| 研究課題/領域番号 |
23K23230
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01962 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
山口 尚秀 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主幹研究員 (70399385)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2022年度: 12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円)
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| キーワード | ダイヤモンド / 電界効果トランジスタ / 六方晶窒化ホウ素 / 移動度 / 量子輸送 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ダイヤモンドは、ワイドバンドギャップ半導体としての優れた特徴から、パワーエレクトロニスや情報通信分野での応用が期待されている。われわれは最近、六方晶窒化ホウ素をゲート絶縁体とするダイヤモンドトランジスタを作製し、世界最高レベルのチャネル移動度を実現した。しかし、さらなる特性向上の余地や実用化に向けての課題が残されている。本研究では、より質の高いダイヤモンド/絶縁体ヘテロ界面の形成によって、GaN高移動度nチャネルトランジスタ(HEMT)に匹敵する高移動度pチャネルトランジスタの実現、新規量子輸送現象の発現、および実用に適したFET作製手法の開発を行う。
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| 研究実績の概要 |
ダイヤモンドの固有移動度は、電子、ホールとも室温で2000 cm2V-1s-1以上と非常に高く、素子の低損失化や高速化に適している。しかし、ダイヤモンド電界効果トランジスタを作製すると、チャネル移動度は多くの場合1～2桁低くなる。主に表面トランスファードーピングという手法を用いて水素終端ダイヤモンド上に電界効果トランジスタが作られてきたが、この手法はチャネルの直上にキャリアの散乱源（イオン化したアクセプタ）を導入することにもなっているためである。本研究では、表面トランスファードーピングに頼らずにアクセプタ密度を低減した高品質なダイヤモンド/絶縁体ヘテロ界面の形成を行うことで、ダイヤモンド電界効果トランジスタの高移動度化や新規量子現象の発現を行う。本年度は、われわれが実績をもつ六方晶窒化ホウ素(h-BN)をゲート絶縁体とするダイヤモンド電界効果トランジスタの作製手法の改良を行い、従来に比べ優れたデバイス特性を得た。また、h-BN/水素終端ダイヤモンドヘテロ構造を利用することで、ダイヤモンド表面近くに形成した窒素・空孔センター（NVセンター）の負電荷状態を安定化させた。これによって、通常表面に正孔が生じるために負電荷状態を形成するのが難しい水素終端表面下の単一NVセンターの電子スピンのラビ振動やハーンエコーを観測することに成功した。このh-BN/水素終端ダイヤモンドヘテロ構造下NVセンターの研究成果について、第69回応用物理学会春季学術講演会で発表し、現在論文の投稿準備中である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ダイヤモンドは、ワイドバンドギャップ半導体としての優れた特徴から、パワーエレクトロニスや情報通信分野での応用が期待されている。われわれは最近、六方晶窒化ホウ素をゲート絶縁体とするダイヤモンドトランジスタを作製し、世界最高レベルのチャネル移動度を実現した。しかし、さらなる特性向上の余地や実用化に向けての課題が残されている。本研究では、より質の高いダイヤモンド/絶縁体ヘテロ界面の形成によって、GaN高移動度nチャネルトランジスタ(HEMT)に匹敵する高移動度pチャネルトランジスタの実現、新規量子現象の発現、および実用に適したトランジスタ作製手法の開発を行う。これまでに、デバイス作製手法の改良によって優れた特性を示すダイヤモンドトランジスタの作製に成功した。また、h-BNとのヘテロ構造を利用することでダイヤモンド表面近くの窒素・空孔センターの量子素子としての特性を向上できることを示した。以上の状況から、おおむね研究は順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
六方晶窒化ホウ素(h-BN)をゲート絶縁体として用いたダイヤモンド電界効果トランジスタの作製手法、特にh-BNの転写手法を改良することで、デバイス特性の向上を行う。界面準位密度の低減のためにダイヤモンドの表面を水素終端化する。水素終端化はダイヤモンド化学気相合成装置の中での水素プラズマ処理によって行う。この水素終端ダイヤモンドを大気に晒さず、その表面に劈開したh-BN単結晶をグローブボックス中および真空中で転写する。電子線リソグラフィーと真空蒸着法によって、ホールバー電極やゲート電極の形成を行う。チャネルの成形や素子分離のためにh-BNのエッチングを行う。完成したダイヤモンド電界効果トランジスタは、室温から低温までの広い温度範囲において特性評価を行う。伝達および出力特性から、閾値電圧、オン抵抗、オンオフ比、最大オン電流、実効移動度などの評価を行う。ホール効果測定によって、ホール移動度およびキャリア密度の評価を行う。h-BN/水素終端ダイヤモンドヘテロ界面直下に形成した窒素・空孔センターを使った界面特性の評価についても取組み、さらなる高品質界面を得るための指針とする。
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