高品質半導体ダイヤモンドを用いた高温動作パワースイッチングデバイスの研究

• 研究課題/領域番号: 24360113
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電力工学・電力変換・電気機器
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 梅沢 仁 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 先進パワーエレクトロニクス研究センター, 主任研究員 (80329135)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円); 2015年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2014年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2013年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2012年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: ダイヤモンド / パワーデバイス / FET / 高温動作 / 電界効果型トランジスタ / 低抵抗コンタクト / ディープディプレション型 / ブレークダウン電圧 / 寄生抵抗成分 / エピタキシャル成長 / 半導体デバイス / トランジスタ / 低損失

研究成果の概要

高温動作が可能な耐環境ダイヤモンドパワーデバイスの実現のため、スイッチングデバイスの開発を行った。材料パラメータを用いた解析モデルからプレーナ型MESFETおよび縦型MOSFETの動作特性を計算し、200-300℃で特性変動のない素子が実現可能であることを求めた。プレーナ型MESFETを試作し、発表時で世界最高性能である1.5kVの絶縁破壊電圧を得た。デバイスの高出力化のためコンタクト層へのp+選択成長およびイオン注入層の適用を試み、ドレイン電流の大型化が可能であることが分かった。SiO2を相関絶縁膜に用いたインターコネクト技術を開発し、30mmまでのゲート幅拡大が可能となった。

研究成果

• [国際共同研究] Inst. Neel/CNRS(フランス)
• [雑誌論文] ショットキーダイオードとMESFET (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅沢 仁
  • 雑誌名: New Diamond 巻: 121 ページ: 10-12
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Diamond metal-semiconductor field-effect transistor with breakdown voltage over 1.5 k (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, T. Matsumoto, S. Shikata
  • 雑誌名: IEEE Electron Device Letters 巻: 35 ページ: 1112-1114
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Leakage current analysis of diamond Schottky barrier diodes operated at high temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, S. Shikata,
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53
  • NAID: 210000143696
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Diamond Schottky barrier diode for high temperature, high power and fast switching applications (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, S. Shikata, T. Funaki
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53
  • NAID: 210000143883
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Leakage current analysis of diamond Schottky barrier diodes by defect imaging (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, N. Tatsumi, Y. Kato and S. Shikata
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 40 ページ: 56-59
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2013.09.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] 1 Ω On-Resistance Diamond Vertical-Schottky Barrier Diode Operated at 250°C (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, et al.,
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 号: 1 ページ: 11302-11302
  • DOI: 10.7567/apex.6.011302
  • 査読あり
• [学会発表] Diamond Unipolar Devices for Future Power Electronics (2016)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa
  • 学会等名: 2016 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 発表場所: Phoenix Convention Center, Arizona, USA
  • 年月日: 2016-03-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Relaxation of electrical field at the edge of diamond Schottky barrier diode using X-ray irradiated surface semi-insulating layer (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, T. Matsumoto, M. Tsubota, J. Kaneko, Y, Mokuno
  • 学会等名: Hasselt Diamond Workshop 2016 - SBDD XXI
  • 発表場所: cultuurcentrum Hasselt, Hasselt, Belgium
  • 年月日: 2016-03-09
  • 国際学会
• [学会発表] Floating Metal-Fieldring Edge-Termination of diamond Schottky barrier diodes (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Rugen, H. Umezawa, N. Kaminski
  • 学会等名: Hasselt Diamond Workshop 2016 - SBDD XXI
  • 発表場所: cultuurcentrum Hasselt, Hasselt, Belgium
  • 年月日: 2016-03-09
  • 国際学会
• [学会発表] High Voltage Diamond MESFET with VBR > 1.5kV (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, T. Matsumoto, S. Ohmagari, Y. Kato and Y. Mokuno
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Device and Materials - SSDM2015
  • 発表場所: International Conference Center, Sapporo, Japan
  • 年月日: 2015-09-27
  • 国際学会
• [学会発表] Diamond MESFET with low resistive p+ contact layer for source and drain (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, S. Ohmagari, Y. Kato, T. Matsumoto, Y. Mokuno
  • 学会等名: International Conference on Diamond and Carbon Materials 2015
  • 発表場所: International Conference Center, Bad Homburg, Germany
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] Optimized doping structure of drift layer on punch-through type diamond power devices (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, J. Pernot, D. Eon, S. Shikata and E. Gheeraert
  • 学会等名: International Conference on Diamond and Carbon Materials 2015
  • 発表場所: International Conference Center, Bad Homburg, Germany
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] Local area characterization of self-standing single crystal diamond by Synchrotorn radiation X-ray topograpy and rocking curve measurement (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, Y. Kato, Y. Mokuno, S. Shikata, Y. Takahashi, H. Sugiyama, K. Hirano
  • 学会等名: 9th International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2015 - NDNC2015
  • 発表場所: International Conference Center, Shizuoka, Japan
  • 年月日: 2015-05-24
  • 国際学会
• [学会発表] Diamond unipolar devices for high power and high temperature electronics (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa
  • 学会等名: SBDDXX
  • 発表場所: Hasselt, Belguim
  • 年月日: 2015-02-25
  • 招待講演
• [学会発表] ダイヤモンドMESFETの高電圧ブレークダウン特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁、松本猛、鹿田真一
  • 学会等名: 第28回 ダイヤモンドシンポジウム
  • 発表場所: 北千住、東京
  • 年月日: 2014-11-20
• [学会発表] Diamond Power Devices,SBDs and MESFETs (2014)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁
  • 学会等名: 2nd Japan-France Workshop on Diamond Power Device
  • 発表場所: 九重, 大分
  • 年月日: 2014-10-08
  • 招待講演
• [学会発表] 高温動作ダイヤモンドMESFETの試作と評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁、松本猛、鹿田真一
  • 学会等名: 第75回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 札幌, 北海道
  • 年月日: 2014-09-18
• [学会発表] Major tasks toward Diamond power device and wafer (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Shikata, H. Umezawa et al.,
  • 学会等名: NDNC2014
  • 発表場所: Chicago, USA
  • 年月日: 2014-05-19
  • 招待講演
• [学会発表] Diamond VSBD with BVBD 1.8kV at 250oC operation temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, Y. Kato and S. Shikata
  • 学会等名: Hasselt Diamond Workshop 2014
  • 発表場所: Hasselt, Belgium
• [学会発表] 単結晶および多結晶ダイヤモンドの分光エリプソメトリー法による膜厚評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁，加藤有香子，鹿田真一
  • 学会等名: 第27回ダイヤモンドシンポジウム
  • 発表場所: 埼玉県、日本工業大学
• [学会発表] Diamond power devices for high temperature and high current applications (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, Y. Kato and S. Shikata
  • 学会等名: 2013 JSAP/MRS Joint Symposia
  • 発表場所: 京都府、同志社大学
• [学会発表] Fabrication and Characterization of 1mm Size Diamond SBD (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa, S. Shikata and T. Funaki
  • 学会等名: 2013 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 福岡県、ヒルトン福岡
• [学会発表] High Temperature Operation of Diamond SBDs (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Umezawa
  • 学会等名: 1st French-Japanese Workshop on Diamond power devices
  • 発表場所: Chamonix, France
• [学会発表] Leakage Current Analysis of Diamond SBDs Operated at High Temperature (2013)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa and S.Shikata
  • 学会等名: 2013 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 福岡県、ヒルトン福岡
• [学会発表] 5A動作ダイヤモンドSBDの高温動作特性評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁
  • 学会等名: SiCおよび関連ワイドギャップ半導体研究会第21回研究会
  • 発表場所: 日本
  • 年月日: 2012-11-19
• [学会発表] Diamond high-power and high-temperature SBDs (2012)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁
  • 学会等名: the 44th International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2012)
  • 発表場所: 日本
  • 年月日: 2012-09-26
• [学会発表] High current operation of diamond vertical-SBDs at 250oC (2012)
  • 著者名/発表者名: 梅沢仁
  • 学会等名: IUMRS-Int'l Conf. on Electronic Materials (IUMRS-ICEM2012)
  • 発表場所: 日本
  • 年月日: 2012-09-24
• [備考]
  • URL: http://unit.aist.go.jp/drl/ci/