| 研究課題/領域番号 |
19H02192
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
筒井 一生 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60188589)
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| 研究分担者 |
清水 三聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, ラボ長 (10357212)
星井 拓也 東京工業大学, 工学院, 助教 (20611049)
角嶋 邦之 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50401568)
山田 永 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60644432)
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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 | FinFET / 選択成長 / GaN / 立体チャネル |
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| 研究実績の概要 |
パワー半導体デバイス用として優れた特性が期待される窒化ガリウム（GaN）系半導体では、高電子移動度トランジスタ（HEMT）と呼ばれる平面形のトランジスタが実用段階にある。これに対し、本研究では、Fin形電界効果トランジスタ（FinFET）と呼ばれるチャネルを立体的に立てた形状のGaN系トランジスタを結晶の選択成長技術を用いて試作するとともに、デバイスシミュレーションを併用して、種々考えられる電流経路形態のデバイス特性の利害得失を比較議論し、HEMTの特性を凌駕するGaNによるFinFETの可能性を実証的に明らかにしてゆく。試作においては、Fin構造を従来行われて来たエッチング法ではなく、選択成長法を用いて高特性を目指すところに特徴がある。これにより、多様なデバイス形態に対応した結晶品質の高いGaN系Fin構造を実現してゆく。デバイスシミュレーションも組合せ、GaN系FinFETの可能性と方向性を示して行く。
令和元年度では、これまで選択成長の形状最適化を進めてきた成果をもとに、GaNの選択成長Fin構造を用いたFinFETの試作を進めた。幅が広めの横方向成長を伴う選択成長領域の中央をエッチングで除去してマスク上の成長GaN領域をチャネルに使う形のデバイスを作製し、トランジスタ動作を確認できた。一方、このトランジスタにはソース・ドレイン間のリーク電流が大きいという課題があったが、その原因が選択成長のためのマスク層のエッチング時のダメージであることを明らかにし、ガス系の変更でこれを抑制できる見通しを得た。
シミュレーションでは、ドープトチャネル型のFinFETで耐圧を適正に評価できるように整備し、オン抵抗と耐圧の関係を算出することで、従来のHEMT型トランジスタに比較して面積あたりのオン抵抗を低減できる可能性を示した。
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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
第一段階の主要な目標であった選択成長GaNによるFinFETを作製しその動作が確認できたことで一定の進捗があった。また、当初の課題であった大きなリーク電流の発生については、その原因を明らかにし、エッチングプロセスの改良で改善できる見通しを得た。一方、シミュレーションは、準備段階を進めたところで、様々な条件で特性を比較する計算は今後進めて行くところである。
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| 今後の研究の推進方策 |
FinFETの動作確認までできたところであるが、その特性自体は期待されるレベルにはまだ及んでいない。これは、ゲート絶縁膜の界面特性制御が不充分などデバイス製作プロセス上の問題が残っているためである。今後は、まずこれらのプロセス要素の評価と条件最適化を進める。これが達成できれば、結晶性の評価をデバイス特性からできるようになり、結晶欠陥密度の低減が予測される選択成長法の優位性をデバイス特性で直接示すことを目指す。
並行してシミュレーションでは、計算精度を高めながら、Fin構造中を3次元的に電流が流れる「バルク伝導型」とともに、2次元電子ガスチャネルをFin構造中に形成するタイプのデバイスもその特性予測ができるように進める。これにより、種々のチャネル形態のバリエーションが考えられているFinFETでどのタイプがより高性能が期待できるかの方向性を議論する。
そして、全研究期間の後半では、シミュレーションで予測した優位性の高い形態のFinFETを実際に作製して動作実証することを目指す。2次元電子ガスチャネルをFin構造内に形成する結晶成長法の探索、しきい値制御法の検討など、実験ベースで課題抽出しながら新技術の可能性を提示してゆく。
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