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

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

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

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

Si

弊社社名変更について

２００６年１０月１日～

主要事業会社 ５社

CEO 代表取締役会長 ： 吉川 廣和 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) 非鉄金属精錬、資源開発 廃棄物処理、環境修復、 リサイクリング 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 代表取締役社長 ： 河野 正樹 AlGaAs系 LED 産業廃棄物処理 熱処理製品 酸化銀 銅加工製品 メタル 亜鉛 金

高純度Ｇａ ＧａＡｓｳｪハ ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ 赤外・赤_{ﾚｰｻﾞｰ} ＧａＡｓ系赤・赤外ＬＥＤ ＤＶＤ ｹﾞｰﾑ機 携帯電話 表示 センサ 伝送 赤外伝送モ ジュール 携帯電話 血液センサ ｲﾝｸｼﾞｪｯﾄﾌﾟﾘﾝﾀ 表示板 信号・ランプ

半導体事業部製品用途

当社製品 用途製品

当社の事業フロー

9 化合物半導体の流れ ｸﾙｰﾄﾞ原料 基板メーカー LED メーカー エピメーカー 精錬所 ガリウム 工場 基板工場 LED 工場 リサイクル リサイクル EMカンパニー ４Ｎ 部品メーカー 6-7N ｸﾙｰﾄﾞ原料 基板メーカー ＬＥＤメーカー デバイスメーカー_{エピメーカー} 精錬所 ガリウム 工場 基板工場 LED 工場 リサイクル リサイクル メタルズカンパニー _{ＥＭカンパニー} ４Ｎ 部品メーカー 6-７Ｎ

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

Si

Si

基板上

基板上

HEMT

HEMT

用

用

GaN

GaN

系エピ

系エピ

結晶

結晶

成長

成長

技術

技術

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

GaN系半導体材料の特徴と用途

ターゲットとした技術開発

AlGaN層 GaNバッファー層

基板

ソース電極 ゲート電極 ドレイン電極

Sapphire

、

SiC

、

Si

２次元電子ガス （2DEG）

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

(

H

igh

E

lectron

M

obility

T

ransistor=

HEMT

)

20～30nm

1～3μm

使用される材料

GaN系デバイスの普及・・・

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 4.2 3.0～3.8 × ２～３ -17.0 線膨張係数（10-6_/K) （GaN：a～ 5.5） a：7.5 ｃ：8.5 2.59 熱伝導度 W／cm・K 0.3～0.5 1.5 コスト （単位面積） ○ ◎ 使用基板サイズ （市販品） ２～４ 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

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

Si基板 GaNデバイス層 低温成長AlN緩衝層 従来技術

_{ＨＢＩ技術（高温バツファ－中間層技術）}

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 気相反応 の制御 Si基板 GaNデバイス層 高温成長AlGaN/AlN 中間層 GaN/AlN歪超格子 特願平11-84934 特願2006-76987 100μm クラック メルトバックエッチング

Si基板上のGaN系エピ成長

z

廉価

z

高品質、大口径化

z

導電性

z

サファイアより熱伝導率が高い

Si基板の特長

z

コスト低減

z

量産向き

z

既存の生産ラインの利用

大口径化の特長

z

GaによるSi基板のメルト

バックエッチング

z

熱膨張係数差によるクラック

問題点

AlGaN/AlN中間層

GaN/AlN多層膜

Sapphire GaN High quality Silicon GaN Low quality サファイア基板上のGaN 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

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 極微センターの要素技術 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 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 装置使用による評価、 改善点の指摘 エピタキシャル成長技術 ノウハウの技術移転 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}

知的クラスターでの取り組み

窒化物関連工場の建設 ‘０６

所在地

名古屋

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

Si

Si

基板上

基板上

HEMT

HEMT

用

用

GaN

GaN

系エピ

系エピ

結晶

結晶

成長

成長

技術

技術

開発

開発

平成１８、１９年度 知的クラスター創成事業

担当テーマ

・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

AlGaN intermediate layer AlGaN barrier layer

GaN layer

AlN initial layer 4 inch Si substrate GaN/AlN multi layers

HEMT on Si

名工大 → DOWA移植時のエピ不良発生・・・①

HEMT on Si

名工大 → DOWA移植時のエピ不良発生・・・①

100um Silicon GaN Low quality 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 Si

名工大 → DOWA移植時のエピ不良発生・・・②

HEMT on 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 Siエピ基板 外観写真 （DOWA製）

Ns=0.92x1013 _cm-2 μ=1709 cm2_/Vs

Hall測定値・・・他の報告例との比較

Hall測定値・・・他の報告例との比較

HEMT on Si

□ ○ : This work

■ : 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.

□ ○ : This work

■ :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.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 2DEG density [1013/cm2] 500 Ω/sq Rsh = 200 Ω/sq Rsh = 1200 Ω/sq at RT 300 Ω/sq Hall Mobility [x 10 3 cm 2 /Vs] AlGaN/AlN/GaN on Si

ＮＩＴ

DOWA Ns=0.90x1013 _cm-2 μ=1663 cm2_/Vs AlGaN/GaN on Si

・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

AlGaN barrier layer

GaN layer

Si substrate

Buffer layers

AlGaN barrier layer GaN layer Si substrate Buffer layers

デバイス特性向上へ向けての取り組み

デバイス特性向上へ向けての取り組み

HEMT on Si

AlGaN層 GaNバッファー層

基板

ソース電極 ゲート電極 ドレイン電極 HEMT素子構造

耐圧↑

＞ 600～1000V

パワーデバイス向け

GaNバッファ層へのリーク防止

・厚み↑ １μm → > ２μm ・比抵抗↑ → > １０6_Ωcm ・・・・エピ構造の適正化 キャリア密度 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

名古屋工業大学（江川研）

窒化物半導体事業への展開

Si

Si

基板上

基板上

HEMT

HEMT

用

用

GaN

GaN

系エピ

系エピ

結晶

結晶

成長

成長

技術

技術

平成１８、１９年度 知的クラスター創成事業

■ 担当テーマ

エピタキシャル成長技術 ノウハウの技術移転

独自の量産技術構築

・ 耐圧・リーク電流低減 ・・・ 膜厚、膜質向上