成果報告書詳細
管理番号20130000001023
タイトル平成19年度-平成24年度成果報告書 ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造技術開発-窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術の開発
公開日2014/1/24
報告書年度2007 - 2012
委託先名国立大学法人福井大学 サンケン電気株式会社 株式会社豊田中央研究所 シャープ株式会社 古河機械金属株式会社
プロジェクト番号P07030
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成19年度-平成24年度成果報告書 ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造技術開発-窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術の開発

(1)「高品質・大口径単結晶基板の開発」 Naフラックス法において、溶液攪拌技術の高度化と高温成長によって高速成長と結晶の高品質化を図り、HVPE法により開発した低歪み・大口径種基板を用いることで、2-4インチ径の有極性GaN自立基板の開発に成功した。さらに、表面処理技術と繰り返し成長により、4×103cm-2の低転位密度の結晶を実現した。また、Naフラックス法の高速横成長を生かした結合成長技術が、無極性基板の大口径化に有効であることを示した。導電性制御については、Ge添加により比抵抗0.01Ω・cm以下の2インチ径の高導電性GaN結晶を実現した。また、Zn添加したGaN結晶において、有極性面で108Ω・cm、無極性面で105Ω・cmの高い比抵抗を確認した。
(2)「大口径・高品質エピタキシャル成長技術の開発」 4インチ対応、高温成長が可能な、超高速バルブスイッチング加圧デジタルMOVPE装置を開発し、世界ではじめてAlN及びAlGaNの原子層エピタキシャル成長に成功した。本装置で成膜したアンドープGaN層の残留ドナー濃度は1013cm-3以下と高純度で、不純物ドーピングは±10%の精度で制御が可能となった。また、
GaN層の転位密度は、基板と同等もしくは基板以下であることを確認した。4インチc面基板上のGaN層の面内分布評価では、膜厚分布、Si及びMgドーピング濃度分布、いずれも±5%以下と高均一化を実現した。電子デバイス用の高抵抗バッファー層の成長技術として、高V/III、高温成長において、高い制御性を持つカーボンドーピング技術を開発した。さらに、低欠陥へテロ接合構造の実現のため、高In組成、高Al組成のInGaN、AlGaNのエピタキシャル成長技術に取り組んだ。4インチc面基板上にInxGa1-xN層(x>0.5)を成膜し、膜厚分布<±5%、組成分布<±0.5%を確認。不純物ドーピングの制御技術を確立し、SiおよびMg濃度分布において、±5%以下の均一性を確認した。InGaNチャネルHEMTの試作では、2次元電子ガスの高いシートキャリア濃度9.6×1012cm-2と高いチャネル移動度2160cm2/Vsを確認した。4インチc面基板上にAlxGa1-xN層(x>0.5)を成膜し、膜厚分布±3.7%、Al組成分布±0.6%、Si濃度分布±7.4%、Mg濃度分布±12.6%を達成。さらに、開発した転位密度5×104cm-2の低転位AlN基板上のAlGaNチャネルHEMTの優れた特性から、AlN基板の有用性を確認した。評価技術開発として、曲率半径10kmの精度で成長中の基板の反りが評価できる、ウエハ形状その場観察装置を開発した。
(3)「窒化物半導体単結晶基板上電子デバイスの評価」 横型デバイスとして、Naフラックス法2インチ有極性GaN基板上にAlGaN/GaNチャネルFETを試作し、基板全面で良好なFET動作を確認した。Cドープバッファ-の採用により、ドレイン横方向耐圧600V、縦方向耐圧1000V以上の可能性を見出し、また、LEDドライバ、インバータ、デジタルアンプの実機動作に成功した。AlN 基板上のAlGaN チャネルFET の試作で、ドレイン電流の変動が小さい良好な温度特性を確認した。縦型デバイスとしては、pnダイオード、ショットキーダイオードを試作し、転位密度とリーク電流の関係を解析。NaフラックスGaN結晶中の刃状転位と混合転位はリーク電流の主要因ではなく、また、螺旋転位が少ない可能性を示した。無極性a面基板上にHEMTを試作し、a面基板上としては過去に報告例のない優れた特性を確認した。2次元数値解析により、無極性GaN基板上のInGaNチャネル・ダブルヘテロ構造HEMTは、ゲート長30nm以下で遮断周波数が1THz以上となることを予測し、無極性基板上の高周波デバイスとしての可能性を示した。さらに、横型デバイスについてGaN、SiC、Si基板を用いて試作を行い、耐圧1200V以上を得るとともに、縦型ダイオードについても1200V以上の耐圧を得た。

英文要約Title: Development of Nitride-based Semiconductor Single Crystal Substrate and Epitaxial Growth Technology (FY2007-2011) Final Report

(1) Development of High-Quality Large Substrates : Polar 2-4” φ GaN wafers have been developed by the Na flux method with solution stirring and high temperature growth techniques, as well as by using low-strained large-diameter seed substrates, which were successfully grown by HVPE method. Surface treatment and repeated growth on a Na-flux-GaN substrate realized a dislocation density of 3.9 × 103 cm-2. 2” φ GaN crystals with a low specific resistance of 0.01 Ω.cm were successfully grown by the Na-flux method using Ge doping. Specific resistance values of 108 Ω.cm and 105 Ω.cm were achieved for polar and nonpolar GaN wafers, respectively, by the Na-flux method using Zn doping.
(2) Development of High-Quality Epitaxial Films on Large-Size Wafers : New MOVPE equipment with a high-speed gas switching system was developed. Also, the atomic layer epitaxy (ALE) of AlN and AlGaN was realized for the first time using this system. Undoped epitaxial GaN films with residual donor concentration less than 1013 cm-3 were successfully grown, and it was confirmed that precise intentional impurity doping was possible. The uniformity of InxGa1-xN epitaxial layers (x > 0.5) of thickness, In-ratio, and the Si and Mg doping concentration on 4” c-plane substrates were improved to <±5%, <±0.5%, and<±5%, respectively. A two-dimensional electron mobility of 2160 cm2/Vs at two-dimensional electron gas density of Ns = 9.6 × 1012cm-2 was confirmed. The uniformity of AlxGa1-xN epitaxial layers (x > 0.5) of thickness, Al-ratio, Si doping concentration, and Mg doping concentration on 4” c-plane substrates was improved to ±3.7%, 0.6%, 7.4%, and 12.6%, respectively. Free-standing AlN substrates with a low dislocation density of 5e4 cm-2 were developed. The usefulness of the AlN substrates was confirmed from the property of 2DEGs of theAlGaN-channel HEMTs fabricated on them.
(3) Fabrication and Characterization of Electron Devices on Nitride Semiconductor Substrates : AlGaN/GaN HEMTs fabricated on the 2” Na-flux GaN wafer showed normal transistor operations allover the wafer. AlGaN/GaN HEMTs with c-doped buffer layers have a lateral (drain) breakdown voltage of 600 V and a vertical breakdown voltage higher than 1000 V. Using AlGaN/GaN HEMTs on Na-flux GaN substrates, the system operations of an LED driver, an inverter, and a digital amplifier were demonstrated. AlGaN-channel HEMTs fabricated on the AlN substrate showed a nearly constant temperature dependence of the drain current. PN and Schottky diodes were fabricated on Na flux GaN substrates, and the relationship between dislocations in the crystal and leakage currents of those devices was identified. It was shown that Na flux GaN substrates have low concentrations of screw dislocation, which may be the main source of the leakage current. AlGaN/GaN HEMTs fabricated on nonpolar a-plane GaN substrates have exhibited some of the best performances worldwide. Breakdown voltages were compared between AlGaN/GaN HEMTs fabricated using several substrates such as GaN, SiC, and Si. Over 1200V was achieved for all the devices. And also, the breakdown voltage of 1200V was obtained for vertical GaN diodes.
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