ダイヤモンド薄膜表面の導電性制御によるハイパワー高周波トランジスタの開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15206043
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 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: 梅沢 仁 日本学術振興会, 特別研究員(PD)
• キーワード: ダイヤモンド / MISFET / 遮断周波数 / 最大発振周波数 / 水素終端表面伝導層

研究概要

本研究はダイヤモンド表面伝導性制御による高周波・高出力トランジスタの開発を目的としている。今年度は、ダイヤモンドトランジスタの微細化と相互コンダクタンスの改善、および真性特性の評価を行った。さらに素子安定化・モデル化のため表面伝導性の制御や水素終端表面伝導層の形成起源モデルを構築した。具体的には以下の技術を開発し、成果を得た。
1)ゲート長0.5μmのMISFETを作製し、寄生抵抗を低減することによって最大相互コンダクタンス165mS/mmを得た。これは、ダイヤモンドFETで最高値である。
2)セルフアラインプロセスを用いてゲート長を0.2μmまで微細化したMISFETを作製し、23GHzの遮断周波数と25GHzの最大発振周波数を得た。
3)De-embedding手法を用いて測定パッド容量の評価を行い、真性トランジスタの評価に成功した。これにより、遮断周波数が30GHzになることが確認された。
4)Tゲート構造をセルフアラインMISFET作製プロセスに相み込むことに成功した。ゲート長0.2μmにおいて、これまで1.1〜2程度であったfmax/ft比を4-5へ大幅に改善できることを確認した。等価回路評価を用いてゲート抵抗を評価したところ、Tゲート構造を有していないデバイスに対してゲート抵抗が10分の1に低減していることが示唆された。
5)水素終端表面伝導層の起源と安定化を目的として、伝導層形成モデルを構築した。負イオン照射実験を行い伝導性の変化を確認し、モデルを支持する結果となっている。
6)ガス導入が可能な電子線描画装置を用いガス導入下で電子線照射を行った。酸素ガス導入下で電子線描画を行うことにより、マイクロ絶縁領域が形成されることが確認され、さらに二次電子放出効率が低下していることが観察された。水素ガス導入下での電子線描画では伝導性が回復されていることが確認されている。

研究成果

• [文献書誌] T.Fujisaki, M.Tachiki, N.Taniyama, M.Kudo, H.Kawarada: "Initial Growth of Heteroepitaxial Diamond on Ir(001)/MgO(001) Substrate using Antenna-Edge Type MPCVD"Diam.Relat.Mater.. 12. 246-250 (2003)
• [文献書誌] H.Kanazawa, K.S.Song, T.Sakai, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada他1名: "Effect of Iodide Ions on the Hydrogen-Terminated and Oxygen-Terminated Diamond Surface"Diam.Relat.Mater.. 12. 618-622 (2003)
• [文献書誌] Y.Kaibara, K.Sugata, M.Tachiki, H.Umezawa, H.Kawarada: "Control Wettability of the Hydrogen-Terminated Diamond Surface and the Oxidized Diamond Surface using the Atomic Force Microscope"Diam.Relat.Mater.. 12. 560-564 (2003)
• [文献書誌] T.Banno, M.Tachiki, K.Nakazawa, Y.Sumikawa, H.Umezawa, H.Kawarada: "Fabrication of Diamond In-Plane-Gate Field-Effect Transistors using Oxygen Plasma Etching"Diam.Relat.Mater.. 12. 408-412 (2003)
• [文献書誌] S.Miyamoto, H.Ishizaka, H.Taniuchi, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada: "High Performance Diamond MISFETs using CaF2 Gate Insulator"Diam.Relat.Mater.. 12. 399-402 (2003)
• [文献書誌] M.Tachiki, Y.Kaibara, K.S.Song, H.Umezawa, H.Kawarada他3名: "Diamond Nanofabrication and Characterization for Biosensing Application"Phys.Stat.Sol.(a). 199. 39-43 (2003)
• [文献書誌] K.S.Song, T.Sakai, H.Kanazawa, Y.Araki, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada: "Cl-Sensitive Biosensor used Electrolyte-Gate Diamond FETs"Biosens.Bioelectron. 19. 137-140 (2003)
• [文献書誌] H.Umezawa, S.Miyamoto, K.S.Song, M.Tachiki, H.Kawarada他2名: "RF Performance of Diamond Surface-Channel Field-Effect Transistors"IEICE Trans.Electr.. E86C. 1949-1954 (2003)
• [文献書誌] K.Nakazawa, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada: "Nonlinear Increase of Excitonic Emission in Synthetic Type IIa Diamond"Diam.Relat.Mater.. 12. 1995-1998 (2003)
• [文献書誌] H.Ishizaka, M.Tachiki, K.S.Song, H.Umezawa, H.Kawarada: "Cryogenic Operation of Diamond Field-Effect Transistors"Diam.Relat.Mater.. 12. 1800-1803 (2003)
• [文献書誌] H.Matsudaira, T.Arima, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada他2名: "Deep Sub-micron Gate Diamond MISFETs"Diam.Relat.Mater.. 12. 1814-1818 (2003)
• [文献書誌] T.Sakai, K.S.Song, H.Kanazawa, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada他1名: "Ozone-Treated Channel Diamond Field-Effect Transistors"Diam.Relat.Mater.. 12. 1971-1975 (2003)
• [文献書誌] S.Kono, T.Takano, M.Shimomura, T.Goto, M.Tachiki, H.Kawarada他2名: "Electron-Spectroscopy and -Diffraction Study of the Conductivity of CVD Diamond (001) 2×1 Surface"Surf.Sci.. 529. 180-188 (2003)
• [文献書誌] 梅沢 仁, 石坂 博明, 宮本 真吾, 宋 光燮, 立木 実, 川原田 洋: "水素終端表面伝導層を用いた高周波ダイヤモンドFET"電子情報通信学会論文誌C. J86-C. 419-425 (2003)
• [文献書誌] H.Matsudaira, S.Miyamoto, H.Ishizaka, H.Umezawa.H.Kawarada: "Over 20 GHz Cut-Off Frequency Deep Sub-micron Gate Diamond MISFET"IEEE Elect.Dev.Lett.. (in press).
• [文献書誌] H.Umezawa, T.Arima, S.Miyamoto, H.Matsudaira, H.Kawarada: "70 nm Channel Diamond MISFET and Suppression of Short Channel Effect"IEEE Elect.Dev.Lett.. (in press).
• [文献書誌] Y.Sumikawa, K.Kobayashi, Y.Itoh, H.Umezawa, H.Kawarada: "Current-Voltage Hysteresis Behavior of Diamond In-Plane-Gated Field-Effect Transistors"Appl.Phys.Lett.. (in press).
• [文献書誌] 川原田 洋, 梅沢 仁: "ダイヤモンドにおけるキャリア輸送特性とFETへの応用"応用物理. 73(in press). (2004)