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成果報告書詳細
管理番号20190000000617
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)次世代パワーエレクトロニクス 将来のパワーエレクトロニクスを支える基盤研究開発 酸化ガリウムパワーデバイス基盤技術の研究開発
公開日2019/6/25
報告書年度2014 - 2018
委託先名国立研究開発法人情報通信研究機構 株式会社タムラ製作所 国立大学法人東京農工大学 新日本無線株式会社 株式会社シルバコ・ジャパン
プロジェクト番号P14029
部署名IoT推進部
和文要約本研究開発は、酸化ガリウム (Ga2O3) パワーデバイス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。単結晶バルク・基板作製技術、エピタキシャル薄膜成長技術、デバイスプロセス技術など、高性能Ga2O3パワーデバイスの実現に必要な要素技術開発を行い、それらを用いてトランジスタ、ショットキーバリアダイオードを試作、評価することで、パワーデバイスとしての性能を実証するなどの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。

単結晶Ga2O3バルクからウェハーを作製する工程において、加工変質層が残らない研磨工程、および基板面オフ角0.1度以内という精密制御を可能とするプロセスを開発した。また、バルク引き上げ条件の最適化から、2インチGa2O3 (001)基板において、ドナー濃度の面内均一性を12%以内まで改善することに成功した。

単結晶Ga2O3基板と多結晶SiC基板の表面活性化接合法による直接接合技術を開発した。接合界面において、大きな接合強度、非常に小さな熱抵抗、特性電気抵抗を実現した。

一塩化ガリウムと酸素ガスを原料ガス、と窒素ガスをキャリアガスとする常圧ハライド気相成長 (HVPE) 法でGa2O3 (001)基板上に高純度膜の成長を達成した。続いて、Siドーピング開発に取り組み、電子濃度n=1e15~1e19 cm-3の範囲での精密電子密度制御を実現した。また、HVPE成長したGa2O3膜に形成されるピットの起源について調査し、ピットフリー膜成長技術開発に向けた考察を行った。

オゾン、プラズマセルにより生成する酸素ラジカルという異なる2種類の酸素源を用いたGa2O3 分子線エピタキシー (MBE) 成長の比較、検討を行った。続いて、ディープアクセプタである窒素 (N) を用いたp型ドーピング技術の開発に取り組んだ。また、Al組成15~16%程度までの(AlGa)2O3のコヒーレント成長をGa2O3 (010)基板上で実現した。

Ga2O3デバイスのp型オーミック電極の作製に最適なp-アモルファス酸化物材料として、酸化ニッケル (NiO) を選定し、スパッタ成膜条件の最適化を行った。続いて、p-NiO/n-Ga2O3ダイオードを試作し、その良好な整流性を確認した。

横型ノーマリーオンGa2O3 フィールドプレート (FP) MOSFETを試作し、耐圧755 Vに代表される優れたデバイス特性を得た。また、世界に先駆けてNイオン注入ドーピングによるp-Ga2O3の形成に成功した。そして、このNイオン注入ドーピング技術を縦型ノーマリーオンGa2O3 MOSFETの電流ブロック層形成に活用し、ドレイン電流オン/オフ比8桁以上代表される優れたデバイス特性を実証した。

Ga2O3 ショットキーバリアダイオード (SBD) 開発においては、FP構造を採用することで、世界初の耐圧1 kV超えを果たした。また、そのスイッチング特性は同等のSiC SBDと比較して遜色ないことも確認した。更に、Nイオン注入ドーピングを用いて作製したガードリングを有するGa2O3 SBDにおいて、オン抵抗 4.7 mΩcm2、逆方向耐圧1.43 kVという世界最高レベルのデバイス特性を実現した。

横型ノーマリーオフGa2O3 MOSFETを、異なる2種類のチャネル層:オゾンMBE成長したアンドープGa2O3膜、およびプラズマMBE成長によるNがオートドープされたGa2O3膜を用いて作製し、共にノーマリーオフ動作を実現した。
英文要約Title: Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (SIP), Next-generation power electronics, Research and Development on Fundamental Technologies of Gallium Oxide Power Devices (FY2014-FY2018) Final Report

This Gallium oxide (Ga2O3) project has been conducted by an industry-academia-government collaborative research team aiming at establishing fundamental and key technologies of Ga2O3 power devices. The topics include single-crystal bulk and wafer production, homoepitaxial thin-film growth, and device process technologies. We carried out developments of the fundamental elemental technologies and demonstrated high-performance Ga2O3 transistors and diodes. An overview of the accomplishments is described below.

In the process of wafer production, we developed a polishing process that gives rise to a damage-free surface and a manufacturing process that enables control of the wafer off-cut angle within an error of less than 0.1 degree. Furthermore, we succeeded in controlling the in-plane uniformity of donor concentration within 12% over a 2-inch Ga2O3 (001) wafer.

Direct bonding technology of a single-crystal Ga2O3 substrate and a poly SiC substrate by a surface activated bonding process was developed. A sufficiently strong bonding strength, a very small thermal resistance, and a small electrical specific resistance at the bonding interface were realized.

We succeeded in growing high-purity homoepitaxial Ga2O3 films with an effective carrier concentration of less than 1e13 cm-3 by atmospheric halide vapor phase epitaxy. A Si doping process was also developed for precise control of the electron density in the range of n=1e15~1e19 cm-3.

We investigated Ga2O3 molecular beam epitaxy (MBE) growth by comparing the use of two different oxygen (O) sources, namely ozone and plasma-generated O radicals. Then, we developed nitrogen (N) doping technology to form p-Ga2O3. Furthermore, coherent MBE growth of a (AlGa)2O3 layer with an Al composition of up to about 15~16% was realized.

We selected nickel oxide (NiO) as the best amorphous oxide material for p-type ohmic electrodes of Ga2O3 devices and optimized the sputtering condition. Then, p-NiO/n-Ga2O3 diodes with good rectification characteristics were fabricated.

We fabricated lateral normally-on Ga2O3 field-plated metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (FP-MOSFETs) and obtained good device characteristics. Moreover, we succeeded in developing a N-ion implantation doping technology to form p-Ga2O3 for the first time in the world. Then, vertical normally-on Ga2O3 MOSFETs were fabricated by using the N-ion implantation doping technology, and excellent device characteristics were demonstrated.

We succeeded in demonstrating the world’s first breakdown voltage of over 1 kV for Ga2O3 Schottky barrier diodes (SBDs). Furthermore, Ga2O3 SBDs with a guard ring fabricated by N-ion implantation doping exhibited the world’s best data for Ga2O3 SBDs.

Two types of lateral normally-off Ga2O3 MOSFETs with an undoped Ga2O3 channel layer grown by ozone MBE and a N-autodoped Ga2O3 channel layer grown by plasma-enhanced MBE, respectively, were fabricated. Both MOSFETs successfully demonstrated normally-off operation.
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