研究成果報告書

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ふみないんそん
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MIS HEMT MIS HEMT MIS HEMT AlGaN/GaN MIS ALD AlGaN/GaN MIS-HEMT (1)MIS MIS AlGaN/GaN MIS-HEMT BCl 3 Cl 2 Ti/Al/Mo/Au (15/60/35/50 nm) 850 ºC AlGaN Ni/Au (100/150 nm) 300 ºC Lg=3m Lgd=5 mwg=100 m ALD

2 MIS HEMT MIS HEMT MIS HEMT AlGaN/GaN MIS ALD AlGaN/GaN MIS-HEMT (1)MIS MIS AlGaN/GaN MIS-HEMT BCl 3 Cl 2 Ti/Al/Mo/Au (15/60/35/50 nm) 850 ºC AlGaN Ni/Au (100/150 nm) 300 ºC Lg=3m Lgd=5 mwg=100 m ALD Al 2 O 3 ZrO 2 Al 2 O 3 /ZrO 2 ZrO 2 /Al 2 O 3 4nm2nm/2nm HEMT 1 S 2 mm G Al 2 O 3 or ZrO 2 AlGaN GaN Substrate W g =100 mm 3 mm 5 mm 1MIS-HEMT 2 MIS-HEMT Ig-Vgd2 MIS-HEMT A/mm 2 MIS-HEMT ZrO 2 Al 2 O 3 2 Al 2 O 3 ZrO 2 I g (A/mm) Al 2 O 3 /ZrO 2 ZrO 2 /Al 2 O 3 Al 2 O 3 ZrO AlGaN Al 2 O 3 ZrO 2 /Al2O 3 3 Al 2 O 3 AlGaN ZrO 2 Al 2 O 3 /ZrO 2 ZrO 2 50 V AlGaN Al 2 O 3 D RT L gd =5 mm V gd (V)

3 MIS HEMT C-V 2 MIS HEMT / eV ZrO 2 /Al 2 O cm -2 Al 2 O 3 /ZrO cm -2 2 ZrO 2 R on ratio RT V gs =-5 to 1 V t off =9 ms t on =1 ms 20 ZrO 2 ZrO2 /Al 2 O 3 Al 2 O 3 /ZrO 2 Al 2 O V d_stress (V) MIS-HEMT G-D Lgd Lgd=30 m 2 kv I gd (A/mm) H 2 O- ALD Al 2 O 3 O 3 - ALD Al 2 O V gd (V) 5MIS-HEMT I d (A/mm) O 3 Al 2 O 3 MOS-HEMT 4 MIS 6.1 ev ZrO V 1 A/mm 9-10 ev Al 2 O 3 3 V 1 A/mm ZrO 2 MIS I g (A/mm) ZrO 2 ZrO 2 /Al 2 O 3 Al 2 O 3 /ZrO 2 Al 2 O 3 L gd =5 mm V gs (V) 4MIS Al 2 O 3 2 Al 2 O 3 H 2 OO 3 5 H 2 O Al 2 O 3 MIS-HEMT O 3 Al 2 O 3 MIS-HEMT O 3 G-D 50V A/mm6 MIS-HEMT V O V gs (V) 6MIS-HEMT (2) SiC Lg=3m Lgd=10 m AlGaN/GaN HEMT SiO SiON 1.68SiON1,85SiN nm 6 SiO A/mm (n=1.68) (n=1.85) Vgd V ds =10 V s10 ms

4 規格化動的オン抵抗とした結果を図 7 に示す最も低いゲートリークを示した SiO2 膜が最も大きな動的オン抵抗を示し電流コラプス抑制の観点からは SiON 膜または SiN 膜が優れていることが分かった (n=1.68) ップ準位を減少させる作用のあることが分かった以上の結果は酸素プラズマ処理が AlGaN 中の窒素空孔や表面未結合手を補償するためプラズマ処理後の表面にたとえ異なる保護膜を成膜しても膜の影響を受けなくなったものと推測される (n=1.85) Vds (V) 図 7 規格化動的オン抵抗の保護膜依存性動的オン抵抗の劣化電流コラプスが大きく改善される原因が AlGaN 表面での酸素の取り込みであるのなら他の酸素導入法でも同様の効果が得られるはずであるそこで表面保護膜として SiN 膜を堆積する前に高圧水蒸気熱処理 HPWVA を試みた HPWVA とはサンプル表面を高温高圧化 0.5MPa で水蒸気に晒す処理のことであり処理時間は 30 分とした予想通り HPWVA 温度を 200 から 400 ºC に増加するにつれて動的オン抵抗は急激に改善した図 10 に規格化動的オン抵抗のオンパルス時間依存性を示すオンパルス 1 s のとき HPWVA 400 ºC により動的オン抵抗は約３桁改善し 100 s 以上では実質的に電流コラプスの完全抑制が実現できた 104 Vds_off = 100 V toff = 100 ms 規格化動的オン抵抗 NDR 規格化動的オン抵抗次に表面保護膜堆積前の前処理として酸素プラズマ照射の効果を調べた酸素プラズマの RF パワーは 100 W 一定とし酸素流量 15 sccm で照射時間は 60 s とした表面保護膜として SiO2 SiN に加えてスパッタ法で形成した AlN 膜についても検討しそれぞれ保護膜堆積前の酸素プラズマ照射の有無について動的オン抵抗の変化を調べた結果を図 8 に示すいずれの保護膜についても酸素プラズマ照射により動的オン抵抗が減少することが分かったしかも酸素プラズマ照射後の動的オン抵抗が表面保護膜の種類に無関係にほぼ同じ値に収束することが分かったすなわち酸素プラズマ照射によって AlGaN 表面に酸素原子が取り込まれた結果保護膜の種類に関係なく AlGaN 表面特性が電流コラプスに対して有利な状態に改質されたものと推測することができる図 9 酸素プラズマ照射した AlGaN 表面の XPS 解析結果 w/o HPWVA with HPWVA (200 C) with HPWVA (300 C) 101 with HPWVA (400 C) ton (s) オンパルス印加時間 (s) Vds (V) 図 8 酸素プラズマ照射の効果この仮説を確かめるため AlGaN 表面の結合状態を X 線光電子分光 XPS を用いて分析したところ酸素プラズマ照射により Al 原子と Ga 原子がそれぞれ O 原子と結合している可能性が示唆された図 9 参照またドレイン電流のパルス過渡応答の解析から酸素プラズマ照射が 0.6 ev より深い電子トラ図 10 高圧水蒸気熱処理した HEMT の規格化動的オン抵抗のオンパルス時間依存性以上のように本研究ではゲート絶縁膜と表面保護膜について独立に最適化を試みゲート絶縁膜としては Al2O3/ZrO2 複合膜またはオゾン O3 を用いた ALD-Al2O3 膜が逆方向リーク特性としきい値電圧の安定性および電流コラプス抑制の観点から優れていることが明らかとなった一方表面保護膜としては保護膜の種類も重要であるがそれ以上に膜堆積前処理として酸素プラズ

5 AlGaN SiN SiON [1] J. T. Asubar, Y. Kobayashi, K. Yoshitsugu, Z. Yatabe, H. Tokuda, M. Horita, Y. Uraoka, T. Hashizume, and M. Kuzuhara, Current Collapse Reduction in AlGaN/GaN HEMTs by High-Pressure Water Vapor Annealing, IEEE Trans. Electron Devices, 62, , (2015). [2] J. T. Asubar, Y. Sakaida, S. Yoshida, Z. Yatabe, H. Tokuda, T. Hashizume, and M. Kuzuhara, Impact of oxygen plasma treatment on the dynamic on-resistance of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors, Appl. Phys. Express, 8, (2015). [3] M. Kuzuhara and H. Tokuda, "Low-Loss and High-Voltage III-Nitride Transistors for Power Switching Applications," IEEE Trans. Electron Devices, 62, (2015). [4] M. Hatano, N. Taniguchi, S. Kodama, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Reduced gate leakage and high thermal stability of AlGaN/GaN MIS-HEMTs using Zr2/Al2O3 gate dielectric stack, Appl. Phys. Express, 7, (2014). [1] M. Kuzuhara, J. T. Asubar, and H. Tokuda, GaN-based HEMTs for High-voltage and Low-loss Power Applications, Tech Dig., 46 th IEEE Semiconductor Interface Specialists Conf., Washington DC, USA, 5.1, (Invited) [2] M. Kuzuhara, J. T. Asubar, and H. Tokuda, GaN-based Power Devices, 5 th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, Niigata, Japan, OB3-I-1, p.24, (Invited) [3] M. Kuzuhara, J. T. Asubar, and H. Tokuda, Characterization and Reduction of Current Collapse in AlGaN/GaN HEMTs, 2015 German-Japanese-Spanish Joint Workshop, Kyoto, Japan, p.32, (Invited) [4] S. Ohi, Y. Sakaida, J. T. Asubar, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Correlation between Luminescence and Current Collapse in AlGaN/GaN HEMTs, 2015 CS-MANTECH, Arizona, USA, pp , [5] Y. Sakaida, S. Toshida, J. T. Asubar, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Effect of O 2 plasma exposure on dynamic on-resistance in AlGaN/GaN HEMTs, ISPlasma 2015, Nagoya, Japan, B2-O-06, Mar.29, [6] Y. Kobayashi, J. T. Asubar, K. Yoshitsugu, H. Tokuda, M. Horita, Y. Uraoka, and M. Kuzuhara, Suppressed Current Collapse in High Pressure Water Vapor Annealed AlGaN/GaN HEMTs, CS-MANTECH, Arizona, USA, pp , [7] R. Maeta, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Analysis of Time Dependent Current Collapse in AlGaN/GaN HEMTs, ASDAM 2014, Smolenice, Slovakia, pp , [8] M. Kuzuhara, and H. Tokuda, Challenges of GaN-based transistors for power electronics applications, 2014 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD), Kanazawa, Japan. (Invited). pp , [9] T. Kakegami, S. Ohi, K-P. Sengendo, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Study of current collapse in AlGaN/GaN HEMTs passivated with sputter-deposited SiO 2 and SiNx, Intl. Meeting for Future of Electron Devices, Kansai, Kyoto, Japan, pp , [10] S. Ohi, T. Kakegami, K-P. Sengendo, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Effect of passivation films on DC characteristics of AlGaN/GaN HEMTs, Intl. Meeting for Future of Electron Devices, Kansai, Kyoto, Japan, pp , [11] S. Kodama, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Interface Properties of n-gan MIS Diodes with ZrO 2 /Al 2 O 3 Laminated Films as a Gate Insulator, Intl. Meeting for Future of Electron Devices, Kansai, Kyoto, Japan, pp , [12] Y. Sakaida, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Improved Current Collapse in AlGaN/GaN HEMTs by O 2 Plasma Treatment, CS-MANTECH, Denver, Colorado, USA, pp , [13] Y. Sakaida, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Electrical characterization of AlGaN/GaN HEMTs fabricated on CF 4 -plasma-treated AlGaN surface, Intl. Meeting for Future of Electron Devices, Kansai, Osaka, Japan, pp , [14] M. Hatano, Y. Taniguchi, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Improved high temperature characteristics of AlGaN/GaN MIS HEMTs with ZrO 2 /Al 2 O 3 dual dielectric films, Intl. Conf. on Solid State Devices and Materials, Fukuoka, Japan, pp ,

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untitled 213 74 AlGaN/GaN Influence of metal material on capacitance for Schottky-gated AlGaN/GaN 1, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1 1 AlGaN/GaN デバイス ① GaNの優れた物性値 ② AlGaN/GaN HEMT構造ワイドバンドギャップ半導体 (3.4eV) 絶縁破壊電界が大きい