# Fileset

[ダイヤモンド MOSFET 20240313sk 0422.doc](https://mdr.nims.go.jp/filesets/e9643923-c4eb-4a23-b4e7-5aea6b5845e7/download)

## Creator

[廖 梅勇](https://orcid.org/0000-0003-1361-4266), [小泉 聡](https://orcid.org/0000-0003-4961-5658)

## Rights

[In Copyright](http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/)

## Other metadata

[nチャネルダイヤモンド金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ](https://mdr.nims.go.jp/datasets/0444b010-c921-4848-a315-5c2673ab9ac0)

## Fulltext

単結晶ダイヤモンドナノマシンスイッチの創製nチャネルダイヤモンド金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ物質・材料研究機構廖　梅勇, 小泉　聡 1. はじめに現代のエレクトロニクスは、シリコンを用いた相補型金属酸化膜半導体（CMOS）技術によって支えられている。しかしながら、シリコン電子デバイスは、電力密度、周波数応答、耐熱性や耐放射線性などにおいて性能限界に直面している。ダイヤモンド半導体では、高温、高放射線被曝環境（原子力発電の炉心近傍等）などの極限環境においても、高い絶縁耐圧や高速スイッチングなどの優れたデバイス性能を実現することが原理的に可能である。その利点を生かして環境安定性に優れた制御系の集積回路に利用するために、CMOSの実現が期待されている。CMOS構造にはp型とｎ型双方の導電性チャネル形成が必要とされるが、ダイヤモンドではn型チャネルを持つ金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）が実現できていなかった。筆者の一人は、1997年、｛111｝ダイヤモンド基板表面でダイヤモンドのn型半導体化に成功し、世界で初めてその作製レシピを確立した1）。それ以降、｛111｝表面でのダイヤモンドCVD技術、n型ドーピングの制御技術は向上し、高い電子移動度を示す高品質結晶の成長や低抵抗化をもたらす高濃度ドーピングが可能となった。本研究では、これらの研究成果を更に発展させ、高品質単結晶ｎ型ダイヤモンド半導体成長技術をベースに、n型チャネルダイヤモンドMOSFETの形成に成功したので紹介する2）。2. n型ダイヤモンドとMOSFETの作製n型ダイヤモンドMOSFETの形成には、高結晶品質ダイヤモンドn―型チャネルエピタキシャル層と高導電性n+コンタクトエピ層の成長が不可欠である。本研究では、高温高圧合成（HPHT）単結晶ダイヤモンド基板｛111｝結晶面に、マイクロ波プラズマ化学気相成長（MPCVD）によって精密にドーピング濃度を制御した高品質n型ダイヤモンドエピ層を形成した3）。デバイスチャネル用には低濃度のリンをドープしたn-ダイヤモンドエピ層（膜厚600nm）成長した。低濃度ドープn- 層ダイヤモンドエピ層のリン濃度はND ～ 1017 cm-3である。その後、オーミックコンタクトの形成用に高濃度リンドープn＋ 層を成長した。ｎ-層の表面原子ステップが原子間力顕微鏡（AFM）観察で確認されました（図1a）。成長面内でのリン濃度の均一な分布、またドナーを不活性化す図１（a） 微傾斜ダイヤモンド｛111｝基板表面成長された高品質の低リンドープn―型ダイヤモンドエピ層の表面形態原子間力顕微鏡（AFM）像（b）nチャネルダイヤモンドMOSFETの断面図と（ｃ）光学像る水素含有量が測定限界以下に低いことも二次イオン質量分析（SIMS）で確認されている。ダイヤモンドエピ層の電子移動度はホール効果によって測定され、300 ℃の高温において212 cm2/V・secの高い値が得られている4）。n-層の抵抗率は室温で約106 Ω cm であり、573 Kでは 100 Ω cm に減少する。n+ 層のオーミックコンタクトはEB蒸着によるTi/Pt/Au積層膜を真空中500℃でアニールして形成された。続いて、ソースおよびドレイン電極をマスクとして使用し、ｎ＋層を酸素プラズマ中でエッチングしてチャネル層を露出させた後、Al2O3層（ALD、膜厚30 nm）およびTi/Auゲート電極（EB蒸着）をnチャネル表面に形成した。図１（ｂ）はnチャネルダイヤモンドMOSFETの断面模式図、（c）はデバイス表面の光学顕微像である。ゲート長（Lg）は5μm、10μm、ソース・ドレイン間（Lsg）、ドレイン・ゲート間距離（Ldg）はそれぞれ5μm、10μmである。3. 実験結果および考察図２　n型チャネルダイヤモンドMOSFETのドレイン電流vs 電圧と温度の依存性作製した金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ構造において、ソースとドレイン（n+層）間の電流（ドレイン電流）をゲートにかける電圧で制御でき、その極性から電子（n型）伝導性を世界で初めて確認した（図2）。ドレイン電流は温度とともに増加し、室温から300 ℃でほぼ4桁増加し、300 ℃における電界効果電子移動度は約150 cm2/V・secの高い値を示した（（図3）。これは他のワイドギャップ半導体nチャネルMOSFETの同一温度域での移動度と比較して十分に高い値である。しきい値電圧（Vth）は約-25 Vで、温度による変化はほとんどない。また、高周波動作に関しては、300 ℃の高温でマイクロ秒レベルのスイッチング速度が得られた。ゲート電圧を増加すればチャネルの導電率が増加するため、さらに高速のスイッチングが期待できる。マイクロ秒レベルの速度、すなわちMHzレベルの素子動作は、過酷環境下でのセンサ信号処理回路等への利用に十分な特性であり、高温、放射線環境等で用いる各種センサのプリアンプ等への応用が期待できる。図3 （a）nチャネルの電子電界効果移動度、（b）しきい値電圧の温度依存性 4. まとめnチャネルダイヤモンドMOSFETを、リンをドープしたホモエピタキシャル｛111｝ダイヤモンドにおおいて実証した。ダイヤモンドn-MOSFETは、573 Kで約150 cm2/Vsという高い移動度を示し、比較的高い温度領域で他の半導体を上回る特性が得られた。今後はデバイス構成の最適化と寄生抵抗の低減を目指す。謝辞本研究の一部は、総合科学技術・イノベーション会議（CSTI）、戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）、日本学術振興会科学研究費補助金 （22K18957）、ARIM（JPMXP1223NM5297）の支援を受けて行われた。参考文献1) S. Koizumi, K, Watanabe, M. Hasegawa, H. Kanda, Science 292, 1899 （2001）.2) M. Liao, H. Sun, S. Koizumi, Adv. Sci.; doi.org/10.1002/advs.202306013 （2024）.3) S. Koizumi, M. Suzuki. n-Type doping of diamond. Phy. Sta. Soli.  （a）. 203, 3358（2006）.4) M. Katagiri, J. Isoya, S. Koizumi, H. Kanda, Appl. Phys.  Lett.  85, 6365 （2004）.PAGE  1