高性能半導体素子のための低誘電率フッ素樹脂自立膜の転写法

低誘電率フッ素樹脂の自立膜を、表面が変性しやすく接着性の低い基板を含む多様な基板に転写する技術を開発しました。

従来の絶縁膜の転写技術の多くが高誘電率材料に焦点を当てていたのに対し、本技術は低誘電率材料への適用拡大に貢献します。転写膜は高い破壊電界と低いリーク電流を示し、ダイヤモンドトランジスタのゲート絶縁膜として適用した場合、高い移動度、低い界面トラップ密度、ほとんどヒステリシスのない優れた動作特性が得られました。本技術は、低消費電力・高速電子デバイスへの新たな応用展開を拓きます。

Monish et al. "Transfer of Freestanding Fluoropolymer Films for Advanced Semiconductor Devices"
ACS Applied Materials & Interfaces 18, 47786 (2026) (open access)

窒素イオン注入によるダイヤモンドFETの新規素子分離手法の開発

水素終端ダイヤモンド電界効果トランジスタ（FET）は、パワーエレクトロニクスや通信技術、過酷環境での利用など幅広い応用が期待されています。

一般的な素子分離では、導電性の水素終端領域をレジストや金属膜でマスクし、酸素プラズマ処理などによって非導電性の酸素終端領域を形成しますが、マスクの残留物が性能低下を招く可能性があります。

Hino, Monish et al. "Effective lateral isolation for hydrogen-terminated diamond field-effect transistors via nitrogen ion implantation"
Applied Physics Letters 128, 213503 (2026)

窒素・空孔(NV)センターを利用した水素終端ダイヤモンドの表面伝導の研究

水素終端ダイヤモンドは、ボロンなどがドープされていなくてもp型の表面伝導を示すユニークな特徴を示します。

私たちはダイヤモンド表面に窒素イオンを注入し、窒素密度が大きくなるにつれて表面伝導が消失し、それとともにイオン注入によって形成された窒素・空孔(NV)センターが負電荷状態へと変化することを示しました。

この実験結果は、アクセプタとして働く表面吸着物密度と深いドナーとして働く窒素密度のバランスで表面に生成する正孔密度が決まることを示唆しており、表面伝導の発現機構について新しい知見を与えるものです。この成果は水素終端ダイヤモンド電界効果トランジスタの新しい素子分離手法の開発につながりました。

Kageura et al. "Surface transfer doping of hydrogen-terminated diamond probed by shallow nitrogen-vacancy centers"
Carbon 229, 119404 (2024); arXiv:2310.17289

ダイヤモンドを使った高移動度pチャネルワイドバンドギャップ電界効果トランジスタの開発

ダイヤモンドはワイドバンドギャップ半導体としての優れた特性を持ち、パワーエレクトロニクスや情報通信での応用が期待されています。 特に、表面の炭素に水素が結合した水素終端ダイヤモンドを使った電界効果トランジスタについて国内外で活発な研究が行われています。

一般的に、水素終端ダイヤモンド表面に電気伝導性を持たせるためには、大気中の吸着物などを利用した「表面トランスファードーピング」という手法が不可欠と考えられてきました。しかし、この方法では正孔キャリアを生成できる一方で、負電荷によるキャリア散乱も同時に発生するため、ダイヤモンドFETのチャネル移動度が制限されるという課題がありました。加えて、パワーエレクトロニクス用途で求められるノーマリオフ動作の実現が難しいという問題もありました。

私たちは、水素終端ダイヤモンドを大気に曝露せず、表面トランスファードーピングを排除することで、高いキャリア移動度とノーマリオフ動作を同時に実現する反転層型ダイヤモンドFETの開発に成功しました。

Sasama et al. "High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures"
Nature Electronics 5, 37 (2022); SharedIt view-only PDF; arXiv:2102.05982

ダイヤモンド電界効果トランジスタの移動度の制限要因の解明

ダイヤモンド電界効果トランジスタは、パワーエレクトロニクスや高出力高周波増幅などの分野での利用が期待されています。このような応用の際に、電力損失を低減したり動作速度を上げるためには、電流を担うキャリアの移動度が高いことが望まれます。

私たちは最近、六方晶窒化ホウ素をゲート絶縁体(h-BN)として使うことで、高い移動度を示すダイヤモンド電界効果トランジスタを作製することに成功しました。

本研究では、このトランジスタの移動度を決定しているキャリアの散乱要因について、理論計算によって検討しました。h-BNとダイヤモンド界面の荷電不純物が主要な散乱要因であり、これを低減することで1000 cm²V^-1s^-1を超える移動度が実現可能であることを示しました。

Sasama et al. "Charge-carrier mobility in hydrogen-terminated diamond field-effect transistors"
Journal of Applied Physics 127, 185707 (2020); arXiv:2001.11831

h-BNをゲート絶縁体として利用したダイヤモンドトランジスタの量子振動の観測

六方晶窒化ホウ素（h-BN)をゲート絶縁体として使ったダイヤモンド電界効果トランジスタを低温・強磁場で測定することで、正孔の量子振動（シュブニコフ・ドハース振動）の観測に成功しました。

量子振動の観測には高い移動度が必要で、ダイヤモンドではこれまで私たちによる報告しかありません。ダイヤモンドだけでなくワイドバンドギャップ半導体の中でも、正孔の量子振動の観測例は非常に稀です。

本研究の結果は、h-BNをゲート絶縁体としたダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、質の高いチャネルが形成されていることを示しています。

Sasama et al. "Quantum oscillations in diamond field-effect transistors with a h-BN gate dielectric"
Physical Review Materials 3, 121601(R) (2019); arXiv:1907.13500

h-BNをゲート絶縁体として利用した高移動度ダイヤモンドトランジスタの開発

劈開した単結晶の六方晶窒化ホウ素（h-BN)は平坦かつ荷電不純物密度が小さく、基板として使うことでグラフェンの移動度を大きく向上させることで知られています。

私たちは単結晶のh-BNをゲート絶縁体として利用することで、これまでにない優れた特性のダイヤモンド電界効果トランジスタを作製することに成功しました。例えば、10¹² cm^-2台後半の比較的高いキャリア密度において300 cm²V^-1s^-1以上の高い室温移動度を得ることができました。

h-BNは、1000℃を超える高温耐性があり、室温で銅に匹敵する高い熱伝導度を示します。このため、高温や大電力用途での利用が期待されるダイヤモンドデバイスにとって、理想的な絶縁体材料と言えます。

Sasama et al. "High-mobility diamond field effect transistor with a monocrystalline h-BN gate dielectric"
APL Materials 6, 111105 (2018) (open access)