High speed growth of pn junction by HVPE for fabrication of SJ diod

Research Project

Project/Area Number	22K18808
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	本田善央名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (60362274)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中敦之名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任准教授 (30774286) 新田州吾名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任准教授 (80774679)
Project Period (FY)	2022-06-30 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000) Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords	GaN / HVPE / SJ / パワーデバイス / 高速エピタキシャル成長 / SJ構造 / Mgの偏析 / Mgのメモリー効果 / SJダイオード / pn接合
Outline of Research at the Start	これまで実現していないGaNを用いたSJダイオードの作製を目指す。我々は、高速成長可能なHVPE法におけるp型伝導の実現に成功したことから、pn接合の厚膜化を可能とした。本手法を利用して、SJ構造のpn接合周期構造の成長を試みる。p型不純物に用いるMgの成長中での拡散による深さ方向への不純物濃度の不均一の抑制、厚膜化に伴う表面モフォロジーの悪化およびデバイスプロセスの確立を図る。SJダイオードを作製し特性を得ることを目的とし、そのための基礎的な成長～プロセス技術を構築する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、窒化物半導体を用いたスーパージャンクション作製に向けたHVPE法を用いたpn周期構造とプロセス開発を目的としている。HVPEによるpn接合においては急峻性が極めて重要である。そこで、p層を作製するためのMgを含んだ原料を供給するノズルと、n層を作製するためのSiを含んだ原料を供給するノズルを2つ備えたHVPE結晶成長装置を利用した。Siに関しては炉内のメモリが少なく、極めて急峻な切り替えが可能である。一方でMgに関しては、メモリが高く完全にMgの混入を排除することは難しい。そのため、本研究においては急峻性を上げるために、成長基板をそれぞれの原料吹き出し口に交互に移動する手法を用いた。また、ガスはフローチャネルなどで制限せず、開放系の成長炉とすることで、コンタミの影響をより小さくするように設計している。結果として、急峻性の高い界面を得ることが出来たが、いくつか問題がある。1つは解放系のガスフローにしたために、面内の不均一が大きくなったことである。もう1つは急峻性を改善するために、2つのラインを常に供給すると、10^17cm-3程度のMgがn型層成長時にもエピ膜に取り込まれることが明らかとなった。成長中の2ラインの同時供給を止めると、Mgの濃度が安定しないことも明らかとなった。これは、Mgを供給する場合に、Mgが配管内に付着するため、ガスとして供給が遅れるためである。このことから、同時供給は必須であり、Mgのn型層成長中の混入を避けるためのガスフローの制御が重要であるという結論に達した。治具を作製し、ガスフローを制御することで、面内均一性と急峻性を改善することが可能であった。n型層成長中のMg濃度はSIMS検収限界以下であり10^15cm-3以下を実現することが可能であった。npn接合により急峻性を確認し、pn周期構造の作製における基礎的技術の開発に成功した。