ヘテロエピタキシャルダイヤモンド電界効果トランジスタを利用した耐環境バイオセンサ

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555103
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 川原田 洋 早稲田大学, 理工学部, 教授 (90161380)
• 研究分担者: 山下 敏 東京ガス(株)フロンティアテクノロジー研究所, グループリーダー ; 庄子 習一 早稲田大学, 理工学部, 教授 (00171017)
• キーワード: ヘテロエピタキシャルダイヤモンド成膜 / イオン感応性ダイヤモンドFET作製 / センサー特性評価 / センサー回路形成、システム設計

研究概要

1.ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長層でのMESFET
ヘテロエピタキシャル成長層上に金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)を作成した。ゲート長5μmで相互コンダクタンス7-8mS/mmと同ゲート長のダイヤモンドホモエピタキシャル成長層やシリコンMOSFETと同等レベルであり、これにより感度の高いイオン感応性FET(ISFET)が作成される可能性が得られた。
2.デバイスシミュレーションによるダイヤモンドFETの動作解析
ドリフト・拡散モデルによるFETシミュレーションにより、表面p型伝導層のアクセプター分布が1nm以下の拡散長を有する極めて浅いものであることが理解され、イオン感応性の高いチャネル構造になっていることがわかった。
3.多結晶層でのMOSFET
表面研磨により平坦化された多結晶ダイヤモンド表面におけるp型表面伝導層をチャネルとして、ゲート長8μmで相互コンダクタンス1mS/mmが得られている。この値はゲート幅を大きく取れるセンサーには十分なトランジスタ性能であり、大型ウェーハが得られる安価な多結晶ダイヤモンド基板において、使い捨てが要求されるバイオセンサーに必要なFETが作製可能なことが示され、工業化へのよい見通しを得ることができた。
4.ダイヤモンド表面上でのISFETの製作
ダイヤモンド表面p型伝導層を使用したISFET構造作製のためのプロセス技術を検討した。ここで、重要なのはイオン感応膜となる絶縁層をダイヤモンド表面の水素終端構造を維持したまま作製する成膜技術である。現在、MOSFET作製にはSiOの真空蒸着によるSiOx膜を利用しているが、ボイド等の存在により、液体の浸透に対する稠密性が不十分であり、稠密性の高い感応膜として、還元性雰囲気でのプラズマ・シリコンナイトライド膜あるいは炭化水素膜を検討している。

研究成果

• [文献書誌] 川原田 洋: "ダイヤモンド電界効果トランジスタの現状と将来" 応用物理. 67巻2号. 128-138 (1998)
• [文献書誌] 津川和夫,野田英行,外園明,北谷謙一,森田和敏,川原田洋: "ダイヤモンド表面チャネル型FET-その動作機構と応用-" 電子情報通信学会論文誌. J81巻C-II1号. 172-179 (1998)
• [文献書誌] H.Kawarada, C.Wild, N.Herres, P.Koide, Y.Mizuochi, A.Hokazono and H.Nagasawa: "Surface Morphology and Surface p-Channel Field Effect Transistor on the Heteroepitaxial Diamond Deposited on Inclind β-SiC(001)Surfaces" Appl.Phys.Lett.72巻. (1998)
• [文献書誌] K.Tsugawa, A.Hokazono, H.Noda, K.Kitatani and H.Kawarada: "MESFETs and MOSFETs on Hydrogen-Terminated Diamond Surfaces" Proc.of the International Conference on Silicon Carbide, III-Nitrides and Related Materials. (1998)
• [文献書誌] H.Kawarada: "Low Pressure Synthetic Diamond:Manufacturing and Applications, Chapter8:Hetero-Epitaxy and Highly Oriented Diamond Deposition" Springer-Verlag, 25 (1998)