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次世代パワー半導体β-Ga2O3の固有欠陥準位の全容解明

Research Project

Project/Area Number 22K04206
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionChubu University

Principal Investigator

中野 由崇  中部大学, 工学部, 教授 (60394722)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords酸化ガリウム / イオン照射 / 欠陥準位 / 酸素空孔 / ガリウム空孔 / 光容量過渡分光計測 / フォトルミネッセンス計測 / 真空中アニール / 次世代パワー半導体 / 固有欠陥準位 / フォトルミネッセンス
Outline of Research at the Start

酸化ガリウム(β-Ga2O3)は次世代パワー半導体として期待されているが、優れた物性値を反映したデバイス特性の実現には電気的に活性な欠陥の理解とそれらを極力低減した結晶の高品質化が必要不可欠となる。本研究では、研究代表者が保有している光容量過渡分光(SSPC)計測をより大きなバンドギャップを有するβ-Ga2O3に適用・深化させ、高温度真空中アニールや電子線照射等により強制導入される電気的な欠陥種を系統的に調べ、as-grown状態での電気的欠陥を全容解明すると同時に、デバイス特性に悪影響を及ぼすキラー欠陥準位を特定し、β-Ga2O3結晶の高品質化のための結晶成長指針を抽出する。

Outline of Annual Research Achievements

酸化ガリウム(β-Ga2O3)はポストSiC,GaNの次世代パワー半導体として期待されているが、優れた物性値を反映したデバイス特性の実現にはGa空孔,O空孔等に関連した電気的に活性な固有欠陥準位の挙動理解から高品質なβ-Ga2O3単結晶基板を開発する必要がある。本研究の2023年度は、H,Heを高エネルギーイオン照射したunintentionally-doped n型β-Ga2O3(001)ホモエピタキシャル基板を光容量過渡分光(SSPC)計測とフォトルミネッセンスの温度依存性(VT-PL)計測し、イオン照射により導入されるas-implanted状態での固有欠陥準位の生成挙動を検討した。
VT-PL計測から、未照射状態と比較してイオン照射したas-implanted状態では低温域のO空孔関連の発光(~2.3eV)や高温域のO空孔関連の自己束縛励起子による発光(~3.3eV)のPL強度が増加することから、イオン照射によりO空孔欠陥が増加することが分かった。また、HとHeのイオン種による明確な差異はほとんどなかった。一方、SSPC計測から、as-implanted状態では伝導帯下2.2eV, 2.8eV, 3.9eV付近に伝導帯へ電子放出する欠陥準位が大きく濃度増加することが分かった。また、Heイオン照射の方がこれらの欠陥準位濃度は明らかに高くなる傾向を示した。これらの欠陥準位はGa空孔関連であると推定される。更に、Heイオン照射の場合のみ、伝導帯下4.3eV付近に伝導帯へ電子放出する欠陥準位が新たに生成されることが分かった。Hイオン照射の場合、空孔型欠陥の内部でHがダングリングボンドを終端して電気的に不活性化していると考えられることから、この特異な欠陥準位(Ec-4.3eV)はGa空孔欠陥が拡散・クラスター化する際に一時的に現れる準安定的な欠陥準位であると思われる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度は、H,Heを高エネルギーイオン照射によりβ-Ga2O3(001)ホモエピタキシャル基板に導入される欠陥準位のas-implanted状態でのエネルギー状態密度分布を定量的に評価し、幾つかの有益な実験結果を得ることができた。しかしながら、導入された欠陥準位のポストアニール挙動に関する実験は継続的に行っている最中であり、学会発表・論文発表には至っていない。

Strategy for Future Research Activity

H, Heの高エネルギーイオン照射によりβ-Ga2O3(001)ホモエピタキシャル基板に導入されるO空孔・Ga空孔関連の欠陥準位についてポストアニール挙動を系統的に詳細に評価し、実験データを整理した上で、固有欠陥準位の生成・アニール挙動を検討し学会発表・論文発表していく予定である。また、同様に欠陥準位のクラスター化が発生しにくい電子線照射実験を行い、電子線照射により導入される欠陥準位についても定量的な評価・検討を進める予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Evaluation of defect density in bulk gallium nitrides by photothermal deflection spectroscopy and steady-state photocapacitance methods2024

    • Author(s)
      Sumiya Masatomo、Fujikura Hajime、Nakano Yoshitaka、Yashiro Shuhei、Koide Yasuo、Honda Tohru
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: 635 Pages: 127701-127701

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2024.127701

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Plasma-assisted annealing of Pt-doped rutile TiO2 nanoparticles for enhanced decomposition and bacterial inactivation under general lighting2024

    • Author(s)
      Kawakami Retsuo、Makino Yuta、Yanagiya Shin-ichiro、Shirai Akihiro、Niibe Masahito、Nakano Yoshitaka
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology B

      Volume: 42 Issue: 1 Pages: 012203-012203

    • DOI

      10.1116/6.0003101

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光容量分光法によるワイドギャップ半導体の欠陥準位評価2024

    • Author(s)
      中野 由崇
    • Organizer
      応用物理学会 結晶工学分科会 第28回結晶工学セミナー「ワイドギャップ半導体の先端・実践評価技術」
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] m面GaN薄膜の表面処理による化学結合状態とCV特性変化2024

    • Author(s)
      角谷 正友、津田 康孝、隅田 真人、中野 由崇、吉越 章隆
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Photocatalytic Activity Enhancement of Titanium Dioxide Nanoparticles via High-Pressure Annealing with Polyethylene Glycol2023

    • Author(s)
      Takumi Matsumoto, Shin-ichiro Yanagiya, Masahito Niibe, Yoshitaka Nakano, Retsuo Kawakami
    • Organizer
      International Symposium of Dry Process 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Real-time observation of oxidation process on GaN surfaces by x-ray photoelectron spectroscopy2023

    • Author(s)
      Masatomo Sumiya, Yasutaka Tsuda, Masato Sumita, Yoshitaka Nakano, Akitaka Yoshigoe
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光熱偏向分光法によるGaNバルク評価2022

    • Author(s)
      角谷正友, 中野由崇, 小出康夫, 本田徹
    • Organizer
      第41回電子材料シンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Atmospheric-Pressure Low-Temperature O2 Plasma-Assisted Annealing on Visible-Light-Induced Photocatalytic Activity of Pt-doped Rutile TiO2 Nanoparticles2022

    • Author(s)
      Yuta Makino, Retsuo Kawakami, Shin-ichiro Yanagiya, Masahito Niibe, Yoshitaka Nakano and Takashi Mukai
    • Organizer
      The 43rd International Symposium on Dry Process (DPS2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Polyethylene Glycol Doping Effects on Photocatalytic Activity of Anatase/Rutile-Mixed Phase TiO2 Nanoparticles2022

    • Author(s)
      Takumi Matsumoto, Retsuo Kawakami, Shin-ichiro Yanagiya, Masahito Niibe, Yoshitaka Nakano and Takashi Mukai
    • Organizer
      The 43rd International Symposium on Dry Process (DPS2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 中野研究室(物性デバイス)

    • URL

      https://www3.chubu.ac.jp/faculty/nakano_yoshitaka/#header

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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