超低損失電力トランジスタ研究開発拠点早稲田大学研究グループリーダー：川原田洋拠点研究テーマ概要 E-mail: [email protected] ダイヤモンドを基板とした電界効果トランジスタ（FET）の電界分布の均一化と大電流密度化をはかる事により、世界最高性能の超低損失パワーデバイスの実現を目指し、グリーンイノベーションに寄与します。さらに、多種先端材料を自在に加工できる施設を構築し、各種グリーンパワーデバイスの作製およびその特性評価を一括して行う拠点を形成します。要素技術と活用共用装置パワーデバイス技術Ⅱ 経済的なプレーナドリフト構造要素技術II 経済的なプレーナドリフト構造 O サンプルを断面加工しながらリアルタイムでSEMイメージが観察できる装置です。 ALDは、真空容器内に設置した基板上に、原子層を一層づつ積み上げる装置です。要素技術I 低チャネル抵抗、パワーデバイス技術Ⅰ 低チャネル抵抗、 MOSFET構造形成と必要装置低コンタクト抵抗のFET構造低コンタクト抵抗のFET構造アトミックレイヤーデポジション装置オーミック接合 Al2O3 MOSFET構造のための絶縁層/ダイヤ, 金属/ダイヤ界面技術 H23年度の主な研究実績 ALD成膜前後の水素終端表面正孔蓄積層 ALD（Ｈ２Ｏ）Al203成膜後表面キャリア密度（1013cm2)はほぼ維持ＲＨＥＥＤ像 O N Si Ｓｉビーム源 MBE法によるAlNヘテロエピタキシャル法にて高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、プレーナ・スーパー接合の基本構造を形成表面安定化成膜装置基板等の表面の安定化のために、C-Si結合、C-N結合等による、Si終端構造や窒素終端構造を形成するために使用します。高純度ダイヤモンドCVD装置を用いたアルミニウムドーピングドーピング技術に適した先端放電プラズマプラズマの接触を避ける球型チャンバーマルチチャンバー⇒多層膜や超格子構造の形成トリメチルアルミニウムの導入によるアルミニウムドーピング 24 Al 原子 O N 原子 O C 原子 H 10 H 原子 2次元正孔ガス表面キャリア密度の変化酸化剤にH2Oを使用した場合、キャリア密度はほぼ維持だが、酸化剤にオゾンを使用した場合、キャリア密度が2-3桁減少。 H2Oの水素により水素終端表面が維持され、 Al2O3/Dia 界面のキャリア密度が維持。窒素ラジカルビームとAl分子線で単結晶AlNをダイヤモンド基板に形成。 source 容量電圧（ＣＶ）法によるAl2O3/ダイヤモンドでの界面準位密度の評価: 測定データ（プロット）は1.5x1011eV-1cm-2のシミュレーション（実線）に一致 13 10 Diamond -1 0.2 0.1 AlN P　(0.6eV ) N　(1.7eV ) Diamond EV drain Diamond/AlN界面には２次元正孔ガスが期待される高易動度トランジスタ（HEMT)の可能性 Mott transition Valence band B　(0.37eV ) Al　(0.2eV ?) ダイヤモンド中のボロンは活性化エネルギー 0.37eVの比較的深いアクセプタさらに浅いアクセプタの探求 20 10 B (0.37 eV) 18 10 N p = Nd 16 10 14 10 P (0.55 eV) 12 10 10 10 8 10 ∝ Nd1/2 N (1.7 eV) 6 10 4 10 12 10 14 10 16 10 18 10 Dopant concentration 20 10 10 22 Nd (cm-3) 共用装置の整備状況と稼働実績 -2 Dit [eV cm ] 2 Cg/S [μF/cm ] 0.3 10 AlN ２次元正孔ガス Dit,mg=5×1011 eV-1/cm2 Dit,mg=1.5×1011 Dit,mg=5×1010 14 QSCV simulation HFCV simulation QSCV measurement HFCV measurement EC Conduction band gate Al2O3/ダイヤモンドの界面準位密度はSiなみに低い 0.4 22 10 Carrier density Nn, Np (cm-3) Al2O3 成膜後 ALD(H2O)後のAl2O3/dia 界面多種多様な基板材料の直接接合を可能にします窒素ラジカルビーム源 Al, Ga 分子線源 Al H 精密制御半導体基板アライメント・表面処理及び接合システムＲＨＥＥＤ電子銃 Al 新型分子線エピタキシャル装置 O p+ プレーナドリフト層パワーデバイスの電気特性を-20K～７00K,～３KVの範囲で真空中で測定可能な装置です。 8 O O O Al Al H 高耐圧デバイス測定装置原子レベルで急峻な多層ホモエピタキシャルダイヤモンドの形成を可能とする装置です。高品質ダイヤモンド成膜最適化カーバイド化によるオーミック接合、絶縁層界面、高品質ゲート絶縁膜、高品質ダイヤモンド成膜、堅牢なMOSFET構造 O O ドレインラジカルモニター付きダイヤモンド成膜装置ダイヤモンド成膜装置ダイヤモンド成膜装置ドープ・アンドープドープ・アンドープ5台 Siビーム、表面SiC H ｎ型ＡｌＮ接合による Si-C,スーパージャンクション N-C によるMOS , p-n 接合 18 O Si C O O 基板等の表面の原子の結合状態および表面形状を見るために使用します。ゲート絶縁膜高耐圧膜 Al Ti/Au Ti/Au + p p+ SiOx/SiC/Diamond ＭＢＥ法 AlN形成、Si 終端 O 顕微ラマン分光装置AFM機能付き TiC 5 nm ALDによるAl2O3/dia 界面表面安定化成膜装置（設備７) O O O O ゲート O Al Al Al 電界強度アトミックレイヤーデポジション (ALD)装置 FIB/SEM装置 12 10 11 10 Lcnet 共用装置の年間稼働スケジュール 10 0.0 10 -0.5 0.0 0.5 1.0 Vg [V] 1.5 2.0 Dit,mg ≈ 1.5×1011 eV-1/cm2 容量電圧（ＣＶ）曲線 0 1 2 3 4 5 Interface trap level (Et-Ev)/q [V] Ev 界面準位密度分布 Ec AlNヘテロエピによるAlN/ダイヤモンド界面のデバイス応用 (111)ダイヤモンドの[-12-1]方位から得られた回折パターン 10cycle 30cycle 1500cycle 0cycle 成膜中成膜終了直後成膜前 Layer-by-layer 成長アイランド成長 Stranski-Krastanov成長図 14：早稲田大学ナノテクノロジーリサーチセンター施設概要（東京都新宿区鶴巻町）拠点組織【メンバー】逢坂哲彌（理工学術院教授）（ナノ理工学研究機構機構長）川原田洋（理工学術院教授）（拠点リーダー）宇高古川本間堀越庄子勝之（理工学術院教授）行夫（理工学術院教授）敬之（理工学術院教授）佳治（理工学術院教授）習一（理工学術院教授）平岩篤（ナノ理工学研究機構教授) 齋藤美紀子（ナノ理工学研究機構准教授) 関口哲志（ナノ理工学研究機構准教授）竹内輝明（ナノ理工学研究機構准教授）水野潤（ナノ理工学研究機構准教授）【共同研究者】波多野睦子（東京工業大学大学院理工学研究科電子物理工学専攻教授） ALCA：「大口径ダイヤモンド基板によるグリーンインバータ基礎技術」共同研究者福原幹夫（東北大学金属材料研究所准教授） ALCA：「固体金属軽量高蓄電体の研究開発」代表者問い合わせ先：早稲田大学ナノ理工学研究機構電話：03-5286-9067 E-mail ：[email protected] ホームページ：http://www.all-nano.waseda.ac.jp/diamond_transistor/