Control of Ga-oxide interlayer growth and Ga diffusion in SiO/GaN stacks for high-quality GaN-based metal-oxide-semiconductor devices with improved gate dielectric reliability

改善されたゲート絶縁特性を有する高品質GaN金属-酸化物-半導体デバイスに対するGa酸化物界面形成とSiO/GaN積層中のGa拡散の制御

山田 高寛*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 山田 永*; 高橋 言緒*; 清水 三聡*; 吉越 章隆 ; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Yamada, Takahiro*; Watanabe, Kenta*; Nozaki, Mikito*; Yamada, Hisashi*; Takahashi, Tokio*; Shimizu, Mitsuaki*; Yoshigoe, Akitaka; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

GaN MOSFETは高耐圧・大電流・低損失の次世代スイッチング素子として期待されている。その実現には絶縁膜/GaN界面の特性改善が課題である。本研究ではプラズマCVDによりSiO膜を形成したSiO/GaN構造の後酸化処理を行い、極薄GaO界面層の形成による界面特性向上の効果について検討した。放射光XPS分析から、SiO/GaN界面に極薄GaO界面層が形成されることを確認した。その界面欠陥密度は、700-800Cでの最適な後酸化処理を施すことによってコンダクタンスピークが確認されず、10cmeV台以下の低い値となった。一方、SiO/GaO/GaN構造の後酸化処理は、SiO層中へのGa拡散を誘発し、絶縁性を著しく劣化させた。そこで、後酸化時間を30分間から30秒間とする急速酸化処理を施した。その結果、SiO層中へのGa拡散が制限され、優れた界面特性と高い絶縁性を有する高品質なSiO/GaO/GaN MOS構造が実現できることがわかった。

A simple and feasible method for fabricating high-quality and highly reliable GaN-based metal-oxide-semiconductor (MOS) devices was developed on the basis of systematic physical and electrical characterizations. Chemical vapor deposition of SiO films directly onto GaN substrates forming Ga-oxide interlayers was used to fabricate SiO/GaO/GaN stacked structures. Although well-behaved hysteresis-free GaN-MOS capacitors with extremely low interface state density below 10cmeV were obtained by post-deposition annealing, Ga diffusion into overlying SiO layers severely degraded the insulating property and dielectric breakdown characteristics of the MOS devices. However, this problem was found to be solved by employing rapid thermal processing, leading to superior performance of the GaN-MOS devices in terms of interface quality, insulating property and gate dielectric reliability.