成果報告書詳細
管理番号20110000000775
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー使用合理化技術実用化開発 インバータ高効率化のためのGaN双方向スイッチの研究開発
公開日2011/7/28
報告書年度2008 - 2010
委託先名国立大学法人名古屋工業大学
プロジェクト番号P03033
部署名エネルギー対策推進部
和文要約 本研究の目的は、4インチ径以上のSi基板上に膜厚6μm・耐圧800Vを有するAlGaN/GaNヘテロ構造のエピタキシャル成長技術を確立し、さらにヘテロ界面の品質改善を行い室温での移動度2000cm2/Vs以上を達成することである。
 結晶成長は横型MOCVD装置を用いた。III族源としてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、V族源として高純度アンモニア、キャリアガスとして水素を使用した。基板は4インチ径Si(111)用い、AlGaN/AlN中間層、多層膜層、GaN層、AlGaNバリア層を順次成長させた。
 クラック無しで総膜厚7.0 μmまでの厚膜化に成功した。また、総膜厚9.0 μmの試料では、周辺から20 mmの領域でクラックが発生した。エピ層表面及びSi基板裏面にオーミック電極を形成した時のエピ層(縦方向)耐圧は、総膜厚が増加するにつれて増加する傾向にあり、総膜厚が5 μmの時に約900Vの耐圧が得られた。また、その傾きから1.8x106 V/cmの絶縁破壊電界強度が得られた。横方向耐圧も総膜厚とともに増加し、総膜厚5.5 μmにおいて1100 Vと良好な耐圧を得られた。さらに、成長したGaN層に発生したピットが耐圧に影響することが明らかになった。AlGaN/GaNヘテロ構造において、厚さ1 nmの超薄膜AlNスペーサ層を挿入することにより、急峻なヘテロ界面が形成され移動度2400 cm2/Vsが得られた。これは、AlGaNバリア層とGaN層の界面にAlNスペーサ層を挿入することにより、障壁層/チャネル界面でのバンド端オフセットECが大きくなり、アロイ (合金) 散乱が抑制されたためと考えられる。
英文要約Title: Strategic Development of Technology for Efficient Energy Utilization / Project of Application Technology Development for Energy Conservation / R&D of bidirectional GaN power switching device for high efficiency inverter technology (FY2008-FY2010) Final Report :
The growth of GaN based HEMTs on Si substrate is challenging due to large lattice mismatch and difference in thermal conductivity. However it is very important to optimize the growth because only Si supports low cost and large scale fabrication. The study aimed at demonstrating good quality AlGaN/GaN HEMT epi-layers on 4-inch Si substrate using thick buffer to lower the dislocations. Increasing buffer thickness facilitated the growth of thick GaN (beyond 1 ~m) on Si. Thus for a buffer thickness of 5 ~m growth of thick GaN up to 2 ~m thickness was achieved making a total thickness of 7 ~m on silicon with a bowing of 80 ~m.
The vertical breakdown was measured for thick epi-layers grown on Si. It showed a linear increase in the breakdown voltage with increasing the total thickness of the epi-layer. For a 5 ~m thickness layer, a vertical breakdown of 900 V was observed. Based on the summary of our breakdown voltage vs total thickness, a breakdown field of 1.8x106 V/cm was achieved compared to theoretical limit of 3.0x106 V/cm for an ideal GaN.
In order to study the resistive nature of i-GaN, horizontal breakdown across 10 ~m ohmic gap placed on i-GaN was studied. A steady increase in breakdown voltage was observed with increase in the thickness of epi-layer. Thus a high breakdown of 1180 V achieved for 7 ~m thick epi-layer. Hence our effort to grow a GaN on thick buffer improved the GaN quality in addition to strengthening the buffer for breakdown enhancement. Though the breakdown increased linearly with increase in the thickness of epi-layer, poor breakdown was observed for epi-layers which had deep-pits on the surface of the AlGaN layer. Therefore it was necessary to investigate the problem involving deep-pits.
  Hexagonal pyramid shaped deep-pits of 1-2 ~m in size are visible using a Nomarski microscopic. When deep pits are present there is an excess leakage observed through buffer and substrate causing a low breakdown. As the density of deep pits increased there was a drastic degradation in the breakdown. The cross sectional images of TEM showed hexagonal V-shaped pit originating down from Si substrate and running throughout the epi-layer. These etch pits originating at the silicon substrate run throughout the epi-layers up to surface causing deep surface pits. Thus deep pits found on surface originate from the substrate and behave like micro-pipes which act as a trapping path for the flow of high leakage current through buffer and substrate.
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