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SiO$$_{2}$$/GaN構造の熱酸化処理による極薄GaOx界面層形成とMOS界面特性向上

Formation of thin GaOx interlayer by thermal oxidation of SiO$$_{2}$$/GaN and its effect on electrical properties

山田 高寛*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Yamada, Takahiro*; Watanabe, Kenta*; Nozaki, Mikito*; Yoshigoe, Akitaka; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

MOS型GaNパワーデバイス実現には、絶縁膜/GaN界面の特性改善が重要な課題である。本研究ではGaN基板上にSiO$$_{2}$$層を成膜した試料に対して熱酸化処理を行い、極薄GaOx界面層の形成について検討するとともに、作製したSiO$$_{2}$$/GaOx/GaN MOSキャパシタの電気特性評価を行った。SiO$$_{2}$$/GaN構造の熱酸化によって平坦かつ極薄GaOx界面層が形成可能であることがわかった。次に、GaOx/GaN界面の電気特性を評価するため、各試料に対して膜質改善のためN$$_{2}$$雰囲気中で800度3分間の熱処理を施した後、Niゲート電極とAl裏面電極を真空蒸着してSiO$$_{2}$$/GaOx/GaN MOSキャパシタを作製した。各試料の容量-電圧(C-V)特性において、1000度の試料を除いて、1kHz-1MHzの周波数範囲に渡って周波数分散およびヒステリシスはほとんど見られなかった。さらに、理想C-Vカーブともよく一致しており、非常に優れた界面が実現されていることがわかった。

Formation of thin GaOx interlayer by thermal oxidation of SiO$$_{2}$$/GaN structure was investigated by spectroscopic ellipsometry and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy. In the SiO$$_{2}$$/GaN structure before thermal oxidation, GaOx interlayer (about 4 nm) was already formed. This is considered to be attributable to O$$_{2}$$ plasma exposure to GaN surface during SiO$$_{2}$$ deposition by plasma CVD. Thickness of the GaOx interlayer slightly increased about 1 nm by thermal oxidation up to 1000 degrees. This behavior indicates that the oxidation of GaN surface was markedly suppressed by the SiO$$_{2}$$ capping layer. C-V characteristics of SiO$$_{2}$$/GaOx/GaN MOS capacitor with the thin GaOx layer, except that prepared at 1000 degrees, exhibited low frequency dispersion and hysteresis of below 10 mV. The measured C-V curves also well agreed with ideal C-V curves. These results demonstrate that the excellent GaN MOS interface properties were realized by the insertion of thin GaOx interlayer.

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