2022 Fiscal Year Annual Research Report
硼素イオン注入による絶縁性GaN結晶層を用いた超低損失パワー素子の高破壊耐量化
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20K04590
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
三浦 喜直 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90828287)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沈 旭強 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 上級主任研究員 (50272381)
中島 昭 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60450657)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム / 縦型パワーデバイス / 高耐圧 / 終端構造 / 電界緩和 / 硼素イオン注入 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、縦型GaNパワー素子実用化への高い障壁となっているp型不純物イオン注入によるp型制御の困難という課題に対し、硼素イオン注入でp型エピ結晶が高抵抗化する新現象を利用してパワー素子の終端構造（JTE）を高耐圧化・高破壊耐量化する手法を提案した。最終的に、JTE設計に重要なp型エピ結晶のアクセプタ濃度は硼素イオン注入によって制御できること、シミュレーション設計したJTE構造を有する縦型pnダイオードを試作し、その耐圧は硼素イオン注入条件の最適化で理論値に近づき、良好なアバランシェ耐性を示すことを実証した。さらに上記制御の根拠となる硼素イオン注入p型エピの高抵抗化メカニズムを明らかにした。よって本研究での当初の目標はほぼ達成できたと考える。
最終年度は、アクセプタ濃度制御手法および高抵抗化メカニズムの検討に取り組んだ。まず、ダイオード耐圧とp型GaN層の伝導性との関係を評価するため、本提案のJTEを有するpnダイオードと、このJTEを構成する硼素イオン注入p型GaNエピ層の伝導度評価素子とを同じチップ上に作成した。この評価素子のバックバイアス依存性から抽出したp型GaN層のアクセプタ濃度は硼素ドーズ量に依存して決まり、JTE設計を最適化するアクセプタ濃度付近でpnダイオード耐圧が最大化することを明らかにした。この結果は、硼素イオン注入によるp型エピのアクセプタ濃度制御でJTEを最適化できるとの当初の仮説を支持している。高抵抗化のメカニズムについては、上記実験および前年度実験の結果から、JTE特性を決めるp型層のアクセプタ濃度が硼素イオン注入起因のドナーによる補償で決まるのに対し、p型層の過剰な高抵抗化はイオン注入起因の結晶欠陥によってキャリア移動度が著しく低下することが原因と推定された。さらに、イオン注入欠陥を低減するプロセス条件改善の方向性を示すことができた。
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