2017 Fiscal Year Annual Research Report
Highly reliable GaN power device fabricated using supercritical water
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16H04332
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
浦岡 行治 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (20314536)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム / 超臨界水 / HEMT |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、昨年度試作した超臨界水処理（SCW）装置を用いて形成した2種類のMIS界面の電子物性を評価した。GaN表面をSCW装置により直接酸化した界面とさらにその上に堆積された絶縁膜との界面を観測した。
GaN表面に直接、熱処理を施すことで、酸化ガリウム（Ga2O3)の形成を試みた。 Ga2O3 は、 バンドギャップ4.6 ～ 4.9 eVを有するワイドギャップ半導体である。形成された酸化膜に対して、X 線回折測定による結晶状態評価、原子間力顕微鏡による表面モフォロジー評価などのプロセスにおける基礎的な情報から、 X 線光電子分光による界面の化学結合評価、バンドオフセット評価などの物性に関わる情報を得ることで、GaN HEMTのゲート絶縁膜やパッシベーション膜として利用可能であるか評価を行った。
また、SCW処理によって改質されたGaN表面にALD（原子層堆積法）法によって形成したAl2O3/GaN MIS構造の評価を行った。この界面準位密度を周波数分散、Terman法、コンダクタンス法によって算出した。本研究では、ALD法によるAl2O3をゲート絶縁膜として、採用する。これまでの我々の研究によって、TMA（Tri-methyl-aluminum）をプリカーサとしたプラズマ励起法によるAl2O3膜がゲート絶縁膜として有望であることを確認している。同様に、Al2O3絶縁膜に対する熱処理効果についても固定電荷密度の算出、リーク電流評価によって明らかにした。また、XPSによる深さ方向分析も実施し、界面の結合状態がどのように変化したか同定した。
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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
今年度は、昨年度試作した超臨界水処理（SCW）装置を用いて形成した2種類のMIS界面の電子物性を評価した。GaN表面をSCW装置により直接酸化した界面とさらにその上に堆積された絶縁膜との界面を観測した。
成果は以下に示すとおりである。
（１）超臨界水処理を実施することで、GaN表面に酸化ガリウムを効率よく形成することができ、その結果を応用物理学会で発表した。具体的には、400度、30MPaの超臨界水処理で、ストイキオメトリに近い酸化ガリウムの形成を確認した。通常の熱酸化(800から900度, 1 から12 h)よりも低温かつ短時間(400度, 15 min)でGaOx層が形成された。
（２）原子層堆積法（ALD)を用いて、GaN表面に高品質の酸化アルミニウムを形成することに成功し、応用物理学会で発表した。その酸化アルミニウムとGaNの界面に高圧水蒸気処理を施すことで、界面準位と炭固定電荷を低減することができた。この理由は、高圧水蒸気処理を施すことで、酸素欠陥を回復させ、炭素などの不純物を除去できたことが挙げられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は共同研究先の福井大学の葛原研究室の指導を受けながら、GaN MIS-HEMTを作製し、実デバイスから超臨界水処理の有効性について評価する。また、本処理のデバイスプロセスにおける最適順序についても検討する。最終的には伝達特性から閾値電圧の不安定性や電流コラプス現象を解消し、耐圧1.7 kV、最大出力1.2 A/mmの高出力AlGaN/GaN HEMTの実現を目指す。作製された素子は、電気特性測定を中心に、界面の電子物性評価および信頼性評価を行い、本熱処理技術の効果を確認する。特に電流コラプスの評価には、過渡電流（Current-Transient Methodology）法を導入する。この方法は、ゲートに様々な周波数のパルスを加え、ドレイン電流減少時の時定数からトラップの深さを推定するものである。
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