2016 Fiscal Year Research-status Report
窒化物半導体デバイスに印加される分極電界の観測と制御
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16K18074
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
谷川 智之 東北大学, 金属材料研究所, 講師 (90633537)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / 変調分光 / 発光ダイオード / 高電子移動度トランジスタ / 有機金属気相成長法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
巨大な分極を有する半導体デバイスの性能向上に向けて、デバイス動作時に極めて近い状態で分極電界を定量評価し、バンドプロファイルを制御する技術を確立することを目的とする。平成２８年度は、評価試料となる発光ダイオードおよびトランジスタの作製技術の確立とデバイス動作中の電界の方向と強度を定量評価する技術の確立を目指した。内部電界の評価には変調分光法を用いた。
まず、InGaN/GaN発光ダイオードの内部電界の評価を行った。III族極性およびN極性GaN上にInGaN/GaN多重量子井戸を発光層とした発光ダイオードを有機金属気相成長法により成長した。成長後、フォトリソグラフィを用いてｐ型GaNおよびｎ型GaN表面に電極を形成し、電極間に交流電圧を変調信号として印加し、電界変調反射スペクトルを測定した。電界変調反射スペクトルより、InGaNおよびGaNに起因した反射信号が得られた。電界変調反射スペクトルの位相や振幅は格子極性によって異なっていた。スペクトル形状をフィッティングし電界強度を求めると、格子極性により内部電界の向きと強度が異なることが分かった。ゼロバイアス時においてInNモル分率0.20程度のInGaN井戸内に印加される電界強度は、III族極性において+1.3 MV/cm程度、N極性において－2.5 MV/cm程度であった。
また、AlGaN/GaNトランジスタの内部電界評価に向けて、N極性GaN/AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ構造の作製を試みた。GaN上にAlGaNを成長すると、引っ張り応力を受けてクラックが発生するため、クラックの生じない組成および膜厚範囲で構造最適化を試みた。AlNモル分率0.20、膜厚25 nm程度でクラックフリーを達成し、電極を形成しトランジスタ動作を得ることができた。電圧－容量特性を評価し、二次元電子ガスの形成を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度は、変調分光法を用いた内部電界の評価技術の確立とInGaN/GaN発光ダイオードやAlGaN/GaNトランジスタなど評価対象となる試料の作製技術の確立を目的とし研究を実施した。
結晶成長に関して実施した内容としては、研究開始当初にはAlGaN/GaNトランジスタの作製技術が確立していなかったため、この素子構造の結晶成長を実施した。混晶成長の成長条件最適化と臨海膜厚を考慮した構造最適化を実施した。特に伸長歪によるクラックの発生が素子作製の弊害であることが分かり、臨海膜厚以下の組成および膜厚設計を行うことによりクラックフリーのAlGaN/GaNトランジスタを作製することに成功した。
内部電界の評価技術については、InGaN/GaN発光ダイオードを電界変調反射分光法で評価する技術の構築から研究を始め、格子極性により電界強度が異なることを実験的に観測することに成功した。AlGaN/GaNトランジスタについては、作製技術を確立した後、電圧－容量特性から評価を進めた。外部から電圧を印加すると、チャネルとなるGaN/AlGaNヘテロ界面に電子が蓄積している様子と空乏化する様子を確認することができた。これは、外部電圧により電極直下のバンドプロファイルが変化することを示している。今後、変調分光法による内部電界の評価を進める。
以上より、本研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、ヘテロ界面の電荷を制御するための結晶成長技術を様々な観点から検討し、構築する。具体的には、分極ドーピングによる分極固定電荷の増加と、点欠陥による固定電荷の補償を目指す。
分極固定電荷を増加させる方法について、InGaN/GaNヘテロ構造を例にとる。GaNをAlGaNに変更すると、分極不連続量が増加するため界面の固定電荷が増加する。また、混晶組成をある距離に渡り傾斜させると、界面に二次元的に形成される分極固定電荷を三次元的に分散させることができる。
固定電荷の補償については、不純物デルタドーピングを行う。ヘテロ界面近傍に高濃度の不純物を局所的にドーピングすることで、イオン化したドナーもしくはアクセプタが疑似的に分極固定電荷と同様の機能を示し、分極固定電荷の補償が期待できる。分極不連続量である１平方センチメートルあたり１０の１３乗程度に相当する不純物をヘテロ界面近傍のGaN中にドープし、電界強度の低減を図る。
上述の検討が完了した後、デバイス性能の向上を目指した構造最適化を目指す。InGaN/GaN発光ダイオードでは分極電界を低減させ、内部量子効率の向上を目指す。AlGaN/GaNトランジスタでは、分極電界を増加させ、二次元電子ガス濃度の増加を目指す。
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| Causes of Carryover |
変調分光測定のうち、パルスレーザー光を変調光源とするフォトリフレクタンスを実施するにあたり、光源となるピーク波長325 nmのDPSSレーザーの購入を検討したところ、納期が間に合わず、年度内の購入が難しいことが分かった。そのため、平成２９年度にDPSSレーザーを購入するために次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額と翌年度分として請求した助成金を用いてDPSSレーザーを購入する。消耗品として結晶成長に必要な基板および原料を購入する。研究成果を国内学会で発表する。
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[Presentation] MOVPE Growth of N-polar GaN/AlxGa1-xN/GaN Heterostructure on Small Off-cut Substrate for Flat Interface2016
Author(s)
K. Prasertsuk, S. Tanaka, T. Tanikawa, K. Shojiki, T. Kimura, A. Miura, R. Nonoda, F. Hemmi, S. Kuboya, R. Katayama, T. Suemitsu, and T. Matsuoka
Organizer
Compound Semiconductor Week 2016
Place of Presentation
富山国際会議場
Year and Date
2016-06-26 – 2016-06-30
Int'l Joint Research
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