窒化ガリウムに対する絶縁ゲート構造の形成と界面特性評価に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650309
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 橋詰 保 北海道大学, 量子界面エレクトロニクス研究センター, 助教授 (80149898)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤倉 序章 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70271640) ; 兼城 千波 神奈川工科大学, 工学部, 助手 (30318993) ; 本久 順一 北海道大学, 量子界面エレクトロクス研究センター, 助教授 (60212263) ; 武山 真弓 北見工業大学, 工学部, 助教授 (80236512)
• Keywords: GaN / 表面制御 / 界面制御 / MIS接合 / フェルミ準位ピンニング / 表面処理 / 自然酸化膜 / ECRプラズマ

Research Abstract

本研究では、高出力・高温動作電子デバイスへの応用をはかるために、GaN金属/絶縁体/半導体(MIS)界面特性の詳細な評価を行い、MISゲート作製プロセス確立のための基礎的知見を得ることを目的とする。今年度得られた主な成果を以下にまとめる。
(1) MIS接合形成前の表面処理法を確立することを目的として、プロセス直前のGaN表面の表面フェルミ準位の位置を光電子分光(XPS)法を用いて測定し、表面のバンド曲がりを詳細に評価した。(1)大気に曝した表面のバンド曲がりは1.4eVと大きく、フェルミ準位が強くピンニングされていることが分った。(2)アンモニア溶液処理と窒素プラズマ処理を行うことでバンド曲がりは0.5eV程度緩和し、分子線エピタキシー法で成長した表面と同等の電子状態が得られることが明らかになった。
(2)アンモニア処理と窒素プラズマ処理を組み合わせた表面処理プロセスを開発し、そのGaN表面にECRプラズマCVD法によりSiNx膜を堆積したMIS構造では、タイプIのバンドラインナップを持つことを明らかにした。また、この構造をGaN/AlGaNへテロ構造表面に適用した場合、FETのドレイン電流が10%程度上昇し、デバイス特性の安定性が向上することが明らかになった。
(3)自然酸化膜を持つGaNおよびAlGaN表面に超高真空中で1nm〜2nmのAl薄膜を堆積し、真空熱処理することにより、Al/自然酸化膜表面をAl_2O_3薄膜に変換するプロセスを開発し、この構造により、GaN/AlGaNへテロ構造FETのゲートリーク電流を2ケタ減少させることに成功した。

Research Products

• [Publications] T.Hashizume: "Natural oxides on air-exposed and chemically-treated InGaP surfaces grown by metal-organic vapor phase epitaxy"Applied Physics Letters. 78(印刷中). (2001)
• [Publications] T.Hashizume: "Surface Passivation Process for GaN-Based Electronic Devices Utilizing ECR-CVD SiNx Film"IEICE Trans. Electron. 84-C(印刷中). (2001)
• [Publications] Z.Jin: "In-situ x-ray photoelectron spectroscopy study of etch chemistry of methane-based reactive ion-beam etching of InP using N_2"Japanese Journal of Applied Physics. 40(印刷中). (2001)
• [Publications] T.Hashizume: "Surface Characterization of GaN and AlGaN Layers Grown by MOVPE"Mater.Sci.Eng.B. 40(印刷中). (2001)
• [Publications] S.Ootomo: "Properties of as-grown, chemically treated and thermally oxidized surfaces of AlGaN/GaN heterostructure"Prceedings of International Workshop on nitride semiconductors, The Institute of Pure and Applied Physics (IPAP) Conference Series 1. 934-937 (2001)
• [Publications] T.Hashizume: "Capacitance-voltage characterization of A1N/GaN metal-insulator-semiconductor structures grown on sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition"Journal of Applied physics. 88. 1983-1986 (2000)
• [Publications] R.Nakasaki: "Insulator-GaN Interface Structures Formed by Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition"Physica E. 7. 953-957 (2000)
• [Publications] T.Hashizume: "X-ray photoelectron spectroscopy characterization of AlGaN surfaces exposed to air and treated in NH_4OH solution"Applied Physics Letters. 76. 2880-2882 (2000)
• [Publications] M.Yamada: "Fabrication and characterization of novel oxide-free InP MISFETs having an ultra-narrow Si surface quantum well"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 2439-2443 (2000)
• [Publications] S.Anantathanasarn: "Passivation effects of nitrided GaAs surafce using nitrogen radical irradiation"Appl.Sur.Sci. 159-160. 456-461 (2000)
• [Publications] S.Ootomo: "Characterization of nitrided GaP (100) surfaces prepared by nitrogen plasma and radicals"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 2407-2413 (2000)