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

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あきみやすもと
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1 Copyright NTT Basic Research Laboratories, NTT Corporation. All rights reserved. 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 (614314) 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 半導体の物性値と高周波電力デバイス性能材料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 E G (ev) E BR (MV/cm) v sat ( 1 7 cm/s) µ (cm²/vs) e r l (W/cmK) JFOM Diamond 5.47 >1 1.5 (e) 1.1 (h) ~ 45 (e) ~38 (h) (h) GaN (e) ~ 2 (e) SiC (e) ~ 1 (e) 4.9 Si (e) ~ 135 (e) Johnson デバイス性能指数 ( 高周波電力性能 ) JFOM = E BR v sat 2 2 Diamond SiC 3.2

3 出力電力通信システムからの要求と半導体の能力 (W) 1 K 1 K 放送地上局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 SiC 携帯基地局 GaN 通信衛星ダイヤモンドレーダー.1 Si 携帯端末 GaAs InP 動作周波数 (GHz) 1 3

4 ダイヤモンドの電気伝導性ダイヤモンド半導体のバンド構造伝導帯 P :.6 ev As: 1. ev N: 1.7 ev ドナー準位 (n 型 ) 室温 (26 mev) では活性化できない禁制帯幅 : 5.47 ev B:.37 ev H : ~.2 ev ( 安定性が課題 ) 価電子帯アクセプター準位 (p 型 ) 4

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 5

6 水素終端ダイヤモンド FET 構造 T 型短ゲート電極 (Al).2 mm T 型短ゲート電極水素終端による二次元正孔チャンネルソースドレインソース Au Au Au アンドープエピタキシャル層ダイヤモンド基板.2 mm ドレインソースソースゲート 6

7 p s (cm -2 ) 成果 (1) 水素終端 p 型伝導層の機構の解明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 2.4x x x ppm 3 ppm 3 ppm 水素終端による p 型チャンネル NO 2 で封止 NO 2 1.5x1 14 S G D 1.2x1 14 p S R S p S R D 9.x1 13 Diamond 6.x1 13 air NO 2 flow air flow 3.x t (min) 正孔濃度は従来より 1 桁増加 M. Kubovic and M. Kasu, Appl. Phys. Express 2 (29) 8652 M. Kubovic, M. Kasu, H. Kageshima, Appl. Phys. Lett. (21) 5211.

8 Drain current I DS (ma/mm) 成果 (1)NO 2 吸着による水素終端 FET 特性向上 Drain current I DS (ma/mm) 従来技術本技術 1.7 倍の増加 Air ppm NO 2 V GS = -3 V -6 V GS = -6-2 V -4-3 V -2 V -4-1 V -2-1 V -2 V V V -12 Drain voltage V DS (V) Drain voltage V DS (V)

9 成果 (1) ダイヤモンド高周波増幅器 P OUT (dbm), Gain (db) PAE (%) 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 3 25 L G =.2 mm, W G = 1 1 GHz, class-a 6 現在のシステムの 2 倍の性能 P OUT = 2.55 W/mm Gain= db PAE= 38.8% V GS = -1.5 V V DS = -2 V P IN (dbm) 9

Pressure (GPa) 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 ダイヤモンドへのイオン注入 B B B B B 欠陥 ( グラファイト相 ) が導入される 4 35 3 25 2.

10 Pressure (GPa) 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 ダイヤモンドへのイオン注入 B B B B B 欠陥 ( グラファイト相 ) が導入される Diamond Liquid Carbon 15 高温高圧アニール Vapor 1 ( 本研究 ) Carbon Graphite 5 高温アニール ( 従来 ) Temperature ( o C) B B B B B B B B B B 高温アニール高温高圧アニール 1

11 Id(mA/mm) I DS (ma/mm) イオン注入ダイヤモンド FET の高耐圧高温動作ドーピング効率 1 桁増加 (B: 6 kev, cm -2 ) Al Diamond(1)Ib sub. Gate recess Au B-impla. layer Ti L G =2 mm W G =1 mm V GS =-2V V GS =2V V GS = 1V オフ耐圧 53 V (1.1MV/cm) V DS (V) -5-4 Lg=4mm Wg=5mm Vg=V 5-3 V GS =2V K. Ueda, M. Kasu, Physica Status Solidi (c) 5 (28) Jpn. J. Appl. Phys. 49 (21).4DF Vd(V) Vg=2V

12 RF output power (W/mm) 高周波出力電力 (W/mm) 成果 (3) ダイヤモンド上窒化物 HEMT 2 Nitride HEMT 15 Diamond 1 P out T sample 5 Sapphire [3] Si [2] SiC [1] Thermal Conductivity (W/cmK) 基板の熱伝導率 (W/cm K) P OUT T base l: thermal conductivity ( T T )l base sample [1] Y.-F. Wu et al., IEEE Electron Device Lett. 25 (24) 117. [2] J.W.Johnson et al. IEEE Electron Device Lett. 25 (24) 459. [3] A. Chini et al. IEEE Electron Device Lett. 25 (24)

13 NOD (Nitride On Diamond) のヘテロ成長ダイヤ (111) 面方位を用いる TEM 原子像 [1] Hexagonal AlN A B A B Cubic diamond [111] [1] [11-2] AlN (1) A C A Interface AlN(1) Diamond (111) [111] [11-2] Diamond (111) [1] [111].41nm 原子尺度で平坦な界面 Y. Taniyasu and M. Kasu, J. Crystal Growth 311(29) [1] [111] 13

14 電子濃度 (cm -2 ) Sheet electron density (cm -2 ) 電子移動度 (cm 2 /Vs) Hall mobility (cm 2 /Vs) キャリア濃度 N c-v (cm -3 ) (cm -3 ) Capacitance (pf) 2DEG ダイヤ上窒化物 HEMT の二次元電子特性 Source Gate GaN cap (4 nm) Al.25 Ga.75 N barrier (3 nm) AlN spacer (1 nm) GaN (6 nm) Drain AlN (3 nm)/gan (17 nm) multi-buffer ( 2) Single-crystal AlN buffer (18 nm) 二次元電子の蓄積 AlN/GaN interface Bias voltage (V) B B Single-crystal diamond (111) substrate Distance 表面からの距離 from surface (nm) (nm) 1 14 二次元電子濃度 (~ cm -2 ) cm 2 22 cm 2 K 1 13 B law dat OP pho AC pho Disloca IFR calc. all Temperature (K) 温度 ( ) Temperature (K) 温度 ( ) 14

15 I DS (ma/mm) I DS (ma/mm) g m (ms/mm) ダイヤ上窒化物 HEMT の直流特性 Source Gate Drain Gate width: 5 mm, Gate length:.4 mm GaN cap (1 nm) i-algan (1 nm), Al:.25 n-algan (12 nm), Al:.25, [Si]:1E18 cm -3 i-algan (2 nm), Al:.25 Drain GaN (6 nm) Source Source [AlN(4 nm)/gan(21 nm)] 2 multi-buffer AlN buffer (18 nm) Diamond (111) substrate Gate 25 mm V GS [V] 8 ma/mm V GS (V) ms/mm E V DS = 1V V DS (V) V GS (V) 5 15

16 ダイヤ上窒化物 HEMT の高周波小信号特性 Gain (db) 4 Gate width: 1 mm, Gate length:.1 mm H 21 2 MAG V GS = -1. V V DS = 1 V 2 f T : 3 GHz f max : 24 GHz Frequency (GHz) 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 ) 16

17 Pout (dbm) 出力電力 (dbm) 高周波大信号 ( 電力 ) Gain (db), (db), PAE(%) 利得 (db), 電力付加効率 (%) Gate width: 4 mm, Gate length:.4 mm 2.13 W/mm % 4 28 db 2 2 B C Pin (dbm) 入力電力 (dbm) PAE: Power Added Efficiency = P out(rf) -P in(rf) P out(dc) 17

窒化物 HEMT の温度特性 : 基板材料の比較 Device デバイス温度 temperature ( ) ( C) 消費電力 :

T =23 C) 5 C 5. 46.3 42.5 38.8 35 C 35. 31.3 27.

1 Kmm/W 2 1 2 3 4 Dissipated 消費電力 power (W/mm) (W/mm) HEMT on SiC

18 窒化物 HEMT の温度特性 : 基板材料の比較 Device デバイス温度 temperature ( ) ( C) 消費電力 : 2 W Probe HEMT on diamond HEMT on diamond Cu 36 C ( T =13 C) 46 C ( T =23 C) 5 C C SiC 上 R th : 7.9 Kmm/W Diamond 上 R th : 4.1 Kmm/W Dissipated 消費電力 power (W/mm) (W/mm) HEMT on SiC C 2. K. Hirama, Y. Tanisyasu and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 98 (211) 従来の窒化物 HEMT の約半分の温度上昇 18

19 まとめ本研究課題ではダイヤモンドデバイスの新規ドーピング技術および新規デバイス構造の基盤技術を開発する成果が得られた今後これらの技術をさらに発展させ特に信頼性を上げる技術を開発することにより究極のダイヤモンド高周波電力増幅器の実用化とマイクロ波帯ミリ波帯情報通信の大容量化はますます加速すると期待される 19

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untitled 213 74 AlGaN/GaN Influence of metal material on capacitance for Schottky-gated AlGaN/GaN 1, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1 1 AlGaN/GaN デバイス ① GaNの優れた物性値 ② AlGaN/GaN HEMT構造ワイドバンドギャップ半導体 (3.4eV) 絶縁破壊電界が大きい

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

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