| 研究課題/領域番号 |
22K04227
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
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| 研究機関 | 豊田工業大学 |
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研究代表者 |
岩田 直高 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任教授 (40708939)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | GaN(窒化ガリウム) / 環境発電(エナジーハーベスティング) / 低オン電圧 / 高耐圧 / 整流用ダイオード / GaN / ゲーテッドアノードダイオード / 高電子移動度トランジスタ / スーパー接合 / 環境発電 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、低電圧から高電圧までの電気エネルギーを高効率で整流する環境発電向けのGaNヘテロ構造ダイオードを創製する。この素子は、0Vのオン電圧と高耐圧特性を兼ね備えたp型GaNゲートを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタとすべての正と負の空間電荷を厳密に平衡させた高耐圧スーパー接合構造を組み合わせた独自のゲーテッドアノード構造が特徴である。さらに、より高電流化を図るために空間電荷濃度を平衡させたドナーとアクセプタの追加ドーピングを行っても高耐圧特性が同時に得られることを示し、環境発電用の高効率なGaN整流ダイオードを創製する。
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| 研究実績の概要 |
IoT端末への電力供給では、電波や振動などの環境エネルギーを電気エネルギーに変換して端末ごとに貯蔵することが望まれる。微弱な電波の受信や床振動をピエゾ素子で発電した場合は、極めて低い電圧からパルス状の高い電圧までを、低い損失で整流できるダイオードが必要である。我々は、p型GaNゲートを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)と正と負の空間電荷を厳密に平衡させたスーパー接合構造の組み合わせによる独自のゲーテッドアノードダイオード(GAD)の研究を進めた。本研究の目的は、低電圧から高電圧までの電気エネルギーを高効率で整流するGaNヘテロ構造ダイオードの創製である。
これまでに、AlGaN層上のp型GaN層を2領域に分けて、異なる厚さを有するp型GaNゲート構造を検討した。まず、カソードから遠いp-GaNアノード領域(ゲートⅠ)でHEMTのしきい値電圧を0V付近に制御した。そしてカソード側のp型GaN領域(ゲートⅡ)では、p型GaNの薄層によりAlGaN層上下のヘテロ界面に生じる負と正の分極電荷に加えて結晶成長時の残留不純物であるSiドナーと素子表面や基板との成長界面の欠陥電荷も加味して厳密に釣り合わせることで、高耐圧化を図った。次に、順方向の電流-電圧特性の良好な線形化を目指して、p型GaNゲート構造のゲートⅠ領域を詳細に検討した。このオーミック電極を形成した領域は、ゲート下のHEMTチャネルの変調とpnダイオードとして正孔の注入を行う。この領域の構造検討ではシミュレーションを用いてHEMT電流とダイオード電流の関係を調べ、線形性の良い電流-電圧特性が得られる構造を明らかにした。さらに、p型GaNゲートの積極的な正孔注入を目論んでオーミック電極の接触抵抗低減を目指し、Au/Ni電極の熱処理時に酸素添加の検討を行い、NiOの形成を促進して低接触抵抗を実現した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
環境発電向けに、理想的な特性の整流用ダイオードが求められる。すなわち、環境中の微弱な電波の整流用に0V付近のオン電圧、高い整流効率を実現するための低いオン抵抗、線形の高電流特性と、逆方向に急激な高電圧が印加された場合の電流抑止と破壊防止のため高耐圧特性を兼ね備えたダイオードの実現である。
これまでに、p型GaNゲートHEMTのゲートとチャネルの一方を接続したGAD構造において0Vのしきい電圧が得られるように、ゲートⅠ領域のAlGaN層上のp型GaN層の厚さとMgドープ濃度を厳密に設計、作製した。その膜厚は40nmと見積もられたので、ドライエッチングによるp型GaN層の薄膜化を精密に制御した。さらに、そのカソード側のゲートⅡ領域のp型GaN層の厚さは20nmと薄膜化した。これにより、AlGaN層上下のヘテロ界面に生じる負と正の分極電荷に加えて結晶成長時の残留不純物であるSiドナーと素子表面や基板との成長界面の欠陥電荷も加味して厳密に釣り合わせることで高耐圧化を図った。この検討結果を盛り込んだウエハ構造を中国エピメーカに発注したところ、中国のGa輸出規制で輸出の許可が得られないため、日本エピメーカに昨年度発注し直したところ、入手することができた。これにより、実証デバイスの作製開始には遅れが生じたので、1年間の研究時間の延長を認めていただいた。しかし実際には、デバイスシミュレータを用いて線形性の良い電流-電圧特性が得られるゲート構造を設計したうえで、これまで使用してきたSi基板上のエピタキシャルウエハを用いて表面のp型GaN層の厚さをドライエッチングで40nmに揃えたウエハを用いて、さらに正孔注入増大によるダイオード電流の増加を目論んだp-GaN層への低抵抗オーム性接触電極の良好な結果を適用して試作評価を進めたところ、良好な特性が得られたのでIWN2024で成果を発表した。
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| 今後の研究の推進方策 |
環境発電向けには理想的な特性の整流用ダイオードが求められており、0Vオン電圧、低オン抵抗(高電流)、高耐圧特性の各素子特性を同時に実現する必要がある。
2025年度は、これまでの試作結果に基づいて設計したウエハを用いて、まずはすべての正と負の空間電荷を厳密に平衡させた高耐圧SJ構造の検討を行う。これには、今までの成果を盛り込んだp型GaNゲートHEMT用の実証確認ウエハを適用する。中国政府のGa輸出規制により出荷に目途が立たなくなったエピタキシャルウエハを、日本のエピメーカに昨年度発注し直し、入手することができた。この成果を盛り込んだp型GaNゲートHEMT用の実証確認ウエハであり、良好な品質を確認した。このウエハを用いて、円形の大型GADの作製と評価により整流特性を確認する。これには、デバイスシミュレータを用いたゲート構造の設計に着目した新構造ダイオードの研究成果も適用する。
次に、その開発したダイオードを用いて実用的な整流回路の検討を行う。まずは、半波整流回路で、基礎的なデータを取得する。これには、実際の電波の整流を想定して小型に組みあげた回路による高周波帯での評価も含める。回路の構成では、実用的な全波整流用のダイオードブリッジや両波倍電圧整流回路などを検討する。本研究によるダイオードを用いた高効率で高出力な整流システムはIoT端末への電力供給に適しており、これの実現につなげる。
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