ビアホール長変調による300 nmチャネル常時オフGaN HEMTの実現

概要

マルチメサチャネル（MMC）アーキテクチャにおけるビアホール長制御により、常時オフAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）でブレイクスルーを達成。チャネル幅最大300 nmまでエンハンスメントモード（E-mode）デバイスを作製し、正スレッショルド電圧+0.79 V（100 nm/2 µm）と+0.46 V（300 nm/6 µm）を示しました。これらデバイスは従来トリゲートナノリボンHEMTより低オン抵抗を示しながら、高ドレイン電流と改善された熱安定性を維持。ビアホール長が表面ピンニングと横方向空乏を制御し、スケーラブルな常時オフGaNパワーエレクトロニクスを可能にします。

背景

III-V族ワイドバンドギャップ窒化物は、大きなバンドギャップ、高臨界電界、高電子飽和速度により、高周波・高電圧応用で比類なき性能を提供します。AlGaN/GaNヘテロ構造形成2次元電子ガス（2DEG）チャネルが高性能トランジスタ基盤ですが、固有のディプレッションモード（D-mode）振る舞いがデジタル、RF、パワー応用で複雑な回路を必要とします。常時オフ動作誘導従来戦略—リセスゲート、p型キャップ、トンネル接合、イオン注入、急速熱アニール—は往々にしてデバイス歩留まり低下や信頼性問題を招きます。

最近のフィンナノ構造で、チャネル幅~100 nm未満へ縮小すると側壁表面ピンニングと歪み緩和によりスレッショルド電圧（Vth）が正シフトすることが示されました。しかし、サブ100 nmチャネルで低オン抵抗（Ron）達成は困難で、ゲート幅スケーリングがリークとトランスコンダクタンスに悪影響を及ぼします。本研究では、調整可能なビアホール長を持つトリゲートMMC構造統合により、E-mode動作、低Ron、堅牢熱性能を同時達成します。

手法

AlGaN/GaNエピ層をMOCVD（日本サンソSR-2000）でc面サファイア上に成長。600 ℃GaN核生成層、2 µm非意図的ドープGaNバッファ、21.8 nm非意図的ドープAlGaNバリア（23% Al）、2 nm GaNキャップ、すべて1180 ℃堆積。メサ分離と周期的トレンチエッチングをICP-RIE（BCl₃/Cl₂）実施。エッチ後、溶融KOHで側壁平滑化による結晶学的修復、ピラニア溶液で有機物除去。フォトリソグラフィでソース、ドレイン、ゲート、コンタクトパッド定義。オーミックコンタクト（Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm）を真空下850 ℃、30秒アニール；ゲート電極はNi/Au 20/80 nm。デバイス寸法：ゲート長2 µm、MMC幅100–500 nm、ビアホール長1–6 µm、高さ130 nm。ビアホール長へのパッシベーション不適用で表面ピンニング効果維持。

結果と考察

大半GaN HEMTは固有2DEGによりD-mode維持。常時オフ動作には表面空乏とゲート制御の精密制御必要。側壁ダングリングボンド（~10¹⁵ cm⁻²）生成表面ピンニング電場がチャネル横方向空乏化。本トリゲートMMCではビアホール長がこの空乏範囲を決定。

図3aに側壁周辺横方向空乏模式図。伝達特性（図3b）でL_MMC = 2 µm、W_MMC = 100、300、500 nmでVthがVDS = 8 Vで+0.79、-1.32、-2.18 V、幅縮小で正シフト確認。効果は横方向空乏とビアホール長表面曲がり複合由来。

W_MMC = 300 nm固定でL_MMC変化（図4）で、L_MMC = 1、2、6 µmでVth = -2.12、-1.07、+0.46 V取得。6 µm L_MMCデバイスがE-mode動作達成。表1にW_MMCとL_MMC双方依存性でのVth、I_DSsat、g_mまとめ。注目すべきは、L_MMC 0.8から6 µm増加でVthが負から正へシフトしながらI_DSsatとg_m低下—Ron重要視パワー応用では許容トレードオフ。

先行技術比較で、本E-modeデバイスは設計表面ピンニングとトリゲート幾何により、許容ドレイン電流とトランスコンダクタンス維持しながら著しく低Ron示す。熱測定で分散電流流れによるジュール熱低減確認。

結論

マルチメサチャネルGaN HEMTでビアホール長変調により、チャネル幅最大300 nmまで常時オフ動作可能実証。W_MMC = 300 nm、L_MMC = 6 µmデバイスでVth = +0.46 V、低Ron、改善パワーハンドリング達成、次世代GaNパワーエレクトロニクスへ道拓く。