テラヘルツ領域極限性能トランジスタの開発

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K06316
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 藤代 博記 東京理科大学, 基礎工学部電子応用工学科, 教授 (60339132)
• 研究分担者: 藤川 紗千恵 東京理科大学, 基礎工学部電子応用工学科, 助教 (90550327)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: テラヘルツ領域 / 極限性能トランジスタ / HEMT / InSb / InGaSb / ラフネス散乱 / 量子補正モンテカルロシミュレーション

研究実績の概要

本研究課題は、GaInSbを用いた電子有効質量(me*)の最適設計により、界面ラフネス散乱の影響を抑えて高い電子移動度(μe)と高い電子濃度(Ne)を同時に実現した量子井戸(QW)を作製し、テラヘルツ領域で動作する極限性能トランジスタを開発する。以下に平成28年度の研究実績を示す。
(1) 量子補正モンテカルロ(QC-MC)シミュレータにより、界面ラフネス散乱下におけるme*とμeの関係を系統的に解析した。Ga0.4In0.6Sbはme*が大きく量子効果が弱いため、界面ラフネス散乱の影響が小さく、InSbのμeとの差が縮まった。一方、状態密度の増加によりNeが2倍程度増加したため、チャネル抵抗Rsは減少した。
(2) μeはme*に反比例するため、高速化には小さいme*が望ましいが、雑音への影響は明らかでない。そこでQC-MCシミュレータによりme*と雑音の関係を系統的に解析した。me*が小さいほど速度揺らぎσv2が大きくなるが、一方μeが高く低電圧から動作するため、電子温度の上昇によるσv2が抑えられた。結果として、InSb HEMTは低電圧から利得が高く、InAs HEMTよりも雑音指数NFが低くなった。
(3) Ga0.35In0.65Sb QWおよびInSb/Ga0.35In0.65Sb複合量子井戸(CQW)を作製した。InSbメインチャネル厚3 nmの時にμe＝13,280 cm2/Vs、Ne＝2.27×1012 cm-2、Rs=207 Ω/□を得た。InSb QWと比較してμeは25.0 %減、Neは114.2 %増、Rsは37.2 %減であった。
(4) ゲート電極脇の寄生抵抗を低減するため、リセスを2段形状にするプロセスを開発し、InSb HEMTを作製した。ゲート長(Lg)=50 nmのデバイスで、fT=316 GHzの特性を得た。

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

平成28年度は、以下の3項目の研究を目的とした。
(1) 現実的なラフネス散乱の影響下で、高いμeと高いNeを同時に得るためのInGaSb QWの組成と構造を設計する。
(2) 高品質なInGaSb QWを作製するためのエピ成長技術を確立する。
(3) 数10 nmレベルのLgのInGaSb HEMTの試作を開始し、DC、RF特性を評価する。
(1)については、QC-MCシミュレータを用いて界面ラフネス散乱下におけるme*とμeの関係を系統的に解析し、InGaSbのme*を設計する指針を得た。さらに先行して、me*と雑音の関係を系統的に解析し、me*が小さいほど電流揺らぎが大きくなるが、低電圧から動作するために電子のホット化が抑制され、高い利得と相まって、NFは逆に低くなることを明らかにした。(2)については、InGaSb QWの成長を行い、μeとNeを評価した。次年度は結晶品質の改良、および歪バンドエンジニアリングの観点から、より高いμeとNeの実現を目指す。(3)については、まず、ゲート電極脇の寄生抵抗を低減するためのプロセス改良を行い、InSb HEMTでその効果を検証した。InGaSb HEMTの試作は次年度に行うこととした。

今後の研究の推進方策

平成29年度は、ステップバッファ層を用いた歪み制御により、InGaSb QWのμeとNeのさらなる向上を目指す。また2段リセスプロセスを用いてInGaSb HEMTの作製を行い、DC、RF特性、および雑音特性を評価する。以下に計画の詳細を示す。
(1) ステップバッファ層を用いた歪制御により、InGaSb QWのμeとNeをさらに増加させるための組成、構造設計を行う。
(2) InGaSb HEMTの雑音特性を理論的に解析し、最適な組成、構造を明らかにする。
(3) グレーデッドバッファ層、SLS層、ステップバッファ層等の導入により結晶品質のさらなる向上を実現し、InGaSb QWのμeとNeの向上を図る。
(4) 2段リセスプロセスを用いてInGaSb HEMTを作製し、DC、RF特性、および雑音特性を評価する。

研究成果

• [雑誌論文] Comparative study on noise characteristics of As and Sb-based high electron mobility transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Takahashi, S.Hatsushiba, S.Fujikawa, H.I.Fujishiro
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A-Applications and Materials Science 巻: 214 ページ: 1600599
  • DOI: 10.1002/pssa.201600599
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Research and development of InP, GaN and InSb-based HEMTs and MMICs for terahertz-wave wireless communications (2016)
  • 著者名/発表者名: I. Watanabe, Y. Yamashita, A. Endoh, S. Hara, A. Kasamatsu, I. Hosako,H. Hamada, T. Kosugi, M. Yaita, A. E. Moutaouakil, H. Matsuzaki, O. Kagami,T. Takahashi, Y. Kawano, Y. Nakasha, N. Hara,D. Tsuji, K. Isono, S. Fujikawa, and H. I. Fujishiro
  • 学会等名: 2016 IEEE Compound Semiconductor IC Symposium
  • 発表場所: Doubletree by Hilton, Austin, TX, USA
  • 年月日: 2016-10-23 – 2016-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] InSb-based HEMTwith Over 300 GHz-fT using Al0.25In0.75Sb/Al0.15In0.85Sb stepped buffer layer for strain reduction (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fujikawa, K. Isono, Y. Harada, I. Watanabe, Y. Yamashita, A. Endoh, S. Hara, A. Kasamatsu, and H. I. Fujishiro
  • 学会等名: 19th International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE2016)
  • 発表場所: Montpellier, France
  • 年月日: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Transport Properties of InSb/GaInSb Composite Channel (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fujikawa, J. Takeuchi, Y. Harada, and H. I. Fujishiro
  • 学会等名: 19th International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE2016),
  • 発表場所: Montpellier, France
  • 年月日: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • 国際学会
• [学会発表] Electron transport properties of novel InSb/GaInSb composite channel high electron mobility transistor structures (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Takeuchi, S. Fujikawa, Y. Harada and H. I. Fujishiro
  • 学会等名: 35rd Electronic Materials Symposium (EMS35)
  • 発表場所: Laforet Biwako, Shiga
  • 年月日: 2016-07-06 – 2016-07-09
  • 国際学会
• [学会発表] InSb HEMT with over 300 GHz-fT using stepped buffer layer for strain reduction (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Fujikawa, K. Isono, Y. Harada, I. Watanabe, Y. Yamashita, A. Endoh, S. Hara, A. Kasamatsu, and H. I. Fujishiro
  • 学会等名: 35rd Electronic Materials Symposium (EMS35)
  • 発表場所: Laforet Biwako, Shiga
  • 年月日: 2016-07-06 – 2016-07-09
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative Study on Noise Characteristics of As and Sb-based HEMTs (2016)
  • 著者名/発表者名: Takuto Takahashi, Shota Hatsushiba, Sachie Fujikawa, Hiroki I. Fujishiro
  • 学会等名: International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM) 2016
  • 発表場所: Toyama, Japan
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-06-30
  • 国際学会
• [学会発表] InSb-based HEMT with Over 300 GHz-fT using Evaporated SiOx Film (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Isono, D. Tsuji, T. Taketsuru, S. Fujikawa, I. Watanabe Y. Yamashita, A. Endoh, S. Hara, A. Kasamatsu, and H. I. Fujishiro
  • 学会等名: International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM) 2016
  • 発表場所: Toyama, Japan
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-06-30
  • 国際学会