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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Al$$_{2}$$O$$_{3}$$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Al$$_{2}$$O$$_{3}$$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、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$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Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/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 Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ 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 1.2$$times$$10$$^{11}$$ cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$ were obtained for AlON/AlGaN/GaN MOS capacitors.

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