AlGaN二重チャネルHEMT：ドレイン電流密度向上と優れた耐圧性能を実現

要旨

本研究では、AlGaN二重チャネルヘテロ構造を提案し、金属有機化学気相成長法（MOCVD）で成長させ、高性能AlGaN二重チャネル高電子移動度トランジスタ（HEMT）を作製・調査した。二重チャネル構造の導入により、AlGaNチャネルヘテロ構造の輸送特性が効果的に改善される。一方では、垂直方向の二重ポテンシャルウェルとキャリア閉じ込め強化により、総二次元電子ガス（2DEG）密度が向上する。他方では、各チャネルの平均2DEG密度が低下し、キャリア-キャリア散乱効果の抑制により移動度が向上する。結果として、AlGaN二重チャネルHEMTの最大ドレイン電流密度（I_max)はゲート電圧0 Vで473 mA/mmに達した。さらに、AlGaN二重チャネルHEMTの優れた耐圧性能も実証された。これらの結果は、AlGaN二重チャネルHEMTがマイクロ波パワーエレクトロニクスへの大きな応用可能性を有するだけでなく、III族窒化物ベース電子デバイス研究への新たな思考を提供することを示している。

序論

III族窒化物ベース高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、高速スイッチング速度と低スイッチング損失により、次世代マイクロ波パワーエレクトロニクスの最有力候補とされている[1-5]。近年、最先端窒化物HEMTは650 Vまで初期商用化を達成している。しかし、デバイス作製技術の成熟に伴い、耐圧電圧（V_b)の更なるスケールアップと高温でのデバイス信頼性向上がますます困難になっている。したがって、GaNより大きなバンドギャップと優れた熱安定性を持つAlGaNの観点から、AlGaNチャネルデバイスが高電圧・高温応用における窒化物HEMT性能限界の更なる向上に向けた有望候補として提案されている[6-15]。

NanjoらはAlGaNチャネルHEMTの顕著な耐圧電圧向上を実証し、ゲート-ドレイン距離10 μmのAl_0.53Ga_0.47N/Al_0.38Ga_0.62N HEMTで最大耐圧電圧1650 Vを得た[6]。その後、NanjoらはAl_0.40Ga_0.60N/Al_0.15Ga_0.85N HEMTの耐圧電圧を1700 Vまで向上させた[8]。Zhangらは新規オーミック/ショットキー・ハイブリッドドレイン接触を持つAlGaNチャネルHEMTを作製し、AlGaNチャネルHEMTで2200 V超の記録的高耐圧電圧を達成[11]。Xiaoらは高2DEG移動度807 cm²/V・sを持つAlGaNチャネルヘテロ構造を提案し、作製AlGaNチャネルHEMTで最大ドレイン電流とI_on/I_off比の記録を報告[14]。その後、Xiaoらは超格子AlGaNチャネル層を持つノーマリオフHEMTを初めて提案し、作製デバイスで耐圧電圧2000 V超、高オン電流密度768 mA/mm、閾値電圧（V_T)1.0 Vを示した[15]。最近、Bacaらはゲート長80 nmのAlGaNチャネルHEMTの高周波（RF）性能を評価し、小信号Sパラメータ測定からf_T 28.4 GHz、f_MAX 18.5 GHzを決定[12]。これら結果はAlGaNチャネルHEMTのRFパワー応用への期待を示している。

しかし、従来報告AlGaNチャネルデバイスの限界も明確である。一方では、三元混晶無秩序散乱効果により、AlGaNチャネル2DEG移動度はGaNチャネルより大幅に低い。結果として、AlGaNチャネルデバイスの電流駆動能力は従来GaNチャネルデバイスより大幅に劣る。他方では、AlGaNチャネルに同量の2DEGを誘導するため、AlGaNバリア層のAlN組成を従来GaNチャネルヘテロ構造より高くする必要があり、材料成長プロセスの難易度が増す。これら矛盾がAlGaNチャネルデバイスの広範応用を深刻に阻害しており、ヘテロ構造レイアウトの最適化が急務である。

二重チャネル技術は、電子移動度に悪影響を与えず窒化物ベースヘテロ構造のチャネルキャリア密度を向上させ、デバイス電流伝導能力を改善する興味深いアプローチである[16-18]。しかし、AlGaN二重チャネルヘテロ構造や電子デバイスに関する報告はこれまでほとんどない。本研究では、初めてAlGaN二重チャネルヘテロ構造を提案・成長させ、窒化物ベース電子デバイスの電流駆動能力と耐圧性能の矛盾を解決した。さらに、新規ヘテロ構造ベース高性能AlGaN二重チャネルHEMTを作製し詳細に調査した。

方法

AlGaN二重チャネルヘテロ構造の断面模式図を図1aに示し、成長プロセスを以下にまとめる。まず、サファイア基板上に1600 nm GaNバッファ層を成長。次に、AlN組成0-10%で勾配を持つ500 nm AlGaNグレードバッファ層を成長し、寄生チャネル形成抑制に有益。その後、100 nm下部AlGaNチャネル、1 nm AlN中間層、23 nm下部AlGaNバリアを順次成長し、チャネルとバリアのAlN組成はそれぞれ10%と31%。最後に、30 nm上部AlGaNチャネル、1 nm AlN中間層、23 nm上部AlGaNバリア層を成長し、組成は下部層と同一。AlGaN二重チャネルヘテロ構造の伝導帯図は、非均一メッシュサイズを用いた有限差分法で一次元ポアソン-シュレディンガー方程式を自己整合的に解くことで計算可能[19]。AlGaN二重チャネルヘテロ構造の伝導帯図と抽出電子密度分布を図2aに、比較用AlGaN単一チャネルヘテロ構造の結果を図2bに示す。AlGaN二重チャネルヘテロ構造では、AlN中間層とAl_0.10Ga_0.90Nチャネル層界面に2つの深いポテンシャルウェルが形成され、二重2DEGチャネルに対応する。また、上部チャネル2DEG密度が下部チャネルより高いことが観察される。これは二側面から説明可能：一方面では、下部AlGaNバリアが上部チャネルのバックバリアとして機能し、上部チャネル2DEG閉じ込めを促進。他方面では、窒化物ヘテロ構造のチャネル2DEG主供給源であるドナー型表面準位[20]が上部チャネルに近接しているためである。

結果と考察

図3に、AlGaN二重チャネルヘテロ構造の高分解能X線回折（HRXRD）ω-2θスキャン結果を対称（0004）反射で示す。AlN核生成層、GaNバッファ、AlGaNグレードバッファ、AlGaNチャネル、AlGaNバリア層からの回折強度が観察される。さらに、71.0-73.2°のスペクトルスキャンを図2bに拡大表示し、ローレンツ関数でマルチピークフィッティングを適用。GaNバッファ、AlGaNチャネル、AlGaNバリアの回折ピークはそれぞれ71.6°、72.2°、72.8°に位置し、AlGaNグレードバッファがGaNバッファとAlGaNチャネルピーク間にプラトーを形成。これら結果は明確な多層構造と成長プロセスの高度な制御を示し、AlGaNチャネルとバリアのAlN組成10%と31%を抽出可能。

水銀プローブ構成による容量-電圧（C-V）測定でヘテロ構造の二重チャネル特性を調査。図4インセットに示すように、印加電圧を0から−15 Vへスイープすると、−2.5 Vと−10 V付近に2つの明確な容量ステップが観察され、AlN/Al_0.10Ga_0.90界面での2DEG枯渇に対応。さらに、キャリア分布特性をC-V曲線から抽出し図4に示す。2つのキャリア濃度ピークが24 nmと78 nmに位置し、値は6.1 × 10¹⁹と2.5 × 10¹⁹ cm⁻³で、図2の計算結果と一致。特筆すべきは、テスト深度1 μmまで寄生伝導チャネルが観察されず、ヘテロ構造の二重チャネル特性達成成功を示唆。また、ホール効果測定で2DEGシート密度1.3 × 10¹³ cm⁻²、移動度1130 cm²/V・sを決定。

標準HEMT作製プロセスをAlGaN二重チャネルヘテロ構造で実施。デバイス作製は、電子ビーム蒸着によるTi/Al/Ni/Au多層金属スタックオーミック接触形成から開始し、N₂雰囲気下850℃、30秒で急速熱アニール。次に、Cl₂/BCl₃誘導結合プラズマエッチングで200 nm深度までメサ分離し、プラズマCVDで100 nm厚SiNパッシベーション層形成。その後、ゲート長（L_G)0.8 μmのゲート領域を、CF₄プラズマでトップSiNエッチング後フォトリソグラフィで定義し、Ni/Auショットキーゲート電極を蒸着。ゲート-ソース（L_GS)とゲート-ドレイン（L_GD)距離はそれぞれ0.8と1 μm。比較のため、従来AlGaN単一チャネルとGaN二重チャネルヘテロ構造ベースの追加HEMT試料2つも作製し、断面模式図を図1b、cに示す。追加HEMT試料のデバイスプロセスと特性パラメータはAlGaN二重チャネルHEMTと完全同一。デバイス出力・伝達特性はKeithley 4200半導体パラメータアナライザで、耐圧特性はAgilent B1505A高電圧半導体アナライザシステムで測定。

典型的HEMT出力特性を図5に示す（V_GSとV_DSを0〜−10 Vと0〜10 Vでスイープ）。AlGaN単一チャネル試料の最大ドレイン電流密度（I_max)と微分オン抵抗（R_on)はそれぞれ265.3 mA/mmと27.1 Ω・mm。これら結果は先行報告と一致し、AlGaNチャネルHEMTの電流駆動能力不足を示唆。AlGaN二重チャネルHEMTでは、I_maxが473 mA/mmに劇的に増大し、AlGaN単一チャネルHEMTの1.8倍。I_max改善はAlGaN二重チャネルヘテロ構造の優れた輸送特性に起因すると考える。一方面では、二重チャネル構造が垂直方向に2つのポテンシャルウェルを持ち、AlGaN伝導チャネルのキャリア蓄積能力が向上。他方面では、総チャネルキャリア密度増加にもかかわらず、各チャネル平均電子密度が低下し、キャリア-キャリア散乱効果が抑制されチャネル電子移動度が向上。しかし、AlGaN二重チャネルHEMTのR_onは12.5 Ω・mmで、GaN二重チャネルHEMTより大きい。これはAlGaNバリア層の大きな接触障壁高（AlN組成31%）に関連。自己加熱効果（高電力損失由来）により、GaN二重チャネルHEMTではV_GS > −4 VかつV_DS > 6 Vで負微分抵抗効果が観察される。一方、AlGaNチャネルHEMT（単一・二重チャネル両方）ではこの負微分抵抗効果が有意に抑制され、AlGaNチャネルHEMTの高温条件下優位性が示される。

図6にV_DS = 10 Vでの典型的伝達特性を示す。AlGaN単一チャネルHEMTは閾値電圧（V_T)−3.8 V、V_GS = −1.5 V付近で劣ったピーク外部トランスコンダクタンス（G_m,max)80.5 mS/mmを示す。AlGaN二重チャネルとGaN二重チャネルHEMTでは、V_Tがそれぞれ−9.2 Vと−11.2 Vに著しく低下し、これは高チャネルキャリア密度とゲート電極から下部2DEGチャネルまでの相対的長距離による。高V_Tはオフ状態でのデバイス高電力損失を招く可能性があり、二重チャネル構造成長パラメータ（バリアと上部チャネル層厚の適切な減少など）の更なる最適化で改善可能。特筆すべきは、AlGaN二重チャネルとGaN二重チャネルHEMTのトランスコンダクタンス曲線に二重ピーク特性が観察されること。AlGaN二重チャネルHEMTでは、V_G = −1.0 Vと−6.0 Vで97.9と42.5 mS/mmの2ピーク値が抽出可能。サブピーク値がG_m,maxの43%に達し、AlGaN二重チャネルHEMTの優れたゲート制御能力と直線性を示唆。さらに、先行研究成果[21]に基づき、構造パラメータ（AlGaN二重チャネル厚さと組成など）変調により結果を更改善可能で、二重チャネル間結合効果とデバイス直線性を向上できる。

異なるヘテロ構造ベースHEMTのオフ状態耐圧特性を測定し図7に示す。V_bはリーク電流5 μA/mm到達基準で定義。全3試料がハード耐圧特性を示し、AlGaNチャネルHEMTの耐圧性能がGaNチャネルHEMTより明確に優れている。AlGaN二重チャネルHEMTのV_bは143.5 Vで、GaN二重チャネルHEMTの2倍以上。L_GD = 1 μmを考慮すると、V_b,standard（V_b/L_GD定義）はAlGaN二重チャネルHEMTで143.5 V/μmに達する。本研究のAlGaN二重チャネルHEMTのI_maxとV_b,standard結果を、他グループ報告GaNチャネルとAlGaNチャネルHEMTとベンチマーク比較し図8に示す（デプレッションモード（DM）とエンハンスメントモード（EM）デバイスを区別）。また、先行報告と本研究のAlGaNチャネルHEMT（ヘテロ構造）コア指標を表1にまとめる。図8示す通り、AlGaNチャネルHEMTの耐圧性能は一般的にGaNチャネルHEMTより優れ、I_max悪化を伴う。注目すべきは、本研究のAlGaN二重チャネルI_maxがほとんどのGaNチャネルHEMT結果と比較可能であること。さらに、本研究I_max値はV_GS = 0 Vで得られており保守的で、正ゲート電圧印加で更改善可能。したがって、これら結果はAlGaN二重チャネルHEMTのマイクロ波パワーデバイス応用への莫大な可能性を説得力を持って実証している。

結論

要約すると、高性能HEMT作製のためAlGaN二重チャネルヘテロ構造を提案した。AlGaN二重チャネルヘテロ構造の優れた輸送特性が明らかになり、HEMT電流駆動能力が向上。さらに、AlGaN二重チャネルHEMTの優れた耐圧性能を実証。本研究結果は、AlGaN二重チャネルデバイスが将来のマイクロ波パワー応用に大きな可能性を有することを示している。