E VEC

Δ V

_SUB

ψ

_FE 暗状態での電子濃度に反比例

⇒高抵抗な基板は光応答が顕著

I _D -V _G 特性の温度依存性と光照射の影響

ウエハ

1(

高抵抗

GaN

バッファ層

=

光応答が顕著

)

上の

HFET

-8 -6 -4 -2 0 2

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

V

_D=0.1V

L

_G=2µm

W

_G=50µm

Drain C urrent(A)

Gate Voltage(V)

25℃

50℃

75℃

100℃

125℃

150℃

175℃

200℃

Temperature 25℃ to 200℃

at 25℃ step

In the Dark at 25℃

-8 -6 -4 -2 0 2

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

V

_D=0.1V

L

_G=2µm

W

_G=50µm

25℃

50℃

75℃

100℃

125℃

150℃

175℃

200℃

Temperature 25℃ to 200℃

at 25℃ step

Drain Curren t(A)

Gate Voltage(V)

暗状態 光照射時 ( 白熱電球 )

+0.28meV +3.44meV

温度上昇によるしきい値電圧変動のメカニズム

E

_C

E

_V

Δ Ψ

_S

ΔV

_TH

V

_TH

t

_AlGaN

x

_I

Ψ

_F

基板ポテンシャルの変動

Si nMOSFET

浅いアクセプタ濃度により決まるた め、必ず下向き

⇒しきい値電圧は負方向 半絶縁性

GaN

基板上

HFET

深い準位の電子占有率により向き と大きさが決まる

⇒しきい値電圧は正方向にも負方 向にもなり得る

チャネル部ポテンシャルの変動

しきい値電圧時のチャネル濃度を 一定に保つように変動

⇒ポテンシャルは常に上昇 しきい値電圧変動は負方向 光の有無に関係しない

暗状態での基板ポテンシャルの変動

電荷中性により深い準位の電子占有率は一定

フェルミ

-

ディラック分布

深い準位の電子占有率により基板 ポテンシャルの変動量、向きが決まる

f

_T

<0.5 Δ V

_SUB

=

上向き

f

_T

>0.5 Δ V

_SUB

=

下向き

しきい値電圧の温度依存性が正方向

深い準位の電子占有率が非常に小さい

イオン化層幅が薄い

=

深いアクセプタがチャネル近傍まで存在

( )

T T D

T T

D

N

f N n

p f

N N

q

Q = − + − = 0 ⇒ =

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛ −

⇒

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ − Ψ

+

=

T T SUB

F T

T

f

k f dT

dV kT

q

f E 1

ln exp

1

1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -0.4

-0.2 0.0 0.2 0.4

∆ V

SUB

/ ∆ T (mV/deg.)

f

_T

光照射時の基板ポテンシャルの変動

温度上昇により熱平衡状態での電子濃度が増加

光照射による基板ポテンシャルの変動量が減少

光照射によりしきい値電圧は負方向にシフト 温度上昇によりその変動量が減少

しきい値電圧の温度依存性は正方向

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ − Ψ

−

= kT

q N E

n

_{0 C}

exp

^{C0 FE}

0 1

ln

0

⎟⎟ ⇒

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ + ∆

=

∆ n

kT n

V

_SUB

まとめ

光照射や温度変化による

AlGaN/GaN HFET

しきい値電 圧の変動は基板ポテンシャルの変動により起きる

深い準位による補償を行った高抵抗

GaN

バッファ層上の

AlGaN/GaN HFET

はしきい値電圧の光応答が顕著とな る

しきい値電圧の温度依存性は、深い準位の電子占有率 により向きおよび大きさが決まる

高耐圧化のためには

GaN

バッファ層を半絶縁性にする必 要があるが、チャネル近傍まで深い準位が存在すると不 安定現象の要因となる

GaN/AlGaN/GaN ゲート構造

紫外線フォトトランジスタ

AlGaN/GaN HFET の受光デバイスへの応用

紫外線照射により電子正孔対が生成 ワイドバンドギャップ

GaN=3.39eV

⇒

365nm

以下の紫外線に感度を有する キャリアの寿命が長い

チャネル近傍でのホールの蓄積

⇒ドレイン電流が増加、紫外線の検出 意図的にホールを蓄積する領域を形成

⇒

UV

フォトトランジスタ

紫外線受光素子の需要と課題

高感度

UV

受光素子の需要が拡大

オゾン層破壊による健康被害の増加

UV

発光素子と組み合わせた殺菌・紙幣判別 ガスコンロの燃焼制御

UV

センサデバイスの現状

Si

デバイス

紫外線の感度が低い・フィルタによるロス

⇒低感度、低出力

化合物半導体

(AlN

、

AlGaN)

ダイオード

⇒大面積、暗電流の低減が課題

GaN/AlGaN/GaN ゲート構造 UV フォトトランジスタ

構造

AlGaN/GaN HFET

と同様 ゲート下部に

GaN

キャップ層 動作原理

GaN/AlGaN/GaN

界面に光励 起されたホールを蓄積

しきい値電圧が変動しチャネ ル電荷が増加

特徴

増幅効果

高効率であるため小面積 低ゲートリーク電流

UV

Gate GaN AlGaN GaN

2DEG

デバイス構造とプロセス工程

ウエハクリーニング 素子間分離

ICP-RIE Cl

₂

60nm

オーミック電極部のリセスエッチング

ICP-RIE SiCl

₄

23.4nm

オーミック電極形成・熱処理

Ti/Al/Ti/Au N

₂

800ºC 30s

ゲート電極形成

Ni/Au

金メッキ

c-Sapphire

Buffer

i-GaN 3µm

AlGaN x=0.25 12nm

GaN Cap 16nm

Active area:600µm

²

Gate

Drain Source

12µm 50µm

ドキュメント内 窒化ガリウム系電界効果型トランジスタの 光応答とその応用に関する研究 (ページ 30-40)