JP2007234911A

JP2007234911A - 高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置及びこれを用いた温度計、増幅器

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Publication number: JP2007234911A
Application number: JP2006055565A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yokota; 嘉宏横田; Nobuyuki Kawakami; 信之川上; Kazuyuki Hayashi; 和志林; Takeshi Tachibana; 武史橘; Koji Kobashi; 宏司小橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: JP4979245B2

Abstract

【課題】高温下で動作するダイヤモンド半導体を使用して、高温下でも冷却装置を設けることなく動作させることができるダイヤモンドトランジスタ及びそれを使用した高温動作デバイスを提供する。
【解決手段】ダイヤモンド電界効果トランジスタ１はソース・ドレインとして、ボロンドープのダイヤモンド層３ａ、３ｂを使用し、チャネルとしてアンドープダイヤモンド層５を使用し、更に、ダイヤモンド層５上のゲート絶縁膜９上にゲート電極１０が設けられている。このとき、ドレイン電流をＩｄ、絶対温度をＴ（Ｋ）、電界効果トランジスタ及びバイアス条件により決まる定数をａ０、ａ１、ボルツマン定数をｋＢ（１．３８×１０^−２３Ｊ／Ｋ）とすると、Ｉｄ＝ａ０・exp｛−ａ１／（ｋＢ・Ｔ）｝を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、室温から６００℃の高温、より具体的には１００℃以上の高温で動作するダイヤモンドトランジスタ装置及びこのダイヤモンドトランジスタ装置を使用した温度計及び増幅器等の高温動作デバイスに関する。

ダイヤモンドは、その熱伝導率（２０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、バンドギャップ（５．４７ｅＶ）、飽和電子及びホール移動度（電子：２０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、正孔：２１００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）といったデバイス特性が優れているため、高温及び放射線下で動作する電子デバイス、ハイパワーデバイス及び高周波デバイス等への応用が期待されている。

一方、半導体装置を温度計及び増幅器等のデバイスに適用したものとして、従来、特許文献１に記載されたような半導体温度センサ及び特許文献２に記載されたような高周波電力増幅器がある。この特許文献１に開示された半導体温度センサにおいては、複数個のバイポーラトランジスタをダーリントン接続し、各バイポーラトランジスタのエミッタに別々の電流源を接続している。また、特許文献２に開示された高周波電力増幅器は、入力整合回路と出力整合回路とドレイン電圧供給回路とバイアス供給回路とを備え、電界効果型トランジスタを増幅素子とし、この電界効果型トランジスタの温度を温度測定手段により電圧値で得て、この起電力をバイアス供給回路に与え、バイアス供給回路がこの起電力に基づいたバイアス電圧を電界効果型トランジスタに与えるように構成されている。

特開平１０−１２２９７６号公報特開２００１−２４４４５号公報

しかしながら、上述の従来の温度計及び増幅器等のデバイスに使用される半導体装置は、シリコン半導体を使用しているので、高温下では特性が劣化するという問題点がある。このため、通常、高温下でこれらのデバイスを使用する場合は、これらのデバイスを冷却する必要があり、このため、デバイスに冷却装置を設ける必要があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高温下で動作するダイヤモンド半導体を使用して、高温下でも冷却装置を設けることなく動作させることができるダイヤモンドトランジスタ及びそれを使用した高温動作デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係るダイヤモンドトランジスタは、ダイヤモンド基板と、この基板上に局所的に形成された第１及び第２のダイヤモンド層と、前記第１及び第２のダイヤモンド層よりも不純物濃度が低く前記第１及び第２のダイヤモンド層間に設けられたチャネル領域としての第３のダイヤモンド層と、前記第１のダイヤモンド層上に形成されたソース電極と、前記第２のダイヤモンド層上に形成されたドレイン電極と、前記第３のダイヤモンド層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を有し、高温環境下で使用されるものであることを特徴とする。

この高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置において、前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンド基板又はヘテロエピタキシャルダイヤモンド基板であり、前記ゲート絶縁膜は酸化アルミニウム膜であることが好ましい。

そして、ドレイン電流をＩｄ、絶対温度をＴ（Ｋ）、電界効果トランジスタ及びバイアス条件により決まる定数をａ０、ａ１、ボルツマン定数をｋＢ（１．３８×１０^−２３Ｊ／Ｋ）とすると、Ｉｄ＝ａ０・exp｛−ａ１／（ｋＢ・Ｔ）｝を満足することが好ましい。

更に、本発明に係る温度計は、前記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタを備え、被測定物からの温度情報を前記第１乃至第３のダイヤモンド層に伝達する温度伝達材と、ソース・ゲート間及びソース・ドレイン間に夫々一定バイアス電圧を印加する定電圧電源と、ドレイン電流を測定するドレイン電流測定部と、このドレイン電流測定部により測定されたドレイン電流を温度に変換する演算部と、前記演算部により得られた温度を表示する温度表示部と、を更に具備することを特徴とする。

この温度計において、前記温度伝達材は、例えば、前記ダイヤモンド基板であるか、又は前記ダイヤモンド基板に接触する伝熱プローブである。

本発明に係る増幅器は、前記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタを備え、前記トランジスタの温度を調整する温度調整部と、前記トランジスタの温度を検知する温度検知モニタと、を更に具備することを特徴とする。

この増幅器において、前記温度調整部は、例えば、前記トランジスタを５０乃至４００℃の範囲内の一定温度に保持する。

本発明者等は、ダイヤモンド基板上に形成されたダイヤモンド層を、ソース、ドレイン及びチャネル領域とする電界効果トランジスタは、高温（２５℃程度の室温〜６００℃）において、ドレイン電流が大きくなることを見出した。即ち、ダイヤモンド電界効果トランジスタの相互コンダクタンス又はオン電流は室温より高温で明確に増大する。このため、ダイヤモンドトランジスタは、高温動作における特性が極めて優れている。これにより、このダイヤモンドトランジスタを使用した温度計及び増幅器等のデバイスは、冷却せずに高温で使用したときに、大きなドレイン電流が得られ、これによりこのダイヤモンドトランジスタを使用した温度計及び増幅器等のデバイスは、極めて大きなドレイン電流を得て、温度計及び増幅器等として優れた特性を示す。

本発明によれば、室温〜６００℃の高温において、大きなドレイン電流が得られ、高温動作用の温度計及び増幅器等のデバイスにダイヤモンドトランジスタを使用することにより、冷却装置等が不要で構造が簡素な高温デバイスが得られる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係るダイヤモンド電界効果トランジスタ１を使用した温度計のトランジスタ部分を示す断面図、図２はこの温度計を示す模式図である。本実施形態のトランジスタ１は、表面が（１１０）又は（１００）面であるダイヤモンドの単結晶基板２上に、ソースとなる高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ（第１のダイヤモンド層）及びドレインとなる高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ｂ（第２のダイヤモンド層）が夫々局所的に形成されている。この高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂとダイヤモンド基板２との境界線の長さは、５０乃至２００μｍである。即ち、高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂの相互に対向する端部は、紙面に垂直な方向に５０乃至２００μｍ形成されている。以下、この高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂの相互に対向する端部が延びる方向（紙面に垂直な方向）を、端部の長手方向という。そして、高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂは、相互に対向する端部の長手方向が、ダイヤモンド基板２表面における＜１１０＞方向又は＜１００＞方向に一致するように形成されている。

また、高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂの相互に対向する端部上及びこれらの間には、アンドープダイヤモンド層５（第３のダイヤモンド層）が形成されている。そして、高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ上のアンドープダイヤモンド層５が形成されていない領域にはソース電極７が形成され、高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ｂ上のアンドープダイヤモンド層５が形成されていない領域にはドレイン電極８が形成されている。更に、ソース電極７及びドレイン電極８の相互に対向する端部及びアンドープダイヤモンド層５を覆うように絶縁層９（ゲート絶縁層）が形成されており、アンドープダイヤモンド層５上に形成された絶縁層９上にはゲート電極１０が形成されている。即ち、ゲート電極１０とアンドープダイヤモンド層５との間に、ゲート絶縁層となる絶縁層９が設けられている。なお、アンドープダイヤモンド層５における高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂに挟まれた領域のうち少なくとも一部の領域がチャネルとなる。このように、本実施形態のダイヤモンド半導体素子は、半導体ダイヤモンド層である高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層３ａ及び３ｂの間に、高抵抗ダイヤモンド層であるアンドープダイヤモンド層５が設けられたｐｉｐ−ＦＥＴ素子である。なお、第１及び第２のダイヤモンド層３ａ、３ｂのホウ素濃度は、例えば、５×１０^２０／ｃｍ^３であり、厚さは５０ｎｍである。また、第３のダイヤモンド層５の厚さは例えば１００ｎｍである。

伝熱プローブ１２（温度伝達材）は、その一端がトランジスタ１の基板２の下面に接触しており、他端が温度の被測定物３０に接触しているか、又はその温度雰囲気に曝されている。この伝熱プローブ１２は、ダイヤモンド又は銅等により形成することができる。

トランジスタ１のソース電極７、ゲート電極１０及びドレイン電極８には、夫々リード１１ａ、１１ｂ、１１ｃが接続されており、ソース電極７、ゲート電極１０及びドレイン電極８はリード１１ａ、１１ｂ、１１ｃを介して定電圧電源２０に接続されている。また、ソース電極７は接地に接続されている。これにより、ソース電極７とゲート電極１０との間、及び、ソース電極７とドレイン電極８との間に、夫々一定のバイアス電圧が印加されるようになっている。そして、ドレイン電流がドレイン電流測定部２２により測定される。

このドレイン電流測定部２２にて測定されたドレイン電流は、演算部２３に入力され、演算部２３において、ドレイン電流と温度との間の予め求められている関係から、ダイヤモンド電界効果トランジスタ１の温度を演算する。

図３は横軸に温度の逆数１０００／Ｔ（Ｋ^−１）をとり、縦軸にドレイン電流−Ｉｄの対数をとって両者の関係を示すグラフ図である。但し、◆はドレイン電圧が−４Ｖ、ゲート電圧が−１２Ｖの場合、■はドレイン電圧が−１０Ｖ、ゲート電圧が−１０Ｖの場合である。この図３に示すように、温度が高くなるにつれて、つまり、１０００／Ｔが１に近づくにつれて、ドレイン電流が指数的に増大する。このように、ドレイン電流を測定することにより、トランジスタ１の温度を求めることができる。なお、後述するように、図３の中に記載された式は、夫々数式２及び３であり、ｘは１０００／Ｔのことである。そして、このように、ｘとドレイン電流Ｉｄの対数との間には直線関係が見られ、数式１の温度係数ａ１は夫々０．２３ｅＶ、０．３０ｅＶとなる。

上述の如く構成された高温動作ダイヤモンド電界効果トランジスタは、ダイヤモンド層をソース・ドレイン及びチャネル領域とするものであり、これにより、可逆的にバイアス条件を一定としたときのドレイン電流が、温度上昇に伴い、上昇する特性を有する。このため、数百℃という高温下でも安定に動作する。

特に、バイアス条件を一定としたときのドレイン電流の温度係数は殆どの場合０．３±０．１ｅＶになる。この温度係数を使用することにより、正確なＦＥＴ動作又は出力値を得ることができる。

つまり、殆どの場合においては、一定のバイアス条件におけるドレイン電流の温度係数が０．３±０．１ｅＶのトランジスタを使用することが好ましい。ドレイン電流は下記数式１により表される。

但し、ドレイン電流をＩｄ、絶対温度をＴ（Ｋ）、電界効果トランジスタ及びバイアス条件により決まる定数をａ０、ａ１、ボルツマン定数をｋＢ（１．３８×１０^−２３Ｊ／Ｋ）とする。このとき、後述する実施例の説明で明らかなように、ドレイン電流の温度係数ａ１が（０．３±０．１）×１．６０×１０^−１９Ｊ＝（０．３±０．１）ｅＶであることが好ましい。

トランジスタがオンの状態になるドレインバイアス及びゲートバイアスの条件の範囲において、温度係数が０．３±０．１ｅＶになる条件が存在すればよい。換言すれば、温度係数が０．３±０．１ｅＶになる条件が存在するときのトランジスタがオンになるバイアス条件の範囲は、トランジスタの構成（チャネル長、ゲート長、ゲート電極の材料、絶縁膜の材料及び厚さ、直列抵抗分、ダイヤモンドがｐ型かｎ型か等）によって変化するが、図１に示す実施形態に近い構成であれば、ソース接地のとき、ドレインバイアスが−１乃至−１００Ｖ、ゲートバイアスが０から−３０Ｖである。

そして、図２に示すように、このダイヤモンド電界効果トランジスタに温度調整機構を設けることにより、安定した相互コンダクタンスが得られるが、その温度制御範囲を５０℃以上にすることにより、実用的な相互コンダクタンスの下限が得られる。一方、４００℃以上になると、トランジスタの構成部材の何れか、例えば、電極、絶縁膜、界面構造などに不可逆的な変化が起こり始めて、不安定になってしまう。このため、温度測定範囲は５０乃至４００℃とすることが好ましい。但し、この温度測定範囲は、実施例に示した部材（電極、絶縁膜）の材料及び作製方法の場合であり、材料を高温に強い材料に変えることにより、４００℃を超える温度でも実用に供することができる。但し、６００℃を超えると、ダイヤモンド自体が変化してしまう可能性があり、ダイヤモンド表面が酸素に曝されていると、グラファイトに変化しやすくなり、更に、内部及び界面に欠陥及び電荷捕獲準位がが存在するとそれが変化し、永続的特性変化を引き起こす。

また、バイアス条件を一定にすることにより、定温下において第一次出力値であるドレイン電流を一定にすることができる。環境温度を速やかにダイヤモンドトランジスタに伝えるための機構（伝熱プローブ１２）により、環境温度変化に高速に追随させることができる。本発明においては、トランジスタ本体がダイヤモンドで構成されているため、ダイヤモンドは極めて良好な熱伝導体であるので、本体まで熱を導けば、高速に応答する。従って、トランジスタ本体を直接測定対象に触れさせれば、最も有効であるが、伝熱プローブを備えることにより、トランジスタ本体を直接測定対象に触れさせた場合と同等の速度で温度測定が可能になる。ドレイン電流を測定する方法としては、一般的な電流測定方法を使うことができる。これを、前述の０．３±０．１Ｖという温度係数を元に演算して温度表示に変換することにより、室温（２５℃程度）〜４００℃の領域で安定で正確な温度計を実現できる。

次に、本発明のダイヤモンド電界効果トランジスタを増幅器に使用した実施形態について説明する。パッケージ４０内に、ダイヤモンド電界効果トランジスタ１が設置されており、そのソースリード１１ａ、ゲートリード１１ｂ及びドレインリード１１ｃが外部に導出されている。また、パッケージ４０内には、発熱体４２及び温度検知部４１が設置されている。

このように構成された増幅器においては、ソースを接地に接続し、ゲートには、バイアス電圧に高周波信号を重畳した入力信号を接続し、ドレインにバイアス電圧と高周波検波回路を接続する。ゲートに入力した信号がトランジスタにより増幅されてドレイン側に出力される。増幅率又は利得は、各バイアスを一定にすると、ドレイン電流は、温度係数０．３±０．１Ｖの範囲でほぼ収まるが、予め温度ごとに測定しておけば、詳細な値を計算することができる。従って、出力信号もそれに基づいて計算すればよい。発熱体はトランジスタを加熱し、温度検知器は温度を監視し、その温度を発熱体の電流値にフィードバックすることにより一定の温度に保つことができる。そのため、安定した出力を得ることができる。また、室温で使用する場合より、高温下の方が温度係数に伴って増幅率が高く、即ち高性能になる。

本実施形態においても、ダイヤモンド電界効果トランジスタは、可逆的にバイアス条件を一定としたときのドレイン電流が上昇する特性を有するので、数百℃の高温下でも安定に増幅動作し、また信号変換動作をする。

なお、第１及び第２のダイヤモンド層の不純物濃度は、２×１０^２０〜２×１０^２２／ｃｍ^３が好ましく、第３のダイヤモンド層は、これらの第１及び第２のダイヤモンド層よりも不純物濃度が低く、１×１０^１７／ｃｍ^３以下、又はアンドープダイヤモンド層である。不純物としては、例えば、硼素が挙げられ、その他、窒素、リン、酸素、硫黄、珪素、ガリウム、ヒ素、アルミニウム等を使用することができ、これらの適宜組み合わせてドーピングしてもよい。第１及び第２のダイヤモンド層の厚さは、１０ｎｍ以上、１μｍ以下が好ましく、第３のダイヤモンド層の厚さは、５ｎｍ以上、０．２μｍ以下が好ましい。ゲート絶縁膜の厚さは、０．５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下が好ましい。

次に、本発明の実施例について説明し、本発明の効果を説明する。先ず、基板には、後述する単結晶ダイヤモンド基板、ヘテロエピタキシャル・ダイヤモンド基板のいずれかを使用したが、いずれもほぼ同じ温度係数０．３±０．１ｅＶによって、ゲート及びドレインバイアスを一定としたときのドレイン電流が変化した。

単結晶基板の場合、高圧合成Ｉｂ型基板（１００）面上に、アンドープダイヤモンドを膜厚約１μｍ成膜したものを用いた。高圧合成Ｉｂ型基板（１００）面は、予め、機械的研磨し、平坦性を平均表面粗さＲａで５ｎｍ未満とした。アンドープダイヤモンドの成膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を使用し、メタン０．５ｓｃｃｍ、酸素０．２ｓｃｃｍ、水素１００ｓｃｃｍの混合ガスを、圧力６〜８ｋＰａにし、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化し、マイクロ波パワーを調整して基板温度８００℃に約３時間保つことによって行った。

ヘテロエピタキシャル・ダイヤモンド基板の場合、次のとおりに作製したものを用いた。先ず、特開平０７−０６９７８９の実施例に記載されたバイアス印加による高配向ダイヤモンド膜の作製方法と、文献「ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＳｙｎｔｈｅｔｉｃＤｉａｍｏｎｄ（Ｅｄｓ．：Ｂ．ＤｉｓｃｈｉｅｒａｎｄＣ．Ｗｉｌｄ）ｐ．１５３−１５８に記載された方法、即ち、バイアス印加後、配向度向上のための［００１]優先成長（第１の成長）と、表面平坦化成長（第２の成長）を順に行い、表面が平坦なヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜を得る方法とに基づき、シリコン（１００）基板上にダイヤモンドの（１００）面を表面としたヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜を用意した。このとき、膜厚を３００μｍ以上とし、個々のダイヤモンド結晶粒の大きさが平均１００μｍとなるまで成長させた。これの表面を機械的研磨し、平坦性Ｒａ＜５ｎｍとした。

上述の単結晶又はヘテロエピタキシャル・ダイヤモンド基板上に、特開２００５−１７５２７８の第１の実施形態と同様にしてｐ−ｉ−ｐ型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を作製した。本実施例では、基板表面の面方位は（１００）とした。また、ＦＥＴのチャネル部分には、粒界が全く無いか、ヘテロエピタキシャル・ダイヤモンド基板の場合には電流が流れる方向に平行に３本以下になるようにレイアウト設計した。

なお、絶縁膜には原子層堆積法により５０±２０ｎｍの厚さに成膜したアルミナを用いた。その成膜条件は次のとおりである。原料ガスにはトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）と純水を用い、夫々高純度窒素ガスでバブリングして反応容器に交互に導いた。ＴＭＡと純水の供給時間は各１〜２秒、その間に５〜２０秒の窒素ガスによるパージを行い、これを３００〜７００回繰り返すことにより所望の膜厚を得た。成膜中の基板温度は３００〜４００℃、ガス圧は２〜３ｋＰａとした。

ゲート電極には、抵抗加熱蒸着法により約２００ｎｍの厚さに成膜したアルミニウムを用いた。ソース電極、ドレイン電極には、スパッタ法により約２００ｎｍの厚さに成膜した白金を使用した。

上述のようにして作製したＦＥＴの温度特性の例を示す。図５乃至図８は、２３℃、１００℃、２００℃、３００℃でのＩｄ−Ｖｄ特性を示し、ゲートバイアス電圧Ｖｇは−４から−１４Ｖまで２Ｖ刻みで変化させた。また、前述の図３は、図５乃至図８の４点の温度におけるドレインバイアス電圧Ｖｄが一定のバイアス条件におけるドレイン電流の温度変化を示す。図３は、横軸は、試料の絶対温度をＴ（Ｋ）として、１０００／Ｔを、縦軸は、ドレイン電流Ｉｄ（ｍＡ）の対数目盛りとした。前述の如く、図３のグラフ中、◆でプロットしたデータは、ドレインバイアスＶｄとゲートバイアスＶｇを夫々−４Ｖ、−１２Ｖとした場合のものであり、他方、■でプロットしたデータは、夫々−１０Ｖ、−１０Ｖとした場合のものである。その近似線をあらわす式が、下記数式２及び３で得られる。

但し、ｘ＝１０００／Ｔである。これを数式１に当てはめて、温度係数ａ_１を求めると、夫々、◆プロットの方は０．３０ｅＶ、■プロットの方は０．２３ｅＶとなった。

単結晶を用いた場合にも、温度係数は０．３±０．１ｅＶの範囲になった。

以上より、上記の手順で作製したＦＥＴは温度係数０．３±０．１ｅＶの範囲に収まることが判明した。

ところで、この温度係数は、ダイヤモンド中のホウ素アクセブ夕の活性化エネルギーである０．３７ｅＶに近い値になっており、一見、チャネル中ホウ素からキャリアが発生し、オーム性の導電率が上がったようにも見える。しかしながら、詳細に検討した結果、第１に、それよりやや低い範囲の値を中心とすること、第２に、ゲートバイアスによりＦＥＴがオンとなる状態で得られたドレイン電流であることと、ｐ‐ｉ−ｐ型ＦＥＴの原理に基づけば、オン電流はチャネル（ｉ）層にｐ^＋領域からの注入キャリアに関することから、オーミック電流ではないことにより、チャネル中又はチャネル−絶縁膜界面のキャリアトラップが熱によりトラップとして働かなくなっていると解釈することが妥当であると考える。

次に、これらのＦＥＴを電力増幅器として用いた例を示す。このＦＥＴをハーメチックシールで封止パッケージングし、裏面を金属に密着させて固定した。但し、特に冷却ファン等の特別な冷却システムは使用しなかった。ゲート電極側に入力、ドレイン電極側に負荷を接続し、夫々バイアスを印加したところ、ドレイン電流のジュール熱により急速にＦＥＴ温度が上昇したが、金属の固定具および周囲の雰囲気及び熱放射による放熱で自発的に平衡し、約１００℃で飽和した。その後、長期にわたり安定した出力が得られた。出力特性は図６と同様であった。

次に、このＦＥＴを高温対応ハーメチックシールで封止パッケージングし、裏面を金属に密着させて固定した。但し、特に、冷却ファンなど特別な冷却システムは使用しなかった。これを３００℃の環境に置き、ゲート電極側に入力、ドレイン電極側に負荷を接続し、夫々バイアスを印加したところ、長期にわたり安定した出力が得られた。出力特性は図８と同様であった。

次に、このＦＥＴを、薄膜ヒータを取り付けたアルミナ板に固定し、これらを高温対応ハーメチックシールで封止パッケージングし、裏面を金属に密着させて固定した。但し、特に冷却ファンなどの特別な冷却システムは使用しなかった。予め、ヒータへの入力と温度の関係を計測しておき、ある特定の温度になるようにヒータ入力を調整した。例えば、２００℃に保持した。ゲート電極側に入力、ドレイン電極側に負荷を接続し、夫々バイアスを印加したところ、ヒータを入れない場合より高い相互コンダクタンスが得られ、長期にわたり安定した出力が得られた。ヒータを入れない場合の出力特性は図６と同様、入れた場合は図７と同様であった。更に、より精密に安定した出力が得るためには、ヒータに加えて、抵抗温度計を搭載することによりＦＥＴ温度を常時監視できるようにし、これをヒータにフィードバックして精密に温度制御すればよい。

へテロエピダイヤモンド基板を作製後、裏面のシリコンを溶解除去し、ダイヤモンド自立基板を作製した。それ以外は上記と同様にＦＥＴを作製した。これを別の短冊形状にした多結晶ダイヤモンド板に密着固定した。これを伝熱プローブとして使う。ＦＥＴ部のみを耐熱性パッケージに封止した。ＦＥＴの各電極に電源を接続し、さらにドレイン電極側にはドレイン電流測定部２２、演算部２３、表示部２１を接続した（図２）。定電圧電源２０により一定のバイアスを印加し、伝熱プローブの先端を被測定物３０に押し当てたところ、表示部２１に被測定物３０の温度に応じた数値が表示された。なお、一例としてバイアス条件をＶｇ＝−１０Ｖ、Ｖｄ＝−１０Ｖ、演算部２３では、数式２と予め標準の温度計と比較調整したパラメータを用いた。

更に、別の実施例として、ドレイン電流値を温度値に変換して表示する代わりに、ドレイン電流を補正値として別の装置に入力することにより、温度変化の補正機能を持たせた装置を作製することができる。このとき、ドレイン電流をそのまま入力してもよいし、適宜、増幅、減衰、又は演算機構を間に設けるなどして、入力信号を加工してもよい。負荷抵抗を接続し、電流を電圧に変換して、入力してもよい。

本発明によれば、ダイヤモンド電界効果トランジスタが、室温（２５℃程度）乃至５００℃の高温において、ソース・ゲート間及びソース・ドレイン間のバイアスを一定としたときのドレイン電流が温度によって変化するので、増幅器及び温度計等の高温動作デバイスにこれを適用したときに、冷却手段等を設ける必要がなくなるため、これらの高温デバイスに好適に
適用される。

本発明の実施形態に係る高温動作ダイヤモンドトランジスタの構造を示す断面図である。本実施形態の高温動作ダイヤモンドトランジスタを使用した温度計を示す模式図である。一定のバイアス条件におけるドレイン電流の温度変化を示すグラフ図である。本実施形態の高温動作ダイヤモンドトランジスタを使用した増幅器を示す模式図である。２３℃におけるＩｄ−Ｖｄ特性を示すグラフ図である。１００℃におけるＩｄ−Ｖｄ特性を示すグラフ図である。２００℃におけるＩｄ−Ｖｄ特性を示すグラフ図である。３００℃におけるＩｄ−Ｖｄ特性を示すグラフ図である。

符号の説明

１：ダイヤモンド電界効果トランジスタ
２：基板
３ａ、３ｂ：高濃度ホウ素ドープダイヤモンド層
５：アンドープダイヤモンド層
７：ソース電極
８：ドレイン電極
１０：ゲート電極
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：リード
１２：伝熱プローブ
２０：定電圧電源
２１：温度表示部
２２：ドレイン電流測定部
２３：演算部
３０：被測定物

Claims

ダイヤモンド基板と、この基板上に局所的に形成された第１及び第２のダイヤモンド層と、前記第１及び第２のダイヤモンド層よりも不純物濃度が低く前記第１及び第２のダイヤモンド層間に設けられたチャネル領域としての第３のダイヤモンド層と、前記第１のダイヤモンド層上に形成されたソース電極と、前記第２のダイヤモンド層上に形成されたドレイン電極と、前記第３のダイヤモンド層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を有することを特徴とする高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置。
室温から６００℃までの高温環境下で使用されるものであることを特徴とする請求項１に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置。
前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンド基板又はヘテロエピタキシャルダイヤモンド基板であり、前記ゲート絶縁膜は酸化アルミニウム膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置。
ドレイン電流をＩｄ（Ａ）、絶対温度をＴ（Ｋ）、電界効果トランジスタ及びバイアス条件により決まる定数をａ０、ａ１、ボルツマン定数をｋＢ（１．３８×１０^−２３Ｊ／Ｋ）とすると、Ｉｄ＝ａ０・exp｛−ａ１／（ｋＢ・Ｔ）｝を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置。
前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置を備え、被測定物からの温度情報を前記第１乃至第３のダイヤモンド層に伝達する温度伝達材と、ソース・ゲート間及びソース・ドレイン間に夫々一定バイアス電圧を印加する定電圧電源と、ドレイン電流を測定するドレイン電流測定部と、このドレイン電流測定部により測定されたドレイン電流を温度に変換する演算部と、前記演算部により得られた温度を表示する温度表示部と、を更に具備することを特徴とする温度計。
前記温度伝達材は、前記ダイヤモンド基板であるか、又は前記ダイヤモンド基板に接触する伝熱プローブであることを特徴とする請求項５に記載の温度計。
前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置を備え、前記トランジスタの温度を調整する温度調整部と、前記トランジスタの温度を検知する温度検知モニタと、を更に具備することを特徴とする増幅器。
前記温度調整部は、前記トランジスタを５０乃至４００℃の範囲内の一定温度に保持することを特徴とする請求項７に記載の増幅器。