第 1 回窒化物半導体応用研究会 平成 20 年 2 月 8 日 GaN 結晶成長技術の開発 半導体事業部 伊藤統夫
第 1 回窒化物半導体応用研究会平成 20 年 2 月 8 日 講演内容 1. 弊社の概要紹介 2. 弊社における窒化物半導体事業への展開 3. 知的クラスター創生事業での取り組み Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術技術開発
弊社社名変更について 2006 年 10 月 1 日 ~ 持株会社制 主要事業会社 5 社
非鉄金属精錬 資源開発 廃棄物処理 環境修復 金 亜鉛 銅加工製品 メタル リサイクリング 創業 : 1884 年 9 月 18 日 本社 : 東京都千代田区外神田 4 丁目 14 番 1 号 資本金 : 364 億 3600 万円 従業員 : 3,500 名 ( グループ計 ) CEO 代表取締役会長 : 吉川廣和 代表取締役社長 : 河野正樹 電子材料 磁性材料 半導体材料主要製品 : メタル粉 銀粉 亜鉛粉 高純度 Ga In GaAsウエハ LED 窒化物系半導体金属加工 めっき 回路基板 熱処理技術 酸化銀 AlGaAs 系 LED 産業廃棄物処理熱処理製品
当社製品 半導体事業部製品用途 高純度 Ga GaAs ウェハ GaAs 系赤 赤外 LED 用途製品 トランシ スタ 赤外 赤レーサ ー 伝送 センサ 表示 DVD 赤外伝送モジュール 血液センサ 表示板 携帯電話 ケ ーム機 携帯電話 インクシ ェットフ リンタ 信号 ランプ
当社の事業フロー クルート 原料 化合物半導体の流れ メタルズカンパニー リサイクルリサイクル EM EMカンパニー 精錬所精錬所 4N 4N ガリウムガリウム工場 6-7N 6-7N 基板工場 LED 工場工場 基板メーカー基板メーカー LED LED メーカーメーカー デバイスメーカーエピメーカー 部品メーカー部品メーカー リサイクル 9
半導体事業の沿革 1978 年 ( 昭和 53 年 ) 高純度ガリウム精製開始 1982 年 ( 昭和 57 年 ) 半導体材料研究所設立 1985 年 ( 昭和 60 年 ) 基板工場建設 1988 年 ( 昭和 63 年 ) LED 工場建設 1993 年 ( 平成 5 年 ) 株式会社同和半導体創立 ( 資本金 3 億円 ) 1999 年 ( 平成 11 年 ) ガリウム工場 100t/ 年に増強 2000 年 ( 平成 12 年 ) ISO9001 取得 2004 年 ( 平成 16 年 ) ISO14000 取得 2005 年 ( 平成 17 年 ) 第 3 研究棟建設 2007 年 ( 平成 19 年 ) 窒化物半導体工場竣工 窒化物半導体事業 への展開
GaN 系半導体材料の特徴と用途 材料的特徴 ワイドギャップ 高破壊電界 大きな飽和速度 ヘテロ構造が作製可 大きなシートキャリア密度 用途 オプトデバイス紫外 青 緑 赤 白色の発光デバイス紫外線 ガスセンサ 電子デバイス高周波 高出力 高温動作の電子デバイス ターゲットとした技術開発 Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術
GaN 系電子デバイス素子構造 高電子移動度トランジスタ構造 (High Electron Mobility Transistor=HEMT) 20~30nm ソース電極 ゲート電極ドレイン電極 AlGaN 層 2 次元電子ガス (2DEG) 1~3μm GaN バッファー層 基板 使用される材料 Sapphire SiC Si GaN 系デバイスの普及 高品質 大口径 低価格 Si 基板の利用
GaN 系エピ成長に使用される基板材料 基板材料 c-sapphire 6H-SiC Si (111) 格子不整合率 (%) ( 対 GaN) 16.1 3.5-17.0 線膨張係数 (10-6 /K) (GaN:a~ 5.5) a:7.5 c:8.5 4.2 2.59 熱伝導度 W/cm K 0.3~0.5 3.0~3.8 1.5 コスト ( 単位面積 ) 使用基板サイズ ( 市販品 ) 2~4 2~3 3~6 GaN 系デバイスの普及 高品質 大口径 低価格 Si 基板の利用
名古屋工業大学における GaN/Si へテロエピタキシャル技術 従来技術 HBI 技術 ( 高温バツファ - 中間層技術 ) GaN デバイス層 低温成長 AlN 緩衝層 Si 基板 気相反応の制御 GaNデバイス層 GaN/AlN 歪超格子特願平 11-84934 特願 2006-76987 高温成長 AlGaN/AlN 中間層 Si 基板 100μm クラック メルトバックエッチング GaN デバイス層表面の劣化 高温 AlN 層の均一成長 高品質 GaN デバイス層 高輝度 LED 電子デバイス
Si 基板上の GaN 系エピ成長 Si 基板の特長 廉価 高品質 大口径化 導電性 サファイアより熱伝導率が高い 問題点 GaによるSi 基板のメルトバックエッチング AlGaN/AlN 中間層 熱膨張係数差によるクラック 大口径化の特長 コスト低減 量産向き 既存の生産ラインの利用 High quality GaN Sapphire サファイア基板上のGaN GaN/AlN 多層膜 Low quality GaN Silicon シリコン基板上のGaN Si 基板の特長を活かし 問題点を克服 実用化へ前進
知的クラスターでの取り組み 極微センターの要素技術 装置使用による評価 改善点の指摘 MOCVD 装置の応用エピタキシャル膜の成長技窒化物デバイスの試作 エピタキシャル成長技術ノウハウの技術移転 A 社 MOCVD 装置の製造 販売改良の改良 大型化 エピタキシャル膜付き基板の開発製品化 量産化窒化物関連工場の建設 06 センサーチップの供給 改善 デバイス用エピ膜の供給 デバイス用エピ膜の供給 ダイオード用エピ膜の供給 B 社紫外線センサーの開発センサーのパッケージ 評価 C 社高周波電子デバイスの開発デバイスの試作 評価 D 社高周波電子デバイスの開発デバイスの試作 評価 E 社高耐圧ダイオードの開発デバイスの試作 評価
所在地 DOWA セミコンダクター秋田株式会社 秋田県秋田市飯島字砂田一番地 名古屋
平成 18 19 年度知的クラスター創成事業 担当テーマ Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術技術開発 AlGaN barrier layer GaN layer GaN/AlN multi layers AlGaN intermediate layer AlN initial layer エピ構造 成長技術開発 結晶性の優れたエピ 耐圧などのデバイス特性向上 4 inch Si substrate
HEMT on on Si Si 名工大 DOWA 移植時のエピ不良発生 1 Low quality GaN Silicon 100um 100um クラック発生 エピ (GaN) と基板 (Si) の熱膨張係数差 エピ構造 成長条件の調整により解消
HEMT on on Si Si 名工大 DOWA 移植時のエピ不良発生 2 微分干渉光学顕微鏡写真 表面および断面鳥瞰 SEM 写真 エピ表面ピットの発生 ( 基板のほぼ全面 ) Si と Ga の反応? エピ条件 装置運用管理方法改善により解消
4 インチ HEMT on on Si Si エピ基板外観写真 (DOWA 製 )
HEMT on Si Hall Hall 測定値 他の報告例との比較 Hall Mobility [x 10 3 cm 2 /Vs] 5000 4000 3000 2000 1000 300 Ω/sq 500 Ω/sq DOWA Rsh = 1200 Ω/sq Rsh = 200 Ω/sq NIT 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2DEG density [10 13 /cm 2 ] at RT AlGaN/AlN/GaN on Si Ns=0.92x10 13 cm -2 μ=1709 cm 2 /Vs AlGaN/GaN on Si Ns=0.90x10 13 cm -2 μ=1663 cm 2 /Vs : This work : This work : MOVPE-grown AlGaN/GaN on SiC: R. Gaska, et al.,appl. Phys. Lett. 74, 287 (1999). : MOVPE-grown AlGaN/GaN on SiC: R. Gaska, et al.,appl. Phys. Lett. 74, 287 (1999). : MOVPE-grown AlGaN/AlN/GaN on SiC: L. Shen et al., IEEE EDL 22 (2001) 457. : MOVPE-grown AlGaN/AlN/GaN on SiC: L. Shen et al., IEEE EDL 22 (2001) 457.
HEMT on Si デバイス特性向上へ向けての取り組み AlGaN barrier layer GaN layer AlGaN barrier layer GaN layer Buffer layers Buffer layers Si substrate Si substrate エピ構造適正化 成長技術開発 トータル膜厚増 耐圧などのデバイス特性向上
HEMT 素子構造ソース電極ゲート電極ドレイン電極 AlGaN 層 GaNバッファー層 パワーデバイス向け 耐圧 > 600~1000V GaNバッファ層へのリーク防止 厚み 1μm > 2μm エピ構造の適正化 基板 比抵抗 キャリア密度 > 10 6 Ωcm 不純物密度 格子欠陥密度 比抵抗の制御には これらの成因や挙動についての理解が必要
窒化物半導体事業への展開 平成 18 19 年度知的クラスター創成事業 担当テーマ Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術 エピタキシャル成長技術ノウハウの技術移転 名古屋工業大学 ( 江川研 ) 耐圧 リーク電流低減 膜厚 膜質向上 独自の量産技術構築