【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.13】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23NM5196
利用課題名 / Title
ダイヤモンドデバイスの研究
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）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）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（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
カーボン系材料,エレクトロデバイス/ Electronic device,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,リソグラフィ/ Lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ボンディング/ Bonding
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)
笹間 陽介
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-635：電子ビーム描画装置 [ELS-BODEN100]
NM-636：マスクレス露光装置 [DL-1000]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
NM-614：CCP-RIE装置 [RIE-200NL]
NM-638：水蒸気プラズマ洗浄装置 [AQ-500 #2]
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
ダイヤモンドは，優れた半導体特性を有することから，電子デバイス材料として期待されている．本課題では，ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)の高移動度化を目指し，ダイヤモンドFETを作製した．ゲート絶縁体中の欠陥に起因するキャリア散乱を抑制するため，高品質の六方晶窒化ホウ素(h-BN)単結晶をゲート絶縁体として利用した．我々のこれまでのh-BNゲート絶縁体を利用したダイヤモンドFETでは，接触抵抗を低減させるため，ソース・ドレイン電極とゲート電極をオーバーラップさせた構造としてきた．しかし，そのFETではソース・ドレイン電極を作製した後にそれらとオーバーラップするようにh-BNを貼り合わせているため，電極近傍でh-BNが浮いたスペースやh-BNにひずみが生じることなどの懸念があった．本課題では，それらの解決のため，ソース・ドレイン電極と自己整合させたゲート電極を作製する手法を開発し，それを利用したダイヤモンドFETを作製した．
実験 / Experimental
水素終端化したダイヤモンド基板上に，ゲート絶縁体となるh-BNを貼り合わせた．電極の作製前に水素終端ダイヤモンド上にh-BN を貼り合わせるため，以前の研究の懸念点が解消できると考えられる．その後，電子ビーム描画装置を用いて，電極のパターンをレジストに描画した．その後，電子銃型蒸着装置を利用し，治具を用いて斜め45度からPdを蒸着した．この際，h-BN がマスクとなるため，ソース・ドレイン電極とゲート電極間のスペースにはPd が蒸着されず，ソース・ドレイン電極と自己整合ゲート電極が同時に作製される．その後リフトオフを行った．そして，電子ビーム描画装置及びCCP-RIE装置を用いてh-BNをエッチングし，素子をホールバー形状にした．そして，原子層堆積装置を用いてAl2O3を成膜し，素子を保護した．最後に，マスクレス露光装置及び電子銃型蒸着装置を用いて，電気伝導測定用の導線とパッドを作製した．このようにして作製したダイヤモンドFETは，ワイヤーボンダーを用いて，測定用のサンプルホルダーにボンディングし，電気伝導特性を評価した．
結果と考察 / Results and Discussion
出力特性の測定によって，デバイスの電気伝導特性を評価した．作製したFETは，狙い通りに負のゲート電圧の印加によって，ドレイン電流が増加するp型のFET動作をした．デバイス構造上，ゲート長が25 μmと長いにもかかわらず，最大のドレイン電流密度は30 mAmm-1程度と比較的大きなドレイン電流密度が得られた．このように，Pdを斜めから蒸着するというシンプルな手法によって，ソース・ドレイン電極と自己整合させたゲート電極が作製でき，良好なFET動作をさせることに成功した．
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)
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)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Yosuke Sasama, "High-mobility hydrogen-terminated diamond transistors with a reduced surface acceptor density", 2023 Taiwan-Japan Workshop on Crystal Growth, Analysis and Calculation (TJ-CGAC), 2023
- 笹間 陽介, 渡邊 賢司, 谷口 尚, 山口 尚秀, "自己整合ゲート電極を有する水素終端ダイヤモンド電界効果トランジスタ", 第37回ダイヤモンドシンポジウム, 2023
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件