AlGaN/GaN HFETにおける 仮想ゲート型電流コラプスのSPICE回路モデル

The University of Tokushima

AlGaN/GaN HFET 電流コラプス

およびサイドゲート効果に関する研究

徳島大学大学院 先端技術科学教育部

システム創生工学専攻 電気電子創生工学コース

大野・敖研究室

木尾 勇介

The University of Tokushima

研究背景



_{AlGaN/GaN HFET}

 高絶縁破壊電界・・・高周波・高出力デバイス 基地局などで実用化 

通信機器の発達

 スマートフォン・タブレットなど ＬＴＥ 

ＬＴＥ

 エンベロープトラッキング 低消費電力化・・・電源電圧を信号に応じて変更 １µｓでの電流コラプスが問題

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AlGaN/GaN HFETの課題：電流コラプス



電流コラプス現象

 高電圧印加後の電流値低下 

原因

 表面準位 フィールドプレート 保護膜  GaN結晶中への負帯電 ホールトラップ説有力 明確にはなっていない

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ホールトラップとは

放出割合 1 p C e_p = _p 1 n C e_n = _n 電子 ホール       − ⋅ = kT E E N n_{1 C} exp T C       − ⋅ = kT E E N p V T V exp 1 トラップが Ｅ_ＭＩＤとＥ_Ｖの間 p₁>>n₁ ホール放出>>電子放出 τ(T=300K 2.6eV) 電子 1×1033_s ホール 5.8×102_s thn n n v C =σ C_p =σ _pv_thp ホールの濃度に依存 ホールを放出するから 負に帯電 ホールトラップ E_C E_MID E_V ホールトラップ 3.4eV 2.6eV E_T

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電流コラプス発生機構の検討

「電流コラプス回復過程に関する研究」

2011年度卒細川



光照射測定

 赤(1.9eV)：変化なし 青(2.6eV)：回復加速 伝導帯から1.9～2.6eVにあるトラップが負帯電 

温度依存性測定

 温度依存性ほとんどなし 捕獲断面積σ_n=1.3×10-29_cm2 活性化エネルギーE_C-E_T=－41.8meV 5 平成24年度修士論文公聴会 E_C GaN E_Ｖ 3.4eV E_T 1.9～2.6eV [1] 細川, 木尾 他 「AlGaN/GaN HFET 電 流コラプスの回復機構」2012年・春季 応物

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電流コラプスの発生機構 まとめ



電流コラプスに起因しているのは伝導帯から

1.9～2.6eVのトラップ

 ホールトラップ 

回復は電子の放出ではない

 バンド間トンネルによるホールの供給

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ホールトラップ基板とサイドゲート効果



電流コラプスに起因しているトラップがホールトラップ

 サイドゲート効果が観測できる

サイドゲート効果測定

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サイドゲート効果とは

半絶縁性基板上に作製されたGaAs デジタルIC

離れた場所のn電極の負バイアスでしきい値が上昇

• ドレイン電流が減少

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サイドゲート効果 バンド図

 トランジスタ側が負帯電す るのでドレイン電流減少 i ｎ ｎ E_C E_V ● ○

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サイドゲート効果測定用AlGaN/GaN HFET

Sapphire u-Al_0.25GaN 25nm GaN（undoped） 3µm Sapphire u-Al_0.25GaN 25nm GaN（undoped） 8µm SG S G D SG 4µm 8µm 薄GaNエピ(Powdec) 厚GaNエピ(Powdec) 測定パターン Sapphire u-Al_0.25GaN 25nm GaN（undoped） 10µm 厚GaNエピ(NTT-AT)

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サイドゲート効果のエピ膜厚依存性

 GaN層が厚いエピでV_SGの印 加によりI_Dの減少が見られた 厚GaNエピ(8µm) Ｐ社 薄GaNエピ(3µm) Ｐ社 [測定条件] V_G=0V V_D=0～7V V_SG=+10～-30V -30V +10V

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サイドゲート効果のエピ膜厚依存性

 厚GaNエピ(10µm)でもV_SGの印 加によりI_Dの減少が見られた 厚GaNエピ(10µm) Ｎ社 [測定条件] V_G=0V V_D=0～7V V_SG=+10～-30V 厚GaNエピ(8µm) Ｐ社 -30V +10V -30V +10V

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リーク電流の大きさ＠GaN層8µm

 I_D-V_SG特性におけるI_Dの変化量は10-4_A～10-5_A  I_SG-V_SG特性におけるI_SGの変化量は10-7A～10-12A V_D=4V V_D=0.1V I_D I_SG

The University of Tokushima D G S SG ホールトラップ 欠陥層 サファイア基板 D G S SG コラプスの 負帯電 ホールトラップ 欠陥層 サファイア基板 サイドゲート効果 の負帯電

基板厚とサイドゲート効果



ホールトラップの局所的負帯電が原因



コラプスはゲートドレイン間の狭い範囲で起きる



サイドゲート効果は比較的長距離

 エピ/基板界面は電子トラップまたは大きな生成再結合  i-GaN層が薄いと界面準位で遮蔽される 3µm 8µm 10µm

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光照射と温度の影響測定



半導体パラメータアナライザ(4155C)を使用

 VBAを用いてエクセルで制御 

常に、ON状態V

_G

_{=0V V}

_D

_=1V



サイドゲート電圧V

_SG

を印加

 V_SG=-20V 2000s・・・負帯電過程  V_SG=0V 2000s・・・回復過程 

光照射測定

 赤外(1.3eV)、赤(1.9eV)、青(2.6eV)、の３種の光 

温度依存性測定

 22℃(室温)、30℃、40℃、50℃、

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過渡応答時の光照射の影響



赤外照射

 負帯電加速 LED A LED B 無し 無し 赤 青 赤外 赤 赤外 青 

青照射

 電流増大 

伝導帯から2.0～2.6eV

のトラップが負帯電

V_SG=-20V V_SG=0V

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負帯電過程の温度依存性測定



温度変化により負帯電の時定数が変化

時定数導出

V_SG=-20V V_SG=0V 温度 22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 時定数 135s 59s 20s 9s

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負帯電過程の時定数

放出の時定数τ

)

(

)

(

1

1

1

T

p

T

v

e

_p

σ

_{p thp}

τ

=

=













−

=

kT

E

E

T

A

_{T V}

exp

2 kT E E A T = ln + T − V lnτ 2 捕獲断面積σ_ｐ 活性化エネルギー E_T-E_V 4.1×10-16_cm2 _0.757eV

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回復過程の温度依存性



温度変化により回復の時定数が変化

時定数導出

V_SG=-20V V_SG=0V 温度 22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 時定数 176s 63s 20s 11s

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回復過程の時定数

放出の時定数τ

)

(

)

(

1

1

1

T

p

T

v

e

_p

σ

_{p thp}

τ

=

=













−

=

kT

E

E

T

A

_{T V}

exp

2 kT E E A T = ln + T − V lnτ 2 捕獲断面積σ_ｐ 活性化エネルギー E_T-E_V 3.4×10-16_cm2 _0.756eV

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温度依存性から判ったトラップの特性

 時定数・捕獲断面積・活性化 エネルギー  ほぼ一致  時定数  ホール放出時定数  負帯電・回復ともにホール放 出が関係  負帯電しているトラップは伝導 帯から2.64eV(ホールトラップ) 捕獲断面積σ_ｐ 活性化エネルギー E_T-E_V 4.1×10-16_cm2 _0.757eV 捕獲断面積σ_ｐ 活性化エネルギー E_T-E_V 3.4×10-16_cm2 _0.756eV 負帯電過程 回復過程

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“回復過程がホールエミッション”への疑問



回復するためにはトラップからの電子の放出が必要

 伝導帯から2.64eVにあるトラップからの電子放出時定数 T=300Kで1028年という天文学的な時間 

しかし、回復しておりその時定数はホール放出の時

定数と一致



ホール放出で回復する

理由を考える

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半回復現象

 回復量は減少量の半分 “半回復”現象 V_SG=-20V V_SG=0V 完全回復 半回復

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半回復現象を説明するバンド図

① バイアス印加前 ② V_SG=-20V印加 ③ ホール放出 ④ V_SG=0V ⑤ 負帯電再配置後  ④→⑤への過程 でのホール放出 による負帯電再 配置の時定数が 見えていた 負帯電過程 回復過程 電位の低下で 回復に起因

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半回復ではサイドゲート側も負帯電

① バイアス印加前 ② V_SG+20V印加 ③ ホール放出 ④ V_SG=0V ⑤ 負帯電再配置後  半回復が存在するなら  ④→⑤への過程でトランジス タ側の電位が高くなる 電流減少 負帯電過程 回復過程

The University of Tokushima V_SG=+20V V_SG=0V V_SG=－20V V_SG=0V

正バイアス印加によるサイドゲート効果



_V

_SG

_=+20V

→0V

 電流減少確認  減少後の電流値  半回復の電流値と ほぼ一致  ④→⑤へのバンド図 の変化が考えられる

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正バイアスサイドゲート効果の温度依存性

V_SG=+20V V_SG=0V 

温度変化により時定数が変化

時定数導出

温度 22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 時定数 157s 83s 32s 10s

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半回復過程の時定数

捕獲断面積σ_ｐ 活性化エネルギー E_T-E_V

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完全回復はあるのか？

 2.64eVからの電子放出時定数  1028年  30000sの測定では完全回復に 至らなかった  時定数より当然の結果

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電流コラプス回復過程との比較



コラプス測定では

 200sで完全回復  ストレス50V  トンネルが起こりやすい 

サイドゲート測定では

 完全回復未確認(室温・暗室)  ストレス20V  トンネルが起こりにくい 完全回復には  ＵＶ光照射  完全回復

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まとめ



負帯電・回復ともにホール放出が関係



負帯電しているのは伝導帯から2.64eVにあるト

ラップ



ホールトラップ

電流コラプス解析と同じ 

回復には「

半回復

」という状態がある

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ホールトラップ

E_C D S G E_V 熱平衡状態 V_ストレス=+50V E_C D S G ストレス印加 定常状態 E_V トラップ n=p=0 電子の捕獲・放出 ホールの捕獲・放出 の４パターン 電子の放出、ホールの放出 n=p=0