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p型GaN基板の実現に向けたHVPE成長技術の研究開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K13672
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分30010:結晶工学関連
研究機関名古屋大学

研究代表者

大西 一生  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任助教 (90963306)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワードGaN / ハライド気相成長法 / 窒化ガリウム / 半導体 / 結晶成長 / p型
研究開始時の研究の概要

次世代パワーデバイスとして有望視されているGaNの物性解明やデバイス性能の向上には高品質なGaN基板が求められる。しかしながら、その伝導型は不純物添加によるn型と半絶縁に限られており、p型GaN基板は実現されていない。本研究では、p型GaN基板の実現に向けて、厚膜成長および不純物添加に適したハライド気相成長(HVPE)法に着目した。HVPE成長条件の探索と作製したp型GaN厚膜の特性を精密に調べることによって、p型GaN基板の実現を目指す。

研究実績の概要

本年度は、p型GaN自立基板実現に向けた結晶成長装置のセットアップを中心に取り組んだ。使用してきたHVPE装置は膜厚の面内分布が悪く、厚膜成長が困難だった。そのため、装置改良に取り組み成長膜厚の面内分布の改善に取り組んだ。その結果、約60 um/hの成長速度において、2 inchウェハ内の面内均一性が良好な結晶を成長させることができた。p型GaNの成長温度依存性を調べたところ、成長温度が低下するにつれ電気的特性が悪化していることが分かった。成長温度の低下につれ、ドナー性欠陥の密度が増加したと考えられる。
一方、p型GaN成長時に蓄えた熱力学解析と成長条件のノウハウを活かして、新奇ドーパントであるSnを用いた高濃度n型ドーピングを試みた。熱力学解析からSnCl2がSn前駆体として有効であることを見出し、SnとHClガスの化学反応によって、SnCl2を生成しドーピングを行った。GaN成長温度の低下に伴い、Sn濃度の取り込み効率が増加し、2E20 cm-3のキャリア密度を有する高濃度Sn添加GaN厚膜が得られた。また、Sn濃度はSnへのHCl供給分圧によっても制御でき、これは熱力学解析結果と矛盾しないことも確認した。さらに、SnはGaN成長においてサーファクタントとして働くことを見出し、低成長温度域においてもSnのサーファクタント効果によって、結晶性が損なわれないことを確認した。これらの知見はSnがGaNへ有効なn型ドーパントとして働くことを示している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は結晶成長装置の改良に時間を要したため、p型GaN厚膜の成長条件の探索を十分に行うことができなかった。よって、やや遅れていると判断した。しかしながら、装置の改良によって膜厚の面内均一性が向上し、60 um/hでの成長速度において膜厚の面内均一が良好な成長条件を得ることができた。そのため次年度はp型GaN厚膜の成長条件探索やその評価に集中でき、課題達成に向けて邁進できる。

今後の研究の推進方策

今年度は、改良したHVPE装置を用いたp型GaN厚膜成長を実施する。特にGaCl供給分圧、NH3供給分圧、および、H2供給分圧に対するp型GaNの構造的特性、光学的特性、および、電気的特性をそれぞれ調査し、成長条件の探索を行う。加えて、熱力学解析を用いた理論的アプローチも組み合わせる。また、p型活性化のために必須となる活性化アニール条件も調査し、高キャリア密度を有するp型GaN厚膜の作製を試みる。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Sn-doped n-type GaN layer with high electron density of 1020 cm-3 grown by halide vapor phase epitaxy2024

    • 著者名/発表者名
      Hamasaki Kansuke、Ohnishi Kazuki、Nitta Shugo、Fujimoto Naoki、Watanabe Hirotaka、Honda Yoshio、Amano Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: 628 ページ: 127529-127529

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2023.127529

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 低抵抗n型GaN基板作製に向けた高濃度Sn添加GaNのHVPE成長2024

    • 著者名/発表者名
      濵﨑 乾輔, 大西 一生, 新田 州吾, 藤元 直樹, 渡邉 浩崇, 本田 善央, 天野 浩
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 縦型パワーデバイス用途に向けたGaNのHVPE成長2023

    • 著者名/発表者名
      大西一生, 濵﨑乾輔, 藤元直樹, 新田州吾, 本田善央, 天野浩
    • 学会等名
      第15回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] High electron density of Sn-doped GaN layer by halide vapor phase epitaxy2023

    • 著者名/発表者名
      Kansuke Hamasaki, Kazuki Ohnishi, Shugo Nitta, Naoki Fujimoto, Hirotaka Watanabe, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
    • 学会等名
      International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-20)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Sn添加GaNのHVPE成長に向けた熱力学的検討2023

    • 著者名/発表者名
      大西 一生, 濵﨑 乾輔, 藤元 直樹, 新田 州吾, 渡邉 浩崇, 本田 善央, 天野 浩
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 高電子密度Sn添加GaNのHVPE成長2023

    • 著者名/発表者名
      濵﨑 乾輔, 大西 一生, 新田 州吾, 藤元 直樹, 渡邉 浩崇, 本田 善央, 天野 浩
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] HVPE growth of thick Sn-doped GaN layers for preparing low-resistivity n-type GaN substrates2023

    • 著者名/発表者名
      Kansuke Hamasaki, Kazuki Ohnishi, Shugo Nitta, Naoki Fujimoto, Hirotaka Watanabe, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
    • 学会等名
      14th International Conference on Nitride Semiconductors 2023 (ICNS-14)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Thermodynamic analysis for halide vapor phase epitaxy of Sn-doped n-type GaN2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Ohnishi, Kansuke Hamasaki, Naoki Fujimoto, Shugo Nitta, Hirotaka Watanabe, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
    • 学会等名
      14th International Conference on Nitride Semiconductors 2023 (ICNS-14)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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