窒化ガリウム系超高速・ハイパワートランジスタ構造の表面・界面制御

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350155
• 研究機関: 北海道大学
• 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, 助教授 (80149898)
• 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, 助教授 (30212400) ; 葛西 誠也 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30312383) ; 本久 順一 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 助教授 (60212263)
• キーワード: 窒化ガリウム / 表面制御 / 界面制御 / ショットキー接合 / ヘテロ構造 / フェルミ準位ピンニング / Al_2O_3 / HFET

研究概要

本研究では、GaN系材料の表面、金属界面、ヘテロ接合界面、保護絶縁膜界面の構造的・化学的特性およびそれらと電気的特性との相関を系統的に評価し、プロセス技術にフィードバックし、絶縁ゲート型およびショットキーゲート型ヘテロ構造電界効果トランジスタ(GaN/AlGaN HFET)の高安定化を実現することを目的とする。本年度に得られた主な成果を以下にまとめる。
(1)水素プラズマを含むプロセス、高温熱処理プロセス、プラズマドライエッチングプロセスによって、AlGaN表面において顕著な窒素空乏が生じ、伝導帯下端近傍に深いドナー準位が形成されることを明らかにした。また、この深いドナー準位が、トランジスタの電流変動の主因になっていることを指摘した。
(2)3〜4nmの超薄Al_2O_3膜を用いた絶縁ゲート構造と表面不活性化構造を考案し、新しい絶縁ゲート型AlGaN/GaNヘテロ構造電界効果トランジスター(HFET)を試作し、良好なゲート制御特性を達成した。ショットキーゲート型HFETで観測された電流コラプス現象がAl_2O_3絶縁ゲート型HFETでは観測されず、超薄Al_2O_3膜を利用した表面保護構造のデバイス安定化効果を実証した。
(3)AlGaN/GaN HFET構造の二次元ポテンシャル分布計算プログラムを開発し、超薄Al_2O_3ゲートの制御特性を数値計算により確認し、さらに、このゲート構造を利用することにより、ノーマリオフ型HFETが実現できる可能性を示した。
(4)ショットキー接合の電流-電圧特性における表面近傍の深いドナー準位の影響を、数値計算と実験の両面から検討した。厳密な数値計算プログラムを用いた計算により、実験で求められた電流-電圧特性の温度依存性のふるまいを、詳細に再現することに成功した。その結果より、深いドナー準位のイオン化により薄層化したショットキーバリアが、非常に大きな逆方向漏れ電流の主因であることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Hashizume: "Effects of Mg accumulation on chemical and electronic properties of Mg-doped p-type GaN Surface"J.Appl.Phys.. 94. 431-436 (2003)
• [文献書誌] T.Inagaki, T.Hashizume, H.Hasegawa: "Effects of Surface Processing on 2DEG Current Transport at AlGaN/GaN Interface Studied by Gateless HFET Structure"Applied Surface Science. 216. 519-525 (2003)
• [文献書誌] T.Hashizume, S.Ootomo, T.Inagaki, H.Hasegawa: "Surface passivation of GaN and GaN/AlGaN heterostructures by dielectric films and its application to insulated-gate heterostructure transistors"J.Vac.Sci.Technol B. 21. 1828-1838 (2003)
• [文献書誌] H.Hasegawa, T.Inagaki, S.Ootomo, T.Hashizume: "Mechanisms of Current Collapse and Gate Leakage Currents in AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors"J.Vac.Sci.Technol B. 21. 1844-1855 (2003)
• [文献書誌] T.Hashizume, S.Ootomo, H.Hasegawa: "Suppression of current collapse in insulated gate AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors using ultrathin Al_2O_3 dielectric"Applied Physics Letters. 83. 2952-2954 (2003)
• [文献書誌] S.Ootomo, H.Hasegawa, T.Hashizume: "Gate Leakage in AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors and Its Sunpression by Novel Al_2O_3 Insulated Gate"IEICE Trans.Electron.. E86-C. 2043-2050 (2003)
• [文献書誌] T.Hashizume, S.Ootomo, H.Hasegawa: "Al_2O_3-based surface passivation and insulated gate structure for AlGaN/GaN HFETs"phys.stat.sol.(c). 0. 2380-2384 (2003)
• [文献書誌] T.Hashizume, H.Hasegawa: "Effects of nitrogen deficiency on electronic properties of AlGaN surfaces subjected to thermal and plasma processes"Applied Surface Science. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] J.Kotani, H.Hasegawa, T.Hashizume: "Computer Simulation of Current Transport in GaN and AlGaN Schottky Diodes Based on Thin Surface Barrier Model"Applied Surface Science. (印刷中). (2004)