JP5483168B2 - Diamond thin film and diamond field effect transistor - Google Patents
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Description
本発明は、ドレイン電流を増加させるとともに、特性を安定化させることができダイヤモンド薄膜およびダイヤモンド電界効果トランジスターに関する。 The present invention relates to a diamond thin film and a diamond field effect transistor that can increase drain current and stabilize characteristics.
ダイヤモンド半導体は、半導体最大の絶縁耐圧、熱伝導性を有するばかりでなく、電子や正孔の移動度やドリフト速度も高く、もしダイヤモンドトランジスターが実用化できれば、既存の半導体の性能を遥かに越える最高の性能を有する高周波電力トランジスターが実用可能になる。 Diamond semiconductors not only have the highest dielectric breakdown voltage and thermal conductivity of semiconductors, but also have high electron and hole mobility and drift speed. A high-frequency power transistor having the following performance becomes practical.
図２は、従来技術によるダイヤモンド電界効果トランジスターの工程図および測定方法である。図２を使用して、従来の水素終端ダイヤモンドＦＥＴの作製工程を説明する。図２（ａ）は、ダイヤモンド結晶層２０１に水素を含む表面層を形成する工程を示す図である。図２（ａ）において、ダイヤモンド結晶層２０１をＣＶＤリアクター内で水素プラズマにさらし、ダイヤモンド表面を水素ラジカル（Ｈで表す）で終端し、表面層２０２を形成する。
FIG. 2 is a process diagram and measurement method for a diamond field effect transistor according to the prior art. A manufacturing process of a conventional hydrogen-terminated diamond FET will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a diagram showing a process of forming a surface layer containing hydrogen on the
図２（ｂ）は、ダイヤモンド結晶層２０１に金薄膜２０３，２０４の空間的に分離して蒸着する工程を示す図である。図２（ｂ）において、水素を含む表面層２０２上の一部の領域に、金薄膜２０３，２０４を空間的に分離して蒸着する。それが各々ソース電極２０３、ドレイン電極２０４になる。
FIG. 2B is a diagram showing a process of depositing the gold
図２（ｃ）は、ダイヤモンド結晶層２０１にＡｌ薄膜２０５を蒸着する工程を示す図である。図２（ｃ）において、水素を含む表面層２０２上に、ソース電極２０３とドレイン電極２０４との間に、空間的に分離してＡｌ薄膜２０５を蒸着する。これがゲート電極２０５になる。
FIG. 2C is a diagram showing a process of depositing an Al
図２（ｄ）は、従来技術によるダイヤモンド電界効果トランジスターの測定方法を示す図である。図２（ｄ）において、従来技術によるダイヤモンド電界効果トランジスターの測定方法２４０は、電圧源２０７と、電流源２０８と、電圧源２０９と、電流源２１０とを備える。電圧源２０７と電流源２０８は、ゲート電極２０５に直列に接続され、電圧源２０９と電流源２１０は、ソース電極２０３とドレイン電極２０４との間に直列に接続される。
FIG. 2 (d) is a diagram showing a method for measuring a diamond field effect transistor according to the prior art. In FIG. 2 (d), a diamond field effect
図２に示す従来技術により作製した電界効果トランジスター（ゲート長は１μｍ）のドレイン電流電圧特性を図３（ａ）に示す。従来技術によるトランジスターの特性は、ゲート電圧−３Ｖにおける最大ドレイン電流密度は、１００ｍＡ／ｍｍであった。 FIG. 3A shows the drain current-voltage characteristics of the field effect transistor (gate length is 1 μm) manufactured by the conventional technique shown in FIG. As for the characteristics of the transistor according to the prior art, the maximum drain current density at a gate voltage of −3 V was 100 mA / mm.
また、従来技術による作製した電界効果トランジスターのゲート電圧―３Ｖでのドレイン電流密度の試料温度特性を図４（ａ）に示す。図４（ａ）において、昇温すると、ドレイン電流密度は、徐々に減少し、再び室温に戻してもドレイン電流密度は元に戻らなかった（非特許文献１参照。）。以下の記述では、ドレイン電流密度が急激に減少する試料温度をＴｃと呼ぶ。 FIG. 4A shows the sample temperature characteristics of the drain current density at a gate voltage of −3 V of a field effect transistor manufactured according to the prior art. In FIG. 4A, when the temperature was raised, the drain current density gradually decreased, and the drain current density did not return even when the temperature was returned to room temperature again (see Non-Patent Document 1). In the following description, the sample temperature at which the drain current density rapidly decreases is referred to as Tc.
以上のように、従来技術のダイヤモンド半導体では、第１にデバイスのドレイン電流値が実用的には少なすぎ、第２に試料を昇温すると、ある温度以上でドレイン電流が劇的に減少し、元に戻らない、すなわちデバイスが劣化するという問題点があった。このように、従来技術では、根本的な問題が解決できないでいたため、ダイヤモンド電界効果トランジスターは実用化できないでいた。 As described above, in the diamond semiconductor of the prior art, first, the drain current value of the device is practically too small, and secondly, when the temperature of the sample is raised, the drain current dramatically decreases above a certain temperature, There was a problem that it was not restored, that is, the device deteriorated. As described above, the conventional technique cannot solve the fundamental problem, so that the diamond field effect transistor cannot be put into practical use.
本発明の目的は、上述の従来の根本的な問題点を解消するダイヤモンド電界効果トランジスターを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a diamond field-effect transistor that eliminates the above-described fundamental problems of the prior art.
本発明のダイヤモンド電界効果トランジスターは、ダイヤモンド上の、水素を含む第１の表面層と、前記第１の表面層の上に順に並んだソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、ソース電極−ゲート電極間、および、ゲート電極−ドレイン電極間の、前記第１の表面層上にある、フッ素を含む保護層であって、４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンとの混合物、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、ペルフルオロカーボン、または、４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンと、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタンと、ペルフルオロカーボンとの混合物の内のいずれかである保護層とを備えたことを特徴とする。 Diamond field effect transistor of the present invention, on the diamond, a first surface layer containing hydrogen, a source electrode arranged in this order on the first surface layer, a gate electrode and a drain electrode, a source electrode - the gate electrode during, and the gate electrode - drain electrode, in the first surface layer, a protective layer containing fluorine, 4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1, A mixture of 3-dioxole and 1,1,2,2-tetrafluoroethene, (2R, 3S) -1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropentane, Perfluorocarbon or 4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole, 1,1,2,2-tetrafluoroethene, (2R, 3S) -1, 1,1 , 2,3,4,4,5,5,5-decafluoropentane, and a protective layer that is one of a mixture of perfluorocarbons .
本発明のダイヤモンド薄膜は、ダイヤモンド上の、水素を含む第１の表面層と、
前記第１の表面層上の、フッ素を含む保護層であって、４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンとの混合物、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、ペルフルオロカーボン、または、４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンと、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタンと、ペルフルオロカーボンとの混合物
の内のいずれかである保護層とを備えたことを特徴とする。
Diamond thin film of the present invention includes a first surface layer including on the diamond, a hydrogen,
Wherein on the first surface layer, a protective layer containing fluorine, and 4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole, 1,1,2,2 A mixture with tetrafluoroethene, (2R, 3S) -1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropentane, perfluorocarbon, or 4,5-difluoro-2, 2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole, 1,1,2,2-tetrafluoroethene, (2R, 3S) -1,1,1,2,3,4,4,5 , 5,5-decafluoropentane and perfluorocarbon
And a protective layer which is any one of the above.
本発明によれば、ダイヤモンド電界効果トランジスターのドレイン電流を増加させるとともに、特性を安定化させることができ、また、室温、大気中におけるトランジスター性能も向上させることができる。従って、優れたダイヤモンド半導体のトランジスターを実用化させることができる。 According to the present invention, the drain current of the diamond field effect transistor can be increased, the characteristics can be stabilized, and the transistor performance at room temperature and in the atmosphere can be improved. Therefore, an excellent diamond semiconductor transistor can be put into practical use.
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。
図１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ーの工程図および測定方法である。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a process diagram and a measurement method of a diamond field effect transistor according to an embodiment of the present invention.
図１（ａ）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ーの工程図であって、ダイヤモンド結晶１０１の表面に水素ラジカル（Ｈで表す）を照射する工程１００を示す。
図１（ａ）において、工程１００では、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置のリアクター内で水素ラジカル（Ｈで表す）を照射し、水素を含む表面層１０２を形成する。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置では、水素プラズマ雰囲気内で結晶成長したダイヤモンド結晶１０１の表面は、既に水素を含む表面層１０２を形成しており、その場合は、改めて水素ラジカル照射処理をしなくても良い。
FIG. 1A is a process diagram of a diamond field effect transistor according to an embodiment of the present invention, showing a
In FIG. 1A, in
図１（ｂ）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ーの工程図であって、表面層１０２上に金薄膜１０３、１０４を蒸着する工程１２０を示す図である。
図１（ｂ）において、工程１２０では、表面層１０２上の一部の領域に、空間的に分離して、厚さ６００ｎｍの金薄膜１０３、１０４を蒸着する。金薄膜１０３、１０４は、各々ソース電極１０３、ドレイン電極１０４になる。
FIG. 1B is a process diagram of a diamond field effect transistor according to an embodiment of the present invention, showing a
In FIG. 1B, in
図１（ｃ）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ーの工程図であって、表面層１０２に、Ａｌ薄膜１０５を蒸着する工程１３０を示す。
図１（ｃ）において、工程１３０では、表面層１０２上のソース電極１０３、ドレイン電極１０４との間に、空間的に分離して、Ａｌ薄膜１０５を蒸着する。このＡｌ薄膜１０５は、ゲート電極１０５になる。
FIG. 1C is a process diagram of a diamond field effect transistor according to an embodiment of the present invention, showing a
In FIG. 1C, in
図１（ｄ）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ーの工程図であって、表面層１０２に、保護層１０６をスピンコートで堆積させる工程１４０を示す図である。
図１（ｄ）において、工程１４０では、表面層１０２に、表面層１０２上全体を覆うように、４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンの混合物、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、ペルフルオロカーボンからなる保護層１０６をスピンコートで堆積させる。
FIG. 1D is a process diagram of a diamond field effect transistor according to an embodiment of the present invention, showing a
1D, in
図１（ｅ）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ーの測定方法１５０を示す図である。
図１（ｅ）において、ダイヤモンド電界効果トランジスターの測定方法１５０は、電圧源１０７と、電流源１０８と、電圧源１０９と、電流源１１０とを備える。電圧源１０７と電流源１０８は、ゲート電極１０５に直列に接続され、電圧源１０９と電流源１１０は、ソース電極１０３とドレイン電極１０４との間に直列に接続される。
FIG. 1E is a diagram illustrating a
In FIG. 1 (e), a diamond field effect
図３（ｂ）は、本発明によるダイヤモンド電界効果トランジスターのドレイン電流電圧特性を示す。図３（ｂ）において、本発明によるトランジスターの電流電圧特性は、ゲート電圧−３Ｖにおける最大ドレイン電流密度は、６００ｍＡ／ｍｍとなり、従来技術による場合の約６倍に増加した。 FIG. 3B shows the drain current-voltage characteristics of the diamond field effect transistor according to the present invention. In FIG. 3B, the current-voltage characteristic of the transistor according to the present invention shows that the maximum drain current density at a gate voltage of −3 V is 600 mA / mm, which is about 6 times that in the conventional technique.
図４に、本発明によるダイヤモンド電界効果トランジスターのドレイン電流の試料温度特性を示す。従来技術において、室温から１００℃にかけてドレイン電流は急激に減少したが、本発明によれば、３００℃まで安定してＦＥＴ動作した。 FIG. 4 shows the sample temperature characteristics of the drain current of the diamond field effect transistor according to the present invention. In the prior art, the drain current drastically decreased from room temperature to 100 ° C., but according to the present invention, the FET operation was stably performed up to 300 ° C.
表１は、このように作製したＦＥＴのドレイン電流密度（ＩDMAX）と最高動作温度（ＴC）をまとめたものである。保護層１０６は、４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンの混合物、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、ペルフルオロカーボンの場合も記す。いずれの場合も、従来技術による場合、（１００ｍＡ／ｍｍ，１００℃）より、大幅に向上することがわかった。
Table 1 summarizes the drain current density (I DMAX ) and the maximum operating temperature (T C ) of the FET thus fabricated. The
１０１ ダイヤモンド結晶膜
１０２ 水素を含む第一の表面層
１０３ ソース電極（Ａｕ）
１０４ ドレイン電極（Ａｕ）
１０５ ゲート電極（Ａｌ）
１０６ 本発明によるフッ素を含む保護層
101
104 Drain electrode (Au)
105 Gate electrode (Al)
106 Protective layer containing fluorine according to the invention
Claims (2)
前記第１の表面層の上に順に並んだソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、
ソース電極−ゲート電極間、および、ゲート電極−ドレイン電極間の、前記第１の表面層上にある、フッ素を含む保護層であって、
４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンとの混合物、
（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、
ペルフルオロカーボン、または、
４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンと、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタンと、ペルフルオロカーボンとの混合物
の内のいずれかである保護層と
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ー。 On Diamond, a first surface layer containing hydrogen,
A source electrode arranged in this order on the first surface layer, a gate electrode and a drain electrode,
Source electrodes - between the gate electrodes, and the gate electrode - drain electrode, in the first surface layer, a protective layer containing fluorine,
A mixture of 4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole and 1,1,2,2-tetrafluoroethene,
(2R, 3S) -1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropentane,
Perfluorocarbon, or
4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole, 1,1,2,2-tetrafluoroethene, (2R, 3S) -1,1,1,2 , 3,4,4,5,5,5-decafluoropentane and perfluorocarbon
A protective layer that is one of
Diamond FET which comprising the.
前記第１の表面層上の、フッ素を含む保護層であって、
４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンとの混合物、
（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、
ペルフルオロカーボン、または、
４，５−ジフルオロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソールと、１，１，２，２−テトラフルオロエテンと、（２Ｒ，３Ｓ）−１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタンと、ペルフルオロカーボンとの混合物
の内のいずれかである保護層と
を備えたことを特徴とするダイヤモンド薄膜。 On Diamond, a first surface layer containing hydrogen,
Wherein the first surface layer, a protective layer containing fluorine,
A mixture of 4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole and 1,1,2,2-tetrafluoroethene,
(2R, 3S) -1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropentane,
Perfluorocarbon, or
4,5-difluoro-2,2-bis (trifluoromethyl) -1,3-dioxole, 1,1,2,2-tetrafluoroethene, (2R, 3S) -1,1,1,2 , 3,4,4,5,5,5-decafluoropentane and perfluorocarbon
A protective layer that is one of
Diamond thin film, comprising the.
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