次世代パワーデバイス実現に向けたFeドープGaNの電子状態と格子欠陥に関する研究

Research Project

Project/Area Number	20K04563
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research Institution	Yamaguchi University
Principal Investigator	甲斐綾子山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50253167)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords	FeドープGaN / 電子スピン共鳴 / 点欠陥 / ESR / GaN / 格子欠陥 / 第一原理計算
Outline of Research at the Start	GaNは、次世代パワー半導体材料の最有力候補であるが、成長過程で混入不可避な不純物のため、高抵抗GaN層が形成できない。この解決策として、意図的にドープFeに不電子を捕獲させる方法が効果的であるが、デバイス性能への影響が問題となっている。本研究では、Feが電子捕獲中心として機能しない不活性化の要因を複合欠陥形成にあると仮説を立て、電子スピン共鳴法と第一原理計算を用いて根本原因の解明に挑戦する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究で得られた主な成果について、以下概要を述べる。（１）GaN中Fe3+濃度定量のためのESR標準試料の開発：①尿素と塩化アルミニウム6水和物の熱分解により作製したC含有AlN試料中点欠陥のESR信号は、原材料N/Al比（60～140）と熱処理温度（1000～1400℃）を変化させても等方的（S=1/2, I=0）でg=2.0030±0.0004と高い再現性を示し、信号線幅は約0.4～0.5mTであった。スピン量は、1.3～6.0E+14 [個/mg] と高い濃度を示した。以上の結果から本研究で開発したC含有AlN試料は、GaN中のFe3+濃度を定量できることが明らかとなった。GaN以外の試料についても、試料量を調整することによって1E+12～15の範囲でスピン量を定量できる標準試料として応用が可能である。（２）FeドープGaN中Fe3+の電子捕獲機能と点欠陥への影響：①上述したESR標準試料を用いてFeドープ量2.1E+20[cm-3]のGaN中のFe3+を評価したところ、約28％となった。より高精度な評価のためには、標準試料の調整を行って両者のスピン量を同等にすることが必要である。②紫外線照射実験では、照射開始直後にFe3+量は減少し照射終了後回復した。Fe3+量の減少は伝導帯に励起された電子がFe3+に捕獲されFe2+に価数変化したためと考えられる。以上の結果から、GaN中に過剰に存在しているFe3+は電子捕獲中心として機能することがわかった。③真空中熱アニールにより窒素空孔と考えられるESR信号がg=2.0025に出現した。この欠陥が存在しているFeドープGaN試料に紫外線照射を行い、電子捕獲機能への影響を調べた。紫外線照射によってg=2.0025信号欠陥自体は増加したが、Feドープ量1E+20 [cm-3]レベルではFe3+信号強度の変化は認められなかった。