2017 Fiscal Year Annual Research Report

選択成長法を用いたGaN系立体チャネル型トランジスタの研究

Research Project

Project/Area Number	15H03972
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	筒井一生東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60188589)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	清水三聡国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, ラボ長 (10357212) 角嶋邦之東京工業大学, 工学院, 准教授 (50401568) 中島昭国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60450657) 星井拓也東京工業大学, 工学院, 助教 (20611049)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2020-03-31
Keywords	GaNデバイス / 選択成長 / 立体チャネル / FinFET / パワーデバイス
Outline of Annual Research Achievements	サファイア基板上にGaNをエピ成長させた基板をもとに、GaN層上にSiN膜を堆積し、そこに電子ビームリソグラフィでストライプ状の選択成長マスク構造を形成し、そこにGaNをMOCVD成長させる方法でFinFETのチャネルを想定したGaN選択成長のFin構造の形成を進めてきた。平成28年度までにFin構造の側壁を垂直に制御することを達成したのを受けて、平成29年度は、マスクの最小幅を100nmまで縮小し、デバイス応用に向けた峡幅化を達成した。また、得られた選択成長Fin構造の断面透過電子顕微鏡（TEM）観察を行い、当初期待していたFin構造内での転移欠陥の低減効果を直接検証した。その結果、マスクSiN層で基板側からの転移伝搬が完全に遮断できていることが明らかになった。選択成長法を用いることによってFin構造内の結晶欠陥を低減するという大きな目標が実現できることを確認できたのが大きな成果であった。マスク端から横方向にもGaNは成長するが、このマスク上に乗り上げて成長する領域ではTEMで観察できる種類のマクロな欠陥は発生していないことがわかり、高品質の結晶が成長している可能性が高い。そのため、この横方向成長領域をトランジスタのチャネルとして積極的に利用する方針とし、そのためにマスク開口幅の更なる縮小の検討も始めた。さらに、研究計画にそって、選択成長法との比較およびデバイス作製プロセスの先行探索の目的で、エッチング法によるFin構造形成を行い、コンフォーマルな電極堆積プロセスの条件を決めた。エッチング法でFinFETを作製するためのn形ドープ層を有するエピ基板も作製した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 選択成長の形状制御はほぼ達成し、Fin幅をデバイスに利用できる100nmオーダーまで狭くするマスク形成プロセスも目途がたった。また、本研究提案の重要な点である選択成長によるFin構造中の結晶欠陥の低減について、TEM観察で直接検証できたことは意義深い。ここまでの到達に当初計画より時間はかかった。しかし、FinFET試作プロセスの準備も立ち上げ中で、このあと実際のデバイス試作で選択成長法による構造形成についての知見は多く得られるようになることが期待でき、この方法の有用性を具体的に示すことも充分期待できる。また、GaN系のFinFETでは、チャネルの伝導形態などにおいて多くのバリエーションが考えられ、そこから実際のデバイスとして有用な構造、形態を絞り込む議論が必要である。シミュレーションベースでこれを行う予定であるが、本格的な立ち上げを加速する段階である。
Strategy for Future Research Activity	選択成長Fin構造を直接用いてFinFETの作製を直ちに始める。製作プロセスを選択し最適条件を求めるために、エッチング法でもFin構造を作製する。電気的特性で結晶性を比較評価するために、選択成長時のn形ドーピングも検討する。これらのFin構造をもとに、ドープトチャネル形のショットキーゲートFinFETを作製し、動作実証するとともに、チャネル部の電子移動度やオーミック電極のコンタクト抵抗、また、電流コラプスなどの不安定現象の発現状況を評価し、選択成長法を用いることの結晶品質向上への効果を検証してゆく。一方、GaN系FinFETにおいて、チャネルの伝導形態としてFin構造中のバルク伝導、平面での二次元電子ガス、Fin側壁に形成する二次元電子ガス、およびこれらの併用が考えられ、これらの利害得失をシミュレーションにより議論する。また、矩形ではなく台形や三角形状の断面形状をもつFin構造の有用性も検討する。これらにより、目指すべきデバイスの形態を明確化し、製作実験の展開に反映させる。