4-3-1 デバイス 作 製 デバイス 特 性 AlGaN/GaN HEMT バッファリークの 光 応 答 実 験 方 法 実 験 結 果 ディスカッション まとめ

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1 第 1 章 序 論 本 研 究 の 背 景 本 研 究 の 目 的 本 論 文 の 構 成 第 1 章 の 参 考 文 献... 9 第 2 章 本 研 究 に 関 する 諸 原 理 はじめに 窒 化 ガリウム(GaN) 結 晶 AlGaN/GaN HEMT 構 造 GaN on GaN Schottky バリアダイオード 構 造 MOCVD 成 長 DLTS 測 定 第 2 章 の 参 考 文 献 第 3 章 炭 素 ドープ AlGaN/GaN HEMT on SiC はじめに 低 濃 度 炭 素 ドープ GaN の 電 気 特 性 GaN エピタキシャル 層 構 造 GaN エピタキシャル 成 長 電 極 形 成 と 測 定 測 定 結 果 Schottky I-V HEMT デバイスの 挙 動 DLTS 測 定 フォトキャパシタンス 測 定 ディスカッション まとめ 第 3 章 の 参 考 文 献 第 4 章 AlGaN/GaN HEMT デバイス 実 証 例 に 関 する 報 告 はじめに リセスゲートによる E-mode AlGaN/GaN HEMT (1) デバイス 作 製 デバイス 特 性 リセスゲートによる E-mode AlGaN/GaN HEMT (2)

2 4-3-1 デバイス 作 製 デバイス 特 性 AlGaN/GaN HEMT バッファリークの 光 応 答 実 験 方 法 実 験 結 果 ディスカッション まとめ 第 4 章 の 参 考 文 献 第 5 章 n-gan SBD 構 造 中 の 炭 素 はじめに 実 験 方 法 結 果 と 考 察 SIMS および PL 測 定 シリコンドープ 濃 度 と 炭 素 ドープ 濃 度 及 びフリーキャリア 濃 度 の 相 関 I-V 特 性 炭 素 による 補 償 モデル まとめ 第 5 章 の 参 考 文 献 第 6 章 GaN on GaN 中 の 電 子 トラップ 密 度 に 関 する 検 討 はじめに 実 験 方 法 結 果 と 考 察 まとめ 第 6 章 の 参 考 文 献 第 7 章 結 論 謝 辞

3 第 1 章 序 論 1-1 本 研 究 の 背 景 窒 化 ガリウムを 主 材 料 とする AlGaN/GaN HEMT(high electron mobility transistor) の 高 周 波 パワーアンプ 用 途 での 実 用 化 が 進 んでいる[1-6] 典 型 的 な 用 途 の 一 つは 携 帯 電 話 など 移 動 端 末 用 の 基 地 局 (BTS: base transmission station)である BTS は L 帯 や S 帯 の 周 波 数 帯 において 変 調 された 高 周 波 信 号 を 53 dbm 約 200 W 以 上 の 出 力 で 放 出 する 従 来 BTS 用 の 高 周 波 パワーアンプには Si-LDMOS(laterally diffused metal oxide semiconductor)が 使 われていた しかし Si-LDMOS はデバイス 単 体 での 効 率 が 低 いことに 加 えて 単 位 面 積 当 たりのパワー 密 度 が 低 く またアンプ 動 作 における 整 合 損 失 も 大 きくなる 冷 却 系 統 も 複 雑 にならざるを 得 ないなど 課 題 が 多 かった このため Si-LDMOS を 用 いた BTS ではシステム 全 体 が 大 容 量 大 規 模 化 するとともに 激 しく 電 力 を 消 費 するという 問 題 点 があった スマートフォンを 中 心 とする 携 帯 端 末 が 発 展 途 上 国 を 含 めて 全 世 界 で 普 及 するようになって 久 しいが データトラフィックが 急 速 に 増 大 するなか S 帯 から C 帯 といった 更 に 高 い 周 波 数 領 域 の 応 用 が 検 討 されている 一 般 に 高 周 波 デバイスの 動 作 周 波 数 と 効 率 にはトレードオフの 関 係 があり Si-LDMOS を 用 いた 場 合 では 更 に 効 率 低 下 と 消 費 電 力 の 増 大 が 懸 念 されていた GaN HEMT デバイスの 登 場 は このような BTS の 設 計 環 境 を 一 変 させた GaN HEMT は 高 耐 圧 高 効 率 高 周 波 広 帯 域 小 チップ 面 積 などの 優 れた 特 性 を 併 せ 持 つ[7] GaN HEMT を BTS 用 アンプに 用 いることにより デバイス 単 体 での 効 率 を 向 上 できることに 加 えて 48 V の 高 電 圧 駆 動 によるシステムの 効 率 化 や 簡 略 化 冷 却 機 構 の 簡 略 化 それにともなうシステム 全 体 の 小 型 化 と 効 率 化 が 可 能 になる デバイス 単 体 のパワー 密 度 が 高 く 一 方 で 寄 生 容 量 が 小 さいことから 回 路 デザインも 簡 略 化 低 コスト 化 することが 可 能 になる[8] GaN HEMT の 優 れた 特 性 は 素 材 である GaN 結 晶 そのものの 物 性 に 由 来 する 3

4 表 1-1 に 主 な 半 導 体 結 晶 中 の 物 性 値 を 示 す GaN は Si や GaAs という 従 来 の 半 導 体 材 料 と 比 較 して 極 めて 高 い 破 壊 耐 圧 を 有 するとともに 高 飽 和 電 子 速 度 という 特 長 も 有 している また GaN は GaN と AlN の 混 晶 である AlGaN とヘテロ 接 合 することによ り ピエゾ 効 果 で cm -2 という 高 濃 度 の 2 次 元 電 子 ガスを 得 られるという 特 長 も 有 する[9] GaN は 高 電 圧 駆 動 できることから 投 入 電 力 に 対 して 接 触 抵 抗 など 寄 生 部 分 でのロスの 割 合 を 下 げることができ 高 効 率 となる また 高 移 動 度 であることからトラ ンジスタの 遮 断 周 波 数 を 上 げることが 出 来 る 一 方 でこのような GaN 材 料 の 優 れた 特 性 を 最 大 限 に 引 き 出 すためには 用 途 に 応 じて GaN 結 晶 が 低 欠 陥 密 度 であるなど 一 定 の 品 質 を 有 していることが 前 提 となる GaN HEMT 素 子 用 の GaN 結 晶 としては 通 常 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition : 有 機 金 属 化 学 気 層 堆 積 法 )によりエピタキシャル 成 長 されたものが 用 いら れるが この GaN エピタキシャル 層 に 求 められる 物 性 としては 特 にバッファ 層 とな る 部 分 の GaN の 高 抵 抗 化 を 代 表 例 として 挙 げることができる バッファ 層 の 高 抵 抗 化 は 電 界 効 果 型 トランジスタのひとつである GaN HEMT において ゲートに 逆 バイアス を 印 可 してチャネルを 良 好 にピンチオフさせるための 必 要 最 低 限 の 特 性 である GaN はその 構 成 元 素 のひとつである N( 窒 素 )の 蒸 気 圧 が 高 いため 窒 素 空 孔 VN が 生 成 しやす いと 言 われる この VN は 浅 いドナー 準 位 を 形 成 するので アンドープの GaN は 通 常 は 高 抵 抗 とならず N 型 の 導 電 性 を 示 す[10-12] この 状 態 で GaN トランジスタを 製 作 しても ドレインコンダクタンス 増 大 の 影 響 によりデバイスはリークし 前 述 したよう な 高 いパフォーマンスを 得 ることは 出 来 ない よってバッファ 部 分 を 高 抵 抗 化 する 目 的 で GaN HEMT 用 GaN 結 晶 中 には 意 図 的 に 炭 素 或 いは 鉄 などの 不 純 物 をドープす ることが 行 われる[13-16] これら 不 純 物 は GaN HEMT トランジスタ 用 エピタキシャ ル 結 晶 の 成 長 に 不 可 欠 であるが 一 方 でこれらが 形 成 する 深 い 準 位 がカレントコラプス などのデバイス 特 性 と 相 関 するなどの 指 摘 があり 同 不 純 物 の 挙 動 を 明 らかにすること 4

5 が 求 められるという 背 景 があった[13-14] GaN HEMT の 実 用 化 が 高 周 波 の 分 野 で 進 む 一 方 インバーター 等 の 電 力 変 換 回 路 用 の スイッチング 素 子 などパワーデバイスの 分 野 での GaN 応 用 の 検 討 も 行 われている こ のパワーデバイス 需 要 は 今 後 著 しい 伸 びが 期 待 される[17-24] 基 幹 系 インフラを 始 め として HEV (hybrid electric vehicle)の 拡 大 が 期 待 される 自 動 車 分 野 太 陽 電 池 など のパワーコンディショナー 発 展 途 上 国 でのインバーター 需 要 などがパワーデバイスの 成 長 ドライバーである パワーデバイスの 性 能 指 標 は RON(オン 抵 抗 )で 表 され なおか つ RON はもう 一 つの 重 要 指 標 である 耐 圧 との 間 でトレードオフの 関 係 にあるのが 普 通 である 詳 細 に 述 べれば パワーデバイスの 効 率 を 測 る 上 では 導 通 損 失 とスイッチング 損 失 の 両 面 の 改 善 が 必 要 であり これは 単 位 面 積 当 りオン 抵 抗 すなわち RONA を 低 減 す ることによって 達 成 される 更 に 詳 細 に 述 べると RONA はドリフト 抵 抗 とチャネル 抵 抗 に 分 けられるが このうちドリフト 抵 抗 は 材 料 の 絶 縁 破 壊 電 界 強 度 EC によって 上 限 が きまっており 従 来 の Si 系 デバイスではいわゆる Si 限 界 が 唱 えられていた また Si デバイスは 微 細 加 工 技 術 で SJ(スーパージャンクション) 構 造 を 形 成 することによりそ の Si 限 界 を 超 えてきたが[25,26] 今 後 求 められる 省 電 力 化 の 要 求 に 追 随 するには 更 な る 超 微 細 化 が 求 められるという 課 題 があった 一 方 で 新 材 料 である SiC および GaN で は Si よりも 一 桁 高 い EC を 有 し 材 料 限 界 は Si の 1,000 倍 に 達 する[27] このため SiC および GaN を 用 いたパワーデバイスは Si デバイスを 凌 駕 するトレードオフ 改 善 すな わち 高 耐 圧 と 低 RON が 期 待 される 特 に GaN は 高 電 界 下 で 高 い 電 子 移 動 度 を 示 すため 高 いスイッチング 周 波 数 での 駆 動 も 可 能 であり システムに 含 まれるインダクターやコ ンデンサーなど 受 動 部 品 の 小 サイズ 化 も 実 現 する 一 方 でこのような GaN 材 料 の 優 れた 特 性 をパワーデバイスで 最 大 限 に 引 き 出 すために は デバイス 加 工 プロセスの 改 善 やデバイスレイアウトの 改 善 に 加 えて GaN 高 周 波 デバイスの 場 合 と 同 様 に GaN 結 晶 そのものが 一 定 の 品 質 を 有 していることが 求 めら 5

6 れる GaN on GaN ダイオードの 例 を 取 ると その 耐 圧 特 性 と RON 特 性 は 低 濃 度 でド ープされた GaN ドリフト 層 のフリーキャリア 濃 度 に 大 きく 依 存 する 具 体 的 にはシリ コンドープにより GaN ドリフト 層 のフリーキャリア 濃 度 を cm -3 前 後 に 制 御 す ることで 高 耐 圧 と 低 RON を 実 現 する これ 以 上 高 いフリーキャリア 濃 度 では 耐 圧 が 低 下 し 一 方 でこれ 以 下 の 低 いフリーキャリア 濃 度 ではオン 抵 抗 が 増 加 してしまう この cm -3 前 後 でのフリーキャリア 濃 度 の 制 御 実 現 における 課 題 が GaN ドリフト 層 中 の 不 純 物 である 特 にアクセプターサイトを 形 成 し ドープしたシリコンを 補 償 する 可 能 性 のある 炭 素 の 不 純 物 である 上 記 したとおり 電 子 デバイス 用 GaN 結 晶 としては 有 機 金 属 を 原 料 とする MOCVD 法 で 成 長 した GaN エピタキシャルウェハが 使 われ 原 料 から 脱 離 したメチル 基 等 から 炭 素 が GaN 中 に 混 入 する このため GaN ドリフト 中 におけるこの 炭 素 の 挙 動 を 明 らかにしたうえで GaN on GaN パワーデバイス 用 GaN エピタキシャル 層 の 構 造 設 計 およびエピタキシャル 成 長 条 件 を 最 適 化 することが 必 須 である このように 本 研 究 の 背 景 として GaN 高 周 波 デバイス 及 び GaN パワーデバイスの 実 現 と 高 性 能 化 には 材 料 である GaN エピタキシャル 結 晶 の 高 品 質 化 が 重 要 であって こ の 品 質 に 影 響 を 与 える 点 欠 陥 や 不 純 物 の GaN 中 におけるエネルギー 準 位 挙 動 等 を 把 握 し 制 御 することが 求 められていた 1-2 本 研 究 の 目 的 本 研 究 の 目 的 は 特 に GaN 系 エピタキシャル 結 晶 を 電 子 デバイス 用 材 料 として 使 用 す る 観 点 で 同 結 晶 に 含 まれる 欠 陥 準 位 やドーピングの 影 響 を 評 価 するとともに 最 終 的 には GaN 電 子 デバイスの 実 用 化 と 高 性 能 化 に 向 けて 結 晶 の 高 品 質 化 最 適 化 を 行 うこ とである 背 景 で 述 べた 通 り GaN 電 子 デバイスには 用 途 別 で 高 周 波 応 用 およびパワースイッチン 6

7 グデバイス 応 用 という 二 つが 考 えられるが それぞれに 適 する 構 造 は 異 なる 例 えば 高 周 波 応 用 では 高 電 子 移 動 度 の 2 次 元 電 子 ガスを 利 用 することが 望 ましいことから GaN HEMT 構 造 が 広 く 用 いられる GaN HEMT では 電 界 効 果 型 トランジスタに 求 められ る 基 本 的 な 特 性 であるピンチオフ 性 能 を 得 るため GaN のバッファ 部 分 を 高 抵 抗 化 す る 必 要 がある この 高 抵 抗 化 の 目 的 で 導 入 される 点 欠 陥 やドーパントは 電 流 コラプス 等 でトランジスタ 性 能 の 低 下 をもたらすことがあり このトレードオフが 課 題 である 本 研 究 ではバッファ 中 の 欠 陥 準 位 の 挙 動 を 明 らかにするとともに トレードオフ 解 消 の ために 設 計 した 変 調 炭 素 ドープ 構 造 のトランジスタ 性 能 を 示 す 一 方 のパワースイッチングデバイス 応 用 では 民 生 用 の 耐 圧 600 V までを 想 定 したもの では GaN HEMT 構 造 が 検 討 される 場 合 もあるが GaN の 特 長 を 活 かし 数 kv の 高 耐 圧 を 目 指 すパワーデバイスとしては 縦 型 ダイオード 構 造 が 候 補 として 期 待 される ダイ オードでは 耐 圧 を 稼 ぐためにドリフト 層 のフリーキャリア 濃 度 を 低 く 設 定 するが その 場 合 は RON が 高 くなるというトレードオフが 存 在 する 本 研 究 ではこのトレードオフの 最 適 点 をデバイスレベルで 実 証 するとともに フリーキャリア 濃 度 を 精 密 に 調 整 するた めに 必 要 となるドリフト 層 中 の 点 欠 陥 に 関 する 理 解 と 制 御 方 法 を 示 す 1-3 本 論 文 の 構 成 本 章 に 続 く 第 2 章 では まず 研 究 に 関 する 諸 原 理 の 説 明 を 説 明 する 具 体 的 には GaN 結 晶 一 般 についての 説 明 を 行 った 後 電 子 デバイス 応 用 例 の 一 つである AlGaN/GaN HEMT の 基 本 原 理 について 説 明 する 次 にもう 一 つの 応 用 例 である GaN SBD(Shottky barrier diode)の 構 造 と 耐 圧 指 標 についても 述 べたうえで これら GaN 系 エピタキシャ ル 結 晶 の 製 法 である MOCVD 法 について 説 明 する また 評 価 手 法 として 本 研 究 で 繰 り 返 し 用 いる DLTS(deep level transition spectroscopy)についても その 原 理 について 述 べる 7

8 第 3 章 では GaN HEMT のピンチオフ 特 性 を 向 上 させる 目 的 でドーピングする 炭 素 がデ バイス 動 作 特 性 に 与 える 影 響 およびその 原 因 を 検 討 する HEMT 動 作 においては 炭 素 を 変 調 ドープした 構 造 で 良 好 なピンチオフを 確 保 しつつ 電 流 コラプスを 低 減 でき ることを 示 す また DLTS とフォトキャパシタンスにより GaN バンドギャップの 大 部 分 をカバーできる 範 囲 で 欠 陥 準 位 の 評 価 を 行 った 結 果 AlGaN/GaN HEMT 動 作 で の 大 きなカレントコラプス 有 無 の 差 は 炭 素 起 因 の 深 い 欠 陥 準 位 に 関 連 付 け 出 来 ること を 明 らかにする 第 4 章 では 主 に 炭 素 ドープした GaN をバッファとして 用 いる HEMT 構 造 のデバイス レベルでの 実 証 例 を 示 す SiC 基 板 上 に 形 成 した AlGaN/GaN HEMT で E-mode 動 作 を 示 すとともに ゲート 長 1.0 μm のデバイスで 通 常 の D-mode 動 作 と 遜 色 ないレベ ルの 高 周 波 小 信 号 特 性 が 得 られることを 示 す また HEMT デバイスにおけるバッファ リークの 光 応 答 を 検 討 し 低 エネルギーの 光 照 射 で 励 起 されるフリーキャリアが GaN バンドギャップ 中 のトラップ 準 位 に 捕 獲 され 疑 似 的 にコラプス 状 態 を 引 き 起 こすメカ ニズムを 明 らかする 第 5 章 では GaN SBD におけるフリーキャリア 濃 度 と 耐 圧 および RON の 相 関 に 加 え て 低 濃 度 ドーピングした 炭 素 の 挙 動 を 検 討 する GaN 中 の 炭 素 の 補 償 率 がドーピン グ 濃 度 に 依 存 して 大 きく 変 動 する 現 象 を 示 し 濃 度 増 加 に 伴 って 炭 素 の 占 める 位 置 がド ナータイプの CGa からアクセプタータイプの CN へと 変 わる 2 準 位 モデルを 提 案 する またデバイス 実 証 の 面 ではダイオード 性 能 の 指 標 である 耐 圧 および RON のトレードオ フを 満 たすフリーキャリア 濃 度 の 最 適 値 を 示 す 第 6 章 では n-gan on GaN 層 中 における 比 較 的 浅 い 準 位 の 電 子 トラップを DLTS によ り 解 析 し 炭 素 が 2 準 位 間 でサイトチェンジするタイミングで E1 および E3 トラッ プが 消 失 することを 示 す この 結 果 として n-gan 中 で EC ev までの 比 較 的 浅 い 準 位 のトラップを ほぼ 完 全 に 抑 制 できること 示 す 8

9 第 7 章 は 結 論 である 本 研 究 で 検 討 した AlGaN/GaN HEMT on SiC お よ び n-gan on GaN SBD それぞれの 特 性 およびこれに 関 連 する GaN 中 の 欠 陥 準 位 およびドーピン グの 影 響 を 分 析 した 結 果 を 総 括 し 結 論 とする 1-4 第 1 章 の 参 考 文 献 [1] K. Joshin, T. Kikkawa, H. Hayashi, T. Maniwa, S. Yokokawa, M. Yokoyama, N. Adachi, M. Takikawa, A 174 W high-efficiency GaN HEMT power amplifier for W-CDMA base station applications, IEEE International Electron Devices Meeting 2003, IEDM '03 Technical Digest p (2003) [2] M. P. van der Heijden, M. Acar, J. S. Vromans, A compact 12-watt high-efficiency GHz class-e GaN HEMT power amplifier for base stations, '09. IEEE MTT-S International, Microwave Symposium Digest p.657 (2009) [3] F. Yamaki, K. Inoue,N. Ui, A. Kawano,S. Sano, A 65 % drain efficiency GaN HEMT with 200 W peak power for 20 V to 65 V envelope tracking base station amplifier, 2011 IEEE MTT-S International, 5, Microwave Symposium Digest p.1 (2011) [4] Y. Nakasha, S. Masuda, K. Makiyama, T. Ohki, M. Kanamura, N. Okamoto, T. Tajima, T. Seino, H. Shigematsu, K. Imanishi, T. Kikkawa, K. Joshin, N. Hara, E-Band 85-mW Oscillator and 1.3-W Amplifier ICs Using 0.12µm GaN HEMTs for Millimeter-Wave Transceivers, Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 3-6 Oct. (2010) [5] A. Brown, K. Brown, J. Chwn, K.C. Hwang, N. Kolias, R. Scott, W-band GaN power amplifier MMICs 2011 IEEE MTT-S International Microwave 9

10 Symposium Digest(MTT), 5-10 June (2011) [6] M. Micovic, A. Kurdoghlian, K. Shinohara, S. Burnham, I. Milosavljevic, M. Hu, A. Corrion, A. Fung, R. Lin, L. Samoska, P. Kangaslahti, B. Lambrigtsen, P. Goldsmith, W. S. Wong, A. Schmitz, P. Hashimoto, P. J. Willadsen, D. H. Chow, W-Band GaN MMIC with 842 mw output power at 88 GHz, Microwave Symposium Digest (MTT), IEEE MTT-S International23-28 May, p.237 (2010) [7] 塩 島 謙 次, ワイドギャップ 半 導 体 材 料 の 特 徴 電 子 デバイス 開 発 の 観 点 から 電 気 学 会 論 文 誌 電 子 情 報 システム 部 門 誌 C 部 門 122-C, 6 ( 2002) [8] Y. S. Lee, M. W. Lee, Y. H. Jeong, Experimental analysis of GaN HEMT and Si LDMOS in analog predistortion power amplifiers for WCDMA applications, Microwave and Optical Technology Letters, Volume 50, Issue 2, pages , (2008) [9] J. P. Ibbetson, P. T. Fini, K. D. Ness, S. P. DenBaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra, Polarization effect, surface state, and the source of electrons in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors, Appl. Phys. Lett., vol.77, p.250 (2000) [10] M. G. Ganchenkova, and R. M. Nieminen, Nitrogen Vacancies as Major Point Defects in Gallium Nitride, Phys. Rev. Lett. 96, (2006) [11] D. C. Look, G. C. Farlow, P. J. Drevinsky, D. F. Bliss and J. R. Sizelove, On the nitrogen vacancy in GaN, Appl. Phys. Lett. 83, 3525 (2003) [12] Z. Yang, L. K. Li, J. Alperin and W. I. Wang, Nitrogen Vacancy as the Donor: Experimental Evidence in the Ammonia Assisted Molecular Beam Epitaxy of GaN, J. Electrochem. Soc. volume 144, issue 10, (1997) [13] S. C. Binary, W. Kruppa, H. B. Dietrich, G. Kelner, A. E. Wichenden, and J. A. 10

11 Freitas, Fabrication and characterization of GaN FETs Solid State Electron. 41, 1549 (1997) [14] P. B. Klein, S. C. Birari, K. Ikossi, A. E. Wichenden, D. D. Koleske, and R. L. Henry, Current collapse and the role of carbon in AlGaN/GaN high electron mobility transistors grown by metalorganic vapor-phase epitaxy, Appl. Phys. Lett. 79, 3527 (2001) [15] T. Tanaka, Y. Moriya, M. Sahara, T. Yukimoto, H. Kamogawa, Y. Otoki, T. Mishima, Leak current in high resistive GaN buffer layer and its light responsiveness, Phys. Status Solidi C 4 (7) 2585 (2007) [16] Y. Kumagai, H. Murakami, Y. Kangawa, A. Koukitu, Growth and characterization of thick GaN layers with high Fe doping, physica status solidi (c) Volume 2, Issue 7, pages (2005) [17] 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, (2010) [18] K. Mochizuki, T. Mishima, K. Nomoto, A. Terano, and T. Nakamura, Optical-Thermo-Transition Model of Reduction in On-Resistance of Small GaN p n Diodes, Jpn. J. Appl. Phys. 52, 08JN10 (2013) [19] K. Mochizuki, T. Mishima, Y. Ishida, Y. Hatakeyama, K. Nomoto, N. Kaneda, T. Tshuchiya, A. Terano, T. Tsuchiya, H. Uchiyama, S. Tanaka, and T. Nakamura, Determination of Lateral Extension of Extrinsic Photon Recycling in p-gan by Using Transmission-Line-Model Patterns Formed with GaN p n Junction 11

12 Epitaxial Layers, Jpn. J. Appl. Phys. 52, 08JN22 (2013) [20] Y. Hatakeyama, K. Nomoto, A. Terano, N. Kaneda, T. Tsuchiya, T. Mishima, and T. Nakamura, High-Breakdown-Voltage and Low-Specific-on-Resistance GaN p n Junction Diodes on Free-Standing GaN Substrates Fabricated Through Low-Damage Field-Plate Process, Jpn. J. Appl. Phys. 52, (2013) [21] Z. Z. Bandic, P. M. Bridger, E. C. Piquette, T. C. McGill, R. P. Vaudo, V. M. Phanse, and J. M. Redwing, High voltage 450 V GaN Schottky rectifiers, Appl. Phys. Lett. 74, 1266 (1999) [22] 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 Free Standing GaN Substrates, Appl. Phys. Lett. 79, 1555 (2001) [23] J. W. Johnson, A. P. Zhang, W.-B. Luo, F. Ren, S. J. Pearton, S. S. Park, Y. J. Park, and J.-I. Chyi, Breakdown Voltage and Reverse Recovery Characteristics of Free-Standing GaN Schottky Rectifiers, IEEE Trans. Electron Devices 49, 32 (2002) [24] J. B. Limb, D. Yoo, J.-H. Ryou, W. Lee, S. C. Shen, and R. D. Dupuis, High performance GaN pin rectifiers grown on free-standing GaN substrates, Electron. Lett. 42, 1313 (2006) [25] T. Fujihira, Theory of Semiconductor Superjunction Devices, Jpn. J. Appl. Phys. Oct., vol.36, p (1997) [26] G. Deboy, N. Marz, J. P. Stengl, H. Strack, J. Tihanyi, H. Weber, A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit line of silicon, Electron Devices Meeting, IEDM '98. Technical Digest., International, 6-9 Dec. 1998, Page(s): (1998) 12

13 [27] A. M. Ozbek and B. J. Baliga Planar Nearly Ideal Edge-Termination Technique for GaN Devices : IEEE Electron Device Lett. 32, 300 (2011) 13

14 表 1-1 主 な 半 導 体 結 晶 における 物 性 値 Si GaAs SiC(4H) GaN(ZB) バンドギャップ [ev] 熱 伝 導 率 [W/cmK] 絶 縁 破 壊 電 界 [MV/cm] 電 子 移 動 度 [cm 2 /Vs] * * 正 孔 移 動 度 [cm 2 /Vs] 飽 和 電 子 速 度 [cm/s] *GaAs と GaN の 電 子 移 動 度 は HEMT 構 造 で 2 次 元 電 子 ガスが 形 成 された 場 合 の 値 14

15 第 2 章 本 研 究 に 関 する 諸 原 理 2-1 はじめに 第 2 章 ではまず 本 研 究 で 対 象 とする GaN 結 晶 の 特 徴 について 述 べる 次 にこの GaN 結 晶 を 用 いた 電 子 デバイスの 一 つである 高 周 波 デバイス 用 エピタキシャルウェハの 構 造 すなわち AlGaN/GaN HEMT 系 エピタキシャルウェハの 構 造 および 動 作 機 構 につ いて 述 べる また GaN 結 晶 を 用 いた 別 の 電 子 デバイス 応 用 例 である GaN パワーデバ イス 用 エピタキシャルウェハの 構 造 すなわち GaN on GaN ダイオードの 構 造 および 動 作 機 構 について 述 べる その 後 これら GaN エピタキシャル 結 晶 を 成 長 するための 方 法 である MOCVD について その 原 理 および 条 件 について 述 べる 最 後 に 結 晶 中 に おける 不 純 物 準 位 を 求 める 手 法 である DLTS の 原 理 について 述 べる 2-2 窒 化 ガリウム(GaN) 結 晶 GaN の 原 子 配 列 を 図 2-1 に 示 す ウルツ 鉱 型 構 造 の GaN は 六 方 晶 系 に 属 し 格 子 定 数 は 単 位 胞 の 底 辺 の 六 角 形 の 一 辺 の 長 さ a と,それに 垂 直 な 方 向 (c 軸 方 向 )の 単 位 周 期 c とで 表 される 同 構 造 において 各 原 子 は 4 本 の 結 合 手 を 有 して 近 接 する 原 子 と 結 合 している GaN に 類 似 する 結 晶 としては AlN および InN が 挙 げられる 各 半 導 体 材 料 の 格 子 定 数 およびバンドギャップの 相 関 を 図 2-2 に 示 す GaN は AlN および InN と 格 子 定 数 が 近 いため それぞれの 臨 界 膜 厚 以 下 であれば AlGaN や InGaN 或 いは InAlN や 更 には InGaAlN などの 三 元 および 四 元 混 晶 を 作 ることが 可 能 である これら を 積 層 させることにより バンドギャップの 異 なる 層 を 隣 接 させたヘテロエピタキシャ ル 界 面 を 形 成 することも 可 能 である InGaN/GaN の MQW(multi quantum well)であ る 青 色 LED[1-3]あるいは AlGaN/GaN の HEMT[4]などが このヘテロエピタキシャ ル 界 面 を 利 用 したデバイスの 一 例 である GaN を 含 む 窒 化 物 半 導 体 材 料 の 特 徴 の 一 つ 15

16 は これら 混 晶 の 組 み 合 わせが 広 いバンドギャップ 領 域 をカバーすることである 例 え ば GaAs を 含 むヒ 素 系 の 半 導 体 結 晶 ではナローギャップである InAs とワイドギャップ の AlAs のバンドギャップ 差 は 1.8 ev であるのに 対 して 窒 化 物 系 結 晶 ではナローギャ ップの InN の 0.8 ev[5, 6]とワイドギャップの AlN の 6.2 ev では 差 が 5.4 ev に 達 する この 差 の 大 きさがバンドギャップエンジニアリングによる 幅 広 いデバイス 設 計 を 可 能 とし 窒 化 物 結 晶 にかつてない 材 料 としてのポテンシャルをもたらしている 後 述 する ように SiC も GaN と 同 様 に 次 世 代 半 導 体 とされるが SiC は 基 本 的 にホモエピ 構 造 し か 設 計 できない 為 このようなヘテロエピタキシャル 界 面 を 利 用 できる 点 では 窒 化 物 半 導 体 がより 有 利 である 表 2-1 には 代 表 的 な 半 導 体 結 晶 の 物 性 値 を 再 掲 する[7] 近 年 注 目 される GaN や SiC の 物 性 として 特 記 すべき 点 は そのバンドギャップの 大 きさと 破 壊 電 界 強 度 の 大 きさであ る これらの 特 徴 は N や C などの 軽 元 素 を 含 んでいる 点 に 起 因 する すなわち 軽 元 素 は 原 子 半 径 が 小 さく 原 子 間 のボンディングエネルギーが 強 いため 格 子 定 数 が 小 さく バンドギャップが 大 きく なおかつ 融 点 が 高 い 結 晶 となる また GaN を 含 む 化 合 物 半 導 体 の 物 性 でみられるもう 一 つの 特 長 は その 高 速 性 にある 半 導 体 メモリーや 集 積 回 路 などの 産 業 で 主 に 用 いられる Si 結 晶 と 比 較 し GaAs や GaN は 高 い 移 動 度 飽 和 電 子 速 度 を 有 する これは 高 周 波 デバイスはもちろんのこと パワーデバイス 用 途 におい ても 高 速 スイッチング 等 で 有 利 である GaN 系 エピタキシャル 結 晶 の 製 法 としては MOCVD 法 を 用 い サファイア 基 板 上 に 低 温 緩 衝 層 を 介 したうえで 高 温 でトータル 5 μm 程 度 の GaN を Ga 面 を 最 表 面 として c 面 成 長 するというものが 一 般 であった[8] 基 板 にサファイアを 用 いる 理 由 は 幾 つかあ るが 最 も 大 きい 理 由 はそもそも 自 立 した GaN 基 板 が 存 在 しなかった 点 にある これ は 常 圧 での 窒 素 の 蒸 気 圧 が 高 いため 安 定 した 条 件 下 で 液 相 成 長 を 行 うことが 極 めて 困 難 であることに 起 因 する また 後 述 する AlGaN の 分 極 にも 関 連 するが Ga 面 を 最 表 16

17 面 とする c 面 成 長 を 行 うのは この 面 で 低 欠 陥 かつ 平 坦 性 に 優 れるエピタキシャル 層 を 得 るのが 容 易 なためである サファイアの 他 には SiC 基 板 を 用 いる 場 合 も 多 い[9] SiC と GaN は 格 子 定 数 が 近 いため GaN on SiC は GaN on サファイアよりも 高 品 質 な 結 晶 を 得 られるという 特 長 があるのに 加 えて SiC は 熱 伝 導 率 が 高 いため 放 熱 性 に 優 れてお り 出 力 が 放 熱 で 制 約 される 高 周 波 デバイスでは on SiC を 使 うメリットが 特 に 大 きい 為 である 例 えば BTS や 気 象 レーダーなどで 実 用 化 されている 高 周 波 GaN HEMT は ほぼ 全 てが GaN on SiC である 更 には 近 年 になって HVPE(hydride vapor phase epitaxy)という 気 相 成 長 法 を 用 いた GaN 自 立 基 板 が 開 発 され 長 年 の 課 題 であった GaN on GaN のホモエピタキシャル 成 長 が 可 能 となった[10-12] GaN on GaN の 最 大 の 特 長 は その 低 転 位 密 度 にある サファイア 或 いは SiC を 基 板 として 用 いるヘテロ 成 長 では 仮 にバッファ 層 を 数 μm 厚 さで 積 んだとしても 転 位 密 度 を cm -2 以 下 に 抑 えることは 困 難 であるが GaN on GaN であれば 容 易 に cm -2 乗 台 の 転 位 密 度 実 現 が 可 能 である このため GaN on GaN は 高 出 力 高 信 頼 性 が 求 められるデバイ スで 直 ちに 実 用 化 が 図 られ 一 例 としては 青 色 レーザーを 用 いた 高 密 度 記 録 メディアな どに 応 用 されている また 後 述 するようにパワースイッチングデバイス 向 けとして 研 究 される GaN ダイオードも GaN on GaN が 主 流 である 2-3 AlGaN/GaN HEMT 構 造 図 2-3 には 基 本 的 な GaN HEMT 用 エピタキシャルウェハの 構 造 を 示 す 材 料 としては 半 絶 縁 SiC 基 板 上 に 形 成 される AlN 層 GaN 層 および AlGaN 層 からなり 必 要 に 応 じで AlGaN 層 の 上 に 更 に GaN 層 を 形 成 する 場 合 もある[13] この 構 造 を AlGaAs/GaAs のヒ 素 系 材 料 を 用 いた HEMT と 比 較 した 場 合 に 特 徴 的 な 点 は AlGaN と GaN 界 面 近 傍 の AlGaN 側 に 分 極 による 大 きな 正 電 荷 が 生 じ これに 起 因 して 同 界 面 近 傍 の GaN 側 に 高 濃 度 の 二 次 元 電 子 ガス(2DEG: 2 dimensional electron gas)が 形 成 されることで 17

18 ある[14] AlGaN に 生 じる 分 極 は 自 発 分 極 差 およびピエゾ 分 極 の 二 つからなる P= PSP+PPE 式 (2-3-1) 自 発 分 極 ( 英 語 で spontaneous polarization)はイオン 半 径 差 が 大 きい III 族 イオンと V 族 イオンが 反 転 対 称 を 持 たない 六 方 晶 中 に 配 置 されることにより c 軸 (0001) 方 向 に 自 然 と 生 じるもので AlGaN と GaN どちらにも 存 在 する このうち 二 次 元 電 子 ガス 形 成 に 影 響 する AlGaN と GaN の 分 極 差 PSP は 次 の 式 で 求 まる ΔPSP=PSP(AlGaN)-PSP(GaN) 式 (2-3-2) また PSP(AlGaN)は Al 混 晶 比 が x の 時 次 の 式 で 表 される PSP(AlGaN)=PSP(AlN) x + PSP(GaN) (1 x) 式 (2-3-3) 次 にピエゾ 分 極 ( 英 語 で piezoelectric polarization)であるが これは AlGaN が 格 子 定 数 の 異 なる GaN 上 に 臨 界 膜 厚 以 下 で 形 成 された 際 格 子 定 数 の 小 さい AlGaN が 横 方 向 に 引 き 伸 ばされることによって 格 子 内 に 配 置 されたイオンに 位 置 ずれが 生 じること で 内 部 電 界 が 発 生 する 現 象 である 具 体 的 に AlGaN に 生 じるピエゾ 分 極 は 次 の 式 で 求 められる PP PPPP = 2 aa(0) aa(xx) ee aa(0) 31 (xx) ee 33 (xx) CC 31(xx) 式 (2-3-4) CC 33 (xx) ここで a は 格 子 定 数 e は 各 圧 電 係 数 C は 各 弾 性 定 数 である また 表 2-2 に 主 な 定 数 を 示 す 例 えば Al の 混 晶 比 が 25%の AlGaN/GaN ヘテロ 界 面 に 生 じる 分 極 の 総 量 は P= PSP+PPE = = Cm -2 となる これを 2 次 元 電 子 ガス 濃 度 に 換 算 すると cm -2 となる 実 際 には 最 表 面 の 状 態 や 結 晶 中 に 存 在 する 点 欠 陥 や 不 純 物 の 影 響 を 受 けて 若 干 変 化 するものの AlGaAs/GaAs のヒ 素 系 HEMT と 較 べるとこの 数 値 は 5 倍 以 上 であり いかに GaN 系 結 晶 が 高 出 力 化 に 有 利 であるかが 判 る AlGaN/GaN ヘテロ 界 面 付 近 のバンド 構 造 を 模 式 的 に 図 2-4 に 示 す AlGaN 側 に 存 在 18

19 する 正 のチャージがポテンシャルを 押 し 下 げてコンダクションバンドの 一 部 がフェル ミ 準 位 を 下 回 ることによりここに 2 次 元 電 子 ガスが 蓄 積 するが AlGaN と GaN の 電 子 親 和 力 の 差 から 2 次 元 電 子 ガスの 波 動 関 数 は 主 に GaN 側 に 存 在 し 一 方 で AlGaN へ の 波 動 関 数 のしみだしは 少 量 に 留 まる このため 2 次 元 電 子 ガスは AlGaN による 合 金 散 乱 の 影 響 を 受 けにくく 高 電 子 移 動 度 を 示 す AlGaN 上 への 電 極 形 成 として まず Ohmic 接 触 が 必 要 なソース 電 極 とドレイン 電 極 に は 仕 事 関 数 が 低 い Ti/Al が 用 いられる[15] これら 金 属 は EB 蒸 着 などにより AlGaN 上 に 堆 積 されたあと 650~800 程 度 の RTA (rapid thermal anneal) 処 理 することによ って 低 いコンタクト 抵 抗 が 実 現 される Schottky 接 触 が 必 要 なゲート 電 極 には 障 壁 高 さが 高 く また 窒 化 物 を 形 成 しにくい Ni が 主 に 用 いられる Pt あるいは Pd 等 の 金 属 を 用 いる 場 合 もあるが 特 に Ni は 密 着 性 が 優 れるなどの 理 由 で 広 く 使 われる HEMT の 素 子 間 分 離 にはイオン 注 入 による 高 抵 抗 化 或 いはメサエッチングが 行 われ る GaN は 安 定 した 材 料 なのでウエットエッチングが 極 めて 困 難 であるため メサに よる 素 子 間 分 離 は 主 に ICP (inductively coupled plasma)などのドライエッチングを 用 いる AlGaN/GaN HEMT のトランジスタ 駆 動 はソース-ドレイン 間 に 電 圧 印 可 Vds した 状 態 でゲート 電 極 に 変 調 信 号 Vg を 入 力 することによる 理 想 化 での HEMT のドレイン 電 流 Id は 次 の 式 で 求 められる εε ssμμww gg 2 II dd = VV LL gg (dd+ dd) gg VV tth VV dddd VV dddd 式 (2-3-5) 2 ただしεs は 誘 電 率 μは 移 動 度 Wg はゲート 幅 Lg はゲート 長 d は AlGaN 厚 さ でΔd は AlGaN/GaN 界 面 から 2 次 元 電 子 ガスピーク 位 置 までの 補 正 量 Vth は 閾 値 電 圧 である 後 述 するように AlGaN/GaN HEMT では 結 晶 中 の 点 欠 陥 等 にトラップされたフリーキ 19

20 ャリアが 疑 似 的 にゲートとして 作 用 する いわゆる 電 流 コラプスが 生 じる[16] この 現 象 が 生 じていると Vg が 深 くなるのと 同 様 の 作 用 が 生 じ ドレイン 電 流 が 低 下 する こ ちらの 現 象 の 詳 細 は 第 3 章 以 降 で 述 べる 2-4 GaN on GaN Schottky バリアダイオード 構 造 GaN on GaN Schottky バリアダイオードの 基 礎 的 な 概 念 図 を 図 2-5 に 示 す ウェハ 材 料 としては 導 電 性 GaN 基 板 の 上 にバッファ 層 として 2 μm 程 度 の 高 フリーキャリア 濃 度 n-gan 層 を 形 成 更 にその 上 に 厚 い 低 フリーキャリア 濃 度 の n-gan ドリフト 層 を 形 成 する 基 板 裏 面 に Ohmic 電 極 を 形 成 し また 表 面 側 に Schottky 電 極 を 形 成 してそ の 整 流 動 作 を 利 用 する 動 作 としては Shottky 電 極 を 順 方 向 に V ボルトバイアスした 際 に 次 の 電 流 I がえられる II = II ss eeeeee qqqq nnnnnn 1 式 (2-4-1) ここで q は 電 荷 素 量 n は 理 想 因 子 k はボルツマン 定 数 T は 温 度 であり また Is は 次 の 式 で 求 められる II ss = SSAA TT 2 eeeeee qqφφ BB kkkk 式 (2-4-2) ここで S はダイオードの 面 積 φb はショットキー 障 壁 高 さ A**はリチャードソン 係 数 で 次 の 式 で 表 される ここで m は 電 子 の 有 効 質 量 h はプランク 定 数 である また RON は 次 の 式 で 求 められる RR OOOO = WW DD AA = 4ππππkk2 qq h 3 式 (2-4-3) = 4VV 2 BB qqqqnn DD εεεεee cc 3 式 (2-4-4) このうち WD はドリフト 層 厚 さ q は 電 荷 素 量 μは 移 動 度 ND はキャリア 密 度 ε は 誘 電 率 Ec は 物 質 固 有 の 破 壊 電 界 強 度 で VB は 絶 縁 破 壊 電 圧 であって 次 の 式 で 求 め 20

21 られる VV BB = EE ccww DD 2 式 (2-4-5) 現 在 パワーデバイスの 材 料 として 用 いられている Si 結 晶 と 比 較 して GaN 結 晶 を 使 う メリットは 次 のように 考 えられる 仮 に Si と GaN の 場 合 で 絶 縁 破 壊 電 圧 を 同 じに 設 定 するとする この 場 合 GaN は EC が Si の 10 倍 と 大 きいため 同 じ 絶 縁 破 壊 電 圧 を 得 るためのドリフト 層 の 膜 厚 は 1/10 で 良 い[17] この 絶 縁 破 壊 電 圧 を 同 じに 設 定 した 時 に RON は Si と GaN の 比 較 で 式 (2-4-4)の 通 り 約 1/1000 となる 一 方 でデバイス 形 成 としては 電 界 集 中 を 避 けるため ガードリングを 用 いる 或 いはパッ シベーション 膜 の 誘 電 率 を 下 げるような 検 討 が 行 われている 2-5 MOCVD 成 長 III-V 族 半 導 体 における MOCVD(Metal organic chemical vapour depositon)とは 主 に 加 熱 した 基 板 上 に III 族 原 子 の 原 料 となる 有 機 金 属 および V 族 原 子 の 原 料 となる 水 素 化 物 ガスを 同 時 供 給 し III 族 と V 族 原 子 の 気 層 反 応 ないしは 基 板 上 での 熱 分 解 とマイ グレーションを 経 ての III 族 と V 族 原 子 の 結 合 により III-V 族 半 導 体 のエピタキシャ ル 薄 膜 を 形 成 させる 技 術 である エピタキシャル 成 長 法 としては MOCVD と 並 んで MBE (Molecular Beam epitaxy) 法 が 良 く 知 られる GaN 系 における MOCVD と MBE の 違 いを 表 2-3 に 示 す 最 も 大 きな 差 は MOCVD では 成 長 炉 を 大 気 圧 あるいはこれに 近 い 減 圧 状 態 として 結 晶 成 長 するのに 対 し MBE では 超 高 真 空 を 用 いる 点 にある ま た 成 長 温 度 にも 違 いがあり MOCVD では 1000 付 近 が GaN 成 長 の 最 適 温 度 帯 であ るのに 対 して MBE では 800 程 度 で 成 長 する GaAs 系 では MBE がエピの 量 産 に 用 いられることも 多 いが GaN 系 で MBE が 用 いられることは 少 ない その 理 由 の 一 つは GaN 用 の 基 板 として 最 も 一 般 に 用 いられるサファイア 基 板 上 で MBE 成 長 では III 族 面 成 長 がし 難 く 良 好 なエピタキシャル 結 晶 を 得 るのが 困 難 なためである 一 方 21

22 で MOCVD 法 の 場 合 低 温 堆 積 GaN を 高 温 アニールすることによって 得 られる 緩 衝 層 を 用 いることでサファイア 基 板 上 でも 良 好 なエピタキシャル 結 晶 を 得 ることが 出 来 る [18, 19] GaN が 最 も 広 く 使 用 される 青 色 および 白 色 LED の 量 産 において 全 てのエ ピタキシャル 結 晶 は MOCVD を 用 いている MOCVD での GaN の 基 本 的 な 反 応 式 は 次 のようになる Ga(CH3)3 + NH3 = GaN + 3CH4 式 (2-5-1) しかし 実 際 の MOCVD 炉 内 においては 有 機 金 属 からのメチル 基 の 脱 離 は 段 階 的 に 進 む と 考 えられ また 脱 離 したメチル 基 は 必 ずしも 全 てメタンにはならず 一 部 不 純 物 とし て GaN 中 に 取 り 込 まれる この 過 程 は 反 応 条 件 によって 大 きく 異 なり 反 応 する 基 板 表 面 の 温 度 はもちろんのこと III 族 原 料 と V 族 原 料 の 供 給 比 (V/III 比 )や 成 長 レー ト また 原 料 を 炉 内 に 導 入 するためのキャリアガス 種 (H2/N2)やその 混 合 比 などに 依 存 する 図 2-6 には GaN 用 MOCVD の 簡 易 図 を 示 す 上 流 側 から 説 明 すると 原 料 を MOCVD 炉 に 導 入 するためのキャリアガスとして 水 素 及 び 窒 素 ガスを 用 い これら キャリアガスで 希 釈 する 形 で V 族 原 料 であるアンモニアガス シリコンドープ 用 のモ ノシランガスを 流 す また 平 行 して III 族 原 料 である TMG (tri methyl gallium)と TMA (tri methyl aluminum)を 水 素 でバブリングして 蒸 気 化 させたものをキャリアガスに 混 合 して 最 終 的 にリアクター 内 へと 導 入 する ヘテロエピタキシャル 層 の 成 長 時 は 炉 の 上 流 に 配 置 したマニホールドを 用 いて 各 原 料 の ON/OFF により 層 構 造 の 形 成 を 制 御 す る また 各 層 の 組 成 やドーピング 濃 度 は 各 原 料 ソースに 配 置 したマスフローコントロ ーラーにより 調 整 する リアクター 内 では 基 板 がサセプター 上 に 配 置 され サセプター 裏 面 からヒーターによる 加 熱 を 行 い 原 料 の 分 解 と 反 応 を 促 す またリアクター 上 には 光 学 ポートが 設 けられ レーザーインターフェロメータ( 反 射 率 計 )を 用 いてエピタキシャ ル 層 の 成 長 速 度 やエピタキシャル 最 表 面 のラフネスを 観 察 するとともに 放 射 温 度 計 を 用 いてサセプターの 実 温 度 を 測 定 する リアクターの 下 流 にはフィルターとともに 圧 力 22

23 制 御 装 置 が 配 置 され 各 層 に 求 められる 成 長 速 度 に 応 じてリアクター 内 の 圧 力 を 上 下 さ れるために 用 いられる 2-6 DLTS 測 定 半 導 体 結 晶 中 のトラッピング 準 位 を 測 定 する 強 力 なツールとして DLTS (deep level transient spectroscopy)が 挙 げられる[20, 21] DLTS 測 定 では pn ジャンクションダイ オード 或 いは Schottky バリアダイオード(SBD)に 対 して 温 度 掃 引 しながら 逆 方 向 のバ イアスパルスを 繰 り 返 し 入 力 し 容 量 の 過 渡 応 答 を 測 定 することでトラップの 準 位 を 求 める DLTS 測 定 時 における SBD でのトラップ 準 位 でのキャリアの 放 充 電 過 程 のイメ ージを 図 2-7 に 示 す 深 く 逆 バイアスされた 初 期 の 平 衡 状 態 図 2-7(a)において 半 導 体 内 は 次 の 三 つの 領 域 に 分 けることが 出 来 る イ) 空 乏 層 ロ) λ 領 域 ハ) 中 性 領 域 このうちイ)の 空 乏 層 ではトラップは 空 の 状 態 である ロ)は 空 乏 層 の 一 部 であるが フ ェルミ 準 位 とトラップ 準 位 が 交 差 する 位 置 にあり トラップにはキャリアすなわち 電 子 または 正 孔 が 捕 獲 された 状 態 にある またハ)の 中 性 領 域 でもトラップにはキャリアが 捕 獲 された 状 態 にある この SBD に 順 方 向 でバイアスを 印 可 ( 図 2-7(b))して 平 衡 状 態 に 達 すると 初 期 の 平 衡 状 態 で 空 乏 化 していた 領 域 のトラップにもキャリアが 充 電 さ れる その 次 にまた 深 い 逆 バイアスを 印 可 ( 図 2-7(c))すると 再 度 空 乏 層 が 広 がるた めこの 領 域 からキャリアの 放 電 が 起 きて 図 2-7(a)の 初 期 状 態 に 戻 ろうとするが その 過 程 すなわち 過 渡 応 答 はトラップの 放 出 時 定 数 によって 大 きく 異 なる この 過 渡 応 答 にお いて 空 乏 層 は 徐 々に 減 少 し 接 合 容 量 が 増 加 することから その 容 量 を 測 定 することでト ラップの 放 出 時 定 数 を 求 め また 過 渡 応 答 の 変 化 量 からトラップ 濃 度 が 求 まる これを 23

24 温 度 掃 引 しながら 行 って 時 定 数 の 温 度 依 存 性 を 求 めると トラップの 準 位 と 捕 獲 断 面 積 が 求 まる トラッピング 準 位 算 出 までの 数 式 を 以 下 に 示 す 上 記 図 2-7(c)において 接 合 容 量 は 次 の 式 で 表 される CC(tt) = CC(0) + CC 1 eeeeee tt ττ 式 (2-6-1) ここでΔC は 定 常 状 態 図 (a)の 容 量 と t=0 との 容 量 差 τはキャリア 放 出 の 時 定 数 であ る τは 低 温 では 小 さく 高 温 では 大 きくなるため ある 時 刻 t1 と t2 を 決 めたときに その 容 量 CC(tt 2 ) CC(tt 1 )は 特 定 の 温 度 Tm で 最 大 値 を 取 る この 時 の 時 定 数 τm は 次 の 式 で 表 される ττ mm = tt 2 tt 1 ln tt 2 tt1 式 (2-6-2) τm はトラップの 放 出 係 数 の 逆 数 であり これは SRH (Schockley-Read-Hall) 統 計 から 次 の 式 で 与 えられる 1 ττ mm = σσvv tth NN cc eeeeee EE cc EE tt kktt mm 式 (2-6-3) ここでσはトラップの 捕 獲 断 面 積 Vth はキャリアの 熱 速 度 NC はコンダクションバン ドの 状 態 密 度 EC はコンダクションバンド 下 端 のエネルギー Et がトラップ 準 位 であ る また k はボルツマン 定 数 である 式 (2-6-3)のうち NC と Vth の 温 度 依 存 性 を 考 慮 し てこれを 定 数 Nco Vtho と 書 き 換 えるとτm は 次 式 にようになる ττ mm = 1 σσvv tthoo NN cccc TT mm 2 eeeeee EE cc EE tt kktt mm 式 (2-6-4) 前 述 したとおりτm は 任 意 に 決 めた 時 間 t1 と t2 によって 変 わるため この 時 間 の 取 り 方 を 変 えること 複 数 点 におけるτm と Tm の 関 係 が 求 まる そこでln TT 2 mm ττ mm に 対 して 1/Tm をプロットすると その 直 線 の 傾 きから(EC-Et) すなわちトラップ 準 位 Et が 求 まり また 切 片 からトラップの 捕 獲 断 面 積 σを 求 めることができる なおトラッピング 準 位 の 濃 度 Nt は 仮 に C(0)>>ΔC の 時 次 の 式 で 求 めることが 出 来 る 24

25 ただし ND は 浅 いドナー 準 位 である NN tt = 2 CC CC(0) NN DD 式 (2-6-4) 2-7 第 2 章 の 参 考 文 献 [1] Shuji Nakamura, Masayuki Senoh, Naruhito Iwasa and Shin-ichi Nagahama, High-Brightness InGaN Blue, Green and Yellow Light-Emitting Diodes with Quantum Well Structures, Jpn, J. App. Phys, Vol.34, ppl797 (1995) [2] Shuji Nakamura, Takashi Mukai and Masayuki Senoh, Candela class highbrightness InGaN/AlGaN double heterostructure blue light emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994) [3] Isamu Akasaki and Hiroshi Amano Crystal Growth and Conductivity Control of Group III Nitride Semiconductors and Their Application to Short Wavelength Light Emitters Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994) [4] M. Asif Khan, J. N. Kuznia, D. T. Olson, W. J. Schaff, J. W. Burm and M. S. Shur, Microwave performance of a 0.25 μm gate AlGaN/GaN heterostructure field effect transistor Appl. Phys. Lett. 65, 1121 (1994) [5] Takashi Matsuoka, Hiroshi Okamoto, Masashi Nakao, Hiroshi Harima and Eiji Kurimoto, Optical bandgap energy of wurtzite InN Appl. Phys. Lett. 81, 1246 (2002) [6] T. Matsuoka, "Mysterious Material InN in Nitride Semiconductors, - What's the bandgap energy and its application?", The 2007 IEEE Intern. Conf. Indium Phosphide and Related Mat. (IPRM) Proceedings, pp (2008) [7] H. Morkoc, Handbook of nitride semiconductors and devices, (Wiley) vol.3, p376 (2009) 25

26 [8] H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda, Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986) [9] C. F. Lin1, H. C. Cheng1, G. C. Chi2, M. S. Feng3, J. D. Guo3, J. Minghuang Hong4 and C. Y. Chen4, Growth and characterizations of GaN on SiC substrates with buffer layers, J. Appl. Phys. 82, 2378 (1997) [10] Y. Oshima, T. Eri, M. Shibata, H. Sunakawa1, K. Kobayashi, T. Ichihashi, and A. Usui, Preparation of Freestanding GaN Wafers by Hydride Vapor Phase Epitaxy with Void-Assisted Separation, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L1 (2003) [11] Y. Oshima, T. Suzuki, T. Eri, Y. Kawaguchi, K. Watanabe, M. Shibata, and T. Mishima, Thermal and optical properties of bulk GaN crystals fabricated through hydride vapor phase epitaxy with void-assisted separation J. Appl. Phys. 98, ( 2005) [12] T. Yoshida, Y. Oshima, T. Eri, K. Ikeda, S. Yamamoto, K. Watanabe, M. Shibata, and T. Mishima, Fabrication of 3-in GaN substrates by hydride vapor phase epitaxy using void-assisted separation method, J. Cryst. Growth 310, 5 (2008) [13] T. Kikkawa, M. Nagahara, N. Okamoto, Y. Tateno,Y. Yamaguchi, N. Hara, K. Joshin, P. M. Asbeck, Surface-charge controlled AlGaN/GaN-power HFET without current collapse and gm dispersion, International Electron Devices Meeting, IEDM '01. Technical Digest, Page(s): (2001) [14] J. P. Ibbetson, P. T. Fini, K. D. Ness, S. P. DenBaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra, Polarization effect, surface state, and the source of electrons in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors, Appl. Phys. Lett., vol.77, p.250 (2000) 26

27 [15] B. P. Luther, S. E. Mohney, T. N. Jackson, M. Asif Khan, Q. Chen, and J. W. Yang, Investigation of the mechanism for Ohmic contact formation in Al and Ti/Al contacts to n-type GaN, Appl. Phys. Lett. 70 (1), 6 January (1997) [16] P. B. Klein, S. C. Birari, K. Ikossi, A. E. Wichenden, D. D. Koleske, and R. L. Henry, Current collapse and the role of carbon in AlGaN/GaN high electron mobility transistors grown by metalorganic vapor-phase epitaxy Appl. Phys. Lett. 79, 3527 (2001) [17] A. M. Ozbek and B. J. Baliga Planar Nearly Ideal Edge-Termination Technique for GaN Devices : IEEE Electron Device Lett. 32 (2011) 300 [18] K. Hiramatsu, S. Itoh, H. Amano, I. Akasaki, N. Kuwano, T. Shiraishi and K. Oki, Growth mechanism of GaN grown on sapphire with A1N buffer layer by MOVPE, J. Cryst. Growth 115, 628 (1991) [19] S. Nakamura, "GaN Growth Using GaN Buffer Layer," Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991) [20] D. V. Lang, Deep level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors J. Appl. Phys. 45, 3023 (1974) [21] Yutaka Tokuda, Nobuyuki Shimizu1 and Akira Usami1, Studies of Neutron-Produced Defects in Silicon by Deep-Level Transient Spectroscopy, Japan. J. Appl. Phys. 18, 309 (1979) [22] Y. Tokudaa, Y. Matsuokaa, H. Uedab, O. Ishigurob, N. Soejimab, T. Kachib, DLTS study of n-type GaN grown by MOCVD on GaN substrates, Superlattices and Microstructures, Volume 40, Issues 4 6, October December 2006, Pages (2006) 27

28 表 2-1 主 な 半 導 体 結 晶 における 物 性 値 Si GaAs InP SiC(4H) GaN(ZB) Diamond バンドギャップ [ev] 密 度 [g/cm 3 ] 比 誘 電 率 [-] 熱 伝 導 率 [W/cmK] 絶 縁 破 壊 電 界 ~10.0 [MV/cm] 電 子 移 動 度 * * 2200 [cm 2 /Vs] 正 孔 移 動 度 [cm 2 /Vs] 飽 和 電 子 速 度 [cm/s] *GaAs と GaN の 電 子 移 動 度 は HEMT 構 造 で 2 次 元 電 子 ガスが 形 成 された 場 合 の 値 28

29 表 2-2 GaN および AlN の 物 性 値 GaN AlN 格 子 定 数 a[a ] 自 発 分 極 Psp[C/m 2 ] 圧 電 係 数 e33[c/m 2 ] 圧 電 係 数 e31[c/m 2 ] 弾 性 定 数 C33[GPa] 弾 性 定 数 C31[GPa] 表 2-3 GaN 成 長 における MOCVD と MBE の 比 較 MOCVD MBE 成 長 圧 力 [Torr] 100~ 常 圧 超 高 真 空 成 長 温 度 [ ] 1, ガリウム 原 料 有 機 金 属 (TMG) Ga 窒 素 原 料 NH3 N2 (RF プラズマ) 成 長 極 性 Ga 面 N 面 29

30 図 2-1 GaN(ウルツ 鉱 型 )の 原 子 配 列 AlN バンドギャップ (ev) GaN AlP GaP AlAs InN GaAs Si InP InAs 格 子 定 数 * (A ) 図 2-2 各 半 導 体 材 料 の 格 子 定 数 *およびバンドギャップ (*N 系 材 料 では a 軸 の 格 子 定 数 ) 30

31 図 2-3 AlGaN/GaN HEMT エピタキシャルウェハの 基 本 構 造 31

32 図 2-4 AlGaN/GaN HEMT バンドダイヤグラム 模 式 図 32

33 図 2-5 GaN ongan SBD エピタキシャルウェハの 基 本 構 造 図 2-6 GaN 用 MOCVD 装 置 概 念 図 33

34 (a) (b) (c) 図 2-7 DLTS 測 定 時 の SBD でのトラップ 準 位 からのキャリアの 放 充 電 過 程 34

35 第 3 章 炭 素 ドープ AlGaN/GaN HEMT on SiC 3-1 はじめに AlGaN/GaN 系 の HEMT はその 優 れた 特 性 により 既 存 の Si あるいは GaAs ベース の 高 周 波 デバイスの 一 部 を 置 き 換 えつつある[1-3] 炭 素 ドープされた GaN 層 は AlGaN/GaN HEMT 構 造 中 において 高 抵 抗 バッファとして 機 能 し トランジスタの 基 本 的 な 動 作 であるピンチオフ 特 性 や 素 子 分 離 デバイス 耐 圧 などに 影 響 する 重 要 な 構 成 要 素 となっている[4-6] 本 章 ではドーピングされた 炭 素 の GaN 中 での 挙 動 を 評 価 す るとともに ピンチオフ 特 性 と 電 流 コラプス 抑 制 を 両 立 させた 炭 素 ドープエピタキシャ ル 構 造 の 例 について 述 べる 炭 素 ドープされた GaN におけるトラップ 形 成 のメカニズムについては 広 く 調 査 され ている[7] しかしながら GaN 系 のエピタキシャル 結 晶 は 主 にサファイア 等 の 異 種 基 板 上 に 成 長 されていることに 関 連 し 格 子 定 数 不 整 合 や 不 純 物 点 欠 陥 転 位 などの 線 欠 陥 等 ヘテロエピタキシャル 成 長 で 典 型 的 に 生 じるトラップと 純 粋 に 炭 素 のみに 起 因 するトラップを 切 り 分 けることが 複 雑 であるという 問 題 があった 更 に 複 雑 な 点 として は 上 記 した 転 位 などの 欠 陥 生 成 を 抑 制 する 試 みの 中 で MOCVD 成 長 に 関 わる 各 種 成 長 パラメーター すなわちエピタキシャル 成 長 温 度 あるいは 原 料 の V/III 比 を 最 適 化 することがあり これが 自 動 的 に 不 純 物 濃 度 を 変 えることにも 繋 がっていた[8, 9] こ のため 個 別 に 得 られた 結 果 を 関 連 付 け 統 合 して 網 羅 的 な 結 果 を 導 き 出 すのは 困 難 であ った 本 章 では 一 貫 した 条 件 のもとで 形 成 した GaN エピタキシャル 層 における 炭 素 ド ープの 影 響 を さまざまな 観 点 から 評 価 した 結 果 について 述 べる 特 に 本 研 究 を 通 した 特 徴 として 比 較 的 低 濃 度 での 炭 素 ドープがあたえる 影 響 が 興 味 の 対 象 であり まずは n-gan 単 層 の SBD 特 性 および DLTS 特 性 [10] フォトキャパシタンス 特 性 [11]につ いて 述 べる この DLTS とフォトキャパシタンスの 組 み 合 わせにより ワイドバンド 35

36 ギャップである GaN のエネルギー 準 位 の 範 囲 をほぼカバーして 網 羅 的 なトラッピン グ 準 位 の 解 析 ができる また 別 なサンプルとして 異 なる 炭 素 ドーピング 濃 度 を 有 する AlGaN/GaN HEMT エピタキシャルウェハを 用 い HEMT 動 作 の 評 価 も 行 った この サンプルにおいて 電 流 コラプスの 評 価 を 行 い 低 い 濃 度 での 炭 素 ドーピングとの 相 関 を 評 価 する 最 後 に 炭 素 に 関 連 した 準 位 の 位 置 づけと 総 合 的 なデバイス 特 性 との 相 関 をまとめる 3-2 低 濃 度 炭 素 ドープ GaN の 電 気 特 性 GaN エピタキシャル 層 構 造 本 研 究 に 用 いるサンプル 構 造 を 図 3-1 に 示 す 図 3(a)と(b)はシリコンがドーピングさ れた n-gan 層 である どちらのサンプルでもフリーキャリア 濃 度 は cm -3 と 同 一 になるよう 事 前 の C-V 測 定 を 用 いたキャリブレーションにより 調 整 されている 一 方 で 炭 素 ドーピング 濃 度 が 異 なるよう 事 前 の SIMS 分 析 を 用 いたキャリブレーショ ンにより 調 整 されている 高 い 炭 素 濃 度 (HC)は cm -3 程 度 低 い 方 の 炭 素 濃 度 (LC)は cm -3 程 度 である 図 (c)と(d)は AlGaN/GaN HEMT 構 造 を 示 す どちら も AlGaN 層 を 最 上 面 に 有 しており 歪 んだ AlGaN 内 部 に 生 じるピエゾ 効 果 によって AlGaN/GaN のヘテロ 界 面 に 二 次 元 電 子 ガスが 生 じる 構 造 (c)では 単 層 の 炭 素 ドープ GaN がバッファ 兼 チャネルとして 用 いられる 一 方 で 構 造 (d)では GaN 層 は 選 択 ドー プされた 構 造 すなわち 炭 素 ドープされたバッファ 層 とアンドープのチャネル 層 からな る GaN エピタキシャル 成 長 検 討 に 用 いる 4 サンプルは 全 て MOCVD 法 によりエピタキシャル 成 長 した 基 板 には 半 絶 縁 でありポリタイプが 4H である 単 結 晶 SiC 基 板 を 用 いた エピタキシャル 成 長 は ヘテロ 界 面 を 平 坦 化 する 目 的 で まず AlN を SiC のシリコン 面 に 形 成 することから 始 36

37 めた 次 いで GaN 層 を 成 長 し 構 造 (c)と(d)では 最 後 に AlGaN 層 を 形 成 した 上 記 し たように 構 造 (a)と(b)のフリーキャリア 濃 度 すなわちシリコンドーピング 濃 度 は C-V 測 定 でキャリブレーションを 行 い また 全 てのサンプルにおける 炭 素 ドーピング 濃 度 は SIMS 測 定 でキャリブレーションを 行 った MOCVD の 原 料 としてはアンモニア TMG TMA およびモノシランを 用 いた エピタキシャル 層 の 簡 易 評 価 として 非 接 触 法 に よるシート 抵 抗 評 価 および 電 子 移 動 度 の 測 定 を 行 った この 結 果 を 表 3-1 に 示 す 電 極 形 成 と 測 定 評 価 用 デバイスの 作 成 は 次 のような 順 番 で 行 った まず Ohmic 電 極 用 にレジストを 現 像 したうえで 厚 さ 200 nm のチタンおよび 厚 さ 100 nm のアルミを 蒸 着 した ウェハ を RTA(Rapid Thermal Annealig) 処 理 し Ohmic 電 極 を 形 成 した 次 に Schottky 電 極 としてニッケルを 蒸 着 した なお 本 検 討 では SiN 等 による 表 面 のパッシベーション は 行 わなかった 構 造 (a)と(b)に 対 しては Schottky 電 極 の I-V 測 定 を 行 った 順 バイアス 側 には+2 V ま で 逆 バイアス 側 には-60 V まで 印 可 し Schottky バリア 高 さφB を 算 出 した 同 じく 構 造 (a)と(b)に 対 しては DLTS 測 定 を 実 施 した パルス 幅 は 10 msec とし 温 度 領 域 80 K から 420 K でのスペクトルを 測 定 した この 測 定 レンジではおよそ 1.0 ev までの 比 較 的 浅 い 準 位 のトラップが 観 察 された また 深 い 準 位 のトラップを 観 察 するため やは り 構 造 (a)と(b)に 対 して フォトキャパシタンス 測 定 も 実 施 した この 測 定 により 1.2 ev から 最 大 4.6 ev というバンド 幅 を 超 える 領 域 までのトラッピング 準 位 の 測 定 を 行 った 構 造 (c)と(d)に 対 しては 三 端 子 による DC および AC それぞれの 条 件 下 におけるドレイ ン 電 流 を 測 定 し ピンチオフ 特 性 及 び 電 流 コラプスの 発 生 状 況 を 確 認 した 37

38 3-3 測 定 結 果 Schottky I-V 図 3-2 に 炭 素 ドープ n-gan に 対 する Ni/Au のショットキーI-V 特 性 を 示 す 概 要 とし ては 構 造 (a)の HC サンプル (b)の LC サンプルとも 同 じような 挙 動 となった 逆 方 向 電 流 は A/cm 2 からスタートし 印 可 電 圧 増 加 とともにリーク 量 が 増 える 傾 向 であり LC サンプルで 若 干 リーク 電 流 が 高 いものの 全 体 的 にはほぼ 同 じ I-V 特 性 をト レースした 順 方 向 電 流 についても 同 様 で LC サンプルと HC サンプルに 明 確 な 差 は 見 られなかった ダイオードの 理 想 因 子 (Ideality Factor)はどちらも n=1 また 障 壁 高 さφB は ev となった これらの 結 果 から 炭 素 ドープは 少 なくとも GaN の 表 面 準 位 あるいは Schottky 界 面 の 挙 動 には 殆 ど 影 響 が 無 いと 考 えられる[12] HEMT デバイスの 挙 動 図 3-3 には AlGaN/GaN HEMT 構 造 (c)と(d)の DC および AC 駆 動 時 における 出 力 特 性 を 示 す 両 構 造 とも ゲート 電 圧 -3 V 以 下 において 良 好 なピンチオフ 特 性 を 示 した この 現 象 は GaN 中 のドレインリーク 源 はどこが 主 であるのかを 示 唆 している すな わち ドレインリーク 源 になる GaN バッファ 中 のフリーキャリアは 必 ずしも GaN 全 体 ではなく エピと 基 板 界 面 付 近 に 存 在 する ドーピングした 炭 素 はフリーキャリアを 補 償 し GaN を 高 抵 抗 化 して HEMT のピンチオフを 可 能 にする 今 回 GaN への 炭 素 ド ープを 一 部 に 留 めた 変 調 ドープ 構 造 でも HEMT をピンチオフさせることが 出 来 たこと から 主 なドレインリーク 源 はバルクの LC GaN 部 分 に 存 在 するのではなく エピと 基 板 界 面 付 近 にあると 示 唆 される このためエピと 基 板 界 面 付 近 の GaN 層 にのみ 炭 素 ドープすることでドレインリーク 源 となる 主 なフリーキャリアはほぼ 補 償 され 良 好 な ピンチオフ 性 能 が 得 られたと 言 える 一 方 で 図 に 見 られるとおり 炭 素 ドープチャネル 構 造 の HC サンプルにおいては 大 きな 電 流 コラプスが 観 察 される 具 体 的 には AC 駆 動 させたときのドレイン 電 流 が DC 駆 動 時 と 比 較 して 30 % 以 上 も 低 下 している 一 方 38

39 で 選 択 的 炭 素 ドープ 構 造 を 行 ったサンプル(d)においては AC 駆 動 時 に 若 干 の ON 抵 抗 増 加 が 観 察 されるものの 各 ゲート 電 圧 水 準 におけるドレイン 電 流 には 殆 ど 変 化 が 見 ら れない この 炭 素 ドープチャネル 構 造 における 電 流 コラプスは 次 のように 理 解 できる すなわち 同 構 造 では AC 動 作 時 に GaN 中 に 存 在 するトラップ 準 位 が 電 子 を 捕 獲 する この 電 子 は 負 の 電 界 を 形 成 し 疑 似 的 にゲートのような 効 果 を 生 じる(バーチャルゲー ト) このためチャネル 内 への 電 子 への 流 入 が 制 約 され ドレイン 電 流 の 低 下 がおこる 一 方 で 上 記 した 通 り チャネルに LC を 有 する 変 調 ドープ 構 造 ではそのようなドレイン 電 流 の 低 下 が 起 こらない このことから 炭 素 変 調 ドープ 構 造 は 良 好 なピンチオフ 特 性 を 維 持 しつつ 電 流 コラプスの 抑 止 も 可 能 とする HEMT 用 として 好 適 なバッファ 構 造 で あることが 判 る DLTS 測 定 図 3-4 は HC サンプルである 構 造 (a)および LC サンプルである 構 造 (b)に 対 して それ ぞれ DLTS 測 定 を 実 施 した 結 果 である 両 サンプルで 観 察 される 各 ピークのうち 最 も 強 い 信 号 は LC すなわち 炭 素 濃 度 が 低 いサンプルの 方 で 観 察 される E3 の 電 子 トラッ プである LC サンプルで 主 に 観 察 されるこの E3 トラップは-0.61 ev の 準 位 に 相 当 し アンチサイトの 点 欠 陥 すなわち NGa であるとされる 一 方 で HC サンプルではこの 点 欠 陥 起 因 のピークは 微 小 にしか 観 察 されず E2 トラップが 支 配 的 となる この E2 トラ ップが 明 らかに 炭 素 起 因 である より 詳 しくは E2 はコンダクションバンドから-0.40 ev の 準 位 に 相 当 するガリウムサイト 炭 素 CGa である 低 欠 陥 濃 度 であるはずの LC サ ンプルで 最 大 強 度 の E3 ピークが 観 察 されるのは 矛 盾 のように 思 われるが この 現 象 は 次 のように 解 釈 されている すなわち E3 ピーク 源 となる NGa は 元 々HC サンプルにも 高 濃 度 で 存 在 していたと 想 定 される しかし 一 方 でカーボンとの 相 互 作 用 により この NGa 欠 陥 は VGa と Ni の 複 合 欠 陥 に 変 わるが[16] こ の VGaNi 複 合 欠 陥 は 電 子 トラップに 39

40 ならない このため HC サンプルでは E3 ピークが 殆 ど 観 察 されず 炭 素 起 因 の E2 が メインとなる 別 途 MCTS[13,14]で 測 定 されたホールトラップを 含 めて 得 られたトラ ップの 密 度 を 表 3-2 に 示 す[15] 電 子 トラップ 密 度 のトータルは HC LC で 大 きく 変 わらず なおかつその 密 度 レベルは cm -3 乗 台 と 非 常 に 低 い このような 低 濃 度 のトラップの 存 在 のみでは 項 で 見 られる 大 きなカレントコラプス 現 象 を 説 明 する ことは 困 難 である フォトキャパシタンス 測 定 図 3-5 には HC および LC サンプルのフォトキャパシタンススペクトルを 示 す 両 サン プルとも 1.5 ev 以 下 の 比 較 的 低 いエネルギー 領 域 では 目 立 った 光 応 答 は 観 察 されない しかしながら 1.6 ev の 領 域 を 境 に HC サンプルにおいて 光 応 答 信 号 が 観 察 され HC サンプルと LC サンプルの 差 が 明 確 となった また 2.4 ev あるいはそれよりも 低 い 準 位 付 近 から 強 い 信 号 が 両 サンプルから 検 出 された これらの 光 応 答 信 号 は GaN 中 における 非 常 に 深 い 準 位 の 存 在 を 示 す また 準 位 の 密 度 を 示 す C/C0 は 10-1 に 達 した このことはトラップから 放 出 されるフリーキャリアの 大 部 分 が この 非 常 に 深 いトラッ プ 準 位 に 起 因 していることを 示 す このエネルギー 準 位 は Klein らによる 報 告 値 2.85 ev[17]の Photo Ionization Specroscopy 法 による 分 析 結 果 に 近 い これらの 結 果 から GaN 中 の 炭 素 は 非 常 に 深 い 準 位 と 強 い 相 関 があることが 判 る 3-4 ディスカッション ドーピングされる 炭 素 濃 度 が cm -3 と 比 較 的 低 い 水 準 であるならば 炭 素 が GaN 表 面 の 準 位 に 与 える 影 響 は 無 視 できるレベルであると 考 えられる これは 図 3-2 に 示 す Schottky I-V の 挙 動 からの 推 測 である またこのため 図 3-3 に 示 すようなカレントコ ラプスの 有 無 は GaN のチャネルおよびバッファ 成 分 に 起 因 すると 判 断 することがで 40

41 きる AlGaN/GaN HEMT エピタキシャル 構 造 において 炭 素 分 布 に 変 調 を 持 たせることは 池 田 [18]らにより 報 告 されている この 変 調 ドープ 構 造 の 利 点 は 高 い 炭 素 濃 度 ドープ 層 をエピ/ 基 板 界 面 に 導 入 することによって 良 好 なピンチオフ 特 性 および 高 い 耐 圧 を 得 ると 同 時 に 低 い 炭 素 濃 度 層 をチャネル 付 近 に 導 入 することで 低 オン 抵 抗 を 確 保 する ことであり 同 文 献 においては cm -3 から cm -3 の 範 囲 で 炭 素 濃 度 が 変 調 されている 一 方 で 本 研 究 においては 1 桁 以 上 低 い 炭 素 濃 度 すなわち cm -3 から cm -3 の 範 囲 でチャネル 中 の 炭 素 濃 度 を 変 調 し 高 炭 素 および 低 炭 素 領 域 での 違 いを 観 察 した この 範 囲 においてもサンプル 間 で 非 常 に 大 きい 特 性 差 が 観 察 された このことは 例 え 上 限 cm -3 までという 比 較 的 低 い 炭 素 濃 度 領 域 の 違 いであっても 炭 素 によ る 電 子 トラッピング 挙 動 は 有 為 な 影 響 を 受 け AlGaN/GaN HEMT デバイスの 動 作 挙 動 を 大 きく 左 右 することを 示 す AlGaN/GaN HEMT における 電 子 トラッピング 等 の 過 渡 応 答 は DLTS で 観 察 される HC GaN 中 の 欠 陥 準 位 と 関 連 付 けできると 思 われる しかし 一 方 で 表 に 示 す 通 り 実 際 に 観 察 される 浅 い 準 位 は cm -3 程 度 であり これは cm -3 である HC GaN 中 のわずか 2% 程 度 に 過 ぎない またこれら 浅 い 準 位 をシート 濃 度 に 換 算 しても cm -2 程 度 である これは AlGaN/GaN HEMT の 二 次 元 電 子 ガス 濃 度 が cm -2 であることを 考 えても 相 当 に 低 い これらの 要 因 を 考 慮 にいれると DLTS で 観 察 されるレベルの 比 較 的 浅 い 電 子 トラップ 準 位 は HEMT のカレントコラプスに 与 えるイ ンパクトは 小 さいと 考 えられる すなわち 図 3-3 に 観 察 されるような 大 きなカレント コラプスは GaN 中 のより 深 い 準 位 に 起 因 すると 考 えるべきであろう もちろん 文 献 に 見 られるように より 時 定 数 が 短 い 領 域 において このような 浅 い 電 子 トラップが RF の 過 渡 応 答 に 影 響 を 与 える 可 能 性 を 否 定 するものではない[19] 41

42 HC サンプルに 対 するフォトキャパシタンス 測 定 では 1.6 ev および 2.4 ev 或 いはこ れよりも 若 干 低 めのエネルギーで 信 号 が 観 察 された このうち 特 に 2.4 ev の 準 位 は MCTS で 観 察 されるバレンスバンド 近 傍 Ev+0.86 ev の 正 孔 トラップに 近 い しかしそ の 濃 度 は cm -3 であり フォトキャパシタンスから 想 定 されるものより 一 ケタ 近 く 低 い また 観 測 されるフォトキャパシタンスと MCTS で 観 測 される 準 位 間 には 0.1 ev 以 上 の 差 は 存 在 する このため 同 2.4 ev の 準 位 は 正 孔 トラップからは 独 立 したもの であって MCTS で 検 出 されない Ev 近 傍 からの 何 らかの 間 接 的 な 準 位 に 起 因 するも のと 思 われる[20] フォトキャパシタンス 測 定 において デバイスは 最 初 に 順 方 向 側 に バイアスされ この 結 果 として 欠 陥 は 電 子 でチャージされる 2.4 ev 付 近 におけるこの キャパシタンス 信 号 は これらの 電 子 がトラップから 脱 離 してコンダクションバンド 側 に 抜 けたものであると 言 える このためこの 2.4 ev の 準 位 は 非 常 に 深 いトラップであ り 上 記 のとおりバレンスバンド 近 傍 のアクセプタータイプ 欠 陥 であると 考 えられる HC サンプルにおいて 1.6 ev と 2.4 ev で 観 察 されるフォトコンダクタンス 信 号 は HEMT 構 造 におけるカレントコラプスと 正 の 相 関 があるといえる 詳 細 な 計 算 は 本 章 の 目 的 ではないが ΔC/Co が HC サンプルにドープされた cm -3 の 20%にも 相 当 することから これらは 1.6 ev と 2.4 ev のトラップと 関 連 付 けられる また 比 較 的 浅 い 欠 陥 である E2 と H1 トラップには 全 体 の 炭 素 量 のうち 約 2%が 関 連 付 けられる 一 方 でドーピングされた 炭 素 のうち 80% 近 くは 依 然 として 直 接 観 察 されるトラップと 関 連 付 けることが 出 来 ず これらの 解 明 は 今 後 の 課 題 となる 3-5 まとめ 本 章 においては GaN に 比 較 的 低 濃 度 で 炭 素 がドーピングされた 場 合 において 炭 素 が デバイスの 特 性 に 与 える 影 響 をさまざまな 観 点 から 評 価 した n-gan における 炭 素 ド ープは 少 なくとも GaN 表 面 の Schottky I-V 特 性 には 明 確 な 差 異 をもたらさなかった 42

43 一 方 で AlGaN/GaN 構 造 を 用 いたデバイスの HEMT 動 作 においては チャネルに 炭 素 ドープされたサンプルで 大 きい 電 流 コラプスが 観 察 された また 同 時 に 炭 素 変 調 ドープ 構 造 において 良 好 なピンチオフ 特 性 と 電 流 コラプスの 低 減 が 観 察 され 同 構 造 が HEMT 用 のバッファとして 好 適 であることを 明 らかに 出 来 た n-gan エピ 層 に 対 する DLTS 法 による 浅 い 欠 陥 準 位 の 測 定 では 炭 素 ドープに 対 して 正 負 両 方 の 相 関 がみられ たが トータルとして 考 えると 絶 対 的 な 浅 い 欠 陥 準 位 の 総 数 は 炭 素 ドープに 大 きく 依 存 するものではなかった フォトキャパシタンス 法 によれば 1.6 ev と 2.4 ev にカーボン に 関 連 する 深 い 欠 陥 準 位 が 観 察 された DLTS とフォトキャパシタンスにより GaN バンドギャップの 大 部 分 をカバーする 範 囲 で 欠 陥 準 位 の 評 価 を 行 った AlGaN/GaN HEMT 動 作 での 大 きなカレントコラプス 有 無 の 差 は 炭 素 起 因 の 深 い 方 の 欠 陥 準 位 に 関 連 付 けできることを 明 らかとし cm -3 という 比 較 的 低 いレベルでドープした 場 合 の 炭 素 の 挙 動 の 約 20%までを 定 義 することが 出 来 た 3-6 第 3 章 の 参 考 文 献 [1] S.C. Binari, K. Ikossi, J.A. Roussos, W. Kruppa, D. Park, H.B. Dietrich, D.D. Koleske, Alma E. Wickenden, R.L. Henry, Trapping effects and microwave power performance in AlGaN/GaN HEMTs, IEEE Trans. Electron Devices 48 (3) 465, (2001) [2] C. Poblenz, P. Waltereit, S. Rajan, U.K. Mishra, J.S. Speck, Effect of carbon doping on buffer leakage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors, J. Vac. Sci. Technol. B 22, 1145 (2004) [3] T. Kikkawa, K. Makiyama, T. Ohki, M. Kanamura, K. Imanishi, N. Hara, K. Joshin, High performance and high reliability AlGaN/GaN HEMTs, Phys. Status Solidi A 206, 1135 (2009) 43

44 [4] C.H. Seager, A.F. Wright, J. Yu, W. Goetz, Role of carbon in GaN, J. Appl. Phys. 92, 6553 (2002) [5] T. Tanaka, Y. Moriya, M. Sahara, T. Yukimoto, H. Kamogawa, Y. Otoki, T. Mishima, Leak current in high resistive GaN buffer layer and its light responsiveness, Phys. Status Solidi C 4 (7), 2585 (2007) [6] Z.Q. Fang, B. Claflin, D.C. Look, D.S. Green, R. Vetury, Deep traps in AlGaN/GaN heterostructures studied by deep level transient spectroscopy: Effect of carbon concentration in GaN buffer layers, J. Appl. Phys. 108, (2010) [7] A.F. Wright, Substitutional and interstitial carbon in wurtzite GaN, J. Appl. Phys. 92, 2575 (2002) [8] P. B. Klein, S. C. Birari, K. Ikossi, A. E. Wichenden, D. D. Koleske, and R. L. Henry, Current collapse and the role of carbon in AlGaN/GaN high electron mobility transistors grown by metalorganic vapor-phase epitaxy Appl. Phys. Lett. 79, 3527 (2001) [9] A.E.Wickenden, D.D. Koleske, R.L. Henry,M.E. Twigg, M. Fatemi, Resistivity control in unintentionally doped GaN films grown by MOCVD, J. Cryst. Growth 260, 54 (2004) [10] P. Blood, J.W. Orton, The Electrical Characterization of Semiconductors: Majority Carriers and Electron States, Academic Press, San Diego, (1992) [11] S. M. SZe, K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, JohnWiley & Sons, New Jersey, (2006) [12] D. Kikuta, J.O. Ao, Y. Ohno, Evaluation of Surface States of AlGaN/GaN HFET Using Open-Gated Structure, IEICE Trans. Electron. E88-C (4), 683 (2005) 44

45 [13] B. Hamilton, A.R. Peaker, D.R. Wight, Deep state controlled minoritycarrier lifetime in n type gallium phosphide, J. Appl. Phys. 50, 6373 (1979) [14] C.H. Seager, A.F. Wright, J. Yu, W. Gotz, Role of carbon in GaN, J. Appl. Phys. 92, 6553 (2002) [15] U. Honda, Y. Yamada, Y. Tokuda, K. Shiojima, Deep levels in n-gan Doped with Carbon Studied by Deep Level and Minority Carrier Transient Spectroscopies, Jpn. J. Appl. Phys. 51, 04DF04 (2012) [16] T. Mattila, A.P. Seitsonen, R.M. Nieminen, Large atomic displacements associated with the nitrogen antisite in GaN, Phys. Rev. B 54, 1474 (1996) [17] P.B. Klein, S.C. Binari, J.A. Freitas, A.E. Wickenden, Photoionization spectroscopy of traps in GaN metal-semiconductor field-effect transistors, J. Appl. Phys. 88, 2843 (2000) [18] N. Ikeda, S. Kaya, T. Kokawa, S. Kato, Phys. Vb/Ron improvement and current collapse suppression for high power AlGaN/GaN HFETs on Si substrates, Status Solidi C 8 (7 8), 2404 (2011) [19] A.R. Arehart, A. Sasikumar, S. Rajan, G.D. Via, B. Poling, B.Winningham, E.R. Heller, D. Brown, Y. Pei, F. Recht, U.K. Mishra, S.A. Ringel, Direct observation of 0.57 ev trap-related RF output power reduction in AlGaN/GaN high electron mobility transistors, Solid-State Electron. 80, 19 (2013) [20] A. Armstrong, A.R. Arehart, D. Green, U.K.Mishra, J.S. Speck, S.A. Ringel, Impact of deep levels on the electrical conductivity and luminescence of gallium nitride codoped with carbon and silicon, J. Appl. Phys. 98, (2005) 45

46 表 3-1 AlGaN/GaN HEMT エピの 電 気 特 性 シート 抵 抗 [ohm/sq.] 移 動 度 [cm 2 /Vs] 2 次 元 電 子 ガス [/cm 2 ] 構 造 図 3-1(c) , 構 造 図 3-1(d) , 表 3-2 炭 素 ドープ n-gan 中 のトラップ 準 位 トラップ エネルギー 準 位 トラップ 密 度 [cm -3 ] [ev] HC LC E2 Ec E3 Ec H1 Ev

47 図 3-1 炭 素 ドープ GaN サンプル 構 造 図 3-2 炭 素 ドープ n-gan 上 Ni/Au Schottky 電 極 の 逆 方 向 (a)および (b) 順 方 向 I-V 特 性 47

48 図 3-3 AlGaN/GaN HEMT の 出 力 特 性 DC 時 はオレンジ 色 AC 時 は 緑 色 で 示 す (a)は 炭 素 ドープチャネル (b)は 炭 素 変 調 ドープ 構 造 の 出 力 をそれぞれ 示 す 図 3-4 炭 素 ドープ n-gan の DLTS 信 号 48

49 図 3-5 炭 素 ドープ n-gan のフォトキャパシタンス 信 号 49

50 第 4 章 AlGaN/GaN HEMT デバイス 実 証 例 に 関 する 報 告 4-1 はじめに 第 3 章 では 炭 素 ドープの 高 抵 抗 バッファに 深 い 準 位 があることが 示 唆 された また 炭 素 変 調 ドープ 構 造 によって 電 流 コラプスを 抑 制 できることも 示 した 本 章 ではまず 高 周 波 デバイス 用 の AlGaN/GaN HEMT[1-4]において 炭 素 ドープした 構 造 をとしてもち いた 場 合 の 実 証 例 を 示 す 特 に E-mode トランジスタでの 動 作 例 を 示 す[5-7] また HEMT デバイスにおけるバッファリークの 光 応 答 を 検 討 し 低 エネルギーの 光 照 射 で 励 起 されるフリーキャリアが GaN バンドギャップ 中 のトラップ 準 位 に 捕 獲 され 疑 似 的 にコラプス 状 態 を 引 き 起 こすメカニズムを 明 らかする 4-2 リセスゲートによる E-mode AlGaN/GaN HEMT (1) デバイス 作 製 デバイス 作 製 に 用 いる AlGaN/GaN エピタキシャルウェハ 製 法 は 基 本 的 には 項 に 述 べた MOCVD 法 と 同 じであるが エピタキシャル 層 構 造 の 一 部 が 異 なる まず 基 板 には 半 絶 縁 でありポリタイプが 4H である 単 結 晶 SiC 基 板 を 用 いた 核 生 成 層 として SiC 基 板 上 に 100nm の AlN 層 を 成 長 し 次 いでトータル 厚 さ 2 μm の 炭 素 ドープと ノンドープの 変 調 ドープ 構 造 からなる un-gan 層 を 成 長 した さらにバリア 層 として 3 nm のアンドープ Al0.25GaN 層 10 nm のシリコンドープ cm -3 の Al0.25GaN 層 および 最 表 面 に 再 びアンドープの 5 nm Al0.25GaN 層 を 形 成 した シート 抵 抗 の 面 内 平 均 値 は 480 ohm/sq であった デバイス 加 工 においては まず ICP-RIE(inductively-coupled-plasma reactive ion etching) 法 による Cl2/Ar プラズマを 用 いてメサ 形 成 による 素 子 間 アイソレーション 分 離 を 行 った Ohmic 電 極 は Ti/Al/Mo/Au を 用 い 蒸 着 後 の RTA(rapid thermal 50

51 annealing)において 850 で 30 秒 間 の 処 理 を 行 った オンウエハーの TLM 測 定 によ り コンタクト 抵 抗 は~0.2 Ohm-cm であることを 確 認 した EB リソグラフィーを 用 いて 1.0 μm のゲートを 切 り Ni/Au からなる Shottky 電 極 を 形 成 した なおゲート 形 成 に 先 だって AlGaN バリア 層 を 薄 層 化 して HEMT を E-mode 化 させる 目 的 で ソ ース-ドレイン 間 のゲート 領 域 を ICP-RIE により 部 分 的 にエッチングした エッチング 条 件 としては Cl2/Ar プラズマを 15/5 sccm のガスレートで 用 い チャンバー 圧 力 を 3 mt バイアス-40 V コイル 出 力 を 300 W とした またエッチング 後 のサンプルは エッチングに 起 因 するダメージを 除 去 する 目 的 で RTA により 700 で 1 分 間 の 処 理 を 行 った 完 成 した HEMT のゲート 幅 は 100 μm ソース-ドレイン 間 隔 は 2 μm で ある デバイス 特 性 図 4-1 には 典 型 的 なドレイン 電 流 - 電 圧 特 性 (ID-VDS) 特 性 を 示 す ゲートは 0.5 V ステッ プで 2 V から-0.5 V まで 振 ったものである デバイスはゲート 電 圧 2 V ドレイン 電 圧 6 V において 最 大 電 流 470 ma/mm を 示 すとともに 良 好 なピンチオフ 特 性 を 示 した ニー 電 圧 は 4 V 未 満 と 十 分 小 さく Ohmic に 問 題 が 無 いことを 示 している 図 4-2 にはドレイン 電 圧 7 V としたときの DC トランスファー 特 性 を 示 す ピークの トランスコンダクタンス gm は 248 ms/mm が Vgs=0.87 V の 時 に 得 られた またピン チオフ 電 圧 Vth をドレイン 電 流 から 外 挿 した 切 片 と 定 義 すると Vth=75 mv と 正 の 値 が 得 られた 本 報 告 発 表 当 時 (2003 年 )においては GaN 系 HEMT の E-mode 動 作 と して この Vth は 最 大 の 値 である 比 較 例 を 表 4-1 に 示 す RF 測 定 は HP8510B ネットワークアナライザを 用 い 1~40 GHz の 範 囲 で 実 施 した 図 4-3 はオンウエハーでの S パラメータ 測 定 から 求 めた( h21 ) および MSG/MAG を 示 す 遮 断 周 波 数 ft および 最 大 発 信 周 波 数 fmax はそれぞれ( h21 ) および 51