| Project/Area Number |
23K21082
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| Project/Area Number (Other) |
21H01826 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30010:Crystal engineering-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
上殿 明良 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20213374)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石橋 章司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, キャリアリサーチャー (30356448)
秩父 重英 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)
奥村 宏典 筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | III属窒化物半導体 / イオン注入 / 点欠陥 / 陽電子消滅 / フォトルミネッセンス / II属窒化物半導体 / 不純物活性化 / III族窒化物半導体 |
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| Outline of Research at the Start |
現在、III属窒化物半導体のイオン注入によるキャリア制御技術の確立が急がれている。GaNついては、従来から素子分離ないしはn型領域を形成するためにイオン注入は使われてきたが、p型領域をイオン注入で形成することは難しかった。本研究の目的は、III属窒化物半導体のイオン注入により導入された点欠陥の同定とその焼鈍挙動を、陽電子消滅、フォトルミネッセンス、カソードルミネッセンス法等により研究し、ドーパント活性化機構と点欠陥の関係を学術的に解明することにある。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、半導体デバイスとして使用されるIII属窒化物半導体のイオン注入により導入された点欠陥の同定とその焼鈍挙動を、点欠陥を直接検出することができる手法である陽電子消滅、また、フォトルミネッセンス、カソードルミネッセンス法、電気的特性評価等により研究する。得られた結果から、窒化物半導体の点欠陥の挙動、各種ドーパントとの相互作用を解明することが本研究の目的である。また、ドナー、アクセプターとして機能する原子だけでなく、活性化を阻害ないしは促進すると考えられている元素についてもイオン注入を行い、欠陥の回復過程にどのような影響を与えるかを調べる。
陽電子は物質中に入射すると電子と消滅しγ線が放出される。γ線のエネルギーはE=mc2で与えられ約511 keVとなるが、消滅前の電子の運動量によりドップラー効果が生じそのエネルギーが変化する。一方、陽電子は，原子核とのクーロン反発力のため，空孔型欠陥に捕獲される可能性がある。空孔中の電子運動量分布と完全結晶中の電子運動量分布は異なるため、消滅γ線のエネルギー分布を測定することにより空孔型欠陥を検出する。空孔中では電子密度が格子間位置に比較して低いことから、陽電子の消滅率は低下する。よって、陽電子の寿命を測定することでも空孔型欠陥を検出できる。陽電子消滅計算シミュレーションの結果と実験結果を比較することにより、空孔型欠陥の種類（サイズ、不純物との複合状態等）についての詳しい情報が得られる。本研究により、陽電子消滅と他の欠陥に敏感な手法を組み合わせることにより、III属窒化物半導体のイオン注入欠陥の特性を明らかにし、イオン注入によるIII族窒化物デバイスプロセスの発展に貢献したい。
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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
SiイオンをGaNに注入し,高圧力下で1480℃まで焼鈍することにより，空孔型欠陥の焼鈍特性を調べた．1000℃焼鈍により空孔型欠陥は空孔集合体を形成した．1300℃焼鈍により空孔型集合体の密度は減少するが，1480℃焼鈍後も，高濃度の空孔集合体が残存する．一方，Siの分布は1400℃焼鈍後も大きく変化せず，試料奥への拡散はほとんど生じないことがわかった．焼鈍前の主な空孔型欠陥の種類は複空孔で，1000℃焼鈍により生じる空孔クラスターは(VGaVN)3程度のサイズであった．1200℃以上の焼鈍では，サイズがより大きな空孔集合体へ変化した．一方，Mg注入試料では，焼鈍前の欠陥種はSiと同一であるが，1000-1480℃での焼鈍後も，(VGaVN)3より大きな空孔集合体は導入されない．Si及びMg注入GaNでは，1300℃以上の焼鈍により部分的に注入イオン種が活性化しているので，上記の欠陥種の違いは，試料のフェルミ準位の位置によるものである可能性がある．
Si，Ge，Sn，Mgイオンをサファイア基板上に成長させたAlNに注入した．試料を1600℃で焼鈍し，注入イオンの分布を評価した．SiとMgの拡散に比較してGeの拡散は抑制されることがわかった．Siイオン注入により導入された空孔型欠陥の焼鈍特性を評価したところ，1100℃焼鈍において，表面近傍で空孔集合体が形成されたが，1300℃の焼鈍により，空孔集合体は消失する．しかし1700℃焼鈍後においても，高濃度の空孔が残存することが明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
GaNへMgイオンを注入することにより導入された空孔型欠陥（主に空孔クラスター）を検出する．イオン注入後に，高圧力下で焼鈍することにより，空孔型欠陥の焼鈍特性を評価する．特に， 焼鈍に伴うMgの深さ分布の変化と空孔型欠陥分布，空孔型欠陥種がどのように相関するか，また，これらの結晶方位依存性を明らかにする．
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