NIMS、n型ダイヤモンドMOSFETを開発 「世界初」：ダイヤモンドCMOS集積回路実現へ

物質・材料研究機構（NIMS）は、「n型ダイヤモンドMOSFET」を開発したと発表した。「世界初」（NIMS）とする。電界効果移動度は、300℃で約150cm2/V・secを実現した。ダイヤモンドCMOS集積回路を実現することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電界効果電子移動度は300℃で約150cm²/V・秒を実現

　物質・材料研究機構（NIMS）は2024年1月25日、「n型ダイヤモンドMOSFET」を開発したと発表した。「世界初」（NIMS）とする。電界効果移動度は、300℃において約150cm²/V・secを達成した。ダイヤモンドCMOS集積回路を実現することが可能になる。

　ダイヤモンド半導体は、原理的に高温や高放射線被曝といった環境でも、高い絶縁耐圧や高速スイッチングが可能である。ところが、CMOS構造を実現するために必要となるn型チャネルMOSFETの形成は、ドーピング制御が難しいなどの理由により、これまで実現されていなかったという。

　n型ダイヤモンドMOSFETを形成するには、結晶品質が高いダイヤモンドn^-型チャネルエピタキシャル（以下エピ）層と導電性が高いn⁺コンタクトエピ層を成長させる必要がある。

　NIMSの研究チームは今回、高温高圧合成（HPHT）単結晶ダイヤモンド基板［111］結晶面に、NIMSが独自開発したマイクロ波プラズマ化学気相成長（MPCVD）法を用い、ドーピング濃度を精密に制御した高品質のn型ダイヤモンドエピ層を形成した。

　具体的には、低濃度のリンをドープしたデバイスチャネル用のn^-ダイヤモンドエピ層をHPHTダイヤモンド基板表面に直接成長させた。その後、オーミックコンタクトを形成するため、高濃度でリンをドープしたn⁺層を、n^-層表面に堆積した。原子間力顕微鏡（AFM）で確認したところ、n^-型ダイヤモンドのホモエピタキシャル成長は、原子的に平均粗さ約0.1nmのテラスを形成していることが分かった。

　また、二次イオン質量分析（SIMS）を行い、成長面内でリン濃度が均一に分布し、ドナーを不活性化する水素含有量も測定限界以下であることが分かった。ダイヤモンドエピ層の電子移動度は、300℃の高温環境で212cm²/V・秒となった。

左図（A）は微傾斜ダイヤモンド［111］基板表面の原子ステップとリンをドープしたエピ層の概略図。右図（B）はダイヤモンドエピ層の表面形態AFM像［クリックで拡大］ 出所：NIMS

　研究チームは作製したMOSFETの動作を検証した。これにより、ソースとドレイン（n⁺層）間に流れるドレイン電流を、ゲートに印加する電圧によって制御でき、その極性から電子（n型）伝導性を確認した。ドレイン電流の値は、室温と比べ300℃では約4桁も増え、300℃における電界効果電子移動度は約150cm²/V・秒となった。

　また、300℃の高温でマイクロ秒レベルのスイッチング速度が得られた。ゲート振幅を広げれば、チャネルの導電率が増加するため、スイッチング速度をさらに高速化できるという。

n型ダイヤモンドMOSFETの構造図と、その電気特性および温度依存性［クリックで拡大］ 出所：NIMS