低転位GaN 基板上縦型トランジスタの開発

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エレクトロニクス低転位 GaN 基板上縦型トランジスタの開発岡田政也 * 斎藤雄横山満徳中田健八重樫誠司片山浩二上野昌紀木山誠勝山造中村孝夫 Development of Vertical Heterojunction Field-Effect Transistors on Low Dislocation Density

1 エレクトロニクス低転位 GaN 基板上縦型トランジスタの開発岡田政也 * 斎藤雄横山満徳中田健八重樫誠司片山浩二上野昌紀木山誠勝山造中村孝夫 Development of Vertical Heterojunction Field-Effect Transistors on Low Dislocation Density GaN Substrates by Masaya Okada, Yu Saitoh, Mitsunori Yokoyama, Ken Nakata, Seiji Yaegashi, Koji Katayama, Masaki Ueno, Makoto Kiyama, Tsukuru Katsuyama and Takao Nakamura A novel vertical heterojunction field-effect transistors (VHFETs) with re-grown AlGaN/GaN two-dimensional electron gas channels on low dislocation density free-standing GaN substrates have been developed. The VHFETs exhibit a specific on-resistance of 7.6 mωcm 2 at a threshold voltage of -1.1 V and a breakdown voltage of 672 V. The breakdown voltage and the figure of merit are the highest among those of the GaN-based vertical transistors ever reported. It was also demonstrated that the threshold voltage can be controlled by the thickness of AlGaN layers and a normally-off operation is achieved. Keywords: AlGaN/GaN, heterojunction field-effect transistor (HFET), GaN substrate 1. 緒言窒化ガリウム (GaN) は青色白色の発光ダイオード (LED: Light Emitting Diode) の材料でありこれらの LED は照明器具や表示装置などに大きな変革をもたらした LED の基板はサファイアが用いられているが次世代光ディスク用の青紫色レーザダイオードには GaN 基板が必要不可欠であり当社は他社に先駆けて低転位 GaN 基板の開発に成功している (1) また半導体技術研究所では自立 GaN 基板の独自面方位を用いた波長 531nm の純緑色での室温パルスレーザ発振に成功波長 52nm での室温連続発振を確認した (2) (5) GaN は発光素子用途の開発が先行したが近年では電子デバイス用途としても期待されている GaN はシリコン (Si) に比べ約 3 倍のバンドギャップ約倍の破壊電界高い電子飽和速度などの材料特性の優位性を有しているほかアルミニウム (Al) やインジウム (In) などのⅢ-Ⅴ 族混晶とヘテロ接合を形成することが可能である AlGaN の自発分極と歪によるピエゾ分極により AlGaN/GaN 界面には 2 次元電子ガス (2DEG: Two Dimension Electron Gas) と呼ばれる高濃度高電子移動度の電子層が形成されるこれらの特長を活かした高周波高出力トランジスタが GaN 系 HFET (Heterojunctin Field-Effect Transistor) 1 である住友電工デバイスイノベーション (SEDI) では携帯電話基地局の電力増幅器用 GaN HFET を製品化し出荷台数は 5 万個を超えている (6) 上述のとおり GaN は半導体事業部半導体技術研究所 SEDI 伝送デバイス研究所で培った基板 / エピ技術デバイス技術など当社の強みを存分に発揮できる半導体材料であると言える近年化石燃料の枯渇や地球温暖化の問題から省エネルギー社会の実現が急務となっており高効率な電力変換器の需要が高まっている高効率化のためには半導体素子の 2 オン抵抗の低減が課題となるオン抵抗は破壊電界の 3 乗に反比例する破壊電界の大きな GaN を用いることで Si と比較して分の 1 の超低オン抵抗化が理論的に可能となることから GaN の物性特性はパワーデバイス用途としても優れているさらにパワーデバイスは高耐圧大電流動作が必要であること配線パッケージの容易さから縦型構造が一般的である縦型構造では転位と呼ばれる結晶性の乱れがリークの要因となるため低転位 GaN 基板が必須となるほか GaN 基板上の MOVPE(Metal Organic Vapor-Phase Epitaxy) 3 法のエピ成長技術が重要となる半導体技術研究所では低抵抗高耐圧なショッ 1 GaN SBD (our work) GaN SBD SiC SBD Si Limit Florida Univ. 1(Ref.8) SiC Limit Mitsubishi 9(Ref.9) SEI (Ref.7) GaN Limit.1 図 1 SBD の耐圧オン抵抗比較 ( 84 ) 低転位 GaN 基板上縦型トランジスタの開発

トキバリアダイオード (SBD: Schottky Barrier Diode) の開発を進め現在パワーデバイス材料として注目されている炭化ケイ素 (SiC) の理論値を上回る性能を実証した ( 図 1) (7) 電力変換器にはダイオードに加えトランジスタも必要となる光デバイスや通信用電子デバイスでプロセス技術が成熟しつつあるが Si や SiC の技術レベルにはまだまだ達しておらず

2 トキバリアダイオード (SBD: Schottky Barrier Diode) の開発を進め現在パワーデバイス材料として注目されている炭化ケイ素 (SiC) の理論値を上回る性能を実証した ( 図 1) (7) 電力変換器にはダイオードに加えトランジスタも必要となる光デバイスや通信用電子デバイスでプロセス技術が成熟しつつあるが Si や SiC の技術レベルにはまだまだ達しておらず GaN を用いたパワートランジスタ作製のためのデバイス技術には多くの課題があるパワーデバイスでは高耐圧特性を得るために p 型半導体が必須となる GaN はイオン注入による p 型の形成が困難であり Si のパワートランジスタの IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) や DMOSFET(Double-Diffusion Metal Oxide Field-Effect Transistor) など既存の構造を模擬することは現状の GaN のプロセス技術では不可能であるこうした課題を克服すべく MOVPE で結晶成長した p 型層を用いた GaN 系パワートランジスタが各社から提案されている () (12) 我々は従来の構造と異なりチャネルに 2DEG を用いる新しい縦型の AlGaN/GaN HFET を開発した本報告ではデバイス構造の特長とプロセス技術および評価結果について報告する 2. デバイス構造とプロセス 2 1 新規構造の特長図 2 にデバイスの断面図を示す構造はV 型トレンチ構造の MOSFET 4 ( Metal Oxide Field-Effect Transistor) に類似している MOS 構造のチャネル層はゲート下部の電子層はp 型層の反転により形成される電子であるそのためイオン化不純物散乱や界面ラフネス散乱の影響で電子移動度が小さくなる新規構造ではチャネル層にヘテロ接合の 2DEG を用いており MOS 構造と異なり電子走行層での散乱が小さく高電子移動度が得られるため低オン抵抗化が可能となる新規構造のトランジスタはオン状態ではソースから注入された電子はn + GaN と 2DEG および n GaN を通ってドレイン電極に排出される一方オフ状態ではゲート電界により 2DEG が形成されず p + GaN/n GaN の pn 接合に逆バイアスが印加された状態と等しく n GaN に空乏層が広がるため高耐圧となるまた p + GaN 上では ud-gan 上よりもヘテロ界面のコンダクションバンドがp 型層のポテンシャルにより上昇し 2DEG 濃度を減少させるよって p 型層は 2DEG を枯渇させてトランジスタをオフ状態とするときのゲート電圧 ( しきい値電圧 ) が正方向にシフトするためノーマリオフ動作に寄与する 2 2 デバイスプロセス比抵抗.1Ωcm の低転位 GaN 基板のc 面上に MOVPE 法で n + GaN を.2µm p + GaN を 1µm n GaN を 5µm それぞれエピ成長した n 型層の Si 濃度はn + GaN が 3 18 cm 3 n GaN が 5 15 cm 3 p 型層の Mg 濃度は 5 18 cm 3 である n + GaN/p + GaN を ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) 5 にて傾斜状にエッチングしその斜面上に 2DEG を形成するため AlGaN/ud-GaN を MOVPE 法で再成長した電極は全て電子線蒸着とリフトオフ法で形成している p + GaN の電位固定のためにリセス構造の p 型オーミック電極を形成しており上部にソース電極を配置することで短絡し接地しているその後基板裏面にドレイン電極を成膜し合金化アニールを行った最後にゲート電極を形成した図 3 に示す断面 SEM 像から平坦な斜面と再成長エピ層が形成できていることが分かる 16 <1>.2μm 図 3 ゲート下部の断面 SEM 像 3. 評価結果図 2 縦型 HFET の断面図 3 1 ノーマリオン素子の耐圧オン抵抗図 4 に再成長 AlGaN の膜厚を 28nm Al 組成比を.2 とししきい値電圧 1.1Vのノーマリオン動作素子のID-VD 特性を示年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 17 8 号 ( 85 )

3 すゲート電圧は+1V から 3Vまで1Vステップである評価素子は六角形のメサ上にソース電極を形成し斜面周囲を覆うようにゲート電極を配置してあるメサの面積はプロービングのため cm 2 とした良好なピンチオフ特性が得られておりゲート電圧 +1V ドレイン電圧 +2V のときのドレイン電流とメサ面積から算出したオン抵抗は 7.6mΩcm 2 であったこの値は他社から報告されている GaN 系の縦型 MOSFET (11) (12) よりも小さく 2DEG を利用したことによる低抵抗化と考えられるさらなるオン抵抗低減の手法はいくつかあり p + GaN 膜厚を薄層化することで実効チャネル長を短くできるまた本試作では単一素子でメサ面積が大きいがメサ径を小さくし単位面積当たりのチャネル幅を増加すればオン抵抗を低減する 3 V G = +1V to -3V, 1V step mΩcm 図 4 VHFET のドレイン電流電圧特性ことが容易に可能であるチャネル抵抗はn GaN よりも小さくすることが可能であり理論上新規構造の VHFET のオン抵抗はn GaN 層の抵抗と基板抵抗で律則されるまで低減が可能となる図 5 にゲート電圧 5VのときのID-VD 特性を示す pn 接合によって 6V 以上の良好な耐圧が得られている VDS = 4V 以上からゲートリークが増加し VDS = 672V で破壊した耐圧 (VB) とオン抵抗 (RonA) はトレードオフの関係であり n GaN のキャリア濃度により決定されるパワーデバイスの性能指数の一つに VB 2 /RonA があり今回の素子で得られた性能指数はこれまで報告のあった GaN 系の縦型トランジスタの値を大きく更新した 3 2 ノーマリオフ動作パワートランジスタは安全面の観点からシステムエラーや回路不良発生時などゲート信号が印加されない (VG = V) ときは電流が流れないノーマリオフ動作が求められている一般的に AlGaN/GaN HFET は AlGaN の自発分極ピエゾ分極により 2DEG チャネルが形成されるためゲート電極に電圧を印加していなくてもオン状態となるノーマリオン動作となるためノーマリオフ動作とするためにはデバイス構造の工夫が必要となるノーマリオフ化の手法の一つに AlGaN 層の膜厚と Al 組成比を最適化し自発分極とピエゾ分極を緩和する方法がある図 6 に再成長 AlGaN の膜厚を nm とした素子のID-VG 特性を示す Al 組成比はすべて.2 でドレイン電圧は.1V である AlGaN 膜厚に依存してしきい値電圧は 3.2V から+.3V まで変動しているよって nm とすることでしきい値電圧が正となり VHFET でもノーマリオフ動作が可能であることを示したしかしパワーデバイス応用ではトランジスタのしきい値電圧は+3V 以上が望ましいとされている今回の試作では nm までとしたが AlGaN の薄層化のみ nm 23nm nm V B 672V 図 5 VHFET の耐圧評価 (VG = 5V) 図 6 しきい値電圧の AlGaN 膜厚依存性 ( 86 ) 低転位 GaN 基板上縦型トランジスタの開発

4 で+3V のしきい値電圧を実現するのは理論上不可能であり絶縁ゲート構造の開発が必須となる 3 3 コラプス耐性高出力のスイッチング素子では高電圧をドレインに印加した後は電流が減少し出力低下や歪の要因となる電流コラプスと呼ばれる現象の抑制が問題となっている横型 HFET ではゲート電極端に電界集中が生じ AlGaN の表面準位やエピ / 異種基板界面の深い準位への電子捕獲によって 2DEG が減少するコラプス解消には保護膜による界面準位の抑制フィールドプレートによる電界集中緩和などの対策が行われている (13) 新規構造の縦型 HFET ではゲート下部から n GaN へ電子は流れるため電界集中の箇所での表面準位起因のコラプスは生じないまた横型で用いられているサファイアや SiC 上と異なり縦型は GaN 基板上であるためエピ / 基板界面のエピは異種基板上よりも結晶性がよく深い準位の密度も小さいと考えられる図 7 に縦型と横型のID-VD 特性のヒステリシスの違いを示す横型はサファイア基板上 ud GaN に縦型と同時ランで AlGaN/GaN を再成長してチャネルを形成している測定方法はドレイン電圧を V から 2V まで印加し続けて Vに戻す往復掃引であるゲート電圧は+1V から 3Vまで+1Vステップである横型はドレイン電圧を 2V まで印加した後は電流が減少しており電流コラプスが顕著であると言える一方縦型は往復の電流差が小さく横型と比較してコラプス耐性が優れることが明らかとなった (14) しかし縦型でも若干の電流コラプスが生じており再成長界面の深い準位や再成長 ud-gan の結晶性不純物に起因する準位密度の低減が課題であると考えている 4. 結言 GaN は優れた物性特性を有しており次世代パワーデバイス用途の半導体材料として期待されているほか当社の強みを活かせる材料である今回我々のグループでは低転位 GaN 基板を用いた新規構造の縦型 AlGaN/GaN HFET を開発しオン抵抗 7.6mΩcm 2 耐圧 672Vと耐圧オン抵抗の優れた特性を得たまた AlGaN 層の最適化によってノーマリオフ動作が可能であることを示した今後エピ特性の改善やデバイス構造の最適化を進め更なる特性向上を進めていく所存である用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 HFET Heterojunction Field-Effect Transistor : ヘテロ接合界面に誘起される 2 次元電子ガスをチャネルとする電界効果型トランジスタ HEMT(High Electron Mobility Transistor) と同意語.2 2 オン抵抗スイッチング素子が通電状態であるときの抵抗低オン抵抗であるとロスが小さくなり高効率となる MOVPE Metal Organic Vapor Phase Epitaxy : 有機金属化合物蒸気を原料とする気相成長法 4 MOSFET Metal Oxide Field-Effect Transistor : 半導体と酸化膜の界面に誘起される反転層をチャネルとする電界効果型トランジスタ. 2 図 7 縦型と横型の電流コラプス比較 5 ICP-RIE Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching : 高温高密度な誘導結合プラズマを用いる反応性イオンエッチング年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 17 8 号 ( 87 )

参考文献 (1) 元木健作窒化ガリウム基板の開発 SEI テクニカルレビュー第 175 号 pp.-18(29) (2)Y. Enya, Y. Yoshizumi, T. Kyono, K. Akita, M. Ueno, M. Adachi, T.Sumitomo, S. Tokuyama, T. Ikegami, K. Katayama and T.

5 参考文献 (1) 元木健作窒化ガリウム基板の開発 SEI テクニカルレビュー第 175 号 pp.-18(29) (2)Y. Enya, Y. Yoshizumi, T. Kyono, K. Akita, M. Ueno, M. Adachi, T.Sumitomo, S. Tokuyama, T. Ikegami, K. Katayama and T. Nakamura, 531 nm Green Lasing of InGaN Based Laser Diodes on Semi-Polar {22 1} Free-Standing GaN Substrates, Appl. Phys. Express 2, 821(29) (3)Y. Yoshizumi, M. Adachi, Y. Enya, T. Kyono, S. Tokuyama, T.Sumitomo, K. Akita, T. Ikegami, M. Ueno, K. Katayama and T.Nakamura, Continuous-Wave Operation of 52 nm Green InGaNBased Laser Diodes on Semi-Polar {22 1} GaN Substrates, Appl. Phys. Express 2, 921(29) (4) 京野孝史塩谷陽平秋田勝史上野昌紀足立真寛住友隆道徳山慎司池上隆俊片山浩二中村孝夫世界初の新規 GaN 基板上純緑色レーザ開発 Ⅰ SEI テクニカルレビュー第 176 号 p.p (2) (5) 足立真寛京野孝史塩谷陽平秋田勝史上野昌紀住友隆道徳山慎司池上隆俊片山浩二中村孝夫世界初の新規 GaN 基板上純緑色レーザ開発 Ⅱ SEI テクニカルレビュー第 176 号 p.p (2) (6) 井上和孝佐野征吾舘野泰範八巻史一蛯原要宇井範彦川野明弘出口博昭携帯電話基地局用窒化ガリウム電力増幅器 (GaN HFMT) の開発 SEI テクニカルレビュー第 177 号 p.p.97-2(2) (7)Y. Saitoh, K. Sumiyoshi, M. Okada, T. Horii, T. Miyazaki, H. Shiomi, M. Ueno, K. Katayama, M. Kiyama and T. Nakamura, Extremely Low On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on Low-Dislocation-Density GaN Substrates, Appl. Phys. Express 3, 81(2) (8)A. P. Zhang, J. W. Johnson, B. Luo, F. Ren, S. J. Pearton, S. S. Park, Y. J. Park and J. I. Chyi, Vertical and lateral GaN rectifiers on freestanding GaN substrates, Appl. Phys. Lett. 79, 1555(21) (9)N. Miura, S. Yoshida, Y. Nakao, Y. Matsuno, K. Kuroda, S. Watanabe, M. Imaizumi, H. Sumitani, H. Yamamoto and T. Oomori, 4H-SiC Power Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors and Schottky Barrier Diodes of 1.7 kv Rating, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 4C85(29) ()M. Kanechika, M. Sugimoto, N. Soejima, H. Ueda, O. Ishiguro, M. Kodama, E. Hayashi, K. Itoh, T. Uesugi and T. Kachi, A Vertical Insulated Gate AlGaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistor Jpn. J. Appl. Phys. 46, L53(27) (11)H. Otake, K. Chikamatsu, A. Yamaguchi, T. Fujishima and H. Ohta, Vertical GaN-Based Trench Gate Metal Oxide Semiconductor Field- Effect Transistors on GaN Bulk Substrates Appl. Phys. Express 1, 115(28) (12)M. Kodama, M. Sugimoto, E. Hayashi, N. Soejima, O. Ishiguro, M. Kanechika, K. Itoh, H. Ueda, T. Uesugi and T. Kachi, GaN-Based Trench Gate Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Fabricated with Novel Wet Etching Appl. Phys. Express 1, 214. (28) (13)W. Saito, T. Nitta, Y. Kakiuchi, Y. Saito, K. Tsuda, I. Omura and M. Yamaguchi, On-Resistance Modulation of High Voltage GaN HEMT on Sapphire Substrate Under High Applied Voltage, IEEE Electron Device Lett. Vol. 28, pp. 676(27) (14)S. Yaegassi, M. Okada, Y. Saitoh, M. Yokoyama, K. Nakata, K. Katayama, M. Ueno, M. Kiyama, T. Katsuyama and T. Nakamura, to be published in Proceedings of ISCS.(2) 執筆者岡田政也 * : 半導体技術研究所光半導体技術研究部博士 ( 工学 ) GaN 電子デバイスに関する研究開発に従事斎藤雄 : 半導体技術研究所光半導体技術研究部横山満徳 : パワーデバイス開発室主査中田健 : 伝送デバイス研究所高集積プロセス研究部グループ長八重樫誠司 : パワーデバイス開発室主幹博士 ( 工学 ) 片山浩二 : 半導体技術研究所光半導体技術研究部グループ長博士 ( 工学 ) 上野昌紀 : 半導体技術研究所光半導体技術研究部グループ長博士 ( 理学 ) 木山誠 : 半導体技術研究所主幹博士 ( 工学 ) 勝山造 : 伝送デバイス研究所新領域研究部部長博士 ( 工学 ) 中村孝夫 : 半導体技術研究所光半導体技術研究部部長博士 ( 工学 ) * 主執筆者 ( 88 ) 低転位 GaN 基板上縦型トランジスタの開発

低転位GaN 基板上の低抵抗・高耐圧GaNダイオード

低転位GaN 基板上の低抵抗・高耐圧GaNダイオードエレクトロニクス低転位 G a N 基板上の低抵抗高耐圧 G a N ダイオード住吉和英 * 岡田政也上野昌紀木山誠中村孝夫 Low On-Resistance and High Breakdown Voltage GaN SBD on Low Dislocation Density GaN Substrates by Kazuhide Sumiyoshi,