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GaN系電子デバイス 水谷孝 名古屋大学工学研究科 ワイドギャップ半導体スクール 2007.11.3

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GaN系電子デバイス

水谷孝

名古屋大学工学研究科

ワイドギャップ半導体スクール2007.11.3

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内容

• GaNの特徴

• 電子輸送特性と電流利得遮断周波数

• 電流コラプス

• 過渡応答と電流DLTS• SiNパシベーションとMISHEMTs• ノーマリオフFET

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GaNの特徴、電子輸送特性と電流利得遮断周波数

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AlGaN

GaN

G

PSP

PSP

PPE

S D

AlGaN/GaN HEMTs

Wide gap: 3.4 eVHigh peak velocity: 2.8 x 107 cm/sPolarizationHigh 2DEG density: 1x 1013 cm-2

Breakdown field: 3 MV/cm

Charge neutrality: surface donor

J. Ibbetson et al. Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 250

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分極のAl組成依存性

O. Ambacher et al. J. Appl. Phys. 85 (1999) 3222

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移動度

n-GaN

25,3815

50

106

3 nm

電子移動度の温度依存性

1.極性光学フォノン散乱 a/T2+b/T6

2.音響フォノン散乱(変形ポテンシャル、ピエゾ分極) T-1

3.イオン化不純物散乱(遠隔) 低温でT依存なし、 nS-(1-1.5)(律則移動度: 4.5E5 cm2/Vs)

4.界面ラフネス散乱 低温でT依存なし n2に比例して増加5.(無秩序)合金散乱 低温でT依存なし n2に比例して増加nS

I. Smorchkova et al. J. Appl. Phys. 86 (1999) 4520

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AlN中間層による合金散乱の抑制

L. Shen et al. IEEE EDL 222 (2001) 457

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0

1

2

3

0 1 2 3

電子

速度

(×10

7 cm/s )

電界 (×10 5 V/cm)

GaN

GaAsSi

SiC

電子速度の電界依存性

光学フォノンエネルギ大(90meV:GaAs系の3倍))→

飽和速度大(約1.7倍)

結合力大が多くの特徴を作っている。

光学フォノンエネルギー、エネルギバンドギャップ、エッチング速度 etc

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0 10 205

10

15

20

187℃

103℃

23℃

全遅

延時

間( p

s )

1/ ドレイン電流(mm・A-1)

0 5 10 15 200

5

10

15

23℃103℃187℃

電流利

得遮

断周

波数

(GH

z)

ドレイン電圧(V)

fTおよび全遅延時間のバイアス依存性

真性電流利得遮断周波数、fT: gm0/2πCg

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0 50 100 150 2000

5

10

15

Cut

off F

requ

ency

, fT (

GH

z )

Temperature ( ℃ )

0.0

0.5

1.0

1.5

( 107 cm

/s )

←fT

veff→

Effe

ctiv

e E

lect

ron

Vel

ocity

, vef

f

50 100 150 2000.00

0.25

0.50

0.75

1.00

veff移動度

veff↑

電界( kV/cm )180 100 50 25 15 室

温の値で規格化した電子速度、移動度

温度(℃) ℃

fT, veffの温度依存性

M. Akita et al. Phys. Stat. sol (a) 188 (2001) 207

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ddcceff

i vl τττ ++=

( )∫=l

xvdx

( )DSGDDS

DS

m

GDGS

m

GDGS

T

RRCR

RRg

CCg

CCf

+++

⋅+

++

==002

τ

遅延時間解析

真性遅延時間 τi 寄生抵抗に起因 ミラー効果に対応

速度の遅い(低電界)領域の寄与大

いずれもコンタクト抵抗の大きいGaN系デバイスでは効く

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Without recess

Two-step recess

Inclined recess

Evaluation for 4 types of devices.(Electric field, Electron velocity and Device characteristics)

i-AlGaN 50 nm

i-GaN

DS

2μm1μmG

1μm 2μm1μmG

1μm

i-AlGaN 50 nm

i-GaN

DSi-AlGaN 50 nm

i-GaN

2μm1μmG

1μm

DS

Well recess

2μm1μmG

1μm

i-AlGaN 50 nm

i-GaN

DS

used in device simulationDevice Structure

Y. Aoi et al. Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 3368

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0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4

pote

ntia

l (V

)

Distance (μm)

VDS

= 10 V

VG= Vth + 2 V

● without recess● well recess● two-step recess● inclined recess

Source Drain

Gate

Potential Distribution

Potential drop under the gate becomes larger for the device with inclined-gate-recess.

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-10

0

10

20

30

108 109 1010 1011

Gai

n (d

B)

● with recessfT= 7.94 GHz

VDS

=10V

● without recessfT= 6.40 GHz

Frequency (Hz)

Cut-off Frequency

Higher fT was obtained for the device with inclined-gate-recess structure.

ゲート長:2μm

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ゲート長60 nmの微細T型ゲート

短チャネル効果抑制:AlGaN障壁層を薄くする寄生抵抗を小さくする:SiN表面保護膜形成

高いfTの実現:152 GHz東脇(情報通信研究機構)

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電流コラプス

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-202468

101214

0 5 10 15 20

I D (m

A)

VDS

(V)

ゲート長:1.5μmゲート幅:20μm

VGS

step:1 V

VGS

=3 V

VGS

=-3 V

電流コラプス

ドレインに電圧に依存した特性 ゲートバイアスストレスによるID減少

0

2

4

6

8

10

-5 -4 -3 -2 -1 0 1I D

(mA

)

VGS (V)

VDS = 10 VV

GS; -5 > +1 > -5 (V)

before stress

after stress(10 s @ P)P

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Drain Current Collapse by Gate Bias Stress

・Current collapse・Counter clockwise hysteresis

Carriers from the gate

・No VTH shift・No side-gate effect

Deep levels in AlGaN and in the buffer : X

Surface states: ○0

2

4

6

8

10

-5 -4 -3 -2 -1 0 1

I D (m

A)

VGS (V)

VDS = 10 VV

GS; -5 > +1 > -5 (V)

before stress

after stress(10 s @ P)P

T. Mizutani et al. IEEE Trans. ED 50 (2003) 2015

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Effect of Illumination Position

0

2

4

6

8

10

-5 -4 -3 -2 -1 0 1

I D (m

A)

VGS (V)

VDS

= 10 V

VGS

; -5 > +1 > -5 (V)

tH=10 sP

Q1

Q2

illuminating on

D-G

G-S

G-D: Large current recovery

Surface states on G-D region

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

I D(Q

) (m

A)

x (μm)

VDS

= 10 V, VGS

= 1 V

DGS

resolution

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Dependence of the Collapsed Current on the Stress Voltage

Threshold-like behavior of the current collapse

0

2

4

6

8

10

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

I D(Q

) (m

A)

VG_Stress

(V)

VDS = 10 V

Importance of a large field for injecting electrons from the gate

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Transient of the Current Recovery

Stress: VGS = -5 V, 10 s

Long recovery time

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

0 50 100 150 200 250 300

I D (m

A)

Time (s)

90 %

35 s

VDS

= 10 V

VGS

= 0 V

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コラプスのストレス時間依存性

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40

I D(Q

) (m

A)

tStress (s)

VDS

= 10 V

VG_Stress

= -5 V

Long injection time:small surface electron mobiity

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Current Collapse Model

1. Electron injection from the gate & capture by the surface states.

2. Virtual gate.3. Long recovery time.

GaN

Source Gate Drain

RS (V -V )GS th

AlGaN

-- - -- - - -0 V -5 V 10 Vvirtual gate

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EC

EV

ET1ET2

3.4 eV

Gate

捕獲

放出

Drain

IDB

表面伝導のモデル

ホッピング

表面における電子の伝導

捕獲は放出に比べ、時間が短いため遅い過渡応答には寄与しない

表面での電子移動が遅い

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VGS

VDS

S G D

G D

φS Measurement by KFMcantilever

Scan speed2 s/800 nm (H. direction)

126 s/800 nm (V. direction)

VDS= 5 VVGS= 0 V

2 s

64 lines 126 s

LGS = 2 μmLGD = 2 μm Measurements before & after the bias stress.

VGS=-10 V, VDS=5 V, 120 s

KFM: electrostatic force

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0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

Distance (nm)

Potential (V)

Time (s)0

0 400 800

30 60 90 120

after stress0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

Potential (V)

Time (s)0 30 60 90 120

0 400 800

Distance (nm)

GG

Potential Profile / Time Dependenc (G-D)300 nm 300 nm

90 %

75 s

Nakagami et al. Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 6028

W/O stress

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0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

Distance (nm)

Potential (V)

Time (s)0

0 400 800

30 60 90 120

VDS = 5 V

VGS = 0 V

5.0

4.5

4.0

5.5

ID (mA)

Time Dependence of ID & Potential

Time Dependence of ID & Potential

Drain current

Surface potential

Times necessaryto recover to 90% :

75s for surface potential50s for drain current

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KFM Image

Low Potential Regions

Pits

Correlation

Y. Eguchi et al. Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) L589

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HEMTのEL分布の比較

GaN HEMTのEL GaAs HEMTのEL

ドレイン電極端で発光を観測 ゲート電極端(ドレイン側)で発光を観測

T. Nakao et al. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 1990

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高電界領域形成に及ぼす表面電荷の影響

•理想的なHEMT

高電界: ゲート端(空乏層)

•負の表面電荷をもつHEMT

空乏層電荷(+)を補償

高電界: ドレイン端

GaN

Source Gate Drain

AlGaN+ + ++ + +++ + + ++ + + ++ + + ++

-- -- - - - -

2DEG

--- -

Potential

n

-- - ---- -

-- - -- ---

- -

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表面準位の影響

-1

0

1

2

3

4

5

6

3 4 5 6

Pote

ntia

l (V)

x (μm)

Gate Drain

0

5

1

3

2

2.5

NS (x1012 cm-2)

表面トラップ密度 (NS) ≿ 3×1012 cm-2

高電界 ドレイン端

表面トラップの影響大

表面トラップの電子(-)が空乏層電荷(+)を補償

チャネル内電位分布の計算結果

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Electroluminescence

w/o Si3N4passivation

Si3N4passivation

Change in the EL location by surface passivation suggesting the change in the field distribution.

Y. Ohno et al. Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 2184

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フィールドプレートによる電流コラプスの抑制

AlGaN

GaN

GS D

フィールドプレート: 電界集中の緩和と

ゲート電極からの電子注入抑制(NEC)

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HEMT with Si3N4 Passivation

DrainSi3N4 100 nm

SourceAl0.3Ga0.7N 5 nmn- Al0.3Ga0.7N 10 nmAl0.3Ga0.7N 5 nm

GaN 3 μm

AlN 40 nmSapphire substrate

Gate

0

2

4

6

8

10

-5 -4 -3 -2 -1 0

w/o Si3N4

with Si3N

4

I D (m

A)

VGS

(V)

before stress

after stress

before & afterstress

VDS

= 10 V

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電流コラプス/過渡応答抑制はもぐらたたき

深い準位表面準位、界面準位バルク中準位

へのキャリアトラップと放出

1.深い準位の低減2.システムサイドからの要求に合わせた

デバイス設計

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過渡応答の評価と解析

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Temperature Dependence of the Drain Current Noise

T. Mizutani et al. Jpn. J.Appl.Phys. 42 424 (2003)

1/f

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(Noise Power Spectral Density) x Frequency

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Frequency Dispersion of GDS

T. Mizutani et al. Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003) 424

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2 2.5 3 3.5 4

low-frequency noisedrain condactance

τ×

T2 (s・

K2)

1000/T (1/K)

1

10

102

103

1/τ~σT2exp(-Ea/kT)

0.47 eV0.43 eV

Comparison of Arrhenius Plots

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VDS

ATransient current

VG

DLTS

ID DLTS Measurement Setup

T

ID(t1) - ID(t2)

LT

HTt1 t2

t

t

ID(t)

tID(t)

ID(t)

ID Transient

TP= 10 ms VP = 1 V

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Ea#1 0.29 eV#2 0.61 eV#3 0.55 eV

Measured Results

Negative peak #2 : Electron trapPositive peak, #1 & #3: Hole-like trap

10

100

1000

104

2 2.5 3 3.5 4 4.5τ・

T2(s・

K2)

1000/T (K-1)

#3#2

#1

-8

-6

-4

-2

0

2

4

100 200 300 400 500 600T (K)

DLT

S S

igna

l, b1

(μ A

)

#1 #3

#2

T. Mizutani et al. phys. Stat. sol. (a) 200 (2003) 195

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Negative Peak: Electron Trap

VG: Positive

VG: Negative

VG

ID

EF

EF

ET

ET

Electron capture at bulk traps

Electron emission at bulk traps

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正側のピーク: ホールトラップ的

AIDB

VG

tA1

tA2

表面準位での電子の捕獲・放出

表面準位での電子の放出

(a) t A1

S G D S G D

(b) t A2

IDはAのように徐々に増加

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S G D

(c) t B1 (d) t B2

S G D

表面準位での電子の注入・捕獲

IDBB

VG

tB1

tB2

正側のピーク: ホールトラップ的表面準位での電子の捕獲・放出

IDはBのように徐々に減少

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Comparison of Arrhenius Plots

1

10

100

1000

104

0 2 4 6 8 10

τ・T2

(s・

K2 )

1000/T (K-1)

#1

#2#3

[1]

[2]

[1] P. Hacke JAP 0.59 eVHVPE/MOCVD GaN

[2] W. Lee APL 0.49 eVMOCVD GaN

[3]

[4]

#2: Commonly observed defects in GaN

[3] T. Mizutani 0.49 eV LF noise/f-dispersion

[4] H. Makihara 0.31eVLF noise

#1: Close to the surface-related LF noise

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SiNパシベーションとMISHEMTs

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HEMT with Si3N4 Passivation

DrainSi3N4 100 nm

SourceAl0.3Ga0.7N 5 nmn- Al0.3Ga0.7N 10 nmAl0.3Ga0.7N 5 nm

GaN 3 μm

AlN 40 nmSapphire substrate

Gate

0

2

4

6

8

10

-5 -4 -3 -2 -1 0

w/o Si3N4

with Si3N

4

I D (m

A)

VGS

(V)

before stress

after stress

before & afterstress

VDS

= 10 V

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-4

0

4

8

12

100 200 300 400 500 600

DLT

S Si

gnal

, b1 (μA

)

T (K)

-4

0

4

8

12

100 200 300 400 500 600T (K)

DLT

S Si

gnal

, b1 (μA

)

Effects of Si3N4 Passivation

w/o Si3N4 with Si3N4

Surface state related hole-trap-like signal disappeared.

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Device Structure

Lg=1.5 µmWg=20 µm

・Si3N4 filmECR sputtering

( µ-wave: 500 W, RF: 500 W )

Gate insulator &Surface Passivation film

n=6×1018 cm-3DrainSi3N4 (10 nm)

Source

Al0.3Ga0.7N 3 nm

n- Al0.3Ga0.7N 7 nm

Al0.3Ga0.7N 3 nm

GaN 3 µm

AlN 40 nm

Sapphire substrate

Gate

M. Ochiai Jpn. J. Appl. Phys. et al. (2003) 2278

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IG-VGS Characteristics

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

-8 -6 -4 -2 0 2

I G (A

)

VGS

(V)

w/o Si3N

4

with Si3N

4

・Gate leakage current decrease aboutthree orders of magnitude.

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ゲートリーク電流

温度依存性なし→トンネル電流

C2F6プラズマ処理によるゲートリークの減少とVTシフト(1.2 V)

S. Mizuno et al. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 5125

H. Hasegawa et al. J. Vac. Sci. Technol. B 21 (2003) 1844

Thin surface barrier model

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-202468

101214

0 5 10 15 20

I D (m

A)

VDS

(V)

ゲート長:1.5μmゲート幅:20μm

VGS

step:1 V

VGS=3 V

VGS

=-3 V

電流コラプス

HEMT ID-VDS特性 MIS-HEMT(P-CVD法)ID-VDS特性

MIS構造により電流コラプスの抑制

SiNx膜が表面保護膜の効果

-202468

101214

0 5 10 15 20I D

(mA

)V

DS (V)

ゲート長:1.5μmゲート幅:20μm

VGSstep:1 VVGS=3 V

VGS=-7 V

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ID-VGS Characteristics after the Gate Bias Stress

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-5 -4 -3 -2 -1 0

before stress

after stress

I D (m

A)

VDS

= 10 V

VGS

(V)

before/after stress

MIS-HEMTHEMT

・Drain current was measured after a stress of VGS = -5 V for 10 s

・Suppression ofthe current collapse in MIS-HEMTs.

Si3N4 film:・Gate insulator・Passivation film

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The Effect of Si3N4 Passivation on LF Noise

-200

-180

-160

-140

-120

-100

-80

1 10 100 1000 104 105 106

Noise power spectral density

(dBm/Hz)

frequency(Hz)

∝1/f

∝1/f2

w/o Si3N4

VDS=10V

VGS=0V

with Si3N4

M. Ochiai Jpn. J. Appl. Phys. et al. (2003) 2278

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HfO2 AlGaN/GaN MISFETs

020406080

100120140160180

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3

w/o HfO2

as fabricated300℃350℃SiNx MIS-HEMT

g m(m

S/m

m)

VGS

(V)

VDS

(10V)

SiNx

w/o, 300 °C

as fab, 350 °C

Ni/Pt/Au

(0001) Sapphire substrateAlN buffer

i-GaN 3μm

Ti/Al

n-Al0.30Ga0.70N 7 nmi-Al0.30Ga0.70N 3 nm

HfO2(10nm)

i-Al0.30Ga0.70N 3 nm

Large transconductance in HfO2 MISFET

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ノーマリオフ型FET

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AlGaN/GaN HEMTs

Background

Suitable for high-power & high-frequency applications.

-Issues-

・Large parasitic resistance・Precise etching control

Normally-off HEMTs are required for implementing high-power switching system.

W. Saito et a.l, IEEE Trans. Electron Devices, 53 (2006) 356

RC

i-GaN

Source Drain

Gate RC

RGDRGS RREC RREC

10

8

6

4

2

0-1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0 0.4

RO

NA

(mΩ

cm2 )

Threshold Voltage Vth (V)

■:Experiment (Wg=3 mm)●:Experiment (Wg=0.6 mm)Lgd=5 μm

AlGaN

・Small forward VGS

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ECEF

AlGaN GaNMetal

GaN

ECEF

InGaN AlGaNMetal

+ -

Polarization-induced field in the InGaN cap layer is expectedto raise the conduction band.

AlGaN

GaN

InGaN

G

PSP

PSP

PSP

PPE

PPE

S D

AlGaN/GaN HEMTs with Thin InGaN Cap Layer

T. Mizutani et al. IEEE EDL 28 (2007) 549

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-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5P

olar

izat

ion

(C/m

2 )In-composition

InxGa1-x

N/GaN

Polarization in InGaN cap layer structure

AlGaN

GaN

InGaN

G

PSP

PSP

PSP

PPE

PPE

S

The piezo-electric polarization (PPE) is much larger than the spontaneous polarization (PSP) in the InGaN cap layer.

D

PSP

PPE+

+

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Comparison between deviceswith and without InGaN Cap

0

50

100

150

200

-2 -1 0 1 2Gate voltage (V)

Tran

scon

duct

ance

(mS

/mm

) VDS

= 5V

●:w/o InGaN cap□:with InGaN cap (before etching)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-2 -1 0 1 2

VDS

= 5V

●:w/o InGaN cap□:with InGaN cap (before etching)

Gate voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (A

/mm

)

⊿Vth = 1.9 V

・Confirmation of normally-off operation.・Smaller gmmax: due to a large parasitic resistance caused by the InGaN cap layer in the access region.

Devices with InGaN cap layer

145 mS/mm

85 mS/mm

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Transfer characteristics before and after InGaN etching at the access region

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

VDS

= 5 V●:before etching□:after etching

Gate voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (A

/mm

)

0

50

100

150

200

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

VDS

= 5 V●:before etching□:after etching

Gate voltage (V)Tr

ansc

ondu

ctan

ce (m

S/m

m)

130 mS/mm

85 mS/mm

before etching : 85 mS/mmafter etching : 130 mS/mm

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0

50

100

150

200

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

VDS = 5 V●:before annealing□:after annealing

Gate voltage (V)

Tran

scon

duct

ance

(mS/

mm

)

Transfer characteristicsbefore and after annealing

145 mS/mm130 mS/mm

before annealing : 130 mS/mmafter annealing : 145 mS/mm

(250ºC in N2 atmosphere for 20 min)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2Gate voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (A

/mm

)

VDS = 5 V●:before annealing□:after annealing

Ito et al. ICNS 2007

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GaN MOSFET Approach

Decrease in input capacitance Decrease in gm

Issue of MOSFET

K. Matocha et al. , IEEE Trans. Electron Devices, 52, (2005) 6

Highest gm_max= 6 mS/mm

HfO2 gate insulator with a large dielectric constant.

Gate metal overlap over S/D electrodes. i-GaN 1 μm

Ti/Pt/Au

n+ n+

Dopant:Mg=2×1017cm-3

Ti/Al/Ni/Au HfO2(100nm)

p-GaN 1 μm

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Transfer Characteristics ofEnhancement-Mode MOSFET

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20Gate voltage (V)

Tran

scon

duct

ance

(mS/

mm

)

VDS

= 8V

Vth=8 V, VGS_max=20 VImax=320 mA/mmgm_max=23 mS/mm μFE=70-90 cm2/Vs

Validity of the present MOSFET technologyStill room for improvements in μ and gm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10

Cap

acita

nce

(pF)

HfO2:50 nm

εr=17.3

Gate voltage (V)0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20

VDS

= 8V

Gate voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (m

A/m

m)

S. Sugiura et al. Electron. Lett. 43 (2007) 952

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IG-VGS Characteristics of Enhancement-Mode MOSFET

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

-10 -5 0 5 10

HEMT

SiO2 MOSFET

HfO2 MOSFET

SiNX MISFET

Gate voltage (V)

Gat

e cu

rrent

(A/m

m)

Lg=2.5 μm

0

1 10-5

2 10-5

0 2 4 6 8 10

HEMT

SiO2 MOSFET

HfO2 MOSFET

SiNX MISFET

Gate voltage (V)G

ate

curre

nt (A

/mm

)

Lg=2.5 μm

HfO2 : better than other dielectrics in respect to the gate leakage current.

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p-GaN 1 μm

i-GaN 1 μm

Ti/Pt/Au

n+ n+

Ti/Al/Ni/Au HfO2(100 nm)

i-GaN 3 μm

Ti/Pt/Au

n+ n+

Ti/Al/Ni/Au

i-AlGaN

HfO2(100 nm)

12 nm

2DEG

-idea-high quality interface higher performance

EC

EF

EC

EFmetal HfO2 p-GaN metal HfO2 i-GaNi-AlGaN

AlGaN/GaN Heterostructure

S. Sugiura et alICNS 2007, Las Vegas

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0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 2 4 6 8 10Drain voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (m

A/m

m)

VGS

=9VVGS

= 0~9V, 1Vstep

VGS

= 0V

Lg=2.5 μm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

50

100

150

200

-2 0 2 4 6 8 10

VDS

= 8V

Gate voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (m

A/m

m)

Tran

scon

duct

ance

(mS/

mm

)

I-V characteristics of the fabricated AlGaN/GaN MOSFETs

Vth=3 V ID_max=730 mA/mmgm_max=185 mS/mmμFE=900~1500 cm2/Vs

Vth=8 VID_max=320 mA/mmgm_max=45 mS/mmμFE=70~90 cm2/Vs

Ref. p-GaN MOSFET

Validity of the present MOSFET technology using HfO2 as a gate oxide and AlGaN/GaN heterointerface as a channel

S. Sugiura et al. Electron. Lett. 43 (2007) 952

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Fluoride-based plasma treatment

LG = 1.5 μm LDS = 5.5 μm

i-Al0.25Ga0.75N 35 nm

i-GaN

CF4 plasma

S D

Sapphire substrate

Fabrication process1. Isolation, Ohmic contact2. Gate pattern delineation3. Fluoride-based plasma treatment

using CF4 RIE4. Gate electrode formation, Lift-off5. Annealing

Conditions of the plasma treatmentFlow rate:CF4 (30 sccm), Pressure:7.0 Pa

RF power:200 W, Time:90, 120 s

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gm-VGS & ID-VGS characteristics

0

20

40

60

80

100

120

140

-8 -6 -4 -2 0 2 4

No treatment90sec120sec

g m [m

S/m

m]

VGS

[V]

VDS:10VLg:1.5μmWg:20μm

0

100

200

300

400

500

600

700

-8 -6 -4 -2 0 2 4

No treatment90sec120sec

I D [m

A/m

m]

VGS

[V]

VDS:10VLg:1.5μmWg:20μm

CF4 plasma Vth (gm-VGS) [V] Vth (ID-VGS) [V]

No treatment –4.7 –3.8

90 s –1.7 –1.2

120 s –0.7 –0.1

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DLTS signals

ET1 at 200 K disappeared and ET3 appeared at ~500 K by the plasma treatment

Fluorine atoms formed a new deep level?

Increase of ET3 peak height at deep negative bias

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

100 200 300 400 500 600

w/ow/

DLT

S si

gnal

b1

[pF]

T [K]

ET1 ET2

ET3

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

100 200 300 400 500 600

VR = -0.3V

VR = -1.0V

VR = -2.0V

DLT

S si

gnal

b1

[pF]

T [K]

ET3

plasma-treated samplew/ & w/o plasma treatment

ET3 1.51eV 9.9×10−13cm2

Mizuno et al. IWN 2006, Kyoto

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Thermal stability

Condition:200°C in a N2atmosphere

Vth shift was not observed even for the devices with plasma treatment.

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0 20 40 60 80 100

Vth

[V]

Keeping time [day]

w/o

w/

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オン抵抗と耐圧との関係

10-1

100

101

102

102 103 104

Breakdown voltage (V)

Spe

cific

On-

Res

ista

nce

Ron

A (m

Ωcm

2 )

Si Limit

GaN Limit

Si Super Junction MOSFET

GaN HFET (normally-off)

GaN GIT

Si IGBT (commercial)

SiC Limit

直線は横型FETの計算値

GaN FET

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今後の研究開発

1.システムサイドからの要求に合わせたデバイス設計

2.深い準位の低減

高周波応用:ノーマリオン型実用段階

電力応用:ノーマリオフ型が必須更なるオン抵抗低減更なる高耐圧化