2020 Fiscal Year Annual Research Report
窒素極性GaN系MIS-HEMTのパワーデバイス応用に向けた研究
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19H02165
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
末光 哲也 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (90447186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋詰 保 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 特任教授 (80149898)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / HEMT / 窒素極性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒素極性GaN結晶を用いた高電子移動度トランジスタ（HEMT）に注目し、次世代パワーデバイスへの応用に視点を向け、窒素極性の分極を生かしたノーマリーオフ型動作の実現や、低オン抵抗のショットキーダイオードの実現を通して、既存のGa極性HEMTに対する優位性を明らかにすることを目指している。
新型コロナ蔓延による緊急事態宣言発令とその後の出勤者数制限により、結晶成長装置の立ち上げ作業が出来ない期間が長期に及んだ。このため研究計画を変更して、新たな結晶成長を伴う研究項目は次年度に延期し、今年度は分極電荷モデル解析とシミュレーション、および、既存結晶を用いたショットキー電極やMIS構造の形成と評価に絞って研究を実施した。
分極電荷モデルの評価では、残留不純物密度が異なる窒素極性GaN結晶でショットキー電極を形成して障壁高さを評価した。その結果では、障壁高さは残留不純物密度に影響されるものの、Ga極性GaNとの障壁高さの差と比較するとその変動範囲は小さく、昨年度提唱した分極電荷モデルで説明可能な範囲であった。一方で、窒素極性とGa極性の障壁高さの違いを正しく評価するためには、残留キャリア密度が等しい結晶を用意する必要があることを改めて認識した。このため、結晶成長以外の方法、例えばGa極性GaN結晶の転写等で窒素極性GaN結晶を得る方法を調査・検討した。
MIS構造の評価では、既存の窒素極性GaN結晶に原子層堆積法（ALD）によってAl2O3薄膜を形成したMIS電極を作製し、容量特性の評価を行った。その結果、順方向電圧ではAl2O3単独での容量に一致し、逆方向電圧ではAl2O3とGaNの合成容量に一致する、合理的なMIS電極特性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナ蔓延による緊急事態宣言発令とその後の出勤者数制限により、結晶成長装置の立ち上げ作業が出来ない期間が長期に及んだことから、新たな窒素極性GaN結晶の作成が予定通りには出来なかった。一方で、既存の結晶を用いることによって、提唱した分極電荷モデルの検証や深化についての実験、また、窒素極性GaN結晶表面にAl2O3を絶縁体薄膜を形成したMIS電極構造の作製・評価実験を実施し、更に、デバイスシミュレーションによるデバイス構造設計を実施することによって、新たな結晶が作成できた折に一気に研究進捗を回復するための準備は行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
窒素極性GaN結晶は、世界的にも作成できる機関は少なく、当面は研究協力者で窒素極性GaN結晶作成実績のある松岡隆志教授所有の結晶成長装置の再起動に向けて、立上げ作業を完成させ、窒素極性GaN結晶の成長を再開する。並行して、一般的なGa極性GaN結晶の転写など、新たな窒素極性GaN形成手法を検討する。こうして得られた結晶に、パワーデバイスとして強く求められるノーマリーオフ型動作の実現のための窒素極性GaNを用いたデバイスの設計を反映させる。最終的に、これまでに培ったショットキー電極、MIS構造電極の作製技術を投入して設計した窒素極性MIS型HEMTを試作・評価する。
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