成果報告書詳細
管理番号20160000000869
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム/ 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討/省エネ用縦型GaN/Siパワーデバイスに関する基盤技術開発
公開日2016/11/12
報告書年度2015 - 2016
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P12004
部署名省エネルギー部
和文要約和文要約
【1】縦方向の電気伝導特性の改善
n+-Si(111)基板上にAlN初期層(3nm)、AlGaN緩衝層(20nm)、GaN/AlN(22/5nm)から成る75層の歪超格子層(2μm)及びn-GaN層(1μm、不純物濃度:6x1016 cm-3程度)を成長させた後、n-GaN層表面にオーミック電極(Ti/Al/Ni/Au=15/80/12/40nm、直径=200μm)さらにn+-Si基板裏面にAuSb/Au(20/100nm)で構成されるオーミック電極を形成し、上下方向に電流ー電圧特性を測定した。Siドーピングによる縦方向の直列抵抗を評価するために、AlN層から歪超格子層へのSiH4の供給量を5ー100SCCMに変化させた。また、この構造では、3nmという超薄膜のAlN初期層を用いたトンネル接合により、Si(111)基板上とAlGaN緩衝層との間の電気的な接続を行っている。
SiH4の供給量を5SCCMから10SCCMに増やすことにより、不純物濃度は6.9x1016 cm-3から3.5x1018 cm-3に大きく増加し、更にSiH4の供給量を増加させた場合、飽和傾向にある。SiH4の供給量が100SCCMの場合、2.0x1019 cm-3の不純物濃度が得られた。不純物濃度のSiH4供給量依存性に対応して、SiH4供給量が増加するに従い直列抵抗は減少した。SiH4の供給量が100SCCMの場合、15.7Ωの直列抵抗値が得られた。
以上のように、高い平均Al組成を有するGaN/AlN(22/5nm)歪超格子層中にSiH4を供給することにより、縦方向の直列抵抗を低減することができた。
【2】n--GaNドリフト層のドーピング制御
Si基板上のUID-GaN(Unintentionally Doped GaN)は、欠陥密度が5x1011 cm-2と高く、更にカーボン(C)が取り込まれるため、Siをドーピングしても補償される傾向にある。そのため、n--GaNドリフト層に必要とされる1016 cm-3台のキャリア濃度の制御が困難である。歪超格子による貫通転位密度の低減やGaN層の厚膜化によるGaN層の高品質化により、Siのドーピングを制御し、Siの供給量に対して、5x1015 cm-3ー1018 cm-3のキャリア濃度が制御できた。
【3】GaN/Siエピウエハの反りの制御
GaN/Siエピ構造の縦型導電性向上のためにSiドーピング条件でのエピ成長を行うと、エピウエハ中の面方向応力が増大し、反りの増加や表面クラックの発生が起こっていた。本研究では、従来用いてきた歪超格子AlGaN/AlN多層膜をGaN/AlN多層膜に変更することで、Siドーピング条件下における面方向応力制御を試みた。その結果、Siドーピング条件下であっても、反りやクラック発生を抑制したエピ成長が行えることを確認した。
【4】埋め込みp-GaN層の平坦性確保とドーピング制御
横型MOCVD装置を用いて、c面サファイア基板上にGaN層を2.3µm積層し、再成長用の下地基板を作製し、その後、選択再成長用のマスク(SiO2)をGaN上に成膜した。SiO2成膜後にレジストを塗布し、再成長させる部分のGaN層を露出させるためにSiO2マスクを部分的に除去した。その後、MOCVD装置により、p-GaNを30nmの設計値で再成長させた。再成長させたサンプルのノマルスキー画像とAFM画像では、再成長部分には凹凸が観察されるが、サンプルの断面観察から、約30nm厚の p-GaN層が成長出来ていることが確認され、p型伝導が確認された。
【5】パワーデバイス技術動向と市場・用途の調査
GaNの電子デバイスやバルク結晶技術、SiCデバイスの技術進展状況の調査のため、春季応用物理学会(東工大・大岡山キャンパス)に参加した。GaN系のセッションでは、GaN基板上pn接合ダイオードの電流集中現象についてのシミュレーションに関する報告(法政大)が今後の開発に考慮すべき内容と考えられたほか、縦型GaN-MOSFET(東工大・産総研)、自立GaN基板上MIS-FET(法政大)などGaN電子デバイスに関する技術情報を収集した。SiCについてはプロセス技術の工夫によるMOS界面準位低減のアプローチ(阪大や東大など)について報告があったが、大幅な移動度の改善は見られていないようであった。台湾TSMCは製造受託サービスについて発表。同は、口径150mm(6インチ)のGaN/Siテクノロジーを用い、耐圧40Vと100V、650V ノーマリオン、ノーマリオフ動作の各種HEMTを製造する。受託を開始したのは、耐圧650Vの製品。ドイツX-FAB Semiconductor Foundries社らのグループは、GaNパワー素子と、CMOSプロセスで製造したSi素子を接合して集積する製造技術「Micro Transfer Printing」を発表した。
英文要約Abstract
Title: Strategic Innovation Program for Energy Conservation Technologies/Research for the Important technologies of Energy Efficiency Projects/Feasibility Study on Energy-Saving Vertical GaN/Si Power Device (FY2015-FY2016) FY2015 Annual Report

The purpose of this study is to decrease the series resistance in the vertical direction for GaN/Si. The structure consisted of AlN/AlGaN intermediate layers, GaN/AlN strained-layer superlattice (SLS) and n-GaN on Si substrate. The resistance dereased to 15.7 ohm when the AlN/AlGaN intermediate layers and GaN/AlN SLS were doped by SiH4. The doping of Si into GaN/Si epitaxial structures generates a large wafer bow or surface cracks. The carrier concentration in the n-GaN/Si layer grown by SLS technique can be controlled from 5x1015 to 1x1018 cm-3. In this study, in order to control the in-plane strain in Si-doped GaN/Si epitaxial structures, we attempted to employ GaN/AlN SLS instead of AlGaN/AlN SLS as a strain-compensated buffer layer. It was confirmed that the generation of the wafer bow and cracks were efficiently suppressed by replacing the buffer layer structure. This seemed to be because the GaN/AlN SLs generated a larger compressive stress than that in AlGaN/AlN SLs owing to the large difference in the lattice constants between AlN and GaN. The regrown-p-GaN exhibited the p-type conductivity. In order to gather information on device and material technology related to GaN or SiC, we participated in the JSAP spring meeting. We got information on "the current crowding effect in GaN pn diodes", "vertical GaN MOSFETs", and "the process technology for the improvement of SiC MOS interface". The 28th IEEE ISPSD was taken place in Žofín Palace, Prague (Czech Republic) June 12–16, 2016. ISPSD is the premier forum for technical discussion in all areas of power semiconductor devices, power integrated circuits, their hybrid technologies, and applications. In order to follow trends of power devices, we gathered the information regarding this conference through the web and some researchers. In this conference, TSMC presented that they will accept commission manufacturing on 150-mm-diamiter GaN/Si technology. Panasonic presented a new technology for normally-off type recess-gate HEMTs. X-FAB Semiconductor Foundries presented a new technology “Micro Transfer Printing”, which is the technique for the integration of GaN devices and CMOS.
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