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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 400$$^{circ}$$C, in contrast to no oxide formation on GaN surface. However, since no noticeable change in the surface morphology was observed at temperatures up to 800$$^{circ}$$C, it can be concluded that an ultrathin oxide overlayer is formed on the AlGaN surface. On the other hand, for the oxidation treatments above 850$$^{circ}$$C, 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 800$$^{circ}$$C. 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 400$$^{circ}$$C leads to further improvement of interface properties and reduction of C-V hysteresis.

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パーセンタイル:64.52

分野:Physics, Applied

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