Physical and electrical characterizations of AlGaN/GaN MOS gate stacks with AlGaN surface oxidation treatment

AlGaN表面酸化処理をしたAlGaN/GaN MOSゲートスタックの物理および電気的特性

山田 高寛*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; Shih, H.-A.*; 中澤 敏志*; 按田 義治*; 上田 哲三*; 吉越 章隆 ; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Yamada, Takahiro*; Watanabe, Kenta*; Nozaki, Mikito*; Shih, H.-A.*; Nakazawa, Satoshi*; Anda, Yoshiharu*; Ueda, Tetsuzo*; Yoshigoe, Akitaka; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

高性能AlGaN/GaN-HFETの実現に絶縁膜/AlGaN界面制御が重要である。本研究ではAlGaN表面の熱酸化過程を調べるとともに、AlGaN/GaN MOSキャパシタの電気特性に関する表面酸化処理の効果ついて調べた。Si(111)基板上にAlGaN/GaN層をエピ成長した試料を用いた。AlGaN表面の酸化は400度の低温から進行することがわかった。しかしながら、表面形状の目立った変化は800度まで確認されなかったことから、AlGaN表面には極薄の酸化層が形成されていると考えられる。一方、850度以上では酸化物結晶粒の形成が観察され、その成長はAlGaN表面の平坦性を著しく低下させたことから、AlGaN/GaN MOSキャパシタは800度以下で酸化処理したAlGaN表面上に形成された。まず、反応性スパッタによりゲート絶縁膜としてAlON膜(18nm)を成膜した後、膜質改善のため窒素中で800度、3分間の熱処理を施した。そして、Al/TiオーミックコンタクトおよびNiゲート電極を蒸着してMOSキャパシタを作製した。先の研究成果から、我々は熱酸化を施していないAlON直接成膜の試料において、比較的に良好な界面特性が得られることを確認している。その容量-電圧(C-V)カーブと比べて、800度熱酸化した試料では、周波数分散の増加やC-Vカーブの傾きの減少が確認され、界面特性が劣化することがわかった。一方、400度で酸化処理した試料では、界面特性の更なる改善が確認され、ヒステリシスも減少することがわかった。

Thermal oxidation of AlGaN surface and its impact on the electrical properties of AlGaN/GaN MOS capacitors were investigated by means of synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SR-PES), atomic force microscopy (AFM) and C-V measurements. SR-PES analysis revealed that the AlGaN surface is oxidized even at low temperature of 400C, in contrast to no oxide formation on GaN surface. However, since no noticeable change in the surface morphology was observed at temperatures up to 800C, it can be concluded that an ultrathin oxide overlayer is formed on the AlGaN surface. On the other hand, for the oxidation treatments above 850C, the formation of small oxide grains was observed over the entire area of the AlGaN surface, and the growth of oxide grains significantly degraded the surface morphology. Therefore, the AlGaN/GaN MOS capacitors were fabricated on the AlGaN surface oxidized at moderate temperatures up to 800C. While we have confirmed that relatively good interface properties are obtained for direct AlON deposition without oxidation treatment, it was found that the oxidation treatment at 400C leads to further improvement of interface properties and reduction of C-V hysteresis.