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先進パワーエレクトロニクス研究センター

ダイヤモンドデバイスチーム

 研究チーム紹介

 ダイヤモンド半導体は、「ワイドギャップ(Si の約 5 倍)」「高い絶縁破壊電界(Si の約 30 倍)」「高い熱伝導率(Si の約 15 倍)」等の他のワイドギャップ材料と比較しても優れた材料物性を有しています。さらに、1)高濃度ドーピングによる低抵抗ホッピング伝導(絶縁体から超電導まで変化)、2)水素終端表面の持つ負性電子親和力(真空レベルが伝導帯底よりも低い、電子が漏れ出る)、3)極端に長い電子スピン緩和時間(室温動作量子デバイスが可能)、4)他半導体の半分の誘電率(新原理の励起子LEDが可能)という、ダイヤモンド特有のユニークな物性を利用することで、 高い性能を持つパワーデバイスをはじめとした、新しいダイヤモンド電子デバイスの開発に取り組んでいます。
 これまでに、同センター内のダイヤモンド材料チームを始めとした、多くの大学、国研、企業の皆様との共同研究の下、ホッピング伝導を用いた高電流密度pinダイオードとショットキーpnダイオード、負性電子親和力を利用した高電圧用真空スイッチ、室温動作電流注入単光子源、新原理励起子LED(pin構造)、pnpトランジスタ、反転層型MOSFETなどを世界に先駆けて開発してきました。

コア技術
1. 単結晶合成技術(i型, p型, n型)
2. デバイス作製技術
3. 計測技術(電気的、光学、構造)
4. デバイスシミュレーション技術


研究概要
1. 室温量子デバイス・・・室温で単光子源、室温で多量子ビット!
2. 高耐圧大電流ダイオード・・・ダイヤモンドなのに大電流が流れる!
3. 超高耐圧用 半導体真空スイッチ・・・ダイオードから電子が漏れ出る!
4. 新原理 励起子LED・・・間接遷移半導体なのに光る!








受賞

2018

3回 薄膜・表面物理分科会 論文賞

T. Matsumoto, H. Kato, K. Oyama, T. Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, T. Inokuma, N. Tokuda & S. Yamasaki, Inversion channel diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with normally off characteristics”, Scientific Reports, No.6, 31585, 2016.8

 2017

2017 MRS Spring Meeting Student Prize

D. Kuwabara “Electron-Hole Recombination Processes in Diamond Pin Diodes”

2016

応用物理学会論文賞

T. Fukui, Y. Doi, T. Miyazaki, Y. Miyamoto, H. Kato, T. Matsumoto, T. Makino, S. Yamasaki, R. Morimoto, N. Tokuda, M. Hatano, Y. Sakagawa, H. Morishita, T. Tashima, S. Miwa, Y. Suzuki, and N. Mizuochi, "Perfect selective alignment of nitroge-vacancy centers in diamond", Appl. Phys. Express, 7, pp. 055201-1 – 055201-4 (2014)

2015

応用物理学会論文賞

山崎 聡
”新しい半導体-ダイヤモンド‐のキャリヤ制御とデバイス応用”
応用物理 第83巻第11号(2014pp912-916

2013

第27回独創性を拓く 先端技術大賞 フジサンケイビジネスアイ賞

竹内 大輔
“ダイヤモンド半導体特有の負の電子親和力を利用した超高耐圧高効率小型真空パワースイッチの研究開発”

2011

応用物理学会 フェロー表彰

山崎 聡
IV族半導体薄膜の構造評価とデバイス応用”

2017

ナノ学会 若手優秀発表賞

徳田 規夫
“ダイヤモンド(111)のステップフリー表面の形成”


■プレスリリース
2019
“「ダイヤで究極の半導体 宇宙でも高性能」(2019年6月7日)日本経済新聞電子版:日本経済産業新聞に紹介記事が掲載されました。 ”
リンク:https://www.nikkei.com/article/DGXMZO45765800W9A600C1X90000/

2016
“世界初!反転層型ダイヤMOSFETの動作実証に成功”
松本 翼、加藤 宙光、小山 和博、徳田 規夫、牧野 俊晴、小倉 政彦、竹内 大輔、山崎 聡

2013
“ダイアモンドから電子が漏れ出る現象を理論的に原子レベルで解明”
宮本 良之、山崎 聡

2012
“世界初のダイヤモンドを用いた真空パワースイッチ”
竹内 大輔、牧野 俊晴、小倉 政彦、加藤 宙光、大串 秀世、山崎 聡、西澤 伸一、小泉 聡、大橋 弘通

“ダイヤモンド半導体による接合型電界効果トランジスタの動作に世界で初めて成功”
山崎 聡、竹内 大輔、牧野 俊晴、小倉 政彦、加藤 宙光

“室温で電気的に単一光子を発生させることに成功”
山崎 聡、牧野 俊晴、竹内 大輔、小倉 政彦、加藤 宙光

2011
“省エネ技術の未来に貢献するダイヤモンド電力変換器-ダイヤモンドバイポーラトランジスタの増幅動作に成功”
山崎 聡、加藤 宙光、西澤 伸一、小倉 政彦、竹内 大輔、牧野 俊晴、中島 昭

2010
“ダイヤモンドLEDで殺菌を確認  深紫外線の発光出力を増強 
山崎 聡、牧野 俊晴

2009
(111)表面に作製したダイヤモンドp-i-n接合の電流注入発光特性”
牧野 俊晴、小泉聡、小山 和博、加藤 宙光、徳田 規夫、小倉 政彦、谷本 智、山崎 聡、大串 秀世

“ダイヤモンドを用いて世界最小、ナノメートルのものさしの作製に成功”
山崎 聡、権太 聡、徳田 規夫

2006
“ダイヤモンド半導体で高効率の紫外線発光に成功”
牧野 俊晴、山崎 聡、大串 秀世

2005
“新たなn型ダイヤモンド半導体の合成に成功”
加藤 宙光、山崎 聡、大串 秀世


■特許

特開2018-137096 「電子放出材料および電子放出素子」
特開2018-127367 「ダイヤモンド製膜用下地基板及びそれを用いたダイヤモンド基板の製造方法」
特開2018-6572 「ダイヤモンド半導体装置及びその製造方法」

■論文(一部抜粋)

2018
Anisotropic diamond etching through thermochemical reaction between Ni and diamond in hightemperature water vapour, M. Nagai, K. Nakanishi, H. Takahashi, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, T. Matsumoto, T. Inokuma & N. Tokuda, Scientific Reports 8, 6687 (2018)

Single crystal diamond membranes for nanoelectronics, K. Bray, H. Kato, R. Previdi, R. Sandstrom, K. Ganesan, M. Ogura, T. Makino, S. Yamasaki, A. P. Magyar, M. Toth and I. Aharonovich, Nanoscale 10, 4028-4035 (2018)

Charge-state control of ensemble of nitrogen vacancy centers by n–i–n diamond junctions
M. Shimizu, T. Makino, T. Iwasaki, K. Tahara, H. Kato, N. Mizuochi, S. Yamasaki and M. Hatano, APEX 11, 3 (2018)

Temperature dependence of electrical characteristics for diamond Schottky-pn diode in forward bias, N. Ozawa, T. Makino, H. Kato, M. Ogura, Y. Kato, D.Takeuchi, H. Okushi and S. Yamasaki, Diamond and Related Materials 85,49-52 (2018)

Three-dimensional atomic arrangement around active/inactive dopant sites in boron-doped diamond, Y. Kato, D. Tsujikawa, Y. Hashimoto, T. Yoshida, S. Fukami, H. Matsuda, M. Taguchi, T. Matsushita and H. Daimon, APEX 11,6 (2018)

2017
Dynamic properties of diamond high voltage p-i-n diodes, A. Traore, A. Nakajima, T. Makino, D. Kuwabara, H. Kato, M. Ogura, D. Takeuchi, and S. Yamasaki, Jpn. J. Appl. Phys., 56, pp.04CR14-1 - 04CR14-4 (2017)

Diamond Schottky-pn diode using lightly nitrogen-doped layer, T. Matsumoto, T. Mukose, T. Makino, D. Takeuchi, S. Yamasaki, T. Inokuma, and N. Tokuda, Diam. Relat. Mater., 75, pp.152 - 154 (2017)

Estimation of inductively coupled plasma etching damage of boron-doped diamond using X-ray photoelectron spectroscopy, Y. Kato, H. Kawashima, T. Makino, M. Ogura, A. Traore, N. Ozawa, and S. Yamasaki, Phys. Status Solidi A, 214, 11, pp.1700233-1 - 1700233-5 (2017)

2016
N-type control of single-crystal diamond films by ultra-lightly phosphorus doping, H. Kato, M. Ogura, T. Makino, D. Takeuchi, and S. Yamasaki, Appl. Phys. Lett., 109, pp.142102-1 - 142102-5 (2016)

Inversion channel diamond metaloxide-semiconductor field-effect transistor with normally off characteristics, T. Matsumoto, H. Kato, K. Oyama, T. Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, T. Inokuma, N. Tokuda, and S. Yamasaki, Sci. Rep., 6, pp.31585-1 - 31585-6 (2016)

Heavily phosphorus-doped nanocrystalline diamond electrode for thermionic emission application, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, T. Yamada, M. Kataoka, Y. Kimura, S. Sobue, C. E. Nebel, and S. Yamasaki, Diam. Relat. Mater., 63, pp.165 - 168 (2016)

2015
Potential profile evaluation of a diamond lateral p-n junction diode using Kelvin probe force microscopy, K. Shirota, D. Takeuchi, H. Kato, T. Makino, M. Ogura, H. Okushi, and S. Yamasaki, Phys. Status Solidi A, 212, 11, pp.2589 - 2594 (2015)

Electronic properties of diamond Schottky barrier diodes fabricated on silicon-based heteroepitaxially grown diamond substrates, H. Kawashima, H. Noguchi, T. Matsumoto, H. Kato, M. Ogura, T. Makino, S. Shirai, D. Takeuchi, and S. Yamasaki, Appl. Phys. Express, 8, pp.104103-1 - 104103-3 (2015)

2014
Doping and interface of homoepitaxial diamond for electronic applications, S. Yamasaki, E. Gheeraert, and Y. Koide, MRS Bull., 39, 6, pp.499 - 503 (2014)

2013
Ab initio dynamics of field emission from diamond surfaces, Y. Miyamoto, T. Miyazaki, D. Takeuchi, H. Okushi, and S. Yamasaki, Appl. Phys. Lett., 103, pp.123104-1 - 123104-5 (2013)

2012
Diamond Junction Field-Effect Transistors with Selectively Grown n+-Side Gates, T. Iwasaki, Y. Hoshino, K. Tsuzuki, H. Kato, T. Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, T. Matsumoto, H. Okushi, and S. Yamasaki, Appl. Phys. Express, 5, pp.091301-1 - 091301-3 (2012)

Electrically driven single-photon source at room temperature in diamond, N. Mizuochi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, M. Nothaft, P. Neumann, A. Gali, F. Jelezko, J. Wrachtrup, and S. Yamasaki, Nature Photonics, 6, pp.299 - 303 (2012)

2009
Nanometer Scale Height Standard Using Atomically Controlled Diamond Surface, N. Tokuda, H. Umezawa, H. Kato, M. Ogura, S. Gonda, K. Yamabe, H. Okushi, and S. Yamasaki, Appl. Phys. Express, 2, pp.055001-1 - 055001-3, (2009)

2005
n-type doping of (001)-oriented single-crystalline diamond by phosphorus, H. Kato, S. Yamasaki, and H. Okushi, Appl. Phys. Lett., 86, pp.222111-1 - 222111-3 (2005)

 





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