NIMS、窒化ガリウムトランジスタに原子レベルで平坦な未知の結晶層を発見

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PCVD法で自立GaN基板上に作製されたSiO2とGaNの界面の高分解能電子顕微鏡像.右側のGaN基板と左側SiO2の間の矢印の部分に、異なる周期で配列したGa2O3の層が観察されている。

物質・材料研究機構(NIMS)を中心とする研究チームは2017年10月23日、窒化ガリウム(GaN)を用いたトランジスタにおいて、GaN結晶と絶縁膜との界面に、これまで知られていなかった原子レベルで平坦な準安定酸化ガリウム結晶の層が存在することを発見したと発表した。さらに、この酸化ガリウムと同様の層が、絶縁膜をつける前にGaN結晶の表面が自然に酸化されることでも形成される可能性も明らかにした。高性能なGaNトランジスタ開発に向けた指針となることが期待される発見だ。

GaNをベースとした金属 – 酸化物 – 半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)は、高効率でモーターなどの大電流を制御する次世代パワーデバイスの1つとして期待されている。しかし、シリコン製トランジスタに比べ、電子やホールの移動度が低いことが実用化に向けての課題となっている。移動度はGaN結晶とゲート絶縁膜の界面構造に影響を受けることから、界面を制御するため、GaN表面の洗浄方法などプロセスの検討や、ゲート絶縁膜の材料の検討などが行われてきた。しかし電気的な計測では界面に特異な差は見つからず、その原因も不明だった。

今回同研究チームでは、二酸化ケイ素(SiO2)を絶縁膜に使ったトランジスタを作製してGaN結晶との界面を電子顕微鏡で直接観察した。その結果、1.5nm程度の非常に薄い、GaN結晶とエピタキシャル関係を持つ層を発見。特性X線分光法による分析から、その層は結晶状の酸化ガリウム(Ga2O3)であることが明らかになった。

また、このGa2O3層は、安定なβ相とは異なり、準安定相であるε相と呼ばれる構造とγ相と呼ばれる構造が混じった構造であることを明らかにした。観察された準安定Ga2O3結晶は原子レベルで平坦なため、界面での伝導を阻害する界面準位密度を低減できると考えられる。

さらに、同じようなエピタキシャル成長した準安定相からなるGa2O3は、ゲート絶縁膜形成前のGaN基板表面にも、1nm程度の自然酸化膜として存在することがわかった。この層がGaN結晶/絶縁膜界面で観察された構造と同じかどうかは、今後詳細な解析が必要だが、結晶状の準安定酸化ガリウム層が幅広い条件で形成されることを示すとしている。

パワーデバイスは、より低損失でより大きな電流を制御することが求められる。同研究チームでは、今回の研究成果により、GaNをベースとしたパワーデバイスにおいて、半導体/絶縁体界面を制御することで、パワーデバイスがオン状態の際の抵抗を低減する手がかりが得られたとしている。今後は、今回発見された準安定Ga2O3層の生成条件や、デバイスの電気的特性との関係を明らかにするとともに、界面層を最適化して従来のMOSFETに代わる次世代パワーデバイスの実用化を目指すとしている。

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