2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of laser-irradiated acceptor activation technology of GaN super junction power devices for high-efficiency power systems
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18K18866
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
岩田 直高 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40708939)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | GaN / Mgアクセプタ / Siドナー / ArFエキシマレーザー / スーパー接合 / パワーデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ArFエキシマレーザー短パルス光をMgドープGaNに照射して結晶性を評価しながらアクセプタを活性化することができる新しく開発した手法を、半導体プロセス技術として確立するとともに、MgとSiを一緒にドープ（共ドープ）したGaN層に対してp型領域を形成したい場所へこの技術を適用することにより、良好な結晶性のp型層とn型層を縦に並べたスーパー接合構造を実現することである。
有機金属化学気層成長法によるMgドープGaN層のアクセプタは、水素で不活性化されることが知られており、これの活性化には熱処理が必要であるが、活性化率が数%程度と低いうえに再現性に乏しく、さらにMgが結晶表面へ偏析するなど問題がある。我々は、ArFエキシマレーザーを用いたGaN中のMgアクセプタの活性化に初めて成功した。レーザー照射による不純物の活性化は極めて短時間での処理であるため、アクセプタの拡散を防ぐとともに非熱平衡的な処理が施せる。加えて、微細なマスクを設けたMgドープGaNウエハに対してレーザー照射を行うことにより、局所的なアクセプタの活性化にも成功した。
初年度は、開発したレーザー照射による活性化技術の再現性や信頼性をより高める検討を主に行った。具体的には、照射したレーザー光エネルギーと結晶の損傷およびアクセプタ活性化の相関を調べた。その結果、高濃度にMgドープしたGaNウエハに対して、熱処理と同等の活性化を得た。加えて、より高い正孔移動度を示したことと、イエロールミネッセンスと呼ばれる欠陥に起因した発光も弱いことから、良好な結晶性が得られたと結論する。続いて、SiとMgの共ドープしたGaNウエハの評価を行った。各々のドーピング濃度が適切で無かったことから、当初目論んだ伝導型の制御（成長後はn型でレーザー照射後はp型）までは至らなかったが、共ドープウエハの設計に重要なデータを得た。
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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
研究実績の概要で示したように、初年度は、新しく開発したレーザー照射による活性化技術の再現性と信頼性をより高める検討、およびSiとMgを共ドープしたGaNウエハの予備検討を行った。
まず、有機金属化学気層成長法によるMgドープGaN層に対して、照射するレーザー光エネルギーと結晶の損傷およびアクセプタ活性化の相関を調べた。その結果、5.2×1019cm-3と高濃度にMgドープした1.1μm厚のGaNウエハに対して、従来法の熱処理（950℃、20分間、窒素雰囲気）と同等の活性化をレーザー光（193nm、0.6mJ、150Hz）の照射で得た。加えて、熱処理試料より高い正孔移動度を示したことと、イエロールミネッセンスと呼ばれる欠陥に起因した発光も弱いことから、良好な結晶性が得られたと結論する。加えて、4μm幅の微細な金属マスクを8μm間隔で表面に設けたウエハに対してレーザー照射を行ったところ、照射部分の局所的な活性化がケルビンフォース顕微鏡で明らかになった。
続いて、SiとMgの共ドープしたGaNウエハの評価を行った。検討したウエハは、有機金属化学気層成長法による2μm厚のGaN層を形成したものであり、Siは3.6×1016cm-3、Mgは5.2×1019cm-3ドーピングした。ウエハの設計においては、ドーピングしたMg不純物の水素による不活性化を想定して、成長後のウエハはn型を示すことを目論んだ。しかしながら、エピ層は1GΩ・mm程度の高抵抗を示した。このウエハに対して、従来法の熱処理と開発したレーザー照射による活性化を行った。熱処理では、1×1017cm-3程度のp型化を認めたが、レーザー照射では1MΩ・mm程度までの伝導性の変化は得られたものの、p型化を観測するまでには至らなかった。この実験の解析から、共ドープウエハの設計に重要な方針を得たので、再設計を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況で示したように、初年度のSiとMgの共ドープエピの伝導特性の評価では、成長後にn型層が得られなかったので、まずこの課題を解決する。これは、共ドープによる補償効果のためか、高濃度ドーピングによる欠陥の発生に起因するものかなどの起源を明らかにする。ウエハ設計の方針は、よりSi濃度を高めるとともに、Mg濃度は下げることとする。これの評価には、新たに設計したマスクシリーズを用いた試作を行う。この試料の評価により、基礎的な物性評価からスーパー接合構造の評価解析が可能になる。この評価結果を基に、縦型スーパー接合デバイスのドリフト層の実現に向けたエピタキシャルウエハ構造を設計する。
次に、スーパー接合構造を適用したデバイスの試作評価を行う。具体的には、高耐圧ダイオードの検討を進める。高耐圧化には、GaN層の厚さと一緒にドープするMgとSiそれぞれの不純物濃度の3つが重要なパラメータである。まずMgとSiのドーピング濃度は、先に示した検討の結果を用いて設計する。このウエハに対して局所的なp型活性化のために微細なマスクを設けて上方からレーザー照射を施し、縦型のpn領域の繰り返し構造を形成する。高耐圧特性のスーパー接合構造を得るためには、逆バイアス印可時にpn接合が同時に空乏化する必要があり、一様なn型層の所望の部分をp型に転換したうえでn型層と同じ濃度のp型層を形成しなければならない。次に共ドープしたGaN層の厚さは、所望の耐圧が得られる厚さを用いればよいので、逆方向バイアス時にこの層を同時に空乏化させて耐圧を持たせるため、MgとSiドーピング濃度の精密な設計を行う。さらに、ドリフト層の膜厚を厚くすることにより耐圧を高めるとともに、それぞれのコンタクト層に対してドリフト層とのスムーズな接続を得るための中間的な濃度の薄層を挟み込み、実用的なデバイスの作製を行う。
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Research Products
(1 results)
