grain Boundary in AlN Grown on Sapphire Substrate (2015)
  • Author(s): R. G. Banal, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides(ISGN-6)
  • Place of Presentation: Act City, Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-11-08 – 2015-11-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALD-Al2O3/SD-AlN as Bilayer Gate Material for Diamond FET (2015)
  • Author(s): R.G.Banal、井村将隆、劉江偉、小出康夫
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] ZrO2 on hydrogenated-diamond: breakdown electric field interfacial band configuration and gate-drain distance scaling effect for electrical property of MISFET (2015)
  • Author(s): 劉江偉、M.Y.Liao、井村将隆、小出康夫
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [Presentation] Hole channel formation mechanism in AlN/diamond heterojunction and high-k oxide gate diamond FETs (2015)
  • Author(s): Y. Koide, M. Imura, J. W. Liu, M. Y. Liao, R. G. Banal, T. Matsumoto, N. Shibata, and Y. Ikuhara
  • Organizer: 26th International Conference on Diamond and Carbon Materials (ICDCM2015)
  • Place of Presentation: Bad Homburg, Germany
  • Year and Date: 2015-09-06 – 2015-09-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impedance Spectroscopy of Diamond MOS Structure (2015)
  • Author(s): . Y. Liao, J. W. Liu, S. Liwen, D. Coatchup, J. L. Li, M. Imura, H. Ye, and Y. Koide
  • Organizer: 9th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2015)
  • Place of Presentation: Shizuoka Granship, Shizuoka, Japan
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hydrogenated-diamond MISFET logic inverter (2015)
  • Author(s): J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Organizer: 9th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2015)
  • Place of Presentation: Shizuoka Granship, Shizuoka, Japan
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research