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

2017 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29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。しかしながら、AlNの結晶品質の向上に伴い、AlN/ダイヤモンドヘテロ接合界面の正孔伝導層のシートキャリア濃度は減少する傾向が見られた。このトレードオフ現象は、AlN/ダイヤモンドヘテロ接合型FETを開発する上で克服すべき課題であり、H30年度において詳細に検討・評価を行う予定である。
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。その結果、ダイヤモンド基板の面方位により、FETの最大ドレイン電流が大きくなることが明らかになってきた。そのため、H30年度においてFET特性とダイヤモンド基板の面方位との相関関係を明らかにする予定である。
AlN/Al2O3積層構造における強誘電体特性の発現に関しては、本年度ではあまり進展させることが出来なかった。そのため、H30年度において詳細に検討・評価を行う予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

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。AlN/Al2O3積層構造における強誘電体特性の発現に関しては、本年度ではあまり進展させることが出来なかった。そのため、やや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

H30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/ダイヤモンドFETに関しては、AlNの品質と界面のシートキャリア濃度の関係を詳細に調査する。AlN/Al2O3/ダイヤモンドFETに関しては、(111)面ダイヤモンド基板上にデバイスを試作し、FET特性向上を図る。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H30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] Surface and bulk electronic structures of unintentionally and Mg-doped In 0.7Ga 0.3N epilayer by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2018)
  • Author(s): M. Imura, S. Tsuda, H. Takeda, T. Nagata, R.G. Banal, H. Yoshikawa, A. Yang, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Koide, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 123 Pages: 095701-9
  • DOI: 10.1063/1.5016574
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Annealing effects on hydrogenated diamond NOR logic circuits (2018)
  • Author(s): J.W. Liu, H. Oosato, M.Y. Liao, M. Imura, E. Watanabe, and Y. Koide
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Pages: 153501-5
  • DOI: 10.1063/1.5022590
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A density functional study of the effect of hydrogen on electronic properties and band discontinuity at anatase TiO 2/diamond interface (2018)
  • Author(s): K. Wu, M. Liao, L. Sang, J. Liu, M. Imura, H. Ye, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 123 Pages: 161599-8
  • DOI: 10.1063/1.5002176
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct observation of inversion capacitance in p-type diamond MOS capacitors with an electron injection layer (2018)
  • Author(s): T. Matsumoto, H. Kato, T. Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, S. Yamasaki, M. Imura, A. Ueda, T. Inokuma, and N. Tokuda
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Pages: 04FR01-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.04FR01.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of Sputter Deposition Atmosphere of AlN on the Electrical Properties of Hydrogen-Terminated Diamond Field Effect Transistor with AlN/Al2O3 Stack Gate (2017)
  • Author(s): R.G. Banal, M. Imura, H. Ohata, M. Liao, J. Liu, and Y. Koide
  • Journal Title: Physica Status Solidi A Volume: 214 Pages: 1700463
  • DOI: 10.1002/pssa.201700463
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Logic Circuits With Hydrogenated Diamond Field-Effect Transistors (2017)
  • Author(s): J. Liu, H. Ohsato, M. Liao, M. Imura, E. Watanabe, and Y. Koide
  • Journal Title: Ieee Electron Device Letters Volume: 38 Pages: 922-925
  • DOI: 10.1109/LED.2017.2702744.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deposition of TiO 2/Al 2O 3bilayer on hydrogenated diamond for electronic devices: Capacitors, field-effect transistors, and logic inverters (2017)
  • Author(s): J.W. Liu, M.Y. Liao, M. Imura, R.G. Banal, and Y. Koide
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Pages: 224502-11
  • DOI: 10.1063/1.4985066.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Mgドーピングによる高In組成InGaNの表面-バルク電子状態変化 (2018)
  • Author(s): 井村将隆, 津田俊輔, 長田貴弘, 山下良之, 吉川英樹, 小林啓介, 小出康夫, 山口智広, 金子昌充, 上松尚, 荒木努, 名西やすし
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 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. Ryan, M. Liao, J. Liu, T. Aizawa, A. Tanaka, H. Iwai, T. Mano, Y. Koide
  • Organizer: The 11th Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 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, A. L. Yang, Y. Yamashita, H. Yoshikawa,Y. Koide, K. Kobayashi, T. Yamaguchi, M. Kaneko, N. Uematsu, K. Wang, T. Araki, and Y. Nanishi
  • Organizer: 12th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS12)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microstructure of Boron-doped AlN Epitaxial Layer Grown by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2017)
  • Author(s): M. Imura, Y. Ota, R. G. Banal, and Y. Koide
  • Organizer: 29th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement on electrical properties of H-terminated diamond FETs using sputter deposition AlN/ atomic layer deposition Al2O3 stack gate structure (2017)
  • Author(s): M. Imura, R. G. Banal, J. Liu, M. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: 28th International Conference on Diamond and Carbon Materials (ICDCM2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microstructure of In0.20Ga0.80N nanowires on Si (111) substrate evaluated by aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (2017)
  • Author(s): M. Imura, R. G. Banal, Y. Koide, Y. Nakayama, M. Takeguchi, S. Mizutani, T. Tabata, S. Nakagawa, Y. Honda, M. Yamaguchi, and H. Amano
  • Organizer: The 11th International Symposium on Semiconductor Light Emitting Devices (ISSLED2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microstructure and electrical property of AlN/Diamond(111) heterojunction (2017)
  • Author(s): M. Imura, M. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: OIST Diamond WS2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] III-nitride/diamond hybrid systems (2017)
  • Author(s): M. Imura, M. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: 3N-Lab Workshop Tsukuba-Grenoble for Diamond and GaN
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vacuum-Ultra-Violet Diamond-based Photodetector for high-power excimer lamp (2017)
  • Author(s): M. Imura, M. Liao, and Y. Koide
  • Organizer: International Workshop on UV Materials and Devices 2017 (IWUMD2017)
  • Int'l Joint Research