【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.10】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24WS0072
利用課題名 / Title
インバータ応用に向けた縦型ダイヤモンドMOSFETの開発
利用した実施機関 / Support Institute
早稲田大学 / Waseda Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
縦型ダイヤモンドMOSFET,ALD,CVD,リソグラフィ/ Lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,電子顕微鏡/ Electronic microscope,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,エリプソメトリ/ Ellipsometry,ワイドギャップ半導体/ Wide gap semiconductor,パワーエレクトロニクス/ Power electronics,エレクトロデバイス/ Electronic device
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
成田 憲人
所属名 / Affiliation
早稲田大学 基幹理工学研究科 電子物理システム学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
太田 康介,山本 稜将,雨堤 耕史,大井 信敬,河合 空
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
WS-004：原子層堆積装置
WS-007：ICP-RIE装置
WS-012：電界放出型 走査電子顕微鏡
WS-016：レーザー直接描画装置
WS-022：高耐圧デバイス測定装置＋ 高耐圧プローバ
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
カーボンニュートラル実現へ、パワーエレクトロニクスのコア技術となるパワーデバイスの高性能化が求められている。そこでバンドギャップ:5.47 eV、破壊電界:10 MV/cm、比誘電率:5.7、熱伝導率: 22 W/cm K, ホールチャネル移動度: 700 cm2/Vs と優秀な物 性値を持つダイヤモンドのパワーデバイス応用 が注目されている。ダイヤモンドパワーMOSFETでは、トレンチ側壁を利用した縦型構造デバイスにより集積化、高耐圧化を達成してきた。そこで本研究では、ダイヤモンドパワーデバイスにおいて更なる電気安定性を求め、パワーデバイスにおいて最も広く用いられている熱酸化によるSiO2ゲート絶縁膜を用いた横型ダイヤモンドMOSFETの開発を行った。熱酸化SiO2/ダイヤモンドMOSFETの開発が初の試みだったため、本研究では横型構造での作製を行った。
実験 / Experimental
デバイス作製の際にレーザー直接描画装置（WS-016）を用いて電極領域選択エッチングや電極の微細パターンを作成し、ICP-RIE装置（WS-007）を用いて電極領域選択エッチングを行った。また原子層堆積装置（WS-004）を用いてAl2O3を成膜した。 また電界放出型走査電子顕微鏡（WS-012）を用いてエッチング面の評価し、高性能分光エリプソメータ（WS-026）を用いてSi膜の酸化レートを評価、作製したデバイスのDC測定を高耐圧デバイス測定装置+高耐圧プローバ（WS-022）にて行った。
結果と考察 / Results and Discussion
作製した熱酸化SiO2ゲート絶縁膜を持つ横型ダイヤモンドMOSFETの断面図をFig.1に示す。Amorphous Si成膜前が水素終端ダイヤモンド(C-H)表面の場合（Device A）、最大ドレイン電流密度が-32.9 mA/mmとなり、amorphous Si成膜前が酸素終端ダイヤモンド(C-O)表面の場合（Device B）、-12.2 mA/mmとなった（Fig.2）。またドレイン電流1 nAを基準とした閾値電圧はDevice A, Bに対して、それぞれ-11.3 V,-13.0 Vとなった（Fig.2）。以上のことより熱酸化SiO2/ダイヤモンドMOSFETにおいて初のFET動作を実証し、パワーデバイスにおいてフェイルセーフの観点から必須となるノーマリーオフ動作も達成した。今後は集積化、高耐圧化に適した縦型構造にて、熱酸化SiO2ゲート絶縁膜を用いた縦型ダイヤモンドMOSFETを作製していく。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig.1 A schematic cross-sectional view of a (001) diamond MOSFET with a thermal SiO2.
Fig.2 I-V characteristics of Device A, which had a C-H diamond surface before a-Si deposition, and Device B , which had a C-O surface before a-Si deposition. (a), (d) ID-VDS characteristics. (b), (e) Log scale |ID| and |IG|-VGS characteristics. (c), (f) Linear scale ID-VGS.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- K. Narita, A. Hiraiwa, T. Kozawa, H. Abe, H. Kawarada , "Diamond MOSFET with a Thermal SiO2 Gate Insulator Formed by Full Steam Oxidation", IEEE EDL, Jan. 2025, submitted.
- R. Yamamoto, N. Oi, K.Ota, K. Narita, A. Hiraiwa, T. Fujishima, H. Kawarada, "Reduction of the Electric Field Strength by the Thick Undoped Layer in the (001) C-H Vertical Diamond MOSFETs," 2024 MRS Fall Meeting & Exhibit, Boston, USA, Dec.1-6, 2024 (Oral, Dec.4, 2024)
- 山本 稜将, 成田 憲人, 太田 康介, 大井 信敬, 平岩 篤, 藤嶌 辰也, 川原田 洋, "(001) C-H ダイヤモンド MOSFET での高濃度ボロンドープ層による接触抵抗と立ち上がり特性の改善", 第11回 ZAIKEN Festa , 早稲田大学各務記念材料技術研究所 (東京), 2024年10月3日 (ポスター)
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件