Ohno&Ao Laboratory Ohno&Ao Laboratory

GaN系FETのチャネル電子移動度の研究

徳島大学大学院 先端技術科学教育部

システム創生工学専攻 電気電子創生工学コース

物性デバイス講座 大野・敖 研究室

玉井 健太郎

1

Ohno&Ao Laboratory

研究背景

2

省エネルギー技術

高効率パワーデバイス

ワイドバンドギャップ半導体 を用いたパワーデバイス

パワーデバイス ・・・例 電力変換用インバータ

大電流スイッチング素子

高電圧,大電流 高出力、高周波デバイスとしての応用

ワイドバンドギャップ・高破壊耐圧・高電子飽和速度 GaN（窒化ガリウム）

Ohno&Ao Laboratory

GaN系FETについて

3

◆GaN系デバイス

■ AlGaN/GaN HFET →高い電子移動度 ノーマリーオン、高ゲートリーク ■ GaN MOSFET →低ゲートリーク 低電子移動度

GaN

AlGaN Gate S D

GaN

AlGaN S D Oxide

Gate

GaN

AlGaN Insulater S D

Gate S D

■ AlGaN/GaN MIS-HFET →高い電子移動度 低ゲートリーク ノーマリーオン

Ohno&Ao Laboratory

GaN系FETの評価

GaN系FETの利点

4

高いチャネル電子移動度

チャネル電子移動度の測定が重要!

Dm VCL

Wg µ=

電界効果移動度 実効移動度

( ){ }DThGD VVVCL

WI −≅ µ

G

Dm V

Ig∂∂

=

(VDをVD<<VG－Vth)

ドレイン電流の式

(相互コンダクタンスの定義より)

DGFE VC

GmWLμ 1

=∫∫

=G

T

G

T

V

V G

V

V GM

Deff

Cdv

dvG

WVLµ

Ohno&Ao Laboratory

GaN系FETの評価時の問題点

5

しきい値のシフト

界面準位の影響

界面準位

移動度に大きな誤差!

[MIS-HFETのId-Vg特性] [MIS-HFETのC&Gm特性]

[MIS-HFETの移動度]

DGFE VVgC

VgGmWL 1

)'()(

=µ

移動度式

Ohno&Ao Laboratory

研究目的

6

研究目的

GaN系FETのチャネル電子移動度の正確な評価

GaN系FET (特にMIS-HFET) 高い界面準位密度

移動度測定に誤差 正確なチャネル電子移動度の測定が困難!

Ohno&Ao Laboratory

発表内容

◆ゲートリセスエッチングMIS-HFETによる解析

■測定サンプル作製プロセス

■I-V測定

■C-V測定

■チャネル電子移動度の測定方法

■チャネル電子移動度の測定結果・考察

◆その他GaN系FETのチャネル電子移動度

7

Ohno&Ao Laboratory

測定サンプル作製プロセス

• AlGaN/GaN HEMT用のエピ

• AlGaN(Al組成25%、厚さ25nm)

8

アニール （N2中,800℃,30min）

ゲート電極形成 （電子線蒸着:Al)

ゲートリセスエッチング ICP: Cl2+BCl3

ゲート絶縁膜堆積 プラズマCVD法50nm

オーミック電極形成 （電子線蒸着：Ti/Al/Ni/Au)

Source Drain Gate

AlGaN

i-GaN 2DEG

Buffer

Sapphire

AlGaN SiO2

アイソレーションイオン注入 N、30keV、5e14cm-2

25nm

サンプル提供:TOYOTA㈱

Ohno&Ao Laboratory

ゲートチャネル部ICPエッチング条件

エッチング条件

■アンテナパワー500W

■バイアスパワー5W

■Gas:Cl2+BCl3

9

AlGaN SiO2

S D G

u-GaN

Sapphire

2DEG

25nm

AlGaN膜厚 5nm 3nm 2nm 0nm

リセス深さ 20 nm 22 nm 23 nm 25 nm

リセス時間 121 sec 131 sec 137 sec 143 sec

Ohno&Ao Laboratory

測定サンプル

10

同一マスク上の3種類のパターン

HFET MIS-HFET Recess

MIS-HFET

FATFET(ゲート長100μm, ゲート幅200μm)

Source Drain Gate

AlGaN

i-GaN 2DEG

Buffer

Sapphire

Source Drain Gate

AlGaN

i-GaN 2DEG

Buffer

Sapphire

AlGaN SiO2

Source Drain Gate

AlGaN

i-GaN 2DEG

Buffer

Sapphire

SiO2

Ohno&Ao Laboratory

MIS-HFETのId-Vg特性

11

AlGaN膜厚によるしきい値の正方向へのシフト

Ohno&Ao Laboratory

MIS-HFETのC-V特性

12

GaN AlGaN SiOX Metal

EC

EF

MIS-HFETのバンド図

電子

ヘテロバリアを超えた電子がMOS界面へ移動 正ゲート電圧

Ohno&Ao Laboratory

移動度測定システム

13

LCR meter

（HP 4284A）

PC

High

Low

GP-IB Gate Source Drain

ﾘﾚｰ

DC電源

13

PCからExcel VBAにより測定器を制御

→C,Gmを同じバイアスで同時測定

→界面準位による誤差を無くす。

特徴

Ohno&Ao Laboratory

移動度測定方法

14

・C 測定 (frequency=1MHz)

・gm 測定 (frequency=20Hz) 移動度算出

同じ電圧で同時に測定可能 → 移動度算出時の誤差を無くせる。

LCR meter

（HP 4284A）

PC

High

Low

GP-IB Gate Source Drain

ﾘﾚｰ

DC電源

14

Ohno&Ao Laboratory

電界効果移動度のゲートバイアス依存性

15

Recess MIS-HFET

MOSFET

DGFE VC

GmWLμ 1

=

Ohno&Ao Laboratory

電界効果移動度の表面電界依存性

16

( )( )LWε

dvvCVE

S

V

V GG

GS

G

T∫

=

チャネル電荷が発生するとガウスの定理に従って電界が上昇する。

界面垂直電界の測定は直接にはできない。

Ohno&Ao Laboratory

実効移動度の表面電界依存性

17

高濃度の２次元電子ガス層内では電子間の相互作用で全て同じ速度で動作

ch

D

DV

V G

V

V GM

Deff Q

IWVL

Cdv

dvG

WVL

G

T

G

T ==∫∫

µ

Ohno&Ao Laboratory

実効移動度の表面電界依存性(両対数)

18

10

100

1000

10000

1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

界面電界強度(V/cm)

実効

移動

度(cm2/

Vs)

HFETMISHFET(t=5nm)(t=3nm)(t=2nm)

(Hole)

Si MOS(Electron)

表面散乱モデル

ゲート高電界 ダメージの有無に関わらず

移動度の低下

[Si MOSFETと比較] 高電界で表面ラフネス散乱

による移動度の低下

AlGaN/GaN界面にも 同様な散乱がある。

Ohno&Ao Laboratory

その他GaN系FETのチャネル電子移動度

19

測定したHFETの組成

■以下の組成のHFETのチャネル電子移動度を測定・比較する

組成1 組成2 組成3 組成4 組成5 エピメーカ 注釈

1 GaN(5nm) AlGaN(25nm) GaN(3μm) buffer sapphire POWDEC

2 GaN(5nm) AlGaN(25nm) GaN(8μm) buffer sapphire POWDEC

3 GaN(5nm) AlGaN(25nm) GaN(10μm) buffer sapphire NTTAT

4 AlGaN(15nm) n-AlGaN(3nm) GaN(2μm) buffer sapphire POWDEC

5 AlGaN(15nm) n-AlGaN(3nm) GaN(2μm) buffer SiC POWDEC

6 AlGaN(25nm) GaN(4μm) buffer sapphire リセスMIS用

Ohno&Ao Laboratory

実効移動度の表面電界依存性(両対数)による比較

20

GaN層厚さ

n-AlGaN,結晶基板

リセスエッチング

Ohno&Ao Laboratory

GaN層厚さによる移動度の比較

■厚いGaN層

→結晶性が良い

→高い移動度

21

測定サンプル:HFET

Ohno&Ao Laboratory

n-AlGaN層、結晶基板による移動度の比較

■n-AlGaN

→n-AlGaN層は低電界での移動度が低い

→不純物によるクーロン散乱

■結晶基板

→Sapphire > SiC

22

測定サンプル:HFET

Ohno&Ao Laboratory

リセスエッチングによる移動度の比較

■エッチング

エッチングによるダメージが入り、低電界時の移動度が低下

■AlGaN膜厚が0nm

→MOSFET

→低電子移動度

23

測定サンプル:HFET MISHFET

Ohno&Ao Laboratory

本研究のまとめ

◆ チャネル電子移動度の正確な導出 ■ 界面準位等の影響を受けない移動度測定

◆ ゲートリセスエッチングMIS-HFETによる解析 ■ 2次元電子ガスの移動度はHFETでもMIS-HFETでも変化無し

■ AlGaN層薄層化のエッチングでダメージが入り2 , 3割減少

■ AlGaNゲート高電界ではダメージにかかわらず移動度の低下

◆ その他GaN系FETチャネル電子移動度 ■様々なGaN系FETのチャネル電子移動度を測定し、比較

24

Ohno&Ao Laboratory

25

Ohno&Ao Laboratory

移動度の導出方法

26

Vg

ＩＤ

0

B

A

μFE

Vth

μeff

Vg

ＩＤ

0 Vg

ＩＤ

0 Vg

ＩＤ

0

B

A

μFE

Vth

μeff

DGFE VC

GmWLμ 1

=

ch

D

DV

V G

V

V GM

Deff Q

IWVL

Cdv

dvG

WVL

G

T

G

T ==∫∫

µ

μFE : 電界効果移動度 →測定したC,Gmを用いる。

μeff : 実効移動度 →しきい値点からゲートバイアス 点までC.Gmを積分した値を用いる。

Ohno&Ao Laboratory

2DEGキャリア移動度モデル

◆散乱要因 ■フォノン

■結晶欠陥、不純物イオン • 高濃度2DEGによるポテンシャル遮蔽効果

– 高Vgで減少

■表面衝突 • 熱速度で走る電子が電界で界面に衝突

– 高Vgで増大

++=

surfdefectphonon τττqm

μ1111

Matthiessen rule

( )mqEvτsurf

02=m

kTv =0

time

x

ES

τsurf

ES

10

100

1000

10000

1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

界面電界強度(V/cm)

実効

移動

度(cm2/

Vs)

HFETMISHFET(t=5nm)(t=3nm)(t=2nm)

(Hole)

Si MOS(Electron)

表面散乱モデル

Ohno&Ao Laboratory

Si MOSFET中の移動度

28