成果報告書詳細
管理番号20140000000247
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究 (事前研究一体型) 超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発
公開日2014/7/1
報告書年度2011 - 2013
委託先名国立大学法人京都大学 国立大学法人東京工業大学 独立行政法人情報通信研究機構 株式会社タムラ製作所 株式会社光波
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約件名:平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究(事前研究一体型) 「超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発」

酸化ガリウム(Ga2O3)は、SiC, GaNよりバンドギャップの広い半導体で、Ga2O3を用いた電子デバイスは、高い耐圧、出力、効率といったパワーデバイスに適した特性が見込まれる。Ga2O3のもう一つの大きな特徴は、融液成長にて単結晶基板が作製可能なことである。この点は、莫大なエネルギーとコストを必要とする既存のSiC, GaN基板の作製法とは大きく異なり、実用化を考えた場合絶対的な優位性を持つ。またホモエピ成長を基本としてデバイスの研究開発を行いうる点も、きわめて有利な点である。
本研究開発は、超高耐圧Ga2O3パワーデバイスの実現に向けた基盤技術の構築を目的に、産学官共同体制で実施したものである。大型基板作製技術、エピ・プロセス技術など、Ga2O3パワーデバイスの実現に必須の技術開発を行い、デバイスとしての性能を実証するとともに、製造コストの低減やデバイスの信頼性の向上に寄与する基盤技術開発を行った。得られた成果の概要を以下に示す。
1. EFG法により、双晶欠陥フリー領域が94mm幅の4インチ基板と欠陥密度が10^4cm-2以下の2インチ基板を作製し得た。また、横型デバイスのための10^12ohmcmという高い抵抗率を持つ基板を得た。さらに、6インチサイズの結晶育成が可能であることを示した。
2. MBEを用いたbeta-Ga2O3のホモエピタキシャル成長を行い、表面粗さが1nm以下と平坦で結晶性に優れたホモエピ膜を実現したとともに、ドナー濃度10^15-10^16cm-3の制御を達成した。
3. 安全で低コストの結晶成長法の確立を目指し、ミストCVD法による結晶成長技術の開発を行なった。この技術では安価なサファイア基板上に結晶性の優れたalpha-Ga2O3が成長するという特徴があり、alpha-(AlInGa)2O3混晶による3.7-7.8eVのバンドギャップ制御や優れたヘテロ界面を実証した。成長速度も2micron/h以上の値を得た。今後ドナー濃度を再現性良く制御する技術の開発が課題である。
4. PLD法で成長したbeta-Ga2O3では、ドナー濃度10^17-10^19 cm-3の制御に成功した。今後さらに低キャリア濃度の制御が課題である。(AlGa)2O3においては、Al組成0.62までバンドギャップの組成依存性を確認し、(AlGa)2O3/Ga2O3ヘテロ界面においては、MOSFETや二次元電子ガスとしての利用につながる電子の蓄積を確認した。
5. MBE法で成長したbeta-Ga2O3のホモエピタキシャル層を用い、Ga2O3 MESFETによる初めての単結晶Ga2O3トランジスタの動作実証に成功した。更に、ディプレッション型MOSFETの開発に成功し、ドレイン電流オン/オフ比10桁以上、三端子オフドレイン耐圧400 V以上という優れたデバイス特性を示した。ノーマリーオフ化が未達成であり、今後取り組むべき課題である。
6. MBE法で成長したbeta-Ga2O3のホモエピタキシャル膜を用いてショットキーダイオードの研究開発を行い、ショットキー理想係数がほぼ1の高品質なショットキーコンタクトを実現した。今後、低濃度厚膜成長技術を確立し、電界集中緩和構造の開発及びそれを用いた高耐圧動作の実証が課題である。
 以上を通じて、Ga2O3のMOSFETを世界で初めて実現し、パワーデバイスとして一層発展しうる結果を得たことは、最も強調すべき成果であると言える。今後、広い共同研究体制により、実用化に向けて加速した研究開発を進めて行きたい。
英文要約Title:Research and Development Program for Innovative Energy and Efficiency Technology. Research and Development of Ultra-High-Voltage Gallium Oxide Power Devices (FY2011-FY2013) Final Report

Electronic devices with gallium oxide (Ga2O3), whose band gap is wider than that of SiC or GaN, are expected to show high performance as power devices in breakdown field, output power, and efficiency. It is another advantage of Ga2O3 that single crystalline substrates are available by a solution method, different from SiC and GaN substrates which need high energy and costs in the growth. An additional advantage lies in that the research on devices can be carried out with homoepitaxy.
This project has been conducted aiming at establishing basic and key technologies for Ga2O3 power devices toward extremely high-voltage applications. The research subjects include large substrate growth, epitaxy and process technologies, demonstration of the device performance, and future technologies to lower the process cost and enhance the device reliability. The results are summarized as follows;
1. 4-inch wafers with twin-defect-free region of 94 mm in width and 2-inch wafers with the defect density of <10^4 cm-2 were successfully grown by the EFG method. The highest resistivity of 10^12 ohm cm was shown, which can fit lateral device configurations. 6-inch size crystals were also demonstrated.
2. Homoepitaxial MBE growth resulted in highly-crystalline beta-Ga2O3 layers with superior surface (roughness RMS<1 nm) and donor concentration control in the range of 10^15-10^16 cm-3.
3. Growth of Ga2O3 by mist CVD, which is a safe and low-cost method, has been investigated. This allowed highly-crystalline alpha-Ga2O3 on inexpensive sapphire substrates, followed by the band gap tuning of 3.7-7.8 eV with alpha-(AlInGa)2O3 alloys and smooth hetero-interface. The growth rate could be >2 micron/h. Reproducible control of donor concentration is forwarded to the future research.
4. With the PLD growth of beta-Ga2O3, donor concentration control in the range of 10^17-10^19 cm-3 was demonstrated, though the lower concentration is the future target. Band gap tuning with (AlGa)2O3 was successful for Al=0.62. Electron accumulation at the (AlGa)2O3/Ga2O3 hetero-interface was evidenced, promising to MOSFET and 2DEG.
5. We for the first time demonstrated single-crystal Ga2O3 transistors by MESFETs using MBE-grown homoepitaxial beta-Ga2O3 layers. Subsequently, depletion-mode MOSFETs were fabricated and showed the target performance such as a three terminal off-state drain breakdown voltage of over 400 V and a drain current on/off ratio of higher than 10 orders of magnitude. Normally-off operation is a leftover work for future R and D.
6. Schottky diodes fabricated with the use of MBE-grown homoepitaxial beta-Ga2O3 layers showed high-quality Schottky contacts as highlighted by the ideality factor of close to 1. High-field operation with guard-ring structures is a subject of the future research.
The world’s first demonstration of Ga2O3 MOSFETs supports marked evolution as power devices in the future. The research will be accelerated to the market applications with the enhanced collaboration.
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