Al₂O₃キャップ付きGaN/AlGaN/GaNヘテロ構造における表面分極の角度分解X線光電子分光法による調査

概要

原子層堆積（ALD）法で1-3 nmのAl₂O₃をキャップしたGa面GaN/AlGaN/GaNヘテロ構造の表面分極を、角度分解X線光電子分光法（ARXPS）で調べました。バンドエッジプロファイルは、裸GaN領域での上向き湾曲からAl₂O₃界面付近での下向き湾曲へと変化します。この変化は、ALD前駆体からの酸素がGa-N結合中の窒素を置換する際に形成されるGaリッチ界面層とGaOₓ層に起因します。GaOₓ層は正の固定電荷を供給し、GaN固有の負の分極を中和して伝導帯を平坦化し、最終的に下向き湾曲を引き起こします。400℃でのN₂事後アニーリングはGaOₓ成長を促進し、正電荷密度を増加させてバンドエッジをさらに低下させます。

背景

GaNの高耐圧、高電子移動度、熱安定性はLEDとパワーエレクトロニクスの主要材料となっています[1,2]。GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）では、ショットキーゲートが界面準位を導入し、リーク電流増大と耐圧低下を招きます[3]。Al₂O₃などの高誘電率絶縁膜で表面をパッシベーションすると、その幅広いバンドギャップ、高誘電率、熱力学的安定性によりこれらの問題が緩和されます[4,5]。しかし、Al₂O₃のALDは必然的にGaN表面に薄い界面層を形成します[6-8]。この層はしばしばGaOₓと記述され、スレッショルド電圧安定性、二次元電子ガス（2DEG）密度、バンド湾曲挙動に強く影響します[9-12]。界面層の存在は知られていますが、分極変調における詳細な役割は十分に解明されていません。本研究では、ARXPSを用いてバンド湾曲の変化を定量化し、Al₂O₃キャップ付きGaN/AlGaN/GaN構造の界面層原子構造を解明しました。

実験方法

試料は、Si(111)上に2 nm GaNキャップ、22 nm AlGaNチャネル、150 nm非意図的ドープGaNバッファで構成されます。3枚のウェハ（S1, S2, S3）を同一プロセスで処理：アセトン、イソプロピルアルコール、脱イオン水で洗浄；薄塩酸エッチングで自然酸化膜除去；トリメチルアルミニウムとH₂OでALD法によりAl₂O₃キャップ形成。Al₂O₃厚はS1で1 nm、S2とS3で3 nm（エリプソメトリーで確認）。S3は400℃で5分間N₂アニーリングし、界面酸化を促進しました。

ARXPS測定はThermo Fisher Scientific Theta Probe（単色Al Kα源、1486.6 eV）で実施。結合エネルギー較正にNi, Au, Ag, Cu標準試料を使用。試料法線から27.5°-72.5°の入射角（θ）でスペクトル取得（試料傾斜なし）。全スペクトルをC 1sピーク（285.0 eV）基準で参照し、帯電効果を補正。定量解析にはAvantageソフトウェアの相対感度係数を用いました。

結果と考察

各試料のGa 3dコアレベルスペクトルは異なる結合環境を示します。S1はGa-NとGa-Oの2成分、S2とS3はより高い検出角で顕著になるGa-OとAl-O結合に由来する追加のO 2sピークを示します。

Ga-Nピークの結合エネルギーシフト（ΔBE）のθ依存性からバンド湾曲の直接的知見が得られます。S1はθ=27.5°から72.5°で0.20 eV減少し、文献と整合する上向きバンド湾曲を示します[13]。S2は0.10 eV減少でより平坦なバンドプロファイルを示唆。対照的にS3は0.20 eV増加し、N₂アニーリング後の下向きバンド湾曲を明らかにしました。

Al 2pスペクトルは全試料で不変で、AlGaNがGa-N BE変動に影響しないことを確認。表1（論文内要約）に各θでのGa 3dとAl 2p BE値を±0.1 eV不確実性で記載。

ピーク面積と感度係数から算出したGa-O/Ga-N強度比は、S1/S2の約0.2からS3で約0.3へ上昇し、アニーリング後のGaOₓ形成促進を示唆。Ga/N比はS1/S2で約1.7（Gaリッチ）からS3で約1.0（化学量論的）へ低下し、界面Gaリッチ層がGaOₓへ酸化したことを示します。

電子非弾性平均自由行程（Al₂O₃中Ga 3dで約3.4 nm）を考慮すると、各θでのサンプリング深度は3λ cos θからAl₂O₃厚を引いた値になります。したがって高θでは浅い深度をプローブし、Ga-O信号が強調されGa-O/Ga-N比が上昇します。Ga-NからGaOₓへの遷移はGaN固有の負分極を効果的に除去し、伝導帯を平坦化、正の界面電荷を導入してバンドエッジを下向きに湾曲させます。

アニーリングはGaリッチ表面をさらに酸化し、GaOₓを厚くして正電荷密度を増加させます。これらの電荷は固定電荷層を形成し内部電界を変調、上向きバンド湾曲を下向きへ転換させます。S3でのθ依存性BEシフトがこのメカニズムを確認しています。

重要なことに、GaOₓ層は界面バリア高さ（Φb）を上昇させ、2DEG移動度を向上させながら密度を低下させることが先行研究で報告されています[14,15]。

結論

ARXPS測定により、GaN/AlGaN/GaNヘテロ構造へのAl₂O₃キャップ形成でGaリッチ界面層と続くGaOₓ層が生成されることを実証しました。これらの層はGaN固有の分極を中和し、正の固定電荷を導入し、界面でのバンドプロファイルを上向きから下向き湾曲へ変化させます。この知見は高性能・安定なGaNベースHEMT設計に不可欠です。