京都大学教育研究振興財団助成事業
成 果 報 告 書
2019 年7月23日
公益財団法人京都大学教育研究振興財団会 長 藤洋 作 様
所属部局・研究科

工学研究科・電子工学専攻

職 名・学 年

博士後期課程2年生

氏

前田 拓也

名

令和元年度

助 成 の 種 類

・

国際研究集会発表助成

研 究 集 会 名

the 13th International Conference on Nitride Semicondutors (ICNS13)

発 表

形 式

□ 招 待

発 表

題 目

Estimation of Impact Ionization Coefficient in GaN and its Temperature
Dependence by Photomultiplication Measurements Utilizing Franz-Keldysh
Effect

開 催場 所

United States of America, Seattle (Bellevue)

渡 航期 間2019年7月7日

成 果 の 概 要・

☑ 口 頭～・□ ポスター ・ □ その他（）

2019年7月20日

タイトルは「成果の概要／報告者名」として、A４版２０００字程度・和文で作成し、添付して下さい。 「成果の概要」以外に添付する資料 ☑無□ 有()
交付を受けた助成金額

200,000円

使 用 し た 助 成 金 額

200,000円

返納すべき助成金額0円
参加費： 40,880円

会 計報 告渡航費： 280,580円
助 成 金 の 使 途 内 訳

滞在費： 120,000円

不足分は他財源にて支払いました．
（今回の助成に対する感想、今後の助成に望むこと等お書き下さい。助成事業の参考にさせていただきます。）
この度は助成をいただきまして誠にありがとうございました．

当財団の助成について京都大学教育研究振興財団助成事業

成果報告書

令和元年 7 月 23 日 京都大学 前田拓也
成果の概要
窒化ガリウム(GaN)は，その優れた物性から次世代パワーデバイス材料として期待されている．パワーデバイスの耐圧や安全動作領域を予測するには，正確な衝突イオン化係数の値を用いたデバイスシミュレーションが必要である．これまで我々は，Franz-Keldysh (FK)効果による光吸収を利用し，光電流の電圧依存性からアバランシェ増倍係数を求める測定方法を報告してきた[1]．本研究では，両側空乏ベベルメサ構造を有する GaN p-n 接合ダイオード[2]を用いて，FK 効果を利用した光電流増倍測定から増倍係数を求め，電子と正孔の衝突イオン化係数が等しいとの仮定の下ではあるが，GaN におけるキャリアの衝突イオン化係数およびその温度依存性を推定することに成功した．
本研究では，ドーピング密度が異なる 4 種の GaN p-n 接合ダイオード (NdNa/(NdNa) =4.7×1016, 6.4×1016, 1.2×1017, 1.9×1017 cm-3) [2]について，波長 405 nm の単色光照射下における逆方向電流-電圧特性を測定した．図 1 に光電流の電圧依存性を示す．逆バイアス電圧印加時，FK 効果によるサブバンドギャップ(ℎ𝜈 < 𝐸g )光吸収が生じ，その光電流の電圧・波長依存性は空乏層における光吸収量を考慮することで定量的に計算できる[3]．図 1 に FK 効果による光電流の計算値を赤点線で示す．どの素子においても絶縁破壊電圧の半分程度までは実験値を非常によく再現できている．一方，さらに高電圧域では，アバランシェ増倍により実験値が計算値を大きく上回っていることが分かる．増倍係数は，FK 効果による(増倍のない)光電流の計算値に対する実験値の比(𝑀 = 𝐼exp /𝐼FK )として求めることができる[1]．図 2に増倍係数の電界依存性を示す．電子と正孔の衝突イオン化係数が等しいと仮定することで，衝突イオン化係数(𝛼n = 𝛼p ≡ 𝛼)を求めた結果を図 3 に𝛼 − 𝐸 −1プロットとして示す．それぞれの PND から得られた𝛼は同一直線上に位置しており，Chynoweth の経験式[4]によるフィッティングにより，𝛼 = 1.3×106∙exp{−(1.18×107/E)}が得られた．得られた衝突イオン化係数の式を用いて計算した増倍係数を図 2 に赤点線で示す．実験値と計算値は 2.0–3.3 MV/cm の範囲でどの PND においてもよく一致している．これは，データの信頼性が高いことを支持している。なお，温度依存性についても測定し，温度上昇に伴って増倍係数が減少し，破壊電圧(破壊電界)が増大した．これらは，温度上昇につれてフォノン散乱レートが増大し，衝突イオン化係数が減少したことを反映している．Okuto-Crowell モデル[5]を用いて得られた衝突イオン化係数の温度依存性についてもフィッティング・モデル化することができた．本研究で提案した手法は，GaN のアバランシェ増倍の測定に有用であり，また，これらの結果は，GaN のアバランシェ破壊特性を理解する上で重要な知見となる．

[図表]-100 -200 -300 -400 -500
Applied voltage (V)(b) PN2, 6.4 1016 cm-3Exp.
Cal. (FK)dark-100 -200 -300
Applied voltage (V)-400-11010-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
0Exp.
Cal. (FK)

310

dark
-100-200
Applied voltage (V)(d) PN4, 1.9 1017 cm-3

10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
0

PN1
PN2
PN3 Exp.
PN4
Cal.

102

M-1

dark(c) PN3, 1.2 1017 cm-3Exp.
Cal. (FK)

101
100
10-1
10-2

dark
-100
Applied voltage (V)Fig.1. Experimental photocurrents andthe calculated curves with considerationof the light absorption the Franz-Keldysheffect in the GaN PNDs.

Ionization Coefficient (cm )

10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-100Exp.
Cal. (FK)-3

Photocurrent (A)1010-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
0Electric field (MV/cm)(a) PN1, 4.7 1016 cm-3

Photocurrent (A)Photocurrent (A)Photocurrent (A)-3-200

510

3.3

2.5

2

1.7

104

103

0.3
0.4
0.5
0.6
Inverse of Electric Field (cm/MV)

Chynoweth’s empirical formula
12
34Maximum electric field (MV/cm)

Fig.2. Experimental multiplication
factors and the calculated curves
using the ionization coefficient 𝛼
shown in Fig. 3.

: ionization coefficient (cm-1): electric field (V/cm)

Fig.3. Impact ionization coefficientin GaN extracted from themultiplication factors based on theassumption; 𝛼 ≡ 𝛼n = 𝛼p.

[参考文献][1] T. Maeda et al., proceedings of ISPSD2019, pp. 59-62.
[2] T. Maeda et al., IEDM Technical Digest, 2018, 30.1.1-30.1.4.
[3] T. Maeda et al., Applied Physics Letters 112, 252104 (2018).
[4] A.G. Chynoweth, Phys. Rev. 109, 5 (1958).
[5] Y. Okuto and C. R. Crowell, Solid-State Electron. 18, 161-168 (1974).
なお，
本研究は，2019 年 7 月に米国 Seattle (Bellevue)で行われた国際会議 the 13th International
Conference on Nitride Semiconductors (ICNS13)にて口頭発表された．また，本内容は，現在，T. Maeda et al., “Measurement of avalanche multiplication utilizing Franz-Keldysh effect in GaN
p-n junction diodes with double-side-depleted shallow bevel termination”,として，国際学術誌 Applied Physics Letters に投稿中(under minor revision)である．
最後に，本研究発表にあたり，研究助成を頂きました京都大学教育研究振興財団に心から御礼申し上げます．誠にありがとうございました．