2021 Fiscal Year Annual Research Report
通信機の超低消費電力化に向けた窒化ガリウム系高周波トランジスタの開発
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21J22909
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
隈部 岳瑠 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム / ヘテロ接合バイポーラトランジスタ / 結晶成長 / 半導体製造手法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代通信用半導体素子として期待されている窒化アルミニウムガリウム・窒化ガリウム・ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（AlGaN/GaN HBT）の高周波動作実証を目指し、デバイス作製プロセスの要素技術開発を行う。
本年度は、HBTにおいて最も重要な性能指標の一つである「電流増幅率」に着目し、性能向上のカギとなる「ベース輸送効率」の改善に取り組んだ。具体的には、ベース領域を構成するp型GaNについて、ベース輸送効率を低減させないための極薄膜(< 100 nm)・結晶成長技術と加工損傷制御について検討を行った。
p型GaN極薄膜の成長では、その場観察装置を用いた成長温度・圧力の最適化を通じ、有機金属気相成長法において超低速成長レート下(10 nm/min以下)での精密なアクセプタ不純物濃度制御（10の18～20乗台）を実現した。
また、加工損傷制御については、誘導結合型プラズマ・反応性イオンエッチングにおける設定条件とエッチング後の電気・光学的特性の相関関係を詳細に調査した。特に、照射プラズマの運動エネルギーに関わるパラメータ（バイアスパワー）と、エッチングによりp型GaN中に形成される点欠陥には顕著な相関がみられ、これを最適化することでほぼ加工損傷を生じないエッチングを実現した。
これらの結果をもとに、AlGaN/GaN HBTへの展開を行った。作製したデバイスは電流増幅率において世界最高クラスとなる25を達成したほか、電流密度やオフセット電圧等の指標においては世界最高性能（電流密度: 15 kA/cm2、オフセット電圧: 0.7 V）を達成した。以上の結果は、本年度に取り組んだp型GaNの極薄膜成長・加工損傷制御技術がAlGaN/GaN HBTの性能向上に効果的であることを支持している。
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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
本年度は、ベース輸送効率の改善を通じた高電流増幅率化に向けてp型GaNの結晶成長実験に取り組み、当該年度の目標である「有機金属気相成長法における10 nm/minの超低成長速度下でのMgドーピング濃度制御」を達成した。加えて、p型GaN・ベース領域への接触抵抗低減に向けて低加工損傷・ドライエッチング技術の開発にも取り組み、ほぼ加工損傷なくp型GaNをエッチングする手法を考案した。以上により、当初予期していたデバイス作製のための要素技術開発をほぼ完了できた。
さらに、これらの手法によりAlGaN/GaN HBTを作製したところ、電流増幅率・電流密度・オフセット電圧において世界最高レベルの性能を実現した。これは最終年度の目標である「AlGaN/GaN HBTの高周波動作実証」に向けて、デバイス作製プロセスの下地が整ったと言える。このように、計画時の目標を達成でき、最終年度につながる成果が得られていることから、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度はAlGaN/GaN HBTの高周波動作実証のカギとなる、ベース領域の低抵抗化に焦点を絞り、新規構造の提案と要素技術の開発を行う。具体的には、Ⅲ族窒化物半導体に特有である巨大分極効果（分極ドーピング）を活用したデバイス構造における直流動作実証を目指す。
初年度の実験から、AlGaN/GaN HBTにおいては市販されているGaAs系HBTと比較してシート抵抗が極めて高いことが明らかになった。これはベース領域として用いたMgドープ・p型GaNにおいて、①Mgアクセプターのイオン化エネルギーが大きいこと（～200 meV）、②Mgドーピング時に大量の補償欠陥が導入されること、により低・正孔濃度となるためと考えられる。そこで、本研究では分極ドーピングに着目し、Mgドーピングに依らない手法により低抵抗化を目指す。具体的には、設計・要素技術段階として、コンピュータ・シミュレーションによる分極ドーピング・AlGaN/GaN HBT構造の検証、分極ドーピング領域の各種電気的特性の評価を実施する。研究が計画以上に進展した場合には、分極ドーピング・AlGaN/GaN HBTを作製し、実デバイスにおける特性の評価と設計・結晶成長・作製プロセスへのフィードバックを実施する予定である。
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