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 1 210-10 A/mm 2 MIS-HEMT ZrO 2 Al 2 O 3 2 Al 2 O 3 ZrO 2 I g (A/mm) 10-5 10-7 10-8 10-10 10-11 Al 2 O 3 /ZrO 2 ZrO 2 /Al 2 O 3 Al 2 O 3 ZrO 2 2 3 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 -100-80 -60-40 -20 0 V gd (V)
MIS HEMT C-V 2 MIS HEMT / 0.4 0.52eV ZrO 2 /Al 2 O 3 6 10 12 cm -2 Al 2 O 3 /ZrO 2 1 10 13 cm -2 2 ZrO 2 R on ratio 30 25 20 15 10 5 0 0 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 3 40 60 80 100 V d_stress (V) 120 3 MIS-HEMT G-D Lgd Lgd=30 m 2 kv I gd (A/mm) 10-7 10-8 10-10 10-11 10-12 H 2 O- ALD Al 2 O 3 O 3 - ALD Al 2 O 3 10-13 -60-50 -40-30 -20-10 0 V gd (V) 5MIS-HEMT I d (A/mm) 10 0 10-3 O 3 Al 2 O 3 MOS-HEMT 4 MIS 6.1 ev ZrO 2 1.7 V 1 A/mm 9-10 ev Al 2 O 3 3 V 1 A/mm ZrO 2 MIS I g (A/mm) 10-7 10-8 10-10 10-11 10-12 ZrO 2 ZrO 2 /Al 2 O 3 Al 2 O 3 /ZrO 2 Al 2 O 3 L gd =5 mm 10-13 0 1 2 3 4 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 3 310-10 A/mm6 MIS-HEMT 10 0.1V O 3-10 -5 0 5 V gs (V) 6MIS-HEMT (2) SiC Lg=3m Lgd=10 m AlGaN/GaN HEMT SiO 2 1.45 SiON 1.68SiON1,85SiN 1.90 150 nm 6 SiO 2 0.1 A/mm (n=1.68) (n=1.85) Vgd V ds =10 V 6 100 s10 ms
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 103 102 with HPWVA (200 C) with HPWVA (300 C) 101 with HPWVA (400 C) 1 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 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
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, 2423-2428, (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, 111001 (2015). [3] M. Kuzuhara and H. Tokuda, "Low-Loss and High-Voltage III-Nitride Transistors for Power Switching Applications," IEEE Trans. Electron Devices, 62, 405-413 (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, 044101 (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, 2015. (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, 2015. (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, 2015. (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. 265-268, 2015. [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, 2015. [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.185-188, 2015. [7] R. Maeta, H. Tokuda, and M. Kuzuhara, Analysis of Time Dependent Current Collapse in AlGaN/GaN HEMTs, ASDAM 2014, Smolenice, Slovakia, pp. 149-152, 2014. [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. 19-20, 2014. [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. 54-55, 2014. [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. 62-63, 2014. [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. 58-59, 2014. [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.197-200, 2014. [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. 58-59, 2013. [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. 922-923, 2013. http://fuee.u-fukui.ac.jp/~kuzuhara/index.html