物質・材料研究機構と筑波大学、新製法によるダイヤモンド電界効果トランジスターで高い移動度とノーマリオフ動作を実証

今回は「物質・材料研究機構と筑波大学、新製法によるダイヤモンド電界効果トランジスターで高い移動度とノーマリオフ動作を実証」についてご紹介します。

関連ワード （損失、正孔、研究等） についても参考にしながら、ぜひ本記事について議論していってくださいね。

本記事は、TechCrunch様で掲載されている内容を参考にしておりますので、より詳しく内容を知りたい方は、ページ下の元記事リンクより参照ください。

（a）今回の研究で作製したダイヤモンド電界効果トランジスターの構造。正孔の密度と移動度を正確に評価するために、ゲート電圧をかけながらホール（Hall）効果の測定が可能な構造にした。（b）ダイヤモンド表面を水素プラズマにさらして水素終端化したあと、大気にさらさずArで満たされたグローブボックスに搬入し、その中で劈開（へきかい。鉱物などが特定方向に沿って割れること）した六方晶窒化ホウ素単結晶薄片を貼り付けることで、アクセプターとして働く大気由来の吸着物を低減した

物質・材料研究機構 (NIMS) と筑波大学は1月18日、新しい設計指針に基づいて作製されたダイヤモンド電解効果トランジスターで、高い正孔移動度とノーマリオフ動作を実証したことを発表した。低損失の電力変換や高速情報通信に資する素子の実現につながるという。

ダイヤモンドは、バンドギャップが広い炭化シリコン（SiC）や窒化ガリウム（GaN）と比べても、さらにバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体としての特性に優れている。そのため、電力を制御するパワーエレクトロニクスや情報通信などにおいて、高電圧・高温・高速・低損失で動作する素子の材料になりえる。だが、これまで研究されてきた、表面の炭素が水素と結合した水素終端ダイヤモンドを使った電解効果トランジスターでは、移動度（電流を担う正孔の動きやすさ）が本来の1/10から1/100に低下するといった問題があった。

そこで研究グループは、これまで使われてきたアルミナなどの酸化物に代えて六方晶窒化ホウ素をゲート絶縁体に使い、水素終端ダイヤモンドの表面を大気にさらさない新しい製造方法を用い、オン状態での移動度が従来の5倍以上という高性能なトランジスターを開発。同時に、安全性の面から重要となるノーマリーオフ動作（ゲートに電圧がかからないときは電流が流れない）も実現された。これまでのダイヤモンド電解効果トランジスターでは、逆のノーマリーオンの状態が示されおり、特にパワーエレクトロニクスにおいては、安全性に問題があった。

さらに、これまで水素終端ダイヤモンドで電気伝導性を生じさせるために不可欠とされていながらトランジスターの性能を制限していた「アクセプター」が不要であることも判明した。

移動度が高くなれば、抵抗を下げて損失を低減できるため、素子の高速化と小型化が実現する。この技術を応用すれば、電気自動車やドローンなどで利用できる低損失で小型の電力変換装置や、携帯電話基地局や人工衛星などで利用できる高出力高周波増幅器などの実現が期待されるという。