2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on corundum-structured ultra-wide band gap oxides with p-type conductivity
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18H01870
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
金子 健太郎 京都大学, 工学研究科, 講師 (50643061)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | p型酸化物 / 超ワイドギャップ / 酸化イリジウム / コランダム / ミストCVD / 酸化ガリウム / 新規半導体 / 混晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、申請者が世界で初めて薄膜の作製に成功した新しいp型伝導を示す半導体、酸化イリジウムの未知の物性の解明と、酸化イリジウムを基にする新しいp型酸化物の混晶を作製して、これまで実現出来なかった大きなバンドギャップ(超ワイドギャップ)をもつp型酸化物を用いたバイポーラデバイスの作製を行い、SiCやGaNを凌駕する低消費電力でクリーンな電子デバイスの実現を目指し、超低消費電力社会の実現に貢献する事を目的とする。
前年度までの研究で、H30年度に本研究で購入したドラフト型の新型ミストCVD装置を導入し、さらに酸化ガリウムバッファー層を用いる事で、表面平坦性が高い酸化イリジウムの薄膜作製を達成した。しかしながら、酸化イリジウムのバンドギャップは3.0 eVと小さく、5.6 eVのバンドギャップをもつ酸化ガリウムとのpn接合を考慮した場合、バンドギャップの拡張が必須である。そこで今年度は、酸化ガリウムとの混晶であるα-(Ir,Ga)2O3の作製を行い、様々な成長条件のもとで、酸化イリジウム同様に酸化ガリウムをバッファー層に用いる事で表面平坦性が高い薄膜の作製に成功した。さらに透過率測定より光学バンドギャップがガリウム濃度の増加に伴い、高エネルギー側にシフトしている事も確認しており、バンドギャップエンジニアリングに成功した。さらに得られた薄膜はp型特性を示しており、本研究課題の基幹目標である「超ワイドギャップp型酸化物の作製」を達成した。しかしながら、高い平坦性を保ちつつ成長速度の向上を行う事は未達の課題であり、様々な前駆体溶液や有機溶媒を用いて製膜実験をくり返したが、目標達成は出来ず、今後の課題となった。実用的なデバイス開発において薄膜の高品質化と成長速度の両立は重要になるため、引き続き重点的に取り組む予定である。
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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
昨年度の平坦性が高いp型層である酸化イリジウム層の作製に続いて、上述のように、様々な成長条件下で酸化ガリウムとの混晶膜を作製する事で、表面平坦性が高い超ワイドギャップのp型酸化物であるα-(Ir,Ga)2O3の作製に成功した。また、いずれの薄膜もHall効果測定によっp型伝導を示しており、透過率測定によりバンドギャップの変調も確認している。これまでも酸化ガリウムとの混晶薄膜を試みた事があるが、いずれのサンプルも走査型電子顕微鏡による観察では膜表面に数十μmの異常粒等の構造物が確認されていた。しかしながら、今年度得られた混晶膜は、走査型電子顕微鏡観察では顕著な異常粒が確認されず、薄膜の表明平坦性は劇的に改善された。
しかしながら、上述のように、成長速度において未だ満足のいく結果が得られていない。今年度の研究において、溶媒の種類を様々に変化させ、また溶質の種類および溶解させる時の温度等を変化させて成長実験を行ったが、高い平坦性と高い成長速度を両立する結果を得る事は出来なった。これらの点から、研究計画上概ね順調ではあるが、まだ解決しなければいけない課題がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の最終年度である今年は本研究の最終目標である、n型層となる酸化ガリウム系混晶と、p型層である酸化イリジウム系混晶を用いたデバイスのオペレーションを最終目標とする。当初の目標では、酸化イリジウム系混晶による「超ワイドギャップp型半導体」のバンドギャップの目標値は5.0 eVであった。今年度の研究成果により、4..0 eV近くまでバンドギャップ値の拡張を増大出来たが、これ以上バンドギャップ値を拡張するには、ホールドーピングが必要であり、その最適なドーパント選定をバンド計算手法を併用しながら進める。さらに酸化ガリウム層も、n型層であると同時に表面平坦性が高いp型層を作製するためのバッファー層の役割を行うため、導電性を有し、かつ平坦性が高い酸化ガリウム層の作製に取り組み、良好なpn接合動作の達成を目標にして、超ワイドギャップのバイポーラデバイス実現に向けて推進する所存である。
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