2014/03/19 応用物理学会 2014 年春季学術講演会 コンダクタンス法による AlGaN/GaN ヘテロ 接合界面トラップに関する研究 Investigation on interface traps in AlGaN/GaN heterojunction by conductance method 劉璞誠 1, 竇春萌 2, 角嶋邦之 2, 片岡好則 2, 西山彰 2, 杉井信之 2, 若林整 2, 筒井一生 2, 名取研二 1, 岩井洋 1 1 東京工業大学フロンティア研究機構, 2 東工大総理工 P. Liu 1, C. Dou 2, K. Kakushima 2, Y. Kataoka 2, A. Nishiyama 2, N. Sugii 2, H. Wakabayashi 2, K. Tsutsui 2, K. Natori 1, H. Iwai 1 1 Frontier Research Center, Tokyo Tech., 2 IGSSE, Tokyo Tech. E-mail: liu.p.aa@m.titech.ac.jp 1
AlGaN/GaN Based HEMT with Thin Insertion Ⅲ 族 - 窒化物半導体 1) 広いバンドキャップ 2) 高い移動度 分極の導入より 1) 高濃度 2) 高移動度 4H- AlGaN/ AlGaN/ Si SiC GaN /GaN バンドギャップ [ev] 1.1 3.3 3.4 絶縁破壊電界 [MV/cm] 0.3 3.0 3.3 電子飽和速度 [10 7 cm/s] 1.0 2.0 2.5 電子移動度 [cm 2 /Vs] 1500 1000 1200 >2000 正孔移動度 [cm 2 /Vs] 600 115 NA NA 熱伝導率 [W/cmK] 1.5 4.9 2.1 の導入より合金散乱が抑制され移動度が向上する Shen, L., et al. Electron Device Letters, IEEE 22.10 (2001): 457-459. S P SP P SP G P PE AlGaN GaN Sub. SP: 自発分極 PE: ピエゾ分極 2 D 2DEG
AlGaN//GaN の界面とその近傍に存在するトラップ a) 格子定数の違い & プロセス ( 界面 ) b) 窒素欠陥 ( 膜中 ) 引張ひずみ E C 格子定数の差 AlGaN GaN Metal AlGaN GaN Sub. AlGaN E fm Gate metal 2DEG GaN Kim, Hyeongnam, et al. Applied Physics Letters 86.14 (2005): 143505-143505. 界面とその近傍のトラップの存在 移動度劣化 信頼性劣化の原因 改善のためにはトラップ量の定量化が必要 Mishra, et al. PROCEEDINGS-IEEE 90.6 (2002): 1022-1031. 3
界面およびその近傍のトラップの測定方法 交流信号に対する応答からトラップ量を見積もる ( コンダクタンス法 ) トラップへの電子捕獲 / 放出時間を測定することでトラップの存在位置推定 ( トンネル確率 ) AlGaN E fm E C tunneling 界面近傍のトラップ : t bt = t 0 exp(2x) F.P. Heiman et al., IEEE TED, 12(4) 167-178(1965) Gate matel AlGaN/ 2DEG GaN GaN depletion * ox C ( E) 2m ( E E) / h C it R it 容量の周波数応答からトラップ量と位置の推定を行うことができる 4
容量の周波数特性 :Conductance 法を用いた界面評価 (x 10-6 ) (x 10-9 ) 単一エネルギーのトラップの応答 E-E i = 0.12 ev 3 5 G p / (F/cm 2 ) high-k/sio 2 /Si の界面準位の場合 2.5 2 1.5 1 0.5 0 SiO 2 /Si SiO 2 では測定されなかったピーク La-Silicate/Si high-k/sio 2 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Frequency (Hz) 4 3 2 1 G P qd it t it 1 it t 2 連続エネルギーのトラップの応答 GP q 2 G P qd it 2t Dit t it it ln 1 t 表面ポテンシャルの揺らぎを考慮 P it 2 t P ln 1 1 S S exp S 2 2 2 2 コンダクタンスピークからトラップの時定数を抽出振幅からトラップ密度を抽出することが可能 it 2 2 S d Mamatrishat, M., et al. Microelectronics Reliability 52.6 (2012): 1039-1042. S 5
ドレイン電流 A ドレイン電流 A 研究目的と測定した試料 コンダクタンス法を用いて AlGaN//GaN ヘテロ界面のトラップ密度と位置を明らかにすること TiN /Al /Ti Metal TiN /Al /Ti Al 0.25 Ga 0.75 N (25nm) TEOS-SiO 2 1 10-4 8 10-3 6 10-3 4 10-3 2 10-3 0 1 10-2 1 10-3 1 10-4 1 10-5 V g =1V V g =0V V g =-1V V g =-2V V g =-4V V g =-3V 2 4 6 ドレイン電圧 V 8 10 V d =0.1V V d =0.05V (1nm) GaN(1m) Buffer layer (1m) Si(111) Substrate 2DEG 1 10-6 1 10-7 -6-5 -4-3 -2-1 0 1 ゲート電圧 V 6
測定周波数を変えた場合のゲート容量 - ゲート電圧特性 Capacitance (F/cm 2 ) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 空乏領域 反転領域 1kHz 1.8 MHz 0-6 -5-4 -3 Gate voltage V g (V) ゲート電圧の全領域で容量の周波数分散が存在 対応したエネルギーレベルにトラップが存在することを示唆 7
G p /w (F/cm -2 ) 空乏領域のコンダクタンススペクトル 1 10-6 8 10-7 6 10-7 4 10-7 2 10-7 G P ω = q D it ln 1 + ωτ 2 2 ωτ it P ψ S dψ S it =0 で fitting - 4.1 V - 4.0 V Vg = - 3.9 V Symbol: data Dash line: model 2 種類のトラップが存在する 遅い時定数のトラップ 10 4 ~10 5 Hz 早い時定数のトラップ 10 6 ~10 7 Hz 0 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Frequency(Hz) 空乏領域では AlGaN//GaN の界面に 2 種類のトラップが存在するトラップ量は遅い時定数のトラップが多い 8
トラップの時定数と量のゲート電圧依存性 1 10-4 1 10-5 t (s) D it (cm -2 ev -1 ) slow trap 1 10 14 1 10 13 1 10-6 1 10-7 fast trap 1 10-8 -4.2-4.1-4.0 Vg (V) -3.9-3.8 1 10 12 1 10 11-4.2-4.1-4.0 Vg (V) -3.9-3.8 2 つのピークは AlGaN/ 界面に存在するトラップと /GaN 界面に存在するトラップによると推測 界面準位は 10 12 ~10 13 cm -2 ev -1 程度 AlGaN GaN 9
反転領域のトラップ分布の推定方法 x = t ox x = 0 (1nm) Al 0.25 Ga 0.75 N (25nm) GaN(1m) x = 0 G Buffer layer (1m) Si(111) Substrate 低い周波数 : や AlGaN 内部トラップも応答高い周波数 : 近傍の内部トラップのみ応答 境界トラップのレスポンス条件 Y. Yuan, et al., IEEE TED, vol.59, No.8 (2012) wt<1 t bt = t 0 e 2x < 1/2f x P f < 1 2κ ln 1 2πfτ 0 レスポンス条件を満たす上で数値計算 深さ方向のトラップ密度は容量の測定周波数依存性から推定する 10
深さ方向のトラップ量の算出手順 周波数 fの交流の場合 : 1 周波数 f-δfの交流の場合 : 2 x = t ox x = x 1 x = 0 x = t ox x = x 2 x = 0 C ox_1 C g_2 C g_1 C g_2 C g_1 1 2 Input parameters C tot (w), C ox, t ox, t 0, x 1 = 1 2κ ln 1 2πτ 0 f,c g_2 = t ox 1 C t ox x ox, = 1 1 1 C g_1 C tot C g_2 = t ox x 1 C t ox x g_1, ΔC bt = C g_1 2 N bt = ΔC bt q 2 Δx C g_2 1 1 C + 1 g_1 C x 2 x 1 ox t ox 容量の周波数分布の差分から深さ方向のトラップの量を算出 Capacitance (F/cm 2 ) 0.35 0.345 0.34 0.335 0.33 0.325-3.0 V -3.1 V -3.2 V -3.3 V -3.4 V Vg = -3.5 V 直列抵抗補正済 0.32 10 4 10 5 10 6 frequency 11 10 7
N bt (cm -3 ev -1 ) N bt ( 10 20 cm -3 ev -1 ) トラップ量と存在位置の推定結果 15 10 x 10 20 ~ 10 21 cm -3 ev -1 = 2. 5 nm -1 t 0 = 10-10 s 15 Vg = 3V のとき 5 ~ 10 20 cm -3 ev -1 10 0-5 -2.8 5-3 -3.2 Vg (V) -3.4-3.6 1.2 1.4 2.2 2 1.8 1.6 x 10-9 Depth (nm) 0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Depth ( 10-9 nm) 高い境界トラップ濃度 N bt =10 21 cm -3 ev -1 が /GaN 界面から 1nm あたりに見られる 空乏領域で解析した結果と一致 (1nm) Al 0.25 Ga 0.75 N (25nm) GaN(1m) Buffer layer (1m) x = 0 Si(111) Substrate 12
まとめ AlGaN//GaN 界面とその近傍のトラップをコンダクタンス法と容量の周波数解析により調べた 1. コンダクタンス法により 周波数特性では 2 つのピークが見られ AlGaN/ 界面に存在するトラップと /GaN 界面に存在するトラップによるものと考えられる 2. 反転領域では 容量の周波数解析から AlGaN/ 界面近傍に高濃度のトラップが存在しているとわかった 13
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デバイスの試作 i-al 0.25 Ga 0.75 N(25nm)/i-GaN(1m) on buffer/si(111) SPM and HF cleaning Al 0.25 Ga 0.75 N (25nm) GaN(1m) (1nm) Oxide deposition (plasma-teos) Patterning and BHF for SiO 2 etching Mesa isolation (RIE with Cl 2 ) SPM and BHF for SiO 2 etching Oxide deposition (plasma-teos) Patterning and BHF for S/D contact opening Metal deposition (Sputtering) TiN(50nm)/Al(60nm)/Ti(50nm) TiN /Al /Ti Buffer layer (1m) Si(111) Substrate Al 0.25 Ga 0.75 N (25nm) GaN(1m) Buffer layer (1m) Si(111) Substrate TEOS-SiO 2 TiN /Al /Ti 2DEG (1nm) Tokyo Institute of Technology 17
デバイスの試作 Patterning and RIE with Cl 2 for S/D contact Annealing in N 2 at 950 o C for 30 sec Oxide deposition (plasma-teos) Patterning and BHF for gate opening SPM and HF cleaning Gate metal (TiN) deposition (Sputtering) Gate patterning Contact opening (Buffered HF) Current [A] 6 4 2 0-2 -4 30sec in N 2 TiN(50nm) /Al(60nm) /Ti(50nm) -6x10-3 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 Voltage [V] TiN /Al /Ti 80m 300m Metal 950 o C 500 o C TiN /Al /Ti Al 0.25 Ga 0.75 N (25nm) 150m TEOS-SiO 2 FGA (H 2 : N 2 = 3% : 97%) for 10min Measurement:CV,IV,Gp/,Current collapse (1nm) GaN(1m) Buffer layer (1m) Si(111) Substrate 2DEG Tokyo Institute of Technology 18
N bt ( 10 20 cm -3 ev -1 ) 15 10 5 0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Depth ( 10-9 nm) 19
G p /w (F/cm -2 ) 1 10-6 8 10-7 6 10-7 4 10-7 2 10-7 0 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Frequency(Hz) 20
D it (cm -2 ev -1 ) 1 10-4 1 10-5 1 10-6 slow trap 1 10 14 1 10 13 1 10-7 fast trap 1 10-8 -4.2-4.1-4.0 Vg (V) -3.9-3.8 1 10 12 1 10 11-4.2-4.1-4.0 Vg (V) -3.9-3.8 21
4H- AlGaN/ AlGaN/ Si SiC GaN /GaN バンドギャップ [ev] 1.1 3.3 3.4 絶縁破壊電界 [MV/cm] 0.3 3.0 3.3 電子飽和速度 [10 7 cm/s] 1.0 2.0 2.5 電子移動度 [cm 2 /Vs] 1500 1000 1200 >2000 正孔移動度 [cm 2 /Vs] 600 115 NA NA 熱伝導率 [W/cmK] 1.5 4.9 2.1
E C E C AlGaN AlGaN E fm E fm Gate matel 2DEG GaN Gate metal 2DEG GaN E C AlGaN tunneling E fm Gate matel 2DEG GaN
ドレイン電流 A 1 10-2 1 10-3 V d =0.1V 1 10-4 V d =0.05V 1 10-5 1 10-6 1 10-7 -6-5 -4-3 -2-1 0 1 ゲート電圧 V 24
ドレイン電流 A 1 10-4 8 10-3 6 10-3 4 10-3 2 10-3 0 V g =1V V g =0V V g =-1V V g =-2V V g =-4V V g =-3V 2 4 6 ドレイン電圧 V 8 10
AlGaN/ GaN depletion C it R it