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光電気化学反応を利用した窒化ガリウムの低損傷トレンチ加工と縦型トランジスタ応用

研究課題

研究課題/領域番号 20J14520
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関北海道大学

研究代表者

渡久地 政周  北海道大学, 情報科学院, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード光電気化学 / 窒化物半導体 / エッチング / 低損傷 / 光電気化学反応 / 低損傷エッチング / ダメージの定量評価
研究開始時の研究の概要

本研究は、光電気化学反応を利用したエッチング技術による窒化物半導体トレンチ構造の作製に関する研究である。窒化物半導体は、優れた電気的・光学的特性を有しており、トレンチ構造を利用したトランジスタは、耐圧・省電力性において非常に優れた特性を示す。しかし、現在、デバイス作製に用いられている加工技術である「ドライエッチング」は、同構造作製の際、基板へ結晶欠陥や損傷を導入するため、デバイスの性能や信頼性を下げるといった課題を抱えている。これに対して、本研究では、高制御性・低損傷性・安価な実験系といった特徴を有する光電気化学反応に着目し、同反応を利用したトレンチ構造作製手法の確立により課題の解決を目指す。

研究実績の概要

本年度は「光電気化学(PEC)反応を利用した窒化ガリウム(GaN)の低損傷トレンチ加工と縦型トランジスタ応用」という研究目的達成のため、昨年度に引き続き、主に以下の2点に着目して活動へ取り組んだ。
1 PECエッチングのデバイスプロセス適合性の向上
PECエッチングのデバイスプロセス適合性向上のため、基板上へ陰極を作製し、光励起により発生した電子を溶液中へ回収させる機構を作成することで、PECエッチングのコンタクトレス化(Contactless PEC: CL-PEC)を達成した。これにより、装置の大幅な簡略化が可能となった。また、これまで使用されなかったリン酸をベースとしたエッチング液を開発することで、マスクとしてポジ型のフォトレジストマスクの使用を可能とし、さらなる適合性向上を実現した。こうして開発した系は、デバイスプロセスへ直接適用できる高い適合性と低損傷かつ高制御性を含んだ高品質なエッチング特性を両立しており、研究目的の達成へ向けて前進した。
2 ヘテロ界面において発生する特異的現象を利用した高品質なエッチング技術の開発
窒化物半導体であるAlGaNとGaNのヘテロ接合基板に対して、CL-PECエッチングを行った際に発生する「自己停止現象」を利用したエッチング技術の開発を行った。その結果、AlGaN/GaNのヘテロ界面においてAlGaNの膜厚を数nmレベルで制御できるエッチング技術を開発した。この技術を用いて作製されたリセスゲート型AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMTs)は、未加工面をゲートとしたプレーナーHEMTsと比較して、閾値電圧の均一性向上(標準偏差σ=69.2 mV → 5.46 mV)をはじめとした各種電気的特性の改善が見られた。
以上の結果に関して、民間企業との共同研究を通じた特許化・製品化や、学術雑誌への掲載、国際学会での招待講演等が行われた。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] 7.2段階エッチング法を用いたポーラス窒化ガリウム(GaN)の形成とその光学特性の制御2021

    • 著者名/発表者名
      SATO Taketomo、TOGUCHI Masachika
    • 雑誌名

      電気化学

      巻: 89 号: 4 ページ: 365-369

    • DOI

      10.5796/denkikagaku.21-FE0035

    • NAID

      130008125721

    • ISSN
      2433-3255, 2433-3263
    • 年月日
      2021-12-05
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Self-terminating contactless photo-electrochemical (CL-PEC) etching for fabricating highly uniform recessed-gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs)2021

    • 著者名/発表者名
      Toguchi Masachika、Miwa Kazuki、Horikiri Fumimasa、Fukuhara Noboru、Narita Yoshinobu、Ichikawa Osamu、Isono Ryota、Tanaka Takeshi、Sato Taketomo
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 130 号: 2 ページ: 024501-024501

    • DOI

      10.1063/5.0051045

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fabrication of GaN nanowires containing n<sup>+</sup>-doped top layer by wet processes using electrodeless photo-assisted electrochemical etching and alkaline solution treatment2021

    • 著者名/発表者名
      Shimauchi Michihito、Miwa Kazuki、Toguchi Masachika、Sato Taketomo、Motohisa Junichi
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 14 号: 11 ページ: 111003-111003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac2d45

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Depth profiling of surface damage in n-type GaN induced by inductively coupled plasma reactive ion etching using photo-electrochemical techniques2020

    • 著者名/発表者名
      Yamada Shinji、Takeda Kentaro、Toguchi Masachika、Sakurai Hideki、Nakamura Toshiyuki、Suda Jun、Kachi Tetsu、Sato Taketomo
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 13 号: 10 ページ: 106505-106505

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abb787

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Fabrication of Recessed-Gate AlGaN/GaN HEMTs by Low-Damage Contactless Photo-Electrochemical (CL-PEC) Etching2022

    • 著者名/発表者名
      Masachika Toguchi, Kazuki Miwa, Fumimasa Horikiri, Noboru Fukuhara, Yoshinobu Narita, Osamu Ichikawa, Ryota Isono, Takeshi Tanaka, and Taketomo Sato
    • 学会等名
      ISPlasma2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 低損傷コンタクトレス光電気化学エッチング を利用したリセスゲート AlGaN/GaN HEMTs の作製2021

    • 著者名/発表者名
      渡久地 政周、三輪 和希、堀切 文正、福原 昇、成田 好伸、市川 磨、磯野 僚多、田中 丈士、佐藤 威友
    • 学会等名
      2021年度電子デバイス研究会(ED研)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] コンタクトレスエッチング光電気化学エッチングによるリセスゲート AlGaN/GaN HEMT の作製 (2)2021

    • 著者名/発表者名
      渡久地 政周, 三輪 和希, 堀切 文正, 福原 昇, 成田 好伸, 吉田 丈洋, 佐藤 威友
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光電気化学エッチング法を用いたAlGaInN/AlGaN リセスゲート HFET の作製2021

    • 著者名/発表者名
      伊藤 滉朔, 小松 祐斗, 渡久地 政周, 井上 暁喜, 三好 実人, 佐藤 威友
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] n+GaN 基板上 n-GaN 層の光電気化学 (PEC) エッチング時のカソード電極2021

    • 著者名/発表者名
      福原 昇, 堀切 文正, 渡久地 政周, 三輪 和希, 大神 洸貴, 佐藤 威友
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Precise control in threshold voltge of AlGaN/GaN HEMTs utilizing a photoelectrochemical (PEC) etching2021

    • 著者名/発表者名
      T.Sato, M.Toguchi, K.Itoh, T.Hashizume
    • 学会等名
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of Recessed-Gate AlGaN/GaN HEMTs Utilizing Contactless Photo-Electrochemical Etching2020

    • 著者名/発表者名
      M.Toguchi, K.Miwa, F.Horikiri, N.Fukuhara, Y.Narita, O.Ichikawa, R.Isono, T.Tanaka, T.Sato
    • 学会等名
      2020 Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid State Science (PRiME 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photo-Electrochemical Etching and Porosification of Ⅲ-Nitride Semiconductors2020

    • 著者名/発表者名
      T.Sato, M.Toguchi
    • 学会等名
      2020 Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid State Science (PRiME 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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