2016 Fiscal Year Annual Research Report
GaN系HEMTと関連素子のピエゾ電界効果の解明と表面準位の新評価法
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26289095
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
榊 裕之 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 学長 (90013226)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | GaN / HEMT / ピエゾ電界 / 表面準位 / 電界効果トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GaN系HEMTは、高周波特性と耐圧特性に優れた高速パワー素子として発展が期待されている。本素子はAlGaN層とGaN層を重ねた二層ヘテロ構造を持つが、各層の表面に、結晶構造に起因する自発分極電荷が生じ、同時に、両者の格子定数の違いに伴う歪みの作用で、ピエゾ分極電荷も誘起されることが知られている。また、各層の表面には表面準位が存在し、特性に影響を与えている。本研究では、GaN系とGaAs系のHEMT素子を短冊状に成形し、弓型に変形させた時の素子の電気抵抗の変化を系統的に計測・解析することで、ピエゾ電界の物理と表面準位に関し、以下の知見を得てきた。
１．歪みによるピエゾ電界は伝導層内の電子の濃度を変えるだけでなく、障壁層内の電子濃度も変えることを明らかした。
２．また、ピエゾ電界は、各層の電子濃度を変えるだけでなく、移動度も変えることを明らかにした。特に、低温では、界面凹凸散乱の頻度に影響することを見出した。
３．GaAs(100)面上のHEMTでは、結晶構造の対称性からピエゾ効果は生じないとされたが、弓型変形で、対称性が崩れ、これが生じることを示した。
さらに、素子表面に金属を堆積して表面電荷の増減を遮蔽した場合と素子表面を裸に保つか絶縁膜を堆積した場合について、ピエゾ抵抗効果の違いを計測し、両者の違いを解析することにより、表面準位の面密度が推定できる見通しも得ている。これらの知見を基に、ピエゾ電界効果の物理をより詳しく明らかにする。また、ピエゾ抵抗効果をより大きくする構造を設計・試作し、センサー応用の可能性を明らかにする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究において、実験試料を作成するための結晶成長とデバイスプロセスならびに特性計測などに関し、中核的な役割を果してきた共同研究者（大森雅登）が、豊田工業大学から名古屋大学に移籍した。これに伴い、移籍先における職務に対応するために、割ける時間が大幅に減少し、研究の進捗に停滞が生じることとなった。
また、試料の作成と計測に用いていた実験室スペースも、キャンパス刷新計画の影響で、取壊しの上、刷新されることになり、遅れが生じることとなった。幸い、新実験室スペースの再整備は完了しており、今後、研究の遅れを取り戻す環境が整いつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画に従い、まず、サファイア基板上およびシリコン基板上に形成されたGaN系HEMTを対象に、AlGaN/GaNヘテロ構造の各層の表面に生じる自発分極電荷とピエゾ分極電荷の定量評価を進める。特に、短冊状に成形した素子を弓型に変形させた時、素子の電気抵抗の変化だけでなく、電子の濃度や移動度を独立に計測・解析することにより、ピエゾ電界効果の物理的な理解を深める。
GaAs系のHEMTやInGaAs系のHEMTについても、同様のピエゾ抵抗計測を行い、その解析から、これらの系におけるピエゾ抵抗効果の物理機構を明らかにする。特に、(100)面上に形成した素子を対象に、外部歪みに起因する対称性の消失によるピエゾ抵抗効果の物理を明らかにする。また、AlGaAs層とGaAs層を積層化した素子において、ピエゾ電界の作用で、電子の空間分布がどのように変化するかも調べ、ピエゾ抵抗にどう影響するかを明らかにする。
さらに、これらのHEMT素子表面に、ゲート電極のように、金属膜を堆積し、表面電荷の変化を遮蔽できる場合と素子表面に絶縁膜を堆積し、遮蔽が困難な場合について、ピエゾ抵抗効果を計測・解析し、表面準位の定量評価が可能なことを実証する。
これらの知見を基に、ピエゾ電界効果、特に、ピエゾ抵抗効果をより大きくする構造を設計・試作し、センサー応用の可能性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本研究において中核的な役割を果してきた共同研究者の移籍、および実験室スペースの取壊しと再整備に伴い、研究の進捗に停滞が生じたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前項に記した通り、ピエゾ電界効果、特に、ピエゾ抵抗効果をより大きくする構造の設計・試作に用いる予定である。
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