2019 Fiscal Year Annual Research Report

Formation of directly-bonded interface between gallium oxide and group-IV semiconductor for power device application

Research Project

Project/Area Number	19H02182
Research Institution	National Institute of Information and Communications Technology
Principal Investigator	東脇正高国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所グリーンICTデバイス先端開発センター, センター長 (70358927)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	重川直輝大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (60583698) 梁剣波大阪市立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80757013)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	酸化ガリウム (Ga2O3) / 直接接合 / シリコン (Si) / シリコンカーバイド (SiC)
Outline of Annual Research Achievements	最初に、直接接合の前に行うArビーム照射による表面活性化プロセスが、Ga2O3(010), (001)両基板表面の平坦性に及ぼす影響について調査した。結果、(010)基板の場合表面平坦性が悪化する（平均表面粗さ Ra = 0.34 nm => 0.75 nm) が、(001)基板には有意な変化が認められず、平坦性が保たれる（平均表面粗さ Ra = 0.35 nm => 0.36 nm) ことが分かった。次に、Ga2O3(010), (001)両基板と、Si(100)基板および4H-SiC(0001)基板間の常温直接接合プロセス開発を行った。Ga2O3(001)/Si(100)接合基板においては、接合後に行う500, 1000℃で熱処理後も、接合界面に剥離は見られなかった。一方、Ga2O3(010)/Si(100)接合の場合、500℃熱処理後に接合界面の部分剥離が、1000℃の熱処理後には接合界面の完全剥離が生じた。これは、Arビーム照射による平坦性悪化が原因と考えられる。また、Ga2O3(010), (001)両基板と4H-SiC(0001)基板の接合に関しても、Si基板の場合と同様の結果が得られた。Ga2O3(001)/4H-SiC(0001)接合においては、1000℃までの熱処理後も剥離は生じなかったのに対し、Ga2O3(010)/4H-SiC(0001)接合では熱処理500℃で部分剥離、1000℃で完全剥離が生じた。更に、常温接合後のGa2O3(001)/Si(100)接合界面の構造を、透過型電子顕微鏡観察により評価した。接合界面に亀裂や空洞などは認められず、良好な接合が実現していることが分かった。また、接合界面には、厚さ約6 nmのアモルファス層が形成されていることも確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason Ga2O3基板とSi, SiC基板間の表面活性化直接接合プロセス開発の際に、基板表面に付着する微小パーティクルが原因で、当初の想定よりも全面接合の成功率が低いという問題が生じた。その結果、全面接合プロセスの成功率向上に向けたクリーニングプロセスの最適化を実施したことで、基本接合条件を得るのに当初の計画よりも時間を要したため。
Strategy for Future Research Activity	当初計画に則り、Ga2O3/Si接合基板、Ga2O3/SiC接合基板を用いてダイオード構造を作製し、その電気的特性評価を行う。また、熱処理後のGa2O3/Si接合界面、およびGa2O3/SiC接合界面の構造評価を実施し、接合界面の耐熱性に関する知見を得る。