Design and control of interface reaction between Al-based dielectrics and AlGaN layer for hysteresis-free AlGaN/GaN MOS-HFETs

AlGaN/GaN MOS-HFETsのAlGaN層とAl絶縁物間の界面反応のデザインと制御

渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 山田 高寛*; 中澤 敏志*; 按田 義治*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆 ; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Watanabe, Kenta*; Nozaki, Mikito*; Yamada, Takahiro*; Nakazawa, Satoshi*; Anda, Yoshiharu*; Ishida, Masahiro*; Ueda, Tetsuzo*; Yoshigoe, Akitaka; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

GaNはパワーデバイスへの応用が期待されている。ゲート絶縁膜として原子層堆積法(ALD)によるAlOが広く検討されているが、現在のところ十分な界面特性は得られていない。ALDとスパッタ法の違いとして、ALDでは300度程度で成膜しているのに対し、スパッタ成膜は室温で実施していることから成膜温度が界面特性に影響を与えていると推察される。そこで本研究では、AlO及びAlONについて成膜時の基板温度を室温から300度の範囲で変化させ、放射光光電子分光法によるMOS界面構造評価及び、MOSキャパシタによる電気特性評価を行った。その結果、AlOを300度で成膜した場合、成膜中にAlGaN表面の酸化及び後熱処理によるGa拡散が見られ、界面特性が劣化することがわかった。それに対しAlONは成膜温度に関わらず界面反応のほとんど無い良好な熱的安定性を示し、また界面特性にも優れることがわかった。

AlGaN/GaN HFET has gained much attention as next-generation high frequency and high power devices. Among various insulating materials, AlO is one of the potential candidates. However, large amount of electrical defects at MOS interfaces severely degrade both drive current and threshold voltage stability. Positive Vth shift due to electron trapping in AlO layer by applying positive gate bias is often observed for AlO/AlGaN/GaN MOS structures. We have recently reported that N incorporation into AlO significantly reduces electron traps in AlO layer for Si and SiC MOS devices. In this study, we systematically investigated the interface reaction between Al-based dielectrics (AlO and AlON) and AlGaN layer during deposition and post-deposition annealing (PDA), and revealed high thermal stability of AlON/AlGaN interface.