【半導体】高電圧などに耐えるダイアモンド半導体の動作に成功　−東京工業大学

◆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

　・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を用いた接合型電界効果トランジスターを作製し、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。
（>>２に続く）

＜参考図＞
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
http://www.hyoka.koho.titech.ac.jp/eprd/recently/upload/research/000297/000077_00002.jpg
(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。

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
http://www.hyoka.koho.titech.ac.jp/eprd/recently/upload/research/000297/000077_00003.jpg
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。

図3 ドレイン電圧を一定(-20V)にしたときのゲート電圧とドレイン電流の関係
http://www.hyoka.koho.titech.ac.jp/eprd/recently/upload/research/000297/000077_00004.jpg
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。

▽ソース：http://www.hyoka.koho.titech.ac.jp/eprd/recently/research/research.php?id=297

＜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。
(省略)

＜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。

ゲルマニウムほとんど使われなくなったのに炭素の出番やいかに

☆ユカイだ

ダイヤモンド半導体ってずーっと昔から研究されてるけど、
全然実用には届いてないよね。

Siの技術が頭打ちになればCが台頭してくるのかね。

上手く言えないけれど宝物なんだろうな

熱につよいか？

ダイ「ヤ」モンドですね。
失礼しました。

次はSi生物の研究よろしくお願いします（嘘）

後は、ダイヤモンドの溶接技術の確立

ケブラーみたいなモン？

ダイヤモンドユカイ

ダイヤモンドって熱に弱い。ここにもあるようにグラファイトになる。

大学−半導体−ＳＩＴ−クソ　の連想しか思い浮かばない。
一部に持て囃すバカいて何の役にも立たないゴミ技術を世紀の発明のごとく言う。
関係者は権威主義に反論できずにおべんちゃらばっかり。北の方の大学は今もそれを続けてる。
日本が技術でも負けてる一例。

一方その頃、朝鮮では1分でＥＶの充電が可能とする学術発表をし、
発表直後に学術的疑問を呈されるというお粗末さ。

日本の新技術・学術発表は信頼性が非常に高いが
朝鮮のそれは、まず信用されないという悲しさ。
わははは

超高温下半導体が実現してくれれば嬉しいんだけど

>>12
熱に弱い？？
文章ちゃんと読んでるの？？

熱伝導性はいいから排熱が出来るとは書いてあるけれど
ダイヤモンドってそうだっけ？

>>16
結晶の構造からして全体が振動しやすい

ダイヤモンドの熱伝導率は、1000〜2000(W/m・K)
金属で最高の、銀の熱伝導率は、　 420
参考
カーボンナノチューブは、 3000〜5500
だそうです。

白金に代わる触媒見つければノーベル賞まず違いないけど

何気に東工大とかで発見される気がする

でもお高いんでしょう？

でもダイヤモンドってだんだん劣化するんでしょ？

>>18
銅より高いのかよ。
知らなかった。

ダイヤモンドおもしれー
ダイヤモンド鍋とか作れば売れるよ！

な ん だ 睦 っ ち ゃ ん か。 ま た い つ も の （ｒｙ

>>8
ニールダイアモンド
綴り同じだがダイアモンドが一般的だなこの場合
フォークギターが基本っぽいが高電圧エレキをバリバリ弾くようになったと

予感は本物

>>5
＞Siの技術が頭打ちになれば

Siで止まってないのは微細化方面だけで
他の方面ではとっくに頭打ちじゃないか？

2chには半導体=パソコン、スマフォとしか
思わないアフォ（>5のことじゃないよ）がいっぱいいて
Si 以外イラネみたいなこというね

ダイヤモンドはSiより格子定数が小さいから、昔は微細化を
将来の利点にあげてた人もいたが、今はもういない。Si の純度制御等
微細化向け技術蓄積にCで追いつくような開発投資できる見込みは
全くなくなった。それでもちゃんと用途があるから研究してる

半導体は甘え

>>22
炊飯器がとっくに販売されている。

Cの不純物混入具合には泣きたくなるぜ
同位体とか混ざり過ぎなんだよ

で、どれくらいの電力を制御できるようになるの？
そこのところが判らない

>>8
タイムボカン見過ぎ

「Applied Physics Express」

初めて聞いた。JJAPってLetterセクションも無かったっけ？

LettersがExpressになったような

IGBTも作れるようになるかな

SiCとはちがうん？

>>31それダイナモンド

昔とあまり変わってないような気がする

でも、お高いんでしょwww

俺は物理学科にいたけど電電の方が面白そうだなと常々思ってた(´・ω・｀)

高電圧に耐える半導体ができるんなら、切れない白熱球可能だろうか。

ダイヤモンドでCPUを作ることができれば
いまのCPUはゴミも同然になると5年ぐらい前に見た

>>6
あの時感じた予感は本物なのだろう

>>42

今、私を動かすのはダイアモンド

の半導体

ダイアモンド回路ってサンスイが開発してなかったっけ？

まだ小さい？

質屋で買い取ってもらえますか？

素人でもコストが馬鹿高くなるのが予想できる

>>15
クソワロタwwwwwwwwwweeeeeeeweeeeee

韓国に盗られんなよ。

>>12
>大学−半導体−ＳＩＴ−クソ　の連想しか思い浮かばない。
おまいの頭にはクソが詰まってるからそうなんだろうなｗｗｗｗｗｗ

コア電圧1000V

量子トンネル現象はどんな絶縁状態も通り抜ける。

>>44
一応マジレスしておくと、それは回路図の形状からつけた名前な。
ダイヤモンドベースの半導体とは関係ない。
ダイヤモンド差動回路で画像検索すればたくさんヒットする。

>>47
デビアスが介入しなければ、大して高くはならない。

SiCはどうなった？

ちなみに白色矮星の核はダイヤモンドってうわさ

木星の核の段階でダイヤモンドだっつー話。
Lucy ｉｎ the sky with diamond

>>53
気相成長だから原料はメタンとかエチレンとかだぞ。きっと。

>>55
ダイオードは既に実用化済み。
FETやIGBTも実用段階だったはず。

SiC　色々商品も発表されてる様子

ttp://www.google.com/search?hl=ja&as_q=SiC+site:mynavi.jp

GaOの方がSiCより作りやすそう。

GaO？
GaNじゃなくて？

SiCはGaNより高パワー領域まで行けそう
GaNはSiCより高周波領域まで行けそう、らしい

>>56
鉄じゃないの？

自衛隊の次のレーダー発振機だな

CPUも冷却効率高くで
今のファンで4GHz辺りまで行けるかな?

>>65
直ぐにそんな周波数で動かしていたころが懐かしく思えるようになるさ。
mimizun.com/log/2ch/newsplus/1014662936/
mimizun.com/log/2ch/scienceplus/1150886766/

発電の前にコスパ考えろ

放送用送信菅とかレーダー最終出力菅とかにまず使われるのかな。

>>66
今ならクラウドサーバ使えば個人でも可能だな
コア100程度だし。

rm r,　　　　　　タマの裏までしっかりね〜！　　　　　.なわ┌─┐
.ヾ_｀ヽ　　　キ　　　　　　　　 　 　 　 　 　キ　　　 /),;彡んた | .ち│
　　＼＼　　 ャ . ,、　　　 ,.-─‐-、　　　 ャ 　 　 l ,- /　でし│ん .!
　　赤＼＼　 ッ　!｀ー--/ /´｀´｀ヽ　 　 ッ　 　 ／／ 聞もた | .ち│
　　ち.　 ＼｀ー､__.｀ー-i /　∩ ∩ |　　　　,.-‐´／　　い　ち...| .ん |
. 　 ゃ　 　 ｀-､＿ ７´｀ヽ|　 r─-, .|_,.-,.-´ ,.-‐´ア　　て　に.└─┘
　　ん 　 　 　 オ Y_　　　ト､_ヽノ /　　|_,-´　　ハ　 　ね
勃 も .＿＿　　ホ　ヽ　/ |＿二| |_,.-´　　 ＿_ハ 　 　！
起　 /;;;;;;;;;;;;;;ヽ ホ　 |ノ　　　　　 |　　,.-‐´:::::::::ヽ_　大な怖 あ洗皮
す　/;;;;;;-‐´｀ヾ;_,.-‐´　　　　　　/　/::r‐-::::::イ:::::::i 丈.く.が げっ を
る . {;;!　＾ L!^　|　　(⌒)　　　　(ll　(::::|の へ/::::::::::}夫て.ら て.て.む
の　ヾ､_ ﾉ▽　/-､-ｲ　|　　 　 ._||_っ｀| く_　 )::::::::::::}！も　　！　 .い
よ　 ./ ヽT二T|／ イ　|　　　 (ミ　/　.＼┘人,--､/　　　 　 　 　 て
∫　 |　　|　　/ ／ー-´　　 　 ヽ /　　　￣| /　　 ヽ
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
　　　 ＿　 i⌒i　　　　い 拭　　　 ＿＿　　　ま　う　　　　　　┌─┐
　　　.ﾄ;;;;;i.く ：.|　　 　 い け　　/´　　　＼.　 ぁ　ん　　　　 　 .| .ま..|
　　　 XT　 !.ノ　　　　か ば　 .|⌒⌒ヽ　 |__　：　　ヽ＿＿ . 　 | .ん |
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>>42

大納言だね〜

　　韓国サムスンが狙ってます、注意してください

>>72
サムスンって強電用の半導体作ってるの?

空焚きしたら萌えるだろ

クリスタルの夜

よし次は集積回路だ

んで、この大納言は何に使うの？

スマートグリッド

>>73
盗めれば何でも作るだろ

>>79
強電用半導体だと開発請負ってくれるエンジニアリングメーカーが今の所無さそうだから
当分は無理じゃね

強電用半導体って大規模発電を行う施設や、大容量の電気を使う施設で使う？
すまんいまいちなんに使うのか理解できてない

グラフの単位がまちがってるのかな？
１５Vが15kvのまちがい？

そうでなければ電圧低すぎ

>>81
インバータ用のGTOとかIGBTとか、電車のモーターとかの回転機器には必須

>>81
ハイブリッドに使えるんじゃね？

電圧高いほうが細い線で多く電力を送れるこれクリ豆な

まだ”トランジスタができた”という段階だよ。
デバイスの性能を素材の素質限界まで近づけるのはこれから

ダイヤモンド薄膜の応用分野
ttp://www.kobelco.co.jp/products/r-d/tdg/erl/diamond/diamond/index.html

ジルコニアなら安いのに

万年有望技術ｗ

半導体の製造工場にダイアモンド薄膜の形成工程って導入簡単に出来るの?
どうせPVDだろうから素人考えではそんなに難しくなさそうだけど

八戸