AlGaN/GaNヘテロ接合界面トラップのコンダクタンス法解析

Analysis of interface traps in AlGaN/GaN heterojunction

by conductance method

2014年秋季 第75回 応用物理学会学術講演会

東工大フロンティア研 1 , 東工大総理工 2,○馬場俊之 1, 川那子高暢 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

Tokyo Institute of Technology

2

パワーデバイスとGaNの利点

項目 Si GaN

バンドギャップ (eV) 1.1 3.4

電子移動度 (cm2/Vs) 1400 1200

絶縁破壊電界 (MV/cm) 0.3 3.3

電子飽和速度 (cm/s) 1.0 × 107 2.7 × 107

熱伝導度 (W/cmK) 1.5 2.0

パワーデバイスの高効率化は省エネに大きく貢献

パワーデバイスの利用

電気自動車

鉄道

パワーコンディショナー

白物家電

PC

送電システム

ワイドバンドギャップ半導体に注目が集まる

優れた物性値

→高耐圧、低オン抵抗、高温動作、小型化

Si(111)基板上に結晶成長可能→大口径化、安価

AlGaNとのHEMT構造による高い移動度と高密度な2DEG

→高速動作、大電流・大電力動作

AlGaN/GaNパワーデバイスに注目

デバイスを試作し、AlGaN/GaN界面のトラップを解析する

3

研究目的（界面トラップ評価）

AlGaN/GaN HEMTの課題

信頼性

電流コラプス現象オン抵抗、リーク電流の不安定性

トラップが原因

閾値制御

ヘテロ構造によるノーマリーオン特性

コンタクト抵抗低減

現状は面積比抵抗(ρc)10-5Ωcm2程度

GaN基板の品質

GaN基板の品質がデバイス特性に影響

デバイスを試作し、電気特性からのトラップ評価を行った

トラップを低減するためには、トラップの量と性質を評価する技術が必要

しかし

トラップ評価技術は未だ確立されていない

そこで

今回の発表内容

4

デバイス試作手順

SPM, HF 洗浄

i-Al0.25Ga0.75N(25nm)/i-GaN(1mm) on buffer/Si(111)

RIE (Cl2系) メサ分離

SPM 洗浄、 SiO2 のBHFエッチング

BHFによるS, Dコンタクト穴あけ

Metal 堆積 (Sputtering)

TiN(50nm)/Al(60nm)/Ti(50nm)

TEOS-SiO2堆積

Si(111) Substrate

Buffer layer (1μm)

GaN (1μm)

Al0.25Ga0.75N (25nm)

TEOS SiO2TEOS-SiO2堆積

RIE（Cl系）でS, Dコンタクト形成

Si(111) Substrate

Buffer layer (1μm)

GaN (1μm)

Al0.25Ga0.75N (25nm)

TiN/Al/Ti

TiN/Al/Ti

TiN

Metal 堆積 (Sputtering) TiN(50nm)

RIE（Cl系）でGコンタクト形成

アニ－ル温度 950℃ 30 s （N2 雰囲気中）

アニ－ル温度 300℃ 10 min （F.G雰囲気）

5

C-V特性の周波数依存性 (RT)

空乏領域の周波数分散→ 界面トラップによる影響

コンダクタンス法によって界面トラップを解析

AC小信号によりEF付近のトラップが応答

TiN

AlGaN

GaN

Ef

Ec

Ei

Ev-1.E-12

0.E+00

1.E-12

2.E-12

3.E-12

4.E-12

5.E-12

6.E-12

7.E-12

8.E-12

9.E-12

-5 -4.5 -4 -3.5 -3

Cap

acit

an

ce (

F)

Gate voltage (V)

10 kHz

2 MHz

空乏領域 蓄積領域

-4.5 -3.5-5 -4 -3-1.0

-0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

(x 10-12)

0.0E+00

1.0E-07

2.0E-07

3.0E-07

4.0E-07

5.0E-07

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

Gp

/ω (

F/c

m2)

Frequency (Hz)

6

コンダクタンスからのFlat band電圧決定法

赤いピーク→ 蓄積状態の2DEGが応答

青ピーク→ 空乏状態の

界面トラップが応答

ピーク強度の変化が赤と青で異なる境目がフラットバンド

𝑉fb = −4.10V

1

𝐶fb=

1

𝐶AlGaN+

𝑘𝑇

𝜀GaN𝑞2𝑁d 𝑁d = 2.0 × 10

14 cm−3

Vg = -3.80 V

-4.10 V-4.15 V

-4.80 V

0.0

1.0

2.0

4.0

5.0

3.0

(x 10-7)

104 105 106

Gp

/ω (

F/c

m2)

𝐺P𝜔=

𝜔𝐺m𝐶AlGaN2

𝐺m2 + 𝜔2(𝐶AlGaN − 𝐶m)

2

界面トラップは単一エネルギー準位

7

FittingによるDitと τitの抽出

測定データ

Fitting式

𝐺P𝜔=

𝑞𝜔𝜏it𝐷it1 + (𝜔𝜏it)

2

𝐺P𝜔=𝑞𝐷it2𝜔𝜏it

ln 1 + (𝜔𝜏it)2

（単一エネルギー）

（連続エネルギー） 界面に離散的な欠陥が存在

0.0E+00

5.0E-08

1.0E-07

1.5E-07

2.0E-07

2.5E-07

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

Gp

/ω (

F/c

m2)

Frequency (Hz)

Vg = -4.15 V

Fittingデータ

単一エネルギー

連続エネルギー

1060.0

0.5

1.0

1.5

2.5

2.0

(x 10-7)

104 105

Gp

/ω (

F/c

m2)

0.0E+00

5.0E-08

1.0E-07

1.5E-07

2.0E-07

2.5E-07

1.E+04 1.E+05

Gp

/ω (

F/c

m2)

Frequency (Hz)

Vfb=-4.10 V

Vg=-4.15 V

-4.8 V

0.5

1.0

1.5

2.5

2.0

(x 10-7)

104

Gp

/ω (

F/c

m2)

105

𝐺P𝜔=

𝜔𝐺m𝐶AlGaN2

𝐺m2 + 𝜔2(𝐶AlGaN − 𝐶m)

2

0.0

1.E-06

1.E-05

2.65E+12

2.70E+12

2.75E+12

2.80E+12

-5 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4

Tim

e c

on

sta

nt (s

)

Dit

(cm

-2e

V-1

)

Gate voltage (V)

8

界面準位密度と時定数

τit =3.14 × 10−6~4.10 × 10−6 s

Dit=2.735 × 1012~2.780 × 1012 cm-2eV-1

空乏層が広がるにつれて時定数が低下

エネルギー的に深くなるとトラップ距離が長くなるため時定数は大きくなるはず

しかし

𝜏it =1

𝑣th𝜎n𝑁dexp(−

Φs𝑘𝑇)

ドープ濃度が変化

空乏層が広がる方向

-5 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4

[1] P. Zhao, Microelectronic Engineering 83 (2006) 61-64

[1]

(x 10-12)

2.80

2.75

2.70

2.65

Dit

(cm

-2eV

-1)

10-6

10-5

Tim

e c

on

sta

nt (s

)エネルギー的に深い方向

-12.44

-12.43

-12.42

-12.41

-12.4

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005

ln(τ

) (s

)

Surface potential (eV)

界面トラップ捕獲断面積

𝜏it =1

𝑣th𝜎n𝑁dexp(−

Φs𝑘𝑇)

𝜎n = 4.9 × 10−17 cm−2

時定数と表面ポテンシャルの関係

捕獲断面積

9

これまでの報告 [2]

𝜎n1 = 4.992 × 10−18 cm−2

𝜎n2 = 2.585 × 10−21 cm−2

𝜎n3 = 1.256 × 10−20 cm−2

[2] L. Semra, et al, Surf. Interface Anal. 2010, 42, 799-802

-4.15 V

Vg = -4.1 V

-0.01-0.02 -0.015 -0.005-0.025

-12.44

-12.43

-12.42

-12.41

-12.40

𝑣th = 2.6 × 107 cm/s

𝑁d = 2.0 × 1014 /cm3

完全に空乏化したVg（-4.15 V）より蓄積領域寄りのVg（-4.1 V）を使って捕獲断面積を求める

ln(τ

) (s

)

電子をトラップしやすい

報告されたトラップと異なる性質

電子をトラップしやすい

表面ポテンシャルとドープ濃度の関係

𝜏it =1

𝑣th𝜎n𝑁dexp(−

Φs𝑘𝑇)

𝜎n = 4.9 × 10−17 cm−2

時定数と表面ポテンシャルの関係

10

GaNの空乏層が広がるにつれてNd増加

GaN表面から内部にかけてドープ濃度が増加

(x 1014)

時定数からNdを求める

𝑣th = 2.6 × 107 cm/s

1.5E+14

2.0E+14

2.5E+14

3.0E+14

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0

Nd

(cm

-3)

Surface potential (eV)

-0.0-0.02-0.04-0.06-0.081.5

2.0

2.5

3.0

Nd

(cm

-3)

まとめ

コンダクタンス法を用いて、AlGaN/GaN界面トラップを解析した。

Gp/ω の変化からフラットバンド電圧を決定した。

界面準位（Dit=2.735 × 1012~2.780 × 1012 cm-2eV-1 ）は、

エネルギー的に深い位置に向かうにつれて減少傾向にある。

界面準位は捕獲断面積𝜎p = 4.9 × 10−17 cm−2のトラップであること

がわかった。

GaN表面から内部に向かってドープ濃度が増加している。

11

今後の予定

AlGaN内部のトラップ解析

コンダクタンス法

𝐶AlGaN

𝐶it

𝐺it𝐶GaN

𝐶AlGaN

𝐺P 𝐶P 𝐺m𝐶m

等価回路 測定回路

空乏領域においてMOSキャパシタは簡単な等価回路で置き換えられる

S

GaN

AlGaN

2DEG

𝐶it → キャリアの捕獲と放出

𝐺it → 捕獲・放出によるエネルギーロス

トラップによる影響

界面準位密度 ： 𝐷it =𝐶it

𝑞2

𝐶m, 𝐺m（測定データ）から𝐺Pを求める

𝐺Pは𝐶itで表されるため、𝐺Pから𝐷itを見積もる

手順

DG

コンダクタンス法を用いた界面評価

単一エネルギートラップの応答

連続エネルギートラップの応答

表面ポテンシャルの揺らぎ考慮

𝐺P𝜔=

𝑞𝜔𝜏it𝐷it1 + (𝜔𝜏it)

2

𝐺P𝜔=𝑞𝐷it2𝜔𝜏𝑖𝑡

ln 1 + (𝜔𝜏it)2

𝐺P𝜔=𝑞

2 −∞

∞ 𝐷it𝜔𝜏𝑖𝑡

ln 1 + 𝜔𝜏it2 𝑃 𝜓𝑠 𝑑𝜓𝑠 トラップの分布によって

ピークの形が異なる

𝑃 𝜓𝑠 =1

2𝜋𝜎2𝑒𝑥𝑝 −

(𝜓𝑠 − 𝜓𝑠)2

2𝜎2

Dieter K. Schroder, Seimiconductor Material and Device Characterization