2018 Fiscal Year Annual Research Report
Electron-spin-resonance characterization on interface defects at wide-gap semiconductor (SiC and GaN) MOS interfaces
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17H02781
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藤ノ木 享英 (梅田享英) 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10361354)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 光央 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 (60450665)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム / GaN / 炭化ケイ素 / 4H-SiC / MOS界面欠陥 / MOSFET / 電子スピン共鳴分光 / ESR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒化ガリウム（GaN）および炭化ケイ素（4H-SiC）のMOS界面欠陥の電子スピン共鳴分光（ESR）解析を行った。
GaN-MOS界面は、価電子帯側に高密度のMOS界面準位が発生することが知られている。この界面準位は残念ながら2電子占有状態になっていて、私達のESR（1電子占有準位を選択的に観測）では見ることはできない。しかし2電子占有になっていることを逆手にとれば、n-GaN基板のドナーESR信号の変化からGaN/絶縁膜界面の電子トラップ発生密度を定量できることを発見した。この原理に基づき、産総研先進パワエレ研究センター（清水三聡リーダー）の標準ALDプロセスによるALD-SiO2およびALD-Al2O3と、名古屋工業大学・江川研究室のAlGaN/GaN-HEMT用の改良ALD-Al2O3（酸化剤にオゾンを用いる）を評価したところ、ALD-SiO2との界面が最もよく（電子トラップ発生密度2.5E12cm-2）、次いで改良ALD-Al2O3（同5.0E12cm-2）が続く結果となった。
4H-SiC MOS界面では、a面、m面のMOS界面欠陥の電流検出ESR（EDMR）分光を実施した。EDMR評価のために産総研先進パワエレ研究センターで4種類の4H-SiC MOSFET（Si面ドライ酸化、Si面NO窒化、a面NO窒化、m面NO窒化）を作製し、EDMRで界面欠陥の観察を行った。その結果、標準面であるSi面ではNO窒化によってPbCセンター（界面炭素ダングリングボンド欠陥）が1/50に減少する様子が見られ、a面、m面においては同じNO窒化でSi面と比べてさらに1/10にPbCセンターが減少することを見出した。この結果は4種類の4H-SiC MOSFETのチャネル移動度とも良い相関があり、PbCセンターが主要な界面欠陥の１つとなっていることが示唆された。
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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
窒化ガリウムおよび炭化ケイ素の両方においてMOS界面欠陥の評価が順調に進んでおり、次年度の研究でさらなる発展も期待できる状況になった。これらのMOS界面の電子スピン共鳴分光（ESR）評価は世界的に見てもできる研究者が限られており、オリジナリティの高い多くの研究結果が期待できる状況にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
窒化ガリウム（GaN）では、前年度に開発した界面電子トラップ評価をさらに進展させる。具体的には、GaN/絶縁膜構造でよく知られているPDAプロセス（絶縁膜堆積後のアニール処理）やPMAプロセス（MOS電極形成後のアニール処理）も評価が可能なので、名古屋工業大学・江川研究室と連携して、改良ALD-Al2O3に対するPDA・PMAプロセスの効果をESRで定量する予定である。さらに名古屋大学・宮崎研究室とも連携して、CVD-SiO2/GaN界面のESR評価も実施する。前年度の評価では、産総研の標準ALD-SiO2が比較的高い性能を示したので、SiO2/GaN構造には何らかのアドバンテージがあることが期待される。そこで宮崎研で開発されたGaN用の改良CVD-SiO2（GaN表面を清浄処理してからプラズマダメージの少ないCVD堆積を行う）を同方法で評価して、GaN/絶縁膜系の界面欠陥の統一的な傾向を明らかにしたいと考えている。
炭化ケイ素（4H-SiC)では、引き続きa面、m面のEDMR分光評価に注力する。前年度、窒化a面・窒化m面の界面欠陥のESR観察に世界で初めて成功した。この界面信号の解析（磁場角度依存性解析など）を詳細に進めて、標準的なSi面とa面、およびm面での界面欠陥の違いを微視的に明らかにしたい。さらに、窒化レベルを低くすることで劣化させたa面とm面を使って、a面のPbCセンターとm面のPbCセンターの違いの詳細な解析も行う予定である。
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