| 研究課題/領域番号 |
16H04347
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| 研究機関 | 福井大学 |
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研究代表者 |
葛原 正明 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (20377469)
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| 研究分担者 |
只友 一行 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (10379927)
ASUBAR JOEL 福井大学, テニュアトラック推進本部, 講師 (10574220)
山本 あき勇 福井大学, 工学(系)研究科(研究院), その他 (90210517)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 窒化物半導体 / パワーデバイス / 基板 / 耐圧 / 絶縁破壊 / 高電子移動度トランジスタ |
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| 研究実績の概要 |
窒化物半導体高電子移動度トランジスタ（GaN-HEMT）を転位密度が低い（～1x10^6 cm-2）半絶縁性の自立GaN基板上に試作し、そのドレイン耐圧をゲート－ドレイン電極間の距離で除した実効破壊電界は、広く予測された値（～3 MV/cm）に対して、実測値は～1 MV/cmに過ぎないことが知られており、この値を向上させるための指針を得るとともに実測値を向上させることが本研究の目的である。実験には、市販の半絶縁性GaN基板に加えて、研究分担者である山口大の只友一行教授からGaN基板サンプルの供給を受けることにより実施した。基板の高抵抗化には不純物としてFeを添加し、Fe添加量と基板の抵抗率および実効破壊電界との各相関を得ることを目標とした。測定においては、デバイスの真性部分（主たるドレイン電流が流れる部分）以外のエピタキシャル層はすべて半絶縁性GaN基板に到達するまでICPドライエッチングを用いて除去した。この時のメサエッチング深さは1400nmとした。
試作したHEMTのゲート長は3um、ゲート－ドレイン電極間距離Lgdは4 umから50 umまで変化させた。同様に半絶縁性GaN基板上に対向するオーミック電極間の破壊特性を電極間距離の関数としてプロットした。求めた破壊電圧をゲート－ドレイン電極間隔Lgd（またはオーミック電極間距離）の関数としてプロットした時の直線関係の傾きを実効破壊電界と定義した。この結果、Feを不純物として高濃度（～4x10^20 cm-3）に添加した半絶縁性GaN基板において、世界最高の破壊電界強度2.2 MV/cmを得た。この基板の抵抗率を電流電圧特性から求めたところ、3x10^10 Ωcmを超える高い抵抗率が確認できた。今回の評価から、半絶縁性GaN基板の実効破壊電界と抵抗率の間に綺麗な正の相関があることが明らかとなった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
市販の半絶縁性GaN基板に加えて、研究分担者である山口大の只友一行教授からGaN基板サンプルの供給を受けることにより、半絶縁性GaN基板の抵抗率と実効破壊電界強度との相関について検討を進めた。基板の高抵抗化には不純物としてFeを添加し、Fe添加量と基板の抵抗率および実効破壊電界との各相関について調べた。測定においては、高電圧印加時にメサエッチングされた周辺部からの漏れ電流の影響を抑えるため、デバイスの真性部分（主たるドレイン電流が流れる部分）以外のエピタキシャル層はすべて半絶縁性GaN基板に到達するまでICPドライエッチングを用いて除去した。この時のメサエッチング深さは1400nmとした。
HEMT（または半絶縁性GaN基板上に対向するオーミック素子）電極間の破壊電圧をゲート－ドレイン電極間隔Lgd（またはオーミック電極間距離）の関数としてプロットした時の直線関係の傾きを実効破壊電界と定義した。この結果、Feを不純物として高濃度（1x10^20 cm-3）に添加した半絶縁性GaN基板において、世界最高の破壊電界強度2.2 MV/cmが得られた。この基板の抵抗率を電流特性から求めたところ、3x10^10 Ωcmを超える高い抵抗率が確認できた。今回の評価から、半絶縁性GaN基板の実効破壊電界と抵抗率の間に正の相関があることが明らかとなった。この関係から、更なる高い実効破壊電界を得るためには、基板の高抵抗化が重要であることが明らかとなり、この知見に基づいて、H30年度の研究を進めることとした。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度（H29年度）は、自立GaN基板の高抵抗化については市販メーカーを通じてGaNの残留ドナー濃度の更なる低減化を依頼し、さらに高い抵抗率をもつGaN基板の開発を目指した。また、Fe添加濃度した半絶縁性GaN基板の高抵抗化については、山口大学（只友教授）に高Fe濃度化と深さ濃度分布の最適化を依頼した。この結果、最高3x10^10 Ωcmを超える高い抵抗率をもつGaN基板において、最高2.2 MV/cmというこれまでで最も高い実効破壊電界強度(世界最高値に相当)を達成することに成功した。しかしながら、Fe添加濃度が～4x10^20 cm-3と高いため、その後の熱処理に弱く、高い抵抗率と破壊電界の値はいずれも400 ℃以上の高温処理で低下してしまうことが判明した。
本年度（平成30年度）は、昨年度の結果を考慮して、Fe添加濃度を10^19 cm-3オーダーまで下げた半絶縁性GaN基板を作製し、その室温における抵抗率、破壊電界強度、高温での安定性確保について検討する。この検討を8月までに終え、9月からは得られた高抵抗GaN基板上にHEMT構造をエピタキシャル成長し、福井大学の標準プロセスを用いてHEMTを試作し、HEMTの破壊電界強度として1.5 MV/cm以上の世界最高性能の実現を目指す。また、半絶縁性GaN基板の高破壊耐圧化（>2.2 MV/cm）については、引き続き研究分担者の只友教授と議論しつつ実験を進めるものとする。
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