窒化アルミニウムによる高効率フィールドエミッションを実現ディスプレイパネル実用レベルのフィールドエミッション特性

(1)

ダイヤモンド・高周波電力デバイスの開発と

マイクロ波・ミリ波帯電力増幅器への応用

(061403014)

研究代表者

嘉数誠

(1)

_{ＮＴＴ物性科学基礎研究所}

研究分担者

植田研二

†(2)

_{小林康之}

†

_{中川匡夫}

††

†

_{ＮＴＴ物性科学基礎研究所}

††

_{ＮＴＴ未来ねっと研究所}

研究期間

平成18年度～平成22年度

現在所属

(1)

_{佐賀大学大学院工学系研究科}

（2）

_{名古屋大学大学院工学研究科}

(2)

材料 Diamond E_G (eV) 5.47

e

_r 5.7 E_BR (MV/cm) >10 v_sat (107_{cm/s) µ (cm²/Vs)} _l (W/cmK) 22 1.1 (h) 1.5 (e) ～3800 (h) ～ 4500 (e)

GaN 3.42 3 2.4 (e) ～ 2000 (e) 8.9 1.5

Si 1.12 0.3 1.0 (e) _{～ 1350 (e)} 11.9 1.5

SiC 3.26 2.8 2.2 (e) _{～ 1000 (e)} 9.7 4.9

JFOM 580 1340 (h) 1 420

Johnson デバイス性能指数

(高周波電力性能)

_SiC



3 .

2 Diamond

JFOM =

E

BR •

v

sat

2 

2

半導体の物性値と高周波電力デバイス性能

禁制帯幅絶縁破壊電界飽和速度移動度比誘電率熱伝導率性能指数 Material

(3)

3

動作周波数

0.1

1

100

10 1 K

0.1 ₁

₁₀

₁₀₀

Ｓｉ

携帯端末 携帯 基地局 通信衛星

10 K

ダイヤモンド

放送地上局

出力電力

（W)

(GHz)

SiC

GaAs InP GaN

1000

ダイヤモンドは

いまだに真空管が用いら

れている領域を半導体化

することができる

レーダー

通信システムからの要求と半導体の能力

(4)

4

ダイヤモンドの電気伝導性

P : 0.6 eV

N: 1.7 eV

B: 0.37 eV

伝導帯

価電子帯

H : ～0.02 eV

ダイヤモンド半導体の

バンド構造

ドナー準位

（ｎ型）

アクセプター準位

（ｐ型）

禁制帯幅： 5.47 eV

室温（26 meV）では活性化できない

As: 1.0 eV

(安定性が課題)

(5)

5

デバイス基盤技術の３つのアプローチ

１．水素終端ダイヤモンドFET

２．新規ドーピング技術

イオン注入の高効率化

イオン化可能な不純物の探索

３．新規デバイス構造

ダイヤモンド・窒化物ヘテロ接合

(6)

6

Au Au T型短ゲート電極(Al) ダイヤモンド基板 アンドープエピタキシャル層 水素終端による 二次元正孔チャンネル 0.2 mm

T型短ゲート電極

0.2 mm ソースソースドレインゲート Au ソース ドレイン ソース

水素終端ダイヤモンドＦＥＴ構造

(7)

成果（１）水素終端ｐ型伝導層の機構の解明

NO₂で封止 D G S Diamond R_S R_D p_S p_S NO₂ 水素終端による p型チャンネル

水素終端面の正孔生成機構を実験的に解明

半導体で最高の二次元キャリア濃度を達成

ＮＯ

２

でＦＥＴを封止

正孔濃度は従来より1桁増加

M. Kubovic and M. Kasu, Appl. Phys. Express 2 (2009) 086502

M. Kubovic, M. Kasu, H. Kageshima, Appl. Phys. Lett. (2010) 052101. -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 3.0x1013 6.0x1013 9.0x1013 1.2x1014 1.5x1014 1.8x1014 2.1x1014 2.4x1014 p s ( cm -2 ) t (min) 300 ppm 30 ppm 3 ppm air flow air NO₂ flow

(8)

-1000 -800 -600 -400 -200 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Drain voltage V DS (V) D ra in cu rr en t I DS (mA /mm) V GS= Air -2 V -3 V -1 V 0 V -1000 -800 -600 -400 -200 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Drain voltage V DS (V) D ra in cu rr en t I DS (mA /mm) V GS= 750-ppm NO 2 -3 V -2 V -1 V 0 V 1 V

成果（１）NO

₂

吸着による水素終端ＦＥＴ特性向上

従来技術本技術

_{１．７倍の増加}

(9)

9

成果（１）ダイヤモンド高周波増幅器

0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 -10 0 10 20 30

P

OUT

(

dB

m

),

G

a

in

(d

B

)

P

A

E

(

%

)

P

IN

(dBm)

@ 1 GHz, class-A L_G= 0.2 mm, W_G= 100 mm VGS= -1.5 V VDS= -20 V P_OUT= 2.55 W/mm Gain= 12.13 dB PAE= 38.8%

ダイヤモンド高周波電力増幅器を試作、無線周波数でシステムとして評価

現在のシステムの2倍の性能

(10)

10 成果（２）イオン注入ダイヤモンド高効率化の着想

B B B B B

高温アニール

ダイヤモンドへのイオン注入

欠陥（グラファイト相）が導入される

Temperature (

o

_C)

Graphite

.

0 5000

0

5

10

15

20

25

30 Press

ure

(GP

a)

35

40 2000

Diamond

1000

3000

4000

Liquid Carbon

Vapor

Carbon

高温アニール (従来)

B B B B B

高温高圧アニール

(本研究)

(11)

11 イオン注入ダイヤモンドFETの高耐圧、高温動作

(B: 60 keV, 3×10

15

_cm

-2

₎

Al

Diamond(100)Ib sub.

Au

B-impla. layer

Gate recess

Ti

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0 -8

0 -520

-600

I

DS

(

m

A

/m

m

)

V

DS

(V)

L G=2 mm W G=100 mm V GS=-2V V GS= 100V

-2

-4

-6

V GS=2V

-10

オフ耐圧

530 V

(1.1MV/cm)

K

. Ueda, M. Kasu,

Physica Status Solidi (c) 5 (2008) 3175. Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010).04DF16. -5 -4 -3 -2 -1 0 -25 -20 -15 -10 -5 0 Id (m A /m m) Vd(V) Lg=4mm Wg=50mm Vg=0V Vg=20V V GS=2V

500℃

ドーピング効率、1桁増加

(12)

12

0

50

100

150

200

0

5

10

15

20

25 Nitride HEMT

Thermal Conductivity (W/cmK)

成果（３）ダイヤモンド上・窒化物HEMT

SiC [1]

Si [2]

Sapphire [3]

22 Diamond

[1] Y.-F. Wu et al., IEEE Electron Device Lett. 25 (2004) 117. [2] J.W.Johnson et al. IEEE Electron Device Lett. 25 (2004) 459. [3] A. Chini et al. IEEE Electron Device Lett. 25 (2004) 55.

T

_sample

P

_out

T

_base l: thermal conductivity

l

)

(

_sample _base OUT

T

P





R

F out

put

po

w

e

r

(W

/m

m)

基板の熱伝導率 (W/cm K）

高周波出力電力（

W/

m

）

(13)

13 ＢＡＡ [0001] ＡＢＣＡ [111]

Hexagonal AlN Cubic diamond

[0001] [111] [0001] AlN(0001) [111] Diamond (111)

NOD (Nitride On Diamond)のヘテロ成長

• 原子尺度で平坦な界面

[111] [11-2] Diamond (111) [0001] [11-20] AlN (0001) Interface 0.41nm [111] [11-2] [111] [11-2] Diamond (111) [0001] [11-20] AlN (0001) [0001] [11-20] AlN (0001) Interface 0.41nm

TEM原子像

ダイヤ(111)面方位

を用いる

Y. Taniyasu and M. Kasu,

(14)

14

ダイヤ上・窒化物HEMTの二次元電子特性

30 40 50 60 1017 1018 1019 1020 N c-v ( cm -3 )

Distance from surface (nm)

B AlN/GaN interface 0 1 2 3 0 5 10 15 20 Capacitan ce (pF ) Bias voltage (V) B  二次元電子の蓄積 100 200 300 400 500 600 1012 1013 1014 Sh eet el ectr on den si ty (cm -2 ) Temperature (K) B  二次元電子濃度 (～11013_cm-2₎ 100 200 300 400 500 600 0 500 1000 1500 2000 2500 H al l m ob il ity (cm 2 /Vs ) Temperature (K) law data OP phonon AC phonon Dislocation IFR calc. all  750 cm2_{/Vs @RT}  2200 cm2_{/Vs @150 K} Gate Source Drain

Single-crystal AlN buffer (180 nm)

Single-crystal diamond (111) substrate

GaN (600 nm) Al_0.25Ga_0.75N barrier (30 nm)

AlN spacer (1 nm) GaN cap (4 nm)

AlN (3 nm)/GaN (17 nm) multi-buffer (×20)

2DEG

温度（℃）

電子濃度

（

cm

-2

）

温度（℃）

電子移動度

（

cm

2

/Vs

）

表面からの距離 (nm)

キ

ャ

リ

ア

濃

度

(c

m

-3

)

(15)

15

ダイヤ上・窒化物HEMTの直流特性

Gate width: 50 mm, Gate length: 0.4 mm

0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 -5-4 -3 -2 +1 0

I

DS

(m

A/mm

)

V

DS

(V)

E V GS [V] -1 2.5 １.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5 -4.5 V_GS (V) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 200 D B

V

GS

(V)

I

DS

(m

A/mm

)

g

m

(m

S/mm)

V_DS= 10V GaN (600 nm) i-AlGaN (2 nm), Al:0.25 GaN cap (1 nm) Diamond (111) substrate AlN buffer (180 nm)

[AlN(4 nm)/GaN(21 nm)]₂₀ multi-buffer

n-AlGaN (12 nm), Al:0.25, [Si]:1E18 cm-3

i-AlGaN (10 nm), Al:0.25

Source Gate Drain

25 m

m

Gate

Drain

Source

(16)

16

1

10

100

0

20

40 Ga

in (

dB)

Frequency (GHz)

V

GS

= -1.0 V

V

DS

= 10 V

f

_T

: 30 GHz

f

_max

: 24 GHz

ダイヤ上・窒化物HEMTの高周波小信号特性

f

_T

: 遷移周波数 (電流利得の遮断周波数)

f

_max

: 最大発振周波数 (電力利得の遮断周波数)

|H

₂₁

|

2

(17)

17

高周波大信号（電力）特性＠1GHz

PAE: Power Added Efficiency =

P

_out(DC)

P

_out(RF)

-P

_in(RF)

46 %

-10

0

10

20

30

B C

Pin (dBm)

Pout

(d

Bm)

0

20

40

60 Ga

in (

dB)

, PAE(%)

2.13 W/mm

Gain (dB

)

,

P

AE

(%

)

28 dB

入力電力 (dBm）

出力電力

（

d

Bm

）

利得（

dB

）

,

電力付加効率

(%

)

(18)

18 消費電力： 2 W

窒化物HEMTの温度特性：基板材料の比較

Probe

HEMT on diamond

Cu

K. Hirama, Y. Tanisyasu and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 162112.

℃50.0 46.3 42.5 38.8 35.0 31.3 27.5 23.8 20.0 50C 20C 35C

℃

50.0

46.3

42.5

38.8

35.0

31.3

27.5

23.8

20.0

HEMT on diamond

℃

50.0

46.3

42.5

38.8

35.0

31.3

27.5

23.8

20.0

HEMT on SiC

36 

C

(



T =13



C)

46 

C

(



T =23



C)

0

1

2

3

4

20

30

40

50 Device temp

erature

(°

C

)

Dissipated power (W/mm)

数式 y = a + b*x 重み重み付けなし残差平方和 0.28571 補正Ｒ二乗 0.99985 値標準誤差 ?$OP:A=1 切片 23 --?$OP:A=1 傾き 6.57143 0.16496 数式 y = a + b*x 重み重み付けなし残差平方和 0.80952 補正Ｒ二乗 0.9997 値標準誤差 F 切片 23 --F 傾き 7.05 0.17493 数式 y = a + b*x 重み重み付けなし残差平方和 0.28571 補正Ｒ二乗 0.99985 値標準誤差 B 切片 23 --B 傾き 4.14 0.10392  f 数式 y = a + b*x 重み重み付けなし残差平方和 0.64286 補正Ｒ二乗 0.99069 値標準誤差 Book2_F 切片 23.5 0.98198 Book2_F 傾き 6.84 0.46765 数式 y = a + b*x 重み重み付けなし残差平方和 0.28571 補正Ｒ二乗 0.98872 値標準誤差 Book2_B 切片 23 0.65465 Book2_B 傾き 4.14 0.31177

窒化アルミニウムによる 高効率フィールドエミッションを実現 ディスプレイパネル実用レベルのフィールドエミッション特性

ダイヤモンド・高周波電力デバイスの開発と

マイクロ波・ミリ波帯電力増幅器への応用

(061403014)

研究代表者

嘉数 誠

ＮＴＴ物性科学基礎研究所

研究分担者

植田 研二

小林 康之

中川 匡夫

ＮＴＴ物性科学基礎研究所

ＮＴＴ未来ねっと研究所

研究期間

平成18年度～平成22年度

現在所属

佐賀大学大学院工学系研究科

名古屋大学大学院工学研究科

e

Johnson デバイス性能指数

(高周波電力性能)

SiC



3

.

2

Diamond

JFOM =

E

v

2



半導体の物性値と高周波電力デバイス性能

動作周波数

0.1

1

100

10

1 K

0.1

1

10

100

Ｓｉ

10 K

ダイヤモンド

出力電力

（W)

(GHz)

SiC

1000

ダイヤモンドは

いまだに真空管が用いら

れている領域を半導体化

することができる

通信システムからの要求と半導体の能力

ダイヤモンドの電気伝導性

P : 0.6 eV

N: 1.7 eV

B: 0.37 eV

伝導帯

価電子帯

H : ～0.02 eV

ダイヤモンド半導体の

バンド構造

ドナー準位

（ｎ型）

アクセプター準位

（ｐ型）

禁制帯幅： 5.47 eV

室温（26 meV）では活性化できない

As: 1.0 eV

(安定性が課題)

デバイス基盤技術の３つのアプローチ

１．水素終端ダイヤモンドFET

２．新規ドーピング技術

イオン注入の高効率化

イオン化可能な不純物の探索

３．新規デバイス構造

ダイヤモンド・窒化物ヘテロ接合

窒化アルミニウムによる高効率フィールドエミッションを実現ディスプレイパネル実用レベルのフィールドエミッション特性

嘉数誠

_{ＮＴＴ物性科学基礎研究所}

植田研二

_{小林康之}

_{中川匡夫}

_{ＮＴＴ物性科学基礎研究所}

_{ＮＴＴ未来ねっと研究所}

_{佐賀大学大学院工学系研究科}

_{名古屋大学大学院工学研究科}

_SiC

₁

₁₀

₁₀₀

₂

_{１．７倍の増加}

_C)