| 研究課題/領域番号 |
19H00767
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
渡部 平司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90379115)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 窒化ガリウム / パワーデバイス / MOS構造 / 界面反応制御 |
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| 研究実績の概要 |
窒化ガリウム（GaN）は、次世代のパワーデバイス材料として注目を集めている。半導体上に絶縁膜と電極を積層した構造はMOS型電界効果トランジスタの基本構成となるが、ヘテロ界面の物性制御は容易ではない。研究代表者は、界面反応制御を基軸として絶縁膜/GaN系半導体の界面設計に取り組み、伝導帯近傍の界面準位密度に関しては、超高品質なGaN-MOS構造の形成に成功している。この成果は極薄GaOx界面層の挿入によって達成されたが、その機構解明には至っていない。また価電子帯側には未だ多くの欠陥準位が存在し、正常な正孔蓄積は報告例が無い。さらにGaN系半導体の脆弱性を反映し、絶縁膜堆積時の基板側への欠陥導入も問題となっている。本研究では、絶縁膜/GaN系半導体ヘテロ界面欠陥の物理的な起源を解き明かすと共に、価電子帯側の欠陥終端技術を探索する。さらに、界面欠陥やGaN基板への欠陥導入を伴わない絶縁膜形成技術の実現を目指す。
初年度は、絶縁膜材料として酸窒化物材料を検討すると共に、紫外線照射下での正孔蓄積を試みた。また、MOSキャパシタの絶縁破壊試験を通じて、SiO2絶縁膜中へのGa原子拡散に伴う信頼性劣化現象を解析し、熱処理温度に依存した局所劣化や絶縁膜界面での電荷トラップサイトの生成を明らかにし、学会での成果報告と学術論文投稿を完了した（採択済み）。また、陽電子消滅法を用いてGaN-MOS構造中の空孔欠陥を評価し、GaN基板の数十nm深くにまで欠陥が導入される事を示した。さらに、欠陥生成を抑制する熱処理条件を確立する事にも成功し、当該成果を学術論文にまとめて発表した。一方、Si半導体の欠陥終端技術として標準的な水素アニール処理がGaN-MOSデバイスでは致命的な閾値電圧変動を引き起こす事を明らかにし、GaNパワーデバイス製造技術の構築において極めて重要な知見を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
研究開始の初年度から、GaN-MOSデバイスの界面反応に伴う特性劣化を電気特性評価と物理分析（陽電子消滅法）から明らかにし、その改善策も含めた研究成果を学術論文や国内国際会議を通じて成果発信した。さらに、MOS型GaNパワーデバイスの実用化に際して重要な、ゲート絶縁膜の破壊耐圧の決定要因や、長期信頼性を決める閾値電圧変動要因を明らかにし、物理分析結果との比較検討を通じたモデル構築も順調に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は、GaN-MOSデバイスの水素アニールに伴う異常な特性劣化（界面固定電荷生成）の起源を明らかにすると共に、界面電気特性と絶縁破壊耐性、さらには閾値電圧安定性にも優れたGaN-MOSデバイスの実現を目指す。また、前年度に検討した酸窒化膜堆積条件よりもさらに活性窒素の供給過多となる成膜手法を検討し、界面欠陥の起源に迫りたい。加えて、極薄GaOx層以外の界面層の効果についても検討する。
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