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非平衡プラズマ結晶成長技術による超高耐圧窒化アルミニウム系半導体電子素子の創製

Research Project

Project/Area Number 23K26557
Project/Area Number (Other) 23H01864 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 30010:Crystal engineering-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

上野 耕平  東京大学, 生産技術研究所, 助教 (90741223)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Keywords窒化アルミニウム / スパッタリング / パワーデバイス / 結晶成長 / トランジスタ / ダイオード
Outline of Research at the Start

本研究では、申請者らが独自に開発してきた非平衡プラズマ結晶成長プロセスを用いて窒化アルミニウム(AlN)系半導体から構成される超高耐圧・高出力エレクトロニクスの創製を狙う。具体的には、パルススパッタ堆積(PSD)法を用いて高濃度縮退n型AlGaN層を電子注入層、AlN/AlGaNマルチチャネル層を電子伝導層とする新規デバイス構造を開発し、低オン抵抗・超高耐圧を両立するAlN系半導体のユニポーラーリミットの性能をもつパワーエレクトロニクスの実現を行う。

Outline of Annual Research Achievements

AlN系半導体のようなバンドギャップの大きな材料ではドーピングによる伝導性制御が難しく、素子の低オン抵抗化が課題となる。本研究では、①AlN/AlGaN多層構造に形成するマルチチャネル2次元電子ガス(2DEG)電子伝導層と②高濃度縮退n型AlGaN低抵抗電子注入層開発の2つのアプロ―チからオン抵抗の低減を図る。これをもとに横型ショットキーバリアダイオードやTri gate構造をもつトランジスタのような超高耐圧・低オン抵抗素子の動作実証を目指す。
初年度ではパルススパッタ堆積(PSD)法を用いてAlN/AlGaNマルチチャネル構造の結晶成長実験に注力し、低抵抗かつ高耐圧の電子伝導層の開発を実施した。1次元デバイスシミュレーションを用いたマルチチャネル構造の最適化を行い、結晶成長実験の指針を得た。結晶成長実験には、コンピュータ制御されたパルススパッタ原料供給を用いて原子層レベルで膜厚制御された多層構造を作製可能なシステムを構築し、安定に再現性良く結晶成長実験を実施できる環境を整えた。
これらをもとにAlN/AlGaNマルチチャネル構造を作製し、2次元電子ガス(2DEG)特性を評価した。チャネル数を1から8層まで増加すると、シート電子濃度がチャネル数に比例して増加し、シート抵抗の改善が可能であることを実証した。またAlN/AlGaNマルチチャネル構造の構造特性を評価したところ、マルチチャネル構造は下地AlN基板に面内格子定数を揃えたまま積層されており、貫通転位の導入やクラックの発生を抑制した高品位の結晶成長が実現していることが分かった。
本結果はAlN系窒化物半導体を用いた超高耐圧・低オン抵抗エレクトロニクス構築に必要な要素技術の一つであり、次年度以降につながる成果を得たと考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度は計画していた結晶成長実験を良好な結果をもって実施できたと考えており、研究は概ね順調に進展していると判断した。特に、AlN/AlGaNマルチチャネル構造の多層化によりシート抵抗の低減が可能であるという本研究の基本コンセプトの一つを実証できたことは、次年度以降の低オン抵抗・超高耐圧エレクトロニクスの開発につながる重要な成果と考えている。さらに、これらの結晶成長実験と並行して、フォトリソグラフィやICPドライエッチング等のデバイスプロセスの基礎工程についても条件出しを進め、マルチチャネル構造特有のプロセス上の課題についても事前検討を行った。以上の結果をもとに、次年度以降はマルチチャネル構造デバイスの動作実証に向けてスムーズに実験に着手できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

初年度に開発したAlN/AlGaNマルチチャネル結晶成長プロセスの更なる精緻化に取り組み、8層以上の多層チャネルの開発によるシート電子濃度の増大、また積層構造の最適化による電子移動度の向上を目指す。
またAlN/AlGaNマルチチャネル構造を用いた横型ショットキーバリアダイオードやTri-gate構造をもつトランジスタの開発実施する。作製したマルチチャネルデバイスのオン抵抗や絶縁破壊特性を評価し、本素子構造の優位性を実証する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (23 results)

All 2024 2023

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Temperature‐Dependent Characteristics of AlN/Al0.5Ga0.5N High Electron Mobility Transistors with Highly Degenerate n‐Type GaN Regrown Ohmic Contacts2024

    • Author(s)
      Maeda Ryota、Ueno Kohei、Kobayashi Atsushi、Fujioka Hiroshi
    • Journal Title

      physica status solidi (a)

      Volume: ー Issue: 21

    • DOI

      10.1002/pssa.202300848

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Pulsed sputtering selective epitaxial formation of highly degenerate n-type GaN ohmic contacts for GaN HEMT applications2024

    • Author(s)
      Maeda Ryota、Ueno Kohei、Fujioka Hiroshi
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 17 Issue: 1 Pages: 011006-011006

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad16ae

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hole Conduction Mechanism in In-Mg-Codoped GaN Prepared via Pulsed Sputtering Deposition2024

    • Author(s)
      Aiko Naito, Kohei Ueno, Atsushi Kobayashi, Hiroshi Fujioka
    • Journal Title

      physica status solidi (a)

      Volume: ー Issue: 9

    • DOI

      10.1002/pssa.202300806

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Structural characterization of epitaxial ScAlN films grown on GaN by low-temperature sputtering2023

    • Author(s)
      Atsushi Kobayashi, Yoshio Honda, Takuya Maeda, Tomoya Okuda, Kohei Ueno, Hiroshi Fujioka
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 17 Issue: 1 Pages: 011002-011002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad120b

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mid-infrared thermal radiation resonating with longitudinal-optical like phonon from n++-doped GaN semi-insulating GaN grating structure2023

    • Author(s)
      Lin Bojin、Aye Hnin Lai Lai、Ueno Kohei、Fujioka Hiroshi、Miyake Hideto、Ishitani Yoshihiro
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 57 Issue: 3 Pages: 035102-035102

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ad015e

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Preparation of degenerate n-type AlxGa1-xN (0<x<0.81) with record low resistivity by pulsed sputtering deposition2023

    • Author(s)
      Nishikawa Yuto、Ueno Kohei、Kobayashi Atsushi、Fujioka Hiroshi
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 122 Issue: 23 Pages: 232102-232102

    • DOI

      10.1063/5.0144418

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      2023 Annual Research Report
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  • [Presentation] Characteristics of group III-nitride films prepared by pulsed sputtering2024

    • Author(s)
      Hiroshi Fujioka, Kohei Ueno
    • Organizer
      SPIE OPTO
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  • [Presentation] Longitudinal optical (LO) and LO-like phonon resonant mid-infrared radiation emission and absorption by surface micro-structures on III-nitrides2024

    • Author(s)
      Yoshihiro Ishitani, Bojin Lin, Hnin Lai Lai Aye, Daiki Yoshikawa, Hideto Miyake, Kohei Ueno, Hiroshi Fujioka
    • Organizer
      SPIE OPTO
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] スパッタ法によるAl-rich AlGaNマルチチャネルダイオードの作製2024

    • Author(s)
      小坂 鷹生, 前田 亮太, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] [第45回論文奨励賞受賞記念講演] スパッタ法により作製した縮退GaN再成長コンタクトを有するAlN/AlGaN HEMT2024

    • Author(s)
      前田 亮太, 上野 耕平, 小林 篤, 藤岡 洋
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ法によるAl共添加高濃度n型GaN薄膜の作製と評価2024

    • Author(s)
      千葉 優太, 内藤 愛子, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] スパッタ法による高Al組成AlGaNへの高濃度Geドーピング2024

    • Author(s)
      内藤 愛子, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] パルススパッタ堆積法によるグラフェン/4H-SiC基板上の窒化物薄膜成長2024

    • Author(s)
      全 民宰, 上野 耕平, 潘 テン, 竹本 圭佑, 江森 健太, 藤岡 洋
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ法により形成したn型縮退GaNトンネル接合コンタクトLEDの低電圧動作2023

    • Author(s)
      Hwang Jeongeui, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ法によるGe添加AlGaN薄膜の成長と評価2023

    • Author(s)
      内藤 愛子, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ法を用いて作製した高濃度Ge添加n型GaN薄膜の光学特性評価2023

    • Author(s)
      内藤 愛子, 上野 耕平, 藤岡 洋
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      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] AlN/AlGaNマルチチャネル構造ショットキーバリアダイオード2023

    • Author(s)
      小坂 鷹生, 前田 亮太, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ法により作製したAlN/Al0.6Ga0.4N/AlN HEMTの耐圧特性評価2023

    • Author(s)
      前田 亮太, 小坂 鷹生, 上野 耕平, 藤岡 洋
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of AlN/AlGaN/AlN multi-channel structures with sputtering-regrown highly degenerate n+-GaN ohmic contacts2023

    • Author(s)
      Takao Kozaka, Ryota Maeda, Kohei Ueno, Hiroshi Fujioka
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Growth and characterization of highly Si-doped AlxGa1-xN (0 < x ≦ 0.81) films prepared via pulsed sputtering deposition2023

    • Author(s)
      Kohei Ueno, Yuto Nishikawa, Atsushi Kobayashi, Hiroshi Fujioka
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Selectively regrown heavily Si-doped degenerate GaN contact to AlN/AlGaN HEMTs prepared via pulsed sputtering2023

    • Author(s)
      Ryota Maeda, Takao Kozaka, Kohei Ueno, Atsushi Kobayashi, Hiroshi Fujioka
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Preparation of heavily Ge-doped GaN and AlGaN by pulsed sputtering2023

    • Author(s)
      Aiko Naito, Kohei Ueno, Hiroshi Fujioka
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural Properties of Epitaxial ScAlN Films Grown by Sputtering: Experimental and Machine Learning Approaches2023

    • Author(s)
      Atsushi Kobayashi, Yoshio Honda, Takuya Maeda, Kohei Ueno, Hiroshi Fujioka
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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