Study on high-K dielectric/regrown nitride semiconductor interfaces for high efficiency and highly-safe transistors

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23K03971
• 研究機関: 福井大学
• 研究代表者: ASUBAR JOEL 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (10574220)
• 研究分担者: 谷田部 然治 熊本大学, 半導体・デジタル研究教育機構, 准教授 (00621773) ; 葛原 正明 関西学院大学, 工学部, 教授 (20377469)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: Normally-off / AlGaN/GaN / HEMT / MIS

研究実績の概要

1) 厚さ 1 nm の AlGaN 再成長の有無を除き、同じ作製プロセスでZrO2/再成長 AlGaN/GaN MIS-HEMT と従来の ZrO2/AlGaN/GaN MIS-HEMT を作製しました。これは、再成長層の挿入によるデバイス性能の向上が何に起因するものかを明らかにする上で重要です。その後のデバイス構造の評価により、目標通りに1 nm の AlGaNが成膜出来ていることが確認出来ました。
2) ZrO2/再成長 AlGaN 界面と従来の ZrO2/AlGaN 界面を調査するために静電容量電圧特性と光支援静電容量電圧特性を測定し両者の比較を行いました。その結果、ZrO2/再成長AlGaNは、従来のZrO2/AlGaN界面に比べて、界面準位が1桁小さいことが明らかになった。測定によるC-V曲線をDIGS(disorder induced gap state)モデルと比較した結果、ほぼ一致していることが確認出来ました。
3) ZrO2/regrown AlGaN/GaN MIS-HEMTと従来のZrO2/AlGaN/GaN MIS-HEMTの電気的特性評価を行った。その結果、厚さ1nmの再成長AlGaN層を挿入することにより、以下の(a)~(c)が確認出来ました。(a)ドレイン電流が1000mA/mmから1050mA/mmに増加(b)ヒステリシスが1.7Vから0.97Vに減少(c)順方向ゲートリーク電流が4桁に減少

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

現在、リセス構造を有するZrO2/再成長AlGaN/GaN MISキャパシタおよびリセス構造を有する従来のZrO2/AlGaN/GaN MISキャパシタの比較を行っている。 暫定的な結果の一部を国際学会で報告した。

今後の研究の推進方策

来年は以下の研究を予定している。
1. MOCVDチャンバー内におけるNH3およびH2中でのAlGaN表面の成長前工程のアニール条件の最適化。
2. 安定したノーマリーオフ動作を実現するためにしきい値の正のシフトを目的としたZrO2/極薄再成長AlGaN/GaN MISキャパシタの作製と特性評価。
3. ZrO2/極薄再成長AlGaN/GaN構造のキャリア密度、キャリア移動度、散乱機構などの基礎物性の調査。

次年度使用額が生じた理由

思ったより物品が安かったからです。

研究成果

• [雑誌論文] Improved Performance of Normally-off GaN-based MIS-HEMTs with Recessed-gate and Ultrathin Regrown AlGaN Barrier (2024)
  • 著者名/発表者名: Shogo Maeda, Shinsaku Kawabata, Itsuki Nagase, Ali Baratov, Masaki Ishiguro, Toi Nezu, Takahiro Igarashi, Kishi Sekiyama, Keito Shinohara, Melvin John F. Empizo, Nobuhiko Sarukura, Masaaki Kuzuhara, Akio Yamamoto, and Joel T. Asubar
  • 雑誌名: Journal of Semiconductor Technology and Science 巻: 24 ページ: 25-32
  • DOI: 10.5573/JSTS.2024.24.1.25
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Ultra-Thin AlGaN Regrown Layer on the Electrical Properties of ZrO2/AlGaN/GaN Structures (2024)
  • 著者名/発表者名: Toi Nezu, Shogo Maeda, Ali Baratov, Suguru Terai, Kishi Sekiyama, Itsuki Nagase, Masaaki Kuzuhara, Akio Yamamoto, and Joel T. Asubar
  • 雑誌名: Phys. Status Solidi A 巻: 2024 ページ: 2400073-1-6
  • DOI: 10.1002/pssa.202400073
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low thermal budget V/Al/Mo/Au ohmic contacts for improved performance of AlGaN/GaN MIS-HEMTs (2023)
  • 著者名/発表者名: Ali Baratov, Takahiro Igarashi, Masaki Ishiguro, Shogo Maeda, Terai Suguru, Masaaki Kuzuhara, Joel T Asubar
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physic 巻: 62 ページ: 110905-1-5
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad057a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High performance normally-off recessed-gate GaN-based MIS-HEMTs achieved by oxygen plasma treatment (2023)
  • 著者名/発表者名: M Ishiguro, S Terai, K Sekiyama, S Urano, A Baratov, JT Asubar, M Kuzuhara
  • 雑誌名: 2023 IEEE IMFEDK Tech. Dig. 巻: 2023 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1109/IMFEDK60983.2023.10366337
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] AlGaN/GaN Schottky-Gate HEMTs with low thermal budget V/Al/Mo/Au ohmic contacts (2023)
  • 著者名/発表者名: T Igarashi, S Maeda, A Baratov, JT Asubar, M Kuzuhara
  • 雑誌名: 2023 IEEE IMFEDK Tech. Dig. 巻: 2023 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1109/IMFEDK60983.2023.10366331
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MOVPE growth of AlGaN on RIE-treated GaN surfaces and its application to AlGaN/GaN electron devices (INVITED) (2023)
  • 著者名/発表者名: Akio Yamamoto, Ali Baratov, Masaaki Kuzuhara, and Joel T Asubar
  • 雑誌名: 2023 IEEE IMFEDK Tech. Dig. 巻: 2023 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/IMFEDK60983.2023.10366345
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Interface characterization of regrown-AlGaN/ZrO2 interfaces for Normally-off GaN-based MIS-HEMTs (2024)
  • 著者名/発表者名: Joel T. Asubar, Itsuki Nagase, Ali Baratov, Masaki Ishiguro, Shogo Maeda, Toi Nezu, Takahiro Igarashi, Kishi Sekiyama, Suguru Terai, Masaaki Kuzuhara, and Akio Yamamoto
  • 学会等名: WOCSDICE-EXMATEC 2024, Crete, Greece
  • 国際学会
• [学会発表] Innovation Technologies for Highly Safe and Energy-efficient GaN Devices (invited talk) (2023)
  • 著者名/発表者名: Joel T. Asubar
  • 学会等名: IEEE R10 Webinar Series IEEE R10 Talk
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Threshold voltage control in GaN-based MIS-HEMTs with recessed structure and regrown AlGaN barrier layers (2023)
  • 著者名/発表者名: Joel T. Asubar, Shinsaku Kawabata, Shun Urano, Itsuki Nagase, Ali Baratov, Masaki Ishiguro, Shogo Maeda, Toi Nezu, Takahiro Igarashi, Kishi Sekiyama, Masaaki Kuzuhara, and Akio Yamamoto
  • 学会等名: WOCSDICE-EXMATEC 2023, Palermo (Italy)
  • 国際学会
• [学会発表] Improved Performance of Normally-off GaNbased MIS-HEMTs with recessed-gate and ultrathin regrown AlGaN barrier (2023)
  • 著者名/発表者名: Shogo Maeda, Shinsaku Kawabata, Itsuki Nagase, Ali Baratov, Masaki Ishiguro, Toi Nezu, Takahiro Igarashi, Kishi Sekiyama, Keito Shinohara, Melvin John F. Empizo, Nobuhiko Sarukura, Masaaki Kuzuhara, Akio Yamamoto, and Joel T. Asubar
  • 学会等名: 2023 Asia-Pacific Workshop on Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of low thermal budget V/Al/Mo/Au ohmic contacts on the performance of AlGaN/GaN MIS-HEMTs (2023)
  • 著者名/発表者名: Ali Baratov, Takahiro Igarashi, Masaki Ishiguro, Shogo Maeda, Masaaki Kuzuhara, and Joel T. Asubar
  • 学会等名: 2023 Asia-Pacific Workshop on Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] GaN-based MOS-HEMTs with Mist Chemical Vapor Deposited Insulator (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Bito, H. Hiroshige, R. Hashimoto, M. Ishiguro, J. T. Asubar, Y. Nakamura, and Z. Yatabe
  • 学会等名: 14th international Conference on Nitride Semiconductors (ICNS 14)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of ultra-thin AlGaN regrown layer on the electrical properties of ZrO2/AlGaN/GaN heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Nezu, S. Maeda, A. Baratov, I. Nagase, K. Sekiyama, S. Terai, M. Kuzuhara, A. Yamamoto, and J. T. Asubar
  • 学会等名: 14th international Conference on Nitride Semiconductors (ICNS 14)
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative studies of electron state distribution in Al2O3/AlGaN/GaN and ZrO2/AlGaN/GaN structures (2023)
  • 著者名/発表者名: Nur Syazwani B. A. T., S. Maeda, A. Baratov, J. T. Asubar and M. Kuzuhara
  • 学会等名: 2023 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices ,Kansai (IMFEDK 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] AlGaN/GaN Schottky-Gate HEMTs with low thermal budget V/Al/Mo/Au ohmic contacts (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Igarashi, S. Maeda, A. Baratov, J. T. Asubar and M. Kuzuhara
  • 学会等名: 2023 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices ,Kansai (IMFEDK 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] High performance normally-off recessed gate GaN-based MIS-HEMTs with oxygen plasma treatment (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Ishiguro, K. Sekiyama, S. Urano, A. Baratov, J. T. Asubar and M. Kuzuhara
  • 学会等名: 2023 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices ,Kansai (IMFEDK 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] MOVPE growth of AlGaN on RIE-treated GaN surfaces and its application to AlGaN/GaN electron devices (INVITED) (2023)
  • 著者名/発表者名: Akio Yamamoto, Ali Baratov, Masaaki Kuzuhara, and Joel T. Asubar
  • 学会等名: 2023 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices ,Kansai (IMFEDK 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Cu/Al/Mo/Au電極を用いたGaN系デバイスにおけるRTA温度と電気的特性の関係 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kensei Sumida, Ali Baratov, Shogo Maeda, Terai Suguru, Masaaki Kuzuhara, Joel T. Asubar
  • 学会等名: 令和5年度応用物理学会 北陸・信越支部学術講演会
• [学会発表] ZrO2/Al2O3多層nano‐laminate絶縁体を有するAlGaN/GaN MIS‐HEMTsと従来のAl2O3およびZrO2 AlGaN/GaN MIS‐HEMTsの電気的特性の比較 (2023)
  • 著者名/発表者名: Suguru Terai, Ali Baratov, Shogo Maeda, Masaki Ishiguro, Masaaki Kuzuhara, Joel T. Asubar
  • 学会等名: 令和5年度応用物理学会 北陸・信越支部学術講演会
• [備考] University of Fukui Electron Device Laboratory
  • URL: https://sites.google.com/view/uf-electron-device-lab/home-%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%A0
• [備考] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=1NlRAggAAAAJ
• [備考] Researchgate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Joel-Asubar