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ダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその製造方法 UPDATE

国内特許コード P210017945
整理番号 2316
掲載日 2021年11月1日
出願番号 特願2020-041416
公開番号 特開2021-145003
出願日 令和2年3月10日(2020.3.10)
公開日 令和3年9月24日(2021.9.24)
発明者
  • 川原田 洋
  • 費 文茜
  • 畢 特
  • 岩瀧 雅幸
出願人
  • 学校法人早稲田大学
発明の名称 ダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその製造方法 UPDATE
発明の概要 【課題】界面準位密度を低減するためにC-Si結合を含むシリコン終端層を備えたゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いるダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】FET100Aは、ノンドープのダイヤモンド層2Aの表面上に形成されたシリコン酸化膜3Aと、シリコン酸化膜3Aをマスクとしてノンドープのダイヤモンド層2Aの表面上に形成されたノンドープのダイヤモンド層4Aと、ノンドープのダイヤモンド層2Aとシリコン酸化膜3Aとの界面及びノンドープのダイヤモンド層4Aとシリコン酸化膜3Aとの界面に形成されたシリコン終端層5Aと、シリコン酸化膜3A上に形成されたゲート電極12Aを備える。FET100Aは、シリコン酸化膜3A及びシリコン酸化膜3A上に形成された絶縁膜10Aをゲート絶縁膜11Aとし、ノンドープのダイヤモンド層4Aをソース領域及びドレイン領域として動作する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

ダイヤモンドは、高電圧、大電流動作が必要とされる大電力用のパワーデバイスに適した半導体材料として期待されている。ダイヤモンド基板の表面を水素終端してC-H結合を形成することによって、ダイヤモンド基板の表面直下に2次元正孔ガス(2DHG:2 Dimensional Hole Gas)を誘起し、ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)として動作させる技術が提案されている。ダイヤモンドFETでは、ゲート絶縁膜としてAl(アルミナ)が使用されている(例えば、特許文献1)。

一方、Si(シリコン)基板上に作製するFETとしては、ゲート絶縁膜にはSiO(シリコン酸化膜)を使用したMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)型が広く利用されている。SiOで形成されたゲート絶縁膜は、Al(アルミナ)等で形成されたゲート絶縁膜に比べて安定した化学的結合構造を有し、絶縁膜としての信頼性が高いことが知られている。

ダイヤモンド基板の表面をSi(シリコン)終端する技術については、モノレイヤーのみを作製した試料での基礎的な検討結果が報告されている(例えば、非特許文献1)。

産業上の利用分野

本発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその製造方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
第1のダイヤモンド層と、
前記第1のダイヤモンド層の表面に設けられたシリコン酸化膜を含むゲート絶縁膜と、前記第1のダイヤモンド層の表面に互いに離間して設けられたソース領域及びドレイン領域と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記第1のダイヤモンド層と前記ゲート絶縁膜との界面に、炭素原子とシリコン原子との結合からなるC-Si結合を含むシリコン終端層を含む、
ことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項2】
前記ソース領域及び前記ドレイン領域は、前記第1のダイヤモンド層の表面において前記シリコン酸化膜が形成された以外の領域に形成された第2のダイヤモンド層である
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項3】
前記第2のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面に、炭素原子とシリコン原子との結合からなるC-Si結合を含むシリコン終端層を含む
ことを特徴とする請求項2に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項4】
前記第1のダイヤモンド層と前記ゲート絶縁膜との界面及び前記第2のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面に、前記C-Si結合を含むシリコン終端層を複数含む
ことを特徴とする請求項3に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項5】
前記第2のダイヤモンド層は、ノンドープのダイヤモンド層である
ことを特徴とする請求項2~4のいずれか1項に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項6】
前記第2のダイヤモンド層は、p型の不純物がドープされたダイヤモンド層である
ことを特徴とする請求項2~4のいずれか1項に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項7】
前記ソース領域及び前記ドレイン領域の前記第2のダイヤモンド層の表面上に、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の端部から所定の間隔を設けてそれぞれ接続されたソース電極及びドレイン電極を備え、
少なくとも前記所定の間隔内の前記第2のダイヤモンド層の表面に、炭素原子と水素原子との結合からなるC-H結合を含む水素終端層を含む
ことを特徴とする請求項2~6のいずれか1項に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。

【請求項8】
第1のダイヤモンド層の表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記第1のダイヤモンド層の表面にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記第1のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面に炭素原子とシリコン原子との結合からなるC-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程と
を含むことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項9】
前記第1のダイヤモンド層の表面に前記ソース領域及び前記ドレイン領域を形成する工程は、前記シリコン酸化膜の一部を除去し、前記第1のダイヤモンド層の表面の一部を露出させる工程と、前記第1のダイヤモンド層の露出させた表面に第2のダイヤモンド層を選択エピタキシャル成長させる工程を含む
ことを特徴とする請求項8に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項10】
前記第2のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面に、炭素原子とシリコン原子との結合からなるC-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項11】
前記第1のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面にC-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程及び前記第2のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面にC-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程は、前記界面に前記C-Si結合を含むシリコン終端層を複数形成する工程である
ことを特徴とする請求項10に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項12】
前記C-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程は、還元性雰囲気中でのプラズマ処理を含む
ことを特徴とする請求項8に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項13】
前記第1のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面にC-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程と、前記第2のダイヤモンド層と前記シリコン酸化膜との界面にC-Si結合を含むシリコン終端層を形成する工程と、前記第1のダイヤモンド層の露出させた表面に前記第2のダイヤモンド層を選択エピタキシャル成長させる工程とを、同一の還元性雰囲気中でのプラズマ処理にて同時に実施する
ことを特徴とする請求項10に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項14】
前記第2のダイヤモンド層を選択エピタキシャル成長させる工程は、ノンドープのダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる工程である
ことを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項15】
前記第2のダイヤモンド層を選択エピタキシャル成長させる工程は、p型の不純物をドープしたダイヤモンド層をエピタキシャル成長させる工程である
ことを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。

【請求項16】
前記第2のダイヤモンド層の表面上に、前記シリコン酸化膜の端部から所定の間隔を設けてそれぞれ接続されたソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
少なくとも前記所定の間隔内の前記第2のダイヤモンド層の表面に、炭素原子と水素原子との結合からなるC-H結合を含む水素終端層を形成する工程とを含む
ことを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2020041416thum.jpg
出願権利状態 公開
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