2018 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale characterization of singularity structures and behaviors thereof
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06423
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
酒井 朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20314031)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
今井 康彦 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (30416375)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 逆圧電効果 / 時分割パルス放射光回折 / ポンプ＆プローブ計測 / ナノビームX線回折 / 3次元逆格子マッピング / 結晶性断層マッピング解析 / 転位 / Ptワイヤプロファイラ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
時分割パルス放射光回折による結晶中特異構造の電場応答観測にあたり、前年度の予備的測定を基に、ポンプ＆プローブ計測を行った。これは、電場印加による結晶・デバイスの構造変化の計測にあたって、SPring-8放射光パルスと同期させて、デバイスにパルス電圧を印加し、かつ、放射光パルスに対して印加電圧の位相を自在にシフトさせて、電場応答のその場観測を行う方法である。今回は、AlGaN/GaN系高電子移動度トランジスタ（HEMT）を測定対象とし、ゲート電圧印加下の逆圧電効果による格子変形をその場定量評価した。種々のゲート電圧印加条件の下でAlGaNおよびGaNの対称(0004)面に対する2次元逆格子マッピングを行った結果、負電圧印加下では格子定数が大きく変化するのに対し、正電圧印加下ではほとんど変化しなかった。バンド計算によれば、負電圧印加でAlGaN層中に電界が生じ、正電圧ではほとんど生じないこと、また、印加した負電圧から推定される格子歪がAlGaNの圧電定数から見積もられる歪と同じオーダーの値であることから、逆圧電効果によるAlGaN層の格子変形のその場観測に成功したといえる。
一方、前年度までに開発したナノビームX線回折（nanoXRD）による3次元逆格子マッピング分析法と結晶性断層マッピング解析法を駆使し、特異構造制御型半導体膜結晶の評価を継続した。今回は、特に窒化物半導体以外の材料系（高Ge組成SiGe/組成傾斜SiGe/Si積層構造）に本手法を適用し、同積層構造における結晶深さ方向の局所的な格子面構造の変遷を面内分布と共にnanoXRDにより評価した。この結果から、表層に向かって格子面傾斜の面内分布が特定方向に揃っていく様子の観測に成功し、組成傾斜層中の特異構造が、表面の高Ge組成SiGe層に与える結晶学的効果が明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当該年度は、前年度までに開発した、放射光Ｘ線パルスと同期した電圧を試料に印加するポンプ&プローブ法を、実デバイスであるAlGaN/GaN HEMTに適用することで、逆圧電効果によるAlGaNバリア層の格子変形応答の観測に成功した。AlGaNの圧電定数は通常の圧電材料であるPZT等に比べて2桁近く小さい値であり、電圧印加に応答する格子変形の検出は、当初よりチャレンジングな課題であると予想された。これに対して、SPring-8における回折波検出計の改善、その場観測のための種々の電子・電気計測機のセットアップの最適化、デバイスサンプル構造の最適化（ゲート、ソース/ドレインサイズ、電圧印加用配線のレイアウト等）を工夫することによって、デバイス動作下の状態に極めて近い形で、逆圧電効果を観測することができた。格子構造を直接評価できる回折現象で窒化物半導体デバイス中の逆圧電効果による格子変形を捉えたのは、世界初である。また、前年度より継続している3次元逆格子マッピングおよびそれを活用した結晶性断層マッピング解析も、適用できる材料系を拡張している。以上より、本年度は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに半導体結晶中の結晶成長に関連して導入された格子欠陥やナノボイド等を特異構造として、それらの構造解析評価を行ってきた。今後は、それらに加えて、圧電分極を特異構造として捉え、窒化物半導体デバイスにおける電場応答挙動を解析していく。放射光を用いることの主なメリットは、ナノメートルサイズの入射X線ビームとナノ秒スケールの時間分解能である。前者はこれまでにnanoXRDとして利用してきたため、このメリットを活かして、特に、位置依存nanoXRDを用いて、AlGaNバリア層内に存在する種々の格子欠陥箇所やゲート電極のドレイン端等における格子変形挙動に着目し、特異構造である圧電分極構造に及ぼす他の特異構造（転位等）の影響を調べる。後者については、パルス幅60psのシングルバンチを利用して、ナノ秒オーダーの時分割計測を行い、ゲート電圧印加に伴って変化するAlGaNバリア層の格子面間隔・傾斜・回転のダイナミクスを捉えていく。それにより、圧電分極に関わる特異構造の構造相関および機能相関を探索する。
一方、nanoXRDによる3次元逆格子マッピング分析法と結晶性断層マッピング解析法については、当該年度までに立ち上げてきたPtワイヤプロファイラを用いた回折波選択に関わる要素技術をさらにブラッシュアップする。それにより、領域内の他グループや他の研究機関より供給される特異構造制御型窒化物結晶・デバイスおよびSiGe等のIV族半導体結晶特異構造を含むあらゆる結晶に適用できる方法へと拡張させる。
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