【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.01】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM5090

利用課題名 / Title

高性能ダイヤモンド電子デバイスの作製

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

ALD,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,光リソグラフィ/ Photolithgraphy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

劉 江偉

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

渡辺 英一郎

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-611：原子層堆積装置 [AD-230LP]
NM-225：X線光電子分光分析装置（XPS-Quantera SXM）
NM-604：マスクレス露光装置 [DL-1000/NC2P]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
NM-614：CCP-RIE装置 [RIE-200NL]

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ダイヤモンドは、広いバンドギャップ、高い熱伝導、高い絶縁破壊電界、優れた化学的安定性を持っているため、パワーデバイスや過酷な環境下で動作するデバイスとしての応用が期待されている。ダイヤモンドを使用した電子デバイスとしてはMOSキャパシタやMOSFETなどが実証されており、これらは高出力、高周波数、高温での動作において優れた性能を発揮している。ダイヤモンドMOSキャパシタやMOSFETの性能を向上させるには、酸化物とダイヤモンドの界面におけるバンド構造を把握することが重要である。バンド構造からダイヤモンドMOSキャパシタの漏れ電流や充電特性を改善できる。また、MOSFETのしきい値電圧や安定性を理解することにも役立つ。したがって、絶縁体/ダイヤモンド界面のバンド構造を明らかにすることは、より効率的で信頼性のあるダイヤモンドMOSデバイスの設計・製造に貢献する。絶縁体/半導体界面のバンド構造を調べる様々な方法があるが、X線光電子分光法（XPS）は試料の表面化学情報を提供し、バンドベンディングを非破壊で測定できる点で特に優れている。例えば、水素終端ダイヤモンドやホウ素ドープダイヤモンドにおける異なる酸化物絶縁体のバンドオフセットは、XPS測定結果から報告されている。しかし、一般的に使用されている表面炭素汚染に由来するC 1sピーク（284.8 eV）を用いて結合エネルギーを補正する方法は、炭素を含むダイヤモンドの場合には適用できず、酸化物/ダイヤモンド接合のバンドベンディングの可視化を困難にしてきた。 本研究では、チャージアップ効果を抑えるためにダイヤモンド上に金（Au）のネット状マスクを作製し、標準のAu 4fピーク（83.96 eV）を用いて結合エネルギーを補正することにより、Al₂O₃/ダイヤモンドヘテロ接合の界面バンド構造を明らかにした。

実験 / Experimental

精密研磨されたIb型（100）高圧合成結晶をダイヤモンド基板として用いた。まず硫酸と硝酸からなる熱混酸で300℃にて3時間処理した。その後、マイクロ波プラズマ化学気相成長法によってホウ素ドープダイヤモンドのエピタキシャル層を成長させた。二次イオン質量分析法から、エピタキシャル層の厚さとホウ素濃度はそれぞれ825 nmと4×10¹⁵ cm^-3であることを確認した。次に、ダイヤモンドエピタキシャルサンプルに対して再度上記の熱混酸処理を施すことで、黒鉛相を除去しダイヤモンド表面を水素終端から酸素終端に変換した。この処理後に、ダイヤモンドサンプルをアセトン、エタノール、純水の順に洗浄した。続いて、初回の高分解能XPS測定を行い、Auマスクなしのダイヤモンド表面の価電子帯とコアレベルのスペクトルを取得した。次に、ダイヤモンド表面にスピンコーターでフォトレジスト（LOR5AとAZ5214E）を順次塗布し、レーザーリソグラフィーにより2.38%のTMAH溶液を用いて露光および現像した。その後、電子ビーム蒸着によりダイヤモンド上に100 nmのネット状のAuマスクを形成した。Auマスクを形成したダイヤモンドのコアレベルスペクトルを得るため、再度XPS測定を行った。 最後に、200℃でAl₂O₃絶縁体を原子層堆積法によりAuマスクを付けたダイヤモンド上に堆積した。室温でTMAH溶液にサンプルを12分間浸漬することでAuマスク上のAl₂O₃膜を除去した後、3回目のXPS測定を行い、Al₂O₃/ダイヤモンドのコアレベルスペクトルを取得した。

結果と考察 / Results and Discussion

図1(a)に、結合エネルギーが補正されていない状態のAuマスクなし及びAuマスクありのダイヤモンドのC 1sスペクトルを示す。それぞれの結合エネルギーの測定値は283.23 eV、および284.50 eVであった。結合エネルギーの差（ΔE）が1.27 eVであることから、低ドーピングレベルのホウ素がドープされたダイヤモンドエピタキシャル層において、チャージアップが生じている可能性がある。図1(b)に、Auマスクを形成したサンプルにおけるダイヤモンド表面領域およびAl₂O₃/ダイヤモンド接合領域で取得したAu 4f7/2スペクトルを示す。ダイヤモンド表面領域からはAu 4f7/2スペクトルの結合エネルギーは83.97 eVと測定され、理想値の83.96 eVにほぼ一致した。これは、XPS測定中でのダイヤモンドのチャージアップがほとんど無いことを示唆している。一方で、Al₂O₃/ダイヤモンド接合領域からは結合エネルギーが84.15 eVに高シフトした。これはAuマスクがあっても、Al₂O₃/ダイヤモンドでのチャージアップが排除されていないことを意味している。図2(a)に、ダイヤモンド表面とAl₂O₃ (3 nm)/ダイヤモンド接合領域で取得されたC 1sスペクトルを示す。ダイヤモンド表面のC 1sスペクトルの主要ピークは284.50 eVに観測された。ダイヤモンド表面にAl₂O₃を堆積すると、ピークエネルギーは284.15 eVに下がることから、エネルギーシフトΔE は 0.35 eVである。図2(b)に、ダイヤモンド表面とAl₂O₃(30 nm)/シリコン接合部で取得された価電子帯スペクトルを示す。ダイヤモンドの価電子帯の最大値(VBM)を決定する際、Auマスクの影響を考慮し、VBMの決定にはAuマスク無しのダイヤモンドを使用した。ダイヤモンドのVBMは0.85 eV、Al₂O₃のVBMは3.38 eVと判定された。図2(c)に、Al₂O₃(3 nm)/ダイヤモンド接合部とAl₂O₃(30 nm)/シリコン接合部で得らえたAl 2pスペクトルを示す。アルミニウム-酸素結合の主要ピークはそれぞれ72.99 eVと74.57 eVに観測された。 図2(d)に、Al₂O₃/ダイヤモンドヘテロ接合界面のバンド構造を示す。この図から、タイプIストラドリングのバンド構成を持つことが分かる。Al₂O₃/ダイヤモンドの価電子帯オフセット（VBO）は1.30 eVと計算される。ダイヤモンド（5.47 eV）とAl₂O₃（7.2 eV）のバンドギャップエネルギー位置から、Al₂O₃/ダイヤモンドの伝導バンドオフセット（CBO）は0.43 eVと推定される。ボロンのドーピング濃度が4×10¹⁵ cm^–3であるため、ホウ素ドープダイヤモンドのバルクでのフェルミ準位ポテンシャルは約0.37 eVとした。ホウ素ドープダイヤモンド表面は酸素欠陥や固有欠陥が存在することで正の電荷をもち、表面に向かってバンドが下方に曲がり、VBMが0.85 eVになる（ダイヤモンド側の実線）。原子層堆積技術を用いてオゾン前駆体を使用してAl₂O₃を形成すると、ダイヤモンドは引き続きAl₂O₃/ダイヤモンド界面に向かって下方にバンドが曲がる（ダイヤモンド側の点線）。しかし、バンディングエネルギーは低下しており、これは酸素欠陥に関するオゾン前駆体の修正に起因する可能性がある。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1. 補正されないスペクトル (a)ダイヤモンドのC 1sスペクトルおよび(b) ダイヤモンドとAl₂O₃ (3 nm)/ダイヤモンド界面形成部からのAu 4f_7/2スペクトル。

図2. 補正されたスペクトル (a) C 1s、(b)価電子帯、(c) Al 2p、および(d) Al₂O₃/ダイヤモンドヘテロ接合のバンド構造図。

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. J. W. Liu, Calibration of binding energy and clarification of interfacial band bending for the Al2O3/diamond heterojunction, Applied Physics Letters, 125, (2024).
   DOI: 10.1063/5.0230817
   
2. Jiangwei Liu, Boron-doped diamond MOSFETs operating at temperatures up to 400°C, Functional Diamond, 5, (2025).
   DOI: 10.1080/26941112.2025.2450513
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. LIU, Jiangwei. Semiconductor diamond-based MOSFETs and logic circuits. 2024 International Industry-University-Research-Application Conference on Advanced Functional Materials, Advanced Functional Materials. 2024年12月4日
2. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Binding energy calibration for diamond during XPS measurement. 第38回ダイヤモンドシンポジウム. 2024年11月20日
3. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Calibriation of binding energy and clarification of interfacial band bending for Al2O3/diamond heterojunction. 第85回応用物理学会秋季学術講演会. 2024年9月16日
4. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Clarification for Interfacial Band Bending of Insulator/Diamond Heterojunction with X-ray Photoelectron Spectroscopy technique. 17th International Conference on Intergranular and Interphase Boundaries in Materials (IIB 2024). 2024年7月8日
5. LIU, Jiangwei, TERAJI, Tokuyuki, DA, Bo, KOIDE, Yasuo. Improvement of properties for boron-doped diamond MOSFETs. 17th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC) 2024. 2024年5月27日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件