スパッタリング法を用いた高品質
窒化物半導体素子の製造方法
東京大学生産技術研究所
教授 藤岡洋令和２年１２月２２日

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新技術の概要（背景）GaN等窒化物半導体の特徴• 高い性能（高電子速度、高耐圧、高発光効率）• 耐薬品性能• 耐環境性能• 生体適合性• 耐欠陥性能
多彩な応用• LED（青緑紫外）、レーザ、表示素子、光量子素子• 高速通信素子、量子コンピュータ• パワーエレクトロニクス• 太陽光水素生成、人工光合成• 耐環境センサ、生体センサ• 動植物の成長制御、治療

https://www.rakugaki.co.jp

2新技術の概要
従来技術:
MOCVD

(1100 C)

新技術:
Pulsed sputtering deposition, PSD （低温）

http://www.aixtron.com

低スループット
高装置コスト高ラニングコスト
PSD法の利点(1) 低温成長(2) 低温における高速成長: 10 μm/h
(3) 水素フリーな反応系⇒ アニールなしでp型活性化
炭素フリーな反応系⇒ 膜中の低炭素濃度(4) 高品質N極性成長
3新技術の概要• 従来高い温度での熱分解反応を利用して作製してきた窒化物半導体素子を、スパッタリング法を用いて低コストかつ低温で実現• 低温・非平衡下での成長技術を利用することによって、従来手法で作製されたものより優れた電気特性や素子特性を実現
従来技術:
MOCVD

(1100 C)

新技術:
Pulsed sputtering deposition, PSD （低温）

http://www.aixtron.com

低スループット
高装置コスト高ラニングコスト4新技術の特徴・従来技術との比較

Resistivity (m cm)• 従来手法より低コストで素子が製造できる• 安価なフレキシブル基板上に素子が実現できる• 従来手法では実現できない高い物性が実現できる可能性がある
=0.9

1=0.1

0.3-0.4 mWcm
0.1 1910=02010-3n(RT) (cm )1021L. Lugani et al., Appl. Phys. Lett. 105, 202113 (2014).
E. C. Young et al., Appl. Phys. Express 9, 022102 (2016).
F. A. Faria et al., Appl. Phys. Lett. 101, 032109 (2012).

PSD :Si
PSD :G e
M BE:Si[1,2,3]
M BE:G e[5,22]
M O C VD :Si[4,23]
M O C VD :G e[4,24]
C alc.

Low resistivity
rRT = 1.6 x 10-4 Wcm(As good as ITO with higher m)
A. Ajay et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 445301 (2016).
P. R. Hageman et al., J. Cryst. Growth 267, 123 (2004).
I. Halidou et al., Microelectron. J. 32, 137 (2001).
S. Fitze et al., Appl. Phys. Lett. 100, 122104 (2012)5

Electron mobility (cm2V-1s-1)

新技術の特徴・従来技術との比較
1500
Ne=~1016 cm-3
m=1240 cm2/Vs

1250
1000
750

Ne=~1020 cm-3
m=110 cm2 / Vs

500
250
01016

1017

1018

1019

1020

[n] (cm-3)

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Electron mobility (cm2V-1s-1)

新技術の特徴・従来技術との比較
mN.I.

105mDismPiez

104 mI.I.

103

102mADPmPOP

Calculated total electron mobility
Ionized impurities
Neautral impurities
Dislocation scattering
Polar optical phonon
Acoustic deformation potentialPiezoelectric
Experimental electron mobility

mTotal100 150 200 250 300
Temperature (K)7Electron mobility (cm2V-1s-1)

新技術の特徴・従来技術との比較
1500
Ne=~1016 cm-3m=1240 cm2/Vs

1250
1000
750

Ne=~1020 cm-3m=110 cm2 / Vs

500
250
01016

1017

1018

1019

1020

[n] (cm-3)8

100=02-1 -1(cm V s )新技術の特徴・従来技術との比較=0.1e10
PSD:SiPSD:Ge1=0.9

θ=NA/ND

MOCVD

1019

2010-3[n] (cm )9従来技術による素子とその問題点
薄膜トランジスタ
従来技術では、酸化物やアモルファスSiで作製されているが、・材料の性質上、電子の移動度が低い・p型のチャネル層の作製が困難（酸化物）等の問題があり、高精細マイクロLEDディスプレイ等高密度電流を必要とする素子に利用することができない。

窒化物発光素子/パワー素子
従来技術では、熱平衡に近い条件で窒化物半導体が合成されるため、高濃度の不純物導入ができなかった。このため、窒化物半導体の抵抗値が高く、素子性能が著しく制限されていた。また、他の半導体材料ではよく利用されるトンネル接合やカスケード構造の実現が難しかった。さらに、赤色の発光を可能とする高濃度のIn添加が困難であり、ディスプレイの基本構造である3原色のLEDアレイの試作が難しかった。
10従来技術によるマイクロLEDディスプレイとその問題点
ピック＆プレース工程(Chiplet)

モノリシック工程

https://www.led-professional.com
EE Times Japan, Leti

・ 枯れた技術
・ 液晶や有機ELとのプロセス整合性
To be developedis:
長所
・ A newlow-cost growth technique which replaces MOCVD,・ Development of new low cost substrates for growth of nitrides,
・ Reduction・in極めて高い製造コスト
process temperature down to・ 500℃,
高い製造コスト
短所efficient
1.MOCVD と 2.単結晶基板
・ Highly
nitrideredProfessional
LEDs.
146″
The Wall
US$ 400,000

・ 高温プロセス(1100℃)
・ 赤LED、高濃度ドーピングによるトンネル接合

1. MOCVD ⇒ 低温Pulsed Sputtering （PSD)
２．単結晶ウェハー⇒ 安価な基板, 例えば ガラス or 金属フォイル

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想定される用途• マイクロLEDディスプレイやその制御素子• パワーエレクトロニクス• 照明用や殺菌用の発光素子
カスケードマイクロLED
TJ
3rd LEDTJ
2nd LEDTJ
1st LED

パワーエレクトロニクス
Stacked S/D HEMTs
DrainSourcen++

AlGaN barrier

n++

2DEG
i-GaN channel
SI-SiC substrate12低温(480℃)でのLED作製
Temperature dependence of PL intensity

Intensity (arb. units.)

A PSD-LED prepared at a maximum temperature of 480 C
EL Peak:632 nm

300 400 500 600 700 800 9001000

Wavelength (nm)150mm
N-electrodeP-electrode13低コスト基板上３原色LED
ガラス基板上金属フォイル上

発光強度（任意単位）

Intensity (a.u.)

EL spectra of a green LED
10.8 mA

2.1 mA400

450500550 600

Wavelength (nm)
(nm)

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ガラス上窒化物薄膜トランジスタ

InGaAlN• オンオフ比>106• 最大電流密度 ~10mA/mm
15実用化に向けた課題• 発光素子関連では、現在、マイクロLEDディスプレーを作製するには、赤色の発光効率が十分でないので、改良を重ねている。また、ディスプレー作製に必要な積層カスケード作製プ
ロセスを開発中である。
• 薄膜トランジスタ関係では絶縁膜などの素子作製プロセスの再現性などを検討中である。
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企業への期待• 本技術の持つ、低温低コストで高品質な窒化物半導体を基板にこだわらずに合成できるという特徴は、例として挙げたマイクロLED分野以外の多くの分野で利用可能と考える。民間企業の皆様より、新しい応用分野についての提案をいただき、共同研究をさせていただければありがたい。

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本技術に関する知的財産権
１）【発明の名称】：InGaAlN系半導体素子【出願番号】 ：PCT/JP2014/004419 (日・欧・中 登録済；米・韓 移行済)
TW/ 103129786 (登録済)【出願人】：国立研究開発法人科学技術振興機構【発明者】：藤岡 洋、小林 篤
２）【発明の名称】：化合物半導体、コンタクト構造、半導体素子、透明電極、化合物半導体の製造方法及びスパッタガン【出願番号】 ：PCT/JP2018/021122 (日 登録済； 米・韓・印 移行済)
TW/107118992【出願人】：国立研究開発法人科学技術振興機構【発明者】：藤岡 洋、上野耕平
３）【発明の名称】：窒化物半導体及びその製造方法【出願番号】 ：PCT/JP2017/020513 (日 登録済；米・欧・中・韓・印 移行済)
TW/106118290【出願人】：国立研究開発法人科学技術振興機構【発明者】：藤岡 洋、上野耕平
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お問い合わせ先
国立研究開発法人科学技術振興機構
知的財産マネジメント推進部 知財集約・活用グループ
ＴＥＬ ０３－５２１４－８４８６
e-mail license@jst.go.jp

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