サファイア基板上に成長したN型β-Ga2O3多結晶膜のイオン注入による製造とそのデバイス特性に関する研究
サファイア基板上に成長したN型β-Ga2O3多結晶膜のイオン注入による製造
そのデバイス特性の研究
洪瑞華 教授
蔡欣穎 Aproova Sood 博士生
陽明交通大学 電子研究所
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現在、半導体業界は主にSiを使用して様々なデバイスを製造していますが、プロセス技術の進歩とデバイス構造の改善に伴い、Siで製造された関連デバイスは材料特性の限界に達しています。しかし、技術の進展に伴い、通信の5Gや6Gの需要、グリーンエネルギー産業の要求、または電気自動車の発展において、採用されるデバイスはすべてより高速またはより高出力の要求に向かっています。これらのデバイス特性はSiデバイスでは達成できない特性であるため、必然的に他の半導体材料を使用して高速または高出力のデバイス特性を満たす必要があります。
近年、電気自動車と再生可能エネルギーの急速な発展により、市場におけるパワーデバイスの需要と性能要求が増加している。一方、Siのバンドギャップ（Bandgap, Eg）は1.12 eVに過ぎず、大電圧に耐えることができない。そのため、高電圧・大出力のパワーデバイスには、次世代のワイドバンドギャップ半導体であるシリコンカーバイド（SiC）やガリウムナイトライド（GaN）を用いたデバイスが徐々に採用されている。これらの材料で製造されたデバイスは、パワーデバイスの電圧と出力を大幅に向上させることができ、電気自動車や再生可能エネルギーの応用における変換効率を改善することができる。
一般的に、パワーデバイスにおいてはBaligaの性能指標（BFOM）を使用して半導体材料の特性を評価します。BFOMはεμEc3に比例し、材料のEgが増加するにつれて、材料の臨界電場（Critical electric field, Ec）も増加し、BFOMは大幅に増加します。BFOMが大きいほど、材料のパワーデバイスにおける潜在能力が高いことを示します。表（1）に示すように、SiCとGaNのEgはそれぞれ3.3および3.4 eVであるため、Siと比較した場合のBFOMはそれぞれ340と870です。しかし、SiCとGaNの原料基板の成長条件は厳しく、価格が高いため、製作されたパワーデバイスの価格はSiの金属酸化膜トランジスタ（MOSFET）やSi IGBTに比べて高くなります。一方で、第4世代のワイドバンドギャップ酸化物半導体Ga2O3の成長条件は高温高圧を必要とせず、コストが低く、さらにGa2O3のEgは4.8 eVに達し、そのBFOMはそれぞれSiCとGaNの4倍および10倍です。もしパワーデバイスを成功裏に製作できれば、デバイスのブレークダウン電圧を効果的に向上させることができます。また、この材料のデバイスの導通抵抗は理論的にはSi、GaAs、SiCおよびGaNに比べて低く、低いデバイスの導通抵抗はデバイス使用時の電力消費を低減し、さらには変換効率を向上させることができます。したがって、Ga2O3はSiCやGaNに取って代わる可能性があり、次世代の高出力デバイスの半導体材料として見なされています。さらに、Ga2O3が10年以内にSiCの応用を置き換える可能性があると指摘する人もいます。
図1 半導体材料特性比較図
Ga2O3には、単斜晶(β-Ga2O3)、菱面体晶(α-Ga2O3)、欠陥スピネル(γ-Ga2O3)、立方晶(δ-Ga2O3)、直方晶(ε-Ga2O3)の5種類の結晶相がありますが、その中でβ-Ga2O3の安定性が最も高く、残りの4種類の結晶相は高温下でβ-Ga2O3に相転移します。β-Ga2O3は化学的安定性と熱的安定性が高く、最大4.8 eVのバンドギャップを持ち、パワーデバイスとして非常に適しています。
図2. 各種Ga2O3結晶相変換の関係図[1]
β-Ga2O3には多くの利点がありますが、デバイスを製造するためには、制御可能な導電性を持つ薄膜が必要です。β-Ga2O3のバンドギャップは4.8 eVに達し、その本質的キャリア濃度（Intrinsic carrier concentration）はわずか1.79 × 10-23 cm-3 [2]であるため、無ドープのβ-Ga2O3の抵抗値は非常に高く、絶縁体のようであり、半導体デバイスの製造には適していません。材料の特性により、現在P型β-Ga2O3の製造は非常に困難ですが、N型β-Ga2O3は達成可能な可能性があります。理論計算によれば、Si、Ge、Snなどの不純物のドナー準位はβ-Ga2O3の導電帯（Conduction band）に非常に近く、その活性化エネルギー（Activation energy）はそれぞれ30、30、60 meVであり、浅いドナー準位（shallow donor levels）です [3]。実験により、これらの不純物のドーピング物の活性化率が高いことが証明されており、以前に複数の研究チームが分子ビームエピタキシー（Molecular beam epitaxy, MBE）を用いてβ-Ga2O3基板上にβ-Ga2O3を成長させ、Si[3]、Ge[4]、Sn[5]をドープすることで、β-Ga2O3の電子濃度を効果的に向上させ、β-Ga2O3のシート抵抗値を低下させることができるため、パワーデバイスの製造に使用できます。
MBE装置は超高真空が必要で、堆積速度が遅く、コストが高いため、大量生産には適しておらず、材料の初期研究と検証にのみ適しています。金属有機化学気相成長（Metal-organic Chemical Vapor Deposition、MOCVD）は生産量が高く、コストが低く、結晶品質が良いため、β-Ga2O3の大量生産に適しています。Zixuan Fengとそのチームは、MOCVD装置に三エチルガリウム（Triethylgallium、TEGa）とO2を導入し、シラン（Silane、SiH4）を前駆体（Precursor）として使用して、in-situ Siドープβ-Ga2O3薄膜を製造しました[6]。また、腔体圧力を変更することでSiのドーピング濃度を制御でき、ホール測定（Hall measurement）により、そのキャリア濃度は1016 cm-3以上に達し、室温でのキャリア移動度（Mobility）は184 cm2/V・sに達しました。
本研究チームは、β-Ga2O3基板上に多結晶β-Ga2O3薄膜を成功裏に作製したが、現在β-Ga2O3基板はまだ普及しておらず、高価な材料である。それに対して、β-Ga2O3の格子定数に非常に近いc面サファイア基板は、基板価格が非常に手頃であり、市場競争力がある。本研究室では、c面サファイア基板上にMOCVDを用いて高品質の未ドープ(UID) (-2 0 1) β-Ga2O3を成長させることができ、XRD測定によると、その(-2 0 1)の半値幅（Full width at half maximum, FWHM）は400 arcsecまで低下することができ、このβ-Ga2O3は高い結晶性を持つことを示している。
図3. (a) サファイア上のβ-Ga2O3のウエハ図 (b) XRD図
UID β-Ga2O3の導電性を向上させるために、Siイオン注入技術（Implantation）を使用して、Siをβ-Ga2O3薄膜に注入し、高温迅速熱アニーリング（Rapid Thermal Annealing, RTA）を用いてSiイオン衝撃によって生じた欠陥を修復し、Siドーパントを活性化します。Siの注入量と注入エネルギーを変更することでSiの濃度分布を変えることができ、フォトリソグラフィー技術を組み合わせて特定の領域でドーピングを行うことができます。多結晶にドーピングを追加するのと比較して、イオン注入によって多結晶膜の電気特性を変化させることは、デバイス製造においてより大きな柔軟性を持っています。
一方で、ショットキー二極管（Schottky barrier diode、SBD）は一般的なパワーデバイスの一つであり、SBDは金属と半導体間のショットキー接合を利用して整流特性を達成します。SBDは低導通電圧、高導通電流、高スイッチング速度などの特性を持っています。研究において、SBDはI-V、C-Vなどの方法を用いて半導体のキャリア濃度を抽出することができ、温度変化や高電圧測定を利用して半導体のブレークダウン電圧、材料の安定性および品質を判断することもできます。したがって、本論文ではドーピングされたSBDを用いて、サファイア上に成長した異種多結晶Ga2O3を高出力SBDとして製作する可能性を評価します。
私たちは3種類のSiイオン注入量を用いてβ-Ga2O3多結晶膜を注入しました。それぞれ1x1014、6x1014、1x1015 cm-2であり、その後高温RTA処理を行い、Siドーパントを活性化しました。Siイオン注入は高エネルギーのSiイオンがβ-Ga2O3表面に衝突して多結晶膜に植え込む必要があるため、試料表面に欠陥が生じやすくなります。そのため、これら3つのSiイオン注入試料とUID β-Ga2O3について原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）測定を行いました。結果は図4に示されています。UID β-Ga2O3と比較して、Siイオン注入後はSiがGaの空孔を埋めることで欠陥が減少し、Siイオン注入β-Ga2O3の平方根平均（Root Mean Square, RMS）粗さが低下しました。イオン注入量が増加するにつれて、Si原子が複合体（Complexes）を形成し、欠陥の蓄積が表面粗さの増加を引き起こします。
図4. (a) UID β-Ga2O3 SBDのAFM画像；Siイオン注入量は(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2のAFM画像
さらなる研究のために、3種類のドーズ（1x1014、6x1014、1x1015 cm-2）のSiイオン注入β-Ga2O3をSBDとして製作し、UID β-Ga2O3 SBDと比較しました。SBDの製作において、陽極（Anode）電極にはNi/AuをSchottky接触として使用し、陰極（Cathode）電極にはTi/Au/Ti/AlをOhmic接触として使用しました。デバイスの断面構造図と電極の形状は走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した画像が図5に示されています。
図5. β-Ga2O3 SBDの断面および上面SEM画像
β-Ga2O3 SBD の作製完了後、Keysight B1505A パワーデバイスアナライザを用いて I-V 測定解析を行った結果を図六に示します[8]。Si Implantation により SBD のオン電流は108倍に向上し、Si Implantation の線量増加に伴い電流が大幅に増加しました。これは Si が Ga を置換して電子を供給し、キャリア濃度を増加させ、β-Ga2O3 の抵抗値を効果的に低減してデバイス性能を向上させることを示しています。J-V 図を微分して Ron,sp を計算した結果を図七に示します。Si Implantation を施した SBD では Ron,sp が大幅に低下しました。式1で J-V 図をフィッティング解析して SBD の理想因子(Ideality Factor, η)を算出しました。η 値が1に近いほどデバイス特性が理想式に近いことを意味します。UID β-Ga2O3 SBD の η は 8.05 でしたが、Si Implantation を経た SBD では直列抵抗が効果的に低減されたため η 値が大幅に低下しました。Implantation 線量の増加に伴い η は 1.37 から 2.08 へ上昇しましたが、これはドーピング濃度(ND)の増加によりトンネル効果が生じ、η 値が上昇したためです。
図6. (a) UID β-Ga2O3 SBDのI-V図；Siイオン注入量が(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2のI-V図
図7. UIDとSiイオン注入β-Ga2O3 SBDの特性表
β-Ga2O3 SBD の C-V 測定結果を図八に示します。半導体デバイス物理の式(式2～7)を用いて解析し、3種類の線量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) の Si Implantation β-Ga2O3 のキャリア濃度はそれぞれ 1.08x1017、4.31x1018、1.07x1019 cm-3 と算出されました。これは Si Implantation 技術が β-Ga2O3 のキャリア濃度と導電性を大幅に制御できることを示しています。一方、UID β-Ga2O3 SBD は抵抗値が高すぎて装置の分解能限界を超えていました。式3～7の計算結果を式2に代入することで有効ショットキー障壁高さ(Effective Schottky Barrier Height, ϕBn)を算出でき、3種類の線量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) の Si Implantation β-Ga2O3 の ϕBn はそれぞれ 0.82、0.54、0.32V でした。Implantation 線量の増加に伴い、Metal Induced Gap States (MIGS) によるフェルミレベルピニングがより深刻になり、ϕBn が低下して逆方向漏れ電流の増加を招きました。
図8. (a) UID β-Ga2O3 SBDのC-V図；Siイオン注入量が(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2のC-V図
β-Ga2O3 SBDは高圧、高出力デバイスとして、高い逆バイアス電圧に耐える必要があります。そのため、これら4種類のデバイスに対して大電圧のブレークダウン測定を行いました。UID β-Ga2O3 SBDのブレークダウン電圧（Breakdown voltage, VBD）は1030 Vに達し、Siイオン注入量が増加するにつれてVBDは低下します。これは、大量のイオン注入後に多くの欠陥が生成されることを示しています。したがって、イオン注入後には欠陥密度を減少させ、SBDの逆漏れ電流を低下させ、VBDを向上させるためのさらなる処理と分析が必要です。
パワーデバイスは大電流で動作する必要があり、大量の熱を発生させ、デバイスの温度が上昇し、デバイス特性が変化します。したがって、Si Implantation β-Ga2O3 SBDデバイスに対して温度依存のI-V測定を行いました。結果は図9に示されています。デバイスの温度が上昇するにつれて、正電流（Forward current）が増加し、オン抵抗（On-resistance）が減少します。これは温度が上昇する際の熱格子振動効果によって引き起こされる電子の励起と遷移により、電流が増加するためです。[7]
図9. Si注入量は(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2 β-Ga2O3 SBDの温度変化I-V曲線
結論
β-Ga2O3のEGは4.8 eVに達し、そのBFOM値はSiの3444倍であり、パワーデバイスとして非常に適しています。このような高いEGのため、未ドープのβ-Ga2O3の抵抗値は非常に高く、半導体デバイスの製造には使用できません。そのため、キャリア濃度を向上させ、抵抗値を下げるために適度なドーピングが必要です。N型β-Ga2O3には、Si、Ge、Snがドナーとして一般的に使用され、電子濃度を向上させます。私たちのチームはMOCVDを利用して高品質で高結晶性のUID β-Ga2O3を製造し、Si Implantationを利用してSiのドーピング濃度を大幅に調整することができ、パワーデバイスの製造に有利です。私たちのチームはまた、Si Implantationを利用してβ-Ga2O3でSBDを製造し、さまざまな測定技術を用いてSi Implantation β-Ga2O3の材料特性とSBDのデバイス特性を探求しました。本論文の一部の内容とデータは「Electrical performance study of Schottky barrier diodes using ion implanted β-Ga2O3 epilayers grown on sapphire substrates」、Materials Today Advanced, 17, 100346, 2023に掲載されています。
Reference:
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[2] Kotecha, R. M., Zakutayev, A., Metzger, W. K., Paret, P., Moreno, G., Kekelia, B., ... & Graham, S. (2019年10月). ガリウム酸化物パワースイッチングデバイスの電熱モデリングと分析. 国際電子パッケージ技術会議および展示会において (Vol. 59322, p. V001T06A017). アメリカ機械工学会.
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[7] He, Q., Mu, W., Dong, H., Long, S., Jia, Z., Lv, H., ... & Liu, M. (2017). β-Ga2O3 (100)単結晶基板に基づくショットキー障壁ダイオードとその温度依存の電気特性。応用物理レター, 110(9), 093503.
[8] Apoorva Sood, Dong-Sing Wuu, Fu-Gow Tarntair, Ngo Thien Sao, Tian-Li Wu, Niall Tumilty, Hao-Chung Kuo, Singh Jitendra Pratap, Ray-Hua Horng, (2023)「サファイア基板上に成長したイオン注入されたβ-Ga2O3エピレイヤーを用いたショットキー障壁ダイオードの電気特性の研究」、Materials Today Advanced, 17, 100346.
