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論文

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

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*; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 57(6S3), p.06KA07_1 - 06KA07_6, 2018/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:64.52(Physics, Applied)

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。

論文

SiO$$_{2}$$/AlON stacked gate dielectrics for AlGaN/GaN MOS heterojunction field-effect transistors

渡邉 健太*; 寺島 大貴*; 野崎 幹人*; 山田 高寛*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 按田 義治*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 57(6S3), p.06KA03_1 - 06KA03_6, 2018/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:32.09(Physics, Applied)

AlGaN/GaN MOS-HFETの高性能化・ノーマリオフ化には、高品質なゲート絶縁膜が必要である。これまで我々はAl$$_{2}$$O$$_{3}$$に窒素を添加したAlON膜がAl$$_{2}$$O$$_{3}$$膜よりも電子注入耐性および界面特性に優れることを明らかにしている。本研究では、その良好な界面特性を維持しつつ、更に絶縁性の向上を図るため、薄いAlON界面層上にバンドギャップの広いSiO$$_{2}$$膜を積層したSiO$$_{2}$$/AlON/AlGaN/GaN構造について検討した。その結果、AlON界面層の厚さが約3.3nmと薄い場合でも、SiO$$_{2}$$/AlON積層構造はAlON単層の場合と同等の容量-電圧特性を示し、良好な界面特性を示した。また、絶縁破壊電界はAlON単層と比べて2倍以上の約8MV/cmを示した。以上の結果は、SiO$$_{2}$$/AlON積層構造が優れた界面特性と絶縁特性を両立するGaN MOSデバイス向けゲート絶縁膜として有望であることを意味している。

論文

Implementation of atomic layer deposition-based AlON gate dielectrics in AlGaN/GaN MOS structure and its physical and electrical properties

野崎 幹人*; 渡邉 健太*; 山田 高寛*; 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*; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 57(6S3), p.06KA02_1 - 06KA02_7, 2018/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:32.09(Physics, Applied)

MOSゲート構造の採用によるAlGaN/GaN-HFETの高性能化のためにはリーク電流が少なく、かつ界面特性が良好なゲート絶縁膜が必要である。Al$$_{2}$$O$$_{3}$$膜は比較的高い誘電率と広いバンドギャップを持つことから有望視されているが、界面特性向上技術の開発や電子注入耐性の低さによる閾値電圧変動等の課題を抱えている。本研究ではALD法によるAlON成膜を検討した。MOSキャパシタのC-V特性には界面欠陥応答に起因する周波数分散がほとんど見られておらず、AlON/AlGaN界面が良好であることがわかる。AlON試料は同様にALD法で堆積したAl$$_{2}$$O$$_{3}$$ MOSキャパシタよりもシフト量が少なく、電子注入耐性の向上も確認できた。これらの良好な特性は本研究のALD-AlON膜がGaN MOSデバイス向けのゲート絶縁膜として有望であることを示している。

論文

Control of Ga-oxide interlayer growth and Ga diffusion in SiO$$_{2}$$/GaN stacks for high-quality GaN-based metal-oxide-semiconductor devices with improved gate dielectric reliability

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*

Applied Physics Express, 11(1), p.015701_1 - 015701_4, 2018/01

 被引用回数:18 パーセンタイル:12.49(Physics, Applied)

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$$_{2}$$膜を形成したSiO$$_{2}$$/GaN構造の後酸化処理を行い、極薄GaO$$_{x}$$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$$_{2}$$/GaN界面に極薄GaO$$_{x}$$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、700-800$$^{circ}$$C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、10$$^{10}$$cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$台以下の低い値となった。一方、SiO$$_{2}$$/GaO$$_{x}$$/GaN構造の後酸化処理は、SiO$$_{2}$$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$$_{2}$$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$$_{2}$$/GaO$$_{x}$$/GaN MOS構造が実現できることがわかった。

論文

Design and control of interface reaction between Al-based dielectrics and AlGaN Layer in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor structures

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*; et al.

Applied Physics Letters, 111(4), p.042102_1 - 042102_5, 2017/07

 被引用回数:14 パーセンタイル:23.77(Physics, Applied)

GaNは絶縁破壊電界などSiC以上の優れた物性値を有するため、パワーデバイスへの応用が期待されている。また、AlGaN/GaN HFETは優れた高周波特性を示すが、ゲートリーク電流低減のためにMOSゲート構造の実現が望まれている。本研究では、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$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、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$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な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。

論文

Comprehensive study on initial thermal oxidation of GaN(0001) surface and subsequent oxide growth in dry oxygen ambient

山田 高寛*; 伊藤 丈予*; 淺原 亮平*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 中澤 敏志*; 按田 義治*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; et al.

Journal of Applied Physics, 121(3), p.035303_1 - 035303_9, 2017/01

 被引用回数:34 パーセンタイル:7.7(Physics, Applied)

GaNは高耐圧、大電流、低損失の次世代パワーデバイス材料として注目されている。GaN表面の酸化処理技術には、表面パッシベーション技術や、アイソレーション技術、ゲート絶縁膜技術などがあり、デバイス特性向上のための重要な要素技術となっている。そのため、GaN表面の熱酸化処理はこれまで詳細な検討が行われてきている。しかし、その酸化物形成過程は十分解明されていない。例えば、これまで厚いGaN酸化物の形成については多くの報告があるが、初期酸化過程については少ない。また、X線光電子分光(XPS)分析は、そのGaN表面の初期酸化過程の評価によく利用されているが、Ga-NやGa-O結合成分の正確な特定には至っていない。さらに、形成されたGaN酸化物の構造特性評価も十分な検討は行われていない。本研究では、GaN表面の熱酸化過程をXPS、分光エリプソメトリ(SE)、原子間力顕微鏡(AFM)、X線回折(XRD)測定を用いて評価した。特に、異なる転位密度を有するエピGaN層の酸化物形成過程について調べた。本実験には、Si基板上および自立GaN基板上にエピ成長した2種類のGaN試料を用いた。GaN/SiとGaN/GaN試料の転位密度は108と105cm-2台になるとそれぞれ見積もられている。両試料は大気圧O$$_{2}$$雰囲気中において700$$sim$$1000$$^{circ}$$Cの温度範囲で30分間熱酸化した。800$$^{circ}$$C以下の熱酸化では、表面近傍に存在する欠陥の酸化によると考えられる厚さ1nm以下の薄い酸化層が形成された。この酸化層の膜厚は酸化温度とは無関係にほとんど変化していなかったことから、酸化が飽和傾向にあると考えられた。また、GaN/Siで観察された転位部では微小な酸化物結晶の形成が確認されており、転位部において優先的に酸化が進行することがわかった。900$$^{circ}$$C以上の更なる酸化温度の増加では、$$alpha$$-と$$beta$$- Ga$$_{2}$$O$$_{3}$$結晶粒が両エピGaN層上にエピタキシャリに成長した。GaN/Siでは、転位部で顕著にGa$$_{2}$$O$$_{3}$$結晶が成長したため、荒れた表面形状が観察された。一方、GaN/GaNでもGa$$_{2}$$O$$_{3}$$微結晶粒が観察領域全面に渡って形成されたが、比較的平坦な表面形状が維持されていることがわかった。

論文

Effect of nitrogen incorporation into Al-based gate insulators in AlON/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor structures

淺原 亮平*; 野崎 幹人*; 山田 高寛*; 伊藤 丈予*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; et al.

Applied Physics Express, 9(10), p.101002_1 - 101002_4, 2016/10

 被引用回数:28 パーセンタイル:13.18(Physics, Applied)

熱安定性, 信頼性および界面特性の観点でALGaN/GaN上のAlONゲート絶縁物の優れた物理的および電気的特性が、AlON堆積後のアニールによって得られた。アルミナへの窒素混入によって絶縁物/AlGaN界面におけるインターミキシングを抑えるとともにAl$$_{2}$$O$$_{3}$$膜中の電気的な欠陥の数を減少させることが示された。結果として、電荷注入に対する安定性をもたらすとともに界面欠陥密度を1.2$$times$$10$$^{11}$$cm$$^{-2}$$ eV$$^{-1}$$に抑えた高品質AlON/AlGaN/GaN金属-絶縁物-半導体キャパシターを得ることができた。絶縁物への窒素取り込みの重要性を実験結果から議論した。

論文

Synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy of Ti/Al ohmic contacts to n-type GaN; Key role of Al capping layers in interface scavenging reactions

野崎 幹人*; 伊藤 丈予*; 淺原 亮平*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Applied Physics Express, 9(10), p.105801_1 - 105801_4, 2016/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:69.33(Physics, Applied)

n型GaNエピ層とTiベース電極間の界面反応は、放射光X線光電子分光によって調べた。金属的Gaと薄膜TiN合金が、Alキャッピング層を堆積した界面において室温でも形成された。積層Ti/AlとTiのみの電極の比較から、反応性Ti下地層を形成する酸素捕捉元素としてAlキャッピング層が本質的に機能することが示された。アニール中金属的中間層の成長が観測された。低温プロセスを伴うn型GaN低抵抗オーミック接触を達成するための指針を議論する。

論文

Comprehensive study and design of scaled metal/high-$$k$$/Ge gate stacks with ultrathin aluminum oxide interlayers

淺原 亮平*; 秀島 伊織*; 岡 博*; 箕浦 佑也*; 小川 真吾*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Applied Physics Letters, 106(23), p.233503_1 - 233503_4, 2015/06

 被引用回数:14 パーセンタイル:35.31(Physics, Applied)

サブnmの換算酸化膜厚を有する高性能金属/high-$$k$$/Geゲートスタック構造とその界面特性の改善を酸化アルミニウム中間層を使った界面反応制御によって実現した。物理および電気的な複合評価によってAlOx界面層の諸特性やプラズマ酸化などの詳細な関係を明らかにした。

論文

極限EOT実現に向けた極薄AlO$$_{x}$$層によるHigh-$$k$$/Geゲートスタック界面制御

田中 亮平*; 秀島 伊織*; 箕浦 佑也*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

第19回ゲートスタック研究会予稿集, p.5 - 8, 2014/01

It has recently been demonstrated an excellent Ge-MOSFET operation with an EOT of 0.76 nm using HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stack. However, the role of Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ layer in high-$$k$$/Ge stack is not well understood. In this work, we systematically investigated an effect of AlO$$_{x}$$ interlayer on thermal stability and EOT scaling focusing on the Ge diffusion into an overlying HfO$$_{2}$$ layer by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrical characterization. It was found that ultrathin AlO$$_{x}$$ interlayer effectively suppresses the metal germanate formation in the high-$$k$$/Ge stack, thus obtaining good electrical properties. An EOT of 0.56 nm with significantly reduced gate leakage was successfully obtained for Pt/HfO$$_{2}$$/AlO$$_{x}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stack.

論文

Ge diffusion and bonding state change in metal/high-$$k$$/Ge gate stacks and its impact on electrical properties

細井 卓治*; 秀島 伊織*; 田中 亮平*; 箕浦 佑也*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*; 渡部 平司*

Microelectronic Engineering, 109, p.137 - 141, 2013/09

 被引用回数:11 パーセンタイル:40.55(Engineering, Electrical & Electronic)

Ge diffusion and chemical bonding states in metal/high-$$k$$/Ge gate stacks were investigated by synchrotron photoemission spectroscopy to understand their impact on electrical properties. Although Hf germanide was found in HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stacks, such germanide could be fully oxidized by using plasma-assisted oxidation. However, Al electrode on HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Ge stacks reduced interfacial GeO$$_{x}$$ layer, resulting in the formation of Al germanide at the Al/HfO$$_{2}$$ interface. No germanide was formed in the stacks with inert Pt electrode, suggesting the Al layer may promote upward diffusion of GeO molecules through the HfO$$_{2}$$ layer. Hf germanide was formed near the HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$ interface probably due to Ge intermixing with the HfO$$_{2}$$ layer in the Pt-gate stacks, in contrast to the enhanced formation of Al germanide in Al-gate stacks. The formation of metal germanide led to severe degradation of insulating properties in metal/high-$$k$$/Ge stacks.

論文

Metal/High-$$k$$/Geゲートスタックにおけるジャーマナイド形成とその電気特性への影響

細井 卓治*; 秀島 伊織*; 箕浦 佑也*; 田中 亮平*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*; 渡部 平司*

信学技報, 113(87), p.19 - 23, 2013/06

高性能Geデバイスの実現には、1nm以下のSiO$$_{2}$$換算膜厚(Equivalent Oxide Thickness: EOT)と良好な界面特性を両立するmetal/high-$$k$$ゲートスタック技術の確立が不可欠である。high-$$k$$/Geゲートスタックの特性劣化の要因として、high-$$k$$膜形成や熱処理工程におけるGeO$$_{x}$$界面層の意図しない形成や分解、Ge原子のhigh-$$k$$膜中への拡散が指摘されているが、その詳細はわかっていない。そこで本研究では、真空中で連続して作製したmetal/HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Geスタックの熱的構造変化を光電子分光法によりその場分析することで、ジャーマナイド形成やGeO$$_{x}$$層の還元反応を詳細に評価するとともに、電気特性との相関を調べた。室温であってもGe基板上の金属HfはHfジャーマナイドを形成し、HfO$$_{2}$$膜上へのAl堆積はGeO$$_{x}$$界面層を還元してAlジャーマナイドを形成することがわかった。優れた電気特性の実現にはこれらのジャーマナイド形成を回避することが重要であり、そのためにはHfO$$_{2}$$膜形成には酸化力の強いプラズマ酸化を行い、ゲート電極には反応性の低い金属を用いることが有効である。

論文

Gate stack technologies for silicon carbide power MOS devices

細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; 池口 大輔*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; et al.

Workshop digest of 2012 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2012), p.22 - 25, 2012/06

SiC is a promising material for high-power electronic devices. Although SiO$$_{2}$$ film can be grown on SiC by thermal oxidation, low channel mobility and poor gate oxide reliability are the critical issues for SiC power MOSFETs. In this work, we investigated the fundamental aspects of thermally-grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC structures such as an energy band alighnment and flatband voltage instability. Both electrical characterization and XPS study revealed that a conduction band offset between SiO$$_{2}$$ and SiC is extrinsically increased. High temperature annealing in H$$_{2}$$ could passivate mobile ions existing in as-oxidized SiO$$_{2}$$/SiC structures. Post-oxidation annealing in Ar eliminates the mobile ions, but they are generated again by subsequent high-temperature hydrogen annealing. These features were not observed for SiO$$_{2}$$/Si structures, and thus considered to be inherent to thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structures.

論文

Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy study of thermally grown oxides on 4H-SiC(0001) Si-face and (000-1) C-face substrates

渡部 平司*; 細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; et al.

Materials Science Forum, 717-720, p.697 - 702, 2012/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:36.33

We investigated the interface between oxide and 4H-SiC(0001) Si-face or (000-1) C-face by synchrotron radiation photoelectron spectroscopy. The Si 2p$$_{3/2}$$ spectra were fitted with bulk SiC and SiO$$_{2}$$ together with intermediate oxides (Si$$^{1+}$$, Si$$^{2+}$$, Si$$^{3+}$$). The total amount of intermediate states was sufficiently small compared with that of the remaining oxides. This implies that the transition layer in the oxide is as thin as a few atomic layers. Moreover, the chemical composition in the bulk region was found to be almost identical to that of the initial SiC surface. These results indicate formation of a near-perfect SiO$$_{2}$$/SiC interface.

論文

Impact of interface defect passivation on conduction band offset at SiO$$_{2}$$/4H-SiC interface

細井 卓治*; 桐野 嵩史*; Chanthaphan, A.*; 上西 悠介*; 池口 大輔*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; et al.

Materials Science Forum, 717-720, p.721 - 724, 2012/05

 被引用回数:4 パーセンタイル:7.34

The energy band alignments of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structures were investigated by means of synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SR-PES) and electrical characterization of SiC-MOS capacitors. In order to determine the energy band alignments of SiO$$_{2}$$/SiC, band gaps of the thermal oxides and valence band offsets at the interface were examined by SR-PES. SiC-MOS capacitors with Al electrodes were also fabricated to evaluate interface state density and conduction band offset. Experimental results indicate that hydrogen atoms are effective to terminate carbon-related defects. It can be concluded that interface quality degradation due to hydrogen desorption by vacuum annealing causes reduction of conduction band offset for thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structure.

論文

Synchrotron radiation photoemission study of Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$/Ge structures formed by plasma nitridation

細井 卓治*; 朽木 克博*; 岡本 学*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*; 渡部 平司*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(10), p.10PE03_1 - 10PE03_5, 2011/10

 被引用回数:11 パーセンタイル:50.49(Physics, Applied)

Chemical bonding states and energy band alignment of pure germanium nitride (Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$) formed on a Ge(100) substrate were characterized by synchrotron radiation photoemission spectroscopy (SR-PES). The core-level shift of 2.31 eV originating from Ge-N bonds (Ge$$^{4+}$$) with respect to the bulk Ge 3d$$_{5/2}$$ peak (Ge$$^{0+}$$) was determined. In situ SR-PES study on changes in Ge 3d, N 1s, and O 1s core-level spectra during thermal annealing revealed that oxidized surface layer on Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$ could be selectively removed at around 773 K, which was 50 deg lower than the decomposition temperature of Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$. The Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$ energy bandgap of 3.68 eV was experimentally determined. The valence band offset at a Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$/Ge(100) interface was also estimated to be 1.65 eV, and thus, the energy band alignment between Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$ dielectrics and Ge substrate was determined.

論文

Synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy study on thermally grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001) interface and its correlation with electrical properties

渡部 平司*; 細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 景井 悠介*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*

Applied Physics Letters, 99(2), p.021907_1 - 021907_3, 2011/07

 被引用回数:91 パーセンタイル:4.59(Physics, Applied)

The correlation between atomic structure and the electrical properties of thermally grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001) interfaces was investigated by synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy together with electrical measurements of SiC-MOS capacitors. We found that the oxide interface was dominated by Si-O bonds and that there existed no distinct C-rich layer beneath the SiC substrate despite literature. In contrast, intermediate oxide states in Si core-level spectra attributable to atomic scale roughness and imperfection just at the oxide interface increased as thermal oxidation progressed. Electrical characterization of corresponding SiC-MOS capacitors also indicated an accumulation of both negative fixed charges and interface defects, which correlates well with the structural change in the oxide interface and provides insight into the electrical degradation of thermally grown SiC-MOS devices.

論文

Impact of stacked AlON/SiO$$_{2}$$ gate dielectrics for SiC power devices

渡部 平司*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

ECS Transactions, 35(2), p.265 - 274, 2011/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:5.99

The use of AlON gate insulator for SiC-based MOS power devices is proposed. Although direct deposition of AlON on 4H-SiC substrate causes electrical degradation, the fabricated MOS capacitor with AlON/SiO$$_{2}$$ stacked gate dielectric shows no flatband voltage shift and negligible capacitance-voltage (C-V) hysteresis. Owing to the high dielectric constant of AlON, significant gate leakage reduction was achieved even at high temperatures. Moreover, in order to improve electrical properties of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC interfaces, the impact of a combination treatment of nitrogen plasma exposure and forming gas annealing was investigated. Channel mobility enhancement of SiC-MOSFETs was consistent with the reduction in interface state density depending on the process conditions of the combination treatment, and obtained 50% mobility enhancement, while maintaining low gate leakage current.

論文

Energy band structure of SiO$$_{2}$$/4H-SiC interfaces and its modulation induced by intrinsic and extrinsic interface charge transfer

渡部 平司*; 桐野 嵩史*; 景井 悠介*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

Materials Science Forum, 679-680, p.386 - 389, 2011/03

 被引用回数:15 パーセンタイル:0.71

In this study, we investigated the energy band structure of SiO$$_{2}$$/4H-SiC fabricated on (0001) Si- and (000-1) C-face substrates by means of synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy, and discuss intrinsic and extrinsic effects of interface structure and electrical defects on the band offset modulation. It was found that valence band offset of the SiO$$_{2}$$/SiC for the C-face substrate was about 0.4 eV larger than that for the Si-face. Our photoelectron analysis revealed that the conduction band offset that determines gate leakage current and resultant gate oxide reliability of SiCMOS devices crucially depends on substrate orientation. Moreover, we found that the fixed charges accumulated at the SiO$$_{2}$$/SiC interface modulate the energy band structure to enlarge conduction band offset and that this extrinsic band structure modulation is again recovered by post treatments for defect termination.

論文

Gate stack technologies for SiC power MOSFETs

渡部 平司*; 細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 池口 大輔*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; et al.

ECS Transactions, 41(3), p.77 - 90, 2011/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:20.68

It is well known that SiC-based MOS devices have suffered from degraded electrical properties of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC interfaces, such as low inversion carrier mobility and deteriorated gate oxide reliability. This paper overviews the fundamental aspects of SiC-MOS devices and indicates intrinsic obstacles connected with an accumulation of both negative fixed charges and interface defects and with a small conduction band offset of the SiO$$_{2}$$/SiC interface which leading to the increased gate leakage current of MOS devices. To overcome these problems, we proposed using aluminum oxynitride insulators stacked on thin SiO$$_{2}$$ underlayers for SiC-MOS devices. Superior flatband voltage stability of AlON/SiO$$_{2}$$/SiC gate stacks was achieved by optimizing the thickness of the underlayer and nitrogen concentration in the high-k dielectrics. Moreover, we demonstrated reduced gate leakage current and improved current drivability of SiC-MOSFETs with AlON/SiO$$_{2}$$ gate stacks.

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