独創的研究支援プログラム

窒化物半導体によるミリ波用トランジスタの研究

�� （極�高速電子デバイス研究��）

１．はじめに

情報通信の大容量化・高度化に伴い，ミリ波，更にはサブミリ波帯で動作する電子デバイスには動作周波数と共に，高耐圧への要求も大きくなっている。

一般にこれらの周波数帯に応用されているインジウム燐（InP）系デバイスは，耐圧が低いという欠点がある。この現状を打破する手段として，高耐圧特性に優れ，かつマイクロ波帯への応用が既に進んでいる窒化物（GaN）系半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（HEMT: High Electron Mobility

Transistor）をミリ波等，更なる高周波帯域へ拡張

することが考えられる。

GaN系材料は電子の飽和速度が高いため，材料特性の見地から高周波特性にとって有利であることが知られている。反面，電子移動度が1500cm²/V.s程度とGaAsに比べて低いため，効果的に電子を加速させるためのデバイス構造が他の材料系以上に求められる。これまでGaN系HEMTでは，トランジスタの遮断周波数は約200GHzにとどまっている。

ミリ波帯の中でも今後の研究領域として重要になってくるであろう 100GHz 以上の帯域への応用を考えると，最大発振周波数で300GHz以上を実現することが望まれる。

以上の背景から，本研究ではGaN系HEMTにおいて最大発振周波数(fmax)で300GHz 以上を実現し，また，トランジスタのオフ状態耐圧(BVoff)との積，fmax・BVoffにおいてInP系HEMTを上回る特性を実現することを目的とする。

図1．AlGaN/GaN HEMTのドレイン電流（I_d）-ドレイン電圧（V_ds）特性（DC I_d-Vds，及び，パルスId-Vds特性）

２．実験

2.1．SiCN絶縁膜を用いたAlGaN/GaN MIS HEMT 構造の検討

昨年度の研究により，AlGaN/GaNヘテロ構造を用いたHEMTの基本プロセスは確立した。しかし同時に，トランジスタ特性において2つの大きな問題を確認した。ひとつは，ゲート電極における漏れ電流が大きいことである。これは図1において電流

−電圧曲線が原点からずれていることで確認でき，特にゲート電圧が大きくなるほど顕著となる。これはゲート電極がショットキー接合のため，順方向電流が流れるためである。もうひとつの問題は，ゲート入力をオフからオンにした直後のドレイン電流が，

静特性から予測される電流値より大幅に低下する問題（電流コラプス）である。これは図1 において，

ゲートにパルス電圧を入力した場合の電流−電圧特性（Pulse）を静特性（DC）を比較することによって確認できる。電流コラプス現象はGaN系HEMT においてしばしば観測される問題で，半導体表面やゲート電極との界面における深い準位が関係していると言われている。

これらの問題を解決するために，ゲートに MIS

（Metal Insulator Semiconductor）構造を用いた AlGaN/GaN HEMT（図2）を検討した。GaN系 HEMTにおけるMISゲート用絶縁体薄膜としては，

一般にはSiNあるいはSiO2が用いられるが，半導体との良好な界面を形成するためには，O2プラズマ処理や N2O ラジカル処理などの前処理が必要であることが報告されている。

図2．SiCNを用いたAlGaN/GaN MIS HEMT

本研究ではゲート絶縁膜として HMDS（ヘキサメチルジシラザン）を気化導入したプラズマCVD 法によって堆積したSiCNを用いた。この堆積法では，350℃に加熱したステージ上に試料を設置して，

水素ガスをベースとしてHMDS蒸気を添加して反応室に導入し，RF 電力を印加してプラズマを発生させ，厚さ10nmのSiCNをAlGaN/GaN HEMT 基板上に堆積する［5］。本手法の利点は，水素ガスによる試料表面の清浄化効果が期待されることから，

他の前処理無しでも良好なMIS 界面が実現できる点である。

2.2．SiCN鋳型を用いたT型ゲート電極の形成ミリ波帯等の高周波領域では，ゲート抵抗が HEMT の最大発振周波数の律速要因となる。このためゲートを微細化に伴うゲート抵抗の増加を抑える手法としてT型ゲート電極を用いることが一般に行われている。一方でゲート長の微細化に伴い，T 型電極頭部が作る寄生容量がトランジスタの遮断周波数を律速する要因となることを，我々は確認している。このため，より細やかにT型ゲート電極の断面形状を制御することを目的として，SiCN薄膜を鋳型として用いる新たな電極形成プロセス技術を提案した。具体的には，試料上にエッチング特性が異なるSiCNを連続的に堆積してゲート断面形状に加工した「鋳型」を作製して電極金属を流し込む（図 3）。SiCNの堆積は，水素とアンモニアの混合ガスをベースとしてHMDS蒸気を添加したガスを用いたプラズマCVD法により行う。この水素とアンモニアの混合比によって成膜されるSiCNへの炭素の含有率が変わってくるため，エッチング特性が異なる薄膜が生成できる。

図3. SiCN鋳型を用いたT型ゲート形成の流れ

図4．AlGaN/GaN MIS HEMTのId-Vds特性

３．結果

3.1．AlGaN/GaN MIS HEMTの特性

図4に試作したAlGaN/GaN MIS HEMTの電気特性の評価結果を示す。図1に示したショットキーゲート型のHEMTと比較して，電流−電圧特性の曲線が原点を通っており，ゲート漏れ電流の低減が確認できた。また，ドレイン電流密度や伝達コンダクタンスが増加しており，それらのパルス測定下における劣化も抑制されている。これらの結果は，SiCN 絶縁膜の堆積により，ショットキーゲートに比べて良好な界面が実現され，ゲート入力によるドレイン電流の制御性が向上したと考えられる。その原因としてはSiCN堆積時の水素ガスによる表面清浄化効果が考えられることから，ショットキーゲートの形成においても，水素アニール等の前処理によって同様の効果が期待できることを示唆している。

ゲート長100nmのHEMTにおける電流利得の

周波数特性を評価した結果を図5に示す。電流利得遮断周波数は37GHzである。これは同じゲート長のショットキーゲート型HEMTと比較してSiCN MIS構造の導入によって約30％向上した。この遮断周波数とゲート長から見積もられる電子速度は約 0.3×10⁷cm/sと，予想される最大電子速度より一桁小さく，今後の更なる向上が期待される。

図5．AlGaN/GaN MIS HEMTの電流利得の周波数特性

形状1 形状2

図6．SiCN鋳型の構成と断面形状，及び，ゲート電極形状

3.2．SiCN鋳型によるT型ゲート電極

平成22年度は，提案したT型ゲート電極形成手法の効果を実証すべく，3層のSiCNによって校正される鋳型を作製し，InP系HEMTに適用した。

その結果，SiCN 鋳型によるゲート電極断面形状の違いと，それに伴うトランジスタ特性への効果を確認することが出来た。しかし，完成したゲート電極の断面は，ほとんど矩形に近いものと従来の工法によって形成される形状とほぼ変わらないものであり

（図6），より緻密な鋳型の形状制御が必要であることが分かった。そこで，鋳型となるSiCN薄膜の堆積において，水素・アンモニアで構成されるベースガスの混合比を10段階に変化させて，組成の異なる10層のSiCNからなる鋳型を形成し，エッチングによる加工を行った。新たに作製した鋳型の断面 SEM写真を図7に示す。昨年度の3層SiCNと比較して，より理想に近いゲート断面構造を反映した鋳型が形成できることを確認した。また，本意多賀を用いて作製したゲート電極の断面を図8 に示す。

従来の工法と比較して，よりなめらかな曲線形状を持つ電極を形成することが可能となった。

４．まとめ

窒化物半導体によるミリ波トランジスタの実現に向けて，SiCNを用いたAlGaN/GaN MIS HEMT を検討した。その結果，昨年度と比較してゲート漏れ電流の低減とドレイン電流密度の向上を確認することが出来た。またT型ゲート電極の形成プロセス

については，SiCN 鋳型を用いてより緻密に電極断面構造を制御することが可能であることを確認した。

図7．多層SiCN鋳型の断面形状

図8．多層SiCN鋳型によるT型ゲート電極の断面

謝辞

窒化物系半導体プロセス用装置を使用させて頂いた東北大学金属材料研究所の松岡隆志教授はじめ研究室の方々に感謝する。また本研究の一部は，ナノ・スピン実験施設の設備を用いて行われた。

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