時 に 熱 損 失 と を る 動 作 抵 抗 を2桁 以 上 低 滅 す る こと がで き る。 またGaNはSiの3倍 程度 の禁 制 帯幅を持った め、高温状況下で も安定動作する特 長を持ち、電力変換 システムの冷却系の簡素化、
小型 軽 量化 が期 待 でき る。 さ らにGボと 窒化 ア ルミ ニウ ム ガリ ウム （AlGaMとのへ テロ接合界面 にお いて、分極効 果により高密度の2次元電子 ガス層（2DEG）が 形成されることが知 られている。
こ の2DEG層 を チ ャ ネル 層 とし て利 用 するA1GaN／GaN高電 子 移動 度ト ラ ンジ スタ （HEMT：High E1ectronMobilitylbnsistor）は、高出力 、高耐圧、低損失 動作が実現可能であり、次世代電力変換 デバイスとし て盛んに研究がを されている。
し か しを がら 、 電力 変換 デ バイ ス応 用 に向 けてはい くつかの課題を抱 えている。その1っが、
ノー マ リオ フ動 作 であ る。 電力変換デバイス では、故障時の負 荷の安全を確保する ため、入カ制 御信 号 （ゲ ート 入 力） が0の時にオ フと教るノ―マリオ フ動作が必須であ る。しかし、AlGaN/GaN mミMTは分 極 効果 によ ル ヘテ ロ界 面 に2DEG層 が 形成されるため 、通常、ゲート電圧 を印加しをい 状況であって も電流が流れるノ ーマリオン動作と 誼る。ノーマリオフ 動作の実現には、AlG心ソGaN HEMTの 閾値 電圧 制 御が 必須 である。また、動 作信頼性の面では 電流コラプスという 問題がある。
電流コラプス は、オフおよびオ ン状態で大きなドレイン電圧（ストレス）を印加する場合、その後の スイッチング でドレイン電流が 大幅に低下する現 象であり、電力変換 時の損失増大および動作信頼 性の 低 下に 直結 す る深 刻を 問 題で ある 。 この ため、GaNトラン ジスタが電力変換デ バイスとして 広く普及する ためには、これら の課題を解決する ことを含め、信頼性 ・動作安定性の向上が不可欠 である。
このようを 背景のもと、本研 究では、新しい素 子構造を導入するこ とにより、課題の解決に取り 組んだ。具体 的には、新しいチ ャネル構造として 、ゲート電極直下の みに周期的溝構造を形成した 多重台形チャ ネル（MMC：Multi−Mesa‐Channe1）構造を提案し、デバイスの作製をらびに基本特性、
電 流 コ ラ プ ス の 評 価 を 行 い 、MMCHEMTの 動 作 機 構を 考察 し た。 その 結 果、 通常 構 造のplanar HEMTとの特性 比較によって、MMCHEMTの優 位性を明らかにし た。
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本論文 は6章か ら構成されている。 以下に各章の要旨 を記す。
第1章 で は 、 本 研 究 の 背 景 と 目 的 を 述 べ る と と も に 、 各 章 の 概 要 を 記 し て い る 。 第2章 では 、GaNの 結晶 構造 、AIGaN/GaNヘテ ロ 構造 にお け る自 発分 極 とピ ェゾ 分 極、 およ び 分 極 効 果 に 伴 う2DEG層 の 発 生 機 構 、GaNお よび 触Gボ ノGaNヘ テロ 界面 に おけ る電 気 伝導 特性 について 記述している。
第3章 で は 、 触G削 ・ ／G小HEMTの 基 本 構 造と 動 作原 理に つ いて 説明 し 、次 に耐 圧 とオ ン抵 抗 の関 係 につ いて 記 述し てい る 。続 いて 、 基本 的春 ド レイ ン電 流 一電圧 特性を説明し、最 後に AlGaN／GaNmmロ の 課 題 で あ る 閾 値 電 圧 の 制 御 技 術 に つ い て い く っ か の 例 を 紹 介 し た 。 第4章 で は 、 本 研 究 で 提 案 し て い る 多 重 台 形 チ ャ ネ ルAlGaN/GaNHEMTの 作 製 と 基 本DC特 性 の評 価 結果 に関 し て述 べて い る。MMCHEMTで は チャ ネル 幅 が細 くを る に従 って 、 閥値 電圧 が 正方向に シフトすることが 見いだされ、本構 造による閾値電圧の 制御が可能であることが明らかと を っ た 。 特 に チ ャ ネ ル 幅50nmのMMCHBMTで は 、 閾 値 電 圧 が 十0．2Vと 顔 り 、 丿 ー マ リ オ フ 動 作を実 現した。台形構造 における2次元ポテンシヤル 計算を行い、横方向 からの電界が効率 よく チ ャネ ル 内の ポテ ン シャ ルを変化さ せ、2DEGを囲い込 むように制御してい ることを示し、こ の効 果 が閾 値 電圧 シフ ト の要 因で あ るこ とが 明 らか に毅った。また サプスレッショル ド特性からMMC 構造にお けるゲート制御性 の向上を示した。
第5章 で は 、MMCHEMTの ド レ イ ン 電 流 安 定 性 、 電 流 コ ラ プ ス 耐 性 に つ い て 述 べ て い る 。 MMCH恥 厘Tの 飽 和ド レイ ン 電流 は、 ド レイ ン電 圧の増 加に対して優れた安 定性を示し、その 原因 として台 形構造側面からの 放熱効果が示唆さ れた。また、高温測 定の結果、温度上昇に伴う飽和ド レ イン 電 流の 減少 量 がplanarHEMTと 比較 し て小 さい こ とが 見い だ された 。次にオフストレ ス印 加 前 後 の 電 流 電 圧 特 性 の 比 較 に よ り 、MMCHEMTに お け る 電 流 コ ラ プ ス 現象 を 評価 した 。MMC HEMTはplanrHEMTと 比 較 し て 、 オ フ ス ト レ ス印 加 後に スイ ッ チン グさ せ た場 合の ド レイ ン電 流の減少 が小さくナょるこ とが明らかにをった。オフストレス印加に伴うオン抵抗の変化について数 値 計算 を 行い 、MMC構造 の 高イ ンピ ー ダン スチ ャネル 特性が電流コラプス の低減に寄与して いる ことを説 明した。
第6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 主査 副査
副査 副査
教授 教授 教授 准教授
橋詰 佐野 本久 葛西
学 位 論 文 題 名
保 栄一 順一 誠也
AIGaN/GaN high‑electron ― mobility transistors utilizing multi‑mesa‑channel structures
（ 多 重 台 形 チ ャ ネ ル 構 造 を 利 用 し た AIGaN/GaN 高 電子 移 動 度ト ラ ンジ ス 夕 ）
イ ン バ ー タ と総称 される 電力変 換シス テム は、情 報機器 、家電 、電 気・ハ イブリ ッド車 、工場 設 備を ど 、 ほ ば全て の分 野に導 入され ており 、省 エネル ギーの キーテ ク丿ロ ジー と顔っ ている 。 窒 化ガ リ ウ ム(GaBDは シリ コ ン(Si)の10倍の 絶 縁 破 壊 電界 を 持 つ こ と から 、 イ ン バータ に用 い る トラ ン ジ ス タ のオ ン 抵 抗 をSi素 子 の 数 百分 の1に す るこ と が 可 能 であ る 。 こ の ため、Si素子 を 超え る 超 低 損 失イ ン バ ー タ の実 現 が 期待さ れてい る。ま た、GaNと 窒化ア ルミニ ウムガ リウム
（AlGaN冫と の へテ ロ界面 には、 自発分 極と ピェゾ 分極に よって 高密度 の2次元電 子ガ ス（2DEG： Mo‐dimensionalelectrongas）が形 成され ること から、mGaN／GaN高移 動度 トラン ジスタ （HEMT： highelectronmobility虹ansistor）が次世代高効率インパータ用のトランジスタとして活発に研究さ れてい る。
しか しをが ら、電 力変換 デバ イス応 用に向 けては いくっ かの 課題を 抱えて いる。 その1っがノー マ リオ フ 動 作 の 実現 で あ り 、AlG心 ソGaNHEMTの 閾 値 電 圧 制御が 必須 である 。また 、動作 信頼 性 の面で は電 流コラ プスと いう問 題があ る。 電流コ ラプス は、オ フお よびオン状態で大き教ドレイン 電圧（ スト レス） を印加 する場 合、そ の後 のスイ ッチン グでド レイ ン電流が大幅に低下する現象で あり、 電力 変換時 の損失 増大お よび動 作信 頼性の 低下に 直結す る深 刻を問題である。これらの課題 に対し 本研 究では 、新し いチャ ネル構 造と してゲ ート電 極直下 のみ に周期的溝構造を形成した多重 台形チ ャネ ル（MMC：Multi‐MesalChannel） 構造を 提案し 、デバ イスの作製をらびに基本特性、電 流コラ プス を詳細 に評価 し、MMCHEMTの 動作機 構を考 察し ている 。
本 論 文 は6章 で 構 成 さ れ て い る 。 第1章 は 序 論 で あ る 。 第2章 で は 、GaNの 結 晶 構 造 、 AlGaN／GaNヘ テ ロ 構造 に お け る 分 極効 果 、 お よ びへ テ ロ 界 面 にお け る 電 気 伝導 特 性 を ま と め て い る 。 第3章 は 、mG州/GaNHEMTの 基 本 構 造と 動 作 原 理 に つい て 説 明 し 、次 に 耐 圧 と オン 抵 抗 の関 係 に つ い て記 述 し て い る。 続 い て 、AlGaN/GaNHEMTの 課 題 であ る 閾 値 電 圧の 制御 技術に ついて これ までの 研究例 をまと めてい る。
第4章 は 、 本 研 究 で 提 案 し て い る 多 重 台 形 チ ャ ネ ルAlGボ ／GaNHEMTの 作 製 と 基 本DC特 性 の 評 価 結 果 を 述 べ て い る 。MMCHEMTでは チ ャ ネ ル 幅の 減 少 に 従 っ て閾 値 電 圧 が 正方 向 に シ フ トする こと が見い だされ 、本構 造によ る閥 値電圧 の制御 が可能 であ ること を示し た。2次元ポテン シ ャル 計 算 を 行い、 横方 向から の電界 が効率 よく チャネ ル内の ポテン シヤル を変 化させ 、2DEGを 囲い込 むよ うに制 御して いるこ とを示 し、 この効 果が閾 値電圧 シフ トの要因であることを明らかに
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し た 。 特 に チ ャ ネ ル 幅50 nmのMMC HEMTで 丿 ー マ ル オ フ 動作 を 実 現 し 、ま た サ プ ス レッ シ ョ ル ド特性 からMMC構 造にお けるゲ ート制 御性 の向上 を示し ている 。
第5章 は 、MMC HEMTの ド レ イ ン 電 流 安 定 性 、 電 流 コ ラ プ ス 耐 性 に つ いて 述 べ て い る。MMC HEMTの飽 和 ド レ イ ン電 流 は 、 ド レイ ン 電 圧 の 増 加に 対 し て 優 れた 安定 性を示 し、 その原 因とし て 台形構 造側 面から の放熱 効果が 示唆さ れた 。また 、高温 測定の 結果 、温度上昇に伴う飽和ドレイ ン 電 流 の 減 少量 が 通 常 構 造のplanar HEMTと 比較し て小さ いこ とが見 いださ れた。 次に オフス ト レ ス 印 加 前 後の 電 流 電 圧 特性 の 比 較 に より 、MMC HEMTにお け る 電 流コラ プス現 象を評 価した 。 MMC HEMTはplanar HEMTと 比 較 し て 、 オ フ ス トレ ス 印 加 後 にス イ ッ チ ン グ させ た 場 合 の ドレ イ ン電流 の減 少を抑 制でき ること を明ら かに した。 オフス トレス 印加 に伴うオン抵抗の変化につい て 数 値 計 算 を行 い 、MMC構 造 の 高 イ ンピ ー ダ ンスチ ャネル 特性 が電流 コラプ スの低 減に寄 与し て い ること を示 してい る。
第6章 は本研 究の 結論を まとめ ている 。
こ れを 要する に、本 論文は 、新 しいチ ャネル 構造と してゲ ート 電極直 下のみに周期的溝構造を形 成 し た 多 重 台形 チ ャ ネ ル(MMC)構造 を 提 案 し、 デバイ スの 作製を らびに 基本特 性、 電流安 定性を 詳 細に評 価し ており 、ここ で得ら れた基 礎的 知見は 、窒化 物半導 体デ バイス研究に貢献するところ 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 者 と 認 め る 。
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