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2016 Fiscal Year Annual Research Report

異種界面制御に基づく窒化ガリウム系トランジスタの高安定化

Research Project

Project/Area Number 15J00919
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

西口 賢弥  北海道大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2018-03-31
Keywords窒化ガリウム / 界面 / HEMT
Outline of Annual Research Achievements

絶縁ゲート(MOS)型AlGaN/GaN HEMTの、最も深刻な問題の一つである、順バイアス領域におけるドレイン電流飽和の飽和について、評価と改善を行った。
本研究グループが独自に開発した“逆バイアスアニール法”の界面準位の低減効果を確認するため、比較的低転移密度なGaN自立基板を用いてゲート絶縁膜にAl2O3膜(30nm)を堆積した単純なMOSダイオードを作製した。その結果、逆バイアスアニール法を施したGaN MOSダイオードのCV特性は、1~1MHzでの測定周波数において分散の極めて小さな特性が得られ、理想値に非常に近い良好な結果を示した。これはアニールによって、極めて安定なMOSを形成できたことを示しており、化合物半導体においては初の報告である。
さらに、30nm-Al2O3膜をゲート絶縁膜に使用したAlGaN/GaN MOS HEMTを作製し、アニールを施した。伝達特性を測定した結果、逆バイアスアニールによって順バイアス領域でゲート制御性が著しく向上し、得られた最大ドレイン電流値は15%も増加した。また、gm曲線の半値幅が、アニールによって10.7V→13Vに増加した。続いて、MOS HEMTの特性向上と界面準位の関係を調べるため、FatHEMTのゲート容量のCV特性を比較した。この実測値に、本研究者が開発した計算シミュレーションを適用し、界面準位密度を算出した結果、アニール後の界面準位密度は、GaN MOS ダイオード程ではないが10分の1にまで低減していることが分かった。
以上、Al2O3ゲートAlGaN/GaN HEMTに、独自に見出した逆バイアスアニール法を施すことで、順バイアス領域でのゲート制御性が向上することを確認した。この原因は、MOS界面準位が低減したため、ゲート電界を遮蔽する電荷が減少しAlGaNの表面ポテンシャル変調が向上したからだと考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の主目標は、AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)の、界面準位の低減と、それによるC-V,I-V特性の変化を評価することである。本研究グループが独自に開発した"逆バイアスアニール法"を施し伝達特性を測定した結果、逆バイアスアニールによって順バイアス領域でゲート制御性が著しく向上し、得られた最大ドレイン電流値とgm曲線の半値幅が増加した。さらに、FatHEMTのゲート容量のCV特性を測定し、本研究者が開発した計算シミュレーションを適用した結果、界面準位密度が10分の1にまで低減していることが分かった。これらの結果は、MOS界面準位が低減したため、ゲート電界を遮蔽する電荷が減少しAlGaNの表面ポテンシャル変調が向上したことを示しており、世界で初めての報告である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、逆バイアスアニール法のメカニズムの解明を目指す。現状、他のあらゆる界面準位の低減プロセスと比較して、逆バイアスアニール法が絶大な効果を持っていることは明らかであるが、そのメカニズムは未解明である。この物理的根拠が明らかとなれば、さらなる界面準位の低減が期待できる。この結果より得られた知見を、GaN MOS HEMTに適用し、さらなる動作安定性の向上につなげる。
現状GaNcap構造は界面準位密度を低減に寄与するとしてよく用いられる。しかし、GaNcap付きAlGaN/GaN MOS構造のC-V特性は、2step目が測定周波数増加に伴い、正バイアス側にシフトする特有の分散を示す。これは、GaNcap構造特有の電子の振る舞いを示していると考えており、GaNcapがデバイスに与える影響を理解するため、主に数値計算による解析を行う。

  • Research Products

    (2 results)

All 2017 2016

All Presentation (2 results)

  • [Presentation] GaN キャップ層 が AlGaN/GaN MOS 構造 の C-V特性 に与える影響2017

    • Author(s)
      西口賢弥、金木奨太、橋詰保
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Controllability improvement of Al2O3-gate structure for GaN transistors2016

    • Author(s)
      Kenya Nishiguchi, Syota Kaneki, Tamotsu Hashizume
    • Organizer
      Compound Semiconductor Week (CSW2016)
    • Place of Presentation
      Toyama International Conference Center, Toyama, Japan
    • Year and Date
      2016-06-26 – 2016-06-30

URL: 

Published: 2018-01-16  

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