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Departure from conductivity control with impurity doping in widegap semiconductors

Research Project

Project/Area Number 23H05460
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section D
Research InstitutionMeijo University

Principal Investigator

竹内 哲也  名城大学, 理工学部, 教授 (10583817)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上山 智  名城大学, 理工学部, 教授 (10340291)
田中 崇之  名城大学, 理工学部, 准教授 (10367120)
今井 大地  名城大学, 理工学部, 准教授 (20739057)
岩谷 素顕  名城大学, 理工学部, 教授 (40367735)
亀井 利浩  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (90356824)
秩父 重英  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)
Project Period (FY) 2023-04-12 – 2028-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥205,400,000 (Direct Cost: ¥158,000,000、Indirect Cost: ¥47,400,000)
Fiscal Year 2025: ¥22,360,000 (Direct Cost: ¥17,200,000、Indirect Cost: ¥5,160,000)
Fiscal Year 2024: ¥74,880,000 (Direct Cost: ¥57,600,000、Indirect Cost: ¥17,280,000)
Fiscal Year 2023: ¥61,100,000 (Direct Cost: ¥47,000,000、Indirect Cost: ¥14,100,000)
Keywords分極ドーピング / トンネル接合 / 光デバイス / 面発光レーザー / ワイドギャップ半導体
Outline of Research at the Start

4 eV以上のワイドギャップ窒化物半導体には、コロナウイルス不活化用深紫外LEDなど、
省エネルギーかつ安心・安全な社会活動に必要な様々なデバイス実現の期待が寄せられる。しかし、誘電体・絶縁体的性質が顕著になり、もはや従来の「不純物ドーピング」による電気伝導制御が不可能である。本研究では、不純物のイオン化エネルギーに依存しない「分極ドーピング」と「トンネル接合」による新規伝導制御手法を体系化する。これら二つの新規手法を統合して、様々な次世代ワイドギャップ光デバイスを実証し、ワイドギャップ半導体における電気伝導制御の新たなスタンダードを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

高濃度Mg添加Al0.35Ga0.65Nコンタクト層を用いた分極ドープ組成傾斜AlGaN(AlNモル分率0.9->0.35、Mg濃度5e18cm-3)によるホール素子にて、電極部以外のコンタクト層除去により、理論値の約3割(1.8e18 cm-3)の正孔濃度を再現性よく実証できた。一方、同じ成長条件・構造で分極ドープ組成傾斜AlGaNをMg添加なしで作製すると、高抵抗化し、正孔存在は実証できなかった。その後、いくつかの異なる条件でMgを添加しない分極ドープ組成傾斜AlGaNを作製したところ、理論値の2割の正孔濃度(1.0e18 cm-3)が実証でき始めた。AlN基板・テンプレート上の分極ドープだけでAlGaNにおいて正孔生成を観測した例は我々が知る限り、初めてである。
我々が確立した低抵抗GaNトンネル接合ではギャップ内光吸収が多く存在することがPDS法測定により明らかになった。特に、高濃度Mg添加層や高濃度Si添加層単体では光吸収は多くなく、高濃度Mg添加層と高濃度Si添加層の連続形成による、MgとSiのオーバーラップが多い領域で光吸収が多い状況である。これは、トンネル接合の低抵抗化と一致する方向であり、中間準位が多く形成されることでトンネル接合が低抵抗化することを示唆する初めての結果である。
発光デバイス実証として、深紫外LEDに分極ドーピングを適用、現状、Mgを添加した組成傾斜AlGaNでは比較的高効率(ウエハ上測定で1.5%)で発光するLEDが作製できた。また、GaN紫色面発光レーザーにおいて、分極ドーピングやトンネル接合を用いる前段階で、世界で初めて効率20%以上を実証した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

以下の成果により、順調に進展していると判断した。
・AlGaNコンタクト層の適切な利用により再現性よく正孔存在が測定できるようになった
・Mg添加なし分極ドープのみで18乗台を超える正孔存在を実証
・低抵抗トンネル接合内にはギャップ内光吸収、すなわち中間準位が多いことを観測
・上記を適用するGaN紫色面発光レーザーにて世界最高電力変換効率を実現

Strategy for Future Research Activity

さらなる成長条件の最適化により、Mg添加無し分極ドーピングのみで、できるだけ理論値に近い正孔濃度の実証を進める。分極ドーピングの効果が薄れる条件も探索し、逆符号分極電荷の抑制に繋がる可能性も視野に入れる。また、正孔実証の再現性に寄与した、高濃度Mg添加Al0.35Ga0.65Nコンタクト層に関して、正孔注入が可能にも関わらず、ホール電圧は負(n型と判断)であった。不純物バンド伝導ではホール散乱因子がもはや1ではなく負になる、すなわち正孔伝導であってもホール電圧が負になる場合があるという報告もある(ただしほとんどは200K以下の低温での測定)。Mg添加ではあるが、この理解が不十分な結果を正しく解釈できるようにし、さらなるワイドギャップ半導体の正孔伝導制御の可能性に繋げる。
ギャップ内光吸収の定量化を試み、その値とトンネル接合の抵抗との相関を明らかにする。その結果に基づいて、トンネル接合の低抵抗化に繋がる成長条件の方向性を見出す。
上記、Mg添加なし分極ドープ組成傾斜AlGaN層を深紫外LEDに適用し、Mg添加を極力抑えて光吸収を抑えた深紫外LEDを実証する。また、高効率GaN紫色面発光レーザーに、分極ドーピングやトンネル接合を用いて、さらなる効率改善を試みる。

Report

(3 results)
  • 2023 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] In Situ Center Wavelength Control of AlInN/GaN Distributed Bragg Reflectors with In Situ Reflectivity Spectra Measurements2024

    • Author(s)
      Kobayashi Kenta、Nishikawa Taichi、Watanabe Ruka、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Iwaya Motoaki、Kamei Toshihiro
    • Journal Title

      physica status solidi (b)

      Volume: online Issue: 11 Pages: 2400010-2400010

    • DOI

      10.1002/pssb.202400010

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  • [Journal Article] Over 20% wall plug efficiency of on-wafer GaN-based vertical-cavity surface-emitting laser2024

    • Author(s)
      Watanabe Ruka、Kobayashi Kenta、Yanagawa Mitsuki、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Iwaya Motoaki、Kamei Toshihiro
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 124 Issue: 13 Pages: 131107-131107

    • DOI

      10.1063/5.0200294

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      T. Takeuchi, S. Kamiyama, and M. Iwaya
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      Taichi Nishikawa, Kana Shibata, Tsuyoshi Nagasawa, Kenta Kobayashi, Ruka Watanabe, Mitsuki Yanagawa, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya
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      Taichi Nishikawa, Kenta Kobayashi, Ruka Watanabe, Mitsuki Yanagawa, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya
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      T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya
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      市川颯人, 宇田陽,野田幸樹, 今井大地, 竹内哲也, 宮嶋孝夫
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      Kouki Noda, Yuto Murakami, Hayata Toyoda, Kana Shibata, Daichi Imai, Makoto Miyoshi, Tetsuya Takeuchi, and Takao Miyajima
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      14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
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      渡邊 琉加、小林 憲汰、柳川 光樹、竹内 哲也、上山 智、岩谷 素顕
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      電子情報通信学会 レーザー・量子エレクトロニクス研究会(LQE)
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  • [Presentation] AlGaN量子井戸形成時における成長中断の影響2023

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      岡龍乃介, 可知朋晃, 高畑勇太, 石黒永孝, 竹内哲也, 上山智, 岩谷素顕, 奥野浩司, 齋藤義樹
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  • [Presentation] サファイア基板上AlNテンプレートに対するAlN中間層膜厚の影響2023

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      可知朋晃, 高畑勇太, 岡龍乃介, 石黒永孝, 竹内哲也, 上山智, 岩谷素顕, 齋藤義樹, 奥野浩司
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      第84回 応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] Mg添加Al0.35Ga0.65Nコンタクト/組成傾斜AlGaN構造の電気的特性2023

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      高畑勇太, 可知朋晃, 藤田真帆, 浜島直紀, 岡龍乃介, 石黒永孝, 竹内哲也, 上山智, 岩谷素顕, 齋藤義樹, 奥野浩司
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      第84回 応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] Effects of AlN Interlayer Thickness on AlN Templates with Sapphire Substrates2023

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      Tomoaki Kachi, Hayata Takahata, Ryunosuke Oka, Hisanori Ishiguro, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, Yoshiki Saito, Koji Okuno
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      14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
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  • [Presentation] Electrical properties of Mg-doped Al0.35Ga0.65N contact/graded AlGaN layer2023

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      H. Takahata, T. Kachi, M. Fujita, N. Hamashima, R. Oka, H. Ishiguro, T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya, Y. Saito, K. Okuno
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      14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
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  • [Presentation] GaN基板上高InNモル分率GaInN量子井戸におけるトレンチ欠陥形成の抑制2023

    • Author(s)
      中野 元貴、野津 浩太朗、渡邊琉加、柳川 光樹、竹内 哲也、上山 智、岩谷 素顕
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      第15回 ナノ構造エピタキシャル成長講演会
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    • Author(s)
      野津浩太朗、中野元貴、渡邊琉加、柳川光樹、竹内哲也、上山智、岩谷素顕、野中健太朗、倉岡義孝、吉野隆史
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      臼井広大、東莉大、竹内哲也、岩谷素顕、上山智
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      宇田陽、小林憲汰、可知朋晃、竹内哲也、上山智、岩谷素顕、田中崇之
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  • [Presentation] 水素クリーニングを用いた高品質AlInN下地層2023

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      Kenta Kobayashi, Ruka Watanabe, Tsuyoshi Nagasawa, Kana Shibata, Taichi Nishikawa, Tetsuya Takeuchi, Motoaki Iwaya, Satoshi Kamiyama
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  • [Presentation] その場反射率スペクトル測定を用いたAlInN/GaN DBRの高精度膜厚制御2023

    • Author(s)
      小林 憲汰、渡邊 琉加、西川 大智、竹内 哲也、岩谷 素顕、上山 智
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  • [Presentation] GaInN下地層とその場共振器長制御を有する高効率GaN系VCSELのエピタキシャル成長2023

    • Author(s)
      西川 大智、小林 憲汰、渡邊 琉加、柳川 光樹、竹内 哲也、上山 智、岩谷 素顕
    • Organizer
      第71回 応用物理学会 春季学術講演会
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  • [Remarks] <プレスリリース>窒化ガリウム面発光レーザーにて20%を超える電力変換効率を初めて実証

    • URL

      https://sangaku.meijo-u.ac.jp/pickup/pickup-20545/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 緑色発光素子の製造方法2024

    • Inventor(s)
      竹内哲也、上山智、岩谷素顕、野津浩太朗、中野元貴
    • Industrial Property Rights Holder
      学校法人 名城大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2024-007922
    • Filing Date
      2024
    • Related Report
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URL: 

Published: 2023-04-13   Modified: 2025-06-20  

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