AlGaN/GaN MIS-HFETにおける...

2006/02/15平成17年度修士論文公聴会

1

Ohno Laboratory

AlGaN/GaN MIS-HFETにおける

ヒステリシス特性の研究

徳島大学大学院工学研究科電気電子工学専攻

物性デバイス講座大野研究室

松田潤也


2

Ohno Laboratory

発表内容

1. 背景・目的

2. 周波数可変カーブトレーサによるMIS-HFETの特性測定

3. 等価回路モデルによる解析

4. SPICEシミュレーション

5. まとめ


3

Ohno Laboratory

背景

AlGaN/GaN HFET高速・高出力の次世代デバイスとして期待大

ゲートリーク・電流コラプス等

問題点

MIS-HFET• 低ゲートリーク特性

• AC動作でヒステリシス

MIS構造を用いることで低減


4

Ohno Laboratory

1.E-13

1.E-11

1.E-09

1.E-07

1.E-05

1.E-03

1.E-01

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

VG [V]I G

[A

]

MIS-HFETのゲートリーク特性

MIS-HFET ：1×10-9A以下

ゲートリークの大幅減少

MIS構造：ゲートリークに有効

HFET ：1×10-3A程度 HFET

SiOX

SiN


5

Ohno Laboratory

MIS-HFETの問題点 ─AC特性─

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8 10

VD [V]

I D [

mA

]

0.01Hz0.1Hz1Hz10Hz100Hz1kHz

VG = 0V

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8 10

VD [V]

I D [

mA

]


VG = 0V

0

2

4

6

8

10

-8 -6 -4 -2 0 2

VG [V]

I D [

mA

]


VD = 10V

0

2

4

6

8

10

-8 -6 -4 -2 0 2

VG [V]

I D [

mA

]


VD = 10V

Ohno Laboratory

HFET

MIS-HFET


6

Ohno Laboratory

目的

AC動作におけるID-VG特性の特性変化の

メカニズム解明

MIS-HFETのDC動作

ダイオードを用いた等価回路モデルで解析

（菊田大悟他：第52回応用物理学関係連合講演会 1a-S-2）

MIS-HFETのAC動作

MIS界面の特性解析が必要

ID-VG特性に着目


7

Ohno Laboratory

MIS-HFETのDC解析

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 310-15

10-12

10-9

10-6

10-3

100

GA

TE C

UR

RE

NT

[A]

VOLTAGE ACROSS AlGaN LAYER [V]

VS = 0V, VD = 1V

HFET

EB SiOX MISFET

CVD SiO2 MISFETAlGaN層にダイオード特性

正バイアス時にリーク大

負バイアスでは低リーク

• ワイドバンドギャップ系デバイスにおいては

絶縁膜は有限抵抗としてふるまう

• リーク電流は高抵抗化したAlGaN層が制限


8

Ohno Laboratory

DC解析モデル

0 5 10 150

5

10

15

20

25 Simulated Experiment

DR

AIN

CU

RR

EN

T [m

A]

DRAIN VOLTAGE [V]

VG : -4 to +6V, +1V step

LG=100μm, WG=200μm

等価回路モデルによりDC特性を再現可能

RInsulator

D

Gate

2DEG

Insulator

AlGaN


9

Ohno Laboratory

測定サンプル

オーミック電極形成（EB：Ti/Al/Ni/Au 50/200/40/30nm)

アニール（N2中,850℃,3min）

素子間分離（RIE)（エッチング深さ：60nm）

ゲート絶縁膜堆積

ゲート電極形成（EB：Ni/Au 80/30nm)

ウェハカット

プロセスフロー

Insulator

AlGaN (x=0.281)

GaN

Drain Gate Source

28nm

サンプル構造

ゲート長LG = 4μm

ゲート絶縁膜： SiOX（EB）

膜厚 = 90nm

SD

G

S-D間距離 = 14μm

ゲート幅WG = 50μm


10

Ohno Laboratory

周波数可変カーブトレーサ

測定条件

・最大掃引周波数：100kHz ・印加電圧範囲：±10V

高速バイポーラ

電源

SG

D

Ri=10Ω

ファンクションジェネレータ

Ch1

Ch2

オシロスコープ

Ch2

Ch1

PC

NF WF1946NF HSA4011

Tektronix TPS2024

Ch1：定電圧

Ch2：正弦波

ID


11

Ohno Laboratory

ID-VG特性の周波数依存性

VG増加→ID増加

VG＝2V以上でID一定

低周波

VGによらずIDほぼ一定

高周波

大きなヒステリシス

反時計回りのループ

中間周波0

0.5

1

1.5

2

2.5

-4 -2 0 2 4 6 8

VG [V]

ID [

mA

]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

VD = 1V


12

Ohno Laboratory

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz0

0.5

1

1.5

2

2.5

-5 0 5

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-10 -5 0

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz

ID-VG特性の掃引中心電圧依存性

-5V中心 0V中心 5V中心

中心電圧の上昇に伴い変化点上昇

高周波

中心電圧の影響なし

低周波


13

Ohno Laboratory

AC解析モデル

・絶縁膜

RとCの並列接続

・AlGaN層

ダイオードとCの

並列接続

界面電位VInterfaceが実質的なゲート電圧

CInsulator

CAlGaN

RInsulator

D

Gate

2DEG

Insulator

AlGaN


14

Ohno Laboratory

界面電位の周波数依存性

ダイオードOFFVG=VInterface

ダイオードONVInterface一定

低周波

中間周波数RとC混在により

位相にずれヒステリシス

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

VG [V]

VIn

terf

ace

[V]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

Cの比で決まる傾きの直線

高周波

中心電圧付近で変化


15

Ohno Laboratory

位相差とヒステリシスの関係

-3

-2

-1

0

1

2

3

-5 -2.5 0 2.5 5

VG [V]V

Inte

rfac

e [V

]

遅れ位相

進み位相

CInsulatorRInsulator CAlGaNRAlGaN＞

CInsulatorRInsulator CAlGaNRAlGaN＜

進み位相：時計回り

遅れ位相：反時計回り

CInsulator

CAlGaN

RInsulator

Gate

2DEG

RAlGaN

Insulator

AlGaN


16

Ohno Laboratory

位相差とヒステリシスの関係

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-4 -2 0 2 4 6 8

VG [V]I D

[m

A]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

実測データのループは反時計回り

CInsulator･RInsulator CAlGaN･RAlGaN＜

遅れ位相

RInsulator はRAlGaNより小さい

CInsulator≅ CAlGaN

絶縁膜の抵抗値がヒステリシスに大きく影響

VD = 1V


17

Ohno Laboratory

SPICEシミュレーション

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ）

回路シミュレータを用いることでPC上で回路の動作を解析可能

シミュレータとしてSpectrum SoftwareのMicro-Cap8 Evaluationを使用


18

Ohno Laboratory

シミュレーション回路

Gate

Insulator

AlGaN

Insulator : RInsulator = 4×1010 Ω, CInsulator = 1×10-14 FDiode : IS = 1×10-13 A, n = 2FET : Level 1, tAlGaN = 30 nm, WG = 50 μm, LG = 0.5 μm,

VTH = -1 V, μ = 900 cm2/Vs

ゲートを8分割して計算


19

Ohno Laboratory

シミュレーション結果 ─ID-VG周波数依存性─

ループの向きも含めてほぼ実測値を再現

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-4 -2 0 2 4 6 8

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-4 -2 0 2 4 6 8

VG [V]I D

[m

A]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

VD = 1V VD = 1V


20

Ohno Laboratory

シミュレーション結果 ─ID-VG掃引中心電圧依存性─

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz0

0.5

1

1.5

2

2.5

-5 0 5

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-10 -5 0

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz0

0.5

1

1.5

2

2.5

-5 0 5

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-10 -5 0

VG [V]

I D [

mA

]

0.01Hz

100kHz

実測

シミュレーション


21

Ohno Laboratory

まとめ

• 周波数可変カーブトレーサを用いMIS-HFETのID-VG特性を測定

• 等価回路モデルとSPICEシミュレーションによりMIS-HFETのID-VG特性を解析

ヒステリシスの原因はゲート電圧と界面電位間の位相差

ワイドバンドギャップ系デバイスにおいては絶縁膜の特性に注意が必要

絶縁膜の抵抗が影響


22

Ohno Laboratory

ループ方向の条件算出

InsulatorInsulator

InsulatorInsulator

CRjRZ

ω+=

1 AlGaNAlGaN

AlGaNAlGaN

CRjRZω+

=1

G

AlGaNInsulator

AlGaNInterface V

ZZZV+

=

G

AlGaNInsulatorAlGaNInsulatorAlGaNInsulator

InsulatorAlGaNInsulatorAlGaN VCCRRjRR

CRRjR)( +++

+=

ωω

AlGaNInsulator

AlGaNInsulatorAlGaNInsulatorInsulatorInsulatorInterface

RRCCRRCRV

++

−=∠ −− )(tantan 11 ωω

AlGaNAlGaNInsulatorInsulator CRCR =

CInsulator

CAlGaN

RInsulator

VG

GND

RAlGaN

VInterface

進み遅れの境界条件0>∠ InterfaceV0<∠ InterfaceV

：進み

：遅れ


23

Ohno Laboratory

絶縁膜依存性

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-6 -4 -2 0 2 4 6

VG [V]

ID [

mA

]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

SiN （膜厚100nm）

EB-SiOX（膜厚25nm）

0

1

2

3

4

5

-6 -4 -2 0 2 4 6

VG [V]

ID [

mA

]

0.01Hz

10Hz

1kHz

100kHz

AlGaN/GaN MIS-HFETにおける...

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