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世界初,イオン注入ドーピング技術を用いた縦型酸化ガリウムパワー半導体開発に成功 ~デバイス開発本格化による省エネルギー社会実現に期待~

 国立研究開発法 人情報通信研究機構(NICT),同 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と東京農工大学は2018年12月12日,NICT 未来ICT研究所 グリーンICTデバイス先端開発センター 東脇 正高センター長らが,東京農工大学 大学院工学研究院応用化学部門 熊谷 義直教授らとの共同研究により,イオン注入ドーピング技術を用いた縦型酸化ガリウム(Ga2O3)トランジスタの開発に成功したことを発表した.本研究の一部は,NEDOが管理法人の内閣府総合科学技術・イノベーション会議の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」によって実施され,研究成果は,米国電気電子技術者協会(IEEE)の速報論文誌 IEEE Electron Device Lettersにオンライン公開された(注).

 現在,地球環境やエネルギー問題が議論されるなか,電力変換に用いるパワースイッチングデバイスの開発が,省エネルギー効果の観点から注目されている.議論が,SiCおよびGaNによるパワーデバイスに集中しているが,東脇氏はGa2O3を取りあげパワーデバイス開発を追求してきた.Ga2O3は,バンドギャップがSiC,GaNよりさらに大きく,既存の半導体デバイスを上回る高耐圧・大電力・低損失特性が期待される.更に融液成長法で簡便かつ安価に高品質・大口径単結晶ウェハーが製造可能である.東脇氏の活動に触発されて,Ga2O3パワートランジスタ,ダイオード開発が世界的に活発化している.

 NICT・東京農工大研究チームは,つとに,横型トランジスタの開発に成功しているが(https://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/10-9-innovation/32.html),今回,イオン注入ドーピング技術を用いて縦型Ga2O3トランジスタの作製,動作実証に成功した.横型は電流が表面に沿って平面的に流れるのに対して,縦型は電流が表面から基板に向かって流れるので,電流路の断面積が広がり,大電流が可能となる.また,オフ時,ドリフト層で印加電圧を吸収することが可能となるため,高電圧動作にも適している.作製したGa2O3トランジスタは,n-チャネルをシリコン(Si)イオン注入,縦方向の電流をブロックするp形領域を窒素(N)イオン注入の選択ドーピングで形成した.ゲート電圧オフ時に電流が流れるノーマリオン動作であるが,スイッチングデバイスとしては,ドレイン電流のオン/オフ比8桁以上を実現し,実用上必要とされる5~6桁の値を大きく上回った.また,このトランジスタは,100mAで.1kVの動作が可能であるという.

 本デバイス開発は,以前開発したSin型イオン注入ドーピング技術に加え,新たに世界に先駆けて開発に成功したNを用いたp型イオン注入ドーピング技術が鍵となった.

 今後,本共同研究チームは,パワースイッチングデバイスとして求められるノーマリーオフ化,デバイス耐圧の向上などの残された課題を解決するための開発を継続するとしている.

(註)Man Hoi Wong, Ken Goto, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, and Masataka Higashiwaki, "Current Aperture Vertical β-Ga2O3 MOSFETs Fabricated by N- and Si-Ion Implantation Doping",. IEEE Electron Device Letters, Early Access, DOI: 10.1109/LED.2018.2884542; Date of Publication: 03 December 2018