AlN 基板を用いた高Al 組成AlGaN HEMTの開発

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みりあいなおか
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エレクトロニクス Drain Current I D [ma] 9 8 7 6 5 4 3 2 2 4 6 8 12 14 1618 2 Drain Voltage V DS [V] A l N 基板を用いた高 A l 組成 A l G a N H E M T の開発秋田勝史 * 橋本信山本喜之矢船憲成徳田博邦葛原正明岩谷素顕天野浩

1 エレクトロニクス Drain Current I D [ma] Drain Voltage V DS [V] A l N 基板を用いた高 A l 組成 A l G a N H E M T の開発秋田勝史 * 橋本信山本喜之矢船憲成徳田博邦葛原正明岩谷素顕天野浩 Development of High-Al-Composition AlGaN-Channel High Electron Mobility Transistors on AlN Substrates by Katsushi Akita, Shin Hashimoto, Yoshiyuki Yamamoto, Norimasa Yafune, Hirokuni Tokuda, Masaaki Kuzuhara, Motoaki Iwaya and Hiroshi Amano High electron mobility transistors (HEMTs) with AlGaN channel layers are promising for the next-generation high-power and high-frequency electron devices. These are expected to show higher breakdown voltage and better high-temperature characteristics than GaN-channel HEMTs since AlGaN has a higher breakdown field and larger bandgap energy than GaN. However, epitaxial growth of the structure is difficult because of the large lattice mismatch between GaN and AlGaN. Therefore, our group has developed the AlGaNchannel HEMTs on freestanding AlN substrates. This report presents the epitaxial growth for the AlGaN-channel- HEMT structures and the device characteristics of the AlGaN-channel HEMTs. Keywords: HEMT, GaN, AlN, AlGaN, MOVPE 1. 緒言現在ガリウムヒ素 (GaAs) を動作層 ( 以降チャネル層 ) とする高電子移動度トランジスタ (high electron mobility transistor: HEMT) が携帯電話等の高周波通信に広く普及している一方で近年白色発光ダイオード ( light emitting diode: LED) 用途に広く利用されている窒化ガリウム (GaN) は GaAs よりもバンドギャップエネルギーが大きく電子デバイス用途としても高耐圧動作高温動作といった優れた特性を示す GaN をチャネル層に用いた HEMT(GaN HEMT) (1) は住友電工デバイスイノベーションがいち早く開発製品化を実現させ携帯電話基地局用途といった高出力用途で市場をリードしている窒化アルミニウム (AlN) は GaN の約 2 倍のバンドギャップ (6.2eV) GaN の約 4 倍の静電破壊電界 (12MV/cm) GaN の約 1.5 倍の熱伝導率 (2.9W/cmK) と極めて優れた材料特性を有しているよって AlN 及び AlN と GaN との混晶である AlGaN は GaN の次世代の高出力高周波デバイス材料として有望である AlGaN をチャネル層とする HEMT(AlGaN HEMT) は GaN HEMT よりも更に高耐圧動作することが報告されている (2) しかし AlGaN HEMT に関する報告は GaN HEMT に比べて少なく Al 組成は 4 % 未満と低いものに限られている (3) (4) 1 これは AlGaN のエピタキシャル成長は GaN よりも難しい上に構成原子の間隔 ( 格子定数 ) が近い適切な基板結晶がないためである例えば AlGaN よりも格子定数の大きな GaN を基板に用いると AlGaN エピタキシャル層は GaN 基板から引っ張り歪みを受けクラックが発生するこの問題の解決には基板に AlGaN よりも格子定数の小さな AlN を用いることが有望である AlN 基板上では AlGaN エピタキシャル層は圧縮歪みを受けるためクラックの発生が抑制されるまた AlGaN エピタキシャル層の Al 組成を増加させる程 AlGaN と AlN 基板との格子定数差が小さくなるため結晶品質の向上が期待できるそこで我々は新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) プロジェクトに 27 年から参画し昇華法による AlN 基板の開発 AlN 基板上の AlGaN エピタキシャル層の成長技術開発 AlGaN HEMT デバイスの開発と材料からデバイスまでを一貫して開発してきた AlGaN エピタキシャル層の成長技術開発についてはこれまでに Al 組成約 3 % の低 Al 組成 AlGaN HEMT エピタキシャル層の特性と AlN 基板の優位性について報告した (5)(6) 本稿では低 Al 組成 (5 % 未満 ) 高 Al 組成 (5 % 以上 ) の AlGaN HEMT 構造のエピタキシャル成長と結晶評価結果および AlN 基板上 AlGaN HEMT のデバイス特性について報告する 2. AlGaN HEMT エピタキシャル層 2 1 エピタキシャル成長と結晶評価方法 AlN AlGaN エピタキシャル層構造は AlN 基板上に有機金属気相成長法 (MOVPE) によって成長させた参照用としてサファイア基板上にも成長を行った高品質な AlGaN の結晶成長には GaN よりも高い成長温度が必要なため基板温度を 14 まで加熱可能な高温仕様の MOVPE 装置を用いた原料にはアンモニア (NH3) トリメチル年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 号 ( 83 )

ガリウム (TMGa) トリメチルアルミニウム (TMAl) を 2 用いた AlN 基板は昇華法によって作製した転位密度 1 6 cm -2 未満と低転位のものを用いた (7) (8) 図 1 に AlGaN HEMT のエピタキシャル層構造を示す AlN 基板の上に AlN バッファ層を成長させた後 AlGaN チャネル層アンドープ AlGaN バリア層を成長させた

(capacitancevoltage: C-V) 測定を用いたを格子緩和状態と呼び AlGaN チャネル層には AlN 層から引き継いだ転位以外の新たな転位が導入されている格子緩和度 (AlGaN チャネル層と AlN 層の a 軸方向の格子定数の違い ) は高 Al 組成 AlGaN HEMT の方が低 Al 組成 AlGaN HEMT よりも小さいことがわかるこのことは AlGaN

2 ガリウム (TMGa) トリメチルアルミニウム (TMAl) を 2 用いた AlN 基板は昇華法によって作製した転位密度 1 6 cm -2 未満と低転位のものを用いた (7) (8) 図 1 に AlGaN HEMT のエピタキシャル層構造を示す AlN 基板の上に AlN バッファ層を成長させた後 AlGaN チャネル層アンドープ AlGaN バリア層を成長させたバリア層とチャネル層の界面のチャネル層側にはバリア層が受ける歪みによって誘起された電子が 2 次元状に蓄積し (2 次元電子ガス ) 電流輸送を担うエピタキシャル層の構造評価には X 線回折 (2θ-ω スキャン逆格子マッピング ) を用いたバリア層チャネル層界面に生ずる 2 次元電子ガスの電気的特性評価にはホール測定金 (Au) を電極とした容量 - 電圧 (capacitancevoltage: C-V) 測定を用いたを格子緩和状態と呼び AlGaN チャネル層には AlN 層から引き継いだ転位以外の新たな転位が導入されている格子緩和度 (AlGaN チャネル層と AlN 層の a 軸方向の格子定数の違い ) は高 Al 組成 AlGaN HEMT の方が低 Al 組成 AlGaN HEMT よりも小さいことがわかるこのことは AlGaN チャネル層と AlN 層の格子定数の違いによる転位の導入が高 Al 組成 AlGaN HEMT の方が低 Al 組成 AlGaN HEMT よりも少ないことを示しているつまり結晶品質は高 Al 組成 AlGaN HEMT の方が低 Al 組成 AlGaN HEMT よりも良好である一方双方で AlGaN バリア層の a 軸格子定数は AlGaN チャネル層と同じであることがわかるこの状態をコヒーレント状態と呼び格子定数の異なる半導体層が面方向の格子定数を合わせて積層しており新たな転位の導入が少ないことを示している続いて AlGaN HEMT の 2 次元電子ガスの電気特性評価図 1 AlGaN HEMT のエピタキシャル層構造 (a) 低 Al 組成 AlGaN HEMT (b) 高 Al 組成 AlGaN HEMT 2 2 エピタキシャル層評価結果まず AlGaN HEMT エピタキシャル層の結晶構造評価を行った低 Al 組成 AlGaN HEMT 構造と高 Al 組成 AlGaN HEMT 構造の X 線回折測定結果 (2θ-ω スキャン ) を図 2 に示す横軸の回折角は結晶積層方向 (c 軸方向 ) の格子定数に対応する低 Al 組成 AlGaN HEMT 構造高 Al 組成 AlGaN HEMT 構造ともに回折角 36. 度付近に AlN によるピークが観測された AlGaN チャネル層によるピークはそれぞれ回折角 34.7 度 35.2 度付近に観測された AlGaN バリア層によるピークはそれぞれ回折角 35.4 度 35.7 度付近に観測された以上より AlN バッファ層 AlGaN チャネル層 AlGaN バリア層の回折ピークが明瞭に観測されていることがわかったこのことから図 1 の構造が良好な結晶品質で設計通り作製されていると言える低 Al 組成 AlGaN HEMT 構造と高 Al 組成 AlGaN HEMT 構造の (2-24) 面近傍のX 線回折逆格子マッピング測定結果を図 3 に示す横軸は面方向 (a 軸方向 ) の格子定数縦軸は積層方向 (c 軸方向 ) の格子定数を示している通常エピタキシャル層は面方向の格子定数を下地結晶に合わせて成長するしかし図 3 ではともに AlGaN チャネル層の a 軸方向の格子定数は下地の AlN 層と異なっているこの状態 Intensity (a.u.) k k 1k θ-ω (deg) Intensity (a.u.) k k 1k θ-ω (deg) 図 2 AlGaN HEMT の X 線回折測定結果 (2θ ω スキャン ) (a) 低 Al 組成 AlGaN HEMT (b) 高 Al 組成 AlGaN HEMT Qy (rlu) Qx (rlu) Qy (rlu) Qx (rlu) 図 3 AlGaN HEMT のX 線逆格子マッピング測定結果 (a) 低 Al 組成 AlGaN HEMT (b) 高 Al 組成 AlGaN HEMT ( 84 ) AlN 基板を用いた高 Al 組成 AlGaN HEMT の開発

を行った C-V 測定より求めた低 Al 組成 AlGaN HEMT と高 Al 組成 AlGaN HEMT のキャリア濃度分布を図 4 に示すともに AlGaN バリア層と AlGaN チャネル層の界面にあたる表面から約 3nm の位置に 2 次元電子ガスによる 2 cm -3 程度の極めて高いキャリア濃度のピークが観測されたまた AlGaN チャネル層 AlN

Ni/Au( 膜厚 nm/15nm) を用いたゲート長ゲート幅はそれぞれ 3µm 515µm である表面パッシベーション膜は用いていないデバイス特性は Si 基板上の GaN HEMT と比較した 2 18 16 14 2 4 6 図 5 低 Al 組成 AlGaN HEMT のデバイス構造断面図図 4 C V 測定により求めた AlGaN HEMT のキャリア濃度分布

3 を行った C-V 測定より求めた低 Al 組成 AlGaN HEMT と高 Al 組成 AlGaN HEMT のキャリア濃度分布を図 4 に示すともに AlGaN バリア層と AlGaN チャネル層の界面にあたる表面から約 3nm の位置に 2 次元電子ガスによる 2 cm -3 程度の極めて高いキャリア濃度のピークが観測されたまた AlGaN チャネル層 AlN バッファ層のキャリア濃度は低く HEMT として理想的なキャリア濃度分布が得られていることがわかったす AlGaN HEMT では GaN HEMT で広く用いられている Ti/Al 系の電極ではオーミック特性を得ることができないためソースドレイン電極には Zr/Al/Mo/Au( 膜厚 15nm/6nm/35nm/5nm) を用い温度 95 度で熱処理を行ったゲート電極には Ni/Au( 膜厚 nm/15nm) を用いたゲート長ゲート幅はそれぞれ 3µm 515µm である表面パッシベーション膜は用いていないデバイス特性は Si 基板上の GaN HEMT と比較した図 5 低 Al 組成 AlGaN HEMT のデバイス構造断面図図 4 C V 測定により求めた AlGaN HEMT のキャリア濃度分布ホール測定により求めた AlGaN HEMT のシートキャリア濃度キャリア移動度シート抵抗を表 1 に示すともに 2 13 cm -2 を超える高いシートキャリア濃度が得られたしかし高 Al 組成 AlGaN HEMT では低 Al 組成 AlGaN HEMT に比べてキャリア移動度が低下したこれは Al 組成が 5 % に近づく程 AlGaN チャネル層におけるキャリアの散乱が大きくなること ( 合金散乱効果 ) が原因と考えられるしかしシートキャリア濃度が高いためシート抵抗としてはデバイス動作可能と考えられる低い値が得られた表 1 AlGaN HEMT の 2 次元電子ガス特性低 Al 組成 AlGaN HEMT 高 Al 組成 AlGaN HEMT シートキャリア濃度 (cm 2 ) キャリア移動度 (cm 2 /V/s) シート抵抗 (Ω/sq.) 図 6 にこの HEMT の室温および 3 で測定したドレイン電流 - 電圧 (I-V) 特性を示す AlN 基板上としては初めてのトランジスタ動作が確認された双方の測定温度で良好なピンチオフ特性と飽和特性が得られている室温における最大ドレイン電流は 13mA/mm 最大相互コンダクタンス (gm) は 25mS/mm と過去の報告例 (3) よりもチャネル層の Al 組成が高いにもかかわらず同等の値が得られた図 6 低 Al 組成 AlGaN HEMT のドレイン I V 特性 (a) 室温測定 (b)3 測定 3. AlGaN HEMT デバイス 3 1 低 Al 組成 AlGaN HEMT のデバイス特性これまでに述べた AlGaN エピタキシャル層を用いて AlN 基板上にデバイスを作製した (9) 図 5 に AlN 基板上の低 Al 組成 AlGaN HEMT(Al 組成 24 %) のデバイス構造断面図を示 AlN 基板上低 Al 組成 AlGaN HEMT と Si 基板上 GaN HEMT との室温の値で規格化したドレイン電流 (Vds = V Vgs = V) の環境温度依存性の比較を図 7 に示す双方の HEMT で環境温度上昇に伴い規格化ドレイン電年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 号 ( 85 )

流は低下していくことがわかるしかし AlGaN HEMT の規格化ドレイン電流の低下率は GaN HEMT の約 1/2 であるこれは AlGaN HEMT のキャリア移動度の温度依存性が GaN HEMT に比べて小さいことに起因していると考えられるこのことから AlGaN HEMT は GaN HEMT に比べて高温特性に優れていることがわかった最大相互コンダクタンス (gm) は

4 流は低下していくことがわかるしかし AlGaN HEMT の規格化ドレイン電流の低下率は GaN HEMT の約 1/2 であるこれは AlGaN HEMT のキャリア移動度の温度依存性が GaN HEMT に比べて小さいことに起因していると考えられるこのことから AlGaN HEMT は GaN HEMT に比べて高温特性に優れていることがわかった最大相互コンダクタンス (gm) は 4.7mS/mm と低 Al 組成 AlGaN HEMT の約 1/5 の値であったこれは表 1 に示したシート抵抗の増加によるチャネル抵抗の増加が原因と考えられるしかしながら低 Al 組成 AlGaN HEMT 同様に良好なピンチオフ特性と飽和特性が観測された図低 Al 組成 AlGaN HEMT と GaN HEMT の規格化ドレイン電流の温度依存性図 9 高 Al 組成 AlGaN HEMT のドレイン I V 特性 3 2 高 Al 組成 AlGaN HEMT のデバイス特性 2 章で示したように AlGaN HEMT の結晶品質は AlGaN チャネル層の Al 組成を上げるほど良好となるそこで我々は世界初となる Al 組成 5 % を超える高 Al 組成 AlGaN HEMT の作製を行った () 図 8 に高 Al 組成 AlGaN HEMT(Al 組成 51 %) のデバイス構造断面図を示す低 Al 組成 AlGaN HEMT と同様にソースドレイン電極には Zr/Al/Mo/Au をゲート電極には Ni/Au を用いたゲート長 (Lg) ゲート-ソース間距離 (Lgs) ゲート幅はそれぞれ 9µm 3µm 515µm であるゲート-ドレイン間距離 (Lgd) は 5µm から 15µm まで変化させたデバイスを作製したデバイス特性は Si 基板上の GaN HEMT と比較した高 Al 組成 AlGaN HEMT の室温で測定したドレイン I-V 特性を図 9に示す室温における最大ドレイン電流は 25mA/mm ゲート - ドレイン間耐圧 (Vbr) の Lgd 依存性を図に示すゲート電圧 (Vgs) は -2V とチャネルは完全にピンチオフした状態の耐圧である Vbr は Lgd に比例してほぼ線形に増加し Lgd = 15µm で 18V に到達したこの値は AlGaN HEMT としては過去最高の値でありチャネル層の高 Al 組成化の効果と考えられる図ゲートドレイン間耐圧のゲートドレイン間距離依存性図 8 高 Al 組成 AlGaN HEMT のデバイス構造断面図 AlN 基板上高 Al 組成 AlGaN HEMT と Si 基板上 GaN HEMT の室温の値で規格化したドレイン電流 (Vds =15V Vgs = V) の環境温度依存性を図 11 に示す環境温度 3 における室温に対するドレイン電流の低下率は GaN HEMT では約 8 % に対し AlGaN HEMT では 2 % 以下に ( 86 ) AlN 基板を用いた高 Al 組成 AlGaN HEMT の開発

5 まで抑制されていることがわかるこのような AlGaN HEMT の良好な高温特性は高温安定動作が必要な様々な用途に有効と考えられる図結言低 Al 組成高 Al 組成の AlGaN をチャネル層とする HEMT 構造を高温仕様の MOVPE 装置を用いてエピタキシャル成長しその結晶品質を評価した X 線を用いた構造評価により設計通りのエピタキシャル構造が良好な結晶品質で形成されていることを確認したまた電気的特性評価によりバリア層 -チャネル層界面に形成された 2 次元電子ガスの良好な特性を確認したこのエピタキシャル構造を用いて AlN 基板上に AlGaN HEMT デバイスを作製し GaN HEMT と比較した AlN 基板上で初めてとなるトランジスタ動作に成功し AlN 基板上 AlGaN HEMT では Si 基板上 GaN HEMT に比べて高温でのドレイン電流低下率が低いことが明らかとなった特に高 Al 組成 AlGaN HEMT では室温から 3 へのドレイン電流低下率が 2 % 以下と低く極めて優れた高温特性を示すことが確認された AlN 基板と AlGaN HEMT は高温安定動作が必要とされる高出力高周波用途の次世代デバイスの実現に有望と考えられる 5. 謝辞高 Al 組成 AlGaN HEMT と GaN HEMT の規格化ドレイン電流の温度依存性本研究は NEDO ナノエレクトロニクス半導体新材料新構造技術の開発 - 窒化物系化合物半導体基板エピタキシャル成長技術の開発プロジェクトの委託を受けて行われた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 エピタキシャル成長基板結晶の上に薄膜結晶層 ( エピタキシャル層 ) を形成することエピタキシャル層は基板結晶の結晶方位や構成原子の間隔 ( 格子定数 ) といった情報を引き継いで形成される 2 転位結晶中に含まれる結晶欠陥のひとつで結晶格子の原子配列のずれが線状になっている結晶欠陥のこと参考文献 (1) 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 HEMT) の開発 SEI テクニカルレビュー第 177 号 p.p. 97 2(2) (2) T. Nanjo, M. Takeuchi, M. Suita, T. Oishi, Y. Abe, Y. Tokuda, and Y.Aoyagi, Remarkable breakdown voltage enhancement in AlGaN channel high electron mobility transistors, Appl. Phys. Lett. 92 (28) (3) T. Nanjo, M. Takeuchi, M. Suita, Y. Abe, T. Oishi, Y. Tokuda, and Y. Aoyagi, First Operation of AlGaN Channel High Electron Mobility Transistors, Appl. Phys. Express 1, 111(28) (4) A. Raman, S. Dasgupta, S. Rajan, J. S. Speck, and U. K. Mishra, AlGaN Channel High Electron Mobility Transistors : Device Performance and Power Switching Figure of Merit, Jpn. J. Appl. Phys. 47, 3359(28) (5) S. Hashimoto, K. Akita, T. Tanabe, H. Nakahata, K. Takeda, and H. Amano, Study of two dimensional electron gas in AlGaN channel HEMTs with high crystalline quality, Phys. Stat. Sol.(c) 7, 1938(2) (6) 橋本信秋田勝史田辺達也中幡英章竹田健一郎天野浩 AlN 基板を用いた AlGaN チャネル HEMT エピの開発 SEI テクニカルレビュー第 177 号 p.p (2) (7) I. Satoh, S. Arakawa, K. Tanizaki, M. Miyanaga, and Y. Yamamoto, Sublimation growth of nonpolar AlN single crystals and defect characterization, Phys. Stat. Sol.(c)7, 1767(2) (8) 佐藤一成荒川聡谷崎圭祐宮永倫正櫻田隆山本喜之中幡英章窒化アルミニウム単結晶基板の開発 SEI テクニカルレビュー第 177 号 p.p (2) (9) M. Hatano, N. Kunishio, H. Chikaoka, J. Yamazaki, Z. B. Makhzani, N. Yafune, K. Sakuno, S. Hashimoto, K. Akita, Y. Yamamoto and M. Kuzuhara, Comparative high temperature DC characterization of HEMTs with GaN and AlGaN channel layers, CS MANTECH Conference, p.1(2) () H. Tokuda, M. Hatano, N. Yafune, S. Hashimoto, K. Akita, Y. Yamamoto and M. Kuzuhara, High Al Composition AlGaN Channel High Electron Mobility Transistor on AlN Substrate, Appl. Phys. Express 3, 123(2) 年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 号 ( 87 )

執筆者秋田勝史 * : 半導体技術研究所主席博士 ( 工学 ) 化合物半導体エピタキシャル結晶の研究開発に従事橋本山本信 : 半導体技術研究所喜之 : 半導体技術研究所グループ長矢船憲成 : 一般財団法人金属系材料研究開発センター徳田博邦 : 福井大学大学院工学研究科電気電子工学専攻特命助教

6 執筆者秋田勝史 * : 半導体技術研究所主席博士 ( 工学 ) 化合物半導体エピタキシャル結晶の研究開発に従事橋本山本信 : 半導体技術研究所喜之 : 半導体技術研究所グループ長矢船憲成 : 一般財団法人金属系材料研究開発センター徳田博邦 : 福井大学大学院工学研究科電気電子工学専攻特命助教工学博士葛原正明 : 福井大学大学院工学研究科電気電子工学専攻教授工学博士岩谷素顕 : 名城大学理工学部材料機能工学科准教授博士 ( 工学 ) 天野浩 : 名古屋大学大学院工学研究科電子情報システム専攻教授工学博士 * 主執筆者 ( 88 ) AlN 基板を用いた高 Al 組成 AlGaN HEMT の開発

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高耐圧 GaN パワーデバイス開発松下電器産業 ( 株 ) 半導体社半導体デバイス研究センター上田哲三 GaNの特長とパワーデバイス応用に向けての課題 GaNパワーデバイスの低コスト化技術大面積 Si 上 MOCVD 結晶成長技術 Si 上大電流 AlGaN/GaNパワー HFET GaN パワーデバイスのノーマリオフ動作伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ - Gate Injection