高速伝送方式のコントロールシステム群が、 さらに …2リモコン制御 遠方制御 グループ制御 冷暖房運転モード切換制御 リモコン リモコンリモコン
GaN系デバイスへの 線照射に関する研究 - GaN Electron...
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2012/9/16 1 GaN系デバイスへのγ線照射に関する研究 徳島大学大学院 物性デバイス講座 大野研究室 亀岡 紘
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2012/9/16 1
GaN系デバイスへのγ線照射に関する研究
徳島大学大学院
物性デバイス講座 大野研究室
亀岡 紘
2012/9/16 2
発表内容1.背景と目的
2.放射線について
3.AlGaN/GaN HFETへのγ線照射
4.ショットキーダイオードへのγ線照射
5.MOSダイオードへのγ線照射
6.総括
2012/9/16 3
背景と目的
背景
AlGaN/GaN HFETは高周波・高出力デバイスとして開発中衛星搭載の通信用デバイス、電源用デバイス
耐環境素子
目的
宇宙太陽発電などの宇宙利用を想定し放射線の影響を調査
2012/9/16 4
宇宙空間
放射線
資料提供：JAXA
人工衛星を取り巻く環境
γ線
陽子
電子
重イオン
2012/9/16 5
放射線の半導体デバイスへの影響
トータルドーズ(Total Dose)絶縁膜の帯電
移動度の低下、リーク電流増加、しきい値シフト
シングルイベント(Single event)荷電粒子によるメモリの反転、ショート現象
変位損傷効果
結晶欠陥による移動度の低下、しきい値シフト
2012/9/16 6
γ線照射
Co60: 1.33MeVと1.17MeVの平均1.25MeVのγ線を放出
吸収線量1Mrad以上
独立行政法人 日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所JAERI
静止衛星軌道上10年に相当Siの特性が劣化し始める
人間死亡
妊婦の胎児に影響
1Ｍrad
3000rad
200rad
2012/9/16 7
実験方法C-V
LCRメーター（HP 4284A)
I-V半導体パラメータアナライザ
(Agilent社製 4155C)
制御、データ収集PCからのGP-IBコマンド制御
制御プログラムExcel VBAで記述
2012/9/16 8
発表内容1.背景と目的
2.放射線について
3.AlGaN/GaN HFETへのγ線照射
4.ショットキーダイオードへのγ線照射
5.MOSダイオードへのγ線照射
6.総括
2012/9/16 9
AlGaN/GaN HFETへのγ線照射
AlGaN/GaN HFETバイアス印加なし
2005秋応物AlGaN/GaN HFETへのγ線照射の影響 菅 良太
バイアス印加あり(ゲート-9V)
SiN-AlGaN/GaN MISHFETバイアス印加あり(ゲート-9V)
2012/9/16 10
0 5 10 15 200
5
10
15
20
25・ before・ after
Dra
in c
urr
ent
( m
A )
Drain voltage ( V )
AlGaN/GaN HFETバイアス印加なし
原因
オーミックの改善
光による基板の正帯電
ゲート付近の帯電量変化
(86.7Mrad)
AlxGa1-xN (x = 0.25) 25nm
GaN 3μm
2DEG
c面サファイア基板
2005秋応物（徳島）AlGaN/GaN HFETへのγ線照射の影響 菅 良太
Ti/Al/Ti/Au Ti/Al/Ti/AuNi/Au
オーミック(Ti/Al/Ti/Au=50/200/40/30nm)RTA,N2 8501min
ショットキー(Ni/Au=50/20nm)
Lg=4um Wg=50um
γ線照射後に最大ドレイン電流値が14 ～ 23%増加
二端子測定とモニタ端子
-10 -8 -6 -4 -2 0 210-1010-910-810-710-610-510-410-310-2
Gat
e c
urr
ent
( A
)
Gate voltage ( V )
・ before・ after
2012/9/16 11
二端子測定とモニタ端子
仮想FET特性Iと（モニタ端子-ＧＮＤ）
ゲートのダイオード特性Iと（VGD-モニタ端子）
モニタ端子
Ｓ Ｇ Ｄ
VGD
I
仮想FET表面電位をゲートとしたFET
2012/9/16 12
バイアス印加用のサンプル構造と特性
0.E+00
2.E-05
4.E-05
6.E-05
8.E-05
1.E-04
0 2 4 6
V（モニタ端子）
Curr
ent(
A)
TrGS
TrGD
Ｓ Ｇ Ｄ
- - - --
1.0E-10
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
-10 -8 -6 -4 -2 0 2
Vg_Voltage(V)
Gate
Curr
ent(
A)
R=13MΩ
IGS
IGD
nAl0.25Ga0.75N (Si=4E+18) 24nm
GaN 2μm
2DEG
c面サファイア基板
Ti/Al/Ti/Au Ti/Al/Ti/AuNi/Au
オーミック(Ti/Al/Ti/Au=50/200/40/40nm)RTA,N2 85030sec
ショットキー(Ni/Au=30/150nm)
Lg=4um Wg=50um
TrGS TrGD
照射前
照射前
2012/9/16 13
照射前の光による変動
Vg= 1 to -5 step -1
0.0E+00
5.0E-03
1.0E-02
1.5E-02
0 5 10 15 20Drain Voltage(V)
Dra
in C
urr
ent(
A)
AlGaN
GaN
S DG
正孔
I
電子
①なだれ増倍
②電位差の発生 ③電子の注入
v
light
darkforward
reverse
アバランシェ破壊
2012/9/16 14
Vg= 1 to -5 step -1
0.0E+00
5.0E-03
1.0E-02
1.5E-02
0 5 10 15 20
Drain Voltage(V)
Dra
in C
urr
ent(
A)
AlGaN/GaN HFETバイアス印加あり
バイアス印加状態でも大きな変化ではないアバランシェ破壊が10.6Vから7.4Vへと低下ドレイン電流の増加
(1Mrad)
照射前
照射後
-9V
AlGaN
GaN
S DG
2012/9/16 15
ゲートと仮想FETの特性変化
Ｓ Ｇ Ｄ
照射後
照射前1.E-13
1.E-11
1.E-09
1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01
-6 -4 -2 0 2
Vg-モニタ電圧(V)
Igs
Curr
ent(
A)
1.E-13
1.E-11
1.E-09
1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01
-6 -4 -2 0 2
Vg-モニタ電圧(V)
Igd C
urr
ent(
A)
1.E-09
1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01
0 2 4 6
(モニタ電圧-GND)(V)
Curr
ent(
A)
1.E-09
1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01
0 2 4 6
(モニタ電圧-GND)(V)
Curr
ent(
A)
2012/9/16 16
照射前後の特性変化の考察
AlGaN
2DEG GaN
S DGアバランシェ破壊
---
照射前 照射後
AlGaN
2DEG GaN
S DGアバランシェ破壊
-
アバランシェ破壊値低下・・・＞フィールドプレート効果の消滅
ドレイン電流増加・・・＞抵抗の低下
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表面電荷変化の考察
電子 正孔
γ線
GaNAlGaN空気
cE
FE
VE
再結合
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SiN-AlGaN/GaN MISHFETバイアスあり(1Mrad)
Lg=0.6umWg=100um-9V
nAl0.25Ga0.75N 20nm
GaN 2um
2DEG
SiC 100um
Ti/Al Ti/AlPt/Au
SiN(ECRプラズマ) 10nm
SiN(p-CVD) : 100nm
Vg= 1 to -5 step -1
0.0E+00
2.5E-02
5.0E-02
7.5E-02
0 5 10 15 20Drain Voltage(V)
Dra
in C
urr
ent(
A)
forward
reverse
照射後照射前
2012/9/16 19
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
0 2 4 6
(モニタ端子-GND)(V)
Curr
ent
Igs(
A)
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
0 2 4 6
V(モニタ端子-GND)(V)
Curr
ent
Igd(
A)
ゲートと仮想FETの特性変化
Ｓ Ｇ Ｄ
照射後
照射前
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
-6 -4 -2 0 2
Voltage Vgs(V)
Curr
ent
Igs(
A)
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
-6 -4 -2 0 2
Voltage Vgd(V)
Curr
ent
Igd(
A)
2012/9/16 20
AlGaN/GaN HFETへのγ線照射まとめ
AlGaN/GaN HFETバイアス印加なし
2005秋応物AlGaN/GaN HFETへのγ線照射の影響 菅 良太・・・＞ ドレイン電流の増加
ゲート-9V印加・・・＞ ゲート直下やゲートエッジで変化
・・・＞ その変化はId-Vd特性にわずかに影響する程度
SiN-AlGaN/GaN MISHFETゲート-9V印加
・・・＞ 変化なし
トランジスタ動作に大きな影響ない
2012/9/16 21
発表内容1.背景と目的
2.放射線について
3.AlGaN/GaN HFETへのγ線照射
4.ショットキーダイオードへのγ線照射
5.MOSダイオードへのγ線照射
6.総括
2012/9/16 22
Ti/Al/Ti/Au Ni/Au
サファイア
n-GaNショットキー
nGaN1.0E+18nGaN7.0E+15
(28.6Mrad)
1E+14
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
1E+19
1E+20
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
depth[um]
Nd[
1/cm
3]
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
-10 -8 -6 -4 -2 0 2
Gate Voltage(V)
Gate
Curr
ent(
A)
0
1E-11
2E-11
-20 -10 0
Voltage(V)
Cap
acitance(F
)
照射後
照射前
2012/9/16 23
p-GaNショットキー (28.6Mrad)
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
-10 -5 0 5 10
Gate Voltage(V)
Gat
e C
urr
ent(
A)
照射後
照射前
1E+18
1E+19
1E+20
1E+21
1E+22
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
depth[um]
Na[
1/cm
3]
0
30
60
90
θ[d
eg]
1.0E-11
1.0E-10
1.0E-09
1.0E-08
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1
Voltage(V)
Capa
citance(F
)
Ni/Au Ti/Au
サファイア
pGaN Mg 2.0E+19
2012/9/16 24
ショットキーダイオードのγ線照射まとめ
n-GaNショットキー → 大きな変化なし
p-GaNショットキー → 大きな変化なし
n-GaNとp-GaNのショットキーはともにγ線の影響なし
2012/9/16 25
発表内容1.背景と目的
2.放射線について
3.AlGaN/GaN HFETへのγ線照射
4.ショットキーダイオードへのγ線照射
5.MOSダイオードへのγ線照射
6.総括
2012/9/16 26
SiO2/Siデバイスのγ線照射
After F. B. McLean and T. R. Oldham, HDL Report HDL-TR-2129 (1987)
Voltage
CapacitanceVoltage
Capacitance
Q=CV
しきい値シフト大
ｰ電荷＋電荷
しきい値シフト小
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MOSダイオードへのγ線照射
SiO2 ・・・＞サムコCVD膜n-Si ・・・＞しきい値シフト大、傾き変化も大
n-GaN・・・＞しきい値シフト小、傾き変化も小
0
1E-11
2E-11
-40 -20 0 20 40
Voltage(V)
Cap
acitan
ce(F
)
-25V⊿Vth=-33V 0V0
1E-11
2E-11
-40 -20 0 20 40
Voltage(V)C
apa
citance(F
)
-3V⊿Vth=-2V -2V
0VVg=+6V -6V0VVg=+6V -6V
n-Si n-GaN
照射後
照射前
(28.6Mrad)(34.0Mrad)
照射後
照射前
2012/9/16 28
結果のまとめAlGaN/GaN HFET
・・・＞ ゲート直下やゲートエッジで変化
・・・＞ その変化はId-Vd特性にわずかに影響する程度
ショットキーダイオード
・・・＞ ショットキー特性はγ線の影響がない
MOSダイオード
・・・＞ n-Siはしきい値変動が大きい
・・・＞ n-SiのC-Vの傾きがなだらか
・・・＞ n-GaNはしきい値変動はわずか
・・・＞ n-GaNのC-Vの傾き変動はわずか
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Ｓｉ系
ＧａＮ系
2012/9/16 29
GaN系デバイスは1Mrad以上で影響無し
γ線に関する限りは宇宙環境で使用可能
総括
