窒化物／酸化物積層構造による強誘電体特性の発現とダイヤモンドFETへの応用

• 研究課題/領域番号: 16K06330
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 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)
• 研究協力者: 小出 康夫
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2016年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 窒化物半導体 / ダイヤモンド / 電界効果トランジスタ / 強誘電体 / パワースイッチングデバイス / MOCVD法 / MPCVD法 / スパッタ堆積法 / 電子デバイス・電子機器 / 高周波パワーデバイス / 窒化アルミニウム / 酸化アルミニウム / 有機金属化合物気相成長法 / ノーマリオフ型 / 酸化物半導体

研究成果の概要

ダイヤモンドは多くの優れた特性を有するため、過酷な環境下で動作可能なパワーデバイスの材料として有望なワイドギャップ半導体である。本研究では、まず表面正孔導電層を有す水素終端ダイヤモンド上へ窒化物単膜構造及び窒化物／酸化物積層構造を形成する技術の確立を図った。次に、これら構造体の絶縁特性及び強誘電体特性を調査した。最後に、これらの構造をダイヤモンドFETのゲート絶縁膜に応用することで、オン電流値~-180 A/mm、耐圧値~250 VのFETの試作に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

パワースイッチングデバイス用に開発されていたダイヤモンドFETでは、大電流動作・高耐圧(低リーク電流)特性を得るために重要な高いキャパシタンス値と高いエネルギーギャップ値を同時に満たすデバイス構造を適応するのが困難であった。本研究で検討を行ったAlN及びAlN/Al2O3積層構造は、高いキャパシタンス値と高いエネルギーギャップ値を同時に得ることができ、これらの構造を用いたFETは、大電流動作・高耐圧特性を有す可能性が高いことが明らかとなった。また本研究対象であるダイヤモンドFETは、自動車・無線通信・宇宙開発等の幅広い分野で応用が可能であり、本研究はその礎を築くものに位置付けられる。

研究成果

• [雑誌論文] Surface and Bulk Electronic Structures of Unintentionally and Mg Doped In0.7Ga0.3N Epilayer by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, S. Tsuda, H. Takeda, T. Nagata, R. G. Banal, H. Yoshikawa, A. Yang, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Koide, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 123 号: 9 ページ: 095701-1
  • DOI: 10.1063/1.5016574
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Annealing effects on hydrogenated diamond NOR logic circuits (2018)
  • 著者名/発表者名: Jiangwei Liu, Hirotaka, Oosato, Meiyong Liao, Masataka Imura, Eiichiro Watanabe, Yasuo Koide
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 15 ページ: 153501-153501
  • DOI: 10.1063/1.5022590
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A density functional study of the effect of hydrogen on electronic properties and band discontinuity at anatase TiO2/diamond interface (2018)
  • 著者名/発表者名: Kongping Wu, Meiyong Liao, Liwen Sang, Jiangwei Liu, Masataka Imura, Haitao Ye, Yasuo Koide
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 号: 16 ページ: 161599-161599
  • DOI: 10.1063/1.5002176
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Boron Incorporation on Structural and Optical Properties of AlN Layers Grown by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, Y. Ota, R.G. Banal, M. Liao, Y. Nakayama, M. Takeguchi, and Y. Koide
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A 巻: 215 号: 21 ページ: 1800282-8
  • DOI: 10.1002/pssa.201800282
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observation of inversion capacitance in p-type diamond MOS capacitors with an electron injection layer (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumoto, H. Kato, T. Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, S. Yamasaki, M. Imura, A. Ueda, T. Inokuma, and N. Tokuda
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 4S ページ: 04FR01-04FR01
  • DOI: 10.7567/jjap.57.04fr01
  • NAID: 210000149007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Sputter Deposition Atmosphere of AlN on the Electrical Properties of Hydrogen-Terminated Diamond Field Effect Transistor with AlN/Al2O3 Stack Gate (2017)
  • 著者名/発表者名: R.G. Banal, M. Imura, H. Ohata, M. Liao, J. Liu, and Y. Koide
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A 巻: 214 号: 11 ページ: 1700463-1700463
  • DOI: 10.1002/pssa.201700463
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Logic Circuits With Hydrogenated Diamond Field-Effect Transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, H. Ohsato, M. Liao, M. Imura, E. Watanabe, and Y. Koide
  • 雑誌名: Ieee Electron Device Letters 巻: 38 号: 7 ページ: 922-925
  • DOI: 10.1109/led.2017.2702744
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Deposition of TiO 2/Al 2O 3bilayer on hydrogenated diamond for electronic devices: Capacitors, field-effect transistors, and logic inverters (2017)
  • 著者名/発表者名: J.W. Liu, M.Y. Liao, M. Imura, R.G. Banal, and Y. Koide
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 121 号: 22 ページ: 224502-11
  • DOI: 10.1063/1.4985066
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of off-cut angle of hydrogen-terminated diamond(111) substrate on the quality of AlN towards high-density AlN/diamond(111) interface hole channel (2017)
  • 著者名/発表者名: Masataka Imura, Ryan G. Banal, Meiyong Liao, Jiangwei Liu, Takashi Aizawa, Akihiro Tanaka, Hideo Iwai, Takaaki Mano, and Yasuo Koide
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 121 号: 2 ページ: 025702-025702
  • DOI: 10.1063/1.4972979
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface and Bulk Electronic Structures of Heavily Mg-doped InN Epilayer by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, S. Tsuda, T. Nagata, R. G. Banal, H. Yoshikawa, A. Yang, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Koide, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 121 号: 9 ページ: 095703-095703
  • DOI: 10.1063/1.4977201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural properties and transfer characteristics of sputter deposition AlN and atomic layer deposition Al2O3 bilayer gate materials for H-terminated diamond field effect transistors (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryan G. Banal, Masataka Imura, Jiangwei Liu, and Yasuo Koide,
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 120 号: 11 ページ: 115307-115307
  • DOI: 10.1063/1.4962854
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-k ZrO2/Al2O3 bilayer on hydrogenated diamond: Band configuration, breakdown field, and electrical properties of field-effect transistors (2016)
  • 著者名/発表者名: J. W. Liu, M. Y. Liao, M. Imura, and Y.Koide
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 120 号: 12 ページ: 124504-124504
  • DOI: 10.1063/1.4962851
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Formation Mechanism and Elimination of Small‐Angle Formation Mechanism and Elimination of Small‐Angle Grain Boundary in AlN Grown on (0001) Sapphire Substrate (2016)
  • 著者名/発表者名: R.G. Banal, M. Imura, Y. Koide
  • 雑誌名: INTECH 巻: Chapter3 ページ: 43-58
  • DOI: 10.5772/66177
  • ISBN: 9789535128618, 9789535128625
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanometer-thin ALD-Al2O3 for the improvement of structural quality of AlN grown on sapphire substrate by MOVPE (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryan G. Banal, Masataka Imura,1, Daiju Tsuya, Hideo Iwai, and Yasuo Koide
  • 雑誌名: Phys. Status Solidi A 巻: 217 号: 2 ページ: 1600727-1600727
  • DOI: 10.1002/pssa.201600727
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] メタルマスクを用いた(111)ダイヤモンド選択成長と水素終端ダイヤモンドFETへの応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆, 大里啓孝, 廖梅勇, 小出康夫
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] III-nitride/diamond heterojunction (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • 学会等名: 4th JST Sakura Science Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Development of AlN/Diamond heterostructure formation and unique interface property (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, M. Y. Liao, and Y. Koide
  • 学会等名: European Materials Research Society (E-MRS) 2018 Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Systematic investigation of surface and bulk electronic structures of unintentionally-doped InxGa1-xN (0≦x≦1) epilayers by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, S. Tsuda, T. Nagata, R. G. Banal, H. Yoshikawa, Y. Anli, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Koide, T. Yamaguchi, M. Kaneko, T. Araki, and Y. Nanishi
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 (IWN2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 窒化アルミニウム成膜時のIn Situ測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会ランチョンセミナー
• [学会発表] 硬X線光電子分光法を用いたInGaN系窒化物半導体の表面ーバルク電子状態評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆, 小出康夫, 荒木努, 名西やすし
  • 学会等名: 第10回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
  • 招待講演
• [学会発表] InGaN系窒化物半導体の表面ーバルク電子状態評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆, 小出康夫, 荒木努, 名西やすし
  • 学会等名: 第110回研究会・特別公開シンポジウム 「紫外発光デバイスの最前線と将来展望」
• [学会発表] 硬X線光電子分光法を用いたアンドープInxGa1-xN(0≦x≦1)の表面ーバルク電子状態評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆, 津田俊輔, 長田貴弘, 吉川英樹, 山下良之, 小林啓介, 小出康夫, 山口智広, 荒木努, 名西やすし
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Mgドーピングによる高In組成InGaNの表面-バルク電子状態変化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆, 津田俊輔, 長田貴弘, 山下良之, 吉川英樹, 小林啓介, 小出康夫, 山口智広, 金子昌充, 上松尚, 荒木努, 名西やすし
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Effect of off-cut angle of hydrogen-terminated diamond(111) substrate on the quality of AlN towards high-density AlN/diamond(111) interface hole channel (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, R. G. Ryan, M. Liao, J. Liu, T. Aizawa, A. Tanaka, H. Iwai, T. Mano, Y. Koide
  • 学会等名: The 11th Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Surface and Bulk Electronic Structures of Heavily Mg-doped InN Epilayer by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, S. Tsuda, T. Nagata, A. L. Yang, Y. Yamashita, H. Yoshikawa,Y. Koide, K. Kobayashi, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • 学会等名: 12th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS12)
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructure of Boron-doped AlN Epitaxial Layer Grown by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, Y. Ota, R. G. Banal, and Y. Koide
  • 学会等名: 29th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement on electrical properties of H-terminated diamond FETs using sputter deposition AlN/ atomic layer deposition Al2O3 stack gate structure (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, R. G. Banal, J. Liu, M. Liao, and Y. Koide
  • 学会等名: 28th International Conference on Diamond and Carbon Materials (ICDCM2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructure of In0.20Ga0.80N nanowires on Si (111) substrate evaluated by aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, R. G. Banal, Y. Koide, Y. Nakayama, M. Takeguchi, S. Mizutani, T. Tabata, S. Nakagawa, Y. Honda, M. Yamaguchi, and H. Amano
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Semiconductor Light Emitting Devices (ISSLED2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructure and electrical property of AlN/Diamond(111) heterojunction (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, M. Liao, and Y. Koide
  • 学会等名: OIST Diamond WS2017
  • 国際学会
• [学会発表] III-nitride/diamond hybrid systems (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, M. Liao, and Y. Koide
  • 学会等名: 3N-Lab Workshop Tsukuba-Grenoble for Diamond and GaN
  • 国際学会
• [学会発表] Vacuum-Ultra-Violet Diamond-based Photodetector for high-power excimer lamp (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, M. Liao, and Y. Koide
  • 学会等名: International Workshop on UV Materials and Devices 2017 (IWUMD2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructure and Hole Accumulation Mechanism of AlN/Diamond(111) Het erojunctions Prepared by MOVPE (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, R. G. Banal, M. Y. Liao, J. W. Liu, Y. Koide, T. Matsumoto, N. Shibata, Y. Ikuhara
  • 学会等名: International Conference on Diamond and Carbon Materials 2016 (ICDCM2016)
  • 発表場所: Le Corum, Montpellier, France
  • 年月日: 2016-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] Structural Property of Boron-doped AlN grown by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, Y. Ota, R. G. Banal, Y. Koide
  • 学会等名: International workshop on UV materials and devices (IWUMD-2016)
  • 発表場所: Peking University, Beijing, China
  • 年月日: 2016-07-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MOVPE法により成長させたボロンドープAlNの構造評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 井村将隆, 太田優一, R. G. Banal, 小出康夫
  • 学会等名: 第35回電子材料シンポジウム
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖
  • 年月日: 2016-07-06