窒化物／酸化物積層構造による強誘電体特性の発現とダイヤモンドFETへの応用

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06330
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 井村 将隆 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (80465971)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 電子デバイス・電子機器 / 高周波パワーデバイス / 電界効果トランジスタ / ダイヤモンド / ノーマリオフ型 / 窒化アルミニウム / 酸化アルミニウム / 有機金属化合物気相成長法

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超高速・大電流・高耐圧・高温動作ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の開発を試みている。ゲート絶縁膜として窒化アルミニウム(AlN)及び窒化アルミニウム(AlN)／アルミナ(Al2O3)積層構造を選定し、水素終端ダイヤモンド表面に誘起される正孔伝導層をFETのチャネルとして用いている。各絶縁膜材料の成長方法は、有機金属化合物気相成長(MOVPE)法、原子層体積成長(ALD)法、超高真空スパッタ法を用いた。
平成28年度において申請者は、MOVPE法の結晶成長条件の最適化を行うことで、単結晶AlN/ダイヤモンドヘテロ構造を形成することに成功した。また同時にAlN/ダイヤモンドヘテロ接合界面に10E14㎝^-2の正孔伝導層が得られることを発見し、新規ダイヤモンドFETの開発の道筋を立てた。また並行してAlN/Al2O3/ダイヤモンドヘテロ構造FETの試作検討を行った。AlN(25 nm)/Al2O3(5 nm)/ダイヤモンドヘテロ構造FET(Lg=4 um, Lgd=24 um)構造を試作し、FET特性を評価した結果、最大ドレイン電流-113 mA/mm、耐圧-247.4Vの値であることが明らかとなった。
AlN/Al2O3積層構造における強誘電体特性の発現に関しては、超高真空スパッタ法により堆積させたAlNの質によって変化することが明らかとなってきており、結晶欠陥(固定電荷)の多いAlNが影響していると考えられる。しかしながら、静電容量-電圧(C-V)測定の評価の際、結晶欠陥(固定電荷)の多いAlNをどのように解析に組み込むかが重要であり、未解決の課題である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究において申請者は、AlNを用いた新規ダイヤモンドFETの開発の道筋を立て、並行してAlN/Al2O3/ダイヤモンドヘテロ構造FETの試作検討を行った。そのため、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

H29年度では、引き続きAlN/ダイヤモンドFET、AlN/Al2O3/ダイヤモンドFETの開発を行う。AlN/Al2O3積層構造における強誘電体特性の発現に関しては、超高真空スパッタ法により堆積させたAlNの質によって変化することが明らかとなってきており、結晶欠陥(固定電荷)の多いAlNが影響していると考えられる。そのためH29年度にて本内容も詳細に解析予定である。また静電容量-電圧(C-V)測定の評価の際、結晶欠陥(固定電荷)の多いAlNをどのように解析に組み込むかが重要になると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Effect of off-cut angle of hydrogen-terminated diamond(111) substrate on the quality of AlN towards high-density AlN/diamond(111) interface hole channel (2017)
  • Author(s): M. Imura, R.G. Banal, M. Liao, J. Liu, T. Aizawa, A. Tanaka, H. Iwai, T. Mano, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Pages: 025702
  • DOI: 10.1063/1.4972979
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface and bulk electronic structures of heavily Mg-doped InN epilayer by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2017)
  • Author(s): M. Imura, S. Tsuda, T. Nagata, R.G. Banal, H. Yoshikawa, A. Yang, Y. Yamashita, K. Kobayashi, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Pages: 095703
  • DOI: 10.1063/1.4977201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nanometer-thin ALD-Al2O3 for the improvement of the structural quality of AlN grown on sapphire substrate by MOVPE (2017)
  • Author(s): R.G. Banal, M. Imura, D. Tsuya, H. Iwai, and Y. Koide
  • Journal Title: Physica Status Solidi A Volume: 214 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1002/pssa.201600727
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural properties and transfer characteristics of sputter deposition AlN and atomic layer deposition Al2O3 bilayer gate materials for H-terminated diamond field effect transistors (2016)
  • Author(s): R.G. Banal, M. Imura, J. Liu, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 120 Pages: 115307
  • DOI: 10.1063/1.4962854
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-k ZrO2/Al2O3 bilayer on hydrogenated diamond: Band configuration, breakdown field, and electrical properties of field-effect transistors (2016)
  • Author(s): J.W. Liu, M.Y. Liao, M. Imura, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 120 Pages: 124504
  • DOI: 10.1063/1.4962851
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Formation Mechanism and Elimination of Small‐Angle Formation Mechanism and Elimination of Small‐Angle Grain Boundary in AlN Grown on (0001) Sapphire Substrate (2016)
  • Author(s): R.G. Banal, M. Imura, Y. Koide
  • Journal Title: INTECH Volume: Chapter3 Pages: 43-58
  • DOI: 10.5772/66177
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Microstructure and Hole Accumulation Mechanism of AlN/Diamond(111) Het erojunctions Prepared by MOVPE (2016)
  • Author(s): M. Imura, R. G. Banal, M. Y. Liao, J. W. Liu, Y. Koide, T. Matsumoto, N. Shibata, Y. Ikuhara
  • Organizer: International Conference on Diamond and Carbon Materials 2016 (ICDCM2016)
  • Place of Presentation: Le Corum, Montpellier, France
  • Year and Date: 2016-09-04 – 2016-09-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural Property of Boron-doped AlN grown by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2016)
  • Author(s): M. Imura, Y. Ota, R. G. Banal, Y. Koide
  • Organizer: International workshop on UV materials and devices (IWUMD-2016)
  • Place of Presentation: Peking University, Beijing, China
  • Year and Date: 2016-07-27 – 2016-07-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MOVPE法により成長させたボロンドープAlNの構造評価 (2016)
  • Author(s): 井村将隆, 太田優一, R. G. Banal, 小出康夫
  • Organizer: 第35回電子材料シンポジウム
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖
  • Year and Date: 2016-07-06 – 2016-07-08