Large-scale conductivity modulation control in gallium nitride using freestanding substrates with ultra-low resistivity and low dislocation density

• Project/Area Number: 21K14210
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Usami Shigeyoshi 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (30897947)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: GaN / 伝導度変調 / pn接合ダイオード / パワーデバイス / OVPE法 / GaNパワーデバイス / pnダイオード / 窒化物半導体 / ダイオード

Outline of Research at the Start

次世代パワー半導体材料として期待されるGaNは高耐圧・高周波動作可能であるが、大電流駆動に課題がある。大電流駆動時は発熱が問題となるため、半導体自体の抵抗を低くする必要があるが、GaNでは物性限界を超えて抵抗が低下する「伝導度変調」という現象が無視できるほど小さいという欠点があった。近年、現所属の大阪大学森研究室において超低抵抗かつ低転位密度なGaN自立基板を用いることで大規模伝導度変調の発現を示唆する結果が得られたため、本申請研究ではより低抵抗かつ低転位密度なGaN自立基板を開発することで、GaNにおける伝導度変調を完全制御し、極低損失・高速スイッチングパワーダイオードを実証する。

Outline of Final Research Achievements

We fabricated a PN junction diode on a high carrier concentration GaN substrate grown by oxide vapor phase epitaxy (OVPE) and investigated the effect of the substrate carrier concentration on the conductivity modulation in GaN. When we performed an evaluation after eliminating the effect of self-heating by pulse IV measurement, we found that the increase in the substrate carrier concentration promoted the conductivity modulation and reduced the resistance of the drift layer to about half that of devices on normal GaN substrates.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は高キャリア濃度基板を用いれば直接遷移半導体であるGaNにおいても伝導度変調によるオン抵抗の低減効果を増大させられること，適用耐圧範囲を拡張できることを示した．直接遷移半導体においても伝導度変調を積極的に利用可能な高耐圧デバイスが作製可能となれば，従来トレードオフとなっていた導通損失とスイッチング損失の両方を低減可能な高効率スイッチング素子を実現できる．当該技術は省エネルギー社会実現に貢献できる．

Research Products

• [Presentation] Origin of reverse leakage current in vertical pn junction diode on OVPE-GaN substrate (2024)
  • Author(s): Shigeyoshi Usami, Junichi Takino, Masayuki Imanishi, Tomoaki Sumi, Hirotaka Watanabe, Shugo Nitta,
  • Organizer: LEDIA 2024
• [Presentation] ドリフト層の異なるGaN pnダイオードを用いた伝導度変調の解析 (2023)
  • Author(s): 宇佐美茂佳，太田博，渡邉浩崇，今西正幸，新田州吾，本田善央，森勇介, 三島友義，天野浩
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] OVPE法を用いたGaNのエピタキシャル成長とパワーデバイス応用 (2023)
  • Author(s): 宇佐美茂佳，東山律子, 滝野淳一, 太田博, 渡邉浩崇, 今西正幸, 隅智亮, 岡山芳央, 三島友義, 新田州吾, 本田善央, 吉村政志, 秦雅彦, 伊勢村雅士, 天野浩, 森勇介
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] OVPE基板上pnダイオードにおける伝導度変調の解析 (2022)
  • Author(s): 宇佐美茂佳, 太田博, 滝野淳一, 渡邉浩崇, 隅智亮, 今西正幸, 新田州吾, 本田善央, 森勇介, 三島友義, 岡山芳央, 天野浩
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] OVPE法で育成したGaNのグロースピット径制御 (2022)
  • Author(s): 宇佐美茂佳, 香川美幸, 今西正幸, 滝野淳一, 隅智亮, 岡山芳央, 秦雅彦, 伊勢村雅士, 森勇介
  • Organizer: 第51回結晶成長国内会議
• [Presentation] 低転位自立基板を用いたOVPE-GaN結晶の転位低減 (2022)
  • Author(s): 相原 正実, 宇佐美 茂佳, 今西 正幸, 丸山 美帆子, 吉村 政志, 秦 雅彦, 伊勢村 雅士, 森 勇介
  • Organizer: 第41回 Electronic Materials Symposium(EMS-41)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] OVPE-GaN基板上MOVPE成長におけるピット低減と表面平坦性の改善 (2021)
  • Author(s): 宇佐美茂佳、今西正幸、滝野淳一、隅智亮、岡山芳央、丸山美帆子、吉村政志、秦雅彦、伊勢村雅士、森勇介
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会