反転層型ダイヤモンドMOSFETの動作実証に成功：「究極のパワーデバイス実現へ」

金沢大学理工研究域電子情報学系の松本翼助氏、徳田規夫氏らの研究グループは、「世界初」となるダイヤモンド半導体を用いた反転層チャンネルMOSFETを作製し、動作実証に成功したと発表した。

[庄司智昭，EE Times Japan]

「世界初」の反転層型ダイヤMOSFET

　金沢大学理工研究域電子情報学系の松本翼助氏、徳田規夫氏らの研究グループは2016年8月22日、「世界初」となるダイヤモンド半導体を用いた反転層チャンネルMOSFETを作製し、動作実証に成功したと発表した。

　ダイヤモンド半導体は、次世代パワー半導体材料であるSiC（炭化ケイ素）とGaN（窒化ガリウム）よりも、高い熱伝導率と絶縁破壊電界を有しているため、特に大きな電圧や電流が必要な領域での省エネルギー化につながると期待されている。ちなみに、熱伝導率はSi（シリコン）の14倍、絶縁破壊電界は同100倍である。

　また、反転層チャンネルMOSFETは、低消費電力化に必要不可欠な電圧制御素子であり、パワーデバイスで最も重要で最低限必要とされるノーマリーオフ特性^＊）を基本的に持つため、信頼性が高く、Si半導体で広く普及している。しかし、ダイヤモンド半導体はプロセスの難しさから、良好なMOS構造を形成するのが困難だったという。

＊）ノーマリーオフ特性：システムとしては動作中でも、真に動作すべき構成要素以外の電源を積極的に遮断することで、誤動作を防ぎ、消費電力を最小限に抑える特性のこと。

図1：左上＝今回作製した反転層チャネルダイヤモンドMOSFET／右上＝一素子を光学顕微鏡で拡大した画像／下＝赤い破線部の断面模式図 （クリックで拡大） 出典：産業技術総合研究所（産総研）

　同研究では、ダイヤモンドを成長させる手法の1つである「マイクロ波プラズマ化学気相成長法」によるn型ダイヤモンド半導体の高品質化、ウエットアニールによる酸化膜とダイヤモンド界面の高品質化を行った。これにより、反転層チャンネルダイヤモンドMOSFETを作製（図1）し、その動作実証に成功している。

図2：ゲート電圧を変化させたときのドレイン電圧に対するドレイン電流の変化 出典：産総研

　作製したMOSFETの動作を調べると、ゲート電圧をかけていないときはゲート電流も検出限界以下（ノーマリーオフ特性）であり、ゲートにかける負電圧を大きくすると、MOS界面のn型ダイヤモンド半導体に空乏層が広がり、さらに負電圧を大きくすると少数キャリアの正孔がドレインソース領域から流れ込むことで反転層チャンネルが形成され（図1右下）、ドレイン電流が流れることが明らかになった。その結果、ドレイン電流の理想的な飽和特性（図2）、高いON／OFF比を確認したとする。

　同研究グループは「今後、応用に必要な大電流化と高耐圧化を図るために、MOS界面のさらなる高品質化による移動度の向上、ドレイン領域に耐圧層の導入が必要だ。しかし、将来的に、省エネ・低炭素社会に貢献する究極のパワーデバイス実現が期待できる。ダイヤモンドパワーエレクトロニクスの時代が、大きく切り開かれるだろう」と語る。

　同研究は、金沢大学の研究チームと、産業技術総合研究所ダイヤモンドデバイス研究チームの山崎聡氏と加藤宙光氏、デンソーの小山和博氏らによる共同研究である。