窒化ガリウム系超高速・ハイパワートランジスタ構造の表面・界面制御

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350155
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 橋詰 保 北海道大学, 量子集積エレクトニクス研究センター, 助教授 (80149898)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤澤 正道 北海道大学, 量子集積エレクトニクス研究センター, 助教授 (30212400) ; 葛西 誠也 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30312383) ; 本久 順一 北海道大学, 量子集積エレクトニクス研究センター, 助教授 (60212263)
• Keywords: 窒化カリウム / 表面制御 / 界面制御 / 表面処理 / ヘテロ構造 / フェルミ準位ピンニング / Al_2O_3 / HFET

Research Abstract

本研究では、GaN系材料の表面、金属界面、ヘテロ接合界面、保護絶縁膜界面の構造的・化学的特性およびそれらと電気的特性との相関を系統的に評価し、プロセス技術にフィードバックし、絶縁ゲート型およびショットキーゲート型ヘテロ構造電界効果トランジスタ(GaN/AlGaN HFET)の高安定化を実現することを目的とする。本年度に得られた主な成果を以下にまとめる。
(1)MOVPE法で成長したGaN膜をテンプレート基板として、MBE法によりGaN/AlNヘテロ構造を成長し、in-situでXPS測定を行った。その結果、良好な化学結合状態のAlN薄膜の成長が確認され、GaN/AlN界面の価電子帯の不連続量が1.0〜1.2eVであることが明らかになった。
(2)900℃以上の高温熱処理プロセス、プラズマCVDによるSiO_2膜の堆積プロセス、プラズマドライエッチングプロセスによって、AlGaN表面において顕著な窒素空乏が生じ、表面電子状態が劣化することを明らかにした。また、(SiN_x)膜による表面保護構造は、このような劣化を大幅に抑制する効果があることがわかった。
(3)MBE装置内でのAl薄膜の分子線蒸着とECR励起酸素プラズマ酸化により、3〜4nmの超薄Al_2O_3膜をAlGaN表面に形成するプロセスを開発し、(Al_2O_3)膜の禁制帯幅が7eV、(Al_2O_3/Al_<0.3>Ga_<0.7>N)の伝導帯の不連続量が2.1eVであることを明らかにした。
(4)さらにこの超薄(Al_2O_3)膜をゲート絶縁膜と表面不活性化膜に応用し、新しい絶縁ゲート型AlGaN/GaNヘテロ構造電界効果トランジスター(HFET)を試作し、良好なゲート制御特性、大きな飽和ドレイン電流(0.8A/mm)、大きな相互コンダクタンス(125mS/mm)を達成した。また、ショットキーゲート型HFETで観測された電流コラプス現象が(Al_2O_3)絶縁ゲート型HFETでは観測されず、超薄(Al_2O_3)膜を利用した表面保護構造のデバイス安定化効果を確認することができた。

Research Products

• [Publications] T.Hashizume: "Discrete surface state related to nitrogen-vacancy defect on plasma treated GaN surface"Applied Physics Letters. 80. 4564-4566 (2002)
• [Publications] S.Oyama: "Mechanism of Current Leakage through Metal/n-GaN Interfaces"Applied Surface Science. 190. 322-325 (2002)
• [Publications] Z.Jin: "Effects of nitrogen addition on methan-based ECR plasma etching of gallium nitride"Applied Surface Science. 190. 361-365 (2002)
• [Publications] M.Konishi: "In-situ XPS and Photoluminescence Characterization of GaN Surfaces Grown by MBE on MOVPE GaN Templates"Inst. Phys. Conf. Ser.. 170. 837-842 (2002)
• [Publications] T.Hashizume: "Surface Fermi level position and gap state distribution of InGaP surface grown by metal-organic vapor phase epitaxy"Applied Physics Letters. 81. 2382-2384 (2002)
• [Publications] S.Ootomo: "A Novel Thin Al_2O_3 Gate Dielectric by ECR-plasma Oxidation of Al for AlGaN/GaN Insulated Gate Heterostructure Field-Effect Transistors"phys. stat. sol. (c). 90-94 (2002)
• [Publications] H.Hasegawa: "Properties of Surface States on GaN and Related Compounds and Their Passivation by Dielectric Films"Materials Research Society Proceedings. 573. 743-754 (2003)
• [Publications] T.Inagaki: "Effects of Surface Processing on 2DEG Current Transport at AlGaN/GaN Interface Studied by Gateless HEFT Structure"Applied Surface Science. (印刷中). (2003)
• [Publications] T.Hashizume: "Surface passivation of GaN and GaN/AlGaN heterostructures by dielectric films and its application to insulated-gate heterostructure transistors"J. Vac. Sci. Technol B. (印刷中). (2003)