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

2005 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15206043
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 川原田 洋 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90161380)
• 研究分担者: 宋 光燮 早稲田大学, 生命医療工学研究所, 助手 (50350476) ; 梅沢 仁 独)産業技術総合研究所, ダイヤモンド研究センター, 研究員 (80329135)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• キーワード: ダイヤモンド / 水素終端表面蓄積層 / 高周波パワートランジスタ / 電界効果トランジスタ / 収束イオンビーム / ボロンドープダイヤモンド / Al_2O_3絶縁膜 / 微細プロセス技術

研究概要

ダイヤモンドトランジスタの性能向上および安定性向上を目的とした要素技術として、(1)FIB装置を用いたシート抵抗IkΩ/sq.以下の局所低抵抗層の形成技術、(2)2×10^<-4>[Ωcm]の熱的安定性のある超高濃度ボロンドープダイヤモンド(ボロン濃度:1.42×10^<22>[cm^<-3>])の成膜技術、(3)従来のCaF_2絶縁膜よりも3桁以上のゲートリーク電流低減を達成した、高品質なAl_2O_3ゲート絶縁膜形成技術、(4)低消費電力化を目的とした、オゾン処理によるダイヤモンドFETの閾値制御技術、を開発した。
デバイス評価手法としては、De-embedding手法を導入することで、寄生成分の影響を除去し、ダイヤモンドMISFETの真性特性評価が可能となった。また、水素終端ダイヤモンド中に形成されるホール蓄積層のキャリア走行メカニズム解明を念頭に、移動度の実行垂直電界依存性を明らかにした。
デバイス作製のプロセス技術としては、ゲート長0.2μm以下の微細ゲート構造作製のためのセルフアラインプロセスと、ゲート抵抗の低減を目的としたT型ゲート電極構造の作製プロセスを確立した。
ダイヤモンドMISFET作製と特性評価としては、前述の微細プロセス技術を用いて、ゲート長0.15μmのダイヤモンドMISFETの作製に成功し、遮断周波数30GHz、最高発振周波数48GHzを達成した。また、Al_2O_3ゲート絶縁膜を用いたダイヤモンドMISFETの作製に成功し、絶縁膜厚3nm、ゲート長0.3μmにて遮断周波数30GHz、最高発振周波数60GHzを達成した。更に、世界で初めてダイヤモンドMISFETにおいてロードプル測定を行い、ゲート幅100μm,ゲート長0.3μmのデバイスにおいて、1GHzの高周波大信号入力時に電力密度2.14W/mmが得られた。この値は報告されているGaAsFETやSi LDMOSの電力密度の最高値よりも優れたものであり、ハイパワー高周波トランジスタとしてのダイヤモンドFETの優位性を確認できた。

研究成果

• [雑誌論文] Characterization of diamond metal-insulator-semiconductor field-effect transistors with aluminum oxide gate insulator (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Hirama, S.Miyamoto, H.Matsudaira, K.Yamada, H.Kawarada, T.Chikyo, H.Koinuma, K.Hasegawa, H.Umezawa
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 88 ページ: 112-117
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Diamond MISFETs for High Frequency Applications (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, K.Hirama, T.Arai, H.Hata, H.Takayanagi, T.koshiba, K.Yohara, S.Mejima, M.Satoh, K.S.Song, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 45 (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 70 nm Channel Diamond MISFET and Suppression of Short Channel Effect (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, T.Arima, S.Miyamoto, H.Matsudaira, H.Kawarada
  • 雑誌名: IEEE Elect. Device Lett. 27 (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Advantage on Supercondutivity of Heavily Boron-Doped (III)Diamond Films (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, T.Takenouchi, Y.Takano, K.Kobayashi, M.Nagao, I.Sakaguchi, M.Tachiki, T.Hatano, G.Zhong, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 73 (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Fabrication of T-shaped gate diamond Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistors (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Hirama, S.Miyamoto, H.Matsudaira, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. (Accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Characterization of diamond metal-insulator-semiconductor field-effect transistors with aluminum oxide sate insulator (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Hirama, S.Miyamoto, H.Matsudaira, K.Yamada, H.Kawarada, T.Chikyo, H.Koinuma, K.Hasegawa, H.Umezawa
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 88 ページ: 112117
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Diamond MISFETs for High Frequency Applications (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, K.Hirama, T.Arai, H.Hata, H.Takayanagi, T.Koshiba, K.Yohara, S.Mejima, M.Satoh, K.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 45(in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] 70 nm Channel Diamond MISFET and Suppression of Short Channel Effect (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, T.Arima, S.Miyamoto, H.Matsudaira, H.Kawarada
  • 雑誌名: IEEE Elect.Device Lett. 27(in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Advantage on Supercondutivity of Heavily Boron-Doped (111) Diamond Films (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, T.Takenouchi, Y.Takano, K.Kobayashi, M.Nagao, I.Sakaguchi, M.Tachiki, T.Hatano, G.Zhong, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 73(in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] RF diamond transistors : Current status and future prospects (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, K.Hirama, T.Arai, H.Hata, H.Takayanagi, T.Koshiba, K.Yohara, S.Mejima, M.Satoh, S.Song, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 44, 11 ページ: 7789-7794
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Characterization of the Locally Modified Diamond Surface using a Kelvin Probe Force Microscope (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Tachiki, Y.Kaibara, Y.Sumikawa, M.Shigeno, H.Kanazawa, T.Banno, K.S.Song, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Surf. Sci. 581, 2-3 ページ: 207-212
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 表面修飾ダイヤモンドトランジスタによるDNA及びバイオセンシング応用 (2005)
  • 著者名/発表者名: 川原田 洋, 宋 光燮
  • 雑誌名: 化学と工業 58-4 ページ: 473-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Micropatternin oligonucleotides on single-crystal diamond surface by photolithography (2005)
  • 著者名/発表者名: G.J.Zhang, H.Umezawa, H.Hata, T.Zako, T.Funatsu, I.Ohdomari, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 44, 8-11 ページ: L295-L298
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Characteristics of Diamond Electrolyte Solution-Gate FETs (SGFETs) and Applications to Biosensors (2005)
  • 著者名/発表者名: K.S.Song, H.Kawarada
  • 雑誌名: New Diamond and Frontier Carbon Technology 15 ページ: 325-335
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Superconductivity in polycrystalline diamond thin films (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Takano, M.Nagao, T.Takenouchi, H.Umezawa, I.Sakaguchi, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater. 14, (11-12) ページ: 1936-1938
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Fabrication of diamond MISFET with micron-sized gate length on boron-doped (111) surface (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Saito, KH.Park, K.Hirama, H.Umezawa, M.Satoh M, H.Kawarada, H.Okushi
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater. 14, (11-12) ページ: 2043-2046
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] An electron-spectroscopic view of CVD diamond surface conductivity (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kono, M.Shiraishi, T.Goto, T.Abukawa, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater., Sp. Iss. SI 14, (3-7) ページ: 459-465
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Origin of the metallic properties of heavily boron-doped superconducting diamond (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoya, T.Nakamura, T.Matsushita, T.Muro, Y.Takano, M.Nagao, T.Takenouchi, H.Kawarada, T.Oguchi
  • 雑誌名: Nature 438(7068) ページ: 647-650
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] RF diamond transistors : Current status and future prospects (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Umezawa, K.Hirama, T.Arai, H.Hata, H.Takayanagi, T.Koshiba, K.Yohara, S.Mejima, M.Satoh, K.S.Song, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 44, 11 ページ: 7789-7794
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Characterization of the Locally Modified Diamond Surface using a Kelvin Probe Force Microscope (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Tachiki, Y.Kaibara, Y.Sumikawa, M.Shigeno, H.Kanazawa, T.Banno, K.S.Song, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Surf.Sci. 581, 2-3, ページ: 207-212
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Micropatterning oligonucleotides on single-crystal diamond surface by photolithography (2005)
  • 著者名/発表者名: G.J.Zhang, H.Umezawa, H.Hata, T.Zako, T.Funatsu, I.Ohdomari, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 44, 8-11 ページ: L295-L298
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Superconductivity in polycrystalline diamond thin films (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Takano, M.Nagao, T.Takenouchi, H.Umezawa, I.Sakaguchi, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater. 14, (11-12) ページ: 1936-1938
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Fabrication of diamond MISFET with micron-sized gate length on boron-doped (111) surface (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Saito, KH.Park, K.Hirama, H.Umezawa, M.Satoh M, H.Kawarada, H.Okushi
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater. 14, (11-12) ページ: 2043-2046
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] An electron-spectroscopic view of CVD diamond surface conductivity (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kono, M.Shiraishi, T.Goto, T.Abukawa, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater.(Sp.Iss.SI) 14, (3-7) ページ: 459-465
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Diamond field effect transistors using H-terminated surfaces (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Kawarada
  • 雑誌名: Thin-Film Diamond II Semiconductors and Semimetals 77 ページ: 311-338
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Surface modified Diamond Field-Effect Transistors for Enzyme Immobilized Biosensor (2004)
  • 著者名/発表者名: K.S.Song, M.Degawa, Y.Nakamura, H.Kanazawa, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 43(Express Letter) ページ: 814-817
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ダイヤモンドにおけるキャリア輸送特性とFETへの応用 (2004)
  • 著者名/発表者名: 川原田 洋, 梅沢 仁
  • 雑誌名: 応用物理 73,3 ページ: 339-345
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Memory effect of diamond in -plane-gated field-effect transistors (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sumikawa, T.Banno, K.Kobayashi, Y.Itoh, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 85(1) ページ: 139-141
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Over 20 GH_2 Cut-Off Frequency Deep Sub-micron Gate Diamond MISFET (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Matsudaira, S.Miyamoto, H.Ishizaka, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: IEEE Elect. Dev. Lett. 25(7) ページ: 480-482
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 多結晶ダイヤモンド表面を用いた電解質溶液FETsのバイオセンサへの応用 (2004)
  • 著者名/発表者名: 宋 光燮, 中村 雄介, 出川 宗里, 佐々木 順紀, 梅沢 仁, 川原田 洋
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会論文誌 31,4 ページ: 335-340
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Superconductivity in diamond thin films well above liquid helium temperature (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Takano, M.Nagao, I.Sakaguchi, M.Tachiki, T.Hatano, K.Kobayashi, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 85, 14 ページ: 2851-2853
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Surface modified Diamond Field-Effect Transistors for Enzyme Immobilized Biosensor (2004)
  • 著者名/発表者名: K.S.Song, M.Degawa, Y.Nakamura, H.Kanazawa, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Jph.J.Appl.Phys.(Express Letter) 43 ページ: 814-817
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Memory effect of diamond in-plane-gatedfield-effect transistors (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sumikawa, T.Banno, K.Kobayashi, Y.Itoh, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85(1) ページ: 139-141
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Over 20 GHz Cut-Off Frequency Deep Sub-micron Gate Diamond MISFET (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Matsudaira, S.Miyamoto, H.Ishizaka, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: IEEE Elect.Dev.Lett. 25(7) ページ: 480-482
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Superconductivity in diamond thin films well above liquid helium temperature (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Takano, M.Nagao, I.Sakaguchi, M.Tachiki, T.Hatano, K.Kobayashi, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85, 14 ページ: 2851-2853
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ozone-Treated Channel Diamond Field-Effect Transistors (2003)
  • 著者名/発表者名: T, Sakai, K.S.Song, H.Kanazawa, Y.Nakamura, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater. 12 ページ: 1971-1975
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Deep Sub-micron Gate Diamond MISFETs (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Matsudaira, T.Arima, H.Ishizaka, H.Umezawa, M.Tachiki, S.Miyamoto, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater. 12 ページ: 1814-1818
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Cryogenic Operation of Diamond Field-Effect Transistors (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ishizaki, M.Tachiki, K.S.Song, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater. 12 ページ: 1800-1803
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nonlinear Increase of Excitonic Emission in Synthetic Type IIa Diamond (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Nakazawa, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam. Relat. Mater. 12 ページ: 1995-1998
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ozone-Treated Channel Diamond Field-Effect Transistors (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai, K.S.Song, H.Kanazawa, Y.Nakamura, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater. 12 ページ: 1971-1975
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Deep Sub-micron Gate Diamond MISFETs (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Matsudaira, T.Arima, H.Ishizaka, H.Umezawa, M.Tachiki, S.Miyamoto, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater. 12 ページ: 1814-1818
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Cryogenic Operation of Diamond Field-Effect Transistors (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ishizaka, M.Tachiki, K.S.Song, H.Umezawa, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater. 12 ページ: 1800-1803
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Nonlinear Increase of Excitonic Emission in Synthetic Type IIa Diamond (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Nakazawa, H.Umezawa, M.Tachiki, H.Kawarada
  • 雑誌名: Diam.Relat.Mater. 12 ページ: 1995-1998
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より