【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23NM5006

利用課題名 / Title

高性能ダイヤモンド電子デバイスの作製と絶縁体/ダイヤモンドヘテロ界面特性の解明

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,ALD,スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,電子顕微鏡/ Electronic microscope,走査プローブ顕微鏡/ Scanning probe microscope,電子分光/ Electron spectroscopy,エリプソメトリ/ Ellipsometry,原子薄膜/ Atomic thin film,量子コンピューター/ Quantum computer,高周波デバイス/ High frequency device,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,エレクトロデバイス/ Electronic device,先端半導体（超高集積回路）/ Advanced Semiconductor (Very Large Scale Integration)

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

劉 江偉

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-604：マスクレス露光装置 [DL-1000/NC2P]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
NM-611：原子層堆積装置 [AD-230LP]
NM-614：CCP-RIE装置 [RIE-200NL]
NM-634：赤外線ランプ加熱装置 [RTP-6 #3]

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ワイドバンドギャップ半導体であるダイヤモンドは、大きなバンドギャップエネルギー、高いキャリア移動度、および大きな破壊電界を有しており、そのため高温、高出力、高周波、また放射線や宇宙線下の厳しい環境下でも安定した動作が期待されています。これにより、電流スイッチや集積回路への応用が広く期待されています。申請者は、過酷な環境に強いダイヤモンド集積回路を開発するための第一歩として、2つの異なる動作モードを組み合わせたMOSFETを使用したダイヤモンド論理回路チップの開発に世界で初めて成功しました。また、ダイヤモンド論理回路の高温動作特性も確認されました。今回は、NIMS微細加工共用施設と材料分析ステーションを利用して、新しい高性能ダイヤモンド電子デバイスを開発し、絶縁体/ダイヤモンドヘテロ界面特性を解明する。

実験 / Experimental

ダイヤモンドMOSFETを開発するため、いろいろな装置を利用しました。スピンコーターを使用して正のフォトレジスト（LOR5A）を塗布し、その後、イメージリバーサルフォトレジスト（AZ5214E）を塗布しました。マスクレス露光装置[DL-1000/NC2P]とTMAH溶液（濃度：2.38％）を使用して露光および現像されました。ダイヤモンド上には、Ti/Auの二層金属のソース/ドレイン電極が電子銃型蒸着装置[ADS-E86]で蒸発されました。赤外線ランプ加熱装置[RTP-6 #2]を使用してアルゴン雰囲気中で550℃でアニールされ、オーミック接触が形成されました。TMAおよびオゾン前駆体を使用して、原子層堆積装置[AD-230LP]でAl2O3ゲート酸化膜が200℃で堆積されました。ゲート電極としては、Ti/Au（10/200 nm）の二層が電子銃型蒸着装置[ADS-E86]で蒸着されました。電極へのアクセス用の窓は、CCP-RIE装置[RIE-200NL]を使用して、CHF3 + Ar雰囲気中でAl2O3フィルムをエッチングすることで開かれました。MOSFETの電気特性は室温プローバー [MX-200/B]を利用して測りました。

結果と考察 / Results and Discussion

以下は実験結果です。(1)ホウ素ドープダイヤモンド（B-ダイヤモンド）金属酸化物半導体界効果トランジスタ（MOSFET）の高い閾値電圧（VTH）を抑制することは、低いゲート駆動ソースを持つダイヤモンド補完MOS回路の設計において重要な役割を果たします。 VTHは、B-ダイヤモンドエピタキシャル層の厚さ、ホウ素ドープ濃度、およびゲート酸化物の厚さを調整することでさらに抑制することができます。同じ酸素終端B-ダイヤモンドチャネル上に異なるデバイス構造を持つ3つのMOSFETが製造されます。 B-ダイヤモンドエピタキシャル層の厚さとアクセプター濃度は、それぞれ約800 nmおよび1.36 × 10^16 cm^-3です。 45 nm厚のAl2O3が原子層堆積技術によってゲート酸化物として堆積されます。 B-ダイヤモンドMOSFETの最大ドレイン電流およびオン/オフ比は、それぞれ-2.4〜-4.3 μA/mmと10^6を超えています。 VTHの値は最低で0.8 Vを含む3.4 V以下です。(2)高性能なB-ダイヤモンドMOSFETは、製造プロセスおよびデバイス構造の改善によって製造されています。室温（RT）および300℃で動作するB-ダイヤモンドMOSFETのドレイン電流の最大値は、それぞれ−1.2および−10.9 mA/mmです。いずれも10^9を超えるオン/オフ比を示し、その外的転導率の最大値は、それぞれ29.0および215.7 μS/mmです。これらの特性は、先行報告の値よりも優れています。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

継続課題24NM5090
参考文献
10.3390/nano13071256
10.1109/ted.2023.3256349 

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Jiangwei Liu, Suppression of High Threshold Voltage for Boron-Doped Diamond MOSFETs, IEEE Transactions on Electron Devices, 71, 1764-1768(2024).
   DOI: 10.1109/ted.2024.3356468
   
2. J. W. Liu, Electrical property improvement for boron-doped diamond metal–oxide–semiconductor field-effect transistors, Applied Physics Letters, 124, (2024).
   DOI: 10.1063/5.0194424
   
3. Jiangwei Liu, Diamond Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors on a Large-Area Wafer, 2023 IEEE 6th International Conference on Electronic Information and Communication Technology (ICEICT), , 159-161(2023).
   DOI: 10.1109/iceict57916.2023.10245613
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. High Thermal Stability for Boron-Doped Diamond Field-Effect Transistors. NIMS Award Symposium 2023. 2023-11-06 ～ 2023-11-07
2. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Boron-doped diamond MOSFETs. 第84回応用物理学会秋季学術講演会. 2023-09-19 ～ 2023-09-23
3. LIU, Jiangwei. p-type hydrogen-terminated diamond-based MOSFET logic circuits. International Conference on Materials Science, Engineering and Technology. 2023-09-07 ～ 2023-09-09
4. LIU, Jiangwei, 岡村 雅之, 増子 尚徳, IMURA, Masataka, LIAO, Meiyong, 菊地　諒介, 鈴鹿　みちお, KOIDE, Yasuo. Deposition and mechanism study for super-high dielectric constant AlOx/TiOy nanolaminates. 6th International Conference on MATERIALS SCIENCE & NANOTECHNOLOGY. 2023-09-06 ～ 2023-09-07
5. LIU, Jiangwei, OOSATO, Hirotaka, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Diamond Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistors on a Large-area Wafer. 2023 IEEE 6th International Conference on Electronic Information and Communication Technology (ICEICT 2023).2023-07-21 ～ 2023-07-24
6. LIU, Jiangwei, OOSATO, Hirotaka, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Discussion on resistances in hydrogen-terminated diamond MOSFETs. International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC) 2023. 2023-06-18 ～ 2023-06-22
7. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Boron-doped diamond MOSFETs with high output current and extrinsic transconductance. International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC) 2023. 2023-06-18 ～ 2023-06-22

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件