2014 Fiscal Year Annual Research Report
GaN系HEMTと関連素子のピエゾ電界効果の解明と表面準位の新評価法
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26289095
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
榊 裕之 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90013226)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大森 雅登 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 嘱託研究員 (70454444)
VITUSHINSK Pavel 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究補助者 (30545330)
秋山 芳広 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究補助者 (60469773)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | HEMT / AlGaN/GaN / AlGaAs/GaAs / ヘテロ接合 / ピエゾ抵抗 / 歪み / 表面準位 / 界面準位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度は、まず、１、歪みを加えた時に生じる試料内の電子数の変化を精密に計測するために、試料のコンダクタンスを計測するだけでなく、計測装置内に永久磁石を設け、ホール効果により移動度の計測も可能とした。これにより、伝導層内の電子の面密度Nsと電子移動度μとが独立に決定できることとなった。
次に、この手法を、２、（AlGaAs/GaAs）系の高電子移動度トランジスタ（HEMT）試料群に適用し、以下の事実を明らかにした。まず、（１）AlGaAs層が200nm程の厚い試料では、歪み印加に伴い、電子数に加え、移動度が大きく変化する事実を見出した。これにより、ヘテロ界面を流れる2次元電子の面密度とAlGaAs内を流れる電子の面密度が歪みにより変化し、移動度の高い前者と移動度の低い後者の寄与率が変化したことを明らかにした。また、(２）（100）面上のHEMTの形成の際に電流を[011]方向と[001]方向とに設定した2種の試料を作り、歪みの効果が異なることを示し、これが面内のGaとAsの結合方向の異方性によって生じることを明らかにした。さらに、（３）試料表面に設ける金属ゲート電極の有無によるピエゾ抵抗効果の差異、またGaAs基板側にｐ型伝導層を設けるか否かによる差異を調べることで、結晶表面に生じる表面準位や基板とエピタキシャル層の界面に生じる界面準位の充放電現象が伝導層の電子数に及ぼす影響について知見を得た。
さらに、(AlGaN/GaN)系のHEMT試料について、ピエゾ抵抗の計測とその解析を行い、(AlGaAs/GaAs)系試料の結果と対比し、両者の差異と共通点を示した。
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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
本年度は、次の3項目を中心に研究を進め、以下に述べる成果を達成した。
まず、１、ピエゾ抵抗効果の計測装置を点検・改良し、歪みを試料に加えた時に試料抵抗の変化に留まらず、磁界を印加することでホール効果も計測し、試料内の電子の面密度Nsと電子移動度μおよびそれらの変化を独立に計測することを可能にした。
続いて、２、選択ドーピングした（AlGaAs/GaAs）系の各種の高電子移動度トランジスタ（HEMT）構造を作り、上述の計測法を室温で適用し、一連の新知見を得た。特に、（１）ある試料では、歪みの印加により電子数に加え、移動度も変わることを見出した。これは、高移動度を持つヘテロ界面を流れる2次元電子の面密度と（厚めの）AlGaAs内を流れる低移動度の電子の面密度が、歪みにより変化したことを意味する。また、（２）GaAs（100）面上のHEMTで、電流を[011]方向に設定した試料と45度ずらした試料を作り、面内の結晶構造の違いを反映し、歪みの影響が異なることを見出した。さらに、（３）試料表面に設ける金属ゲート電極の有無によってピエゾ抵抗効果がどのように変化するか、またGaAs基板側にｐ型伝導層を設けるか否かによって、ピエゾ抵抗の振舞いがどう変化するかについても検討を加え、初期的な知見を得た。
さらに、３、(AlGaN/GaN)系のHEMTについて、ピエゾ抵抗計測を進め、(AlGaAs/GaAs)系試料の計測結果との対比を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、(AlGaN/GaN)系のHEMTを主対象に、関連する(AlGaAs/GaAs)系と(InAlAs/InGaAs)系のHEMTも含め、外部歪みを与えた時の抵抗変化（ピエゾ抵抗効果）と移動度変化を計測し、歪みによる分極電荷が、伝導層中の2次元電子の面密度をどう変化させるかを調べ、同時に、結晶表面に局在する表面準位や基板・エピタキシャル層の界面に局在する界面準位の充放電の過程を解明し、局在準位の定量評価を行う。
本研究は、ほぼ当初計画の通りに進めるが、GaN系HEMTとGaAs系HEMTの相互比較が重要なため、平成26年度と27年度には両者の研究を並行して進めるように、計画を多少変更した。また、初年度の研究により、GaAs系のHEMTでは、AlGaAs内の電子数の変化が、実効的な移動度の変化をもたらすことが明らかとなったため、27年度以降は、試料構造に工夫を加え、この寄与が無視できる試料に重点を置いて研究を進める。また、移動度を異にする複数の電子系が存在する場合の計測・解析も推進させる。
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| Causes of Carryover |
当初、新規に作成を予定していた歪み印加伝導計測装置に関して検討した結果、当面は現有の装置の手直しを行うことで対応可能なことが判明したため、手直しに必要な材料費（消耗品）の購入を進めた。その結果、該当の予算額(60万円分)の大部分を、平成27年度の研究費に回し、手直し作業をさらに続けることとなった。また、平成26年度の試料作製の詳細の検討が必要となり、試料作製費用の一部を27年度に延期する必要が生じたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前項に記した通り、歪み印加伝導計測装置の手直しおよび測定試料の製作に用いる予定である。
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