JP2009158612A - ダイヤモンド電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】最大ドレイン電流密度が高く、長時間の電力動作にも耐える信頼性の高い、実用的なダイヤモンド電界効果トランジスタを提供すること。
【解決手段】ｐ型またはｎ型の伝導性を有するダイヤモンド結晶層１をＣＶＤ装置などで成長させる。次に、金を蒸着させ、ソース電極２、ドレイン電極３を形成する。次に、７６Ｔｏｒｒに減圧したＣＶＤチャンバ内で、上記ダイヤモンド結晶層１に、酸素ガス、水素ガス、トリメチルアルミニウムを供給し、ソース電極２とドレイン電極３との間のゲート部に厚さ８ｎｍのＡｌ（ＯＨ）₃またはＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物からなる絶縁層４を形成する。最後に、絶縁層４上にＡｌ金属膜６を蒸着させてゲート部を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタに関し、より詳細には、絶縁層にＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物を用いたダイヤモンド電界効果トランジスタに関する。

ダイヤモンドは、ケイ素（Ｓｉ）に比べ、半導体としての物理特性において優れていることが知られている。ダイヤモンド素子は、Ｓｉ素子の高温動作で５倍、高電圧性能で３０倍、高速化では３倍の特性を有することが理論上確認されている。そのため、ダイヤモンドは、高い熱伝導率、絶縁破壊電界強度を有する高出力デバイスや、高いキャリアの移動度、飽和ドリフト速度を有する高周波デバイス等を実現するものとして期待されている。つまり、ダイヤモンド半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ），バイポーラートランジスターにより、従来の半導体を遥かに越えた、高周波で駆動し、大電力動作可能な電子素子になる。

従来のダイヤモンド電界効果トランジスタの作製方法について説明する。ＣＶＤ法などで成長したｐ型伝導性を示すダイヤモンド結晶層１を用意する（図３（ａ））。次に、ダイヤモンド結晶層１上に、ソース電極２、ドレイン電極３として金を蒸着させる（図３（ｂ））。次に、ダイヤモンド結晶層１上の、ソース電極２とドレイン電極３との間のゲート部に、１ｎｍの厚さのＡｌ金属膜５を蒸着させる（図３（ｃ））。最後に、試料を大気中に放置し、Ａｌ金属膜５を大気中の酸素と反応させ、Ａｌ₂Ｏ₃絶縁膜５にする。最後に、Ａｌ₂Ｏ₃絶縁膜５上にＡｌ金属膜６を蒸着させてゲート部を形成することにより、ダイヤモンド電界効果トランジスタが完成する（図３（ｄ））。

このように、従来の技術によって作製した電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を図４（ａ）に示す。従来のダイヤモンド電界効果トランジスタの特性は、ゲート電圧−３Ｖにおける最大ドレイン電流密度は０．４５Ａ／ｍｍであった。

以下の記述において最大ドレイン電流密度と記す場合は、ゲート電圧−３Ｖにおける電流密度とする。また、ゲート長は１μｍ、ゲート幅は１００μｍの素子構造の場合に統一する。

しかしながら、図３のダイヤモンド結晶層１と絶縁膜５との界面、あるいは絶縁膜５中には多数の表面準位が存在し、バンドのピン止めを起こすため、ゲート電極から印加するゲート電圧を変化させても、ダイヤモンド結晶層１内の伝導度を効率よく変化させることができず、最大ドレイン電流密度は低く、実用にならないという課題があった。また、表面準位によるヒステリシスが見られることから、信頼性もないため実用にならないという課題もあった。ここでヒステリシスとは、図４（ａ）のように、実際のドレイン電流電圧特性測定で、ドレイン電圧を増加させるか、減少させるか、スキャンの方向（図中の矢印方向）によって測定されるドレイン電流値が異なる現象を言う。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、最大ドレイン電流密度が高く、長時間の電力動作にも耐える信頼性の高い、実用的なダイヤモンド電界効果トランジスタを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタであって、ｐ型又はｎ型を示すダイヤモンド結晶のダイヤモンド結晶層と、前記ダイヤモンド結晶層上に形成されたＡｌ（ＯＨ）₃、あるいはアルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）からなるＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物の第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に形成された金属層と、から構成されるゲート部を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタであって、ｐ型又はｎ型を示すダイヤモンド結晶のダイヤモンド結晶層と、前記ダイヤモンド結晶層上に形成されたＡｌ（ＯＨ）₃、あるいはアルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）からなるＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物の第１の絶縁膜層と、前記第１の絶縁層上に形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に形成された金属層と、から構成されるゲート部を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、前記第２の絶縁層が、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）又はニ酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、前記第１の絶縁層の酸素モル比ｘと水素モル比ｙの関係が、（３．２５／７）＜ｘ＋ｙ＜（６．８／７）、（０．５／７）＜ｘ＜（４．５／７）、（０．７５／７）＜ｙ＜（４．７／７）の全てを同時に満たすことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、前記第１の絶縁層の厚さが１ｎｍから６０ｎｍの範囲にあることを特徴とする。

このように本発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタの絶縁層に、Ａｌ（ＯＨ）₃、あるいは、アルミニウム、酸素、水素で構成されたＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物を用いることに特徴を持つ。

本発明によれば、最大ドレイン電流密度が高く、長時間の電力動作にも耐える信頼性の高いダイヤモンド電界効果トランジスタが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作製工程を示す。ｐ型またはｎ型の伝導性を有するダイヤモンド結晶層１をＣＶＤ装置などで成長させる。このダイヤモンド結晶層１は単結晶の方が望ましいが多結晶でもよい（図１（ａ））。

次に、ダイヤモンド結晶層１上のゲート電極を設ける領域にレジストを塗布し、その上から試料の表面全面に金を蒸着させる。レジストをリフトオフし、レジストとその上に蒸着されている金の一部を除去して開口部を形成し、ソース電極２、ドレイン電極３を形成する（図１（ｂ））。

次に、レジストを試料全面に塗布し、ゲート電極を形成する領域に露光および現像を行ってレジストの一部を除去し、開口部を形成する。７６Ｔｏｒｒに減圧したＣＶＤチャンバ内で、上記ダイヤモンド結晶層１に、酸素ガス、水素ガス、トリメチルアルミニウムを供給し、ソース電極２とドレイン電極３との間のゲート部に厚さ８ｎｍのＡｌ（ＯＨ）₃またはＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物からなる絶縁層４を形成する（図１（ｃ））。

最後に、絶縁層４上にＡｌ金属膜６を蒸着させてゲート部を形成し、レジストを除去する。（図１（ｄ））。

このようにして作製された本発明の電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を図１（ｅ）のように測定した。その結果を図４（ｂ）に示す。本発明の一実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタでは、ゲート電圧−３Ｖにおける最大ドレイン電流密度は１Ａ／ｍｍであった。これは従来技術による場合の２倍に相当する。また、従来の技術のような表面準位がダイヤモンド結晶膜と絶縁層との界面、および絶縁膜中に存在しないため、ドレイン電流電圧特性において、ヒステリシス現象は消失し、信頼性は著しく向上した。

図５に、絶縁層４にＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物を用いた場合の、酸素モル比ｘと水素モル比ｙに対する最大ドレイン電流値の変化を示す。黒丸は、実際に測定した酸素モル比ｘと水素モル比ｙの値を示すものであり、括弧内の数字は実際に得られた最大ドレイン電流値（Ａ／ｍｍ）である。また、それら実測値に基づき、最大ドレイン電流値の分布を等高線で示した。ｘ＝３／５、ｙ＝０の場合、すなわち、従来技術のＡｌ₂Ｏ₃の場合、最大ドレイン電流値は０．５Ａ／ｍｍであったが、ｘ＝ｙ＝３／７の場合、すなわち、Ａｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物がＡｌ（ＯＨ）₃の場合、最大ドレイン電流値は極大値１Ａ／ｍｍを示した。

また、（３．２５／７）＜ｘ＋ｙ＜（６．８／７）、（０．５／７）＜ｘ＜（４．５／７）、（０．７５／７）＜ｙ＜（４．７／７）の全てを同時に満たす範囲では、０．７Ａ／ｍｍ以上の高い値を取る。

尚、個体差等を考慮すると、（４／７）＜ｘ＋ｙ＜（６．７／７）、（０．９／７）＜ｘ＜（４．３／７）、（１．５／７）＜ｙ＜（４．５／７）の全てを同時に満たす範囲では、より高い精度で０．８Ａ／ｍｍ以上の高い値を取る。

同様に、（５／７）＜ｘ＋ｙ＜（６．５／７）、（１．９／７）＜ｘ＜（３．８／７）、（２．２５／７）＜ｙ＜（４／７）の全てを同時に満たす範囲では、より高い確度で０．９Ａ／ｍｍ以上の高い値を取る。

次に、図６に、Ａｌ（ＯＨ）₃絶縁層４の厚さと、作製した本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタのゲート電圧−３Ｖにおける最大ドレイン電流密度との関係を示す。白丸の傍の数字は絶縁膜の厚さ（ｎｍ）を示している。厚さ８ｎｍで極大値１Ａ／ｍｍを取るが、厚さが１ｎｍから６０ｎｍの範囲で最大ドレイン電流密度は０．８Ａ／ｍｍ以上の高い値を取る。

尚、個体差等を考慮すると、厚さが２ｎｍから４０ｎｍの範囲では、より高い精度で最大ドレイン電流密度は０．９Ａ／ｍｍ以上の高い値を取る。

同様に、厚さが５ｎｍから２０ｎｍの範囲では、より高い精度で最大ドレイン電流密度は１Ａ／ｍｍ程度の高い値を取る。

（実施形態２）
図２に、本発明の別の実施形態として、Ａｌ（ＯＨ）₃またはＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y絶縁層４とゲート金属６の間にＡｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂絶縁膜５を挿入したダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を示す。Ａｌ（ＯＨ）₃またはＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y絶縁層４はゲート金属６に対する付着力が強くないため、Ａｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂絶縁膜５を介すことによってゲート金属６の付着力を高めることができる。本実施形態に係る電界効果トランジスタは、絶縁層４を形成するところまでは実施形態１と同じ方法で作製し、絶縁層４上にＡｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂絶縁膜５、Ａｌ金属膜６を順に蒸着させてゲート部を形成し、レジストを除去することによって作製される。

本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタは、実施形態１の特性、すなわち、図４（ｂ）、図５、図６と同様の特性を有しており、最大ドレイン電流密度が高く、信頼性の高い電界効果トランジスタである。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作製工程を示す図であり、（ｅ）は、ダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性の測定方法を示す図である。 本発明の実施形態２に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構想を示す図である。 従来のダイヤモンド電界効果トランジスタの作製工程を示す図である。 （ａ）は、従来のダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示す図であり、（ｂ）は、本発明の電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示す図である。 Ａｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物を用いた絶縁層の酸素モル比ｘと水素モル比ｙに対する最大ドレイン電流値の変化を示す図である。 Ａｌ（ＯＨ）₃絶縁層の厚さと、本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタのゲート電圧−３Ｖにおける最大ドレイン電流密度との関係を示す図である。

符号の説明

１ ダイヤモンド結晶層
２ ソース電極
３ ドレイン電極
４、５ 絶縁層
６ 金属膜

Claims (5)

1. ｐ型又はｎ型を示すダイヤモンド結晶のダイヤモンド結晶層と、
   前記ダイヤモンド結晶層上に形成されたＡｌ（ＯＨ）₃、あるいはアルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）からなるＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物の第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層上に形成された金属層と、
   から構成されるゲート部を備えたことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
2. ｐ型又はｎ型を示すダイヤモンド結晶のダイヤモンド結晶層と、
   前記ダイヤモンド結晶層上に形成されたＡｌ（ＯＨ）₃、あるいはアルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）からなるＡｌ_1-x-yＯ_xＨ_y化合物の第１の絶縁膜層と、
   前記第１の絶縁層上に形成された第２の絶縁層と、
   前記第２の絶縁層上に形成された金属層と、
   から構成されるゲート部を備えたことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
3. 前記第２の絶縁層が、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。
4. 前記第１の絶縁層の酸素モル比ｘと水素モル比ｙの関係が、（３．２５／７）＜ｘ＋ｙ＜（６．８／７）、（０．５／７）＜ｘ＜（４．５／７）、（０．７５／７）＜ｙ＜（４．７／７）の全てを同時に満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。
5. 前記第１の絶縁層の厚さが１ｎｍから６０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

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