| 研究課題/領域番号 |
20K04590
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
三浦 喜直 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90828287)
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| 研究分担者 |
沈 旭強 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 総括研究主幹 (50272381)
中島 昭 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60450657)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 窒化ガリウム / 縦型パワーデバイス / 高耐圧 / 終端構造 / 電界緩和 / イオン注入 / 硼素 |
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| 研究実績の概要 |
本実験では、4inch径の自立n+GaN基板上にエピ成長（n-型層10um／p型層1um／p+型層50nm）したエピウェハを用い、これをチップ化して各種素子の試作・評価を行った。まず硼素イオン注入したpエピ層の電導性を評価するため、円形TLM素子を試作した。pエピ層の電導性は、硼素のドーズ量とともに、終端構造の高耐圧化に適した高抵抗状態から、素子分離に適した絶縁性状態に変化すること、熱的に安定な特性を得るためには注入後に800℃アニールを実施することが望ましいことを見出した。
次に硼素イオンを注入した終端構造の高耐圧化を検証するため、従来型のメサ終端構造に硼素を含む電界緩和領域を埋め込んだ円形pnダイオードを試作した。硼素ドーズ量依存性を調べたところ[B]=8.1E12cm-3で最大耐圧1400Vが得られ、使用したエピウェハのドナー濃度に対応するpn接合の理論耐圧に近いことがわかった。耐圧は電界緩和領域幅とともに増加したことから、提案する終端構造の有効性を確認できた。
pnダイオードへの逆バイアス印加によるアバランシェ発生時のフォトエミッション観察では、硼素ドーズ量とともに発光点がメサエッジ側から硼素注入領域の内側（結晶の平坦な部分）に移動してリング状に発光し、硼素注入なしの場合（メサエッジ上の1点で発光）に比べてアバランシェ電流が分散していることがわかった。この結果から、本終端構造が電気的安定性に有利であることがわかった。
ダイオードと同じチップ上に作り込んだVan der Pauw素子でホール効果測定を行い、pエピ層中のホール濃度が硼素ドーズ量とともに減少していくことがわかった。ダイオード耐圧の硼素ドーズ量依存性との対応から、pエピ層中のアクセプタ濃度低減で終端部の電界集中を緩和させるという本研究が狙うメカニズムを支持する結果を得た。
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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
本研究活動1年目の2020年度は、実施計画記載の項目①～④のうち、同期間に予定していた①（絶縁化した硼素注入結晶層の評価）および②（硼素注入結晶中の基本的な電子物性評価）をほぼ完了することができたため「概ね順調に推移している」とした。
上記（研究実績の概要）で述べたように、硼素を注入したp型層を含むTLM素子を試作してp型層を絶縁化～高抵抗化する硼素注入条件を明らかにしたとの内容、およびこの条件を終端構造に適用してpnダイオードを試作して耐圧の終端構造依存性を評価した内容は、項目①の目標通りである。よって項目①は完了できたと考える。
項目②のp型層評価は、当初ショットキーダイオード試作によって行う予定であったが、界面のp+層が及ぼす影響の解析が難しいことが判明したことから、Van der Pauw素子を新たに試作し、上記に述べたように硼素注入したp型層のHall効果測定を行った。期待する終端構造の高耐圧化メカニズムを支持する電子物性の特徴を抽出することができたことから、項目②の目標は達成できたと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度の研究進捗では、当初の実施計画から進め方を変更した点はあるものの、ターゲットとした終端構造の高耐圧化が期待通りに確認され、概ね順調に進んでいる。現時点では計画変更はせず、当初計画で2021年度以降に実施を予定していた項目③（高抵抗化した硼素注入結晶層の評価）および項目④（絶縁化～高抵抗化のメカニズム検討）を進めていく予定である。項目③では、アクセプタ濃度の制御性を向上し、終端構造をリファインして特性ばらつきの小さいpn終端構造を目指すとともに、素子の完成度を評価するためのアバランシェ耐量の定量的評価も行う。項目④のメカニズム検討は、実用的に要求される熱的・電気的安定性評価の一環として行い、電子物性評価は安定性評価結果の理論づけを目標に2022年度にかけて実施する方針である。
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