Ⅲ族窒化物ナノラミネート特異構造を用いたダイヤモンド電子デバイスの開発

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス
• 研究課題/領域番号: 16H06419
• 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: 小出 康夫 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 部門長/理事 (70195650)
• 研究分担者: 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) ; 廖 梅勇 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, 主幹研究員 (70528950) ; 劉 江偉 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, 独立研究者 (30732119)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: ダイヤモンド / ナノラミネート構造 / III族窒化物 / ヘテロ接合 / トランジスタ

研究実績の概要

本研究では窒化物半導体のナノラミネート薄膜特異構造（膜厚１ｎｍ 以下に制御した極薄膜2次元多層膜特異構造）を作製しダイヤモ ンド電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)のゲート絶縁膜に応用し大電流のスイッチング動作を実現することを目指す。具体的には絶縁体ＡｌＮ（ｉ－ＡｌＮ）と導電体ＧａＮ(ｃ－ＧａＮ)を用いたｉ－ＡｌＮ／ｃ－ＧａＮ ナノラミネート特異構造を形成し、その微細構造 及び電気的特性を評価するとともにダイヤモンドＦＥＴのゲート絶縁膜に応用する。Ｈ２９年度成果は以下の通りである。
(1)その場膜厚モニターを装備させたＡＬＤ－ＭＯＶＰＥ成長装置の立ち上げを完了し、ＴＭＡｌとＮＨ３を用いたＡｌＮのＡＬＤモードＭＯＶＰＥ成長が可能であることを確認した。
(2)酸化膜シングル層および酸化膜２層スタック層をそれぞれゲートに用いた２種類のダイヤモンドＭＯＳトランジスタをオンチップ上で組わせることによって、しきい値制御された論理集積回路の作製に成功するとともに、同時に３００℃までの熱安定性を実証した。
(3)シリコン酸化膜ゲートの可能性を探索するためにＡ０１班藤岡代表グループとの連携研究開始し、ＮＩＭＳでのデバイスプロセシングと東大でのＡＬＤプロセスを組み合わせたデバイス作製プロセス試作に着手した。
(4)O.Auciello米国テキサス大ダラス校教授との共同研究に着手し、共同分担者を派遣して酸化物ナノラミネートゲート構造を作製する双方向プロセスを利用してデバイス作製を行う連携を開始した。

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

初年度購入したIII族窒化物AlNおよびGaNを成長させるALD-MOVPE装置は、その場膜厚モニター用エリプソメータを装備する形で立ち上げを完了し、AlNのALDモードMOVPE成長に成功している。H30年度においては、AlN/GaNナノラミネート構造の試作が可能になる予定である。一方、酸化物スタックゲート構造を用いたダイヤモンドMOSトランジスタは、ノーマリオン／オフ制御原理を発見するとともに論理回路の試作に成功し、300℃までの熱安定性を実証しており、H29年度の主要成果として登録した。

今後の研究の推進方策

米国テキサス大ダラス校のOrland Auchiello教授グループに研究分担者である劉独立研究者が一か月間滞在することによって、ALD装置を持ちいてTiO2/Al2O3ナノラミネート膜ゲート構造を作製し、NIMSに帰ってからMOSトランジスタを完成させるプロセス共同研究を実施する。国際共同連携を通して酸化物ナノラミートゲート構造の実証実験を試みることに着手し研究加速を計画している。

研究成果

• [雑誌論文] Logic Circuits With Hydrogenated Diamond Field-Effect Transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: Liu Jiangwei、Ohsato Hirotaka、Liao Meiyong、Imura Masataka、Watanabe Eiichiro、Koide Yasuo
  • 雑誌名: IEEE Electron Device Letters 巻: 38 ページ: 922～925
  • DOI: 10.1109/led.2017.2702744
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement-mode hydrogenated diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistors with Y2O3 oxide insulator grown by electron beam evaporator (2017)
  • 著者名/発表者名: Liu J. W.、Oosato H.、Liao M. Y.、Koide Y.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 203502～203502
  • DOI: 10.1063/1.4983091
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deposition of TiO2/Al2O3 bilayer on hydrogenated diamond for electronic devices: Capacitors, field-effect transistors, and logic inverters (2017)
  • 著者名/発表者名: Liu J. W.、Liao M. Y.、Imura M.、Banal R. G.、Koide Y.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 121 ページ: 224502～224502
  • DOI: 10.1063/1.4985066
  • 査読あり
• [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: Imura Masataka、Tsuda Shunsuke、Nagata Takahiro、Banal Ryan G.、Yoshikawa Hideki、Yang AnLi、Yamashita Yoshiyuki、Kobayashi Keisuke、Koide Yasuo、Yamaguchi Tomohiro、Kaneko Masamitsu、Uematsu Nao、Wang Ke、Araki Tsutomu、Nanishi Yasushi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 121 ページ: 095703～095703
  • DOI: 10.1063/1.4977201
  • 査読あり
• [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: Banal Ryan G.、Imura Masataka、Ohata Hirohito、Liao Meiyong、Liu Jiangwei、Koide Yasuo
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 巻: 214 ページ: 1700463～1700463
  • DOI: 10.1002/pssa.201700463
  • 査読あり
• [学会発表] D/E-mode control of diamond FETs and logic circuit demonstration (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Koide
  • 学会等名: 2017 International Symposium on Single Crystal Diamond and Electronics (2017 SCDE), June 11-12, 2017, Xi'an Jiantong University, (Xi'an, Chaina)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of normally-on/off diamond MOSFETs and logic circuits (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Koide
  • 学会等名: Schulich Symposium, Diamond: From fundamental properties to quantum technologies, Schulich faculty of Chemistry, Technion - Israel Institute of Technology.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Normally-on/off control of diamond FETs and logic circuit demonstration (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Koide, J.W. Liu, M. Imura, and M.Y. Liao
  • 学会等名: E-MRS, Symposium O, Diamond for electron devices II, (Warsaw, Poland)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-current triple-gate H-diamond MOSFET (2017)
  • 著者名/発表者名: KOIDE, Yasuo, LIU, Jiangwei, LIAO, Meiyong, IMURA, Masataka.
  • 学会等名: New Diamond and Nano Carbon Conference, (NDNC2017)
  • 国際学会
• [図書] Study of Grain Boundary Character, Chapter 3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Banal Ryan G.、Imura Masataka、Koide Yasuo
  • 総ページ数: 15
  • 出版者: IntechOpen
  • ISBN: 978-953-51-2862-5
• [図書] Biosensors and Biodetection, Fabrication of Hydrogenated Diamond Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: Liu Jiangwei、Koide Yasuo
  • 総ページ数: 15
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 978-1-4939-6910-4
• [備考] SUMURAI 「小出康夫」
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/KOIDE_Yasuo/publications?locale=ja#Paper
• [備考] 小出康夫
  • URL: http://yankoide.blue.coocan.jp/