Conduction Mechanism at Low Temperature of 2-Dimensional Hole Gas at GaN/AlGaN Heterointerface （低温におけるGaN/AlGaN ヘテロ界面の2 次元正孔ガスの伝導機構）

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

2014/03/19 応用物理学会 2014年春季学術講演会 ○

_{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.}

AlGaN/GaN Based HEMT with Thin AlN Insertion

G

S

D

AlGaN

GaN

Sub.

2DEG P_PE P_SP P_SP 分極の導入より 1)高濃度 2)高移動度 SP: 自発分極 PE: ピエゾ分極

Ⅲ族－窒化物半導体

1)広いバンドキャップ

2)高い移動度

AlN

AlNの導入より合金散乱が

抑制され移動度が向上する

Si 4H-_SiC AlGaN/_{GaN AlN/GaN}AlGaN/

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[107_{cm/s] 1.0 2.0 2.5} 電子移動度[cm2_{/Vs] 1500 1000 1200 >2000} 正孔移動度 [cm2_{/Vs] 600 115 NA NA} 熱伝導率[W/cmK] 1.5 4.9 2.1

AlGaN/AlN/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）

AlGaN

GaN

AlGaN

Metal

GaN

Sub.

格 子 定 数 の 差 引張ひずみ

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

Kim, Hyeongnam, et al. Applied Physics Letters 86.14 (2005): 143505-143505.

AlN

AlN

Gate metal AlGaN AlN GaN 2DEG E_fm E_C

界面およびその近傍のトラップの測定方法

*

( )

E

2m E

(

_Cox

E

) /







h

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

界面近傍のトラップ：

t

_bt

=

t

₀

exp(2



x)

F.P. Heiman et al., IEEE TED, 12(4) 167-178(1965)

■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）

tunneling

Gate

matel

AlGaN

AlN

GaN

2DEG

E

_fm

E

_C AlGaN/AlN GaN depletion C_it R_it

 

2

1

_it it it P

qD

G

t

t







■単一エネルギーのトラップの応答

■

連続エネルギーのトラップの応答

 



2



1

ln

2

_it it it P

qD

G

_t

t















 

   _     S S it it it P q D _{P d} G _{t  } t  2 1 ln 2 ■

表面ポテンシャルの揺らぎを考慮

 





_       _   ₂ 2 2 exp ₂ 2 1      S S S P

high-k/SiO

₂

/Siの界面準位の場合

コンダクタンスピークからトラップの時定数を抽出

容量の周波数特性：Conductance法を用いた界面評価

Mamatrishat, M., et al. Microelectronics Reliability 52.6 (2012): 1039-1042. 101 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5 ₁₀6 ₁₀7 2.5 2 1.5 0.5 1 0 3 5 4 3 2 1 0

Frequency (Hz)

G

p

/



(F/

cm

2

)

(x 10-9₎ (x 10-6₎ SiO₂/Si La-Silicate/Si SiO₂では 測定されな かったピーク E-E_i = 0.12 eV high-k/SiO₂

研究目的と測定した試料

コンダクタンス法を用いて

AlGaN/AlN/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

Metal Buffer layer (1m) Al_0.25Ga_0.75N (25nm) Si(111) Substrate GaN(1m) TiN /Al /Ti TiN /Al /Ti 2DEG TEOS-SiO₂ AlN (1nm) ド レ イ ン 電 流 A 1×10-2 1×10-3 1×10-4 1×10-5 1×10-7 ゲート電圧V 1×10-6 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 V_d=0.1V V_d=0.05V ドレイン電圧V ド レ イ ン 電 流 A 1×10-4 8×10-3 6×10-3 4×10-3 0 2×10-3 2 4 6 8 10 V_g=-3V V_g=-4V V_g=-2V V_g=-1V Vg=0V V_g=1V

測定周波数を変えた場合のゲート容量-ゲート電圧特性

-6 -5 -4 -3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Gate voltage V

_g

(V)

Capacitance

(



F/cm

2

)

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

1kHz 1.8 MHz 空乏領域 反転領域

空乏領域のコンダクタンススペクトル

Symbol: data Dash line: model

Frequency(Hz) G p /w (F/ cm -2 ) 1×10-6 8×10-7 6×10-7 4×10-7 2×10-7 ０ 102 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5 ₁₀6 ₁₀7 Vg = - 3.9 V - 4.0 V - 4.1 V 𝐺_𝑃 𝜔 = 𝑞 2 _−∞ ∞ _𝐷 𝑖𝑡 𝜔𝜏_𝑖𝑡ln 1 + 𝜔𝜏𝑖𝑡 2 𝑃 𝜓𝑆 𝑑𝜓𝑆 =0でfitting 104_～105 _Hz 2種類のトラップが存在する 遅い時定数のトラップ 106_～107 _Hz 早い時定数のトラップ

空乏領域ではAlGaN/AlN/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

トラップの時定数と量のゲート電圧依存性

GaN AlN AlGaN

 2つのピークはAlGaN/AlN界面に存在するトラップ

と

AlN/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

Vg (V) -4.2 -4.1 -4.0 -3.9 -3.8 t (s) 1×10-4 1×10-5 1×10-6 1×10-7 1×10-8 slow trap fast trap Vg (V) D it (c m -2 eV -1 ) 1×1014 1×1013 1×1012 1×1011 -4.2 -4.1 -4.0 -3.9 -3.8

反転領域のトラップ分布の推定方法

wt<1⇒t_bt=t₀e2x < 1/2f

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)

x = 0

G

● ● ● ● ● ● x = t_ox 𝑥_𝑃 𝑓 < 1 2𝜅ln 1 2𝜋𝑓𝜏₀ レスポンス条件を満たす上で数値計算 Buffer layer (1m) Al_0.25Ga_0.75N (25nm) Si(111) Substrate GaN(1m) AlN (1nm) x = 0

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

低い周波数：AlNやAlGaN内部トラップも応答 高い周波数：AlN近傍の内部トラップのみ応答

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: 周波数f-Δ_{fの交流の場合:} x = 0 x = x₁ x = t_ox C_{g_2} C_{ox_1} x = 0 x = x₂ C_{g_1} C_{g_2}’ _{Cg_1}’

Input parameters  C_tot(w), C_ox, t_ox, t₀, 

x = t_ox 𝑥₁ = 1 2𝜅ln 1 2𝜋𝜏₀𝑓,𝐶𝑔_2 = 𝑡_𝑜𝑥 𝑡_𝑜𝑥 − 𝑥₁ 𝐶𝑜𝑥, 1 𝐶_{𝑔_1} = 1 𝐶_𝑡𝑜𝑡 − 1 𝐶_{𝑔_2} 𝐶_{𝑔_2}′ = 𝑡𝑜𝑥 − 𝑥1 𝑡_𝑜𝑥 − 𝑥₂ 𝐶𝑔_1′ , Δ𝐶𝑏𝑡 = 𝐶𝑔_1 ′ ₋ 1 1 𝐶_{𝑔_1} + 𝐶1_𝑜𝑥 ∙𝑥2𝑡− 𝑥_𝑜𝑥 1 1 2 1 2 Δ𝐶 0.325 0.33 0.335 0.34 0.345 0.35 Capacitance (  F/cm 2 ) Vg = -3.5 V -3.4 V -3.3 V -3.2 V -3.1 V -3.0 V 直列抵抗 補正済

トラップ量と存在位置の推定結果

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 x 10-9 -3.6 -3.4 -3.2 -3 -2.8 -5 0 5 10 15 x 1020 Depth (nm) Vg (V) N bt (cm -3 eV -1 ) ~ 10 21 _cm-3_eV-1 ~ 1020 _cm-3_eV-1  = 2. 5 nm-1 t₀ = 10-10 _s

 高い境界トラップ濃度、

N

_bt

=10

21

_cm

-3

_eV

-1

_{がAlN/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

Buffer layer (1m) Al_0.25Ga_0.75N (25nm) Si(111) Substrate GaN(1m) AlN (1nm) N bt (× 10 20 cm -3 eV -1 ) 0 5 10 15 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Depth (×10-9_nm) Vg =‐3Vのとき x = 0

まとめ

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/AlN界面に存

在するトラップと

AlN/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/AlN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

AlGaN/AlN/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

謝辞

ここからはバックアップです。

デバイスの試作

SPM and HF cleaning

i-Al_0.25Ga_0.75N(25nm)/i-GaN(1m) on buffer/Si(111)

Mesa isolation (RIE with Cl₂) Patterning and BHF

for SiO₂ etching

SPM and BHF for SiO₂ etching

Patterning and BHF for S/D contact opening

Metal deposition (Sputtering) TiN(50nm)/Al(60nm)/Ti(50nm) Oxide deposition (plasma-TEOS)

Oxide deposition (plasma-TEOS)

Buffer layer (1m) Al_0.25Ga_0.75N (25nm) Si(111) Substrate GaN(1m) TiN /Al /Ti TiN /Al /Ti TEOS-SiO₂ 2DEG AlN (1nm) Buffer layer (1m) Al_0.25Ga_0.75N (25nm) Si(111) Substrate GaN(1m) AlN (1nm)

デバイスの試作

18 Annealing in N₂ at 950 o_{C for 30 sec}

Oxide deposition (plasma-TEOS) Patterning and BHF

for gate opening

Gate patterning

Gate metal (TiN)

deposition (Sputtering)

Contact opening (Buffered HF) SPM and HF cleaning FGA (H₂ : N₂ = 3% : 97%) for 10min Metal Buffer layer (1m) Al_0.25Ga_0.75N (25nm) Si(111) Substrate GaN(1m) TiN /Al /Ti TiN /Al /Ti 2DEG TEOS-SiO₂ AlN (1nm)

Patterning and RIE with Cl₂ for S/D contact

Measurement：CV,IV,Gp/,Current collapse

-6x10-3 -4 -2 0 2 4 6 C urrent [ A] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Voltage [V] 950 o_C 30sec in N₂ 500 o_C 80m 150m 300m 80m 150m 300m TiN(50nm) /Al(60nm) /Ti(50nm)

N bt (× 10 20 cm -3 eV -1 ) 0 5 10 15 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Depth (×10-9_nm)

Frequency(Hz) G p /w (F/ cm -2 ) 1×10-6 8×10-7 6×10-7 4×10-7 2×10-7 ０ 102 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5 ₁₀6 ₁₀7

Vg (V) D it (cm -2 eV -1 ) 1×1014 1×1013 1×1012 1×1011 -4.2 -4.1 -4.0 -3.9 -3.8 Vg (V) -4.2 -4.1 -4.0 -3.9 -3.8 t (s) 1×10-4 1×10-5 1×10-6 1×10-7 1×10-8 slow trap fast trap

Si 4H-_SiC AlGaN/_{GaN AlN/GaN}AlGaN/ 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[107_{cm/s] 1.0 2.0 2.5} 電子移動度[cm2_{/Vs] 1500 1000 1200 >2000} 正孔移動度 [cm2_{/Vs] 600 115 NA NA} 熱伝導率[W/cmK] 1.5 4.9 2.1

Gate metal AlGaN AlN GaN 2DEG E_fm E_C Gate matel AlGaN AlN GaN 2DEG E_fm E_C

tunneling

Gate

matel

AlGaN

AlN

GaN

2DEG

E

_fm

E

_C

ド レ イ ン 電 流 A 1×10-2 1×10-3 1×10-4 1×10-5 1×10-7 ゲート電圧V 1×10-6 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 V_d=0.1V V_d=0.05V

ドレイン電圧V ド レ イ ン 電 流 A 1×10-4 8×10-3 6×10-3 4×10-3 0 2×10-3 2 4 6 8 10 V_g=-3V V_g=-4V V_g=-2V V_g=-1V V_g=0V V_g=1V

AlGaN/AlN GaN depletion