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2021 年度 実績報告書

h-BNヘテロ構造を利用した高移動度ダイヤモンドFETの創製と量子輸送現象の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 19H02605
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

山口 尚秀  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (70399385)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードダイヤモンド / 電界効果トランジスタ / 六方晶窒化ホウ素 / 移動度 / 水素終端 / トランスファードーピング
研究実績の概要

ダイヤモンドと六方晶窒化ホウ素(h-BN)の高品質なヘテロ構造を利用した高移動度pチャネル電界効果トランジスタ(FET)について昨年度得た結果をもとに論文を投稿し、レフリーコメントに従って改訂を行った。その際、チャネル移動度の理論計算の改良などを行うとともに、FET特性評価に関する実験を平行して進めた。再投稿を経て、Nature Electronics誌に掲載された。一般的に用いられるアルミナなどの酸化物の代わりにh-BNをゲート絶縁体とするとともに、ダイヤモンド表面を水素終端化したあとに大気に晒さない新しいプロセスを使うことで、ゲート絶縁体中の欠陥や大気由来の界面不純物を低減し、従来にない高い特性のダイヤモンドFETを得ることができた。本研究で作製に成功したFETは、これまで水素終端ダイヤモンドFETの動作に必要だと考えられてきた表面トランスファードーピング(下記注)という特殊な手法を必要とせず、シリコンMOSFETなどと同等の反転層型のFETとして動作することが示された。すなわち、従来の水素終端ダイヤモンドに特有の特殊な構造ではなく、一般的な半導体と同じ設計思想で、水素終端ダイヤモンドFETを作製できることを実証した。本成果は今後のダイヤモンドデバイス開発の新しい指針となり、パワーエレクトロニクスや情報通信等の用途で利用できる高性能な素子の開発につながると期待される。(注:ダイヤモンド表面に自然にあるいは意図的に付与された大気由来の弱酸性の水、酸性ガス、あるいは高仕事関数酸化物などがアクセプターとして働き、ダイヤモンドの価電子帯から電子を受け取り、ダイヤモンドに正孔を生じさせるというドーピング機構。)

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures2022

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi, Yamaguchi Takahide
    • 雑誌名

      Nature Electronics

      巻: 5 ページ: 37~44

    • DOI

      10.1038/s41928-021-00689-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] h-BNゲート絶縁体を用いたノーマリーオフ型高移動度ダイヤモンドFET2022

    • 著者名/発表者名
      笹間 陽介 蔭浦 泰資 井村 将隆 渡邊 賢司 谷口 尚 内橋 隆 山口 尚秀
    • 学会等名
      2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] High-mobility p-channel FETs based on H-terminated diamond/h-BN heterostructures2022

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Takahide
    • 学会等名
      The 3rd international workshop on diamond electronics in Kanazawa
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ダイヤモンド高移動度トランジスタ2022

    • 著者名/発表者名
      笹間 陽介 山口 尚秀
    • 学会等名
      SATテクノロジー・ショーケース 2022
  • [学会発表] Diamond / h-BN van der Waals heterostructures for high performance transistors2021

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Takahide
    • 学会等名
      The 10th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN 2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] h-BNヘテロ構造を用いたノーマリーオフ型高移動度ダイヤモンドトランジスタ2021

    • 著者名/発表者名
      笹間 陽介 蔭浦 泰資 井村 将隆 渡邊 賢司 谷口 尚 内橋 隆 山口 尚秀
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Modeling of Electrical Characteristics in Hydrogen-Terminated Diamond Field-Effect Transistors2021

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Takahide, Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi
    • 学会等名
      14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2020/2021
    • 国際学会
  • [学会発表] High-Mobility Normally-Off Hydrogen-Terminated Diamond Field-Effect Transistors with a h-BN Gate Insulator2021

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi, Yamaguchi Takahide
    • 学会等名
      14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2020/2021
    • 国際学会
  • [備考] 先端電子材料研究室

    • URL

      https://www.nims.go.jp/personal/yamaguchi-takahide/

  • [備考] ダイヤモンドで高移動度トランジスタを実現(プレスリリース)

    • URL

      https://www.nims.go.jp/news/press/2022/01/202201180.html

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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