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 Recent news ; 高周波・高出力ダイヤモンドFETグループ

(更新&文責: 小林 拓磨)

 
 

より便利なIT社会の実現には大容量の情報を送るための高周波信号処理技術が必要不可欠です。しかし、数GHz以上の高周波帯域において、現在使用されているSiやGaAsといった半導体を用いた情報通信機器用デバイスはその物性上、出力密度に限界を迎えてしまいます。その解決策としてSiC、GaN、ダイヤモンド、などのワイドバンドギャップ半導体が将来の移動体通信、衛星通信の中継、および超小型レーダー向けの高出力・高周波送信用電界効果トランジスタの材料として検討されています。特に、ダイヤモンドはp型の高周波・高出力トランジスタの材料として注目されています。

ダイヤモンドはその表面を水素原子で終端することにより、容易にホール(hole)というp型キャリアが蓄積した2次元伝導層が発現します。我々、川原田研究室ではこのホール蓄積層をFETチャネルとして利用した高周波・高出力ダイヤモンドMOSFETsの開発を行ってきました。ホール蓄積層の形成メカニズム、水素終端ダイヤモンドトランジスタ及び高周波・高出力デバイスにおけるダイヤモンドFETのポジションについては当HPのOutline ; 高出力・高周波ダイヤモンドFET グループ (更新&文責:神宮 宜克 2008年)を参考にしてください。

 

LSI多層配線へのCNT応用

図1. 水素終端ダイヤモンド表面のバンド図とホール蓄積層

 

図2. 水素終端ダイヤモンドMOSFET断面図

 

― leading-edge technologies ―

・水素ラジカル照射によるダイヤモンド水素終端化技術

ダイヤモンドFETの動作機構において、そのコアとなる水素終端表面の形成技術に関する確立的な方法については現在までその研究は成されておらず、マイクロ波プラズマCVD法を用いたダイヤモンド合成時の副産物としてのホール蓄積層が利用されてきました。そこで、我々は先端放電型ラジカルCVD装置を利用し、良質なホール蓄積層の形成を試みました。先端放電型ラジカルCVD装置とは図3のようにタングステンアンテナにプラズマボールを固定し、高密度の水素ラジカル雰囲気を作ることが可能な装置となっています。このプラズマ固定機構により、ダイヤモンド基板と水素ラジカルの発生源である水素プラズマを任意の距離に離すことができ、プラズマから発生する高エネルギー粒子によるダイヤモンド表面へのダメージを避けることができます。我々は電気的に絶縁性を示す酸素終端ダイヤモンドに高密度水素ラジカル照射を行い、XPS及びホール効果測定によりダイヤモンド表面が水素原子による終端に置き換わったこと確認しました。さらに、水素ラジカル照射により得られたホール蓄積層は低シート抵抗(<10 kΩ/□)、高シートキャリア密度(〜1013 cm-2)という高性能FETチャネルとしての要求を満足することに成功しました。

 

図3 先端放電型ラジカルCVD装置による水素ラジカル照射過程

 

・TiC(チタンカーバイド)層形成による極浅接合を持つ水素終端ダイヤモンドMOSFETの作製

従来の水素終端ダイヤモンドFETは図2のようにソース/ドレイン領域にもホール蓄積層が使用されてきました。今回、我々はダイヤモンドとTiを反応させ金属的伝導性を持つTiC(チタンカーバイド)を形成し、ホール蓄積層よりも極めて抵抗の低い極浅の金属ソース/ドレイン領域を作ることに成功しました。この金属ソース/ドレイン技術はドーピングによる拡散層よりも圧倒的に抵抗が低く極浅の接合を形成することができ、デバイスの微細化にともなうショートチャネル効果に対する耐性が強いという特徴もあり、シリコンデバイスでも注目される技術です。我々は、酸素終端ダイヤモンド上にTi を蒸着し、Pt/Auでキャップした後、熱アニール法によりTiCソース/ドレイン領域を形成し、前述の水素ラジカル照射技術によりホール蓄積層を生成し水素終端ダイヤモンドMOSFETを作製しました。

図4. TiC極浅ソース/ドレイン領域を持つ水素終端ダイヤモンドMOSFET

 
図4のように、作製したトランジスタのソース/ドレイン領域は約3nmという極浅のTiCとなっており、ホール蓄積層と良好なオーミック性接触をとることが確認できました。作製したトランジスタのVDS-IDS特性は左図のようにドレイン電流は100mA/mmという値を得ることができ、fT=8GHz、fmax=18GHzという高周波特性が得られました。
 

[ 関連講演 ]

1) 神宮 宜克, 小柴 亨, 高柳 英典, 山内 真太郎, 與原 圭一郎, 平間 一行, 岩崎 孝之, 川原田 洋
"先端放電型プラズマによるダイヤモンド正孔蓄積層の低温回復", 2006年秋季第67回応用物理学会学術講演会, 立命館大学, 2006年8月

2) 神宮 宜克, 小柴 亨, 高柳 英典, 山内 真太郎, 興原 圭一郎, 平間 一行, 岩崎 孝之,川原田 洋
"Ti/Pt/Auオーミック電極を用いた水素終端ダイヤモンドMISFETの作製と評価", 第20回ダイヤモンドシンポジウム, 東京大学駒場リサーチキャンパス, 2006年11月

3) 神宮 宜克, 小柴 亨, 平間 一行, 岩崎 孝之, 梅沢 仁, 川原田 洋
''Ti/Pt/Au ohmic電極形成と水素ラジカル照射法を利用した水素終端ダイヤモンドMISFETの作製・評価", 2007年春季第54回応用物理学会学術講演会,
青山学院大学, 2007年3月

4) Y. Jingu, K. Hirama, T. Koshiba, H. Umezawa, H. Kawarada
"Low plasma damage hydrogen-termination process by antenna-edge-plasma", New Diamond and Nano Carbons 2007, Osaka, Japan, May 2007

5) Y. Jingu, T. Koshiba, K. Hirama, T. Iwasaki, H. Umezawa, H. Kawarada
"Fabrication of H-terminated diamond MISFETs utilizing TiC ohmic layer ", 18th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes,
and Nitrides, Berlin, Germany, September 2007