Study of boron-implanted resistive crystal layers to enhance avalanche ruggedness of ultra-low loss GaN power devices

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K04590
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: Miura Yoshinao 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)
• 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)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

To enhance avalanche ruggedness of vertical GaN power devices, we investigated resistivity modulation phenomena of boron-implanted p-type epitaxial GaN layers to control acceptor concentration of the p-layer, and studied optimization of junction-termination-extension (JTE) structures using the p-layer. We fabricated vertical pn diodes with the JTE structures on free standing GaN substrates, based on the results of surface conductivity measured for the boron-implanted p-layer and simulated design of the devices. We demonstrated that breakdown voltage for the fabricated devices approached to theoretical value for ideal pn junctions by tuning the boron-implantation conditions. It was also found that the optimized devices showed high avalanche immunity.

Free Research Field

パワー半導体デバイス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

GaNエピ結晶への硼素イオン注入によるpn終端構造の高耐圧化設計は、本研究の実験で性能実証したpnダイオードだけでなく、パワーMOSFETなど他の縦型GaNパワー素子にも適用可能である。提案したプロセスは、比較的良好なプロセス制御性と小さなプロセス負荷を特長としており、電力変換の損失を大幅に低減すると期待される縦型GaNパワー素子の実用化を加速させる可能性があり、社会的意義が大きい。また、硼素元素を含有させたGaN結晶の素子応用はこれまでにほとんど報告されておらず、素子性能の向上および特性の安定性を明らかにした点で、学術的意義がある。