交流2端子対回路測定を用いた窒化ガリウム関連トラップの物理的性質と挙動の解明

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K04139
• 研究機関: 佐賀大学
• 研究代表者: 大石 敏之 佐賀大学, 理工学部, 教授 (40393491)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 窒化ガリウム / トラップ / 2端子対回路

研究実績の概要

窒化ガリウム（GaN）を用いたトランジスタなどの電子デバイスは、非常に高い電圧でかつ大電流で動作できる高出力高周波用増幅器などに実用化されている。今後、GaN本来の優れた材料物性をさらに引き出すことができれば、より高性能な電子デバイスを実現でき、社会の持続的成長に貢献できると考えられる。このために解決すべき課題のひとつが、GaN電子デバイス内部に存在するトラップの制御である。トラップは不純物や原子配列の乱れが要因で、結晶内や表面に存在し、電気的特性に影響を与える。漏れ電流を抑制できるという長所がある一方、交流信号を乱すという短所がある。これらの長短所をうまく使いこなすためにはトラップの性質を明確にすることが重要となる。本研究では回路設計と整合性の良い2端子対回路測定を使うことで、トラップの性質を明確にしていく。
これまで2端子対回路測定を構築し、トランジスタに印加する電圧（ドレイン電圧、ゲート電圧）や雰囲気温度依存性を測定し、GaN層中のFe不純物に由来するトラップの挙動を解析してきた。しかし、測定できる周波数に対して、トラップの応答する周波数が広く、十分にトラップの挙動を評価することができなかった。そこで、トラップの挙動をより詳細に解明するため、光を励起して測定する方法を研究するとともに、デバイスシミュレーションを使っていくことを計画している。
今年度は、主に光によりトラップを励起した状態で2端子対回路測定を行うための測定装置の立ち上げとデバイスシミュレーションを用いたトラップ挙動の解明を実施した。光励起測定では、光照射方法を検討し、光照射の有無により電気的特性が変化することを確認した。また、デバイスシミュレーションにおいて、デバイス物理量のうち移動度パラメータが2端子対回路パラメータに与える影響について検討した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

今年度は、光照射技術の確立、デバイスシミュレーションや実測を用いたトラップ挙動の解明を実施した。
光励起測定では、トラップが反応するように光のエネルギーが異なるレーザを購入した。また、2端子対回路の測定は通常の構造を持つGaN電子デバイスを用いること、交流を使った測定のため、通常の針でなく、信号の両側に接地ラインを持つ特殊な構造のプローブを用いる。そこで、光照射の角度、方向を変えて、電気的特性を評価した結果、斜め上から照射する位置が一番、効率よく、試料に光があたることを見つけた。以上の結果を受け、緑色レーザで光照射し、電流-電圧特性と2端子対回路測定を実施した。その結果、いずれの特性も光照射で変化することがわかった。
デバイスシミュレーションにおいて、デバイス物理量のうち移動度パラメータが2端子対回路パラメータのY22に与える影響について検討した。移動度パラメータのうち、温度に関連するパラメータ「ガンマ」を変化させ、Y22を計算した。その結果、計算により実測を再現するにはガンマは2程度であった。室温にて支配的な散乱機構はフォノン散乱ではガンマは1.5程度であるため、計算から推測した値と近いことがわかった。
GaN層中のFe不純物濃度を変化させた試料に対して、2端子対回路測定を実施した。Y22虚部を比較した結果、100Hz付近に生じるピークに差があるが、他の信号の状況はFe濃度により変化しなかった。この結果、低周波側（100Hz付近）に生じる信号がFe不純物に由来するトラップであることがわかった。
実測では過渡応答の結果と2端子対回路測定の結果を比較した。Y22虚部による導出したトラップ時定数のドレイン電圧依存性と良い相関関係があることがわかった。これから2端子対回路測定は回路設計との整合性を維持したまま、トラップの評価ができていることが実証できた。

今後の研究の推進方策

本年度は光照射による測定系を構築し、実際に2端子対回路測定が可能であることを確認した。しかし、レーザの保持と動作について検討する必要がある。これは購入したレーザはモジュールやポインターなど様々な形状で、各形状に対応したレーザの保持方法を検討する必要がある。また、各レーザで光を出射するための電圧が異なり、それぞれに対して条件出しをする必要がある。これらを解決したうえで、様々な波長の光照射による影響を測定していく。また、緑色レーザに関しては測定が可能であるので、上記、検討を進めるとともに緑色レーザでの測定、解析を進めることで、成果が得られるようにしていく。また、光照射を実施するまえに、試料構造依存性などを測定することで、成果を出すとともに、光照射への事前検討とする。
デバイスシミュレーションは、トラップの挙動を解明するための有力な手段である。今年度は2端子対測定パラメータを計算する手段として、小信号Yパラメータを計算する以外に入力交流信号に対する出力の時間依存性を計算する手法を確立した。このため、交流信号が変化している途中の時間におけるデバイス内部の様子が計算できる。これにより、デバイス内部でのトラップ挙動をより明確にできると考えられる。今後はこの手法を用いることでトラップの反応をより詳細に解明していく。

次年度使用額が生じた理由

トラップは反応するエネルギーが変化するため、波長を変えた光源が必要となる。計画では初年度に波長を連続的に変化できる装置、もしくは複数の光源を購入する予定であった。しかし、連続的に変化できる装置は予算的に無理があり、複数のレーザを購入することにした。測定装置を立ち上げる際、まず、一つの光源で測定系を構築した後、得られた知見を他の光源に活かす方が効率よく研究を進めることができると考えた。そこで、計画していた光源を一度に購入するのではなく、複数回に分けて、購入することにした。このため、次年度使用が生じることになった。計画的に次年度へ繰り越している。今年度に予定していた光源、実験治具などを次年度に購入し、計画通りに研究が進むものと考えている。
旅費に関しては、新型コロナ感染症のため、出張でなく、オンラインが主で行われたこと、成果が得られたのが少し遅れたため、今年度は使用しなかった。しかし、今年度分を来年度に発表する予定である。