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Low-energy fabrication process of trench structure to Gallium Nitride utilizing Photo-Electrochemical reaction and application to vertical transistor

Research Project

Project/Area Number 20J14520
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

渡久地 政周  北海道大学, 情報科学院, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords光電気化学 / 窒化物半導体 / エッチング / 低損傷 / 光電気化学反応 / 低損傷エッチング / ダメージの定量評価
Outline of Research at the Start

本研究は、光電気化学反応を利用したエッチング技術による窒化物半導体トレンチ構造の作製に関する研究である。窒化物半導体は、優れた電気的・光学的特性を有しており、トレンチ構造を利用したトランジスタは、耐圧・省電力性において非常に優れた特性を示す。しかし、現在、デバイス作製に用いられている加工技術である「ドライエッチング」は、同構造作製の際、基板へ結晶欠陥や損傷を導入するため、デバイスの性能や信頼性を下げるといった課題を抱えている。これに対して、本研究では、高制御性・低損傷性・安価な実験系といった特徴を有する光電気化学反応に着目し、同反応を利用したトレンチ構造作製手法の確立により課題の解決を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は「光電気化学(PEC)反応を利用した窒化ガリウム(GaN)の低損傷トレンチ加工と縦型トランジスタ応用」という研究目的達成のため、昨年度に引き続き、主に以下の2点に着目して活動へ取り組んだ。
1 PECエッチングのデバイスプロセス適合性の向上
PECエッチングのデバイスプロセス適合性向上のため、基板上へ陰極を作製し、光励起により発生した電子を溶液中へ回収させる機構を作成することで、PECエッチングのコンタクトレス化(Contactless PEC: CL-PEC)を達成した。これにより、装置の大幅な簡略化が可能となった。また、これまで使用されなかったリン酸をベースとしたエッチング液を開発することで、マスクとしてポジ型のフォトレジストマスクの使用を可能とし、さらなる適合性向上を実現した。こうして開発した系は、デバイスプロセスへ直接適用できる高い適合性と低損傷かつ高制御性を含んだ高品質なエッチング特性を両立しており、研究目的の達成へ向けて前進した。
2 ヘテロ界面において発生する特異的現象を利用した高品質なエッチング技術の開発
窒化物半導体であるAlGaNとGaNのヘテロ接合基板に対して、CL-PECエッチングを行った際に発生する「自己停止現象」を利用したエッチング技術の開発を行った。その結果、AlGaN/GaNのヘテロ界面においてAlGaNの膜厚を数nmレベルで制御できるエッチング技術を開発した。この技術を用いて作製されたリセスゲート型AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMTs)は、未加工面をゲートとしたプレーナーHEMTsと比較して、閾値電圧の均一性向上(標準偏差σ=69.2 mV → 5.46 mV)をはじめとした各種電気的特性の改善が見られた。
以上の結果に関して、民間企業との共同研究を通じた特許化・製品化や、学術雑誌への掲載、国際学会での招待講演等が行われた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Fabrication of porous gallium nitride (GaN) utilizing two-step etching method and control of its optical properties2021

    • Author(s)
      SATO Taketomo、TOGUCHI Masachika
    • Journal Title

      Denki Kagaku

      Volume: 89 Issue: 4 Pages: 365-369

    • DOI

      10.5796/denkikagaku.21-FE0035

    • NAID

      130008125721

    • ISSN
      2433-3255, 2433-3263
    • Year and Date
      2021-12-05
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Self-terminating contactless photo-electrochemical (CL-PEC) etching for fabricating highly uniform recessed-gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs)2021

    • Author(s)
      Toguchi Masachika、Miwa Kazuki、Horikiri Fumimasa、Fukuhara Noboru、Narita Yoshinobu、Ichikawa Osamu、Isono Ryota、Tanaka Takeshi、Sato Taketomo
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 130 Issue: 2 Pages: 024501-024501

    • DOI

      10.1063/5.0051045

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fabrication of GaN nanowires containing n<sup>+</sup>-doped top layer by wet processes using electrodeless photo-assisted electrochemical etching and alkaline solution treatment2021

    • Author(s)
      Shimauchi Michihito、Miwa Kazuki、Toguchi Masachika、Sato Taketomo、Motohisa Junichi
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Issue: 11 Pages: 111003-111003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac2d45

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Depth profiling of surface damage in n-type GaN induced by inductively coupled plasma reactive ion etching using photo-electrochemical techniques2020

    • Author(s)
      Yamada Shinji、Takeda Kentaro、Toguchi Masachika、Sakurai Hideki、Nakamura Toshiyuki、Suda Jun、Kachi Tetsu、Sato Taketomo
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 13 Issue: 10 Pages: 106505-106505

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abb787

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Fabrication of Recessed-Gate AlGaN/GaN HEMTs by Low-Damage Contactless Photo-Electrochemical (CL-PEC) Etching2022

    • Author(s)
      Masachika Toguchi, Kazuki Miwa, Fumimasa Horikiri, Noboru Fukuhara, Yoshinobu Narita, Osamu Ichikawa, Ryota Isono, Takeshi Tanaka, and Taketomo Sato
    • Organizer
      ISPlasma2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 低損傷コンタクトレス光電気化学エッチング を利用したリセスゲート AlGaN/GaN HEMTs の作製2021

    • Author(s)
      渡久地 政周、三輪 和希、堀切 文正、福原 昇、成田 好伸、市川 磨、磯野 僚多、田中 丈士、佐藤 威友
    • Organizer
      2021年度電子デバイス研究会(ED研)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] コンタクトレスエッチング光電気化学エッチングによるリセスゲート AlGaN/GaN HEMT の作製 (2)2021

    • Author(s)
      渡久地 政周, 三輪 和希, 堀切 文正, 福原 昇, 成田 好伸, 吉田 丈洋, 佐藤 威友
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 光電気化学エッチング法を用いたAlGaInN/AlGaN リセスゲート HFET の作製2021

    • Author(s)
      伊藤 滉朔, 小松 祐斗, 渡久地 政周, 井上 暁喜, 三好 実人, 佐藤 威友
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] n+GaN 基板上 n-GaN 層の光電気化学 (PEC) エッチング時のカソード電極2021

    • Author(s)
      福原 昇, 堀切 文正, 渡久地 政周, 三輪 和希, 大神 洸貴, 佐藤 威友
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Precise control in threshold voltge of AlGaN/GaN HEMTs utilizing a photoelectrochemical (PEC) etching2021

    • Author(s)
      T.Sato, M.Toguchi, K.Itoh, T.Hashizume
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of Recessed-Gate AlGaN/GaN HEMTs Utilizing Contactless Photo-Electrochemical Etching2020

    • Author(s)
      M.Toguchi, K.Miwa, F.Horikiri, N.Fukuhara, Y.Narita, O.Ichikawa, R.Isono, T.Tanaka, T.Sato
    • Organizer
      2020 Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid State Science (PRiME 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photo-Electrochemical Etching and Porosification of Ⅲ-Nitride Semiconductors2020

    • Author(s)
      T.Sato, M.Toguchi
    • Organizer
      2020 Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid State Science (PRiME 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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