2021 Fiscal Year Annual Research Report
界面反応制御を基軸とした高効率高信頼性GaN半導体MOSデバイスの創成
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19H00767
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
渡部 平司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90379115)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム / パワーデバイス / MOS構造 / 界面反応制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、窒化ガリウム（GaN）は、次世代のパワーデバイス用材料としても注目を集めている。研究代表者は、絶縁膜/GaN系半導体の界面設計に取り組み、伝導帯端近傍の界面準位密度を低減し、超高品質なGaN MOS構造を実現している。この成果は極薄GaOx界面層の挿入によって達成されたが、その機構解明には至っていない。また価電子帯端側には未だ多くの欠陥準位が存在し、p-GaN基板上での正常な正孔蓄積は報告例が無い。本研究では、絶縁膜/GaN系半導体ヘテロ界面欠陥の物理的な起源を解き明かすと共に、界面欠陥やGaN基板への欠陥導入を伴わない絶縁膜形成技術の構築を目指している。
これまでの実験を通じて、絶縁膜/GaN界面のGa-O結合が伝導帯端近傍の欠陥密度低減に有効であり、GaOx界面層を有したSiO2/GaOx/GaN構造の優位性を示せたと考えている。一方、過剰なGaOx界面層の成長は、SiO2絶縁膜への金属Gaの拡散に伴う絶縁性劣化や、電荷捕獲サイトの生成につながる事を示してきた。さらに、GaOx界面層は水素雰囲気中での熱処理で容易に還元され、正孔捕獲サイトとして振る舞う酸素空孔欠陥が生じる事を報告してきた。当該年度では、GaOx界面層の成長や還元反応を考慮したGaN MOS構造への後熱処理条件の最適化に加えて、MOSデバイスの長期信頼性確保の観点から、電気的なストレス耐性に優れたMOS界面実現に向けた絶縁膜形成技術の構築に引き続き取り組む。加えて、当該課題が最終目標としている価電子帯端近傍の電気的欠陥低減に向けた絶縁膜堆積法や後処理技術の完成を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
一昨年度の研究成果（AlGaN/p-GaN構造のMgドーパント活性化）の論文発表（Applied Physics Express）に加え、GaOx界面層の酸化還元反応に伴う電気的な欠陥生成や、これらの界面反応を考慮した後熱処理条件の最適化に関する学術論文（Japanese Journal of Applied Physics）の掲載に至っている。さらに、他機関との連携研究を通じて、Mgイオン注入で形成したp型GaN領域へのMOSデバイス試作に加え、p-GaN MOS界面への正孔捕獲現象を詳細に解析した研究成果を、当該分野を代表するレター論文誌（Applied Physics Letters）に発表する事ができた。さらに、当該年度中に国際会議（SSDM 2021）での成果発表1件に加え、応用物理学会や国内講演会等にて１件の招待講演と１０件の一般講演を通じて、当該課題で得た研究開発成果を精力的に発信した。一方、n-GaN基板上のMOSデバイスを用いた正孔捕獲現象の評価手法を新たに提案し、GaN MOS界面、特に価電子帯端近傍欠陥の評価と、その終端化技術の確立に向けた基盤技術を構築する事ができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該課題の最終年度（2022年度）では、GaN MOS界面の欠陥、特に価電子帯端近傍の欠陥の起源を明らかにすると共に、欠陥終端手法を確立したい。具体的には、2021年度までに得た研究成果に加え、n型やp型のGaN基板、ドーピング濃度が異なるGaN基板上に作製したMOSデバイスの電気特性評価とストレステストを実施し、価電子帯端近傍欠陥の物理的な起源を明らかにすると共に、その終端技術を構築したい。欠陥終端技術の構築に際しては、従来のCVD法をベースとした絶縁膜成膜手法に加えて、低損傷スパッタ成膜技術や、各種後熱処理技術との複合化も含めて、最適解を導きたい。加えて、当該課題から得られたGaN MOS界面の基礎物性やMOS型GaNパワーデバイス実現に向けた研究戦略を学術論文等で継続的に発信する。
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