Development of large-area dislocation detection and classification techniques for next-generation power semiconductor beta-Ga2O3

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05355
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Japan Fine Ceramics Center
• Principal Investigator: Yao Yongzhao 一般財団法人ファインセラミックスセンター, 材料技術研究所, 主任研究員 (80523935)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石川 由加里 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主幹研究員 (60416196) ; 菅原 義弘 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 上級研究員 (70466291)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: パワーデバイス / 酸化ガリウム / 結晶格子欠陥 / 転位 / エッチピット / 放射光X線トポグラフィー

Outline of Final Research Achievements

Power devices based on β-type gallium oxide (β-Ga2O3), hereinafter referred to as β-Ga2O3, are expected to be the next-generation high-voltage and energy-efficient semiconductor for power conversion and control in various fields such as power infrastructure, railways, and automobiles. However, the current state of β-Ga2O3 crystals, which are the raw material for these devices, contains high-density linear lattice defects called dislocations, which significantly degrade the performance and reliability of the devices compared to the theoretical values of the material. This study focuses on the establishment of a technique to detect and classify dislocations in large-area single crystals for dislocation reduction. We have developed dislocation visualization techniques primarily based on a low-cost and simple etch pit defect detection method and non-destructive, high-precision synchrotron X-ray topography.

Free Research Field

結晶工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で確立した転位検出分類技術を利用することにより、β-Ga2O3結晶内の転位の空間分布や転位の種類に関する情報を精確に把握できるため、結晶成長条件の最適化に的確なフィードバックを提供することが可能となる。また、転位分布とデバイス特性との相関解析を行うことで、転位のデバイスに及ぼす影響とその機構を解明できる。β-Ga2O3パワーデバイスの普及に向けて、結晶の高品質化の一層の加速が期待される。従来のシリコン半導体から高性能・高信頼性のβ-Ga2O3半導体に移行することで、電力変換と制御の高効率化が進み、地球温暖化の要因である温室効果ガスの排出が抜本的に削減される。