| 研究領域 | 特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス |
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| 研究課題/領域番号 |
16H06421
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
橋詰 保 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (80149898)
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| 研究分担者 |
赤澤 正道 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 准教授 (30212400)
佐藤 威友 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 准教授 (50343009)
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| 研究期間 (年度) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| キーワード | GaN / AlGaN / 異種接合 / CV解析 / 電子準位 / 電気化学エッチング |
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| 研究実績の概要 |
種々の特異構造を内包するGaN系異種接合界面電気的評価を行い、化学的・構造的・光学的評価と連携させて電子捕獲準位の成因を理解し、混晶異種接合に立脚した新機能素子の実現に貢献する。本年度の主な成果を以下にまとめる。
１）SiO2およびSiNを保護膜とするGaN試料に、N2中1150℃で1分間のアニールを行い、その後HF溶液により保護膜除去を行った。そのGaN表面に原子層堆積法でAl2O3膜を形成した。CV特性の評価より、Al2O3/GaN界面に高密度の電子捕獲準位が存在することが示されたが、SiO2保護膜の場合、400℃/10分のPMA（post-metallization annealing）で顕著な界面特性の回復が観測された。一方、SiN保護膜の場合はGaN表面にSiNが残存するため（1nm以下）、界面特性回復が不十分であることが明らかになった。
２）光電気化学エッチングは低損傷の特長を持つが、電子-正孔分離用のバイアス印加が必要であった。最近、強力酸化剤のペルオキソ硫酸カリウムを利用することにより、無バイアス（通電電極なし）でGaNのエッチングが可能であることを見出した。このプロセスをAlGaN/GaNヘテロ構造に適用し、無バイアスでAlGaN層の選択的エッチングを行い、エッチング面の良好な平坦性を確認した（RMS値0.24nm）。
３）GaN基板上に成長されたAlGaN/GaN構造に原子層堆積法でAl2O3ゲートを形成し、その電気的評価を行った。PMA処理を行うことで非常に良好な電流-電圧特性が観測され、サブシュレショルド領域で理論値に近いSS値（68mV/dec）が得られた。さらに高温領域で動作安定性が確認され、150℃動作においても非常に低い漏れ電流（1.5nA/mm）と室温からのしきい値電圧変動も極めて小さい（0.25V）ことが明らかになった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
1)高温熱処理後のAl2O3/GaN界面特性の評価、２）強力酸化剤を利用した光電気化学エッチング、３）GaN基板上に成長したAlGaN/GaN構造を用いたMOS型トランジスタの評価を主要研究目標に置いた。
1150℃処理のGaN表面に形成したMOS構造においても、保護膜選択とPMA処理によりMOS界面制御が可能であることを示した。次に、強力酸化剤を利用する光電気化学エッチングをAlGaN/GaNヘテロ構造に適用し、無バイアスでAlGaN層の選択的エッチングが可能であることが示された。さらに、GaN基板上に成長されたAlGaN/GaN構造にAl2O3ゲートMOSHEMTを作成し、良好な電流-電圧特性と高温領域での高い動作安定性が観測された。以上より、予定の研究計画がおおむね順調に進展していると判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2019年度までの成果を踏まえ、今後は以下の方針で研究を行う。これまでに、絶縁膜/GaN構造の界面特性向上にゲート電極形成後の低温熱処理（Post-metallization annealing :PMA）が効果的であることがわかったが、形成温度とPMA温度の相関や界面での詳細応力解析等によりPMA機構を明らかにする。また、無バイアスの光電気化学エッチングとAl2O3ゲートとの組み合わせによりMOS型HEMTを作成し、トランジスタ特性と動作安定性を詳細に評価する。さらに、高誘電率絶縁ゲートを実現するため、原子層堆積法（ALD）による(HfO2)/(SiO2)ラミネート構造をゲート絶縁膜とするMOS-HEMTの作製と評価を行う。絶縁膜/AlGaN界面の電子捕獲準位密度とALD堆積後の熱処理温度およびHEMT作製プロセスの関係を詳細に評価し、熱的安定性に優れたMOS-HEMTを実現する。
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