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 ダイヤモンドパワーFETの高出力・高耐圧化

（文責： 山田 哲也）

  

パワーデバイスは自動車、鉄道、家電、コンピュータ等様々な機器に用いられており、今後もさらなる需要の拡大が予想されています。大電流・大電圧を扱うパワーデバイスにおいて高耐圧化は重要な課題のひとつであり、現在、Siに代わる新たなパワーデバイスの材料として主にSiCやGaNが注目されていますが、ダイヤモンドの絶縁破壊電界はそれらの約3倍（Siの約33倍）であるため、さらなる高耐圧デバイスが期待できます。

そこで我々はダイヤモンドを用いたMOSFETにおいて高耐圧化を目指しており、ダイヤモンド表面を水素終端した際に誘起されるホール蓄積層をチャネルとし、絶縁膜としてALD法（原子層堆積法）による酸化アルミニウムを用いた水素終端ダイヤモンドMOSFETを作製しています。

 

MOSFETの断面構造

  

作製したMOSFET

絶縁破壊特性の測定には早稲田大学120号館のNano-Technology-Research-Center (NTRC)にある高耐圧デバイス測定装置システムを使用し、3 kVまでの高電圧印加や10 K 〜 673 Kに及ぶ低温・高温環境下での測定が可能となっています。

絶縁破壊電圧としては、ダイヤモンドを用いたFETとして世界最高水準である絶縁破壊電圧606 Vを達成しています。また、ゲート・ドレイン間にかかる平均の電界強度としては3.6 MV/cmに相当する、SiCやGaNを凌駕する特性も得られています。

 

測定における電流・電圧系図

  

絶縁破壊特性

1) T.Saito, K.-H.Park, K.Hirama, H.Umezawa, M.Satoh, H.Kawarada, Z.-Q.Liu, K.Mitsuishi, K.Furuya and H.Okushi, “Fabrication of Metal-Oxide-Diamond Field-Effect Transistors with Submicron-Sized Gate Length on Boron-Doped(111) H-Terminated Surfaces Using Electron Beam Evaporated SiO2 and Al2O3” Journal of Electronic Materials, 40(3), 247~252(2011) (DOI:10.1007/s11664-010-1500-1)

2) H.Kawarada, “High-current metal oxide semiconductor field-effect transistors on h-terminated diamond surfaces and their high-frequency operation”, Jpn. J. Appl. Phys. 51(9), 090111-1〜090111-6 (2012) (DOI: 10.1143/JJAP.51.090111)

3) A.Hiraiwa, A. Daicho, S. Kurihara, Y. Yokoyama, and H. Kawarada, "Refractory two-dimensional hole gas on hydrogenated diamond surface," J. Appl. Phys. 112(12), 124504-1~124504-6 (2012) (DOI:10.1063/1.4769404)

4) Atsushi Hiraiwa and Hiroshi Kawarada, “Figure of merit of diamond power devices based on accurately estimated　impact ionization processes”, J. Appl. Phys., 114(3), 034506/1-9, (Jul. 21, 2013) (DOI: 10.1063/1.4816312)

5) Atsushi Hiraiwa , Tatsuya Saito, Akira Daicho, and Hiroshi Kawarada ,“Accuracy assessment of sheet-charge approximation for Fowler-Nordheim tunneling into charged insulators”,  J. Appl. Phys., 114（13）, 134501/1-9 (Oct.2013)
(DOI: 10.1063/1.4823742)

6) Akira Daicho, Tatsuya Saito, Shinichiro Kurihara, Atsushi Hiraiwa and Hiroshi Kawarada ,”High-reliability passivation of hydrogen-terminated diamond surface by atomic layer deposition of Al2O3” , J. Appl. Phys., 115, (22) , 223711/1-4, (Jun. 2014)

7) H. Kawarada, H. Tsuboi, T. Naruo, T. Yamada, D. Xu, A. Daicho, T. Saito, and A. Hiraiwa, “C-H surface diamond field effect transistors for high temperature (400°C) and high voltage (500V) operation”, Appl. Phys. Lett .,105,(1), 013510/1-4 (Jul.2014), (DOI: 10.1063/1.4884828)