Hydrogen-terminated diamond metal-insulator-semiconductor field-effect transistors are candidates for power devices that require a high breakdown field and stable, high-frequency operation. A two-dimensional hole-gas layer can form on H-terminated diamond surfaces. To understand the electrical properties of bare H-terminated diamond surfaces, we investigate the surface impurities on a H-terminated diamond surface in a vacuum-gap gate structure, which uses a H-terminated diamond channel and a vacuum gap as gate dielectrics. To obtain a bare surface without surface adsorbate, the device is annealed in a vacuum. The transconductance is increased by removing adsorbates. The mobility and interface-state density at the H-terminated diamond surface with no adsorbates are 25 cm2 V−1 s−1 and 1 × 1012 cm−2 eV−1, respectively.

1.
J.
Isberg
,
H.
Johan
,
J.
Erik
,
T.
Wikström
,
D. J.
Twitchen
,
A. J.
Whitehead
,
S. E.
Coe
, and
G. A.
Scarsbrook
,
Science
297
,
1670
(
2002
).
2.
T. R.
Anthony
,
W. F.
Banholzer
,
J. F.
Fleischer
,
L.
Wei
,
P. K.
Kuo
,
R. L.
Thomas
, and
R. W.
Pryor
,
Phys. Rev. B
42
,
1104
(
1990
).
3.
L.
Wei
,
P. K.
Kuo
,
R. L.
Thomas
,
T. R.
Anthony
, and
W. F.
Banholzer
,
Phys. Rev. Lett.
70
,
3764
(
1993
).
4.
M.
Liao
,
L.
Sang
,
T.
Shimaoka
,
M.
Imura
,
S.
Koizumi
, and
Y.
Koide
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1800832
(
2019
).
5.
H.
Umezawa
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
78
,
147
(
2018
).
6.
N.
Oi
,
M.
Inaba
,
S.
Okubo
,
I.
Tsuyuzaki
,
T.
Kageura
,
S.
Onoda
,
A.
Hiraiwa
, and
H.
Kawarada
,
Sci. Rep.
8
,
10660
(
2018
).
7.
8.
T.
Matsumoto
,
H.
Kato
,
K.
Oyama
,
T.
Makino
,
M.
Ogura
,
D.
Takeuchi
,
T.
Inokuma
,
N.
Tokuda
, and
S.
Yamasaki
,
Sci. Rep.
6
,
31585
(
2016
).
9.
H.
Kawarada
,
T.
Yamada
,
D.
Xu
,
H.
Tsuboi
,
Y.
Kitabayashi
,
D.
Matsumura
,
M.
Shibata
,
T.
Kudo
,
M.
Inaba
, and
A.
Hiraiwa
,
Sci. Rep.
7
,
42368
(
2017
).
10.
M.
Inaba
,
T.
Muta
,
M.
Kobayashi
,
T.
Saito
,
M.
Shibata
,
D.
Matsumura
,
T.
Kudo
,
A.
Hiraiwa
, and
H.
Kawarada
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
033503
(
2016
).
11.
K.
Hirama
,
H.
Takayanagi
,
S.
Yamauchi
,
J. H.
Yang
,
H.
Kawarada
, and
H.
Umezawa
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
112107
(
2008
).
12.
J. A.
Garrido
,
T.
Heimbeck
, and
M.
Stutzmann
,
Phys. Rev. B
71
,
245310
(
2005
).
13.
Y.
Li
,
J.-F.
Zhang
,
G.-P.
Liu
,
Z.-Y.
Ren
,
J.-C.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Phys. Status Solidi RRL
12
,
1700401
(
2018
).
14.
Y.
Sasama
,
K.
Komatsu
,
S.
Moriyama
,
M.
Imura
,
T.
Teraji
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
T.
Uchihashi
, and
Y.
Takahide
,
APL Mater.
6
,
111105
(
2018
).
15.
N. R.
Franklin
,
Q.
Wang
,
T. W.
Tombler
,
A.
Javey
,
M.
Shim
, and
H.
Dai
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
913
(
2002
).
16.
W.
Kim
,
A.
Javey
,
O.
Vermesh
,
Q.
Wang
,
Y.
Li
, and
H.
Dai
,
Nano Lett.
3
,
193
(
2003
).
17.
M.
Muoth
,
T.
Helbling
,
L.
Durrer
,
S.-W.
Lee
,
C.
Roman
, and
C.
Hierold
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
589
(
2010
).
18.
M.-W.
Lin
,
C.
Ling
,
Y.
Zhang
,
H. J.
Yoon
,
M. M.-C.
Cheng
,
L. A.
Agapito
,
N.
Kioussis
,
N.
Widjaja
, and
Z.
Zhou
,
Nanotechnology
22
,
265201
(
2011
).
19.
N.
Oi
,
T.
Kudo
,
M.
Inaba
,
S.
Okubo
,
S.
Onoda
,
A.
Hiraiwa
, and
H.
Kawarada
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
933
(
2019
).
20.
M.
Kajita
and
J.
Watanabe
,
J. Jpn. Soc. Precis. Eng.
46
,
292
(
1980
).
21.
A.
Hiraiwa
,
A.
Daicho
,
S.
Kurihara
,
Y.
Yokoyama
, and
H.
Kawarada
,
J. Appl. Phys.
112
,
124504
(
2012
).
22.
M. A.
Lieberman
and
A. J.
Lichtenberg
,
Principles of Plasma Discharges and Materials Processing
(
John Wiley & Sons, Inc
.,
Hoboken, NJ, USA
,
2005
).
23.
D.
Alpert
,
D. A.
Lee
,
E. M.
Lyman
, and
H. E.
Tomaschke
,
J. Vac. Sci. Technol.
1
,
35
(
1964
).
24.
D.
Takeuchi
,
H.
Kato
,
G. S.
Ri
,
T.
Yamada
,
P. R.
Vinod
,
D.
Hwang
,
C. E.
Nebel
,
H.
Okushi
, and
S.
Yamasaki
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
152103
(
2005
).
25.
R. G.
Farrer
,
Solid State Commun.
7
,
685
(
1969
).
26.
A.
Daicho
,
T.
Saito
,
S.
Kurihara
,
A.
Hiraiwa
, and
H.
Kawarada
,
J. Appl. Phys.
115
,
223711
(
2014
).
27.
H. H.
Choi
,
K.
Cho
,
C. D.
Frisbie
,
H.
Sirringhaus
, and
V.
Podzorov
,
Nat. Mater.
17
,
2
(
2018
).
28.
J.
Liu
,
H.
Ohsato
,
X.
Wang
,
M.
Liao
, and
Y.
Koide
,
Sci. Rep.
6
,
34757
(
2016
).
29.
T.
Matsumoto
,
H.
Kato
,
T.
Makino
,
M.
Ogura
,
D.
Takeuchi
,
S.
Yamasaki
,
M.
Imura
,
A.
Ueda
,
T.
Inokuma
, and
N.
Tokuda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
57
,
04FR01
(
2018
).
30.
S. J.
Sque
,
R.
Jones
, and
P. R.
Briddon
,
Phys. Rev. B
73
,
085313
(
2006
).
31.
J. L.
Liu
,
Y. T.
Zheng
,
L. Z.
Lin
,
Y.
Zhao
,
L. X.
Chen
,
J. J.
Wei
,
J. J.
Wang
,
J. C.
Guo
,
Z. H.
Feng
, and
C. M.
Li
,
J. Mater. Sci.
53
,
13030
(
2018
).
32.
M. V.
Hauf
,
B.
Grotz
,
B.
Naydenov
,
M.
Dankerl
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
M.
Stutzmann
,
F.
Reinhard
, and
J. A.
Garrido
,
Phys. Rev. B
83
,
081304
(
2011
).
33.
R.
Schirhagl
,
K.
Chang
,
M.
Loretz
, and
C. L.
Degen
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
65
,
83
(
2013
).
34.
B. A.
Myers
,
A.
Das
,
M. C.
Dartiailh
,
K.
Ohno
,
D. D.
Awschalom
, and
A. C.
Bleszynski Jayich
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
027602
(
2014
).
35.
J.
Wang
,
W.
Zhang
,
J.
Zhang
,
J.
You
,
Y.
Li
,
G.
Guo
,
F.
Feng
,
X.
Song
,
L.
Lou
,
W.
Zhu
, and
G.
Wang
,
Nanoscale
8
,
5780
(
2016
).
36.
H.
Yamano
,
S.
Kawai
,
K.
Kato
,
T.
Kageura
,
M.
Inaba
,
T.
Okada
,
I.
Higashimata
,
M.
Haruyama
,
T.
Tanii
,
K.
Yamada
,
S.
Onoda
,
W.
Kada
,
O.
Hanaizumi
,
T.
Teraji
,
J.
Isoya
, and
H.
Kawarada
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
04CK08
(
2017
).
37.
M.
Kasu
,
M.
Kubovic
,
A.
Aleksov
,
N.
Teofilov
,
Y.
Taniyasu
,
R.
Sauer
,
E.
Kohn
,
T.
Makimoto
, and
N.
Kobayashi
,
Diamond Relat. Mater.
13
,
226
(
2004
).
You do not currently have access to this content.