強誘電性κ-Ga2O3の超低消費電力パワーデバイスの開拓

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01527
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 京都工芸繊維大学
• 研究代表者: 西中 浩之 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (70754399)
• 研究分担者: 池永 訓昭 金沢工業大学, 工学部, 准教授 (30512371) ; 蓮池 紀幸 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (40452370) ; 上田 修 明治大学, 研究・知財戦略機構(生田), 研究推進員(客員研究員) (50418076) ; 宮戸 祐治 龍谷大学, 先端理工学部, 准教授 (80512780)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 酸化ガリウム / 強誘電体 / ミストCVD / 高移動度トランジスタ / 単一ドメイン

研究実績の概要

本研究では、酸化ガリウム（Ga2O3）の中で唯一分極をもつ強誘電体のκ-Ga2O3の高電子移動度トランジスタ（HEMT)を形成して、GaNを超える高周波デバイスが実現できるかどうかを明らかにする。その検討では、GaNを超える大きな分極を利用した高濃度の二次元電子ガスの実証、その二次元電子ガスを用いたHEMT動作の実証、強誘電体特性を利用したノーマリーオフ動作の実証、κ-Ga2O3の基礎物性の解明の検討を進める。
二次元電子ガスの実証に向けて、κ-Ga2O3/κ-(InxGa1-x)2O3とκ-(AlxGa1-x)2O3/κ-Ga2O3の積層構造を形成し、コヒーレント成長することに成功した。コヒーレント成長したものの電気特性評価がまだできていない。これは電極のオーミック特性などが十分でないためである。また、ε-GaFeO3基板からのFeの拡散の影響を低減するために格子整合するκ-(InxGa1-x)2O3の厚膜化の検討を行った。格子整合するため厚膜化してもクラックなどが導入されないことが分かった。現在はこの厚膜化したκ-(InxGa1-x)2O3の電気特性の評価や積層膜の形成の検討を行っている。
また、κ-Ga2O3はGa2O3の準安定相の一つであるが、他の準安定相のδ-Ga2O3の形成を行い、その物性評価を進めている。そのバンドギャップは4.9～5.0 eV程度であることがPLE測定などから明らかにした。また、フォトディテクタ動作の検討を行い、このδ-Ga2O3が半導体であることを初めて実証した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

ヘテロ接合の形成まで達成したものの、まだ電気特性評価ができていない。電気特性評価を妨げているのは、十分なオーミック特性が取れていないことなとが考えられるため、今後RTAによるオーミック特性の改善などを行い、二次元電子ガスの検証を進めていく。
一方でκ-Ga2O3の基礎物性評価は順調に進んでいる。単一ドメインのラマン測定やPL/PLE測定などを国外の研究機関と共同研究しており、従来の回転ドメインがある結晶では得られなかった結果が得られてきている。また、ε-GaFeO3上のGa2O3の欠陥評価も進めており、臨界膜厚の評価や転位評価も進めている。これらの結果は単一ドメインのκ-Ga2O3しか行うことができず、本研究によって明らかにできている。さらにε-GaFeO3上のMBE成長したGa2O3の検討なども国外の研究機関と共同研究で行っている。

今後の研究の推進方策

κ-(InxGa1-x)2O3の厚膜を形成することでFeの拡散の影響を低減することに成功しているため、このκ-(InxGa1-x)2O3を利用して、ヘテロ接合を形成し、まずは二次元電子ガスの実証を進めていく。二次元電子ガスが実証できれば、その後高電子移動度トランジスタの作製を行い、その動作実証、評価を進めていく。
また、κ-(InxGa1-x)2O3の厚膜化によって、単一ドメインのκ-Ga2O3の導電性の評価も可能となった。κ-Ga2O3系の物性評価としてドナー添加による導電性の制御の検討も進め、その電気的特性評価を
また、基礎物性の解明について、転位評価では平面TEM評価を行うことで転位の同定を進めていく。また、ε-GaFeO3上のκ-Ga2O3の臨界膜厚の評価、ラマン分光評価、PL/PLE評価なども継続評価していく。

研究成果

• [国際共同研究] パルマ大学(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: パルマ大学
• [国際共同研究] ポールドルーデ研究所/ベルリン工科大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ポールドルーデ研究所/ベルリン工科大学
• [国際共同研究] バレンシア大学(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: バレンシア大学
• [雑誌論文] Crystallographic and band structure analysis of β-(AlxGa1-x)2O3/β-(InyGa1-y)2O3 thin film grown on β-Ga2O3 substrate via mist CVD (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Masahiro、Nishinaka Hiroyuki、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 14 ページ: 045102
  • DOI: 10.1063/5.0190684
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Demonstration of vertical schottky barrier diodes based on α-Ga2O3 thin films enabled by corundum structured rh-ITO bottom electrodes (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kazuki、Nishinaka Hiroyuki、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: MRS Advances 巻: 9 ページ: 646-650
  • DOI: 10.1557/s43580-024-00785-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heteroepitaxial growth of a-, m-, and r-plane α-Ga2O3 thin films on rh-ITO electrodes for vertical device applications (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kazuki、Nishinaka Hiroyuki、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 630 ページ: 127596～127596
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2024.127596
  • 査読あり
• [雑誌論文] High conductivity of n-type β-Ga2O3(010) thin films achieved through Si doping by mist chemical vapor deposition (2024)
  • 著者名/発表者名: Hosaka Shoma、Nishinaka Hiroyuki、Ogawa Temma、Miyake Hiroki、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 14 ページ: 015040
  • DOI: 10.1063/5.0182448
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TEM characterization of defects in κ-(InxGa1-x)2O3 thin film grown on (001) FZ-grown ε-GaFeO3 substrate by mist CVD (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueda Osamu、Nishinaka Hiroyuki、Ikenaga Noriaki、Hasuike Noriyuki、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: 125501～125501
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad07fb
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Materials Accelerating the Development of Ubiquitous Devices (2023)
  • 著者名/発表者名: NISHINAKA Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of the Society of Materials Science, Japan 巻: 72 ページ: 750～756
  • DOI: 10.2472/jsms.72.750
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epitaxial Growth of δ‐Ga2O3 Thin Films Grown on YSZ and Sapphire Substrates Using β‐Fe2O3 Buffer Layers via Mist Chemical Vapor Deposition (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato Takahiro、Nishinaka Hiroyuki、Shimazoe Kazuki、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 巻: 221 ページ: 2300582
  • DOI: 10.1002/pssa.202300582
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vertical self-powered ultraviolet photodetector using α-Ga2O3 thin films on corundum structured rh-ITO electrodes (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kazuki、Nishinaka Hiroyuki、Taniguchi Yoko、Kato Takahiro、Kanegae Kazutaka、Yoshimoto Masahiro
  • 雑誌名: Materials Letters 巻: 341 ページ: 134282～134282
  • DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134282
  • 査読あり
• [学会発表] Mist CVD for tailoring five polymorphs via epitaxial techniques (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Nishinaka,
  • 学会等名: SPIE Photonics West
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 可視光応答型光触媒応用に向けた Bi 添加In2O3 薄膜およびナノロッドの作製とその光学特性評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 谷口陽子，西中浩之，島添和樹，川原村敏幸，鐘ケ江一孝，吉本昌広
  • 学会等名: 材料学会半導体エレクロトニクス部門委員会第3回研究会
• [学会発表] Vertical α-Ga2O3 Device Applications Enabled by Same Crystal Structured Indium Tin Oxide Electrode via Mist Chemical Vapor Deposition (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Shimazoe, H. Nishinaka, T. Ogawa, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: 2023 MRS Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative Study of Temperature-Dependent Bandgap Transitions in Ga2O3 Polymorphs (2023)
  • 著者名/発表者名: Benjamin M. Janzen, N. Hajizadeh, M. Meiner, M, Marggraf, C. Hartung, Z. Galazka, P. Mazzolini, A. Sacchi, R. Fornari, C. Petersen, H. von Wenckstern, M. Grundmann, E. Kluth, M. Feneberg, R. Goldhahn, T. Oshima, T. Kato, H. Nishinaka, J. Varley, M. Wagner
  • 学会等名: The 6th U.S. Galium Oxide Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Mist chemical vapor deposition of α-Ga2O3 and α-Fe2O3 thin films on corundum-structured rh-ITO electrode (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Shimazoe, H. Nishinaka, T. Kato, Y. Taniguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy 20th
  • 国際学会
• [学会発表] Tailoring Five Polymorphs of Ga2O3 using Mist CVD" (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Nishinaka, K. Shimazoe, M. Kaneko, T. Ogawa, T. Kato, Y. Taniguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: Ultra-wide bandgap oxides 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Incorporation of Bismuth into In2O3 and Ga2O3 thin films to introduce intermediate levels (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Taniguchi, H. Nishinaka, K. Shimazoe, T. Kawaharamura, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: Ultra-wide bandgap oxides 2023,
  • 国際学会
• [学会発表] Epitaxial growth of δ-Ga2O3 thin films using β-Fe2O3 buffer layers grown on YSZ and sapphire substrates by mist CVD (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Kato, H. Nishinaka, K. Shimazoe, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Visible-light absorption of In2O3 thin films and nanorods by incorporation of Bismuth for visible light-responsive photocatalyst (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Taniguchi, H. Nishinaka, K. Shimazoe, T. Kawaharamura, K. Kanegae, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: European Materials Research Society 2023 Spring Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] α-(Ga,Fe)2O3光電極のミストCVD成長とその評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤良，島添和樹， 西中浩之，吉本昌広
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [学会発表] コランダム構造酸化物ヘテロ構造のミストCVD成長とデバイス応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添和樹， 西中浩之，吉本昌広
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [学会発表] ミスト CVD 法によるビックスバイト構造 δ-Ga2O3 薄膜を用いた紫外光検出器 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤貴大, 西中浩之, 島添和樹，吉本昌広
  • 学会等名: 第20回薄膜材料デバイス研究会
• [学会発表] Realizing Vertical Corundum-Structured Oxide Devices with Rhombohedral Indium Tin Oxide Bottom Electrode (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添和樹，西中浩之, 吉本昌広
  • 学会等名: The 42th Electronic Materials Symposium
• [学会発表] ミストCVDによるSiドープβ-Ga2O3薄膜のホモエピタキシャル成長 (2023)
  • 著者名/発表者名: 保坂祥馬，西中浩之，小川典真，三宅裕樹，吉本昌広
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [産業財産権] 複合基板、半導体装置および複合基板の製造方法 (2023)
  • 発明者名: 西中浩之
  • 権利者名: 西中浩之
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-129326