pn接合を有するGaN系パワー半導体の電流リーク機構に関する研究

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18J12845
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 宇佐美 茂佳 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Keywords: 窒化ガリウム / pnダイオード / 貫通転位 / リーク電流 / エミッション顕微鏡 / エッチピット法 / STEM分析 / 三次元アトムプローブ

Outline of Annual Research Achievements

GaNのパワー半導体デバイス応用に際して貫通転位の影響調査が必須である。本研究は転位に関してほぼ調査されていないpnダイオードに着目し、高電界印加時にリーク電流を発生させる貫通転位の特定と、特定の転位をリーク源とする要因に関して調査を行った。前年度までにエミッション顕微鏡、エッチピット法、STEM観察を組み合わせることでリークを引き起こす貫通転位種を螺旋転位と特定したが、その後の成長条件依存性の調査からナノパイプもリーク源となることが明らかとなった。しかしながら、全ての螺旋転位、ナノパイプがリークを発生するわけではなく、リークしない螺旋転位、ナノパイプが存在することが同時に示された。何がリークを決定させる要因なのかが分かれば、転位でのリークを根本から解消することも可能と考えられる。
本研究では、まず転位と転位周りの不純物に着目し3次元アトムプローブ（3DAP）にて調査を行った。エッチピット法では転位種を反映してその形状が変化するため、転位種を形状で分類できる。現時点で螺旋転位と判定されているエッチピット形状のうち、リークに寄与するものと寄与しないものの２つを選定し、n型ドリフト層内における転位周りの不純物を3DAPにて分析した。リークへの寄与に関わらずMgが転位に沿って上部のp層から拡散している様子が観察された。それ以外の不純物（O、C）は検出下限以下であった。ゆえに、リークと転位周りの不純物に相関はなく、リークを決定する要因が不純物でないことが示された。本成果はp層からのMg拡散とリークとの関係を否定するものであり、pn接合を有するデバイスに有用な知見と言える。不純物以外に転位をリーク源とする要因としては、転位の持つバーガースベクトル、転位のコア構造、転位周りの点欠陥または転位の伝搬角度の差等が候補として考えられ、ナノパイプ含め引き続き調査が必要である。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Correlation between nanopipes formed from screw dislocations during homoepitaxial growth by metal-organic vapor-phase epitaxy and reverse leakage current in vertical p-n diodes on a free-standing GaN substrates (2019)
  • Author(s): S. Usami, A. Tanaka, H. Fukushima, Y. Ando, M. Deki, S. Nitta, Y. Honda, and H. Amano
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between dislocations and leakage current of p-n diodes on a free-standing GaN substrate (2018)
  • Author(s): S. Usami, Y. Ando, A. Tanaka, K. Nagamatsu, M. Deki, M. Kushimoto, S. Nitta, Y. Honda, H. Amano, Y. Sugawara, Y. Yao, and Y. Ishikawa
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Pages: 182106-1
  • DOI: 10.1063/1.5024704
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GaN自立基板上pnダイオードの逆方向リーク電流と貫通螺旋転位周りに存在するMgとの関係 (2019)
  • Author(s): 宇佐美 茂佳, 田中 敦之, 間山 憲仁, 戸田 一也, 菅原 義弘, 姚 永昭, 石川 由加里, 安藤 悠人, 出来 真斗, 新田 州吾, 本田 善央, 天野 浩
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] GaN自立基板上pnダイオードの逆方向リーク電流とナノパイプ壁面に存在する不純物との関係 (2019)
  • Author(s): 宇佐美 茂佳, 田中 敦之, 福島 颯太, 安藤 悠人, 出来 真斗, 新田 州吾, 本田 善央, 天野 浩
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 深堀メサ型GaN縦型pnダイオード絶縁破壊電界の貫通転位密度依存性 (2019)
  • Author(s): 宇佐美 茂佳, 田中 敦之, 福島 颯太, 安藤 悠人, 出来 真斗, 新田 州吾, 本田 善央, 天野 浩
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Investigation of the origin of the leakage of pn diodes on a freestanding GaN substrate using 3DAP and LACBED methods (2018)
  • Author(s): S. Usami, Y. Sugawara, Y. Yao, Y. Ishikawa, N. Mayama, K. Toda, Y. Ando, A. Tanaka, K. Nagamatsu, M. Deki, M. Kushimoto, S. Nitta, Y. Honda, and H. Amano
  • Organizer: Compound Semiconductor Week 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dependency of the reverse leakage current on the MOVPE growth pressure of vertical pn diodes on a GaN free-standing substrate (2018)
  • Author(s): S. Usami, A. Tanaka, H. Fukushima, Y. Ando, M. Deki, M. Kushimoto, S. Nitta, Y. Honda, and H. Amano
  • Organizer: Internatinal Symposium on Growth of III-Nitrides ISGN-7
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GaN 自立基板上pn ダイオード逆方向リーク電流の成長条件依存性II (2018)
  • Author(s): 宇佐美 茂佳, 福島 颯太, 安藤 悠人, 田中 敦之, 久志本 真希, 出来 真斗, 新田 州吾, 本田 善央, 天野 浩
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Screw dislocations and nanopipe generation in a MOVPE-grown homoepitaxial layer on freestanding GaN substrates and the electrical influence on vertical p－n diodes (2018)
  • Author(s): S. Usami, A. Tanaka, H. Fukushima, Y. Ando, M. Deki, M. Kushimoto, S. Nitta, Y. Honda, and H. Amano
  • Organizer: Internatinal Workshop on Nitride Semiconductors 2018
  • Int'l Joint Research