ダイヤモンドで高移動度トランジスタを実現~必須と考えられてきたアクセプタはむしろ邪魔? 従来と逆の発想で高特性化~

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2022-01-18 物質・材料研究機構 ,筑波大学

NIMSは、ダイヤモンド電界効果トランジスタを新しい設計指針に基づいて作製し、高い正孔移動度とノーマリオフ動作を示すことを実証しました。本成果は、低損失の電力変換や高速情報通信に資する素子の実現につながると期待されます。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) は、ダイヤモンド電界効果トランジスタを新しい設計指針に基づいて作製し、高い正孔移動度 (低損失・高速動作のために重要) とノーマリオフ動作 (ゲート電圧をかけないときに電流が流れない動作 ; 安全の観点から重要) を示すことを実証しました。本成果は、低損失の電力変換や高速情報通信に資する素子の実現につながると期待されます。
  2. ダイヤモンドは、ワイドバンドギャップ半導体として優れた特性を持ち、パワーエレクトロニクスや情報通信用途での利用が期待されています。すでに実用化されている炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)に比べてもバンドギャップが大きく、より高電圧・高温・高速・低損失で動作する素子を作れる可能性があります。これまでに特に、水素終端ダイヤモンド (表面の炭素が水素と結合したダイヤモンド) を使った電界効果トランジスタについて、多くの研究開発が行われてきました。しかしトランジスタ構造にすると、移動度 (電流を担う正孔の動きやすさを表す指標) が本来の1/10~1/100に低下するなど、ダイヤモンドの優れた特性を十分活かすことができていませんでした。
  3. NIMSの研究チームは、従来主に使われてきたアルミナなどの酸化物の代わりに六方晶窒化ホウ素をゲート絶縁体として使うとともに、水素終端ダイヤモンド表面を大気に晒さない新しい作製手法を用いることで、高性能なトランジスタの開発に成功しました。オン状態 (正孔の密度が高い時) の移動度は、酸化物などのゲート絶縁体を使った一般的な手法に比べて5倍以上に向上しました。高い移動度は、抵抗を下げて損失を低減し、素子の高速化や小型化にも適します。同時に、パワーエレクトロニクスで安全性の観点から重要となるノーマリオフ動作も実現しました。この成功の鍵として、水素終端ダイヤモンドに電気伝導性を生じさせるために必要不可欠だと考えられてきたアクセプタ(電子を受け取るもの)を取り除くという従来とは逆の発想に基づく素子構造を、上記作製手法によって実現できたことが挙げられます。
  4. 本成果は、今後のダイヤモンドトランジスタ開発の新しい指針を提供するもので、パワーエレクトロニクスや情報通信の分野で利用できる高性能な素子の実現につながると期待されます。今後は、さらなる特性向上を追究するとともに、より実用に適したダイヤモンドトランジスタの開発を目指します。
  5. 本研究は、NIMSの笹間陽介、蔭浦泰資、井村将隆、渡邊賢司、谷口尚、内橋隆、山口尚秀 (筑波大学 数理物質系 (連携大学院) 兼務) からなる研究チームによって行われました。また、本研究は科研費基盤研究B「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」(19H02605)などの一環として行われました。
  6. 本研究成果は、Nature Electronics誌に2021年12月23日にオンライン掲載(https://doi.org/10.1038/s41928-021-00689-4)されました。

プレスリリース中の図 : (a) 本研究で作製したダイヤモンド電界効果トランジスタの構造。正孔の密度と移動度を正確に評価するために、ゲート電圧をかけながらホール(Hall)効果の測定が可能な構造にしました。(b) ダイヤモンド表面を水素プラズマに晒して水素終端化したあと、大気に晒さずArで満たされたグローブボックスに搬入し、そのなかで劈開した六方晶窒化ホウ素単結晶薄片を貼り付けることで、アクセプタとして働く大気由来の吸着物を低減しました。



掲載論文

題目 : High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures
著者 : Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi, and Yamaguchi Takahide
雑誌 : Nature Electronics
掲載日時 : 2021年12月23日
DOI : 10.1038/s41928-021-00689-4

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