| 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 |
16H06423
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
酒井 朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20314031)
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| 研究分担者 |
今井 康彦 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 放射光利用研究基盤センター, 主幹研究員 (30416375)
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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 | 逆圧電効果 / 時分割パルス放射光回折 / ポンプ＆プローブ計測 / AlGaN/GaN HEMT / ナノビームX線回折 / 3次元逆格子マッピング / 結晶性断層マッピング / Ptワイヤプロファイラ |
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| 研究実績の概要 |
AlGaN/GaＮ系高電子移動度トランジスタ（HEMT）におけるゲート電圧印加下の逆圧電効果による格子変形に着目し、時分割パルス放射光回折による結晶中特異構造の電場応答観測にあたった。SPring-8放射光パルスと同期させてデバイスにパルス電圧を印加し、かつ、放射光パルスに対して印加電圧の位相を自在にシフトさせるポンプ＆プローブ計測を行った。今回は、印加ゲート電圧のエッジタイムを10 nsから300 ns、パルス幅を200 nsから600 nsと様々に変化させ、それらに応答するAlGaNバリア層c面間隔を3次元逆格子マッピングでその場定量観測した。特に、パルス幅60 psのシングルバンチのＸ線パルス光を電圧パルスに対して種々の位相で照射することで、逆圧電効果によるAlGaN c面の格子変形のダイナミクスを探った。その結果、ナノ秒スケールで生ずる格子変形の動的変化を捉えることに成功した。また、ゲート電圧印加に応答する格子変形には、時定数が100～300 nsのタイムラグが発生する。電流のその場計測から、ゲート‐ドレイン/ソース間にはパルス電圧印加と同時に過渡電流が発生していることが明らかになり、このタイムラグは過渡電流による電圧降下に起因すると考えられる。
一方、初年度より継続して開発してきたナノビームX線回折（nanoXRD）による3次元逆格子マッピング分析法と結晶性断層マッピング解析法については、Ptワイヤプロファイラを用いた回折波選択技術の開発をほぼ完了させた。従来より計測してきた高Ge組成SiGe/組成傾斜SiGe/Si積層構造やGaNバルク結晶に適用し、結晶の厚さ方向に依存する格子面傾斜や歪等の微細構造の検出に成功した。これにより、本方法が、100 nmスケールの深さ分解能を持つ特異構造結晶性評価手段として活用できることを実証した。
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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
当該年度は、放射光Ｘ線パルスと同期した電圧を試料に印加するポンプ&プローブ法を実デバイスであるAlGaN/GaN HEMTに適用し、特に、逆圧電効果によるAlGaNバリア層の格子変形応答ダイナミクスの観測に成功した。SPring-8実験施設における回折波検出計の改良、その場観測および実験ハッチ外でのリモート操作のための電子・電気計測機のセットアップの最適化、試料デバイスへの電圧印加用配線のレイアウトの工夫等を施すことによって、ピコ秒からマイクロ秒の範囲での時分割測定を実現した。放射光実験の特徴でもある60 psのパルス光を有効に用いて、印加ゲート電圧のパルス幅やエッジタイムに依存するナノ秒スケールの格子変形挙動のダイナミクスの観測が可能になっており、それによって、従来知られていなかった、窒化物半導体デバイスへのゲート電圧印加で生ずる逆圧電効果の過渡的状態を捉えることに成功した。また、継続して開発している3次元結晶性断層マッピング解析も完了形に近づいており、次年度からは適用する材料系を拡張する準備が整っている。以上より、本年度はおおむね順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度より、半導体結晶中の結晶成長に関連して導入された格子欠陥やナノボイド等の特異構造に加えて、窒化物半導体結晶が有する、ｃ軸方向に反転対称性を持たない結晶構造を特異構造と捉えて、その分極構造が誘発する圧電効果ならびに逆圧電効果を解析してきた。特に本年度までにAlGaN/GaN HEMTへのゲート電圧印加によって発現する逆圧電効果が、AlGaNバリア層の格子変形を引き起こすことを実証してきた。今後も、ナノメートルサイズ入射X線ビームの空間分解能とナノ秒スケールの時間分解能を有する放射光のメリットを活かした研究を進めていく。対象試料は同様なAlGaN/GaN HEMTとするが、これまでは計測可能性検証の意味も含めて、ゲート電圧印加のみであった。次年度は、これにドレイン電圧印加も同時に試みドレイン電流等のその場計測も行う、HEMTのオペランド測定を推進する。実デバイスとして動作下にある状況で、デバイス結晶の格子変形挙動がどのように進行するのか、そうした挙動がデバイス内で空間的かつ時間的にどのように変化するのかなど、特異構造（逆圧電挙動）のダイナミクスを詳細に明らかにし、圧電やトランジスタ特性に関わる特異構造の構造相関および機能相関を探索する。
一方、nanoXRDのPtワイヤプロファイラを用いた回折波選択技術は、結晶特異構造を含むあらゆる結晶に適用できる段階へと目途がついたため、領域内の他グループや他の研究機関より供給される特異構造制御型窒化物結晶・デバイスへと評価対象を拡張し、結晶内特異構造の静的精密評価技術として確立させる。
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