JP7804982B2

JP7804982B2 - 電界効果トランジスタ

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Publication number: JP7804982B2
Application number: JP2021213178A
Authority: JP
Inventors: 純一金子; 均小泉; 卓宏山口; 尚久星川; 仁梅沢; 英明山田; 新矢大曲
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Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2026-01-23
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Description

本発明は、電界効果トランジスタに関する。

原子炉内等の高放射線環境下で用いられる電子部品には高い放射線耐性が求められる。かかる高い放射線耐性のための半導体材料の候補としてダイヤモンドがある。非特許文献１には、ダイヤモンド半導体を用いた電界効果トランジスタの一例であるＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）について記載されている。非特許文献１のＭＥＳＦＥＴは、窒素ドープされた半絶縁性のダイヤモンド基板と、その基板上に形成されたダイヤモンドからなるｐ－ドリフト層と、ｐ－ドリフト層上に形成されたダイヤモンドからなるｐ＋コンタクト層と、さらにその上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、ｐ－ドリフト層上に形成されたゲート電極を備えている。ゲート電極にはルテニウムが用いられている。かかるＭＥＳＦＥＴに５ＭＧｙ及び１０ＭＧｙのＸ線を照射した際、ＭＥＳＦＥＴの最大ドレイン電流及び相互コンダクタンスが照射に対してほぼ一定であることが示されている。

梅沢仁、大曲新矢、杢野由明、「ダイヤモンドショットキーバリアダイオードと金属半導体電界効果トランジスタのＸ線耐放射線性の特性評価」、パワー半導体デバイスとＩＣに関する第２９回国際シンポジウム講演要旨集、ＩＥＥＥ、２０１７年７月、ｐ．３７９～３８２

上記の通り、非特許文献１のＭＥＳＦＥＴはＸ線の照射に対して高い耐性を示している。しかしながら、非特許文献１の電界効果トランジスタは相互コンダクタンスが０．０１ｍＳ／ｍｍと低く、電子部品として必要な回路特性の条件を満たさないおそれがある。

本発明の目的は、高い放射線耐性がありつつ回路特性も確保された電界効果トランジスタを提供することにある。

本発明の電界効果トランジスタは、表面が水素終端されたノンドープダイヤモンド層と
、水素終端された領域を互いの間に挟みつつ前記ノンドープダイヤモンド層上に形成され
た第１及び第２のｐ＋ダイヤモンド層と、前記第１のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された
金属製のソース電極と、前記第２のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のドレイン
電極と、前記ノンドープダイヤモンド層の前記水素終端された領域上に形成された絶縁層
と、前記絶縁層上に形成されたゲート電極とを備えている。このとき、１ｋＧｙ以上又は５ＭＧｙのＸ線照射を受けた後に、室温条件下において相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上であることが好ましい。また、１ｋＧｙ以上のＸ線照射を受けた後に、室温条件下において閾値電圧の変動の大きさが３Ｖ以下であることが好ましい。

本発明の電界効果トランジスタによると、水素終端されたノンドープダイヤモンド層上に絶縁層及びゲート電極を設ける構造が採用されている。これにより、例えば、１ｋＧｙ以上又は５ＭＧｙのＸ線照射を受けた後に、室温条件下において相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上となる回路特性が可能となる。あるいは、１ｋＧｙ以上のＸ線照射を受けた後に、室温条件下において閾値電圧の変動の大きさが３Ｖ以下となる回路特性が可能となる。１ｋＧｙ以上又は５ＭＧｙのＸ線照射は、例えば、本発明を応用した電子回路が原子炉内等で使用される場合に想定される。本発明によれば、かかる環境下にて相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上との回路特性を確保できる。これにより、通常運転時、過酷事故時又は廃炉時の原子炉内のような過酷な高放射線環境下においても、電子回路に必要な回路特性を確保することが可能となる。なお、かかる環境下で回路特性の確保が可能であることは、本発明の適用が原子炉内に限られることを意味しない。加速器、放射線治療、核融合炉、宇宙環境、航空宇宙環境等、様々な環境においても本発明を適用可能である。

また、本発明においては、前記絶縁層が、酸化アルミニウムを含んでいることが好ましい。これによると、絶縁層による耐放射線特性が向上する。

また、本発明においては、前記ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極のいずれも、ルテニウム、イリジウム、白金及びモリブデンの少なくともいずれかが用いられていることが好ましい。これによると、電極における耐放射線特性が向上する。この場合、ルテニウム、イリジウム、白金及びモリブデンの少なくともいずれかと金等のその他の金属とを組み合わせた電極が用いられてもよい。例えば、金等のその他の金属からなる層が、ルテニウム、イリジウム、白金及びモリブデンの少なくともいずれかからなる層上に積層されてもよい。

また、本発明においては、前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極のいずれとも異なる独立の電極であって、熱回復による欠陥の回復及び電荷引き抜きの少なくともいずれかによって回路特性を回復するための回復電極をさらに備えていることが好ましい。これによると、放射線の照射により劣化した回路特性の回復が可能になる。また、本発明においては、５ＭＧｙのＸ線照射を受けた後に前記ゲート電極のリーク電流が動作ドレイン電流に対して１０^-6倍以下であることが好ましい。これによると、本発明によってリーク電流が抑えられた電界効果トランジスタが実現する。

本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を示す概念図である。図１の電界効果トランジスタの一実施例に係るドレイン電圧－ドレイン電流特性を示すグラフである。図２（ａ）はＸ線照射前の特性に関し、図２（ｂ）は１０ｋＧｙのＸ線照射時の特性に関し、図２（ｃ）は１００ｋＧｙのＸ線照射時の特性に関し、図２（ｄ）は１ＭＧｙのＸ線照射時の特性に関する。図１の電界効果トランジスタの一実施例に係るゲートバイアス－ドレイン電流特性を示すグラフである。図４（ａ）は、Ｘ線の積算線量に対する最大ドレイン電流を示すグラフである。図４（ｂ）は、Ｘ線の積算線量に対する相互コンダクタンスを示すグラフである。図４（ｃ）は、Ｘ線の積算線量に対する閾値電圧の変化を示すグラフである。図３の実施例に係るシート抵抗を示すグラフである。図４（ｃ）及び図５のグラフに示す特性が表れる仕組みを説明するための概念図である。図１の電界効果トランジスタの別の一実施例に係るＸ線の積算線量に対するリーク電流を示すグラフである。図１の電界効果トランジスタの電極としてイリジウムを用いた場合におけるゲート電圧に対するリーク電流を示すグラフである。図１の電界効果トランジスタの電極として白金を用いた場合におけるゲート電圧に対するリーク電流を示すグラフである。図１の電界効果トランジスタの電極としてモリブデンを用いた場合におけるゲート電圧に対するリーク電流を示すグラフである。図１の電界効果トランジスタの電極としてモリブデン及び金からなる複層の電極を用いた場合におけるゲート電圧に対するリーク電流を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ１について図１を参照しつつ説明する。電界効果トランジスタ１は、図１に示すように、半絶縁性ダイヤモンド基板層１０、水素終端ダイヤモンド層１１（本発明におけるノンドープダイヤモンド層に対応）、ｐ＋ダイヤモンド層１２、ｐ＋ダイヤモンド層１３、ソース電極１４、ドレイン電極１５、ゲート電極１６、バックゲート電極１７及び絶縁層１８が積層された積層構造を有している。

半絶縁性ダイヤモンド基板層１０には、窒素がドープされたダイヤモンドが用いられている。その厚さは５０～５００μｍであり、窒素の濃度は１０¹⁷～１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である。窒素がドープされた半絶縁性ダイヤモンド基板層１０が設けられていることにより、短チャネル効果や飽和領域におけるドレインコンダクタンスの増加、出力インピーダンスの低下が抑制される。なお、相互コンダクタンスが後述の通り０．５ｍＳ／ｍｍ以上となることを達成するためには、基板の欠陥密度が１０⁶個／ｃｍ²以下であることが望ましい。

水素終端ダイヤモンド層１１は半絶縁性ダイヤモンド基板層１０上に形成されている。水素終端ダイヤモンド層１１には、不純物がドープされていないノンドープダイヤモンドが用いられている。水素終端ダイヤモンド層１１の厚さは３μｍ以下であることが好ましい。これにより、出力インピーダンスの低下を防ぐことが可能である。水素終端ダイヤモンド層１１の一表面である積層面１１ａにおいて絶縁層１８が積層された領域Ｈには水素終端伝導層が形成されている。水素終端ダイヤモンド層１１は、例えば、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成されている。水素終端伝導層は、ＣＶＤ法による層の形成の際、ダイヤモンドの表面が水素プラズマにさらされることにより形成される。

ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３は、水素終端ダイヤモンド層１１の積層面１１ａ上に形成されている。これらは、水素終端ダイヤモンド層１１上で互いに離隔するように配置されている。ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３には、不純物としてホウ素原子がドープされたダイヤモンドが用いられている。ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３におけるホウ素の濃度は、１０¹⁹～１０²²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である。ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成されている。

絶縁層１８は、水素終端ダイヤモンド層１１の積層面１１ａ上において、ｐ＋ダイヤモンド層１２とｐ＋ダイヤモンド層１３に挟まれた領域に形成されている。絶縁層１８には、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）が用いられている。絶縁層１８は、例えば、高温ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成されている。

ソース電極１４はｐ＋ダイヤモンド層１２上に、ドレイン電極１５はｐ＋ダイヤモンド層１３上に、ゲート電極１６は絶縁層１８上にそれぞれ形成されている。ソース電極１４はｐ＋ダイヤモンド層１２のみと、ドレイン電極１５はｐ＋ダイヤモンド層１３のみと、ゲート電極１６は絶縁層１８上のみとそれぞれ接触している。バックゲート電極１７は、半絶縁性ダイヤモンド基板層１０における水素終端ダイヤモンド層１１とは反対側の表面上に形成されている。バックゲート電極１７は半絶縁性ダイヤモンド基板層１０のみと接触している。ソース電極１４、ドレイン電極１５、ゲート電極１６及びバックゲート電極１７にはルテニウムが用いられている。これらの電極は、例えば、ＲＦスパッタ法を用いて形成されている。

回復電極２１は、水素終端ダイヤモンド層１１の積層面１１ａ上における、ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３並びに絶縁層１８が積層された領域と隣接した領域に形成されている。回復電極２１は、水素終端ダイヤモンド層１１のみと接触している。回復電極２１は、全体がルテニウムでなるか、金属製の電極本体の表面がルテニウムで保護されたものからなる。電極本体には、１０Ｗ以上の電力を供給できるものであればどのような金属が用いられてもよい。回復電極２１には、電力供給回路３１が接続される。電力供給回路３１は、回復電極２１に電流を流すことで１０Ｗ以上の電力を供給する。かかる電力供給による回復電極２１からの発熱で電界効果トランジスタ１の温度を高くする。回復電極２１は、例えば、ＲＦスパッタ法を用いて形成されている。

回復電極２２は、水素終端ダイヤモンド層１１の積層面１１ａに沿って延びた部分２２ａと、水素終端ダイヤモンド層１１の側端面１１ｂに沿って延びた部分２２ｂとを有している。部分２２ａは、積層面１１ａにおいて、ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３並びに絶縁層１８が積層された領域と隣接した領域に形成されている。部分２２ｂは、部分２２ａの端部から側端面１１ｂに沿って、半絶縁性ダイヤモンド基板層１０まで延びている。これにより、回復電極２２は、水素終端ダイヤモンド層１１及び半絶縁性ダイヤモンド基板層１０の両方と接触している。回復電極２２は、全体がルテニウムでなるか、金属製の電極本体の表面がルテニウムで保護されたものからなる。電極本体にはどのような金属が用いられてもよい。回復電極２２には、パルス供給回路３２が接続される。パルス供給回路３２は、回復電極２２に対し、矩形波状のパルス電圧信号を印加する。パルス電圧信号は、例えば、＋１００Ｖの電圧が所定の時間継続した状態と－１００Ｖの電圧が所定の時間継続した状態とが所定の時間間隔で交互に切り替わる信号である。回復電極２２は、例えば、スパッタ法を用いて形成されている。

本実施形態に係る電界効果トランジスタ１は、５ＭＧｙという高い積算線量のＸ線照射を受けた後でも、室温条件下において相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上となる回路特性が確保されている。このような高放射線環境下における回路特性の確保は、本願発明の発明者らによる鋭意研究の結果、ソース及びドレインにｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３が設けられていると共に水素終端ダイヤモンド層１１上に絶縁層１８が設けられた本実施形態の構造を採用することによって実現された。かかる構成が採用された結果、後述の実施例に示す通り、５ＭＧｙという高い累積線量のＸ線照射を受けた後でも、室温条件下において相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上となる回路特性を確保できた。さらに、高温（例えば、４５０℃）の環境下でも同様の回路特性を確保できる。

なお、５ＭＧｙの値は、過酷事故時の原子炉内における高放射線環境下、１週間程度の期間における積算線量に対応し、シミュレーションによって算出された値である。また、低ノイズの回路を実現するためには少なくとも室温において増幅率が２ｍＳ以上であることが要請される。原子炉内で使用される電子回路への応用を考慮すると、室温から４５０℃までの温度範囲において増幅率が２ｍＳ以上であることが好ましい。一方で、放射線耐性を高めるためにはゲート幅を４ｍｍ以下にすることが好ましい。以上により、０．５ｍＳ／ｍｍ以上の増幅率が必要となる。また、相互コンダクタンス０．５ｍＳ／ｍｍを達成することでノイズを低減し、高い周波数帯域まで信号増幅動作することが可能となる。さらに、パルス信号を劣化なく増幅するためには１００ＭＨｚ以上の高周波信号に対しても動作することが好ましい。

また、本実施形態に係る電界効果トランジスタ１には回復電極２１及び２２が設けられている。回復電極２１及び２２は放射線照射によって劣化した素子を回復する。放射線照射による劣化には以下の２つがある。１つ目の劣化は、水素終端ダイヤモンド層１１、ｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３、半絶縁性基板１０並びに絶縁層１８の少なくともいずれかに電荷が溜まることにより、閾値の変動、ドレイン電流の変動等が生じるものである。かかる劣化は、上記の通りパルス供給回路３２から回復電極２２にパルス電圧信号を供給させ、もって、電荷が溜まった層から電荷を引き抜くことで回復する。２つ目の劣化は、絶縁層１８中に欠陥が生成されることにより、閾値の変動、相互コンダクタンスの減少、ドレイン電流の減少等が生じるものである。かかる劣化は、上記の通り電力供給回路３１から回復電極２１に電力を供給させ、電界効果トランジスタ１の温度を６００℃以上に高めることにより、点欠陥を修復することで回復する。

また、本実施形態に係るソース電極１４、ドレイン電極１５及びゲート電極１６には、いずれもルテニウムが用いられている。回復電極２１及び２２のいずれも、全体がルテニウムでなるか、金属製の電極本体の表面がルテニウムで保護されたものからなる。これにより、各電極において耐放射線特性が向上する。

さらに、本実施形態の電界効果トランジスタ１においては、所定の積算線量（例えば、１０ｋＧｙ）以上の放射線照射による回路特性（例えば、ドレイン電圧－ドレイン電流特性）の変化が飽和していることが好ましい。１０ｋＧｙ～１ＭＧｙの放射線照射時のドレイン電圧－ドレイン電流特性における飽和領域のドレインコンダクタンス（出力インピーダンス）が５ＭΩｍｍ以上であることが好ましい。１０ｋＧｙ～１ＭＧｙの放射線照射時のドレイン電圧－ドレイン電流特性における線形領域のドレインコンダクタンスが２ＭΩｍｍ以下であることが好ましい。１０ｋＧｙ～１ＭＧｙの放射線照射時のゲート電圧Ｖ_GS＜－３Ｖにおけるリーク電流が１０^-7Ａ／ｍｍ以下であることが好ましい。１０ｋＧｙ～１ＭＧｙの放射線照射時のサブスレッショルドスイングが３００ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ以下であることが好ましい。放射線の未照射時から５ＭＧｙ照射時まで、最大ドレイン電流及び相互コンダクタンスの絶対値の少なくともいずれか又は両方がほぼ減少しないことが好ましい。放射線の未照射時から５ＭＧｙ照射時まで、閾値電圧の変動範囲が３Ｖ以下であることが好ましい。

［実施例１］

以下、本発明に係る電界効果トランジスタの一実施例について説明する。本実施例に係る電界効果トランジスタは、上述の実施形態に係る電界トランジスタにおいて、回復電極２１及び２２を除いた構成に対応する。以下の方法で電界効果トランジスタを作製した。まず、プラズマＣＶＤ装置（セキテクノトロン社、ＡＸ５０１０－ＩＮＴ）を用い、ダイヤモンドＩｂ（００１）基板（半絶縁性ダイヤモンド基板層１０に対応する）上にメタン濃度０．５％にて、１μｍの厚さの水素終端ダイヤモンド層１１を形成した。次に、水素終端ダイヤモンド層１１上の所定の領域に選択的にｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３を形成するため、プラズマＣＶＤ装置を用いてマスクを形成した。次に、ＨＦ－ＣＶＤ法を用いて、０．４μｍの厚さのｐ＋ダイヤモンド層１２及び１３を、ダイヤモンド層１１上のマスクが形成されていない領域に形成した。次に、マスクを除去し、ＡＬＤプラズマ処理装置を用い、高温ＡＬＤ法によって３５０℃で８３ｎｍの厚さの酸化アルミニウム層を形成した後、反応性イオンエッチング装置を用いたエッチングにより、絶縁層１８を形成した。次に、スパッタリング装置を用いてＲＦスパッタ法によりルテニウムからなるソース電極１４、ドレイン電極１５及びゲート電極１６を形成した。

以上のように作製した電界効果トランジスタ１の高放射線環境下における動作性能の評価を、以下の通りに実施した。まず、室温環境において、電界効果トランジスタ１とＸ線照射装置の位置関係を一定にしつつＸ線照射装置から電界効果トランジスタ１にＸ線を照射し続けることを、照射された放射線が１ｋＧｙ、３ｋＧｙ、１０ｋＧｙ、３０ｋＧｙ、１００ｋＧｙ、３００ｋＧｙ及び１０００ｋＧｙの各値となるまで段階的に実行した。そして、Ｘ線照射前の段階と上記値までＸ線を照射した直後の各段階において、半導体デバイス・パラメータ・アナライザを用いて電界効果トランジスタの性能を評価した。なお、電界効果トランジスタ１への放射線が上記各値になることは、三酢酸セルロースフィルム線量計を用いた単位時間当たり線量の評価と照射時間に基づいて把握した。当該線量の評価の結果、単位時間当たり線量は１．１ｋＧｙ／分であった。

上記性能評価の結果が図２～図４に示されている。図２（ａ）～図２（ｄ）のグラフはドレイン電圧－ドレイン電流特性を示す。図２（ａ）はＸ線照射前の特性に関し、図２（ｂ）は１０ｋＧｙのＸ線照射時の特性に関し、図２（ｃ）は１００ｋＧｙのＸ線照射時の特性に関し、図２（ｄ）は１ＭＧｙのＸ線照射時の特性に関する。１０ｋＧｙのＸ線照射までに特性が初期変動したが、図２（ｂ）～図２（ｄ）のグラフ間に大きな変化が見られないことから、放射線の照射によって素子特性の変化が少なくなっていることが明瞭である。初期変動は高温環境下においてもみられる現象であり、４００℃程度の環境で１時間程度の処理を行うことで安定化する。図２（ｂ）～図２（ｄ）によると、飽和領域のドレインコンダクタンス（出力インピーダンス）は５ＭΩｍｍ以上である。線形領域のドレインコンダクタンスは２ＭΩｍｍ以下である。

図３のグラフは、ドレイン電圧を－１０Ｖとしたときのゲート電圧－ドレイン電流特性を示す。グラフ中、□は１００ｋＧｙのＸ線照射時の特性に関し、×は１００ｋＧｙのＸ線照射時の特性に関し、〇は１ＭＧｙのＸ線照射時の特性に関する。図３によると、Ｖ_GS＜－３Ｖにおけるリーク電流が１０^-7Ａ／ｍｍ以下である。サブスレッショルドスイングは、１００ｋＧｙ、３００ｋＧｙ、１ＭＧｙのＸ線照射時において、それぞれ２３８、２１５、２６４ｍＶ／ｄｅｃａｄｅである。つまり、いずれのサブスレッショルドスイングも３００ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ以下である。これは、照射されたＸ線が高い積算線量となっても、界面準位が増加していないことを示唆する。また、初期変動以降における閾値電圧のシフト量が１Ｖ以下である。

図４（ａ）のグラフは、照射したＸ線に対する最大ドレイン電流を示す。図４（ｂ）のグラフは、照射したＸ線に対する相互コンダクタンスを示す。図４（ｃ）のグラフは、照射したＸ線に対する閾値電圧の変化を示す。図４（ａ）～図４（ｃ）のいずれにおいても、ドレイン電圧を－１０Ｖとした。図４（ａ）によると、最大ドレイン電流Ｊ_DSの絶対値は、未照射時から１０ｋＧｙ照射時まで増加し初期変動しており、それ以上の照射においてはほぼ一定値を取る。つまり、初期変動後から１ＭＧｙ照射時まで最大ドレイン電流の絶対値がほぼ減少していない。また、図４（ｂ）によると、相互コンダクタンスｇ_mの絶対値は、未照射時から１０ｋＧｙ照射時までの初期変動で増加しており、それ以上の照射においては飽和してほぼ一定値を取る。つまり、初期変動後から１ＭＧｙ照射時まで相互コンダクタンスがほぼ減少していない。また、図４（ｃ）によると、閾値電圧Ｖ_Tの絶対値は、未照射時から１０Ｇｙ照射時まで増加し初期変動しており、それ以上の照射においては飽和してほぼ一定値を取る。そして、初期変動後から１ＭＧｙ照射時における閾値電圧の変動範囲が１Ｖ以下である。なお、別の実施例において、１～５ＭＧｙのＸ線照射による同様の性能評価を行ったところ、最大ドレイン電流、相互コンダクタンス及び閾値は、いずれも飽和して一定値を取った。つまり、当該別の実施例の結果と図４に示す結果とを合わせると、初期変動後から５ＭＧｙ照射時まで、最大ドレイン電流及び相互コンダクタンスの絶対値はいずれもほぼ減少せず、閾値の変動範囲が１Ｖ以下であることになる。

本実施例の結果、電界効果トランジスタ１のシート抵抗は、図５に示すように、積算線量が１００ｋＧｙ程度まで増加するのに伴って低下し、１００ｋＧｙを超えたあたりから積算線量の増加に対して一定値に保たれた。シート抵抗においてＸ線の照射量に応じたこのような特性が表れるのは、以下の仕組み（図６参照）によるものと考えられる。Ｘ線を照射することで、絶縁層１８を形成するＡｌ₂Ｏ₃内に電子正孔対が生成する。Ａｌ₂Ｏ₃には欠陥が存在するため、生成した電子が欠陥に捕獲されることで、水素終端ダイヤモンド層１１側に正孔が誘起される。正孔の誘起はキャリア密度の増加につながるため、導電性が向上し、シート抵抗は低下する。ここで欠陥とは、酸素空孔や不純物、結晶構造の乱れ等による電荷を捕獲する欠陥であると考えられる。

上記欠陥には限りがあるため、ある程度照射を行うとほぼすべての欠陥が電子を捕獲してしまい、それ以上電子を捕獲することができなくなる。そのため、一定量（今回の結果では１００ｋＧｙ程度）の照射がなされると、それを超える照射に対しては新たな電子の捕獲と正孔の誘起がほとんど起こらない。よって、一定量を超える照射に対してシート抵抗が安定する。

また、図４（ｃ）に示すように、積算線量が１００ｋＧｙ程度に至るまで閾値電圧が上がり、１００ｋＧｙを超えたあたりから閾値電圧が一定値に保たれたのは、以下の仕組み（図６参照）によるものと考えられる。Ｐチャネル、ノーマリーオンのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）においては、ゲートに正電圧をかけて、チャネルから正孔を排除することでＦＥＴをオフにすることができる。このとき、閾値電圧はＦＥＴをオフにするために印加しなければならない正電圧と考えることができる。

Ｘ線の照射によって、絶縁層１８を形成するＡｌ₂Ｏ₃に電子が蓄積し、水素終端ダイヤモンド層１１側に正孔が誘起されたとすると、水素終端ダイヤモンド層１１表面の正孔の密度が増加するため、正孔を排除して素子をオフにするためにはそれだけ大きな正電圧をかける必要がある。

一定量（今回の結果では１００ｋＧｙ程度）までの照射では、照射によって生じた電子がＡｌ₂Ｏ₃に蓄積し、水素終端ダイヤモンド層１１表面の正孔の密度が増加することで閾値電圧が上昇する。しかしながら、それを超える照射に対しては、欠陥が埋まってしまい電子の蓄積がほとんど起きない。このため、一定量を超える照射に対して閾値は安定する。

［実施例２］

電界効果トランジスタ１へのＸ線の照射量が３ＭＧｙまでの各大きさである場合においてゲート電極１６のリーク電流を測定した。電界効果トランジスタ１は、各電極として、ルテニウムからなる層上に金からなる層が積層された構造（ルテニウムの層の表面に金の層が形成されることにより、Ｘ線の照射に対して金の層がルテニウムの層を保護する構造）からなるものとしたこと以外は、実施例１と同様とした。ソース電極１４、ドレイン電極１５及びゲート電極１６には０Ｖ、０Ｖ及び１Ｖの大きさの電圧をそれぞれ印加した。図７は、その結果を示す、Ｘ線の照射量に対するリーク電流Ｉ_gsのグラフである。実線がリーク電流の実測値を示し、一点鎖線が実測値に対して線形近似を用いた予想を表すグラフである。これによると、５ＭＧｙの照射量に対してリーク電流が５．２ｎＡになると予想される。この値は、動作ドレイン電流１７ｍＡに対して１０^-6倍以下である。なお、本実施例では、Ｘ線の照射前後における電極の外観の変化や、Ｘ線照射後におけるルテニウムの層と金の層間の相互拡散の痕跡はみられなかった。これに対し、ルテニウムの層の代わりにニッケルの層を用いた電極を有する素子に対して放射線を照射した場合、ニッケルの層と金の層の間で相互拡散が発生することから、ニッケルと金を用いた電極は高放射線環境下で使用できないことが本発明者らによる過去の実験において判明している。

［実施例３］

電界効果トランジスタ１に１０ＭＧｙのＸ線を照射した後、ゲート電圧を変化させつつゲート電極１６のリーク電流を測定した。電界効果トランジスタ１は、各電極をイリジウムで構成したもの（以下、実施例３－Ｉｒとする）、各電極を白金で構成したもの（以下、実施例３－Ｐｔとする）、各電極をモリブデンで構成したもの（以下、実施例３－Ｍｏとする）並びに各電極をモリブデン及び金で構成したもの（以下、実施例３－Ｍｏ／Ａｕとする）をそれぞれ使用した。実施例３－Ｍｏ／Ａｕは、各電極が、モリブデンからなる層上に金からなる層が積層された構造（モリブデンの層の表面に金の層が形成されることにより、Ｘ線の照射に対して金の層がモリブデンの層を保護する構造）からなるものである。図８～図１１のグラフは、実施例３－Ｉｒ、３－Ｐｔ、３－Ｍｏ及び３－Ｍｏ／Ａｕの結果をそれぞれ示す。

図８～図１１にそれぞれ示すように、１０ＭＧｙのＸ線の照射後にそれぞれ１０^-11Ａ程度までリーク電流の増加がみられた。しかしながら、リーク電流は、電界効果トランジスタ１の動作電流である１７ｍＡと比べて１０^-8倍以下の大きさであり、耐放射線電極として十分に使用可能である。

＜変形例＞

以上は、本発明の好適な実施形態についての説明であるが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、課題を解決するための手段に記載された範囲の限りにおいて様々な変更が可能なものである。

例えば、上述の実施形態では、ソース電極１４、ドレイン電極１５、ゲート電極１６及びバックゲート電極１７にルテニウムが用いられ、これによって電極に高放射線耐性が確保されている。しかし、これらの電極として、他の金属（例えば、モリブデン）からなる電極本体の表面が金で被覆されることで放射線から保護された電極が用いられてもよい。

また、上述の実施形態においては、絶縁層１８として酸化アルミニウムが用いられている。しかし、絶縁層１８にその他の材料が用いられてもよい。例えば、二酸化ケイ素、フッ化カルシウムが用いられてもよい。また、絶縁層１８が、これらの材料やその他の材料のうち、複数の材料からなるものであってもよい。例えば、酸化アルミニウムとその他の材料とを組み合わせた材料から絶縁層１８が構成されてもよい。

また、上述の実施形態においては、回復電極２１へのパルス電圧信号の印加により電界効果トランジスタ１の温度を６００℃以上に高めることで絶縁層１８の劣化を回復している。しかし、ゲート電極１６又はバックゲート電極１７にパルス電圧信号を印加することにより電界効果トランジスタ１の温度を６００℃以上に高めることで絶縁層１８の劣化を回復してもよい。この場合、回復電極２２が電界効果トランジスタ１に設けられていなくてもよい。

１電界効果トランジスタ
１１水素終端ダイヤモンド層
１２、１３ｐ＋ダイヤモンド層
１４ソース電極
１５ドレイン電極
１６ゲート電極
１８絶縁層
２１、２２回復電極

Claims

表面が水素終端されたノンドープダイヤモンド層と、
水素終端された領域を互いの間に挟みつつ前記ノンドープダイヤモンド層上に形成された第１及び第２のｐ＋ダイヤモンド層と、
前記第１のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のソース電極と、
前記第２のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のドレイン電極と、
前記ノンドープダイヤモンド層の前記水素終端された領域上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極とを備えており、
１ｋＧｙ以上のＸ線照射を受けた後に、室温条件下において相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
５ＭＧｙのＸ線照射を受けた後に、室温条件下において相互コンダクタンスが０．５ｍＳ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
表面が水素終端されたノンドープダイヤモンド層と、
水素終端された領域を互いの間に挟みつつ前記ノンドープダイヤモンド層上に形成された第１及び第２のｐ＋ダイヤモンド層と、
前記第１のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のソース電極と、
前記第２のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のドレイン電極と、
前記ノンドープダイヤモンド層の前記水素終端された領域上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極とを備えており、
１ｋＧｙ以上のＸ線照射を受けた後に、室温条件下において閾値電圧の変動の大きさが３Ｖ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
前記絶縁層が、酸化アルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の電界トランジスタ。
前記ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極のいずれも、ルテニウム、イリジウム、白金及びモリブデンの少なくともいずれかが用いられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
表面が水素終端されたノンドープダイヤモンド層と、
水素終端された領域を互いの間に挟みつつ前記ノンドープダイヤモンド層上に形成された第１及び第２のｐ＋ダイヤモンド層と、
前記第１のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のソース電極と、
前記第２のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のドレイン電極と、
前記ノンドープダイヤモンド層の前記水素終端された領域上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極とを備えており、
前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極のいずれとも異なる独立の電極であって、熱回復による欠陥の回復及び電荷引き抜きの少なくともいずれかによって回路特性を回復するための回復電極をさらに備えていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
表面が水素終端されたノンドープダイヤモンド層と、
水素終端された領域を互いの間に挟みつつ前記ノンドープダイヤモンド層上に形成された第１及び第２のｐ＋ダイヤモンド層と、
前記第１のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のソース電極と、
前記第２のｐ＋ダイヤモンド層上に形成された金属製のドレイン電極と、
前記ノンドープダイヤモンド層の前記水素終端された領域上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極とを備えており、
５ＭＧｙのＸ線照射を受けた後に前記ゲート電極のリーク電流が動作ドレイン電流に対して１０^-6倍以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。