博士（工学）鈴木 学位論文題名
敏
Silicon Interlayer Based Control of InP‑based Compound Semiconductor Interfaces and Its Application to Insulated Gate Transistors
（シリコン界面層によるインジウム燐系化合物半導体界面の制御とその絶縁ゲート形トランジスタヘの応用）
学位論文内容の要旨
本 格的 なマ ルチ メデイア時代に入 り、半導体電子デバイスに対 する小型化、高速化、
多 機 能化 が求 めら れている。これら の要求に応え、半導体電子デ バイスの材料として、
従 来 用い られ てき たシ リ コン(Si)以外 に、 電 子移 動度 が大 き いこ と、急峻なへテロ界 面 が 得ら れる こと 、様々な材料を組 み合わせることでその物性を 変化させることができ る こ とな ど、 優れ た特 性 を有 して いる こと から、ガリウム砒素(GaAs）、インジウム燐
（InP）に 代表 さ れるI・V族化合物半 導体が用いられるようにな った。特にInP系化合物 半 導 体は 、高 電子 移動度、高電子濃 度が得られること、光通信に 適したバンドギャップ を 有 して いる こと から 、 単一 マイ クロ 波集 積回路（monolithicmicrowaVeIC：MMIC）、
光・ 電子集積回路（optoelectronicIC：0EIC）などの次世代の電子デバイスの材料として注 目さ れている。
一 般に 、化 合物 半導体では、プレ ーナ集積回路の基本構成要素 である電界効果トラン ジス タ（FET）のゲート構造には 、Schottky接合とよばれる 金属―半導体接合が用いられ てい る。これは、絶縁体．化合 物半導体界面に存在する高密度の界面準位が、絶縁ゲート 形デ バイスの実現を妨げている ためである。しかしながら、InP系化合物半導体の障壁層 とし て用いられるInAlAsでも、 そのSchottky障壁高さはたかだか0．7eV程度と低く、ゲー ト漏 れ電流が大きいため、低消 費電力化の観点から高集積化 には限界があり、InP系化合 物半 導体電子デバイ゛スは、現 在まで限られた領域で用いられるにとどまっている。将来 のInP系化合物半導体集積回路を 発展させる上で、ゲート構 造に漏れ電流の極めて小さい 絶縁 体‐半導体接合をもつ、絶 縁ゲート形デバイスを実現することは必須の条件と考えら れる 。
本 論文では、絶縁体Iイヒ合物 半導体界面にSi超薄膜界面制御層を挿入するとぃう新しい ア プ ロー チに より 、その界面特性を 制御し、絶縁ゲート形電子デ バイスヘの応用を試み るも のである。具体的には、絶 縁体Iイヒ合物半導体界面の諸特性を詳細に分析、評価し、
界 面 制 御 を行 い 、絶 縁ゲ ート 形FETお よび 絶 縁ゲ ート 形高 電子 移 動度 トラ ンジ ス夕 （ HEMT）に 応用 して いる 。 また 、絶 縁ゲ ート 形 電子 デバ イス の 電気 特性を詳細に評価す る こ と で 、 界 面 準 位 と デ バ イ ス 特 性 の 相 関 を 明 ら か に し て い る 。 本 論 文 は 、 7章 か ら 構 成 さ れ て い る 。 以 下 に 各 章 の 要 旨 を 述 ぺ る 。
第1章で は、 本 研究 の歴 史的 背景 と 目的 を述 ぺる と とも に、各章の概要を 記した。
第2章で は、本研究 で用いた実験装置と実験方法 について述べている。章の 前半にお
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いては、絶縁体Iイヒ 合物半導体接合形成とその その場 評価に用いた超高真空試料作製 評価 シス テ ムと 構成 装置 に つい て説 明し てい る 。こ の超 高真 空試 料 作製 評価 シス テ ム は 、 半 導 体 成 長 に 用 い た 分 子線 エピ タキ シー(MBE)装 置 、絶 縁体 堆積 に用 い た光 励起 化 学 気 相 堆 積 （ 光CVD)装 置 、 半 導 体 の 表 面 化 学 状態 の 評価 に用 いた 光電 子 分光(XPS
）装 置が 超 高真 空搬 送チ ャ ンバ で接 続されている。章の後 半においては、半導体の表 面 状態 の評 価 に用 いた 光電 子 分光 法の 原理と、作製したデバ イスの電気的評価法につい て 説明している。
第3章では、絶縁体Iイヒ合物半導体界面の界面 制御法として用いた界面制 御層技術につ いて 説明 し てい る。 まず 界 面準 位の 引き起こす現象とその 起源に関するモデルとして 、 界面準位が界面にお ける結合の乱れに起因すると する統一DIGS (UnifiedDisorderInduced Gap Sate)モ デルのみが、観測 されている界面の振る舞いを 説明できることを指摘して い る。次にこのモデルに基づき、提案された超薄膜界面制御層(Interface Control LayerニICL
）の概念が説明され ている。超薄膜界面制御層は 、これを絶縁体−半導体界 面に挿入する こと によ り 、半 導体 から 絶 縁体 への 遷移を原子レベルで滑 らかにすることをその役割 と して いる 。 また 、絶 縁膜 と して 用い られたSi系絶縁膜と良 好な界面が形成できること か ら 、 超 薄 膜 界 面 制 御 層 に はSiを 用 い る こ と が 適 切 で あ る と 指 摘 し て い る 。 第4章 では 、実 際 のデ バイ スプ ロセ ス を想 定し 、Si ICL界 面制御技術を、一度大気 に さら したInGaAs、InAlAs表 面に 適用 した結果について述べ ている。一度大気にさらし た InGaAs、InAlAs表面 は、 そ れぞ れの 構成元素であるIn、Ga、Al、Asの自然酸化物が多 量 に存 在し て おり 、そ のま ま ではSiICL界面制御技術を適用 できないことから、SiICL形 成 前に これ ら の自 然酸 化物 を 取り 除く ための表面処理が検討 された。最も効果的な表面 処 理と して 、 窒素 雰囲 気中 に おい てフ ッ酸によるエッチング を施すと、Si超薄膜形成後 に は、 界面 に 酸化 物の 存在 し ない 清浄 な界面が得られること を光電子分光法により明ら か にし てい る 。さらにこの処理を 用いて作製したInGaAsMISダ イオード、InGaAs／InAlAs絶 縁ゲ ート 形HEMTダイ オー ド が良 好な 容量‐電圧特性を示し 、その界面準位密度が禁制 帯 中にU字形状を有し、 その最小値が10llcm．2eV．1以下まで低減可能であることを明らかに している。
第5章 では 、SiICL界面 制 御技 術のInGaAs絶 縁 ゲー ト形FETヘ応用した結果について 述 べて いる 。 ゲー ト長6umで相 互コ ンダ ク タン ス61mS/mm、 実効 移動 度3850cm2ルsと い う 良好 な特 性 を有 するInGaAs絶縁 ゲー ト形FETを作製するこ とに成功し、SiICL界面制御 技 術の 絶縁 ゲ ート 形デ バイ ス の実 現に 有効であることを示て いる。また、ドレイン電流 ド リフト特性から、界 面準位は10・4sから104sまで の広い範囲にわたる時定数 をもっことを 明らかにし、その機 構について検討している。さ らに、I−V特性、ドレイン 電流ドリフト 特性 、マ イ クロ 波特 性に お ける 界面 準位の影響について検 討し、それぞれの特性から 見 積もられる界面準位 密度が、全て1011cm．2eV．l台であること示し、界面準位がデバイス特 性 に 与 え る 影 響 が 定 量 的 に 矛 盾 な く 説 明 で き る こ と を 論 じ て い る 。 第6章 で は 、SiICL界 面 制 御 技 術 のInGaAsnnAlAs絶 縁 ゲー トHEMTへ 応用 し た結 果に つ い て 述 べ て い る 。 ゲ ー ト 長2umで 相 互 コ ン ダ ク タ ン ス170mS/mm、 実 効 移 動 度 3050cm2ル，sとぃう良好な特性 を有するInGぬs皿nAlAs絶縁 ゲート形HEMTを作製するこ と に成 功し た 。さ らに 、界 面 準位 の影 響を考慮した等価回路 を仮定し、その高周波帯に お ける界面準位の影響 を計算した結果、界面準位密度がl010cm．2ev・1程度であれば、その影 響が無視できること を指摘している。
第7章では、本論文 の結論を述べている。
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学位論文審査の要旨
学 位 論 文 題 名
Silicon Interlayer Based Control of InP‑based Compound Semiconductor Interfaces and Its Application to Insulated Gate Transistors
（シリコン界面層によるインジウム燐系化合物半導体界面の制御とその絶縁ゲート形トランジスタヘの応用）
インジウム燐(InP)およびそれに格子整合するインジウムガリウム砒素（InGaAs冫、
インジウムアルミニウム砒素（InAlAs）など、いわゆる「インジウム燐系」化合物半導 体は、ミリ波帯の超高周波デバイスや長波長光デバイスなど将来のマルチメデイア時代 のキーデバイスの材料として注目されている。しかし、絶縁体／半導体界面に高密度の 界面準位が存在するため、表面パッシベーション技術が未完成であると共に、それを利 用した高性能絶縁ゲート形のデバイスも実現されていない。
本論文は、インジウム燐系の化合物半導体の絶縁体／半導体界面にシリコン超薄膜に よる界面制御層（SiICL）を挿入するとぃう新しい手法により、その界面特性を制御す ることを試みると共に、それを絶縁ゲート形電子デバイスヘ応用することを検討したも の で あ る 。 本 論 文 は7章 か ら 構 成 さ れ て い る 。 以 下 に 各 章 の 概 要 を 示 す 。
第1章 で は 、 本 論文 の 歴 史的 背 景 、目 的 、 各 章の 概 要 が述 べ ら れて い る 。 第2章では、本論文で用いた実験装置と実験の原理や方法が述べられている。絶縁体
／化合物半導体界面の形成とそれを その場 で評価するために、実験装置として「超 高真空界面形成加工評価システム」が用いられている。このシステムは、半導体の成長 を行う分子線エピタキシー（MBE)装置、絶縁体の堆積を行う光励起化学気相堆積（光 CVD）装置、半導体の表面の化学的状態を評価する光電子分光(XPS)装置などが、超 高真空搬送チャンバで接続された構成をとっている。
第3章では、本論文で用いる絶縁体／化合物半導体界面の制御法の原理を述べてい る。まず界面準位の起源に関して、本論文では、「界面準位が界面における結合の乱れ に起因する」とする統一DIGSモデルの立場をとることが説明されている。次に、このモ デルに基づき提案された超薄膜界面制御層(InterfaceConロolLayer：ICL）の概念が説明 されている。超薄膜界面制御層は、半導体から絶縁体へのボンドの遷移を原子レベルで 円滑とする役割をもっものである。その具体的な材料として、シリコン系絶縁膜と良好
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機 志
治 仁
英 孝
完 好
川 井
宮
谷
長 福
陽 雨
授 授
授 授
教 教
教 教
査 査
査 査
主 副
副 副
な 界 面 が 形 成 で き る シ リ コ ン 超 薄 膜 が 適 切 で あ る こ と が 結 論 さ れ て い る 。 第4章で は、 Si ICL界面制御技術を 、一度大気にさらしたInGaAs、InAIAs表面に、適 用 可能 とす るた め の方策について検討 した結果が述べられている 。これは、この技術を 通 常 の デ バ イ ス 製 作 工 程 の 中 に 取 り 入 れ る た め に は 、 必 要 不 可 欠 で あ る 。 一度 大気 にさ ら したInGaAs、InAlAs表面 には、In、m、Al、Asの自然酸化物が多量に 存 在し てお り、 そ のま まで はSiICL界面 制御 技術を適用できない 。そこで、適切な表面 処 理に よりSiICL形 成前 に これ らの 自然 酸化 物を取り除くことが 検討された。その結果 と して 、窒 素雰 囲 気中におけるフッ酸 によるエッチングが最も効 果的な表面処理である こ とが 見出 され て いる。この処理後、 界面はAsリッチとなるが、 その上にSi超薄膜形成 し た後 には 、As成 分が脱離し、清浄な 界面が得られることが、光 電子分光法により明ら かとされて いる。
さら にこ の処 理 を用 いて 作製 し たInGaAsMISダイオード、InGaAsnnAlAs絶縁ゲート形 HEMTダ イオ ード が 、と もに 良好 な 容量 一電 圧特 性を 示 すこ と、 また 、その界面準位密 度分布が禁 制帯中でU字形状を示し、その最小値が1011cm．2eV・1以下となることが結論さ れている。
第5章で は、SiICL界 面制 御技 術 を、InGaAs絶縁ゲート形FETの ゲート絶縁膜形成に応 用 した 結果 が述 べ られ てい る。 ま ず、 試作 されたInGaAs絶縁ゲー ト形FETは、良好な電 流 一 電 圧 特 性 を 示 し 、 ゲ ー ト 長6umで 、 相 互 コ ン ダ ク タ ンス61mS／mm、 実効 移動 度 3850cm2ルsとぃう優れた特性値が得られ ている。
さら に、 電流 ― 電圧特性、ドレイン 電流ドリフト特性、マイク ロ波特性と界面準位の 関 連に つい て定 量 的に検討した結果、 それぞれの特性から見積も られる界面準位密度の 値が、相互 に矛盾することなく、1011cm・2eV・1台であることが示され、デバイス特性の立 場 か ら も 、 低 い 界 面 準 位 密 度 が 実 現 さ れ た こ と が 確 認 さ れ て い る 。 第6章 で は 、SiICL界 面 制 御 技 術をInGaAsnnAlAs絶 縁ゲ ート 形HEMTのゲ ート 絶縁 膜 形 成に 応用 した 結 果が述べられている 。これによれば、良好な電 流―電圧特性をもつ絶 縁 ゲ ー ト 形HEMTが 初 めで 実現 され 、 ゲー ト長2umで相 互コ ンダ ク タン ス170mS/mm、 実 効 移動 度3050cmりVsとぃう良好な特性 が得られている。さらに、 界面準位の影響を取り 入 れた 小信 号マ イ クロ波等価回路に基 づき、高周波帯における界 面準位の影響を理論計 算した結果 、界面準位密度が1010cm・2eV．l程度であれば、その影響が無視できることが明 らかにされ ている。 、、
第7章では 、本論文の結論が述べられ ている。
これ を 要する に、本論文は、インジウム燐 系化合物半導体を表面パッ シベーションし た り、 そ れを用 いて絶縁ゲート形デバイスを 実現する上で問題となって きた絶縁体／半 導 体界 面 の界面 準位を、シリコン超薄膜界面 制御技術により、制御・低 減する方法を確 立 する と 共に、 デバイスの試作を通じ、良質 の表面パッシベーションや 絶縁ゲート形デ バ イス を 実現す る新しい展望を開いたもので あり、半導体工学の進歩に 寄与するところ 大 であ る 。
よっ て 、著 者は 、北 海道 大 学博 士（ 工学 ） の学 位を 授与 される資格 あるものと認め る 。
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