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ダイヤモンドエレクトロニクスの最前線

  • Frontier of Diamond for Electronics Applications
※こちらの書籍は,電子書籍(eBook)として販売をしております。
・価格5,200円(税抜)
丸善販売サイト「Knowledge Worker」にてPDF版販売中!
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★ “究極の半導体”と呼ばれるダイヤモンド。そのエレクトロニクス応用分野における最新技術を網羅!
★ 各種ダイヤモンドの合成方法、主要な特性と要素技術、そしてヒートシンクからMEMSにいたる応用について、国内第一線の研究者が分担執筆!

商品コード: T0640

  • 監修: 藤森直治・鹿田真一
  • 発行日: 2008年9月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、323ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0049-8

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  • ダイヤモンド / 半導体 / ヒートシンク / SAW

刊行にあたって

 ダイヤモンドは、熱伝導率、弾性定数、透光性、耐熱性、耐化学薬品性、耐放射線性、絶縁性、絶縁破壊など物質中で最高もしくは準最高値を有する材料であり、またバンドギャップ5.5eVの半導体としての特性も有し、表面の電子親和力を正から負まで広くとることが可能であり、高濃度ドープすると超伝導にもなるなど、極めて特異な材料である。“超物質”と言っても過言ではない。これらの優れた性能のデバイス開発の可能性を秘めたエレクトロニクス用材料として以前から注目され、研究されてきた。ただ合成も加工も困難な材料だけに、トライボロジー応用でも多大な時間をかけて実用化が進められる中、さらに制御パラメータの多いエレクトロニクス用途は、遅々としている印象もある。
 エレクトロニクス分野でこれまでに実用化されたものは、ヒートシンク、弾性表面波デバイスである。ヒートシンクは半導体レーザーのサブマウントとして席捲したものの、レーザーが大パワー化してキャビティ長が大きくなると線膨張係数がInPと合わず、使用されなくなった。現在これを打破すべく新しい試みがなされている。弾性表面波デバイスは、ダイヤモンドが機能デバイスとして用いられた初めての例である。水晶を大きく上回る特性で、光通信や無線通信のインフラ系幹線などに実用化された他、超高性能発振器などで、新たな展開を見せつつある。
 その後、2005年度に終了したNEDOの「ダイヤモンド極限機能プロジェクト」を中心として、電子放出特性や発光特性などの研究が進められ、電子源等への応用も間近に迫っている。Bドープp型ダイヤモンドを利用した応用では、電気化学用の電極材料として実用化が始まっていて、幅広い応用展開が期待されている。またエネルギー問題を反映した、かつて検討された原子力発電技術周辺のセンサー、SiCを越す可能性のあるパワーデバイス、究極の省エネ技術であるMEMS応用など、量子コンピュータを目指した材料開発、バイオ技術への重点投資に対応した応用模索など、大きなうねりも起こっている。
 本書では、この分野の一線で活躍されている方々に筆を取って頂き、現状の進展を3編にまとめた。「第I編 ダイヤモンドの材料技術」では、単結晶からナノダイヤまで網羅した。「第II編 ダイヤモンドのエレクトロニクス特性及び関連要素技術」では基本となる特性や技術の解説を行った。そして最後に「第III編 ダイヤモンドのエレクトロニクス応用技術」で数々の応用の現状と展望についてまとめた。
 上記のように、エネルギー・環境問題に大きく役に立ちそうな応用が期待できる中で、ダイヤモンドは原料が炭素であるという、資源問題のない材料であることで、非資源国日本として今後大きな進展が期待される分野である。
 本書が、応用進展へのトリガーとなれば幸いである。

(「はじめに」より)

2008年9月  藤森直治 鹿田真一

著者一覧

藤森直治   (独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究センター センター長
鹿田真一   (独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究センター 副センター長
角谷均   住友電気工業(株) エレクトロニクス・材料研究所 主幹
茶谷原昭義   (独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究センター 単結晶基板開発チーム長
今井貴浩   住友電気工業(株) エレクトロニクス・材料研究所 主幹
津川和夫   (独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター ナノ物質コーティングチーム
石原正統   (独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター ナノ物質コーティングチーム 主任研究員
金載浩   (独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター ナノ物質コーティングチーム 研究員
長谷川雅考   (独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター ナノ物質コーティングチーム チーム長
古賀義紀   (独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター 招聘研究員
大澤映二   (株)ナノ炭素研究所 取締役社長;豊橋技術科学大学名誉教授
渡邊幸志   (独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究センター
寺地徳之   (独)物質・材料研究機構 センサ材料センター 光学センシング材料グループ 主任研究員
加藤宙光   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 高温量子エレクトロニクスグループ 研究員
小泉聡   (独)物質・材料研究機構 センサ材料センター 主幹研究員
河野省三   東北大学 多元物質科学研究所 教授
神田久生   (財)つくば科学万博記念財団 運営業務部 部長
西林良樹   住友電気工業(株) エレクトロニクス・材料研究所 主幹 部門スペシャリスト
高野義彦   (独)物質・材料研究機構 ナノフロンティア材料グループ グループリーダー
山田貴壽   (独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究センター 研究員
小出康夫   (独)物質・材料研究機構(NIMS) センサ材料センター 光学センシング材料グループリーダー
;NIMSナノテクノロジー拠点 ナノ融合支援センター ナノ集積ライン統括マネージャー
中村挙子   (独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 主任研究員
金子純一   北海道大学 大学院工学研究科 准教授
栄長泰明   慶應義塾大学 理工学部 化学科 准教授
梅沢仁   (独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究センター 研究員
嘉数誠   日本電信電話(株) NTT物性科学基礎研究所 薄膜材料研究グループ グループリーダー 主幹研究員
川原田洋   早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科 ナノ理工学専攻 教授
酒井忠司   (株)東芝 研究開発センター 電子デバイスラボラトリー 研究主幹
柴田隆行   豊橋技術科学大学 生産システム工学系 教授

目次

【第I編 ダイヤモンドの材料技術】

第1章 単結晶ダイヤモンドの高圧合成
1. はじめに
2. 温度差法
3. 高純度化技術
4. 結晶性向上技術
5. 大型高品質単結晶の育成技術
6. おわりに

第2章 単結晶ダイヤモンドの気相合成
1. はじめに
2. 気相法の発展
3. CVD法の分類・比較
4. ダイヤモンド気相成長
5. 成長速度
6. 異常成長粒子発生の抑制
6.1 αパラメータ制御
6.2 オフ基板上のステップフロー
6.3 窒素添加効果
7. マイクロ波CVD法によるダイヤモンド単結晶の合成例
7.1 プラズマ分光
7.2 成長速度
7.3 成長表面形態
7.4 大型化
8. ウェハ化
9. おわりに

第3章 多結晶ダイヤモンドの合成
1. はじめに
2. プラズマ活性化法
2.1 マイクロ波プラズマ法
2.2 高周波(RF)プラズマ法
2.3 直流(DC)プラズマ法
2.4 アークプラズマジェット法
3. 熱活性化法
4. 燃焼炎活性化法
5. レーザ活性化法

第4章 ナノ結晶ダイヤモンド薄膜
1. はじめに
2. CVDによるナノ結晶ダイヤモンド薄膜の合成手法
3. ナノ結晶ダイヤモンド薄膜の合成手法
3.1 原料ガスレシピ(高炭素源濃度)
3.2 合成温度(低温)
3.3 基材表面の前処理(ナノ結晶ダイヤモンド粒子による種付け)
4. 表面波プラズマCVDによる大面積ガラス基板の透明ナノ結晶ダイヤモンド薄膜コーティング
5. まとめ―ナノ結晶ダイヤモンド薄膜のエレクトロニクス応用への期待

第5章 一桁ナノダイヤモンド粒子とホモエピタキシャル膜
1. 背景
1.1 はじめに
1.2 開発途上
2. 一桁ナノダイヤモンド粒子の製造
2.1 爆轟と凝結
2.2 一次粒子への解砕と精製
3. ホモエピタキシャル膜
3.1 理想的結晶成長核か?
3.2 新しいコーティング方法
4. 展望
4.1 加工対応性
4.2 健康リスク
4.3 生産について
4.4 解砕について
4.5 用途


【第II編 ダイヤモンドのエレクトロニクス特性及び関連要素技術】

第6章 半導体特性
1. ダイヤモンドの結晶構造
2. ワイドバンドギャップ半導体としてのダイヤモンド
3. ダイヤモンド半導体の特徴的性質
4. おわりに

第7章 p型ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜の半導体特性
1. はじめに
2. ホモエピタキシャル薄膜成長
3. p型電気伝導性
4. 光学特性
5. ショットキーダイオード
6. まとめ

第8章 n型ドーピングと半導体特性
1. はじめに
2. n型伝導制御への挑戦
3. リンドープn型ダイヤモンド薄膜の気相成長
4. リンドープダイヤモンドの電子物性
5. リンドープダイヤモンド薄膜の電気特性
6. pn接合素子への展開

第9章 表面電子エネルギー状態
1. はじめに
2. ダイヤモンド表面電子エネルギー状態についての2000年前後の研究
3. 高濃度リンドープ・ダイヤモンドの表面電子エネルギー状態と電界放射メカニズム
3.1 高濃度リンドープ・ダイヤモンドの表面エネルギー状態
3.2 高濃度リンドープ・ダイヤモンドからの電界放射メカニズム
4. リンドープn型ダイヤモンドの表面電子エネルギー状態
5. 表面欠陥準位
6. 表面電気伝導層の表面電子エネルギー状態

第10章 光学特性
1. はじめに
2. 純粋なダイヤモンド
3. 不純物の影響
3.1 窒素不純物
3.2 ホウ素不純物
3.3 ニッケル、コバルト不純物
3.4 その他不純物(水素、リン、シリコン)
4. 照射の影響
5. 塑性変形の影響
6. ラマン散乱
7. おわりに

第11章 熱物性
1. はじめに
2. 単結晶ダイヤモンドの熱伝導率
3. 多結晶ダイヤモンドの熱伝導率
4. ダイヤモンドの熱膨張率

第12章 超伝導
1. はじめに
2. ダイヤモンドへのキャリア注入
3. ダイヤモンドの絶縁体-金属-超伝導転移
4. 高圧合成ダイヤモンド
5. CVD法によるダイヤモンド合成
6. ホモエピタキシャル薄膜の合成と評価
7. 超伝導転移温度のホウ素濃度依存性
8. 有効キャリア濃度
9. ダイヤモンドの超伝導特性
10. まとめ 

第13章 プロセス技術
1. はじめに
2. ドライエッチング技術
2.1 プラズマエッチング
2.1.1 エッチングレイト
2.2 エッチング面の平坦性の改善
2.3 加工体側壁の垂直性の改善
2.4 2段階プラズマによる平坦性と垂直性の改善
2.5 プラズマエッチングによる損傷と表面汚染
2.6 プラズマエッチング技術により作製されたデバイス例
2.6.1 チップアレーの例
2.6.2 レンズの例
2.7 イオンビームエッチング
2.7.1 平行イオンビーム
2.7.2 集束イオンビーム
3. 選択成膜
4. 絶縁膜形成
4.1 p型ダイヤモンド上の絶縁膜
4.2 水素終端p型表面伝導層上の絶縁膜
5. まとめ

第14章 オーミックコンタクト
1. はじめに
2. 金属/半導体界面の電気伝導機構
3. コンタクト抵抗率の測定原理と方法
4. オーミックコンタクトの理想的な界面構造と作製法
5. p型ダイヤモンドのオーミックコンタクト
6. n型ダイヤモンドのオーミックコンタクト
6.1 実験手順
6.2 電極材料とダイヤモンド結晶の影響
6.3 イオン打ち込みによるオーミックコンタクト形成
6.4 ドナー不純物の選択ドーピングによるオーミックコンタクト形成
7. まとめ

第15章 表面修飾
1. はじめに
2. 終端元素による分類
2.1 水素終端
2.2 酸素終端
2.3 ハロゲン終端
2.4 窒素終端
2.5 硫黄終端
3. 有機分子修飾
3.1 有機化学反応
3.2 ラジカル反応
3.3 電気化学反応
3.4 光化学修飾
3.5 金属粒子固定
4. まとめ


【第III編 ダイヤモンドのエレクトロニクス応用技術】

第16章 ヒートスプレッダ/ヒートシンク
1. はじめに
2. 放熱に関する簡易的な理解
3. ダイヤモンド単体のヒートシンク
4. ダイヤモンド複合材料のヒートスプレッダ
5. コーティングダイヤモンド膜のヒートスプレッダ

第17章 表面弾性波デバイス
1. はじめに
2. SAW用ダイヤモンドウェハ
3. デバイス構造と特性
4. 実用化されたSAWデバイス
4.1 光通信、無線通信用フィルタ
4.2 発振器
5. ダイヤモンド系材料を用いた新たな取り組み

第18章 X線・光学窓、光学部品
1. はじめに
2. ダイヤモンドの種類と光学特性
3. 光透過応用
3.1 赤外分光測定用窓
3.2 高出力CO2レーザ窓材
3.3 光学レンズ
3.4 超高圧装置用アンビル
4. X線、電磁波透過型応用
4.1 高出力マイクロ波、ミリ波用窓
4.2 SR用分光結晶
4.3 X線関連の応用
4.3.1 XMA用透過窓
5. その他の応用
6. おわりに

第19章 放射線検出器
1. はじめに
1.1 放射線計測からみたダイヤモンド
1.2 ダイヤモンドによる放射線の計測
1.3 14MeV中性子エネルギースペクトロメータとしてのダイヤモンド放射線検出器
2. 高圧高温合成IIa型ダイヤモンド単結晶のキャラクタリゼーション
2.1 窒素・ホウ素不純物および構造欠陥
2.2 中性子放射化法による金属不純物測定
3. 放射線検出器としての基本特性評価
3.1 各種人工ダイヤモンドの放射線検出器としての動作
3.2 IIa型ダイヤモンド結晶中における電荷キャリア輸送特性
3.3 ホウ素ドープダイヤモンド電極による分極現象抑制の試み
3.4 光照射下による捕獲準位の推定
4. 検出器性能の現状把握
4.1 14MeV中性子応答関数測定
4.2 高温動作特性
4.3 耐放射線性
5. 性能改善の試み
5.1 高圧高温合成超高純度IIa型単結晶ダイヤモンド
5.2 CVD単結晶ダイヤモンド
5.3 積層型CVD単結晶ダイヤモンド
6. まとめ

第20章 電気化学電極材料としての展開
1. はじめに
2. ダイヤモンド電極の合成
3. ダイヤモンド電極の電極としての特徴
4. 多結晶ダイヤモンド薄膜電極を用いた応用例
4.1 残留塩素
4.2 シュウ酸
4.3 タンパク質(がんマーカーを含む)
4.4 亜鉛(Zn)
5. 高機能を目指した新しいダイヤモンド電極を用いた応用例
5.1 イオン注入ダイヤモンド電極
5.1.1 イリジウムイオン注入ダイヤモンド電極におけるヒ素の検出
5.1.2 銅イオン注入ダイヤモンド電極におけるグルコースの選択的検出
5.2 金属複合ダイヤモンド電極(ヒ素(3価、5価)の選択的検出)
5.3 ダイヤモンドマイクロ電極(ドーパミンのin vivo検出)
6. おわりに

第21章 光センサへの技術展望
1. はじめに
2. 紫外線センシングの原理
3. ダイヤモンド光センサのデバイス構造
4. これまでに報告されているダイヤモンド紫外線センサの性能
5. ダイヤモンド紫外光センサの応用分野

第22章 パワー半導体デバイスへの技術展望
1. はじめに
2. パワーエレクトロニクス産業を取り巻く社会情勢
2.1 地球温暖化問題と省エネルギー対策
2.2 エネルギー源の多様化と電力自由化
3. ワイドギャップ半導体技術開発とダイヤモンド素子の性能指標
4. ダイヤモンドパワーデバイス開発
4.1 ダイオード
4.2 トランジスタ
5. 高温環境下での電極信頼性評価
6. 海外でのダイヤモンドパワーデバイス研究プロジェクト状況
7. 今後の課題と展開

第23章 高周波デバイスへの技術展望
1. なぜダイヤモンド高周波デバイスか
2. 水素終端ダイヤモンドFET作製方法
3. 水素終端ダイヤモンドFET直流特性
4. 水素終端ダイヤモンドFET高周波小信号特性
5. 水素終端ダイヤモンドFET高周波雑音特性
6. 水素終端ダイヤモンドFET高周波動作解析
7. 水素終端ダイヤモンドFET高周波大信号特性
8. イオン注入によるドーピング
9. まとめ

第24章 ダイヤモンドを用いたDNAおよび1塩基ミスマッチ検出
1. はじめに
2. ダイヤモンド表面の特徴と化学修飾
3. ダイヤモンド上の生体分子固定化
4. ダイヤモンド電界効果トランジスタ(FET)によるDNAおよびSNPsの検出
4.1 SGFETによるDNA検出のメカニズム
4.2 SGFETとISFETの比較
4.3 SGFETによるDNA塩基ミスマッチの検出
4.4 まとめ

第25章 電子放出デバイスへの技術展望
1. 電子放出材料としてのダイヤモンドの可能性と課題
1.1 ダイヤモンドの電子放出材料としての可能性
1.2 ダイヤモンドの電子放出材料としての課題
2. ダイヤモンド電子放出デバイスの研究動向
2.1 熱電子源とその応用開発動向
2.2 電界放出電子源とその応用開発動向
2.3 二次電子放出電子源とその応用開発動向

第26章 MEMSへの技術展望
1. はじめに
2. ダイヤモンド膜のマイクロマシニング
2.1 微細パターニング
2.1.1 選択成長
2.1.2 ドライエッチング
2.1.3 表面マイクロマシニング
2.2 3次元マイクロ構造体の形成
2.2.1 モールド法
2.2.2 接合技術
3. ダイヤモンドMEMSデバイスの開発動向
3.1 熱センサ
3.1.1 温度センサ(サーミスタ)
3.1.2 フローセンサ
3.2 機械量センサ
3.2.1 圧力センサ
3.2.2 加速度センサ
3.3 走査型プローブ顕微鏡
3.4 高周波MEMS(RF MEMS)
3.4.1 マイクロスイッチ
3.4.2 MEMS共振器
3.5 バイオMEMS
3.5.1 化学分析チップ
3.5.2 熱式インクジェットヘッド
4. ダイヤモンドMEMSの技術課題
5. おわりに
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