Effect of nitrogen incorporation into Al-based gate insulator in AlGaN/GaN MOS-HEMT

AlGaN/GaN MOS-HEMT中のAlゲート絶縁膜中への窒素取込み効果

淺原 亮平*; 野崎 幹人*; 山田 高寛*; 伊藤 丈予*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆 ; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Asahara, Ryohei*; Nozaki, Mikito*; Yamada, Takahiro*; Ito, Joyo*; Nakazawa, Satoshi*; Ishida, Masahiro*; Ueda, Tetsuzo*; Yoshigoe, Akitaka; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

GaNは次世代パワーデバイス材料として期待されている。一方、我々はこれまでにAlO中に窒素を添加したAlON膜をゲート絶縁膜とすることで電荷トラップを低減し、電子注入耐性に優れたSiC MOSデバイスを実現している。本研究では、AlON膜をAlGaN/GaN基板上にスパッタ成膜し、放射光光電子分光法による耐熱性評価を行うと共に、AlON/AlGaN/GaN MOSキャパシタを作製し、界面電気特性の評価を行った。3nmのAlONまたはAlO膜を成膜した試料について、SPring-8 BL23SUにてGa 3d, Ga 2p, N 1s, Al 2pスペクトルを取得した結果、AlO膜では800度の熱処理を行うと、表面側にGaやAl原子が拡散していることがわかった。一方、AlON膜の場合は、800度の熱処理前後でスペクトルにほとんど変化がなく、優れた耐熱性を有することがわかった。また、800度の熱処理が施されたキャパシタの界面準位密度を測定した結果、AlON/AlGaN界面の界面準位密度はAlO/AlGaN界面の約1/5低い値を示し、界面特性に優れることがわかった。これらの結果は、AlON膜がAlGaN/GaN MOS-HEMTのゲート絶縁膜としての可能性を示すものである。

AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) with metal-oxide-semiconductor (MOS) gate structure has gained much attention as next-generation high frequency and high power devices. In this study, an improvement in thermal stability and interface properties of AlGaN/GaN MOS structure by using AlON gate dielectrics has been demonstrated. Synchrotron radiation photoemission spectroscopy (SR-PES) revealed that Ga and Al atoms were diffused from AlGaN into overlying AlO layer during annealing at 800 degrees. In contrast, the spectra for AlON sample remain almost unchanged even after the annealing, indicating high thermal stability of AlON/AlGaN structure. Furthermore, the negligible hysteresis in capacitance-voltage characteristics and interface state density as low as 1.210 cmeV were obtained for AlON/AlGaN/GaN MOS capacitors.