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[応用物理_MDR.zip](https://mdr.nims.go.jp/filesets/d7ffb8ac-356f-464f-b881-fc15de955565/download)

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[山口 尚秀](https://orcid.org/0000-0003-0208-7317)

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© 2025 公益社団法人応用物理学会[In Copyright](http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/)

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[ダイヤモンド電界効果トランジスタ](https://mdr.nims.go.jp/datasets/ba732fd8-836e-460f-895e-ff9ecc7c54e6)

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Manuscript_NIMS_Yamaguchi_最終版.docxコンテンツ名：ダイヤモンド電界効果トランジスタ執筆者の氏名：山口尚秀所属先：国立研究開発法人物質・材料研究機構所属先住所　〒305-0044 茨城県つくば市並木1-1電話番号：029-860-4885e-mail: yamaguchi.takahide@nims.go.jp和文要旨ダイヤモンドは，他のワイドバンドギャップ半導体で作るのが難しい高性能なpチャネルの電界効果トランジスタを作ることができる稀有な物性をもつ．そのため，相補型パワーインバータの実現などパワーエレクトロニクスを変革する可能性のある魅力的な半導体材料である．本稿では，研究開発が進むダイヤモンド電界効果トランジスタについて，特にダイヤモンドとゲート絶縁膜の接合部の構造が特性に与える影響を中心に解説する．タイトル【英文】Diamond field-effect transistor執筆者の氏名【英文】Takahide YAMAGUCHI所属先【英文】National Institute for Materials Science所属先住所【英文】 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki 305-0044英文要旨Diamond exhibits unique properties enabling the fabrication of high-performance p-channel field-effect transistors, an achievement that remains challenging for other wide-bandgap semiconductors. This distinct potential thus positions diamond as an exceptional semiconductor material for the realization of complementary power inverters and advancements in power electronics. This paper provides a comprehensive review of the progress in diamond field-effect transistors, with a particular emphasis on the diamond/gate insulator interface and its critical influence on device performance.本文1． まえがきダイヤモンド半導体デバイスについての話題を最近ニュースでしばしば目にするようになった．ダイヤモンドは物性値からみると，実用化が進む炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)と比べても，優れた特性のパワー・高周波デバイスを作ることができるポテンシャルをもつ．そのため古くから注目され1)，電界効果トランジスタ(FET)やダイオードについての研究が数多く行われてきた．近年，大型単結晶基板の製造技術の進展2, 3)も伴い，大学や国研からのスタートアップ企業の設立など，実用化の機運が高まっている．ダイヤモンドFET作製の最初の報告は1989年に遡る4)．化学気相合成（CVD）法で成膜されたp型のボロンドープ層にAlショットキーゲートを設けたMES（金属―半導体）型FETの報告である．MIS（金属―絶縁体―半導体）型FETは1991年に報告された5)．これら初期の研究ではボロンドープ層をチャネルとしていたが，1994年に水素終端ダイヤモンドの表面伝導を利用したMESFETが報告され，はじめてノーマリオフ動作が示された6)．その後，デルタドープFET7), 接合型FET（JFET）8)，溶液ゲートFET9, 10)，ディープデプレッションFET11)，Fin-FET12)，MIMS-FET13)，固体電気二重層型FET14)，光制御FET15)などさまざまな構造のダイヤモンドFETが作製されてきた．本稿では，これまでに最も多く報告されている水素終端ダイヤモンドを利用したpチャネルMISFETについて詳しく説明し，最近登場したシリコン結合表面を使ったFETも紹介する．特にダイヤモンドとゲート絶縁膜の接合部の構造が特性に与える影響に焦点を当てる．２．ダイヤモンドの魅力ダイヤモンドと主要な半導体の物性値を表１に示す16)．ダイヤモンドは最も大きな5.5 eVのバンドギャップをもち，絶縁破壊電界も高い．そのためFETの高温動作や高耐圧化が可能となる．冷却システムの簡素化による装置の小型・軽量化も期待できる．さらに，FETがオフ状態のときにドレイン―ソース間にかかる電圧を保持する領域（ドリフト領域）を薄く，ドーピング濃度を高くできるため，特性オン抵抗の低減によって低損失化できる．これらは，ワイドバンドギャップ半導体共通の利点だが，ダイヤモンドはもっともその効果が大きいと予想される．さらに，電子および正孔の室温移動度が高い．特に正孔の移動度が例外的に高いのがダイヤモンドの特徴のひとつである．高い移動度も素子の低損失化を可能とする特性である．移動度が高いのは，大きな光学フォノンエネルギーと音響フォノン速度によって，フォノン散乱の影響が小さいためだと考えられる17)．ダイヤモンドの他の大きな特徴は熱伝導率が最も高いことである．放熱しやすいので高出力・高周波動作に適合する．5.7と低い比誘電率も高速動作に適している．また，放射線耐性が高く18)（炭素原子のはじき出しや電子・正孔対生成に必要なエネルギーが高く），宇宙や原子炉などの高放射線環境における利用も期待される．　一方，ダイヤモンドの物性として問題になるのがドーパントの低いイオン化率である16, 19)．ボロンとリンのドーピングによって，それぞれp型，n型のダイヤモンドを合成できる．しかし，アクセプターとドナーのイオン化エネルギーが大きい（ボロン0.36 eV，リン0.57 eV）．このため例えば1017 cm-3のボロンをドープしても，室温での正孔密度は1015 cm-3以下と低い16)．ボロンドープ層をドリフト領域に使って大きな優位性を得るには，高温にする必要がある16)．ただ，以下に示すようにダイヤモンドには，室温でのボロンの低いイオン化率を回避してp型伝導を得られるユニークな特徴がある．3． ダイヤモンド表面処理FETを作る際にもっとも重要になるのが，ダイヤモンドの表面処理である．特にダイヤモンド最表面の炭素原子の余った結合手にどの元素の原子を結合させるかが重要になる．これまでの多くの研究では，水素を結合させてダングリングボンドを終端した水素終端表面（図１(a)）がチャネル領域に使われてきた．3.1 水素終端水素終端表面は，水素プラズマ処理などによって形成可能で，室温付近では大気中でも安定である．水素とメタンなどの炭素源の混合ガスを使ってCVDで成膜されたダイヤモンドの表面は水素終端になっている．他の終端に比べて表面欠陥（準位）密度が低い20)ために，FETのチャネル領域として使うのに適している．また，ボロンがドープされていなくても，大気に晒すとp型の表面伝導が現れるというユニークな性質がある．これはボロンの低イオン化率の問題を回避できる特性として有用だと考えられてきた19)．シート抵抗，正孔密度，移動度はそれぞれ5~50 kΩ，1×1012～5×1013 cm-2，10～200 cm2V-1s-1程度である21, 22)．表面伝導が生じる要因については，表面トランスファードーピングという考え方で概ね理解できる22-26)．水素終端ダイヤモンドを大気に晒すと，大気中のガス分子が表面に吸着し，これがアクセプター（以後，表面アクセプター）として働いて，ダイヤモンドの価電子帯から電子を引き抜くために正孔が生じるというものである（図1(b)）．大気由来のCO2を含む弱酸性の水24)，O2を含む水25)，あるいはNO2 23, 26) やO3 25, 26)などが，表面アクセプターとして働くと考えられてきた．正孔はSi MOSFETの反転層のように電界によって表面から数nm程度の深さに閉じ込められていると考えられる27, 28)．このようなトランスファードーピングによってp型伝導が生じるより根本的な理由は，水素終端ダイヤモンドの価電子帯上端が特異的に高い位置にあることである29, 30)（図２）．価電子帯の上端がH+/H2酸化還元準位24)やNO2のSOMO (Singly Occupied Molecular Orbital)26)よりも高い位置にあるために，電子が移動し正孔が生成する．図２に示されているMoO3やV2O5などの高電子親和力の（伝導帯下端が低い）酸化物を堆積させても1013~1014 cm-2の高い正孔密度が得られる22)．また、Al2O3を堆積させても表面伝導が生じる．Al2O3の場合，伝導帯下端の位置は高いが，膜中の欠陥が表面アクセプターとして働くと考えられている19, 22, 31)．トランスファードーピングは，イオン化エネルギーの小さい（むしろ負の）アクセプターが表面に存在している25)とみることもできるし，スペーサー層がない，あるいは非常に薄い（GaAsのHEMTで使われるような）変調ドーピングとも言える．なお，水素終端ダイヤモンドの表面伝導に対するオーミックコンタクトは，AuやPdなどの高仕事関数金属，Ti成膜後に加熱処理で形成したTiC，あるいはボロンドープ層などによって得ることができる22, 32)．また，Alなどの低仕事関数金属の成膜によってショットキーコンタクトが得られる32)．3.2 酸素終端酸素プラズマ，UVオゾン，酸処理などによって酸素終端表面を形成できる33)．この表面は大気に晒しても伝導を示さない．図２のように，価電子帯上端が低い位置にあるためトランスファードーピングが起こらないためだと考えられる．ポーリングの電気陰性度は，水素2.1，炭素2.5，酸素3.5である．水素終端ではCδ-―Hδ+，酸素終端ではCδ+―Oδ-と逆向きの電気双極子が生じ，これが両者の電子親和力の差の原因になっていると考えられる29, 30)．また，酸素終端表面は表面準位密度が高いため30)，FETのチャネル領域として使うのが難しい．酸素終端表面は，水素終端ダイヤモンドFETの素子分離のためによく使われる．4．水素終端ダイヤモンドFET1994年のMESFETの報告6)のあと，MESFETとともに様々な種類のゲート絶縁膜を使った水素終端ダイヤモンドMISFETが報告されてきた．図２のように，多くの酸化物やフッ化物とのヘテロ接合において価電子帯の大きなバンドオフセットが得られ，pチャネルFETを作ることができる．ただし，水素終端を劣化させずに絶縁膜を成膜する必要がある．表面への影響が比較的小さいと考えられる蒸着法や原子層堆積法（ALD）が主に使われてきた．スパッタ法はプラズマによるダメージの懸念がある．ALDによるAl2O3の薄層成膜のあと，スパッタ法で別の絶縁膜を成膜する手法も用いられた34, 35)．これまでに多くの種類の酸化物（Al2O3, SiO2, HfO2, Y2O3, TiO2, ZrO2, Ta2O5, LaAlO3, MoO3）34-38)やフッ化物（CaF2, MgF2, BaF2）39-41)をゲート絶縁膜として使ったFETが報告されている．多くの場合，ゲート電圧をかけなくても導通を示すノーマリオンの特性が得られる．これは，表面吸着物あるいは絶縁膜中の欠陥が表面アクセプターとして働き，正孔を生じさせるからだと考えられる19, 22, 31, 35)．絶縁膜の成膜前に，水素終端表面をNO2ガスに暴露して積極的に正孔密度を高くする手法も考案された42)．これにより，ダイヤモンドFETの最大ドレイン電流密度IDmaxの最高値である1.3 A mm-1が得られている43)．チャネル領域やゲート―ドレイン間領域へのMoO3やV2O5成膜も正孔密度を高めるために行われている22)．一方，パワーエレクトロニクスでフェールセーフのために必要なノーマリオフ動作も，水素終端の部分酸化やチャネル領域への窒素イオン注入などの方法で実現されてきた35,38,44)．以下，これまでに報告された水素終端ダイヤモンドFETの性能を紹介する．どれもpチャネルのFETである．・高温動作：400℃において動作するFETが報告されている45)．ゲート絶縁膜のAl2O3は450℃でのALDによって成膜された．・耐圧：ゲート―ドレイン間距離LGDが1 μmの横型FETで，365 Vの絶縁破壊ドレイン電圧VBが報告されている(VB/LGD = 3.6 MVcm-1) 31)．LGD が11 μmで2568 VのVBを示すFETも報告された46)．後者のFETは，最大ドレイン電流0.68 A mm-1，オン抵抗50 Ω mmを示した．水素終端表面をN2希釈のNO2ガスに晒し，その上に120℃と230℃の二段階のALDでAl2O3絶縁膜が形成された（図3a）．このFETがヘテロエピタキシャル成長単結晶ダイヤモンド基板を使って作られた点も注目される．同様の手法で，3000 V を超えるVBを示すFETも作製されている47)．ノーマリオフ動作を示すものでは，LGDが21 μmで，VBが2000 V，IDmaxが8.3 mA mm-1のFETが報告されている44)．・高周波動作：ゲート長を微細化したFETで高周波特性も測定されてきた32)．100 nmのゲート長を持つMISFETで電流利得遮断周波数fT 70 GHz48)，同じゲート長のMESFETで最大発振周波数 fmax 120 GHz49)，0.9 μmのゲート長を持つMISFETで出力電力密度4.2 W mm-1 (2 GHz)が報告されている50)．・放射線耐性：MISFETに対するX線照射の研究において，10 kGyまでのトータルドーズでドレイン電流密度と相互コンダクタンスの増加と閾値電圧の正シフトが見られるが，その後1 MGyまで大きく変化しないことが示された51)．・放熱性：MESFETの表面温度がTiO2ナノ粒子のラマン分光によって測定され，デバイス熱抵抗として1 mm K W-1という低い値が得られている52)．これは同様に測定されたGaNとβ-Ga2O3のnチャネルFETに比べて，およそ1/10，1/50の値であった．・縦型FET：高電圧，大電流用途のための縦型FETの開発も進められている．横型と同様に耐圧領域に水素終端表面の伝導を使う縦型FETでは，特性オン抵抗3.2 mΩ cm2，IDmax = 12800 A cm-2，VB = 315 Vが示された53)．ボロンドープドリフト層をもつ縦型FETでは，特性オン抵抗23 mΩ cm2，VB = 580 Vが報告されている54)．後者の構造は以下のとおりである(図3b)．高濃度ボロンドープダイヤモンド基板上にボロンドープドリフト層，アンドープ層，窒素ドープ層を成膜したあと，酸素ガスによるプラズマエッチングによってトレンチ構造を作る．このトレンチの表面を覆うようにアンドープ層を再成長させ，その水素終端表面にALDによってAl2O3ゲート絶縁膜を成膜する．水素終端表面の伝導が結晶面方位に依らずに生じることを利用している．窒素ドープ層はリーク電流を抑えるために使われている．・チャネル移動度：一般的にはトランスファードーピングによる正孔生成が水素終端ダイヤモンドFETの動作に必須だと考えられていた中で，筆者らは表面アクセプターをできるだけ排除することでチャネル移動度の向上に取り組んできた21, 28, 55)．チャネル直上にイオン化した表面アクセプターが存在すると，正孔のクーロン散乱56)（およびノーマリオン動作）の要因になるため取り除く方が好ましいと考えた．そのために，ダイヤモンド表面を水素終端化したのち大気に晒すことなく，劈開した単結晶の六方晶窒化ホウ素(h-BN)を貼り合わせてゲート絶縁膜とした(図４)．この手法によって作製したFETは，ノーマリオフ動作とともに高い室温チャネル移動度（680 cm2V-1s-1）を示した．これは酸化物やフッ化物のゲート絶縁膜を使った他の研究に比べて，同じ正孔密度で3倍以上の値である．また，SiCとGaNのpチャネルFETの報告値（それぞれ28 cm2V-1s-1および30 cm2V-1s-1以下57, 58)）を大きく上回る．5．絶縁膜との接合について上述のように多くの研究でALDによって水素終端表面にAl2O3が成膜されている．しかし，界面における結合状態は自明ではない．光電子ホログラフィを使った最近の研究で，ダイヤモンド表面の一部の炭素原子CDがHではなくOと結合しており，CD-O-Al-O-CDのブリッジ構造を取ってAl2O3と接合していることが示された59)．また，CD-O結合によるシグナル強度は界面欠陥密度と相関しており，FETの特性を向上させるにはCD-O結合の密度低減が望ましいことが示唆されている．この結果からは，Al2O3を絶縁膜とした水素終端ダイヤモンドFETの伝導特性と絶縁膜の接合強度にはトレードオフの関係が成り立ちそうである．　水蒸気を含んだ窒素ガス中での加熱によってOH基で終端したダイヤモンド表面を形成し，その上にALDでAl2O3を成膜したFETも報告されている60)．この場合，理想的にはダイヤモンド表面全体にCD-O-Al-の形の結合が形成されると考えられる．この手法でリンあるいは窒素ドープのn型ダイヤモンドに，ボロンドープのp型ソース・ドレイン領域をもつ反転層pチャネルのFETが作製されている．現状では界面準位密度が高く，移動度は20 cm2V-1s-1程度だが，水素終端表面へのALDに比べて接合強度の点で好ましいと考えられる．6. シリコン結合表面を使ったFET　最近，CD-Si結合をもつダイヤモンド表面を使ったpチャネルFETが作られ，ノーマリオフ動作と高い伝導特性を示すことが報告されている61)．酸素終端ダイヤモンド表面にSiO2を成膜し800℃の水素プラズマ環境に置く，あるいは，水素終端表面に数原子層のSiを成膜し約900℃に加熱後に酸化することで，CD-Si-O-結合が形成されると報告された．SiO2層をフッ酸処理でエッチングしてもCD-Si結合が残ることも示された．このSi結合表面を使ったFETはノーマリオフ動作を示し，閾値電圧は-5 ~ -16 Vと水素終端ダイヤモンドFETより大きい．移動度も120~200 cm2V-1s-1と一般的な水素終端ダイヤモンドFETと比べて遜色ない62, 63)．縦型FETのチャネル領域にも適用された．大きな閾値電圧は，水素終端よりも価電子帯上端が低いこととSiO2中の正電荷によるものだと考えられている63)．（酸化Si終端ダイヤモンドの電子親和力として実験的には-0.25 eV 64)が報告され，第一原理計算では+1.11 eV65)を示す構造が安定だと報告されている．）7．むすびワイドバンドギャップ半導体のFETは一般的にnチャネルに比べてpチャネルの特性が劣る．しかし，ここまで紹介してきたようにダイヤモンドは優れたpチャネルFETを作ることができるユニークな特徴をもつ．ダイヤモンドのpチャネルFETとGaNのnチャネルFETを組み合わせた相補型(いわゆるCMOS)インバータが提案され31)，実際に同一基板上に作り込んだ例も報告されている66)．（一方、これまでpチャネルのダイヤモンドFETの報告しかなかったが，2023年にnチャネルFETも報告された67)．）これまでの多くの研究では，水素終端表面が使われてきた．しかし今後の実用化に向けて，チャネルやゲート―ドレイン間領域において，どの元素による終端もしくは結合を使って絶縁膜と接合させるかについて，大きな研究の余地があるように思われる．低い界面準位密度や適切なバンドアラインメントと信頼性を両立させた接合構造を見出すことが急務である．最近のSi結合表面を使ったFETの実現は，この点について問題提起するとともに今後の新しい展開の可能性を示した．チャネル移動度はさらに向上できる余地があると思われる．高純度なバルクダイヤモンドでは，室温で2190 cm2V-1s-1，13 Kの低温で1.03×106 cm2V-1s-1という高い正孔移動度が最近報告されており68)，局所的な微小領域ではより高い可能性もある69)．チャネル移動度をどこまで向上させられるのか興味深い．ダイヤモンドFETの実用化には，入手可能なダイヤモンド単結晶基板が高価であることや，大口径ウェハの生産方法が確立していないという課題がある．しかし近年，ヘテロエピタキシャル成長による2インチウェハの量産技術の開発70)や, 直径100 mmの単結晶ウェハの製造71)が報告されるなど，大面積合成技術も進展している．ヘテロエピタキシャル成長基板で課題となる高い転位密度に関しては，CVD成長中に貫通転位の伝搬を抑制する手法も開発されている72, 73)．結晶合成とデバイス作製技術の研究開発の着実な進展によって，ダイヤモンドFETが近く実用化され社会に貢献することを強く願っている．謝辞本稿で紹介した筆者らの研究は，NIMSの笹間陽介氏をはじめとする多くの方々との共同研究です．深く感謝致します．また，本研究の一部は日本学術振興会科学研究費補助金（19H02605）からの支援を受けて実施しました．文献1. 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NO2は，SOMOとHOMO（highest occupied molecular orbital）の準位を示した26)．図3 (a) 横型高耐圧水素終端ダイヤモンドFET46)．水素終端表面をNO2ガスに晒したあとに，ALDでAl2O3絶縁膜が成膜されている．(b) 縦型高耐圧水素終端ダイヤモンドFET54)．トレンチ表面にアンドープ層を再成長させ，その水素終端表面の伝導を利用している．本図は文献46，54を参考にして作成した．図4(a) 単結晶の六方晶窒化ホウ素(h-BN)をゲート絶縁膜とした高移動度水素終端ダイヤモンドFET21)．絶縁膜中の欠陥（アクセプター）密度を低減するため，単結晶h-BNを利用した．(b) 水素終端後大気に晒さずにグローブボックス中でh-BNを貼り合わせることで，大気由来のアクセプター密度も低減した．この手法で作製したFETは，ワイドバンドギャップ半導体のpチャネルFETの中で最高レベルのチャネル移動度680 cm2V-1s-1を示した55)．�}1�}3_�C��.pdf正孔伝導帯価電子帯EFダイヤモンドe-非占有準位(a)(b)図 1水素炭素図 3ダイヤモンドAl  O2 3ゲートソース ドレイン水素終端表面（　　ガス暴露）NO2ソース ゲート ゲート ソースドレインボロンドープ (p  ) ダイヤモンド基板ボロンドープ (p ) ドリフト層-+アンドープ層N ドープ層アンドープ層水素終端表面Al  O2 3(a)(b)水素終端 吸着物( 堆積物 )�}2_�C��.pdfエネルギー (eV)02-2-4-6-8-10-12 Si4H-SiCGaNh-BNO - diamondH - diamondGa 23OAl 23O3MoO2NOHfO2 2SiO2CaF真空準位2HH2+ +2e-↑↓図 2価電子帯伝導帯�}4_�C��.pdf(a)(b)図 4Hydrogen plasmaDiamondMicroscopeDiamondh-BNTransfer invacuumGlove boxCVD chamberGelsuitcaseAVVHVDSVGSDiamondh-BNAl2O3SDGBNHC表1_修正.pdfSi 4H-SiC GaN β-Ga2O3 ダイヤモンドバンドギャップ (eV) 1.1 3.3 3.4 4.9 5.5絶縁破壊電界 (MV cm-1) 0.3 2.8 3.3 8 10電子移動度 (cm2V-1s-1) 1500 1000  1200 200  1060正孔移動度 (cm2V-1s-1) 450 120 < 200 -  2100電子飽和速度 (107 cm s-1) 1.1 1.9 2.5 2 2.5正孔飽和速度 (107 cm s-1) 0.8 1.2 - - 1.4比誘電率 11.8 9.7 9 10 5.7熱伝導率 (W cm-1K-1) 1.5 3.7 2.5 0.27 22表1  スライド 1