GaNパワーデバイスの実用化に向けた、転位のデバイスに与える影響及び原理の解明

• 研究課題/領域番号: 17K17808
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器; 電子・電気材料工学
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 田中 敦之 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任准教授 (30774286)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: GaN / 窒化ガリウム / パワーデバイス / 転位 / ダイオード / 漏れ電流 / 通電劣化 / 電子デバイス・機器

研究成果の概要

GaNパワーデバイスにおける、GaN結晶中の転位がデバイスにどのような影響を与えるかについての研究を行った。その成果として、1cの螺旋転位部分がpinダイオードに存在して居ると逆方向電圧印加時にリークを引き起こしていることを明らかにした。また、上記の成果を得る過程で、複屈折顕微鏡像によるGaN中転位のバーガースベクトル判別、繰り返しアバランシェ降伏可能なpinダイオードの作製方法、GaN中基底面転位の多光子励起キャリアによるREDGの発生確認等の成果も得ることが出来た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

今後、持続可能な社会を実現していく上で、電力エネルギーに関しては低消費電力化という取り組みが重要になってくる。この低消費電力化においてGaNパワーデバイスは非常に重要な役割を担う事が期待されている。その役割を担うためにはGaN結晶についての深い理解が必要であり、本研究成果はGaN結晶をパワーデバイスに用いる際に知っておくべきことを学術的に明らかにしたものである。

研究成果

• [雑誌論文] Demonstration of Observation of Dislocations in GaN by Novel Birefringence Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Atsushi、Inotsume Syo、Harada Shunta、Hanada Kenji、Honda Yoshio、Ujihara Toru、Amano Hiroshi
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 257 号: 4 ページ: 1900553-1900553
  • DOI: 10.1002/pssb.201900553
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct evidence of Mg diffusion through threading mixed dislocations in GaN p?n diodes and its effect on reverse leakage current (2019)
  • 著者名/発表者名: Usami Shigeyoshi、Mayama Norihito、Toda Kazuya、Tanaka Atsushi、Deki Manato、Nitta Shugo、Honda Yoshio、Amano Hiroshi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 114 号: 23 ページ: 232105-232105
  • DOI: 10.1063/1.5097767
  • 査読あり
• [雑誌論文] V-shaped dislocations in a GaN epitaxial layer on GaN substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Atsushi、Nagamatsu Kentaro、Usami Shigeyoshi、Kushimoto Maki、Deki Manato、Nitta Shugo、Honda Yoshio、Bockowski Michal、Amano Hiroshi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 9 号: 9 ページ: 095002-095002
  • DOI: 10.1063/1.5114866
  • NAID: 120006877869
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Vertical GaN p-n diode with deeply etched mesa and the capability of avalanche breakdown (2019)
  • 著者名/発表者名: Hayata Fukushima, Shigeyoshi Usami, Masaya Ogura, Yuto Ando, Atsushi Tanaka, Manato Deki, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 2-2
  • NAID: 120006643281
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between dislocations and leakage current of p-n diodes on a free-standing GaN substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeyoshi Usami, Yuto Ando, Atsushi Tanaka, Kentaro Nagamatsu, Manato Deki, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano, Yoshihiro Sugawara, Yong-Zhao Yao, Yukari Ishikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 ページ: 182106-182106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparing high-purity c-and m-plane GaN layers for Schottky barrier diodes Grown homoepitaxially by metalorganic vapor phase epitaxy (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Nagamatsu, Yuto Ando, Zheng Ye, Osmane Barry, Atsushi Tanaka, Manato Deki, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Markus Pristovsek, Hiroshi Amano
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 105501-105501
  • NAID: 210000149720
  • 査読あり
• [雑誌論文] m-Plane GaN Schottky Barrier Diodes Fabricated With MOVPE Layer on Several Off-Angle m-Plane GaN Substrates (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Tanaka, yuto Ando, Kentaro Nagamatsu, Manato Deki, Heajeong Cheong, Barry Ousmane, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A 巻: 215 ページ: 1700525-1700525
  • NAID: 120006498158
• [雑誌論文] Correlation between dislocations and leakage current of p-n diodes on a free-standing GaN substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: Usami Shigeyoshi、Ando Yuto、Tanaka Atsushi、Nagamatsu Kentaro、Deki Manato、Kushimoto Maki、Nitta Shugo、Honda Yoshio、Amano Hiroshi、Sugawara Yoshihiro、Yao Yong-Zhao、Ishikawa Yukari
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 18 ページ: 182106-182106
  • DOI: 10.1063/1.5024704
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Initial leakage current paths in the vertical-type GaN-on-GaN Schottky barrier diodes (2017)
  • 著者名/発表者名: Sang Liwen、Ren Bing、Sumiya Masatomo、Liao Meiyong、Koide Yasuo、Tanaka Atsushi、Cho Yujin、Harada Yoshitomo、Nabatame Toshihide、Sekiguchi Takashi、Usami Shigeyoshi、Honda Yoshio、Amano Hiroshi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 111 号: 12 ページ: 122102-122102
  • DOI: 10.1063/1.4994627
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] GaNパワーデバイスの実用化に向けた準備状況について (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中敦之、安藤悠人、高橋昌大、三浦史也、川崎晟也、渡邉浩崇、久志本真希、出来真斗、新田州吾、本田善央、天野浩
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] A novel birefringent observation for analyzing dislocations in GaN (2019)
  • 著者名/発表者名: Atushi Tanaka, Sho Inotsume, Shunta Harada, Kenji Hanada, Yoshio Honda, Toru Ujihara, Hiroshi Amano
  • 学会等名: 13th International Conference on Nitride Semiconductors
• [学会発表] Investigation of the Origin of the Leakage of P-N Diodes on a Free-Standing GaN Substrate Using the 3DAP and LACBED Methods (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeyoshi Usami, Yoshihiro Sugawara, Yong-Zhao Yao, Yukari Ishikawa, Norihito Mayama, Kazuya Toda, Yuto Ando, Atsushi Tanaka, Kentaro Nagamatsu, Manato Deki, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
  • 学会等名: The Compound Semiconductor Week 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Ammonia Decomposition and Reaction by High-Resolution Mass Spectrometry for Group III-Nitrides Epitaxial Growth (2018)
  • 著者名/発表者名: Zheng Ye, Shugo Nitta, Kentaro Nagamatsu, Naoki Fujimoto, Maki Kushimoto, Manato Deki, Atsushi Tanaka, Yoshio Honda, Markus Pristovsek, Hiroshi Amano
  • 学会等名: 19th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Dislocation Propagation in GaN on GaN Structure with a Multiphoton Excitation Photoluminescence Microscope (2018)
  • 著者名/発表者名: Atushi Tanaka, Kentaro Nagamatsu, Shigeyoshi Usami, Maki Kushimoto, Manato Deki, Shugo Nitta, Yoshio Honda HIroshi Amano
  • 学会等名: Internatinal Symposium on Growth of III-Nitrides ISGN-7
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Improvement of Electrical Stability of ALD-Al2O3/GaN interface by UV/O3 Oxidation and Postdeposition Annealing (2018)
  • 著者名/発表者名: Manato Deki, Kazushi Sone, Kenta Watanabe, Fumiya Watanabe, Kentaro Nagamatsu, Atsushi Tanaka, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
  • 学会等名: Internatinal Symposium on Growth of III-Nitrides ISGN-7
  • 国際学会
• [学会発表] Schottky Barrier Diodes Fabricated on Miscut m-plane Substrates (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuto Ando, Kentaro Nagamatsu, Atsushi Tanaka, Manato Deki, Ousmane 1 Barry, Shigeyoshi Usami, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, and Hiroshi Amano
  • 学会等名: Internatinal Symposium on Growth of III-Nitrides ISGN-7
  • 国際学会
• [学会発表] Characterizations of high-temperature Mg ion implantation in GaN (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi, K. Sone, A. Tanaka, S. Usami, M. Deki, M. Kushimoto, K. Nagamatsu, S. Nitta, Y. Honda, and H. Amano,
  • 学会等名: Internatinal Symposium on Growth of III-Nitrides ISGN-7
  • 国際学会
• [学会発表] Vertical GaN pn diode with Avalanche capability structure (2018)
  • 著者名/発表者名: Hayata Fukushima, Shigeyoshi Usami, Yuto Ando, Atsushi Tanaka, Manato Deki, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, and Hiroshi Amano
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Screw dislocations and nanopipe generation in a MOVPE-grown homoepitaxial layer on freestanding GaN substrates and the electrical influence on vertical p－n diodes (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeyoshi Usami, Atsushi Tanaka, Hayata Fukushima, Yuto Ando, Manato Deki, Maki Kushimoto, Shugo Nitta, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Dislocation Characterization of GaN epilayer grown for power devices (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Tanaka
  • 学会等名: ACALED workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 多光子PL顕微鏡による窒化ガリウム中転位の三次元観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中敦之，永松謙太郎，久志本真希，出来真斗，新田州吾，本田善央，天野浩
  • 学会等名: 第10回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] GaNデバイスのキラーとなる転位欠陥とその低減法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中敦之, 宇佐美茂佳, 福島颯太, 安藤悠人, 久志本真希, 出来真斗, 新田州吾, 本田善央, 天野浩
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] GaN中転位の三次元観察と転位がデバイスに与える影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中敦之、宇佐美茂佳、安藤悠人、永松謙太郎、久志本真希、出来真斗、新田州吾、本田善央、天野浩
  • 学会等名: 第65会 応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 3DAPおよびLACBED法によるGaN自立基板上pnダイオードのリークの起源調査 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇佐美茂佳、菅原義弘、姚永昭、石川由加里、間山憲仁、戸田一也、安藤悠人、田中敦之、永松謙太郎、久志本真希、出来真斗、新田州吾、本田善央、天野浩
  • 学会等名: 第65会 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] GaN自立基板上pnダイオード逆方向リーク電流の成長条件依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇佐美茂佳、福島颯太、安藤悠人、田中敦之、永松謙太郎、久志本真希、出来真斗、新田州吾、本田善央、天野浩
  • 学会等名: 第65会 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 多光子PLを用いたGaN基板・GaNエピ層中の転位観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中敦之、宇佐美茂佳、安藤悠人、永松謙太郎、新田州吾、本田善央、天野浩
  • 学会等名: 日本結晶成長国内会議
  • 招待講演