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発表・掲載日:2012/08/27

ダイヤモンド半導体による接合型電界効果トランジスターの動作に成功

ポイント

  • 究極の半導体物性を持つダイヤモンドで新たなスイッチング素子開発に成功
  • 高いオン・オフ比と鋭い立ち上がりを持つことを確認
  • 家電、自然エネルギー、自動車技術に不可欠なパワートランジスターの実現に期待

 JST 課題達成型基礎研究の一環として、東京工業大学の波多野 睦子 教授と産業技術総合研究所の山崎 聡 主幹研究員らのグループは、ダイヤモンド半導体注1)を用いた接合型電界効果トランジスター注2)を作製し、動作させることに世界で初めて成功しました。

 グリーンイノベーションの一環として、スマートグリッドの開発が進められていますが、そのキーテクノロジーとして1.0kVを超える高い電圧に耐え、低損失でオン・オフできる小型の半導体パワーデバイス注3)の開発が求められています。ダイヤモンド半導体は、半導体の中で最も高い絶縁耐圧と最も高い熱伝導率という優れた特性を持つため、候補材料として大いに期待されています。しかし、これまで、p型とn型が横方向に隣り合う横型pn接合注4)を形成することの難しさ、特に特定の位置を選択して低抵抗のn型ダイヤモンド半導体を作ることの困難さから、パワーデバイスである接合型電界効果トランジスターは実現していませんでした。

 研究グループは、高濃度のリン不純物を添加したn型ダイヤモンド半導体を選択的に形成する結晶成長技術を開発し、これによりn型、p型、n型を横方向に接合した接合型電界効果トランジスターの作製に成功しました。また、このトランジスターはオフ時の漏れ電流が小さく、7桁以上の高いオン・オフ比で動作することも確認しました。

 このようにダイヤモンド半導体を用いた接合型電界効果トランジスターの動作が実証されたことで、省エネルギー・低損失パワートランジスターの開発に道が開かれました。

 本研究成果は、2012年8月24日に応用物理学会発行の英文科学誌「Applied Physics Express」のオンライン速報版で公開されます。

 本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
  戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)
研究領域:「二酸化炭素排出抑制に資する革新的技術の創出」
(研究総括:安井 至 独立行政法人 製品評価技術基盤機構 理事長)
研究課題名:「超低損失パワーデバイス実現のための基盤構築」
研究代表者:山崎 聡(独立行政法人 産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 主幹研究員)
研究期間:平成22年10月~平成28年3月
 JSTはこの領域で、2050年までに世界の温室効果ガスの排出を半減させるという目標に向け、主に二酸化炭素の排出削減について、既存の抑制技術の2倍程度の効率を有する革新的技術の開発を目標としています。上記研究課題では、省エネルギーに大きく貢献する超低損失ダイヤモンド半導体パワーデバイスの基盤技術を確立します。

研究の背景と経緯

 パワーデバイスは、送電、自動車、鉄道、太陽光発電、風力発電、家電などへの応用のニーズが高い電子素子であり、スマートグリッド化のキーデバイスです。高効率の電力変換が可能で超低損失なパワーデバイスの開発により、省エネルギーを推進し、二酸化炭素ガスの排出を大幅に削減することができるようになります。

 現在、主流であるシリコン(Si)を用いたパワーデバイスは、高い電圧に耐えられない上、温度上昇にも弱く、電力変換の損失も多いなど性能の限界が近づいています。このような課題を解決するために、新しい材料として炭化ケイ素(SiC)注5)窒化ガリウム(GaN)注6)によるデバイスが研究・開発され、一部実用化されつつあります。ダイヤモンドはこれらの材料よりも、さらに高い絶縁破壊電界(Siの100倍)や熱の逃しやすさ(熱伝導率がSiの14倍)など究極の物性値を持つために、高電圧をかけても壊れず、また大電流を流したときに発生するジュール熱を効率的に逃がすことができます。そのため、特に、大きな電圧や電流が必要な電気自動車や直流送電などでは、ダイヤモンド半導体を用いたパワーデバイスの実現が期待されています。

 しかし今まで、トランジスターとしての基本要素である横型のpn接合の形成やその電界制御が困難であり、デバイス化に課題がありました。

研究の内容

 接合型電界効果トランジスターを動作させるためには、界面に結晶欠陥を含まないきれいな結晶構造を持つ横型のpn接合を形成することが必要です。通常のシリコン半導体の不純物原子の選択ドーピングに使われているイオン注入法注7)では、基板表面の特定の領域にn層を作ることにより、横型のpn接合を形成することができます。しかし、ダイヤモンド半導体では、注入した不純物によって発生した結晶欠陥を熱処理で回復させることが困難でした。これは炭素系材料の最安定相がダイヤモンドではなくグラファイトであり、熱処理してもダイヤモンドに戻らないためです。今回、鍵となる技術はマイクロ波プラズマ化学気相合成法注8)を用いた選択成長により、横型のpn接合を形成させたところです。

 n層の成長条件を工夫することにより、ある方向だけの成長速度を他の面方向の100倍以上に高めることに成功し、棒状に加工したp層の両サイドだけに選択的に、高濃度に不純物を含むn層(以下n層)を形成しました(図1)。

 作製したトランジスターの動作を調べると、p層とn層の境界に形成される空乏層(自由電子と正孔がほとんど存在しない領域)の幅をゲート電極にかける電圧により制御し、電流を増減できることを確認しました(図2)。加えて、ゲート電圧をさらに大きくすることによってp層の幅全体に空乏層を広げ、電流を完全に遮断し、トランジスターをオフ状態とすることに成功しました(図3)。オフ状態の漏れ電流は安定して数フェムトアンペア(1,000兆分の1アンペア)程度に保たれており、高いオン・オフ比と鋭い立ち上がりを持つトランジスターとして動作することを確認しました。

 本研究は、東京工業大学の波多野 睦子 教授、岩崎 孝之 助教と産業技術総合研究所の山崎 聡 主幹研究員、加藤 宙光 主任研究員らのグループによってJSTの戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)の一環として行われました。なお成果の一部は、JST 先端的低炭素化技術開発(ALCA)における研究課題「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」(研究代表者:川原田 洋 早稲田大学 基幹理工学部 教授)からの協力を受けています。

今後の展開

 本成果によって、ダイヤモンド半導体を用いた接合型電界効果トランジスターの動作が実証されたことで、省エネルギー・低損失パワートランジスターの開発に道が開かれました。今後、応用に必要な大電流化と高耐圧化を図るために、電流が通過する断面積を拡大すると同時に、オフ状態でソース-ドレイン間にかかる高電圧に耐えられるデバイス構造が必要です。そのために、ダイヤモンドの結晶作製技術のさらなる高度化によって、ソースとドレインをそれぞれ基板表面と基板裏面に配置した縦型デバイスの実現を目指します。さらには、高い熱伝導率を持つダイヤモンドは高温など過酷な環境下においても動作が期待できるため、その実証実験に取り組み、大口径ダイヤモンド基板を用いたデバイス作製にも発展させる予定です。

参考図

ダイヤモンド半導体による接合型電界効果トランジスターの図
図1 ダイヤモンド半導体による接合型電界効果トランジスター
 (a)上から見た模式図。ソースからドレインに向かって流れる伝導キャリアをゲートの電圧で制御する。(b)点線部分の断面模式図。(c)選択成長技術で作製した接合型電界効果トランジスターの電子顕微鏡像と測定に用いた回路図。

ドレイン電圧とゲート電圧を変化させたときのドレイン電流の図
図2 ドレイン電圧とゲート電圧を変化させたときのドレイン電流
 ゲート電圧の増加とともにドレイン電流が減少していくので、空乏層の幅がゲート電圧によって制御でき、トランジスターとして動作していることが分かる。

ゲート電圧とドレイン電流の関係図
図3 ドレイン電圧を一定(-20 V)にしたときのゲート電圧とドレイン電流の関係
 ゲート電圧が約7Vのときにドレイン電流が最小となり、それ以上では常にオフ状態となっており、漏れ電流が非常に小さいことが分かる。

論文タイトル

"Diamond Junction Field-Effect Transistors with Selectively Grown n+-Side Gates"
(選択成長n型サイドゲートを用いたダイヤモンド接合型電界効果トランジスター)


用語の説明

注1)ダイヤモンド半導体
ダイヤモンドは炭素だけからできているが、炭素は元素周期表では第IV族であり、電子部品の主役であるケイ素(シリコン)も同じ第IV族である。第IV族の中で炭素はケイ素の近くに位置し、ケイ素と似た性質を持っているが、不純物や格子欠陥の少ない高品質のダイヤモンドがなかったことから、半導体としての研究は進んでいなかった。しかし、1980年ころに、化学気相合成法により高品質なダイヤモンドが人工的に合成できるようになった。その後、急速に半導体としての研究が進み、応用の1つとしてLEDが作製できるようになった。パワーデバイスに必要な絶縁耐圧や熱伝導率といった特性は、シリコンや炭化ケイ素、窒化ガリウムよりも優れている。[参照元へ戻る]
注2)接合型電界効果トランジスター
ゲート部分が異種半導体の接合(pn接合)から構成され、接合面にできる空乏層(不純物がイオン化し、自由電子と正孔がほとんど存在しない領域)によって電流を制御するトランジスター。[参照元へ戻る]
注3)半導体パワーデバイス
電圧・電流・周波数を変換・制御するための半導体素子。基本的な動作原理はメモリー、マイコンなどの半導体デバイスと同じであるが、パワーデバイスは高耐圧・大電流を制御することができる。電力を効率よく制御するために、電流容量が大きい、耐電圧が大きい、発熱が少なく放熱が良いパワーデバイスが望まれる。半導体材料としてシリコン(Si)が通常用いられているが、動作速度、電圧、電流、冷却系などで、ほぼ限界に近くなってきている。そのため、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドなど新しい半導体材料の開発が期待されている。[参照元へ戻る]
注4)pn接合
正孔を伝導キャリアとするp型半導体と自由電子を伝導キャリアとするn型半導体の領域が接する界面。トランジスターやダイオードなどさまざまな半導体デバイスの主要な構成要素となる。特に、接合型電界効果トランジスターでは、ダイヤモンド基板と平行方向にp型半導体とn型半導体を配置した横型pn接合が必要である。[参照元へ戻る]
注5)炭化ケイ素(SiC)
シリコンと炭素からなる半導体で、シリコンとダイヤモンドの中間の性質を持っている。シリコンに性質が似ておりデバイス化が比較的容易であるため、現在、実用化されつつある。[参照元へ戻る]
注6)窒化ガリウム(GaN)
窒素とガリウムからなる半導体で青色発光ダイオードの材料である。パワーデバイスとしての性質はシリコンとダイヤモンドの中間に位置している。[参照元へ戻る]
注7)イオン注入法
ホウ素、リン、ヒ素などの純度の高いドーパント原子を半導体中へ加速して注入する方法。ドーパント原子のホウ素は三フッ化ホウ素(BF)ガス、リンはホスフィン(PH)ガス、砒素はアルシン(AsH)ガスが一般的に使われる。SiやSiCの半導体製造プロセスで使用されている。[参照元へ戻る]
注8)マイクロ波プラズマ化学気相合成法
気相合成法の1つで、マイクロ波でメタンと水素などの気体をプラズマ状態にし、基板にダイヤモンドを堆積させる方法。気相中の化学反応により薄膜を形成する技術である。[参照元へ戻る]


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