(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板と、
前記ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、
前記表面層を大気中に曝すことにより前記表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、
前記第一の吸着層上に互いに離間して形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した、前記第一の吸着層の上部全体を覆うように形成された、NO2分子からなる第二の吸着層と、
前記第二の吸着層上に形成された、酸素を含む化合物からなる保護層と、
前記保護層上に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に離間して形成された、ゲート電極と
を備えたことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
【請求項２】
ダイヤモンド基板と、
前記ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、
前記表面層を大気中に曝すことにより前記表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、
前記第一の吸着層上に互いに離間して形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した前記第一の吸着層の上部全体を覆うように形成された、NO2分子からなる第二の吸着層と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極から離間して、前記第二の吸着層上に形成された、ゲート電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した、前記第二の吸着層及び前記ゲート電極を覆うように形成された、酸素を含む化合物からなる保護層と
を備えることを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
【請求項３】
ダイヤモンド基板と、
前記ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、
前記表面層を大気中に曝すことにより前記表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、
前記第一の吸着層上に形成された、NO2分子からなる第二の吸着層と、
前記第二の吸着層上に互いに離間して形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した、前記第二の吸着層の上部全体を覆うように形成された、酸素を含む化合物からなる保護層と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極から離間して、前記保護層上に形成されたゲート電極と
を備えたことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
【請求項４】
ダイヤモンド基板と、
前記ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、
前記表面層を大気中に曝すことにより前記表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、
前記第一の吸着層上に形成された、NO2分子からなる第二の吸着層と、
前記第二の吸着層上に互いに離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第二の吸着層上に前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に離間して形成された、ゲート電極と、
前記ソース電極とゲート電極との間及び前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に露出した前記第二の吸着層と、前記ゲート電極との上部全体を覆うように形成された、酸素を含む化合物からなる保護層と
を備えることを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。
【請求項５】
ダイヤモンド基板表面を水素原子で終端することにより表面層を形成するステップと、
前記表面層を大気中に曝すことにより前記表面層上に大気中の分子からなる第一の吸着層を形成するステップと、
前記第一の吸着層上に互いに離間してソース電極及びドレイン電極を形成するステップと、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した前記第一の吸着層を覆うように、NO2分子からなる第二の吸着層を形成するステップと、
前記第二の吸着層上に、酸素を含む化合物からなる保護層を形成するステップと、
前記第二の吸着層上に、ソース電極とドレイン電極との間に離間してゲート電極を形成するステップと
を備えたことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ作成方法。
【請求項６】
ダイヤモンド基板表面を水素原子で終端することにより表面層を形成するステップと、
前記表面層を大気中に曝すことにより前記表面層上に大気中の分子からなる第一の吸着層を形成するステップと、
前記第一の吸着層上に、NO2分子からなる第二の吸着層を形成するステップと、
前記第二の吸着層上に、互いに離間してソース電極及びドレイン電極を形成するステップと、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した、前記第二の吸着層を覆うように、酸素を含む化合物からなる保護層を形成するステップと、
前記第二の吸着層上に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に離間してゲート電極を形成するステップと
を備えたことを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、物質中で最大の熱伝導率を有する。また、ダイヤモンドは、高い絶縁破壊電界と、高いキャリア速度とを有する。このため、ダイヤモンドを用いた電界効果トランジスタは、SiやGaAsなどの既存の材料を使った電界効果トランジスタでは原理的に実現できない、高温環境下でも大電流で動作することが期待されている。
【０００３】
しかしながら、水素終端ダイヤモンド表面に大気中の分子が吸着層を作ることによって生じる正孔伝導層をチャネルに利用したダイヤモンド電界効果トランジスタでは、誘起できる正孔密度が低いため動作電流が小さい。さらに、高温かつ真空環境では吸着層が表面から脱離するため正孔密度が減少するという問題がある。このため、高温環境下でも大電流で動作するダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することは極めて困難である。
【０００４】
以下に、従来のダイヤモンド電界効果トランジスタについて述べる。図１は、従来技術に係る正孔伝導層を利用したダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を示す図である。
【０００５】
まず、図１（ａ）に示すように、水素ラジカルによってダイヤモンド基板１００表面を水素で終端し、水素を含む表面層１０２を形成する。次いで、この表面層１０２を大気中に曝すことで、表面層１０２上に大気中の分子からなる吸着層１０４が形成される（図１（ｂ））。次いで、図１（ｃ）に示すように、吸着層１０４表面にソース電極１０６となる金属膜と、ドレイン電極１０８となる金薄膜とを空間的に離れた領域に形成する。次いで、図１（ｄ）に示すように、ソース電極１０６と、ドレイン電極１０８との間の空間的に離れた領域にゲート電極１１０を形成する。
【０００６】
図２に、図１で示した工程により作成したダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示す。ダイヤモンド表面に誘起される正孔密度は最大で約1×1013cm−2と少ないため、従来技術により作成したダイヤモンド電界効果トランジスタをドレイン電流100mA/mm以上の大電流で動作させることはできない。
【０００７】
図３は、図１で示した工程により作成したダイヤモンド電界効果トランジスタの試料における、真空中での試料温度と、最大ドレイン電流との関係を示すグラフである。試料温度が上昇するとドレイン電流は単調に減少し、試料温度が300℃を越えるとドレイン電流が劇的に減少する。従って、試料温度が300℃を越えると、トランジスタ動作そのものが得られなくなる。これは吸着層が試料表面から脱離して正孔伝導層の正孔密度が非常に低くなったためである。
【０００８】
本明細書の以下の記述では、トランジスタ動作が得られなくなる試料温度をTcと呼ぶことにする。一度でも試料温度がTcを越えると、再び試料温度をさげてもドレイン電流は元に戻らない（非特許文献１、非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.U. Ristein， F. Maier， M. Riedel， M. Stammer， and L. Ley， Diamond and Related Materials 416−422 (2001).
【非特許文献２】M. Kubovic， Y. Yamauchi， M. Kasu， “Improvements in Thermal Stability of Hydrogen− terminated Diamond FETs”， Extended Abstract of the 2008 International Conference on Solid State Devices and Materials， Tsukuba， 2008， pp. 1036−1037.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の第一の目的は、ダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流が低いという課題を解決し、大電流動作が可能な、ダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を提供することである。
【００１１】
本発明の第二の目的は、ダイヤモンド電界効果トランジスタが高温環境下で動作することができないという課題を解決し、高温環境下でも動作可能な、ダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は、ダイヤモンド電界効果トランジスタであって、ダイヤモンド基板と、ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、表面層を大気中に曝すことにより表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、第一の吸着層上に互いに離間して形成された、ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に露出した、第一の吸着層の上部全体を覆うように形成されたNO2分子からなる第二の吸着層と、第二の吸着層上に形成された、酸素を含む化合物からなる保護層と、保護層上に、ソース電極とドレイン電極との間に離間して形成された、ゲート電極とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の態様は、ダイヤモンド基板と、ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、表面層を大気中に曝すことにより表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、第一の吸着層上に互いに離間して形成された、ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に露出した第一の吸着層の上部全体を覆うように形成された、NO2分子からなる第二の吸着層と、ソース電極及びドレイン電極から離間して、第二の吸着層上に形成された、ゲート電極と、ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出した、第二の吸着層及びゲート電極を覆うように形成された、酸素を含む化合物からなる保護層とを備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第３の態様は、ダイヤモンド電界効果トランジスタであって、ダイヤモンド基板と、ダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、表面層を大気中に曝すことにより表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、第一の吸着層上に形成された、NO2分子からなる第二の吸着層と、第二の吸着層上に互いに離間して形成された、ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に露出した、第二の吸着層の上部全体を覆うように形成された、酸素を含む化合物からなる保護層と、ソース電極及びドレイン電極から離間して、保護層上に形成されたゲート電極とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の第４の態様は、ダイヤモンド基板とダイヤモンド基板の表面を水素原子で終端することにより形成された表面層と、表面層を大気中に曝すことにより表面層上に形成された、大気中の分子からなる第一の吸着層と、第一の吸着層上に形成されたNO2分子からなる第二の吸着層と、第二の吸着層上に互いに離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、第二の吸着層上にソース電極とドレイン電極との間に離間して形成されたゲート電極と、ソース電極とゲート電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間に露出した第二の吸着層と、ゲート電極との上部全体を覆うように形成された、酸素を含む化合物からなる保護層とを備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第５の態様は、ダイヤモンド電界効果トランジスタ作成方法であって、ダイヤモンド基板表面を水素原子で終端することにより表面層を形成するステップと、表面層を大気中に曝すことにより表面層上に大気中の分子からなる第一の吸着層を形成するステップと、第一の吸着層上に互いに離間してソース電極及びドレイン電極を形成するステップと、ソース電極とドレイン電極との間に露出した第一の吸着層を覆うように、NO2分子からなる第二の吸着層を形成するステップと、第二の吸着層上に、酸素を含む化合物からなる保護層を形成するステップと、第二の吸着層上に、ソース電極とドレイン電極との間に離間してゲート電極を形成するステップとを備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の第６の態様は、ダイヤモンド電界効果トランジスタ作成方法であって、ダイヤモンド基板表面を水素原子で終端することにより表面層を形成するステップと、表面層を大気中に曝すことにより表面層上に大気中の分子からなる第一の吸着層を形成するステップと、第一の吸着層上を覆うように、NO2分子からなる第二の吸着層を形成するステップと、第二の吸着層上に、互いに離間してソース電極及びドレイン電極を形成するステップと、ソース電極とドレイン電極との間に露出した第二の吸着層を覆うように、酸素を含む化合物からなる保護層を形成するステップと、第二の吸着層上に、ソース電極とドレイン電極との間に離間してゲート電極を形成するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、最高動作温度が高い実用的なダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することができる。また、本発明によれば、最大ドレイン電流が高い実用的なダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を示す図である。
【図２】従来技術に係るダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示すグラフである。
【図３】従来技術に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの試料温度と、最大ドレイン電流との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの試料温度と、最大ドレイン電流との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示すグラフである。
【図１０】本発明第３の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの試料温度と、最大ドレイン電流との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係るダイヤモンド電界効果トランジスタは、（１）ドレイン・ソース間の吸着層（第一の吸着層とする）が露出しないようにNO2分子からなる吸着層（第二の吸着層とする）を備え、（２）ドレイン・ソース間の第一の吸着層及び第二の吸着層が露出しないように酸素を含む化合物からなる保護層をさらに備えたことを特徴とする。
【００２３】
ドレイン・ソース間の第一の吸着層が露出しないようにNO2分子からなる第二の吸着層を形成することで、第一の吸着層単体の場合と比べて正孔伝導層の正孔密度が5倍乃至10倍程度増加する。そのためダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の抵抗が1/5倍乃至1/10倍程度に減少し、従来素子を大きく上回るドレイン電流が得られるようになる。
【００２４】
ドレイン・ソース間の第一の吸着層及び第二の吸着層が露出しないように酸素を含む化合物からなる保護層を形成することで、第一の吸着層及び第二の吸着層の表面層上からの脱離を防ぐことができる。そのため、高温でも高いドレイン電流が得られるようになる。
【００２５】
上記（１）の構成及び（２）の構成を併せ持つことによって、従来素子ではトランジスタ動作が得られなかった300℃以上の高温でも100mＡ/mm以上の大電流動作を維持できるようになる。
【００２６】
本発明に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構造は、NO2分子からなる第二の吸着層を形成している点、第二の吸着層がドレイン・ソース間を完全に覆っている点、第二の吸着層上に酸素を含む保護層を形成している点、及び保護層がドレイン・ソース間の第二の吸着層を完全に覆っている点において、従来技術と相違する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図４に、本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を示す。まず、水素ラジカルをダイヤモンド基板４００表面に照射することによってダイヤモンド基板４００表面を水素で終端し、水素を含む表面層４０２を形成する（図４（ａ））。次いで、表面層４０２を大気中に曝すことで、表面層４０２上に水素と窒素と酸素とのうちのいずれかを含む分子からなる第一の吸着層４０４を形成する（図４（ｂ））。次いで、第一の吸着層４０４上にソース電極４０６となる金属膜と、ドレイン電極４０８となる金薄膜とを空間的に離れた領域に形成する（図４（ｃ））。金薄膜は抵抗加熱蒸着法により形成する。次いで、試料をステンレスのチャンバー内にセットし、N2ガスで希釈した濃度2%のNO2ガスを30分間導入することで、ソース電極４０６と、ドレイン電極４０８との間かつ第一の吸着層４０４上にNO2分子からなる第二の吸着層４１０を形成する（図４（ｄ））。第二の吸着層４１０の形成後、酸素を含む化合物としてAl2O3を保護層４１２として形成する。保護層４１２の厚さは、8nmとする。Al2O3は原子層成長法(ALD)を使って成長した（図４（ｅ））。Al原料であるトリメチルアルミニウム(TMA)とO原料であるH2OをN2キャリアガスによってALD装置内に導入した。保護層の成長中の試料温度は80℃である。最後に、ソース電極４０６と、ドレイン電極４０８との間の空間的に離れた領域かつAl2O3保護層４１２上にゲート電極４１４を形成する（図４（ｆ））。
【００２８】
なお、上述の例では、酸素を含む化合物保護層としてAl2O3を用いているが、HfO、SiO2、SrTiO3、Ga2O3、LiNbO3、LaAlO3、又はPZTを用いる場合も同様の工程を経て、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することができる。また、上述の例では、酸素を含む化合物保護層の成長方法としてALDを用いているが、分子線エピタキシー(MBE)を用いる場合も同様の工程を経て、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することができる。
【００２９】
図５に、本実施形態に係るNO2分子を含む第二の吸着層と、Al2O3保護層とを有するダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示す。室温においてドレイン電流1000mA/mmの大電流動作が得られ、本発明によりドレイン電流は従来素子の10倍に増加した。
【００３０】
図６は、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの試料温度と、ドレイン電流との関係を示す。本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタのTcは、600℃であり、従来素子では実現不可能であった300℃以上での高温動作が可能となった。また、Tcより低い温度においてドレイン電流は800mA/mm以上であり、従来素子ではトランジスタ動作が得られなかった300℃以上の高温においても従来の8倍以上の大電流動作を維持できるようになる。
【００３１】
表１は、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタにおける、最大ドレイン電流と、最大動作温度Tcとをまとめた表である。最大ドレイン電流は、試料温度30℃で評価した。
【００３２】
【表１】
0005759398.tif 000002
【００３３】
本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、保護層にHfO、SiO2、SrTiO3、Ga2O3、LiNbO3、LaAlO3、又はPZTを使用し、成長方法としてALD又はMBEを採用した場合も、最大ドレイン電流と、Tcとの関係は、表１に示す結果と同一であり、従来の方法による場合（100mA/mm、300℃）より大幅に改善する。
【００３４】
また、本実施形態では、保護層の成長温度を80℃として説明したが、保護層の成長温度が350℃以下では、表１に示す結果と同じ結果が得られた。
【００３５】
（第２の実施形態）
図７に、本発明の第２の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を示す。
【００３６】
本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を以下に示す。まず、水素ラジカルをダイヤモンド基板７００表面に照射することによってダイヤモンド基板７００表面を水素で終端し、水素を含む表面層７０２を形成する。次いで、表面層７０２を大気中に曝すことで、表面層７０２上に水素と窒素と酸素とのうちのいずれかを含む分子からなる第一の吸着層７０４を形成する。次いで、第一の吸着層７０４上にソース電極７０６となる金属膜と、ドレイン電極７０８となる金薄膜とを空間的に離れた領域に形成する。金薄膜は抵抗加熱蒸着法により形成する。次いで、試料をステンレスのチャンバー内にセットし、N2ガスで希釈した濃度2%のNO2ガスを30分間導入することで、ソース電極７０６と、ドレイン電極７０８との間かつ第一の吸着層７０４上にNO2分子からなる第二の吸着層７１０を形成する。第二の吸着層７１０の形成後、ソース電極７０６と、ドレイン電極７０８との間の空間的に離れた領域かつ第二の吸着層７１０上にゲート電極７１４を形成する。最後に、酸素を含む化合物としてAl2O3を保護層７１４として形成する。
【００３７】
本実施形態の作成工程では、図４に示した実施形態のうちの（ａ）から（ｄ）までの工程は同一だが、ゲート電極を形成した後に保護層を形成する点で第１の実施形態と異なる。
【００３８】
本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、保護層をAl2O3、成長方法をALDとした場合、最大ドレイン電流は1000mA/mmとなり、Tcは540℃となる。最大ドレイン電流は第１の実施形態と同じである。ゲート電極と、第二の吸着層との間に保護層がない分だけ、第１の実施形態と比べてTcは10%低いが、従来の方法による場合(100mA/mm、300℃)より大幅に上昇する。
【００３９】
（第３の実施形態）
図８に、本発明の第３の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を示す。まず、水素ラジカルをダイヤモンド基板８００表面に照射することによってダイヤモンド基板８００表面を水素で終端し、水素を含む表面層８０２を形成する（図８（ａ））。次いで、表面層８０２を大気中に曝すことで、表面層８０２上に水素と窒素と酸素とのうちのいずれかを含む分子からなる第一の吸着層８０４を形成する（図８（ｂ））。次いで、試料をステンレスのチャンバー内にセットし、N2ガスで希釈した濃度2%のNO2ガスを30分間導入することで、第一の吸着層８０４上にNO2分子からなる第二の吸着層８０６を形成する（図８（ｃ））。次いで、第二の吸着層８０６上に、ソース電極８０８となる金属膜と、ドレイン電極８１０となる金属膜とを空間的に離れた領域に形成する（図８（ｄ））。金薄膜は抵抗加熱蒸着法により形成する。次いで、ソース電極８０８と、ドレイン電極８１０との間かつ第二の吸着層８０６上に酸素を含む化合物としてAl2O3を保護層８１２として形成する。保護層８１２の厚さは、8nmとする。Al2O3は原子層成長法(ALD)を使って成長した（図８（ｅ））。Al原料であるトリメチルアルミニウム(TMA)とO原料であるH2OをN2キャリアガスによってALD装置内に導入した。保護層の成長中の試料温度は80℃である。最後に、ソース電極８０８と、ドレイン電極８１０との間の空間的に離れた領域かつAl2O3保護層８１２上にゲート電極８１４を形成する（図８（ｆ））。
【００４０】
なお、上述の例では、酸素を含む化合物保護層としてAl2O3を用いているが、HfO、SiO2、SrTiO3、Ga2O3、LiNbO3、LaAlO3、又はPZTを用いる場合も同様の工程を経て、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することができる。また、上述の例では、酸素を含む化合物保護層の成長方法としてALDを用いているが、分子線エピタキシー(MBE)を用いる場合も同様の工程を経て、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタを作成することができる。
【００４１】
図９に、本実施形態に係るNO2分子を含む第二の吸着層と、Al2O3保護層とを有するダイヤモンド電界効果トランジスタのドレイン電流電圧特性を示す。室温においてドレイン電流1100mA/mmの大電流動作が得られ、本発明によりドレイン電流は従来素子の11倍に増加した。これはソース電極及びドレイン電極直下の正孔伝導層の正孔密度が上昇し、接触抵抗が低減したためである。
【００４２】
図１０に、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの試料温度と、ドレイン電流との関係を示す。本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタのTcは、600℃であり、従来素子では実現不可能であった300℃以上での高温動作が可能となった。また、Tcより低い温度においてドレイン電流は850mA/mm以上であり、従来素子ではトランジスタ動作が得られなかった300℃以上の高温においても従来の8倍以上の大電流動作を維持できるようになる。
【００４３】
表２は、本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタにおける、最大ドレイン電流と、最大動作温度Tcとをまとめた表である。最大ドレイン電流は、試料温度30℃で評価した。
【００４４】
【表２】
0005759398.tif 000003
【００４５】
本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、保護層にHfO、SiO2、SrTiO3、Ga2O3、LiNbO3、LaAlO3、又はPZTを使用し、成長方法としてALD又はMBEを採用した場合も、最大ドレイン電流と、Tcとの関係は、表２に示す結果と同一であり、従来の方法による場合(100mA/mm、300℃)より大幅に改善する。
【００４６】
また、本実施形態では、保護層の成長温度を80℃として説明したが、保護層の成長温度が350℃以下では、表２に示す結果と同じ結果が得られた。第１の実施形態と比較すると、接触抵抗の低減によって最大ドレイン電流は高くなるが、Tcは同じ値が得られた。
【００４７】
（第４の実施形態）
図１１に、本発明の第４の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構造を示す。
【００４８】
本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの作成工程を以下に示す。まず、水素ラジカルをダイヤモンド基板１１００表面に照射することによってダイヤモンド基板１１００表面を水素で終端し、水素を含む表面層１１０２を形成する。次いで、表面層１１０２を大気中に曝すことで、表面層１１０２上に水素と窒素と酸素とのうちのいずれかを含む分子からなる第一の吸着層１１０４を形成する。次いで、試料をステンレスのチャンバー内にセットし、N2ガスで希釈した濃度2%のNO2ガスを30分間導入することで、第一の吸着層１１０４上にNO2分子からなる第二の吸着層１１０６を形成する。次いで、第二の吸着層１１０６上に、ソース電極１１０８となる金属膜と、ドレイン電極１１１０となる金属膜とを空間的に離れた領域に形成する。金薄膜は抵抗加熱蒸着法により形成する。次いで、ソース電極１１０８と、ドレイン電極１１１０との間かつ第二の吸着層１１０６上にゲート電極１１１２を形成する。最後に、酸素を含む化合物としてAl2O3を保護層１１１４として形成する。
【００４９】
本実施形態の作成工程では、図８に示した実施形態のうちの（ａ）から（ｄ）までの工程は同一だが、ゲート電極を形成した後に保護層を形成する点で第３の実施形態と異なる。
【００５０】
本実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、保護層をAl2O3、成長方法をALDとした場合、最大ドレイン電流は1100mA/mmとなり、Tcは540℃となる。最大ドレイン電流は第３の実施形態と同じである。ゲート電極と、第二の吸着層との間に保護層がない分だけ、第３の実施形態と比べてTcは10%低いが、従来の方法による場合(100mA/mm、300℃)より大幅に上昇する。
【符号の説明】
【００５１】
１００  ダイヤモンド基板
１０２  表面層
１０４  吸着層
１０６  ソース電極
１０８  ドレイン電極
１１０  ゲート電極
４００  ダイヤモンド基板
４０２  表面層
４０４  第一の吸着層
４０６  ソース電極
４０８  ドレイン電極
４１０  第二の吸着層
４１２  保護層
４１４  ゲート電極
７００  ダイヤモンド基板
７０２  表面層
７０４  第一の吸着層
７０６  ソース電極
７０８  ドレイン電極
７１０  第二の吸着層
７１２  ゲート電極
７１４  保護層
８００  ダイヤモンド基板
８０２  表面層
８０４  第一の吸着層
８０６  第二の吸着層
８０８  ソース電極
８１０  ドレイン電極
８１２  保護層
８１４  ゲート電極
１１００  ダイヤモンド基板
１１０２  表面層
１１０４  第一の吸着層
１１０６  第二の吸着層
１１０８  ソース電極
１１１０  ドレイン電極
１１１２  ゲート電極
１１１４  保護層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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