高出力電流を実現したボロン添加単結晶ダイヤモンドMOSFET、薄いボロン添加エピタキシャル層を採用
High-Output-Current Boron-Doped Single-Crystal Diamond MOSFETs with a Thin Boron-Doped Epitaxial Layer
単結晶ダイヤモンド基板上に、バッファ層として真性ダイヤモンドエピタキシャル層を堆積し、ゲート誘電体およびパッシベーション層としてPECVD SiO2を用いた、変調ボロン添加エピタキシャル層を持つ高出力電流ボロン添加ダイヤモンド(B-ダイヤモンド)MOSFETが作製された。ボロン添加エピタキシャル層の厚さは約500nm、ボロン濃度は10^17~10^18 cm^-3の範囲である。室温での最大出力電流は-0.18 mA/mmを示し、pチャネル動作が確認された。150°Cに温度を上げると、最大出力電流は-1.05 mA/mmに増加し、オン抵抗は413.91 kΩ・mmから12.13 kΩ・mmに減少した。オン/オフ比は測定温度範囲で約10^5を維持した。また、ゲート-ドレイン間距離12.5μmで-347Vのブレークダウン電圧を示し、シミュレーション結果ではピーク電界は主にパッシベーション層のドレイン側ゲート端付近に集中することが示された。これらの結果は、B-ダイヤモンドMOSFETにおいて、十分なチャネル伝導と効果的なゲート制御能力を達成するには、エピタキシャル層の厚さとボロン濃度のバランスが不可欠であることを示唆している。
- ボロン添加単結晶ダイヤモンドMOSFETにおいて、室温で-0.18 mA/mmの最大出力電流、150°Cで-1.05 mA/mmの出力電流を達成
- ゲート-ドレイン間距離12.5μmで-347Vのブレークダウン電圧を実証
- オン/オフ比が測定温度範囲で約10^5を維持
- 150°Cでオン抵抗が413.91 kΩ·mmから12.13 kΩ·mmに低減
本成果は、ダイヤモンド半導体の実用化に向けた重要な一歩であり、特に高出力・高温動作が求められるパワーエレクトロニクス分野において、SiCやGaNに次ぐ次世代材料としてのポテンシャルを示している。室温から150°Cへの昇温で出力電流が約6倍に増加し、オン抵抗が大幅低減した点は、高温環境下での性能優位性を示唆する。ただし、現状の出力電流密度(mA/mmオーダー)は実用レベルには遠く、エピタキシャル層の厚さとドーピング濃度の最適化が鍵となる。特定企業の実用化発表ではなく基礎研究段階であるため、長期的な材料代替シナリオの一部として注視すべき位置づけ。