2022 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of ultra-wide bandgap p-type transition metal oxides and device applications
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21H01811
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
金子 健太郎 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 教授 (50643061)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超ワイドギャップ半導体 / 二酸化ゲルマニウム / p型酸化物 / パワーデバイス / pn接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、4.0 eV以上の禁制帯幅を有する新しい超ワイドバンドギャップp型半導体の合成を柱とするものである。初年度には、n型とp型の両伝導が理論的に予測されていながら、これまで合成が非常に困難であった新しい超ワイドバンドギャップ半導体である、二酸化ゲルマニウム(GeO2)(バンドギャップ 4.6 eV)の薄膜合成を達成した。二年目の今年度はGeO2の安価で安定的な薄膜合成と、同じルチル構造をもつ酸化物との混晶作製の合成と物性探索を行った。GeO2薄膜は現状では酸化チタン(TiO2)基板上で結晶成長が確認されているが、TiO2基板は10mm角で約1万円と非常に高価である。そこで、実験回数をより多くするために、安価なサファイア基板上での結晶成長を試みたところ、初歩的なGeO2結晶の薄膜成長を確認した。しかしながら、膜内の均質性や結晶の配向性に関して継続的な実験が必要なため、サファイア基板上での結晶成長を進めながら、混晶薄膜の合成は引き続きTiO2基板上で行った。GeO2のバンドギャップ変調のために、同じ結晶構造をもつ酸化スズ(SnO2)との混晶作製を行った。X線回折測定の結果から、Geの混入量の増加に伴い、SnO2のピークからGeO2のピークに連続的にシフトし、 (Ge,Sn)O2薄膜が全組成領域で作製可能である事を示した。さらに、分光透過率測定および分光エリプソメトリーを用いた光学測定から、(Ge,Sn)O2薄膜のバンドギャップがGeの混入量増加により、3.81 eV(SnO2)から、Ge濃度96%の(Ge,Sn)O2の4.44 eVまで拡張している事を実験的に確認した。さらに、Ge組成が57%以下(バンドギャップ 3.98 eV以下)の薄膜において、(Ge,Sn)O2薄膜がn型伝導を示す事も確認され、(Ge,Sn)O2薄膜の導電性制御に向けた成果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イリジウム原料の急激な高騰に起因して、研究初年度に新規p型材料の開拓を行い、GeO2薄膜の結晶成長を達成した事は、ホモ接合での高品質なpn接合形成の可能性が現実的となった。しかしながら、GeO2はバルクでの報告例はいくつかあったが、薄膜での報告はほとんどないため、薄膜の基礎的な物性が不明であり、その開拓を行う研究が必要である。今年度は、その開拓のために製膜回数向上が必要であるため、初年度行った高価なTiO2基板上ではなく、安価なサファイア基板上での合成を試み、GeO2薄膜の結晶成長を確認できた。結晶の品質にはまだ改善の余地があるが、安価なサファイア基板上での合成が確認できたことは、今後の製膜回数向上をはじめ、将来的なGeO2デバイスの社会実装に向けて大きな成果となった。さらに、半導体としての基礎的な物性を評価するために、GeO2と同じルチル構造をもつ酸化スズ(SnO2)との混晶作製行った。すると、Ge濃度の変化により、(Ge,Sn)O2薄膜中の混入量が変化している事、そしてバンドギャップ変調も確認出来た事から、GeO2が半導体として基礎的な要素(混晶作製、バンドギャップ変調)をもっている事が確認出来た事は、将来的な半導体応用において重要な成果となった。さらに、Ge組成が57%以下(バンドギャップ 3.98 eV以下)の薄膜において、(Ge,Sn)O2混晶薄膜がn型伝導を示した事は、GeO2および(Ge,Sn)O2混晶薄膜を用いたpn接合形成に向けて重要な基礎的成果となった。このように、最終年度の、超ワイドバンドギャップ半導体によるpn接合作製と整流性の確認、およびMOSFET構造の作製に向けて一定の成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の最終目標である5.0 eVのバンドギャップをもつp型酸化物薄膜の合成とパワーデバイスへの応用に向けて、GeO2と同じ結晶構造をもち、8eV近いバンドギャップをもつ二酸化シリコン(SiO2)との混晶作製を行う。計算値としては7.7 eVまでバンドギャップが拡張できる事を確認している。一方で、Ge組成が57%以下(バンドギャップ 3.98 eV以下) の(Ge,Sn)O2でn型伝導性が得られているが、より高Ge組成域でのn型伝導性を目指して電子ドーパントの選定を行う。一方で、(Ge,Sn)O2は高Ge組成になると価電子帯のエネルギー位置が高くなるため、p型伝導を発現させるに別のルチル構造酸化物との混晶を探索し、正孔ドーパントの選定などを行い、p型伝導の発現を目標とする。また、GeO2薄膜自体の結晶性および膜内均質性の向上と基板コストの低下を目指して、サファイア、TiO2基板以外での最適な基板種の選定、および新しいバッファ層の開拓を行う。現状製膜に用いているTiO2基板は、GeO2との格子ミスマッチが3.37-4.47%と大きいため、このミスマッチを低減させるバッファ層の選定と製膜実験を行う。
これらの製膜技術の向上を基礎として、pn接合構造および初歩的なMOSFET構造作製のために、ウェットおよびドライでのエッチング方法の開拓を行う。さらに、X線光電子分光法(XPS)を用いてGeO2のバンド端位置を測定し、適切なオーミック電極とショットキー電極の選定、そしてデバイスとしての特性評価を行う。
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