| Project/Area Number |
22KK0055
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
林 侑介 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (00800484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上杉 謙次郎 三重大学, 研究基盤推進機構, 准教授 (40867305)
宮本 恭幸 東京工業大学, 工学院, 教授 (40209953)
佐々木 拓生 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 放射光科学研究センター, 主幹研究員 (90586190)
三宅 秀人 三重大学, 工学研究科, 教授 (70209881)
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| Project Period (FY) |
2022-10-07 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 窒化ガリウム / 2次元電子ガス / 2次元正孔ガス / 極性反転 / ワイドギャップ半導体 / 窒化アルミニウム / GaN / CMOS / 極性制御 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では「ヘテロ極性制御によるGaN CMOS」に取り組み、高性能・低コストなGaN CMOS開発に挑戦する。さらに、海外共同研究者と協力してGaN CMOSに集積可能な「高導電性pチャネル」を開発しCMOS性能のボトルネックを解消する。最終的にGaN CMOSとパワーデバイスを同一基板上に「モノリシック集積」することで、実用化に向けた小型化・低消費電力化・高温動作を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2次元電子ガスをnチャネルに利用した「窒化ガリウム（GaN）高電子移動度トランジスタ（GaN HEMT）」は高周波パワーデバイスとして高速無線通信のインフラ増強を牽引してきた。対照的に、2次元正孔ガスは正孔移動度が小さいためpチャネルデバイスは実用化に至っていない。本研究では、高性能・低コストな相補型金属酸化膜半導体構造（CMOS）をGaNによって開発するため、窒化アルミニウム（AlN）テンプレート上における「ヘテロ極性制御によるCMOS集積方法の開発」、「歪エンジニアリングによるpチャネル導電性の向上」に取り組む。
この課題達成のため、2023年度は、【①AlNテンプレート上でのクリーニング・結晶成長条件の検討】【②CTR散乱を利用したAlN表面酸化膜の構造解析】【③p, nチャネルへのオーミック接触形成プロセスの確立】の3点に取り組んだ。①では、コーネル大学において分子線エピタキシー装置を利用して実験を行い、スパッタAlNテンプレート上でのクリーニング・結晶成長条件を検討した。結果として、酸表面処理・Al支援表面クリーニング、Alリッチ条件下でのAlNホモエピタキシャル成長、AlGaN不純物バリア層の導入を組み合わせることで、原子レベルで平坦な成長表面を得ることに成功した。②では、放射光施設SPring-8 BL11XUの分子線エピタキシー装荷型X線回折装置（MBE-XRD）を利用して、結晶トランケーションロッド（CTR）散乱から原子レベルでの表面構造の解析、及び、表面自然酸化膜がAlNの極性に与える影響を評価した。結果として、表面クリーニングの有無で結晶成長後のCTR散乱スペクトルが変化することを明らかにした。③では、デバイス作製プロセス確立のため、p, nチャネルへのオーミック接触形成のための電極材料成膜・アニール条件の最適化を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では下記の4つのマイルストーン（MS）を設定してプロジェクト進行している。【MS1：CMOS動作、MS2：トランジスタ動作、MS3：ヘテロ極性制御によるp, nチャネル作製、MS4：極性制御メカニズムの解明】
2023年度は特にMS3に注力し、「歪エンジニアリングによるpチャネル導電性の向上」で重要となる【①AlNテンプレート上でのクリーニング・結晶成長条件の検討】を重点的に進めた。本研究では高導電性pチャネルを達成するため、結晶性の高いAlNのホモエピタキシャル成長が必要となる。しかし、分子線エピタキシーではAlN表面の自然酸化膜の除去が難しく、酸表面処理・Al支援表面クリーニングが必須となる。今回、これらのクリーニング条件の最適化を行うとともに、その後の成長条件を探索することで、原子レベルで平坦な成長表面を得ることに成功した。特に、AlGaN不純物バリア層をバッファー層として利用することで、表面不純物によるAl被膜のピニング抑制、及び、Gaマイグレーションによる表面ピットの埋め込み、が平坦表面の実現に効果的だったと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は各MSについて下記の項目にフォーカスしてプロジェクトを進展させる。
MS1：リソグラフィー・成膜・エッチングの工程検討を進め、GaN CMOS回路作製のためのプロセス技術を確立する。
MS2：MOS型電界効果トランジスタ（MOSFET）において、高キャリア密度チャネルのリーク電流抑制のため、原子層堆積装置を利用して絶縁膜堆積条件を探索する。
MS3：有機金属気相成長法（MOVPE）によるヘテロ極性制御のための技術確立、及び、チャネル構造形成に取り組む。
MS4：MBE-XRDを利用してX線CTR散乱および反射高速電子線回折（RHEED）による解析を進め、原子レベルでの極性制御機構の解明に挑戦する。
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