2020 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 – 2022-03-31
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| Keywords | GaN / 有機金属気層成長法 / Mgアクセプタ / Siドナー / 活性化 / 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、MgとSiを一緒にドープ（共ドープ）したGaN層に対してp型を形成したい領域へArFエキシマレーザーの短パルス光照射により、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。有機金属気層成長法で形成したGaN層は、ドープしたMgが水素で不活性化されてアクセプタとして働かず、この活性化には熱処理が一般的である。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。レーザー照射は極めて短時間の処理であるため、熱処理と異なりアクセプタの拡散を防ぐとともに、照射する部分だけに活性化処理が施せる。
初年度には、MgドープGaNウエハにレーザーを照射して、熱処理と同等の活性化率とより高い正孔移動度を得た後に、SiとMgの共ドープしたGaNウエハの評価を開始した。次年度は、アクセプタ活性化の確認が容易な2種類のMgドープGaN/SiドープGaN構造ウエハを用いた縦型pnダイオードの検討を進めた。MgドープGaN/SiドープGaN構造ウエハを用いた縦型pnダイオードの試作評価を進めた結果、接合容量とバイアス電圧の関係から、MgドープGaN層中のMgは、一部活性化していることが判明した。一方、レーザー光の強度は大きな分布を持つことと、照射中に強度が変動する課題も見出された。
当該年度は、新型コロナウイルスの感染拡大を防ぐため、8月半ばまで研究室での実験を控えるように求められ、担当する大学院生の出校許可も遅れた。その後は、Mgアクセプタ活性化の安定と再現性を高めることを目論み、照射強度と表面状態やアクセプタ活性化の関係を詳細に調べた。その結果、2.1mJ/cm2を最適値として狭い強度範囲で活性化が得られること、より高い強度では急激に活性化が抑制されて表面の酸化が認められることが判明したので、ISPlasma2021で報告した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度には、MgドープGaNウエハへのレーザー照射により、熱処理と同等の活性化率と高い正孔移動度を得た。欠陥に起因したイエロールミネッセンスも弱いことから、良好な結晶性が得られたと結論する。その後、Siを3.6×10 16 cm-3、Mgを5.2×10 19 cm-3共ドープしたウエハに対して、熱処理とレーザー照射による活性化検討を行った。熱処理では1×10 17 cm-3のp型化を認めたが、レーザー照射では伝導性の変化は認められたが、p型とは判定できなかった。
次年度は、伝導型の変化が明確に測定できるウエハ構造を検討した。すなわち、MgドープGaN/SiドープGaN構造において、MgドープGaN層を2×10 20 cm-3ドープした1層のものと、その下に2×10 18 cm-3ドープして2層化したものの2種類を検討した。接合容量とバイアス電圧の関係から、Mgドープ層は2～4×10 17 cm-3活性化していることが判明した。一方、レーザー光強度が空間的に大きな分布を持つこと、照射中にも変動する課題も見出された。なお、改良ウエハの入手がエピベンダの状況で9月末に遅れた。このとき、ドープ濃度を調節した共ドープエピウエハも入手したが、原子層堆積装置のポンプに故障が発生して１か月間試作が滞った。さらに新型コロナウイルスの流行により、3月初めより学生と研究員が出校を控えた。
当該年度は、新型コロナウイルスの感染拡大を防ぐため、8月半ばまで研究室での実験を控えるように求められ、担当する大学院生の出校許可も遅れた。その後は、Mgアクセプタ活性化の安定と再現性を高めることを目論み、照射強度と表面状態やアクセプタ活性化の関係を詳細に調べた。その結果、2.1mJ/cm2を最適値として狭い強度範囲で活性化が得られること、より高い強度では急激に活性化が抑制されて表面の酸化が認められた。
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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、ドープ濃度を再設計したSiとMgの共ドープエピを入手しているので、これを用いた検討を進める。このとき、レーザー光強度が空間的に大きな強度分布を持つことと、照射中にも変動する課題の解決も図る。具体的には、スキャン方法の改良と6月末に予定しているホモジナイザーの導入により光強度の均一化を図る。加えて、ウエハ表面の雰囲気が制御できる新たに設計したパージボックスを用いた検討を行う。これらの新しい取り組みは、活性化の再現性とデータの信頼性を高めると期待できるので、高耐圧デバイスの構造が各種検討できる新たなマスクシリーズを用いた試作に適用する。
スーパー接合構造を適用したデバイスの試作評価では、特に高耐圧ダイオードの検討を進める。高耐圧化には、共ドープするMgとSiそれぞれの不純物濃度と活性化するGaN層の厚さの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が必要であるが、ArFエキシマレーザー光の侵入長は極めて浅いため、この特徴を元に活性化が光の侵入に付随した機構か熱による機構であるかを議論する。さらに、それぞれの電極に対して低接触抵抗を実現するコンタクト層を設けて、実用的なデバイスの作製を行う。なお、ダイオードの周囲にアクセプタ濃度が周期的に変化する構造を形成して電界の緩和を図り、高耐圧化を目指す素子も検討する。
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| Causes of Carryover |
改良したウエハを用いたダイオードの試作が計画から半年遅れた。これは、ウエハ入手遅れと装置故障によるものである。なお、レーザー光強度が空間的に大きな強度分布を持つことと、照射中にも変動する新しい課題の解決は、スキャン方法の改良およびホモジナイザーの導入により光強度の均一化を図り、加えてウエハ表面の雰囲気が制御できる新たに設計したパージボックスを用いて進める。また、新型コロナウイルスの感染拡大を防ぐため、控えていた出校も解けた。したがって、問題が解消されたので、試作評価を進める。助成金は、主に試作と評価に用いる薬品、蒸着金属や実験部材などに使用する。
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