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2023 Fiscal Year Annual Research Report

A study of the activation mechanism of implanted impurities and control of point defect in group III nitrides

Research Project

Project/Area Number 21H01826
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

上殿 明良  筑波大学, 数理物質系, 教授 (20213374)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 石橋 章司  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (30356448)
秩父 重英  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)
奥村 宏典  筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
KeywordsIII属窒化物半導体 / イオン注入 / 不純物活性化 / 点欠陥
Outline of Annual Research Achievements

半導体デバイスとして使用されるIII属窒化物半導体のイオン注入により導入された点欠陥の同定とその焼鈍挙動を、点欠陥を直接検出することができる手法である陽電子消滅、また、フォトルミネッセンス、カソードルミネッセンス法、電気的特性評価等により研究する。得られた結果から、窒化物半導体の点欠陥の挙動、各種ドーパントとの相互作用を解明することが本研究の目的である。また、ドナー、アクセプターとして機能する原子だけでなく、活性化を阻害ないしは促進すると考えられている元素についてもイオン注入を行い、欠陥の回復過程にどのような影響を与えるかを調べる。
陽電子は物質中に入射すると電子と消滅しγ線が放出される。γ線のエネルギー分布や陽電子寿命を測定することにより、空孔型欠陥を検出する。陽電子消滅計算シミュレーションの結果と実験結果を比較することにより、空孔型欠陥の種類(サイズ、不純物との複合状態等)についての詳しい情報が得られる。
本研究により、陽電子消滅と他の欠陥に敏感な手法を組み合わせることにより、注入不純物の活性化、拡散、等について詳細に研究する。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度はGaN及びAlN中の空孔型欠陥に関する研究を実施した。
GaN中のZnの拡散機構を研究するため、c、m、a方向に成長した結晶にZnイオンを230 keVで注入、50 nm付近で1E21 /cm3となるZnの深さ分布を得た。イオン注入後、試料を1 GPaの窒素圧力下で、1250℃から1360℃まで焼鈍した。陽電子消滅、フォトルミネッセンス、X線回折、SIMSを用いてZnの拡散と欠陥の関係を研究した。この結果、Znの拡散は、結晶方位、空孔型欠陥の深さ分布に大きな影響を受けることが分かった。また、Znのmigration energy を決定、また、空孔型欠陥との相関性について詳しい結果を得た。
AlNにMgイオンを10 keVから90 keVの範囲で注入、100 nm付近で2E19 /cm3のAl分布を形成した。試料を1400℃まで窒素雰囲気で焼鈍し、空孔型欠陥の挙動を評価した。1500℃焼鈍した試料で電流電圧特性を計測したところ、室温でバイアス電圧100 Vのとき1.1 nA、300℃でバイアス電圧10 Vのとき7 nAの電流を得た。

Strategy for Future Research Activity

GaNへMg及びNイオンを注入することにより導入された空孔型欠陥を検出する。イオン注入後に,高圧力下で焼鈍することにより,空孔型欠陥の焼鈍特性を評価する。特に、焼鈍に伴うMgの深さ分布の変化と空孔型欠陥の関係、また、焼鈍中に導入される水素の関係を明らかにするとともに、欠陥のキャリア捕獲機構について研究する。

  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Institute of High Pressure Physics(ポーランド)

    • Country Name
      POLAND
    • Counterpart Institution
      Institute of High Pressure Physics
  • [Journal Article] Vacancy-type defects in AlInN/AlN/GaN structures probed by monoenergetic positron beam2023

    • Author(s)
      Uedono Akira、Kimura Yasuki、Hoshii Takuya、Kakushima Kuniyuki、Sumiya Masatomo、Tsukui Masayuki、Miyano Kiyotaka、Mizushima Ichiro、Yoda Takashi、Tsutsui Kazuo
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 133 Pages: 225301(1-6)

    • DOI

      10.1063/5.0153128

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of AlGaN/GaN heterostructures on halide vapor phase epitaxy AlN/SiC templates for high electron mobility transistor application2023

    • Author(s)
      Sumiya Masatomo、Goto Osamu、Takahara Yuki、Imanaka Yasutaka、Sang Liwen、Fukuhara Noboru、Konno Taichiro、Horikiri Fumimasa、Kimura Takeshi、Uedono Akira、Fujikura Hajime
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Pages: 085501~085501

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ace671

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analysis of Zn diffusion in various crystallographic directions of GaN grown by HVPE2023

    • Author(s)
      Sierakowski Kacper、Jakiela Rafal、Jaroszynski Piotr、Fijalkowski Michal、Sochacki Tomasz、Iwinska Malgorzata、Turek Marcin、Uedono Akira、Reshchikov Michael A.、Bockowski Michal
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 167 Pages: 107808~107808

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2023.107808

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mg implantation in AlN layers on sapphire substrates2023

    • Author(s)
      Okumura Hironori、Uedono Akira
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Pages: 020901~020901

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb898

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Annealing properties of vacancy-type defects in ion implanted GaN during ultra-high-pressure annealing studied by using a monoenergetic positron beam2023

    • Author(s)
      Uedono Akira、Sakurai Hideki、Uzuhashi Jun、Narita Tetsuo、Sierakowski Kacper、Ishibashi Shoji、Chichibu Shigefusa F.、Bockowski Michal、Suda Jun、Ohokubo Tadakatsu、Ikarashi Nobuyuki、Hono Kazuhiro、Kachi Tetsu
    • Journal Title

      Proc. SPIE 12421, Gallium Nitride Materials and Devices

      Volume: XVIII Pages: 124210C(1-7)

    • DOI

      10.1117/12.2646233

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaN成長層・Mgイオン注入層の室温フォトルミネッセンス寿命 (III)2024

    • Author(s)
      秩父重英,嶋紘平,上殿明良,石橋章司,田中亮,高島信也,上野勝典,江戸雅晴,渡邉浩崇,本田善央,須田淳,天野浩,加地徹,生田目俊秀,色川芳宏,小出康夫
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] GaN成長層・Mgイオン注入層の室温フォトルミネッセンス寿命 (II)2024

    • Author(s)
      秩父重英,嶋紘平,上殿明良,石橋章司,田中亮,高島信也,上野勝典,江戸雅晴,渡邉浩崇,本田善央,須田淳,天野浩,加地徹,生田目俊秀,色川芳宏,小出康夫
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 低圧酸性アモノサーマル成長GaNのミッドギャップ再結合過程2024

    • Author(s)
      嶋紘平,上殿明良,石橋章司,石黒徹,秩父重英
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Effect on QWs Qualities of Thickness of Homoepitaxial AlN on AlN/sapphire Prepared by Sputtering and High temperature Annealing2023

    • Author(s)
      R. Akaike, K. Uesugi, K. Shima, S. F. Chichibu, A. Uedono, and H. Miyake
    • Organizer
      14th Int. Conf. Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of Zn diffusion in various crystallographic directions of GaN Grown by HVPE2023

    • Author(s)
      K. P. Sierakowski, R. Jakiela, P. Jaroszynski, M. Fijalkowski, T. Sochacki, M. Iwinska, M. Turek, A. Uedono, M. A. Reshchikov, and M. Bockowskie
    • Organizer
      14th Int. Conf. Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Luminescence studies of Mg implanted and undoped GaN on GaN structures processed by ultra high pressure annealing2023

    • Author(s)
      K. Shima, T. Narita, K. Kataoka, S. Ishibashi, A. Uedono, M. Bockowski, J. Suda, T. Kachi, and S. F. Chichibu
    • Organizer
      14th Int. Conf. Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of ion implantation damage on photoluminescence from GaN2023

    • Author(s)
      M. A. Reshchikov, O. Andrieiev, M. Vorobiov, K. Sierakowski, R. Jakiela, P. Jaroszynski, A. Uedono, and M. Bockowsk
    • Organizer
      32nd Int. Conf. Defects in Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Temporary and spatially resolved luminescence studies of p-GaN segments fabricated by vacancy-guided redistribution of Mg using sequential ion implantation of Mg and N2023

    • Author(s)
      K. Shima, R. Tanaka, S. Takashima, K. Ueno, M. Edo, A. Uedono, S. Ishibashi, and S. F. Chichibu
    • Organizer
      21th Int. Workshop on Junction Technology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Impacts of vacancy clusters on the luminescence dynamics in Mg implanted GaN on GaN structures2023

    • Author(s)
      S. F. Chichibu, A. Uedono, H. Iguchi, T. Narita, K. Kataoka, M. Bockowski, J. Suda, T. Kachi, S. Takashima, R. Tanaka, K. Ueno, M. Edo, S. Ishibashi, and K. Shima
    • Organizer
      14th Int. Conf. Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 陽電子を用いたワイドギャップ半導体結晶中の点欠陥評価2023

    • Author(s)
      上殿明良,石橋章司
    • Organizer
      日本結晶成長学会特別講演会「結晶評価研究の最前線」

URL: 

Published: 2024-12-25  

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