JP5112404B2

JP5112404B2 - ダイヤモンド電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JP5112404B2
Application number: JP2009201821A
Authority: JP
Inventors: 一行平間; 芳孝谷保; 誠嘉数
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: JP2011054728A

Description

本発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタに係わり、特に、大電流、高温、低消費電力で安定動作する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、物質中で最大の熱伝導率を有するうえ、高い絶縁破壊電界と高いキャリア速度を有している。このため、ダイヤモンドを使用した電界効果トランジスタは、ＳｉやＧａＡｓなどの既存の材料を使用した電界効果トランジスタでは原理的に実現できない、高温環境下でも大電流で動作することが期待されている。

しかしながら、従来のダイヤモンド表面を水素で終端して表面近傍の正孔伝導層をチャネルに利用したダイヤモンド電界効果トランジスタでは、誘起できる正孔密度は低い。さらに、高温環境では正孔密度が減少する問題がある。このため、大電流かつ高温動作するダイヤモンド電界効果トランジスタを作製することは極めて困難である。以下に、従来のダイヤモンド電界効果トランジスタの報告例について述べる。

図１は、従来技術によるダイヤモンド表面近傍の伝導層を利用したダイヤモンド電界効果トランジスタの工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、水素プラズマによりダイヤモンド１０１表面を水素で終端することにより、正孔伝導層を表面近傍に形成する。続いて、図１（ｂ）に示すように、水素終端したダイヤモンド表面にソース電極１１２とドレイン電極１１３となる金薄膜を空間的に離れた領域に形成する。そして、図１（ｃ）に示すように、ソース電極１１２とドレイン電極１１３の間の空間的に離れた領域にゲート電極１２４を形成する。ゲート電極１２４のゲート長及びゲート幅はそれぞれ０．２μｍ、５０μｍである。

図２に従来技術により作製したダイヤモンド電界効果トランジスタの最大ドレイン電流と動作温度の関係２００を示す。室温において、ダイヤモンド表面に誘起される正孔密度は、最大で約１×１０¹³ｃｍ^-2と少ないため、従来技術により作製したダイヤモンド電界効果トランジスタではドレイン電流１００ｍＡ／ｍｍ以上の大電流動作ができなかった。

また、従来技術により作製したダイヤモンド電界効果トランジスタでは動作温度が１００℃を越えると劇的にドレイン電流が減少する（非特許文献１参照）。そして、５００℃以上の高温ではダイヤモンドの伝導性がなくなるため、従来技術では電界効果トランジスタは動作しない。

一方、従来のダイヤモンド電界効果トランジスタは、ノーマリーオン型だけである。ノーマリーオン型の電界効果トランジスタだけで構成したスイッチングデバイスやパワーアンプなどの応用装置は、Ｖ_GS（ゲート電圧）：０Ｖでドレイン電流が流れ続けるため大量の消費電力を必要とする問題がある。

Ｍ．Ｋｕｂｏｖｉｃ，Ｙ．Ｙａｍａｕｃｈｉ，Ｍ．Ｋａｓｕ，"ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｉｎＴｈｅｒｍａｌＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄＤｉａｍｏｎｄＦＥＴｓ"，ＥｘｔｅｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｏｆｔｈｅ２００８ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｓｕｋｕｂａ，２００８，ｐｐ．１０３６−１０３７．

本発明の第一の目的は、ダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流値が低かった点を解決し、大電流動作が可能な構造を提供することである。

本発明の第二の目的は、ダイヤモンド電界効果トランジスタが高温で動作できなかった点を解決し、高温でも動作可能な構造を提供することである。

本発明の第三の目的は、ダイヤモンド電界効果トランジスタではノーマリーオン型の構造しか作製できなかった点を解決し、ノーマリーオン型に加えてノーマリーオフ型の構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタは、Ｐ型ダイヤモンド上に、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｉｎの１つを含むＰ型窒化物層を有し、Ｐ型ダイヤモンドとＰ型窒化物層とのヘテロ接合界面に電気的にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間のＰ型窒化物層上にゲート電極を有し、前記Ｐ型窒化物層がＣ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａの少なくとも１つのアクセプタを含有することを特徴とする。さらに、Ｐ型窒化物層とＰ型ダイヤモンドのヘテロ界面におけるＰ型ダイヤモンドのＣ原子の一部がＯ、Ｎ、Ｆの少なくとも１つの原子と結合していることを特徴とする。

従来の技術とは、Ｐ型ダイヤモンド上に、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｉｎの１つを含むＰ型窒化物層が形成されている点、Ｐ型窒化物層がＭｇ、Ｃ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａの少なくとも１つのアクセプタを含有する点、Ｐ型窒化物層とＰ型ダイヤモンドのヘテロ界面におけるＰ型ダイヤモンドのＣ原子の一部がＨ、Ｏ、Ｎ、Ｆの少なくとも１つの原子と結合している点で異なる。

本発明によれば、室温におけるダイヤモンドの正孔密度を増加できるとともに、ダイヤモンド電界効果トランジスタの大電流動作が可能となる。さらにその大電流特性を高温環境下でも安定に維持できる。また、ノーマリーオフ動作のダイヤモンド電界効果トランジスタを作製することが可能となり、ダイヤモンド電界効果トランジスタを低消費電力で動作させることができる。従って、優れたダイヤモンド電界効果トランジスタを実用化させることができる。

従来技術によるダイヤモンド電界効果トランジスタの作製工程図を示す図である。従来技術によるダイヤモンド電界効果トランジスタの最大ドレイン電流と動作温度の関係を示す図である。本発明の実施例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図を示す図である。従来技術と本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタの最大ドレイン電流と動作温度の関係を比較する図である。本発明の実施例２に係るＰ型窒化物層とＰ型ダイヤモンドにおけるダイヤモンドのＣ原子が特定の原子と一部結合したダイヤモンド電界効果トランジスタの作製工程図を示す図である。従来技術と本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流とゲート・ソース間電圧の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照して詳細に説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、Ｐ型窒化物層とＰ型ダイヤモンドのヘテロ界面において、Ｐ型ダイヤモンドの炭素原子の一部がＯ原子と結合しており、Ｐ型窒化物層をＡｌＮ、アクセプタをＭｇとした場合の本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタの工程図である。図３（ａ）は、Ｐ型ダイヤモンド基板３０１にとってオーミック金属である白金を蒸着し、ソース電極３０２及びドレイン電極３０３を作製する工程を示す図である。厚さ２００ｎｍの白金薄膜を空間的に分離してＰ型ダイヤモンド基板３０１上に蒸着する。図３（ｂ）は、オーミック電極間に有機金属気相成長法を使用してＰ型ＡｌＮ３１４を成膜する工程を示す図である。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を使用した。またＡｌＮ３１４をＰ型にするため成長中にアクセプタとなるＭｇ原子を添加する。Ｍｇ原料としてジシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を使用した。図３（ｃ）は、ソース電極３０２とドレイン電極３０３間のＰ型ＡｌＮ層３１４上にショットキー接触のゲート電極３２５を形成する工程を示す図である。ゲート電極３２５のゲート長及びゲート幅はそれぞれ０．２μｍ、５０μｍである。これによりＰ型ＡｌＮ３１４とＰ型ダイヤモンド界面３０１に二次元正孔を有するＰチャネルのダイヤモンド電界効果トランジスタが完成する。

なお、ここでは、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｉｎの１つを含むＰ型窒化物層としてＡｌＮを使用した場合を例にして説明したが、Ｐ型窒化物層としてＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどを使用する場合も同様の工程である。また、アクセプタとしてＭｇを使用した場合を例にして説明したが、アクセプタとしてＣ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａを使用する場合も同様の工程である。

図４は、Ｐ型窒化物層をＡｌＮ、アクセプタをＭｇとした場合の本発明によるダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流と動作温度の関係を示す。本発明によるＰ型ＡｌＮ３１４とＰ型ダイヤモンド３０１のヘテロ界面に正孔を蓄積させたダイヤモンド電界効果トランジスタでは、室温においてドレイン電流１０００ｍＡ／ｍｍの大電流動作が獲得され、本発明によりドレイン電流は従来素子の１０倍に増加した。また、高温においても、最大ドレイン電流は、８００ｍＡ／ｍｍ以上であり、従来では動作できなかった５００℃以上での高温動作が可能となった。

表１は、窒化物層としてＡｌＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、それらのアクセプタとしてＭｇ、Ｃ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａの少なくとも１つを含有させて作製した本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタと従来のダイヤモンド電界効果トランジスタの特性である。従来技術（番号２１）では正孔密度が１×１０¹³ｃｍ^-2、最大ドレイン電流が約１００ｍＡ／ｍｍである。本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタ（番号１〜２０）では、Ｐ型窒化物層のアクセプタから高濃度の正孔がダイヤモンドに供給されるため、ダイヤモンドの正孔密度は２〜５×１０¹³ｃｍ^-2となり、従来素子の２〜５倍に増加した。このため、最大ドレイン電流は、４００〜１０００ｍＡ／ｍｍとなり、従来素子の４〜１０倍に増加した。このように、本発明により、従来素子よりも高い正孔密度及び最大ドレイン電流が獲得された。

また、５００℃の高温環境下において従来のダイヤモンド電界効果トランジスタ（番号２１）ではドレイン電流が流れない。一方、本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタ（番号１〜２０）は、５００℃の高温環境下においても、３６０〜９００ｍＡ／ｍｍの高いドレイン電流が獲得され、高温環境下においても動作する。さらに、本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタでは、５００℃における最大ドレイン電流は室温における最大ドレイン電流の約９割と高い値を維持しており、高温環境下でも特性が劣化しない。

以上により、本発明によるダイヤモンド電界効果トランジスタでは、従来のダイヤモンド電界効果トランジスタと比較して、大電流かつ高温での動作が可能である。

図５は、本発明の実施例２に係るＰ型窒化物層とＰ型ダイヤモンドのヘテロ界面において、Ｐ型ダイヤモンドのＣ原子の一部がＯ原子と結合しており、Ｐ型窒化物層をＡｌＮ、アクセプタをＭｇとした場合の本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタの工程図である。図５（ａ）は、Ｐ型ダイヤモンド５０１表面に酸素プラズマを照射する工程を示す図である。図５（ｂ）は、Ｐ型ダイヤモンド５０１にとってオーミック金属である白金を空間的に分離して蒸着し、ソース電極５１２及びドレイン電極５１３を作製する工程を示す図である。図５（ｃ）は、オーミック電極間に有機金属気相成長法を使用してＰ型ＡｌＮ５２４を成膜する工程を示す図である。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を使用した。またＡｌＮ５２４をＰ型にするため成長中にアクセプタとなるＭｇ原子を添加する。Ｍｇ原料としてジシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を使用した。図５（ｄ）は、ソース電極５１２とドレイン電極５１３間のＰ型ＡｌＮ層５２４上にショットキー接触のゲート電極５３５を形成する工程を示す図である。ゲート電極５３５のゲート長及びゲート幅はそれぞれ０．２μｍ、５０μｍである。これによりＰ型ダイヤモンドのＣ原子の一部がＯ原子と結合したダイヤモンド電界効果トランジスタが完成する。

なお、ここでは、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｉｎの１つを含むＰ型窒化物層としてＡｌＮ５２４を使用した場合を例にして説明したが、Ｐ型窒化物層としてＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどを使用する場合も同様の工程である。また、アクセプタとしてＭｇを使用した場合を例にして説明したが、アクセプタとしてＣ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａを使用する場合も同様の工程である。ダイヤモンドのＣ原子をＨで終端する場合は、水素プラズマをダイヤモンド表面５０１に照射する。ダイヤモンドのＣ原子をＮで終端する場合は、アンモニア水溶液中でのＵＶ照射、アンモニアガス雰囲気中でのＵＶ照射、アンモニアまたは窒素プラズマ照射のいずれかを行う。また、Ｆで終端する場合は、四フッ化メタンまたはトリフルオロメタンプラズマをダイヤモンド表面に照射する。

図６は、本発明の一実施形態による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と終端原子の関係を示す図である。従来技術ではＨ終端の場合にノーマリーオン動作であり、Ｈ以外の場合は動作しなかった。本発明によれば、Ｈ終端ではノーマリーオン動作であり、Ｏ、Ｎ、Ｆ終端ではノーマリーオフ動作である。終端原子の種類により、Ｐ型窒化物層とＰ型ダイヤモンド界面における、ダイヤモンド表面のエネルギーバンドベンディングの方向を上方または下方に制御できるため、Ｖ_GS０Ｖにおけるダイヤモンドの正孔密度を制御することが可能となる。すなわちノーマリーオン型とノーマリーオフ型の作り分けが可能となる。

表２は、本発明の一実施形態によるダイヤモンド電界効果トランジスタの閾値電圧と、ドレイン電流電圧特性の動作形態をまとめたものである。従来技術（番号１７）と同様、本発明の電界効果トランジスタも終端原子がＨの場合（番号１，５，９，１３）の閾値電圧は＋３Ｖであり、ノーマリーオン動作である。ただし、実施例１で記載のとおり本発明によるドレイン電流は従来技術よりも高い。

一方、終端原子がＯ、Ｎ、Ｆの場合、従来素子（番号１８，１９，２０）ではドレイン電流が流れず、素子は動作しないのに対し、本発明の電界効果トランジスタ（番号２，３，４，６，７，８，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６）では、閾値電圧−０．２〜−２．８Ｖ以下でドレイン電流が流れるノーマリーオフ動作をした。つまり、従来技術ではノーマリーオン型の電界効果トランジスタのみ作製可能であったのに対し、本発明を利用すればダイヤモンド電界効果トランジスタにおいてノーマリーオフ型とノーマリーオン型の両方を作製することが可能となる。

本発明は、大電流、高温、低消費電力で安定動作するダイヤモンド電界効果トランジスタに関するものである。

３０１，５０１Ｐ型ダイヤモンド基板
３０２，５１２ソース電極
３０３，５１３ドレイン電極
３１４，５２４Ｐ型ＡｌＮ
３２５，５３５ゲート電極

Claims

Ｐ型ダイヤモンド上に、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｉｎの１つを含むＰ型窒化物層を有し、
Ｐ型ダイヤモンドとＰ型窒化物層とのヘテロ接合界面に電気的にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間のＰ型窒化物層上にゲート電極を有し、
前記Ｐ型窒化物層がＣ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａの少なくとも１つのアクセプタを含有することを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
Ｐ型窒化物層とＰ型ダイヤモンドのヘテロ界面において、Ｐ型ダイヤモンドのＣ原子の一部がＯ、Ｎ、Ｆの少なくとも１つの原子と結合していることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。