「窒化物半導体デバイスプロセス、インテリジェントデバイスの開発と

試作体制の整備」

豊橋技術科学大学

電気・電子工学系/

エレクトロニクス先端融合研究所（EIIRIS)

若原昭浩、岡田 浩

VBL・固体機能デバイス研究施設～集積回路(LSI)/ センサ/MEMSの研究開発施設～

本施設の特徴：・設計・製作・評価を一貫して行う統合型研究施設・学生自ら装置を使い，主体的に実験研究を実施・学外の人も利用可能

研究設備概要：VLSI・MEMS解析・設計CADシステム微細パターン描画（電子線描画・ステッパ露光機）マスクアライナ(コンタクト4”、両面、プロジェクション)CMOS回路製造装置一式 （4インチウェハ対応）MEMS製造加工装置一式 （4インチウェハ対応）化合物半導体デバイス製造装置（２インチウエハ対応）各種デバイス評価システム

VBL (2003年)固体機能デバイス研究施設（1994年）

研究推進体制

教授： ４名准教授：5名助教： 4名技術支援：2名

博士：～10名修士： 60名学部生：25名

エレクトロニクス先端融

合研究所 (2010年)

第１２回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)

窒化物半導体試作支援体制の構築

目標：4インチGaNデバイス作製ラインを整備試作支援体制を整備

第１２回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)

窒化物系プロセスライン

デバイス評価は、VBL2F

EB蒸着器

ECR-CVD

ICP-RIE

IR加熱炉

知的クラスタにより整備

LED、FETプロセスが可能

4”ウエハまで対応

H22 9/6,7に第１回窒化物半導体プロセス講習会を開催

エレクトロニクス先端融合研究所(EIIRIS)の設立に伴い、プロセスラインをVBL２FよりEIIRIS 1Fのクリーンルームに移設（平成２２年11月)

第１２回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)

窒化物系プロセス用設備の紹介

ドライエッチング：ICP-RIE

（サムコ RIE-101iPH）電極形成：EB蒸着器（SANVAC ED-1600)

P型活性化、抵抗性電極IR加熱炉（Ulvac RTP-6)

保護幕形成：PE-CVD

（サムコ PD-220N

チップ化：ダイシング（東京精密)

※赤枠で示した設備が、知的クラスタ創成事業にて導入した設備

マスク作製：EB描画装置（JEOL 4”)

パターン形成：ステッパ（Nikon i線、4”)

コンタクトアライナ（Canon PLA-600、4”)

イオン注入装置（Max200mmφ、30keV-750keV）イオン種：B,Si,P,Asが可能

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第1回窒化物半導体デバイスプロセス講習会

•2010年 9月6～7日実施

•豊橋技術科学大学ベンチャービジネ

スラボラトリ(VBL)にて開催

•企業より8名の参加（申し込み１７名）

…装置開発者、パッケージング担

当者、シミュレータ開発者など

• クリーンルームでの実習を軸とした講習•ICP-RIEによるエッチング•フォトリソグラフィー•蒸着/リフトオフ•完成チップの特性評価

•全チップの動作を確認•参加者より好評を得た「プロセス工程がよく理解できた」「短時間に効率的に学べた」H23 9/12-13に第２回窒化物半導体

プロセス講習会を開催

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研究成果

• μLEDアレイドライバ

• インテリジェントUV-Cセンサ

• 希土類(Eu)添加GaN赤色LED

研究ターゲット：窒化物半導体とSiデバイスの集積化によるインテリジェント化

Si系アナログ集積回路 窒化物系センサのプリアンプ集積化により、低雑音、プリプロセッサ機能の付与による高機能化

Si-LSIの光インターコネクト、Siフォトニクス用の光源Intel、IBM、MIRAI(日本)を中心として精力的に研究ただし、光源がない、

Siチップの温度変化大 耐熱性に優れた光源が必要微細LEDディスプレイ

LEDLED/LD/LD：：IIIIII--NN

CCMOS MOS ICIC

InputInputInput

OutputOutputOutput

高感度化高感度化,, 高帯域化高帯域化

PDPD

透明ウエハ＋透明ウエハ＋PCPC

サファイア基板？サファイア基板？

システム構成上、表面入力・裏面出力が有利

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マイクロLEDアレイ～ディスプレイ/通信用ドライバ

・30mmφ－GaN LEDの8×8アレイ開発(低ダメージPE-CVD SiO2保護膜付プロセス）

・Si-CMOS PWMドライバICの開発（鋸波発生回路、PWM変調回路、ドライバFET）

・フリップチップボンディングによる一体化と基本動作確認・一体化方式に関する特許出願

Si CMOSドライバチップと、LEDアレイを一体化したチップLEDアレイ

30mm□，8×8

2mm

0.8mm

CMOSドライバ

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ドライブ回路の簡素化（データ保持機能を有するPWM輝度変調方式）

１画素あたりの駆動回路縮小(従来：12 Tr/画素 → 開発：6 Tr/画素)

画素データリフレッシュ用クロック

SAWTOOTH

信号入力

画素データ保用

輝度データ

OUTPUT

Sawtooth

Generator

Flip Chip

Bonding PAD

Driver

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Si driver ICと128×128(30mmФ )LEDアレイ集積デバイス

アプリケーション：ワンチップLEDディスプレイ光入出力画像処理プリプロセッサなどGaN系LEDアレイと一体化したチップ(15mm×15mm)

標準CMOSプロセス３層配線

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B : Bipolar cell

H : Horizontan cell

P :Photo receptor

Edge Image output

Input Image

Smoothing

(応用例)

網膜に学んだ超並列LSI

2D エッジ検出LSI (時系列読み出し)CMOS image sensor

Computer

Optical data pre-processor

CMOS image sensor

Computer

Optical data pre-processor

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研究成果

• μLEDアレイドライバ

• インテリジェントUV-Cセンサ

• 希土類(Eu)添加GaN赤色LED

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14

Si－CMOSとUV-センサ集積の効果

[1] S. Mimura, K. Sawada et al., in IEDM Tech. Dig. pp915-918 (1997).

AlxGa1-xN ソーラーブラインド紫外線検出デバイス高感度化の問題点水銀灯や日常生活で発生するUV-Cも誤検出

イメージセンサ化のよる危険要因の抽出が必要全AlGaN系イメージセンサの実現は困難

Si-CMOS読み出し回路によるイメージセンサ化を目指す

紫外線イメージセンサの構成例

AlGaN系フォトダイオードアレイ

Si信号処理回路

UV-Cイメージ

可視光イメージ

第１２回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)

インテリジェントUVセンサ

0 1 2 3 4 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Number of cycle [times]V

olt

ag

e [

V]

VT=1.94V

UV power177mW/cm

2

18mW/cm2

2mW/cm2

原理検証回路構成原理検証回路構成

IDICG TG

Reset

Reset drain VDD

Output

Vout

VLNCFDGaN

SBDVref

・イメージセンサ化を目指して、Si-CMOS読み出し回路により高感度・プリプロセッシングを行う

UV OFF

Vsig

UV ON

500mV/divΔ Vout=350mV

(Al)GaN-SBDと累積電荷転送検出回路

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GaN ICP-RIEエッチングによるダメージ形成

• バイアスパワーを増加すると、ダメージが増加 （イオン入射エネルギーの低減が必要）• Clイオン/ラジカルにより、ドナ－性欠陥が形成。Arイオンによりトラップが形成。• 希塩酸処理でダメージ層は一見除去可能に見える• IV過渡応答では、まだトラップが残留（起源？？）

PA =120W

Cl2/Ar = 30/10 sccm

Schematic diagram of

n-GaN epi layer

Fabricating

Au/n-GaN SBD

with Damage layer

-2 -1 0 1 210-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101102

Cu

rren

t D

ensi

ty [

A/c

m2]

Voltage[V]

Ar=0% (PB=30W)Ar=25% (PB=30W)Ar=50% (PB=30W)Ar=75% (PB=30W)PB=100W (Ar=25%)No Damage

After HCl treatment

PA=120WCl2+Ar flow rate=40sccm

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AlGaN PDの測定感度検証結果

-2 -1 0 1 210-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-3

Voltage [V]

Cu

rre

nt

de

ns

ity

[A

/mm

2]

：　改善前：　改善後

before

after

200 300 400 500 6000

4

8

12

Wavelength [nm]

La

mp

in

ten

sit

y [

a.u

.] Tra

ns

mitta

nc

e [%

]

：Hg-lamp：BPF(296nm)

BPF(296nm)

NDフィルタ

温度可変プローバ

水銀ランプ

SBD KEITHLE

Y

4200

-2 -1 0 1 210-1610-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Voltage [V]

Cu

rre

nt

de

ns

ity

[A

/mm

2]

： dark： 12mW/mm

2 (=296nm)

： 1.2mW/mm2 (=296nm)

： 84nW/mm2 (=296nm)

： 6nW/mm2 (=296nm)

Al0.1Ga0.9N SBD

○：dark

△：12μ W/mm2 (λ =296nm)

□：1.2μ W/mm2

(λ =296nm)

▽：84nW/mm2 (λ =296nm)

◇：6nW/mm2 (λ =296nm)

○：dark

△：12mW/mm2

□：1.2mW/mm2

▽：84nW/mm2

◇：6nW/mm2

RIE条件の最適化により、GaN SBDのリーク電流の7桁低減に成功

バンドパスフィルタで、UV-Cのみを抽出照射

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検出限界の推定

10-2 10-1 100 101 102 103 104 10510-15

10-14

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

UV power [nW/mm2]

Sh

ort

-cir

cu

itcu

rre

nt

de

nsit

y [

A/m

m2]

y=Σ an xn

a0=0.00000000e+00

a1=1.31862801e-11

1.17026536e-09

|r|=9.99844452e-01

y=Σ an xn

a0=0.00000000e+00

a1=3.10193147e-14

1.16631767e-12

|r|=9.99972075e-01

： AlGaN SBD： GaN SBD： GaN SBD

with filter

開放端電圧開放端電圧VVococｰ紫外線強度ｰ紫外線強度((フィッティングフィッティング))

フォトダイオード等価回路

Rsh

Rs

Iph

Id Ish

I

Rsh

Rs

Iph

Id Ish

I

但し、直列抵抗Rs成分は無視

0 0.2 0.4 0.6 0.8 110-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-5

Voltage [V]

Cu

rren

t d

en

sit

y [

A/m

m2]

a*sqrt(1.15-x)*(0.01)*EXP(x/0.052)+b*(EXP(x/(d*0.026))-1)+x/ca=1.00000000e-13b=1.00000000e-15c=1.00000000e+12d=1.72000000e+004.27554148e-08|r|=9.98672790e-01

Iph

Voc

●：measured value

●：fitting value

・イメージセンサ化に適する電圧読み出しモードで検討検出限界(I-VよりＶＯＣ=50mVで)

AlGaN：140pW/mm2

プロセスダメージのさらなる低減母材のさらなる高品質化

さらなる高感度化には、漏洩抵抗とトラップの低減が必要実際には結像光学系を組む

→10倍に集光すれば10pW/mm2オーダの検出可能

光応答時の 10104.1shR

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研究成果

• μLEDアレイドライバ

• インテリジェントUV-Cセンサ

• 希土類(Eu)添加GaN赤色LED

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GaN:Eu LEDの試作結果

活性層へのMg共添加Euサイトの制御＋発光効率の大幅向上

・H.Okada et.al., “Effects of Mg co-doping on Eu site

in GaN by NH3-MBE”, ICNS-9, PB1.34

・ Y. Takagi et al., “Effect of Mg codoping on Eu3+

luminescence in GaN grown by ammonia molecular

beam epitaxy” Appl. Phys. Lett. 99, 171905 (2011)

Substrate

n-GaN

GaN:Eu

GaN:Mg Au/Al/Ti

Ni/Au

Substrate

n-GaN

GaN:Eu

GaN:Mg

Substrate

n-GaN

GaN:Eu

GaN:Mg Au/Al/Ti

Ni/Au

LED

Eu添加GaN（Eu～0.8%)

NH3-MBE成長

1.5mm

300nm

100nm

600 610 620 630 640 6500

0.1

0.2

0.3

0.4

RT

Wavelength [nm]

PL

inte

nsity

[a. u

.]

1x1019

1x1018

1.5x1017

3x1018

4x1019

x5

x1

x1

x2

x20

Mg [cm-3

]

ABA’

B’C

D

1015 1016 1017 1018 1019 1020

10-1

100

101

Mg concentration [cm-3

]

Inte

gra

ted P

L inte

nsity [a. u.]

(615~

640 n

m)

RTHe-Cd(1 mW)

∝NMg

∝NMg-2

without

Mg doping

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プロセスラインの利用窒化物半導体デバイス講習会

H23年９月１２、１３日開催予定（LEDプロセス）H24年度以降も継続可能な体制・料金体系の構築

企業からの試作・プロセス委託事業TCIを用いた試作委託制度の活用を推進

http://www.kktci.co.jp/index.html

設備の時間利用、講習会、試作委託などのサービスをご希望の方は、豊橋キャンパスイノベーションまでご相談下さい。

試作支援体制を利用したい方へ