Development of precise ion implantation into nitride semiconductor and its application to integrated cirucit

• Project Area: Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity
• Project/Area Number: 17H05333
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 関口 寛人 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00580599)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2018: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 集積回路 / GaN / MOSFET / トランジスタ / イオン注入 / 窒化物半導体 / 窒化ガリウム

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，過酷環境下(高温環境／放射線環境)において特性劣化の極めて小さな窒化物半導体(GaN)のみによって構成される集積回路の実現を目的とした。窒化物半導体(GaN)は耐環境性に優れた材料であり，高温環境下や放射線環境などの過酷環境下においても高い信頼性，長寿命なエレクトロニクスデバイスへの応用が期待できる。
GaN材料のみを用いた集積回路の実現のためにはしきい値の異なるMOSトランジスタの作製技術が求められる。その実現にはイオン注入技術の開発が鍵となり，2017年度はイオン注入技術に着目して研究を取り組んだが，2018年度はこの技術を基礎にして、GaN基板上の隣接領域に閾値電圧の異なるエンハンスメント型およびディプレッション型MOSトランジスタの作製を試みて，これらを電気的に外部接続することで最小構成のインバータ動作の観測に取り組んだ。
昨年度の取り組みでは高濃度のp-GaNテンプレートにMOSトランジスタを作製したため，いずれのタイプのトランジスタもトランジスタ動作が観測されたが，エンハンスメント型トランジスタでのドレイン電流はnA/mmオーダーと極めて低い値となっていた。今回はこの問題を解決するために、低濃度のp-GaN基板を用意し，昨年度と同様にしてMOSトランジスタを作製した。いずれのタイプのMOSトランジスタもp-GaNテンプレートで作製したときと比較して大きいmA/mmオーダーの高いドレイン電流が観測された。また同一チップ上に作製したエンハンスメント型およびディプレッション型MOSトランジスタを外部接続でつなげたところインバータ動作が観測され，GaNのみで構成される集積回路への基盤技術が構築されたことを示唆する結果が得られた。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] 窒化物半導体集積回路プロセスの検討-Siイオン注入による閾値制御の試み- (2019)
  • Author(s): 岡田浩、横山太一、三輪清允、山根啓輔、若原昭浩、関口寛人
  • Organizer: 電子情報通信学会 5月研究会
• [Presentation] GaN-based inverter by monolithic integration of threshold controlled MOSFETs (2019)
  • Author(s): H. Sekiguchi, K. Miwa, K. Yamane, A. Wakahara, and H. Okada
  • Organizer: Compound Semiconductor Week 2019
• [Presentation] GaN-based E-MOSFET and D-MOSFET towards an integrated circuit (2018)
  • Author(s): 三輪清允，横山太一，関口寛人，山根啓輔，若原昭浩，岡田浩
  • Organizer: 第37回電子材料シンポジウム
• [Presentation] GaN へのチャネリングイオン注入の開発と GaN-IC 作製に向けた GaN MOSFET の作製 (2018)
  • Author(s): 関口寛人，岡田浩，三輪清允，横山太一，山根啓輔，若原昭浩
  • Organizer: 第36回電子材料シンポジウム
• [Presentation] イオン注入法による窒化物半導体の電気的特性の制御と集積回路への応用の検討(2) (2018)
  • Author(s): 横山太一，三輪清允，岡田浩，関口寛人，山根啓輔，若原昭浩
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Fabrication of GaN-based Depletion Type n-channel MOSFET Using Si Ion-implantation Technique Towards Integrated Circuit (2017)
  • Author(s): H. Okada, H. Sekiguchi, K. Yamane, A. Wakahara
  • Organizer: 12th Topical Wirkshop on Heterostructure Microelectronics
  • Int'l Joint Research