2019 Fiscal Year Annual Research Report
Interface control of heterojunctions including singularity structures for advanced electron devices
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06421
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
橋詰 保 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (80149898)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤澤 正道 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 准教授 (30212400)
佐藤 威友 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 准教授 (50343009)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | GaN / AlGaN / 異種接合 / CV解析 / 電子準位 / 電気化学エッチング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
種々の特異構造を内包するGaN系異種接合界面電気的評価を行い、化学的・構造的・光学的評価と連携させて電子捕獲準位の成因を理解し、混晶異種接合に立脚した新機能素子の実現に貢献する。本年度の主な成果を以下にまとめる。
１）SiO2およびSiNを保護膜とするGaN試料に、N2中1150℃で1分間のアニールを行い、その後HF溶液により保護膜除去を行った。そのGaN表面に原子層堆積法でAl2O3膜を形成した。CV特性の評価より、Al2O3/GaN界面に高密度の電子捕獲準位が存在することが示されたが、SiO2保護膜の場合、400℃/10分のPMA（post-metallization annealing）で顕著な界面特性の回復が観測された。一方、SiN保護膜の場合はGaN表面にSiNが残存するため（1nm以下）、界面特性回復が不十分であることが明らかになった。
２）光電気化学エッチングは低損傷の特長を持つが、電子-正孔分離用のバイアス印加が必要であった。最近、強力酸化剤のペルオキソ硫酸カリウムを利用することにより、無バイアス（通電電極なし）でGaNのエッチングが可能であることを見出した。このプロセスをAlGaN/GaNヘテロ構造に適用し、無バイアスでAlGaN層の選択的エッチングを行い、エッチング面の良好な平坦性を確認した（RMS値0.24nm）。
３）GaN基板上に成長されたAlGaN/GaN構造に原子層堆積法でAl2O3ゲートを形成し、その電気的評価を行った。PMA処理を行うことで非常に良好な電流-電圧特性が観測され、サブシュレショルド領域で理論値に近いSS値（68mV/dec）が得られた。さらに高温領域で動作安定性が確認され、150℃動作においても非常に低い漏れ電流（1.5nA/mm）と室温からのしきい値電圧変動も極めて小さい（0.25V）ことが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1)高温熱処理後のAl2O3/GaN界面特性の評価、２）強力酸化剤を利用した光電気化学エッチング、３）GaN基板上に成長したAlGaN/GaN構造を用いたMOS型トランジスタの評価を主要研究目標に置いた。
1150℃処理のGaN表面に形成したMOS構造においても、保護膜選択とPMA処理によりMOS界面制御が可能であることを示した。次に、強力酸化剤を利用する光電気化学エッチングをAlGaN/GaNヘテロ構造に適用し、無バイアスでAlGaN層の選択的エッチングが可能であることが示された。さらに、GaN基板上に成長されたAlGaN/GaN構造にAl2O3ゲートMOSHEMTを作成し、良好な電流-電圧特性と高温領域での高い動作安定性が観測された。以上より、予定の研究計画がおおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度までの成果を踏まえ、今後は以下の方針で研究を行う。これまでに、絶縁膜/GaN構造の界面特性向上にゲート電極形成後の低温熱処理（Post-metallization annealing :PMA）が効果的であることがわかったが、形成温度とPMA温度の相関や界面での詳細応力解析等によりPMA機構を明らかにする。また、無バイアスの光電気化学エッチングとAl2O3ゲートとの組み合わせによりMOS型HEMTを作成し、トランジスタ特性と動作安定性を詳細に評価する。さらに、高誘電率絶縁ゲートを実現するため、原子層堆積法（ALD）による(HfO2)/(SiO2)ラミネート構造をゲート絶縁膜とするMOS-HEMTの作製と評価を行う。絶縁膜/AlGaN界面の電子捕獲準位密度とALD堆積後の熱処理温度およびHEMT作製プロセスの関係を詳細に評価し、熱的安定性に優れたMOS-HEMTを実現する。
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Research Products
(18 results)
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[Journal Article] Improved DC performance and current stability of ultrathin-Al2O3/InAlN/GaN MOS-HEMTs with post-metallization-annealing process2020
Author(s)
S. Ozaki, K. Makiyama, T. Ohki, N. Okamoto, Y. Kumazaki, J. Kotani, S. Kaneki, K. Nishiguchi, N. Nakamura, N. Hara, and T. Hashizume
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Journal Title
Semicond. Sci. Technol.
Volume: 35
Pages: 035027-1-7
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] InGaN/(GaN)/AlGaN/GaN normally-off metal-oxide-semiconductor high-electron mobility transistors with etched access region2019
Author(s)
D. Gregusova, L. Toth, O. Pohorelec, S. Hasenohrl, S. Hascik, I. Cora, Z. Fogarassy, R. Stoklas, A. Seifertova, M. Blaho, A. Laurencikova, T. Oyobiki, B. Pecz, T. Hashizume, and J. Kuzmik
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Journal Title
Jpn. J. Appl. Phys.
Volume: 58
Pages: SCCD21-1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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