2020 Fiscal Year Annual Research Report
GaN transited having 3-dimensional channels with various operation modes using selectively grown Fin structures
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19H02192
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
筒井 一生 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60188589)
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| 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, エレクトロニクス・製造領域, ラボ長 (10357212)
星井 拓也 東京工業大学, 工学院, 助教 (20611049)
角嶋 邦之 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50401568)
山田 永 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60644432)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | FinFET / 選択成長 / GaN / 立体チャネル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
パワー半導体デバイス用として優れた特性が期待される窒化ガリウム（GaN）系半導体では、高電子移動度トランジスタ（HEMT）と呼ばれる平面形のトランジスタが実用段階にある。これに対し、本研究では、Fin形電界効果トランジスタ（FinFET）と呼ばれるチャネルを立体的に立てた形状のGaN系トランジスタを結晶の選択成長技術を用いて試作するとともに、デバイスシミュレーションを併用して、種々考えられる電流経路形態のデバイス特性の利害得失を比較議論し、HEMTの特性を凌駕するGaNによるFinFETの可能性を実証的に明らかにしてゆく。試作においては、Fin構造を従来行われて来たエッチング法ではなく、選択成長法を用いて高特性を目指すところに特徴がある。これにより、多様なデバイス形態に対応した結晶品質の高いGaN系Fin構造を実現してゆく。デバイスシミュレーションも組合せ、GaN系FinFETの可能性と方向性を示して行く。
令和2年度は、試作実験において前年度に課題であった選択成長領域での基板側GaN中の電流リークを、マスク絶縁膜の開口エッチングプロセスの変更により抑制することができ、FinFETの試作と評価を進めた。その結果、リーク電流を抑制したトランジスタ動作を確認した一方、相互コンダクタンス特性などに不充分なところが認められ、ゲート絶縁膜とGaNとの界面特性の制御が次の課題となった。シミュレーションによる検討では、まずバルク伝導型でオン抵抗を低減するためのドリフト領域拡張構造の形状最適化を検討し、得られた知見を次年度の試作実験に取り入れる計画が立てられた。また、2次元電子ガスチャネルをFin構造の側面に形成する伝導形態のデバイスシミュレーションに着手した。これも次年度には２つの伝導形態の比較による利害得失の議論ができる見込みとなった。
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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
バルク伝導型の試作実験は、リーク電流の抑制まで達成でき、電極形成プロセスやゲート絶縁膜形成プロセスにまだ課題が残るが、これらの対応検討が進めば、GaNのチャネル部の結晶性を反映したデバイス特性が得られる見通しは得られている。シミュレーションで検討を進めたドリフト領域拡張構造の導入も実験上の難しさは特に予想されないので、トランジスタ特性でのデバイス構造優位性の議論がしやすくなると考えられる。
伝導モードの異なる二次元電子ガスがFinチャネル側面に形成するタイプのシミュレーションは途中であるが、来年度には特性比較の議論ができる見込みを得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
バルク伝導型で、選択成長法で形成するFin構造チャネルの高品質をデバイス特性で実証するのがひとつの目標である。これに向かって、トランジスタ形成プロセスでの電極形成やゲート絶縁膜形成での最適化をさらに進め、GaNのFin構造の結晶性で決まるデバイス特性が正しく評価できるレベルに持って行く。また、合わせて、ドリフト領域の拡張構造を試作デバイスにも取り入れて、寄生抵抗成分によるオン特性の劣化を抑制することでも、目標達成に貢献する。
シミュレーションでの伝導形態の異なるデバイス構造間の比較検討については、二次元電子ガスチャネルが水平および垂直（Fin構造の側面）に形成されるタイプのシミュレーションモデルを立ち上げて、構造パラメータの最適化をしながら予想される特性の利害得失を明らかにしてゆく。
さらに、選択成長法でAlGaN/GaNのヘテロ構造をもつFin型チャネルの形成実験も進め、まず水平二次元電子ガスのデバイスを試作してシミュレーションでの議論の裏付けをとる。また、結晶成長上の課題が予想される二次元電子ガス垂直型の実現に向けたプロセスの可能性調査も開始する。
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