高密度正孔ガスを利用したダイヤモンド高出力ミリ波トランジスタ

2010 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19106006
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 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: 立木 実 (独)物質材料研究機構 (50318838)
• 連携研究者: 高野 義彦 (独)物質材料研究機構 (10354341) ; 梁 正勲 早稲田大学, 理工学術院 (80409680) ; 岩 孝之 早稲田大学, 理工学術院 (80454031)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2010
• キーワード: 電子デバイス

研究概要

ダイヤモンドは降伏電界が半導体中最も高く、物質中最高の熱伝導率をもち、従来の半導体で不可能であった高出力高周波デバイスや低損失電力素子が期待される。本研究では、ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の性能を表面やバルクでの異種原子制御より向上させ、ミリ波帯で動作する高周波デバイスや超伝導ダイヤモンドを利用した新機能デバイスの開発を行った。この結果、現在の半導体でのFETの最大級の電流密度1A/mmを達成し、ミリ波帯に入る50GHz近くでの動作およびSiおよびGaAs等の従来の半導体を越えるGHz帯での高い電力制御を可能とした。400℃での高温動作も可能とした。また、ダイヤモンド超伝導を利用したジョセフソン接合でテラヘルツ帯の特性振動数を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Refractory two- dimensional hole gas on hydrogenated diamond surface (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Hiraiwa, A. Daicho, S. Kurihara, Y. Yokoyama, and H. Kawarada
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 112 ページ: 124504/1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Current MOSFETs on H-terminated Diamond Surfaces and Their High Frequency Operation (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Kawarada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 51 ページ: 090111/1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vertical SNS Weak-Link Josephson Junction Fabricated from Only Boron-Doped Diamond (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Watanabe, R. Nomura, R . Kanomata, S. Kurihara, A. Kawano, S. Kitagoh, T. Yamaguchi Y.Takano, H.Kawarada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 85 ページ: 184516/1-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and electrical characterization of δ-doped boron layers on (111) diamond surfaces (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Edgington, S. Sato, Y. Ishiyama, R. Morris, R. B. Jackman and H. Kawarada
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 111 ページ: 033710/1-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Boron δ-doped (111) diamond solution gate field effect transistors (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Edgington, A. R. Ruslinda, S. Sato, Y. Ishiyama, K. Tsuge, T. Ono, H. Kawarada, and R. B. Jackman
  • 雑誌名: Biosensors and Bioelectronics 巻: 33 ページ: 152-157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diamond electrolyte solution gate FETs for DNA and protein sensors using DNA/RNA aptamers (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Kawarada and A. R. Ruslinda
  • 雑誌名: Phys. Status. Solidi A 巻: 209 ページ: 9, 2005-2016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductor-to-insulator transition in boron-doped diamond (2010)
  • 著者名/発表者名: A. Kawano, H. Ishiwata, S. Iriyama, R. Okada, T. Yamaguchi, Y. Takano, and H. Kawarada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 81 ページ: 085318/1-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrashallow TiC source/drain contacts in diamond MOSFETs formed by hydrogenation-last approach (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Jingu, K. Hirama, H. Kawarada
  • 雑誌名: IEEE Trans. Electron Device 巻: 57 ページ: 966-972
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aptamer-based biosensor for sensitive PDGF detection using diamond transistor (2010)
  • 著者名/発表者名: A. Rahim Ruslinda, S. Tajima, Y. Ishi, Y. Ishiyama, R. Edgington, H. Kawarada
  • 雑誌名: Biosensors and Bioelectronics 巻: 26 ページ: 1599-1604
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-performance P-channel diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistors on H-terminated (111) surface (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Hirama, K. Tsuge, S. Sato, T. Tsuno, Y. Jingu, S. Yamauchi, H. Kawarada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 3 ページ: 044001/1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Schottky barrier heights, carrier density, and negative electron affinity of hydrogen- terminated diamond (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Tsugawa, H.Noda, K.Hirose, H.Kawarada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 81 ページ: 045303/1-11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft X-ray core-level photoemission study of boron sites in heavily boron-doped diamond films source (2009)
  • 著者名/発表者名: H. Okazaki, R. Yoshida, T. Muro, T. Wakita, M. Hirai, Y.Muraoka, Y. Takano, S. Iriyama, H. Kawarada, T. Oguchi, T. Yokoya
  • 雑誌名: J. Phys.Soc.Jpn 巻: 78 ページ: 034703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature-dependent localized excitations of doped carriers in superconducting diamond (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Ishizaka, R. Eguchi, S. Tsuda, A. Chainani, T. Yokoya, T. Kiss, T. Shimojima, T. Togashi, S. Watanabe, C.-T. Chen, Y. Takano, M. Nagao, I. Sakaguchi, T. Takenouchi, H. Kawarada, S. Shin
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 100 ページ: 166402/1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precise detection of singly mismatched DNA with functionalized diamond electrolyte solution gate FET (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kuga, S. Tajima, J.H. Yang, K. Hirama, H. Kawarada
  • 雑誌名: IEEE IEDM 2008 (International Electron Devices Meeting) ページ: 483-486
  • 査読あり
• [雑誌論文] Holes in the valence band of superconducting boron-doped diamond film studied by soft X-ray absorption and emission spectroscopy (2008)
  • 著者名/発表者名: J. Nakamura, N. Yamada, K. Kuroki, T.Oguchi, K. Okada, Y. Takano, M. Nagao, I. Sakaguchi, T. Takenouchi, H. Kawarada, R.C. C. Perera, D. L. Ederer
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn 巻: 77 ページ: 054711/1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of mismatched DNA on partially negatively charged diamond surface by optical and potentiometric methods (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kuga, J. H. Yang H. Takahashi, K. Hirama, T. Iwasaki, H. Kawarada
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: 130 ページ: 13251-13263
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of hybridization on diamond solution-gate field-effect transistors for detecting single mismatched oligonucleotides (2008)
  • 著者名/発表者名: J. H. Yang, S. Kuga, K. S. Song, H. Kawarada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 1 ページ: 11801/1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spontaneous polarization model for surface orientation dependence of diamond hole accumulation layer and its transistor performance (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Hirama, H. Takayanagi, S. Yamauchi, J. H. Yang, H. Umezawa, H. Kawarada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 92 ページ: 11, 112107/1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-temperature STM/STS studies on boron-doped (111) diamond films (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Nishizaki, Y. Takano, M. Nagao, T. Takenouchi, H. Kawarada, N. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Phy. Chem. Solids 巻: 69 ページ: 3027-3030
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-performance p-channel diamond MOSFETs with alumina gate insulator (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Hirama, H. Takayanagi, S. Yamauchi, Y. Jingu, H. Umezawa, H. Kawarada
  • 雑誌名: 2007 IEEE IEDM (International Electron Devices Meeting) ページ: 873-876
  • 査読あり
• [学会発表] Heavily boron-doped diamond and its application to electron devices in harsh environment (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Kawarada
  • 学会等名: International Conference on New Diamond & Nano Carbons (NDNC 2012)
  • 発表場所: Puerto Rico, USA (invited)
  • 年月日: 20120520-24
• [学会発表] Superconducting diamond is still in progress (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Kawarada
  • 学会等名: 22nd European Conference on Diamond,Garmisch- Partenkirchen
  • 発表場所: Germany (invited)
  • 年月日: 20110903-07
• [学会発表] Mechanism of DNA and RNA sensing by diamond surface channel device (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kawarada
  • 学会等名: International Symposium on Surface Science and Nanotechnology
  • 発表場所: Japan (invited)
  • 年月日: 20081109-13
• [学会発表] On the mechanism of DNA and RNA precise sensing using diamond devices (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kawarada
  • 学会等名: 2nd conference on New Diamond & Nano Carbons
  • 発表場所: Taipei, Taiwan (plenary)
  • 年月日: 20080525-30
• [図書] 「知識ベース」 S2群2編 ダイヤモンドデバイス (電子情報通信学会 2010) (2010)
  • 著者名/発表者名: 川原田 洋
  • 出版者: 電子情報通信学会
• [図書] 4.1.3 Diamond, 2007 in Wide Bandgap Semiconductors, edited by K.Takahashi, A.Yoshikawa, A.Sandhu (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kawarada
  • 総ページ数: 243-248
  • 出版者: Springer
• [備考] 川原田 洋 第11回超伝導科学技術賞(未踏科学技術協会) 2007年
• [備考] (1)日経産業新聞 2012年10月3日「人工ダイヤ使い400℃耐熱トランジスタ」
• [備考] (2)半導体産業新聞 2012年1月25日号p.10 「究極の半導体」を目指して「世界最高性能のダイヤモンドFET開発」
• [備考] (3)電子ジャーナル 2011年8月号p.90-91 超低損失電力トランジスタの研究開発
• [備考] (4)日経産業新聞 2008年4月2日「新センサで安価に検出、ダイヤモンドFETセンサ」
• [備考] (5)日刊工業新聞 2008年12月17日 「ダイヤモンドの電界効果トランジスタを利用、DNAやRNAの一塩基多型検出に成功」
• [備考]
  • URL: http://www.kawarada-lab.com/
• [産業財産権] 電力素子、電力制御機器、電力素子の製造方法 (2012)
  • 発明者名: 川原田 洋、 平岩 篤
  • 権利者名: 早稲田大学
  • 産業財産権番号: 2012-185180
  • 出願年月日: 2012-08-24
• [産業財産権] ジョセフソン素子 (2009)
  • 発明者名: 川原田 洋、高野義彦 他
  • 権利者名: 早稲田大学、(独)物質材料研究機構
  • 産業財産権番号: 2009-204864
  • 出願年月日: 2009-09-04
• [産業財産権] ダイヤモンド薄膜およびダイヤモンド電界効果トランジスタ (2009)
  • 発明者名: 川原田 洋、嘉数 誠 他
  • 権利者名: 早稲田大学、NTT物性科学研究所
  • 産業財産権番号: 2009-17305
  • 出願年月日: 2009-07-24