「窒化物半導体デバイスプロセス、 インテリジェン …第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)...
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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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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
第12回窒化物半導体応用研究会(2011/11/10, 名古屋大学)
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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