AlGaN/GaN HFET しきい電圧変化のゲートストレス...
Transcript of AlGaN/GaN HFET しきい電圧変化のゲートストレス...
2012/9/2 1The University of Tokushima
GaN系電子デバイスのMIS界面に関する研究
徳島大学大学院
先端技術科学教育部
システム創生工学専攻
電気電子創生工学コース
物性デバイス講座
大野研究室
野久保
宏幸
2012/9/2 2The University of Tokushima
発表内容
1.MISダイオードにおけるMIS界面の評価
2.MIS HFETにおけるMIS界面の評価
3.総括
2012/9/2 3The University of Tokushima
MISダイオードにおけるMIS界面の評価
2012/9/2 4The University of Tokushima
背景・目的
AlGaN/GaN HFET高周波・高出力デバイスと期待
-
問題点
電流コラプス
電流コラプスの原因
・表面、界面準位の負帯電
・結晶中の深い準位(トラップ)
目的
SiO2
/n-GaN MIS構造における絶縁膜界面の評価
AlGaN
GaN
S DG
絶縁膜
絶縁膜電荷AlGaN
GaN
S DG
絶縁膜
絶縁膜電荷
2012/9/2 5The University of Tokushima
プロセス工程
ウエハカット
SiO2
堆積(CVD)(TEOS,50nm)
酸化膜アニール
(N2
中 1000℃ 10min)
オーミック電極形成(スパッタ)(Ti/Al/Ti/Au:50/200/40/40nm)
アニール
(N2
雰囲気中 550℃ 10min)
ショットキー金属(スパッタ)(Ni/Au:70/30nm)
GaN (1μm)(1×1017cm-3
Si-doped)GaN (1μm)
(2×1018cm-3
Si-doped)Undoped
GaN (1μm)
Buffer LayerSapphire Substrate
結晶構造
ショットキー金属(直径300μm)酸化膜
n-GaN
オーミック金属
ショットキー MIS
電極間距離(3μm)
ショットキー
MIS
2012/9/2 6The University of Tokushima
-20 -15 -10 -5 0 50
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10
Cap
acitan
ce [
F]
Anode Voltage [V]
25℃ 150℃
ショットキーダイオード
C-V測定
ショットキー障壁高さ:φB
=1.19eV(25℃)
φB
=1.05eV(150℃)ドナー密度:ND
=1.5×1017[cm-3]
f = 1MHzscan speed 100mV/s
0 1x10-5 2x10-5 3x10-5 4x10-51x1016
1x1017
1x1018
1x1019
Donor
Densi
ty [
cm
-3]
Depletion Layer [cm]
25℃ 150℃
2012/9/2 7The University of Tokushima
MISダイオード C-V測定
-20 -10 0 10 200
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
f = 1MHz
反転層の形成が観測されない ホール発生数が少ない
scan speed 100mV/s
2012/9/2 8The University of Tokushima
ゲートバイアスVgとφS_MIS
の決め方
BAnodeS V φφ +−=ショットキーダイオード アノード電圧VAnode
空乏層容量
( ) ( )MISSMISDSD CC __ φφ =
MISダイオードのVgとφSの関係
( ) ( )SDOXMIS CCVgC φ111
+=
BS φφ =0=AnodeV ⇒ ECEF
Sqφ
EF
VG EC
EV
MISSq _φ
( )SDC φ
OXC ( )MISSMISDC __ φ
MISSS _φφ =
2012/9/2 9The University of Tokushima
暗状態でのVgとφS
の関係
Deep Depletion特性
-反転層が形成されず
空乏層幅が広がり続ける特性
0
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Gate Voltage [V]C
apac
itan
ce [
F]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφ
S_M
IS-E
F [
eV
]
Gate Voltage [V]
f = 1MHz
Inversion
DepletionDeep Depletion
C(25℃)
φS(25℃)
0
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Gate Voltage [V]C
apac
itan
ce [
F]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφ
S_M
IS-E
F [
eV
]
Gate Voltage [V]
f = 1MHz
Inversion
DepletionDeep Depletion
C(25℃)
φS(25℃)
ECEF
EV
VG
半導体表面
-VG
を負に印加していくと
表面ポテンシャルが高くなっていく
2012/9/2 10The University of Tokushima
UV照射時のVgとφS
の関係
UV照射時 – VGを負に印加時
-容量が一定 ⇒ φS_MIS
= 0.6eV
-界面準位が存在 ⇒ ピンニング
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφS_M
IS-E
F[e
V]
Gate Voltage [V]
0
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Gate Voltage [V]C
apac
itan
ce [
F]
f = 1MHz
Inversion
C(UV)
C(25℃)
φS(25℃)
φS(UV)
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφS_M
IS-E
F[e
V]
Gate Voltage [V]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφS_M
IS-E
F[e
V]
Gate Voltage [V]
0
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Gate Voltage [V]C
apac
itan
ce [
F]
f = 1MHz
Inversion
C(UV)
C(25℃)
φS(25℃)
φS(UV)
VG
ECEF
EV
0.6eV
2012/9/2 11The University of Tokushima
150℃時のVgとφS
の関係
Vg (正 → 負)・25℃時より負に帯電
Vg (負 → 正)・
25℃時より正に帯電
・Vg=4~-2V時
⇒容量が一定となる
0
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Gate Voltage [V]C
apac
itan
ce [
F]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφ
S_M
IS-E
F [
eV
]
Gate Voltage [V]
Inversion
f = 1MHz
C(150℃)
C(25℃)
φS(25℃)
φS(150℃)
0
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Gate Voltage [V]C
apac
itan
ce [
F]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2
4
6
8
10
12
14
16
qφ
S_M
IS-E
F [
eV
]
Gate Voltage [V]
Inversion
f = 1MHz
C(150℃)
C(25℃)
φS(25℃)
φS(150℃)
2012/9/2 12The University of Tokushima
-20 -10 0 10 200
1
2
3
4
5
Surf
ace P
ote
ntial
[eV
]
Gate Voltage [V]
表面ピンニングのモデル
正帯電した界面準位に電子が捕獲され負に帯電する
-
ゲート電圧を変化させても電荷の変化は界面準位に捕獲される
電子だけで費やされる
0.7~0.9eV
InversionECEF
EV
準位
2012/9/2 13The University of Tokushima
-5 0 5 10 15 200
1x10-11
2x10-11
3x10-11
4x10-11
Cap
acitan
ce [
F]
Time [min]
UV照射後の容量変化
25℃,Dark
150℃,Dark
VG
=-20V
UV OFF
150℃
25℃
VG
= -20V 一定
25℃時のUV照射後の容量
・容量低下
150℃時のUV照射後の容量
・Darkと一致
・定常状態となるf = 1MHz
2012/9/2 14The University of Tokushima
EV
-5 0 5 10 15 200
5
10
15
Surf
ace P
ote
ntial
[eV
]
Time [min]
UV照射後のφS
変化
150℃,Dark
UV OFF
25℃,Dark
150℃ 25℃
VG
=-20V
ECEF
Vg=-20V
150℃定常状態
25℃定常状態
EV
VG
=-20V
ECEF
2012/9/2 15The University of Tokushima
150℃時 定常状態のバンド図
価電子帯がフェルミ準位より0.8eV上にきている
界面近傍は熱平衡状態ではない
絶縁膜リーク電流で電荷が失われている
VG
=-20V
EC
EF
EV
4.2eV0.8eV
2012/9/2 16The University of Tokushima
まとめ
ショットキーダイオードのC-V特性からMISダイオードのVGとφSの関係を決めた
150℃で容量が定常状態となるが、界面は熱平衡ではない(EFn≠EFh)
絶縁膜リーク電流が界面の電荷に影響している
2012/9/2 17The University of Tokushima
MIS HFETにおけるMIS界面の評価
2012/9/2 18The University of Tokushima
背景
AlGaN/GaN MIS HFET - 2つのチャネル層が存在
⇒ AlGaN/GaN(2DEG), 絶縁膜/AlGaN
・絶縁膜/AlGaN界面電荷 –
移動度が低く出力のドレイン電流に寄与しない
⇒電子の蓄積が起こると2DEG電荷濃度は増加しなくなる
電子
Metal Insulator AlGaN GaN
VG
EF
EC
IDに寄与
IDに寄与しない
2DEG電荷濃度には最大値が存在
2012/9/2 19The University of Tokushima
背景・目的
2DEG最大濃度を増加 ⇒ 絶縁膜/AlGaN界面に電子の蓄積が起こる
までに2DEG濃度を増加させる
VG
EF
EC
⊿EC
MIS構造の問題点
-
絶縁膜/AlGaN界面には界面準位が存在
⇒ゲート電極直下の2DEG層への影響
目的
-MIS HFET における2DEG電荷最大濃度のAlGaN膜厚依存性,
絶縁膜/AlGaN界面準位の関係を評価
AlGaN膜厚を薄くする
2012/9/2 20The University of Tokushima
測定ウエハ
u-Al0.25
Ga0.75
N
24nm
u-GaN 3um
Buffer layer
Sapphire
n-Al0.25
Ga0.75
N
24nm
(2×1018cm-3Si-doped)
u-GaN 3um
Buffer layer
Sapphire
結晶構造
試料1 試料2
2012/9/2 21The University of Tokushima
プロセス工程
AlGaN表面エッチング
(約18, 12nmエッチング)
ウエハカット
mesa
SiO2堆積
(HTO:予定膜厚50nm)
オーミック電極形成(スパッタ)
(Ti/Al/Ti/Au:30/120/40/40 nm)
オーミックアニール
(N2雰囲気中,850℃,1min)
ショットキー金属(スパッタ)
(Ni/Au:70/30 nm)
測定サンプルパターン
AlGaN
GaN
Buffer layer
Sapphire
SiO2S DGate
LG
=100μm, WG
=200μm
ICPエッチング条件
ICP:50W, Bias:20W, Pressure:0.25Pa, SiCl4
:3sccm
Time 12nmエッチング:9min30s
18nmエッチング:14min20s
MIS HFET
AlGaN
GaN
Buffer layer
Sapphire
S DGate
MES HFET
2012/9/2 22The University of Tokushima
-4 -3 -2 -1 0 1 20.0
5.0x10-11
1.0x10-10
1.5x10-10
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
without etching with etching1 with etching2
C-V測定 (MES HFET)u-AlGaN n-AlGaN
without etching
with etching_1
with etching_2
AlGaN膜厚 [nm]
18.9
16.9
without etching
with etching_1
with etching_2
AlGaN膜厚 [nm]
19.1
16.5
11.6
ゲートリーク電流 大
測定不可
12.3
-4 -3 -2 -1 0 1 20.0
5.0x10-11
1.0x10-10
1.5x10-10
Cap
acitan
ce [
F]
Gete Voltage [V]
without etching with etching1 with etching2
2012/9/2 23The University of Tokushima
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200.0
5.0x10-12
1.0x10-11
1.5x10-11
2.0x10-11
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
without etching with etching1 with etching2
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200.0
5.0x10-12
1.0x10-11
1.5x10-11
2.0x10-11
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
without etching with etching1 with etching2
C-V測定 (MIS HFET)n-AlGaN
容量が3段となって現われる
・1段目:SiO2
,AlGaNの合成容量
・3段目:SiO2
の容量
・2段目:GaN表面にAl組成比の低いAlGaN層が存在している可能性がある
u-AlGaN
2012/9/2 24The University of Tokushima
界面電荷濃度の導出方法
MIS HEMT
-2DEG電荷濃度の導出
( )dVVCQ OXTH
TH
V
VDEG ∫=_
2
-20 0 200.0
5.0x10-12
1.0x10-11
1.5x10-11
2.0x10-11
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
VTH_OX-20 0 20
0.0
5.0x10-12
1.0x10-11
1.5x10-11
2.0x10-11
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
VTH_OX
-SiO2
/AlGaN界面に蓄積する電子
( )dVVCQ G
OXTH
V
VOX ∫=_
2012/9/2 25The University of Tokushima
2DEG電荷濃度
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200.0
2.0x1012
4.0x1012
6.0x1012
8.0x1012
1.0x1013
1.2x1013
Chan
nel D
ensi
ty [
cm
-2]
Gate Voltage [V]
without etching Q2DEG
without etching QOX
with etching1 Q2DEG
with etching1 QOX
with etching2 Q2DEG
with etching2 QOX
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200.0
2.0x1012
4.0x1012
6.0x1012
8.0x1012
1.0x1013
1.2x1013
Chan
nel D
ensi
ty [
cm
-2]
Gate Voltage [V]
without etching Q2DEG
without etching QOX
with etching1 Q2DEG
with etching1 QOX
with etching2 Q2DEG
with etching2 QOX
u-AlGaN n-AlGaN
u-AlGaN - AlGaN膜厚を変化させても、2DEG電荷最大濃度は変化なし
n-AlGaN – AlGaN膜厚を薄くするほど、2DEG電荷最大濃度は減少
2012/9/2 26The University of Tokushima
2DEG電荷最大濃度の評価方法
SiO2/AlGaN界面で電子の蓄積が起こる時のAlGaN表面電位ΨSAで評価
AlGaNAlGaN
DEGGaNCSA tQqNEE ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+−−Δ−=−
εψ 21
EGaN
:GaN側の電界
VTH_OX
ECEF
EV
⊿EC
tAlGaN
N1
:AlGaN/GaN界面の固定電荷
( ) 12 qNEt
EQ GaNAlGaNAlGaN
AlGaNCSADEG +−Δ+−= εεψ
2DEG電荷最大濃度Q2DEG
ΨSA
2012/9/2 27The University of Tokushima
AlGaN/GaN界面の固定電荷
AlGaN/GaN界面の固定電荷N1を定義
⇒MES HFETのAlGaN膜厚としきい値電圧の関係よりフィッティング
0 5 10 15 20 25 30-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
Thre
shold
Voltag
e [
V]
AlGaN膜厚 [nm]
u-AlGANn-AlGAN
n-AlGANフィッティング
u-AlGANフィッティング
u-AlGaN:VTHフィッティング曲線
AlGaNAlGaN
GaNMTH tqNEV ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−−+−=ε
φχ 1
χ:GaNの電子親和力 φM
:ゲート金属の仕事関数
n-AlGaN:VTHフィッティング曲線
21
2 AlGaNAlGaN
DAlGaN
AlGaNGaNMTH tqNtqNEV
εεφχ −⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−−+−=
ND
:AlGaN層のドナー濃度
・u-AlGaN:N1
= 1.12×1013
[cm-2]
・n-AlGaN:N1
= 4.2×1012
[cm-2],ND
= 4×1018
[cm-3]
EGaN
=2×104[V/cm]と仮定
2012/9/2 28The University of Tokushima
0 5 10 15 20 25 303.0x1012
4.0x1012
5.0x1012
6.0x1012
7.0x1012
8.0x1012
9.0x1012
1.0x1013
2D
EG
Densi
ty[c
m-2]
AlGaN膜厚 [nm]
00.51.0
0 5 10 15 20 25 303.0x1012
4.0x1012
5.0x1012
6.0x1012
7.0x1012
8.0x1012
9.0x1012
1.0x1013
2D
EG
Densi
ty[c
m-2]
AlGaN膜厚 [nm]
00.51.0
2DEG電荷最大濃度のAlGaN膜厚依存性
AlGaN表面電位ΨSAを0~1.2eV 0.1eV刻みで変化させたときの
2DEG電荷最大濃度のAlGaN膜厚依存性
u-AlGaN n-AlGaN
0 5 10 15 20 25 308.0x1012
9.0x1012
1.0x1013
1.1x1013
1.2x1013
1.3x1013
2D
EG
Densi
ty [
cm
-2]
AlGaN膜厚 [nm]
0
0.5
1.0
0 5 10 15 20 25 308.0x1012
9.0x1012
1.0x1013
1.1x1013
1.2x1013
1.3x1013
2D
EG
Densi
ty [
cm
-2]
AlGaN膜厚 [nm]
0
0.5
1.0
ΨSA
:0.7~0.9eV ΨSA
:0.7~1.0eV
2012/9/2 29The University of Tokushima
2DEG電荷最大濃度時のバンド図u-AlGaN n-AlGaN
このようなバンド状態からSiO2/AlGaN界面に電子の蓄積が起こるとは考えにくい
0.7~0.9eV ECEF
EVVTH_OX
ECEF
EV
VTH_OX
0.7~1.0eV
SiO2/AlGaN界面準位に電子が捕獲されている
EC
EF
界面準位
2DEG電子がAlGaN層を介して
SiO2
/AlGaN界面準位に帯電
2012/9/2 30The University of Tokushima
まとめ
MIS HFETの2DEG電荷最大濃度のAlGaN膜厚依存性を評価
-u-AlGaN:2DEG電荷最大濃度はAlGaN膜厚依存性はなくほぼ一定
-n-AlGaN:2DEG電荷最大濃度はAlGaN膜厚を薄くするほど減少
2DEG電荷最大濃度時のAlGaN表面電位を評価
-SiO2
/AlGaN界面の伝導帯付近に界面準位が存在
⇒SiO2
/AlGaN界面準位の帯電はAlGaN層リーク電流が影響
2012/9/2 31The University of Tokushima
本研究のまとめ
界面準位
- SiO2
/n-GaN:伝導帯から約0.7~0.9eVに存在
- SiO2
/AlGaN:伝導帯から約0.7~1.0eVに存在
チャネル電荷
・MISダイオード
- SiO2
/n-GaN:絶縁膜リーク電流が影響
・MIS
HFET
-
AlGaN/GaN:AlGaN層のリーク電流が影響
絶縁膜,AlGaN層の抵抗を増加させる必要がある
2012/9/2 32The University of Tokushima
2012/9/2 33The University of Tokushima
MISダイオードIG
-VG
特性
-20 -10 0 10 201x10-12
1x10-10
1x10-8
1x10-6
1x10-4
1x10-2
1x100
Gat
e C
urr
ent
[A]
Gate Voltage [V]
25℃ 75℃ 150℃
2012/9/2 34The University of Tokushima
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2x10-11
4x10-11
6x10-11
8x10-11
1x10-10
Cap
acitan
ce [
F]
Gate Voltage [V]
φS_MIS
=0.7~0.9eV
ヒステリシスの原因
界面準位における応答の時定数の差
・VG
:+→-に印加時
-
準位から電子が放出 ⇒ 時定数が長い
・VG
:-→+に印加時
-
準位に電子が捕獲
⇒ 時定数が短い
ECから0.9eVにある界面準位を応答させるための時定数(150℃時)
(捕獲断面積を1×1016cm-2で計算)
電子放出:τemi
=5.65[sec] 電子捕獲:τcap
=0.0021[sec]
150℃時のC-V特性
scan speed 100mV/s
2012/9/2 35The University of Tokushima
150℃ C-V特性 ピンニング時の界面準位量
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0109
1010
1011
1012
1013
1014
Inte
rfac
e S
tate
Densi
ty N
SS [
cm
-2eV
-1]
EC-E [eV] ECEV
約 1012~1013cm-2eV-1 の界面準位が存在する
2012/9/2 36The University of Tokushima
C-V特性の考察
2段目
3段目
1段目EC
EF
EV
4.5~5.5nm
GaN層表面にAl組成比の低い
AlGaN層が存在
- AlGaN層中でバンド不連続
になっている
2012/9/2 37The University of Tokushima
ID
-VG
特性
0
5E-12
1E-11
1.5E-11
2E-11
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20Gate Voltage[V]
Cap
acitan
ce[F
]
0.0E+00
5.0E-05
1.0E-04
1.5E-04
2.0E-04
2.5E-04
3.0E-04
3.5E-04
4.0E-04
I D [
A]
C_fw
C_re
Id_fw
Id_re
VD=0.1V
2012/9/2 38The University of Tokushima
AlGaN/GaN HFETのしきい値電圧
EF
EC
VTH
χ
φM
ΨS
N1
:固定電荷
NT
:トラップ電荷
しきい値状態のバンド図
真空準位
しきい値電圧の導出方法
-AlGaN/GaN界面の固定電荷N1
GaNGaNAlGaNAlGaN EEqN εε +−=1
-AlGaN層の電界EAlGaN
( ) ( )AlGaN
THMS
AlGaN
AlGaNAlGaN t
VtVE −−+
==φψχ
VAlGaN
( ) MGaNGaNAlGaN
AlGaNSTH qNEtV φε
εχψ ++−−−−= 1
-しきい値電圧VTH
-しきい値条件( )と定義0=Sψ
AlGaNAlGaN
GaNMTH tqNEV ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−−+−=ε
φχ 1
10== AlGaNGaN εε
2012/9/2 39The University of Tokushima
2DEG電荷最大濃度時のAlGaN表面電位
EF
EC
χ
ΨSA
⊿EC
真空準位
CAlGaNAlGaN
DEGSSSA EtQqNE Δ−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++−−−−=− χ
εχψψ 21
SiO2
/AlGaNに電子の蓄積が
起こる時のバンド図
ΨSA
:GaNの伝導帯端とフェルミ準位の差
SiO2/AlGaN界面に電子の蓄積が起こる時のΨSA
AlGaN/GaNのしきい値状態のΨS=0と定義
AlGaNAlGaN
DEGGaNCSA tQqNEE ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+−−Δ−=−
εψ 21
( ) ( )[ ]GaNEAlGaNEE GGC −=Δ 75.0“Two-dimensional electron-gas density in AlX
Ga1-X
N/GaN heterostructure
field-effect transistor”Narihiko
Maeda,Appl.Phys.Lett,Vol.73,No.13(1998)
2012/9/2 40The University of Tokushima
GaN側の電界ES
EV
EC
EF
ET
AlGaN GaN
WGaN
φT
GaNGaN
TGaN WqNE
ε=
ポアソンの式より
TT
GaNGaN qN
W φεε 02=
NT
:トラップ濃度
- NT
=1015
[cm-3],φT
=1.0eVと仮定
EGaN
=2×104[V/cm]