AlGaN/GaN HFET 電流コラプスの回復過程

に関する研究

1

徳島大学大学院 先端技術科学教育部 博士前期課程

システム創生工学専攻 電気電子創生工学コース

修 士 論 文

番 号

修 了 年 月 平成 年 ( 年) 月

指 導 教 員

審 査

担 当

教 員

主 査

副 査

クラス

担 任

徳島大学大学院 先端技術科学教育部 博士前期課程

システム創生工学専攻 電気電子創生工学コース

修 士 論 文

番 号

修 了 年 月 平成 年 ( 年) 月

指 導 教 員

審 査

担 当

教 員

主 査

副 査

クラス

担 任

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

大野・研究室 M2

細川 大志

平成23年度 修士論文 内容梗概 電気電子創生工学コース

研究題目 AlGaN/GaN HFET 電流コラプスの回復過程に関する研究

氏 名 細川 大志 [大野・敖研究室］

1. はじめに

AlGaN/GaN HFETは、ハイパワー・高周波デバイスとして期待されている。しかし、高電圧印加後電流

が低下してしまう電流コラプス現象が問題となっている。原因として、デバイス表面や結晶中の負帯電が

考えられており、表面起因についてはこれまでに報告した。そこで、本研究では結晶起因の電流コラプス

の原因および発生機構の解明を目的として、負帯電後の回復過程の測定を行った。

2.測定サンプル・測定方法

測定サンプルはノンドープとFeドープの2種類のAlGaN/GaN HFETを用意した。両サンプル共にMOCVD法で

成長し、サファイア基板を用いている(図1)。測定は、まずデバイスをオフ状態でドレインにVD=50Vの高

電圧を印加し負帯電状態にする。その後、オン状態にしてストレスにならないVD=0.1Vを印加し、高電圧

印加後のドレイン電流回復過程を測定する。その際、赤外光(1.3eV)、赤色(1.9eV)、青色(2.6eV)、紫外

光(3.4eV)の４種の光による影響を調べた光照射測定及び、50,100,150,180℃での温度測定を行った。

3.測定結果と考察

光照射測定の結果を図2に示す。7～14秒間に光照射を行った結果、ノンドープとFeドープサンプル共に

赤外光と赤色では光照射なしの場合と重なり、青色と紫外光では回復の加速が見られた。これは光照射に

より負帯電していたトラップから電子が励起したことによる回復で、電流コラプスの主原因は1.9～2.6eV

のトラップだと考えられる。これはMOCVD法で成長した際の残留炭素によるものと思われる。また、光照

射後の時定数はいずれの条件でも約200秒であった。この時定数が、結晶中のどの準位が関与しているか

を調べるために温度測定の結果を用いてトラップ準位を見積もったところ、バンドギャップ外の負の値で

あった。また、捕獲断面積も原子間距離程度の円の面積よりも10桁以上小さい値であった（図3）。以上

より、電流コラプスは1.9～2.6eVのトラップの負帯電によるものだが、観測された回復はトラップからの

電子の放出ではないと考えられる。

4. まとめ

電流コラプス機構解析のため光照射測定及び温度測定を行い、電流コラプスの主な原因となるGaNの準位

の深さが判り、成長時の残留炭素が原因と予測がついた。また、観測した電流コラプスの回復はトラップ

からの電子の放出ではないと考えられる結果が得られた。本研究により、電流コラプス現象の理解が深ま

り、改善への指針が得らるようになるであろう。

1.E+00

1.E+02

1.E+04

1.E+06

1.E+08

1.E+10

2 3 4 5 61000/T[K-1]

τT2[K

2s]

EC-ET=8.5meV

σn=10-15

cm2

undoped

Fe-doped

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20 25 30Time(sec)

Dra

inC

urre

nt(m

A)

_

Blue

UV

No Light, IR, Red

Fe-doped

undoped

EC-ET=-41.8meV σn=1.3×10-29cm3

EC-ET=-41.8meV σn=1.3×10-29cm3

AlGaN

S G D

Undoped GaN

(Fe-doped GaN)

Sapphire

図 1 測定サンプル 図 2 光照射測定 図 3 熱測定結果のアレニウスプロット

2

目次

第 1 章 序論

1.1 研究背景 p.3

1.2 AlGaN/GaN HFET p.4

1.3 電流コラプス現象 p.5

1.4 研究目的 p.7

第 2 章 測定サンプル

2.1 測定サンプル用ウエハ p.9

2.2 プロセスフロー p.10

2.3 測定サンプル構造 p.12

第 3 章 測定方法

3.1 測定機器 p.13

3.2 電流コラプス評価方法 p.18

第 4 章 測定結果・考察

4.1 I-V 特性 ストレス電圧依存性 p.23

4.2 I-V 特性 ストレス時間依存性 p.25

4.3 光照射測定 p.27

4.4 温度測定 p.29

4.5 深い準位の特性 p.35

4.6 光照射測定及び熱測定の考察 p.36

4.7 回復過程のゲート電圧依存性 p.39

第 5 章 本研究のまとめ p.42

謝辞 p.44

3

1章 序論

1.1 研究背景

半導体デバイスの歴史は約 60 年前のゲルマニウムで始まり、その後シリコン(Si)やガリ

ウム砒素(Ga)などで進展した。Si デバイスはスケーリング則[1]に従い、微細化の道を進む

ことにより集積化、高速化、低消費電力化が進んでいる。現在では Si デバイスが半導体デ

バイスの大部分を占めている。Si デバイスの他にも、GaAs デバイスなどの化合物半導体

は電子のドリフト移動度が高いので超高速, 高周波デバイスとして通信分野で広く使われ

ている。しかし、近年のユビキタスサービスへの需要や関心を背景に、さらなる通信技術

の高速・大容量化が求められている。また、地球環境保護を背景に、電力の高効率変換が

望まれている。これらの要望を実現する Si や GaAs デバイスに代わる次世代デバイスとし

て、窒化ガリウム(GaN:Gallium Nitride)や炭化ケイ素(SiC:Silicon Carbide)を代表とする

化合物半導体が注目されている。

GaN や SiC などの化合物半導体が注目される主な理由は、バンドギャップの大きさな

ど優れた物性値から得られる特性である。

近年研究及び実用化されている化合物半導体の物性値を表 1 に示す。

表 1 主要な化合物半導体の物性値

半導体

材料

バンドギャップ

(eV)

絶縁破壊電界

(MV/cm)

熱伝導度

(W/cm/K)

電子移動度

（ｃｍ2/V・s）

飽和電子速度

(cm/s)

Si 1.12 0.3 1.5 1300 1×107

GaAs 1.42 0.4 0.5 2000~4000 1.3×107

SiC 2.86 3.0 4.9 600 2×107

GaN 3.4 3.0 1.5 1500 2.7×107

参考元[2]

バンドギャップが広ければ電子と正孔が結合する際に高いエネルギーの光を出すが、逆

に光や熱などから電子と正孔を生成するには大きなエネルギーが必要となる。電子が高電

界中で走行すると、再結合とは逆に電子は電界から大きなエネルギーを得て次々と電子と

4

正孔の対を生成する。これがアバランシェ破壊で、ワイドバンドギャップであれば電子正

孔対の生成に必要なエネルギーが高いため破壊の起きる電界も高くなり、破壊電圧が向上

する。このため Si に比べ、SiC と GaN の絶縁破壊電界が大きく耐圧が高い。されに、GaN

は GaAs 同様、Ga を同じ周期律表Ⅲ俗の Al と置き換えることでバンドギャップをステッ

プ状に変えるヘテロ構造が作製可能である。この構造はシリコンでの MOS 構造に比べチ

ャネルでの電子への散乱が少なく、高電子移動度トランジスタ構造（HEMT : High

electron mobility transistor）が作製可能である。その結果、GaN は GaAs に代わる高速

でかつ高電力のデバイスへの利用が推進されている。

ここで物性値から見たトランジスタについて説明しておく。トランジスタでの電子がチ

ャネルを走り抜ける走行時間τ1 はτ1=L/vsat と表されるが、チャネル長 L は破壊電界 Ec

と電源電圧 VDDから 小で L=VDD/Ec となるので、τ1=VDD/vsatEC となる。電子飽和速度

vsatが同じなら ECに逆比例して高速、同じ速度で使うなら ECに比例して高電圧で使える

ということになる。つまりワイドバンドギャップ半導体のメリットは、同じ周波数で使う

なら高電圧で使えるという点にある[2]。

1.2 AlGaN/GaN HFET

AlGaN/GaN HFET は、その高飽和速度, 高絶縁破壊電界といった優れた特性から移動通

信基地局や衛星通信用電力増幅器として実用化されている。その他、家電用インバータや

汎用電源などの商品化も進みつつある。

しかし、AlGaN/GaN HFET の普及には課題がある。①電流コラプス現象を代表とする

安全性の問題と②コストの問題である。実用化されているものもあると述べたが、それは

電流コラプスが起こらない条件でなければいけなく制限がある。それでも実用化されてい

るという点では AlGaN/GaN HFET のポテンシャルの高さが伺えるが、まだ GaN の特性

を活かしきれていない。コストの問題に関しては、絶縁性 SiC 基板に変わり、半絶縁性

SiC 基板[3]や、Si 基板[4]上での AlGaN/GaN HFET の開発が進んでいる他、GaN はデバ

イスのみならず省エネルギー推進により、白熱電球の LED 化の推進されている。半導体

用と LED 照明用のウエハに求められる品質は必ずしも同じではないが、それに伴いバル

5

ク結晶やウエハ製造設備への投資が進み、原材料のコスト低減が期待できる。現在、住友

電気工業では 6 インチウエハの開発に成功している。また、GaN 結晶の成長法に関しても

従来の気相法(HVPE : Hydride Vapour Phase Epitaxy)から、液相成長法（アモノサーマ

ル法）に切り替えることで更なる低コストでの量産を計画されている。

電流コラプス現象に関して詳細は後に述べるが、フィールドプレート構造[5]や表面 SiN

保護膜(パッシベーション膜)[6]、AlGaN表面GaN層[3]での対策がとられている。しかし、

これらはあくまでも緩和策であり、完全な解決・発生機構の解明は未だ達成されていない。

実用化されているデバイスに関しても高出力デバイスとして使用はされているが、一定以

上の高電圧が印加されると電流コラプス現象が現れるため、GaN の物性値から得られる特

性以上に使用範囲に制限がある。

電流コラプス現象は、信頼性の問題として存在し、デバイスに動作制限を加え、デバイ

スの更なる高性能化を阻害する要因となっているため、その発生機構の解明・解決は非常

に重要な課題である。

1.3 電流コラプス現象

電流コラプス現象は明確な定義はないが、デバイスの動作状態において電流が低下する

現象(図 1)を総称して使われている。このような現象は GaN といった 近の化合物だけで

はなく、シリコンや GaAs でも起こっているが、ワイドギャップになって目立つようにな

ったのはトラップの時定数の範囲が極端に広がったため観測されやすくなったことと、シ

リコンや GaAs に比べあまりにも無防備なデバイス構造をとっているためであると考えら

れる。

ドレイン電流が減少するということは、チャネル電荷以外の負電荷がチャネル近傍に蓄

積し、それがチャネル電荷を減少させるためである。半導体デバイスに負電荷が蓄積する

のは絶縁物中および表面などとともに半導体中の深い準位で起こる（図 2）。トラップ以外

では反応の時定数はその部分の静電容量Cとそこへ至る経路の抵抗RのCR積の時定数で

決まる。さらにトラップの場合には経路の時定数に加えてトラップからの電子やホールの

放出の時定数が加わる。1.4eV の GaAs から 3.4eV の GaN になると、 も深い準位では

1.0eV 深くなるが、これは時定数が 13 桁長くなることに対応する。GaAs ではどんな深い

準位でも 1 秒程度の時定数で、DC 測定ではゆっくり測定すればヒステリシスなどは観測

されず、もし観測されれば絶縁膜が関連していると推定できた。GaN ではこの時定数が

300 億年にもなる可能性があり、一旦負電荷が蓄積すれば固定電荷のように振舞う場合も

あれば、日常的な時間で変化する場合もある。

電流コラプスの研究当初はゲートエッジへの負帯電と思われるコラプスが多かった。対

策としては Si3N4などの電子を通しにくい絶縁膜で覆ったり、フィールドプレートを設け

てドレイン電圧が直接ゲートエッジにかからないようにするなどが行われている。ゲート

周辺の改良が進むと、結晶中のトラップの影響が見えてくる。シリコン MOS でも基板の

p 型層のホールはヒステリシスやコラプスの原因となり得るが移動度が高いためバイアス

変化と共に高速で移動できるので問題となってはいない。一方、化合物半導体ではトラッ

プを利用した半絶縁性の半導体が用いられるが、このトラップが先程述べたように一度電

子が捕獲されると回復に何億年も時間を要する可能性があり問題となっている。また、ト

ラップをなくしてしまうと、タンチャネル効果抑制や耐圧などの点で問題が出る可能性が

あり、GaAs でも使用目的に合う範囲内でうまく共存しているのが現状である。[9]

6

図 1 電流コラプス現象実測データ

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0 2 4 6 8 10

Drain Voltage(V)

Dra

in C

urr

ent(

0.0014

0.0016

0.0018

0.002

12

A)

Forward

Reverse

VG=0V

7

図 2 電流コラプスの起因となる負帯電の予測箇所

1.4 研究目的

電流コラプス現象は前節で述べたように、表面トラップによる問題は改善策が研究され

実用化されているが、半導体中の深いトラップ起因のコラプスに関しては原因・発生機構

が明確ではない。また AlGaN/GaN HFET における結晶中の深いトラップがどのような振

る舞いをするのかという報告も僅かである。そこで、本研究では半導体中の深いトラップ

起因の電流コラプスに関して、光照射測定、熱測定などの電気的特性を解析することで電

流コラプスに関する理解を深め改善の指針となることを目的としている。

AlGaN

S G D

2DEG

GaN ：負帯電予測箇所

Sapphire

8

第 1 章 参考文献

[1] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices 2nd Edition, pp.133, A

Wiley-Interscience publication, 1981

[2] 篠原 真毅 他、”ワイヤレス給電技術の 前線” p59-63

[3] M. Kanamura et al., “A 100 W high-gain. AlGaN/GaN HEMT power amplifier on a

conductive N-SiC sub- strate for wireless base station applications,” 2004 IEDM

Tech. Dig., pp.799–802, 2004.

[4]星真一 他、信学技報, vol. 109, no. 288, ED2009-157, pp. 139-144, 2009 年 11 月.

[5]高田賢治 他、信学技報, SPS2007-03，(2007-04)

[6] M. F. Romero et al., “Effects of N2 Plasma Pretreatment on the SiN Passivation of

AlGaN/GaN HEMT” IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 29, NO. 3, MARCH

2008

第 2 章 測定サンプル

2.1 測定サンプル用ウエハ

電流コラプス評価用サンプルとして、GaN 層の種類がノンドープ(Powdec 社:W316)と

Fe ドープ（NTT-AT 社:W320）の 2 種類を用意した。各ウエハの詳細を以下に示す。

表 2 ノンドープ、Fe ドープのウエハ詳細

W316 W320

結晶 組成比 膜厚 ドーピング 結晶 組成比 膜厚 ドーピング

[nm] [cm-3] [nm] [cm-3]

u-AlGaN 0.25 25 i-AlGaN 0.25 25

u-GaN 3000 i-GaN 500

buffer Fe-GaN 1500 Fe:1e18

Sapphire 500m nucleation

sapphire 550±25m

Fe ドープウエハは、詳細は解明されていないが GaN 層に Fe ドープを行うと電流コラ

プス現象が緩和される、Fe は電流コラプスに起因する深い準位をつくるといった報告があ

ったため用意したウエハである。実験によりノンドープとFeドープの比較も同時に行う。

9

2.2 プロセスフロー

AlGaN/GaN HFET を作製するにあたってノンドープ、Fe ドープサンプル共に同様のマ

スク：M40(大野研究室マスク管理番号)を使用し、同様のプロセスフローで行った。以下

に使用マスクとプロセスフローを示す。測定に用いた FET は図 3 の赤線で囲った部分で

ある。

図 3 マスク M40

10

11

素子間分離(RIE) (エッチング深さ：

60um)

オーミック電極形成

（蒸着：

Ti/Al/Ti/Au=50/200/40/40nm）

アニール （N2中, 850℃10min）

ゲート電極形成 （蒸着：Ni/Au 50/60nm）

図 4 AlGaN/GaN HFET プロセスフロー

2.3 測定サンプル構造

測定に用いたHFETはマスクM40（図 3）上の右下に位置する、ゲート-ドレイン間Lgd、

ゲート-ソース間 Lgd、ゲート長 Lg がそれぞれ 3μm であり、ゲート幅 Wg が 50μm の

ものである。

12

(a)ノンドープサンプル (b)Fe ドープサンプル

図 5 測定サンプル構造

Al0.25GaN 25nm

Sapphire

undoped-GaN 3000mm

S D G

3m 3m 3m

Al0.25GaN 25nm

undoped-GaN 500mm

Sapphire

Fe-GaN 1500mm 1×1018cm-3

G D S

3m 3m 3m

第 3 章 測定方法 3.1 測定機器

測定装置として、半導体パラメータアナライザ(Agilent 4155C)を PC に GPIB を用いて

接続し、マイクロソフトエクセル搭載の VBA(Visual Basic for Applications)にて制御した。

サンプルを載せるプローバとして雄山プローバを使用した。温度測定は共和製プローバを

用い、出力電源装置（Agilent E3649A）によりプローバステージに内蔵したシリコンラバ

ーヒータを熱する。温度制御は GPIB を介した VBA により制御を行い、MESUREMENT

COMPUTING 社製 USB-TC（熱電対）を用いて温度を測定した。以下に各機器について

簡単に説明する。

・半導体パラメータアナライザ（Agilemt 4155C）

高度なデバイス特性評価に用いることができ、1A/200V までの測定が可能で、分解能は

大 10f 及び 0.2μV である。測定機能は QSCV、ストレス・モード、ノブ掃引など多彩

である。また、次に紹介する GPIB によるプログラム制御を用いることで、さらに自由度

の高い測定を可能とする。

図 6 半導体パラメータアナライザ(Agilent 4155C)

13

・GP-IB

計測器をプログラム制御して測定を行うことは単に作業の負担を減らすだけでなく、精

度の向上や全く新しい測定を可能とする。測定をプログラム制御して行う技術は近年整備

され、当初は HP（Hewlett Packard）社（現 Agilent Technologies）のみが提供していた

HP-IB インターフェイスが IEEE の標準規格となり、多くの測定器会社がそのインターフ

ェイスを用いた装置を作成している。現在では Agilent 社も HP-IB という呼称を捨てて

GP-IB という名前を使っている。 近では USB や LAN 規格の導入も始まっているが、

しばらくは GP-IB が自動測定の標準として使われると思われる。

現実の測定やデータ整理では EXCEL でのデータ整理、解析が広く行われている。表計

算のみならずグラフの作成、WORD・パワーポイントとのリンクなど実験結果を論文やス

ライドまで持っていくのに便利な環境がある。さらに VBA（Visual Basic for

Applications）というプログラム言語を搭載しており、これを使えば複雑なデータ処理も

可能となっている。そこで、GP-IB の制御をこの VBA を用いて行うこととした。これに

より、測定条件の設定を EXCEL の表で指定できるようになり、また測定結果が表に直接

と入り込めるようになる。今回 GP-IB インターフェイスには Agilent82357A USB/GPIB

Interface for Windows を用いた。用いた GP-IB インターフェイスを、図 3.2.1 に示す。

GP-IB でのデータ転送には ASCII と BINARY があるがこれは状況に応じて使い分けるこ

とにする。

図 7 Agilent82357A USB/GPIB Interface for Windows

14

・E3649A (出力電源装置)

今回出力電源装置には Agilent Technologies 社製の E3649A を用いた(図 8)。GP-IB を

用いパソコンと接続することで容易に制御できる。今回は電流のコンプライアンスを 0.8A

に設定し、電圧制御を行い、出力 2端子を直列に接続して用いた。

図 8 Agilent E3649A

・USB-TC (熱電対)

今回 MEASUREMENT COMPUTING 社製の USB-TC(熱電対)を用い、プローバステ

ージの温度を測定した。熱電対とは、異なる材料の 2 本の金属線を接続して１つの回路を

つくり、ふたつの接点に温度差を与えると、回路に電圧が発生するという現象(ゼーベック

効果 図 9)を利用して温度を検出するものである。使用した熱電対はアオイ電熱社製シー

ス熱電対(K-1.6φ-SUS316-200L-Ⅱ-BS 型-EXC1000L)である。図 11 に使用した USB-TC

を示す。

図 9 セーベック効果

15

片端を開放すれば、電位差（熱起電力 図 10）の形で検出することが可能である。

図 10 熱起電力の検出原理

図 11 MEASUREMENT COMPUTING USB-TC

16

・シリコンラバーヒータ内臓プローバステージ

プローバステージは SUS ヒートレーンプレート 304 を用いた。もともとステンレス鋼

は強度、衛生面、メインテナンス性、美観などに優れ、多様な分野で活用されているが、

熱伝導率では一般鋼材に劣るという欠点があった。しかしこの SUS ヒートレーンプレー

トはステンレス鋼の特長を保持したまま、 も熱伝導率の高い金属である銀の約 5 倍の熱

伝導性を持つので、加熱、保温、冷却など熱のコントロールが必要なさまざまな用途での

応用が期待されている。

ヒータには AS ONE 社製のシリコンラバーヒータ(100mm×100mm,100V 60W)が用い

られている。このヒータに、細工した上記のプレートを挟み込むことで、プレートの温度

を 100V で 200℃まで温度を上げることができる。

温度の測定は、熱電対による温度測定の箇所をプレートの表面に設置した。また、 下

部のプレートに熱が伝わりにくくするために、熱伝導率の低いテフロンを使用し、測定す

るデバイスを置く中心部の温度を均一にするためにプレートを細工するなど工夫が施され

ている。

図 12 シリコンラバーヒータ内臓プローバステージ

17

18

3.2 電流コラプス評価方法

電流コラプス現象の解析は高電圧印加前の特性と、高電圧印加後の特性を比較するのが

一般的である。一般的に用いられている解析方法はパルス測定[1]や SS（ステップストレ

ス測定）[2]である。パルス測定はある一定のストレスバイアスを印加した直後のパルス上

の電圧、電流等を測定するためストレス印加直後のみのデバイス特性が得られるため回路

特性への影響を調べるには都合がよい。しかし、パルス測定の場合はデバイス内部の時間

的な変化を見るには必ずしも適していない。電流コラプスのストレスに対する時間的な変

化に関して１章で述べたように、GaAs の場合は電流コラプス現象に関する研究から GaAs

のトラップからの応答（電子放出の時定数）は GaAs のバンドギャップ 1.4eV から一番深

い 0.7eV 付近のトラップに負帯電していたとしても、電子放出の時定数は長くても 1 秒程

度でありパルス測定でもストレスによる時間的変化を観測することができたがゆっくりと

DC 測定をした場合は観測されない。しかし、GaN の場合は逆で、バンドギャップは 3.4eV

であるので、トラップの応答は室温（300K）で数億年、何兆年にもなり得る。そのため、

デバイス内部の時間的な変化を評価法として本研究では SS 測定法を用いている。SS 測定

法はストレス印加時間や評価時間を任意に設定することができ時間依存性や光・熱といっ

た様々な測定を加えることが可能であるが、測定機器の性能上数ミリ秒以下の測定が不可

能である。

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

Drain Voltage(V)

Dra

in C

urr

ent(A)

パルスIV測定

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

Drain Voltage(V)

Dra

in C

urr

ent(A)

パルスIV測定

図 13 パルス測定法

0

2

4

6

0 10 20 30 40 50Drain Voltage(V)

8

10

Dra

in C

urr

en

t(A

)

評価部VG=0V

ストレス部・・・・・

（m

A）

0

2

4

6

0 10 20 30 40 50Drain Voltage(V)

8

10

Dra

in C

urr

en

t(A

)

評価部VG=0V

ストレス部・・・・・0

2

4

6

0 10 20 30 40 50Drain Voltage(V)

8

10

Dra

in C

urr

en

t(A

)

評価部VG=0V

ストレス部・・・・・

（m

A）

（m

A）

図 14 SS(ステップストレス)法概要

19

SS測定開始

ストレス部

特性評価部

評価終了?

ストレスにステップを加える

Vstress=Vstress+ΔV

規定ステップ終了?

SS測定終了

End

End

Next

Next

SS測定開始

ストレス部

特性評価部

評価終了?評価終了?

ストレスにステップを加える

Vstress=Vstress+ΔV

規定ステップ終了?規定ステップ終了?

SS測定終了

End

End

Next

Next

図 15 SS 測定法プログラムフロー

20

図 16 より測定の流れを説明する。電流コラプス評価測定では毎回デバイスにストレス

を印加するため、測定後もストレスによる負帯電が残った状態の場合がある。この理由か

ら、測定開始時にデバイスを初期状態に戻すため UV 光を照射する。GaN のバンドギャッ

プ 3.4eV以上の光を照射しているためトラップの電荷は励起されているものと想定してい

る。確認のため UV 光を照射しながらの半導体パラメータアナライザによる I-V 測定を行

い、電流値が回復しているかを毎回確認している。その後、デバイスにストレスを印加す

る。ストレスを印加する際はゲート電圧を OFF 状態にしている。ON 状態にしても帯電状

態に影響は少ないと思われるが、デバイスが破壊される恐れがあるため OFF 状態でスト

レスを印加する。ストレス印加後は評価条件により異なるが、回復測定の場合はゲートを

ON 状態にしてドレインにストレスにならない電圧を印加してドレイン電流を測定する。

以上が電流コラプス評価測定の流れである。

ストレス印加部

図 16 電流コラプス評価測定方法

評価部

UV 光照射 （帯電状態回復）

時間

21

22

第３章 参考文献

[1] G. Verzellesi, G. Meneghesso et al., February. IEDM ’02 689-692

[2] 黒田他, 電子情報通信学会電子デバイス研究会（ED） 2009 年 11 月(徳島大学)

第 4 章 測定結果

4.1 I-V 特性 ストレス電圧依存性

ストレス電圧の大きさによる電流コラプスの変化を調べた。条件は、ストレス電圧を印

加しない場合とドレインにストレス電圧 VDst=なし, 30V, 50V の 3 種のである。ストレス

印加はゲート電圧 VG=-5V の OFF 状態で 10 秒間各ストレスを印加した。その後 VG=0V

の ON 状態にしてからドレイン電圧 VD=0~10V 間のドレイン電流値を往復測定した。結果

を図 17 に示す。

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10Drain Voltage Vd(V)

Dra

in C

urre

nt I

d(m

A)

16

No Stress

Vdst=30V

Vdst=50V

図 17(a)ノンドープサンプル

I-V 特性 ストレス電圧依存性

23

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10Drain Voltage Vd(V)

Dra

in C

urrn

t (m

A)

No Stress

Vdst=30V

Vdst=50V

図 17(b) Fe ドープサンプル

I-V 特性 ストレス電圧依存性

ストレス印加後の Vd=0 から 10V の間で、ストレス電圧を大きくするに伴って

Vd=0~10V ピンチオフまでの三極間領域の傾きが異なる。ストレス無しにくらべ、ストレ

ス印加した場合に傾きが異なるのはゲート-ドレイン間に負帯電が発生したことによりチ

ャネルが減少し高抵抗化したからである。ストレス電圧に依存して傾きが減少しているの

は、ストレス電圧の上昇に伴い負帯電量が増加し、さらに高抵抗化したものと考えられる。

この現象はノンドープ、Fe ドープサンプル共にみられた。その他、ストレス内の場合は電

圧に関して往路よりも復路の方が、電流値が減少した。これは評価電圧の 10V がストレス

となり負帯電が起こったためと考えられる。しかし、ストレス電圧 Vdst=30V, 50V の場合

ノンドープと Fe ドープで挙動が違った。ノンドープの場合 Vdst=30,50V 共に往路の方が、

電流値が小さい。これはストレスによる負帯電の影響が強く、復路での電流値の増加は負

帯電が回復したものと思われる。Fe ドープの場合、Vdst=30V の場合もストレス無しの場

24

合と同じく往路お電流値に比べ、復路の電流値の方が小さかった。これは Fe ドープの方

がストレスの影響を受けにくい、もしくは回復がストレスの影響の回復が早いと考えられ

る。Vdst=50V に関してはノンドープサンプルと同じような挙動を示した。

今後の解析では もストレスに影響している要因を調べるために、影響が大きい

Vdst=50V でストレスを印加した。

4.2 I-V 特性 ストレス時間依存性

ストレス時間による電流コラプスの変化を調べた。測定は VG=-5V の OFF 状態で

VDst=50V のストレス電圧を印加し、印加時間を 0 秒（ストレスなし）～, 100 秒(60 秒)

の条件で測定を行った。結果を図 18 に示す。

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10

Drain Voltage Vd(V)

Vdst50V100s

60s

30s

10s

14

16

Id(m

A)

No Stress

図 18 (a)ノンドープサンプル

I-V 特性 ストレス時間依存性

25

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10Drain Voltage Vd(V)

Dra

in C

urre

nt(m

A)

10s

30s

60s

図 18 (b)Fe ドープサンプル

I-V 特性 ストレス時間依存性

ノンドープに関してストレス電圧依存性と同様にストレス印加時間と共に三極間領域の傾

きが小さくなった。また、ストレス印加時間 10 秒と 30 秒、30 秒と 60 秒、60 秒と 100

秒で傾きの変化を比較すると印加時間を長くするにつれて変化が小さくなっている。60 秒

と 100 秒ではかなり小さい。Fe ドープに関してはストレス時間 10 秒から 30 秒に関して

は若干のストレスの影響の増加が見られるが、30 秒と 60 秒では重なった。以上より、電

流コラプスの度合いはストレス時間を長くすれば、その影響が大きくなるが一定の時間で

飽和する。これはトラップの数が有限であるため、この測定では、ノンドープに関しては

60 秒、100 秒付近、Fe ドープに関しては 30 秒付近で全てのトラップが負帯電したからだ

と考えられる。

26

4.3 光照射測定

これまでのストレス印加測定で観測された電流コラプス現象が、どの準位に寄与してい

るのかを調べるために、ストレス印加後のドレイン電流回復過程における光照射の影響を

調べた。ゲートに VG=-5V を印加した OFF 状態で、ドレインに VD=50V のストレス電圧

を 10 秒間印加する。その後、ゲートに VG=0V を印加 ON 状態でドレインにストレスにな

らない VD=0.1V を印加し、ドレイン電流の回復過程を測定した。光照射は ON 状態に切

り替えた時間を０秒とし、7～14 秒の７秒間に光照射を行った（図 1）。用いた光源は赤外

光（1.3eV）、赤色(1.9eV)、青色（2.6eV）、紫外光(3.4eV)の 4 種類である。負帯電してい

る準位以上のエネルギーを持つ光を照射すれば、電子が励起され負帯電が無くなり電流値

が回復すると想定して行った。図 19 にストレス印加後のドレイン電流回復過程における

光照射の影響を示す。

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

0.0008

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

Dra

in C

urre

nt(A

)

UV Blue

27

（a）ノンドープサンプル （b）Fe ドープサンプル

図 19 光照射測定

結果ノンドープと Fe ドープサンプル共に、赤外光と赤色では光照射による電流値の変

化は無く、光照射を行わない場合と重なった。しかし、青色と紫外光を照射した場合は照

射している間回復の加速が観測された。これは光照射により負帯電しているトラップから

電子が励起することによる回復と考えられる。以上より赤色（1.9eV）で変化が無く、青

色（2.6eV）で回復が加速したので、2種類のサンプルの電流コラプスの主原因は1.9～2.6eV

のトラップが負帯電していたためと考えられる。

No Light, IR, Red

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

0.0008

0 5 10 15 20 25 30

Time(s)

Dra

in C

urre

nt(A

)

Blue

UV

No Light, IR, Red

図 20 は光照射後 500 秒まで測定した結果である。

1.E-05

1.E-04

1.E-03

0 200 400 600Time (s)

I Dsa

t-I D

(A

)

No Light, IR, Red

Blue

図 20 ドレイン電流(IDsat-ID)の時定数評価

時定数を求めるためにドレイン電流の変化を

)/exp(0 τtIII DDsat （1）

[IDsat ,I0：フィッティングパラメータ]

としてプロットした。紫外光の場合は電流値がほぼ初期値かそれ以上となったので図から

省いている。光照射後の 100 秒以降で、光照射なし、赤外光,、赤色、青色を照射したいず

れの場合においても約 270 秒の時定数が確認できた。

28

4.4 温度測定

回復に時定数が確認できたことから何らかの準位が関係しているものと思われる。そこ

で、どの準位のトラップが寄与しているかを調べることを目的として温度依存性測定を行

った。温度条件は 50, 100, 150, 180℃の 4 種類で、ストレス条件として VG=-5V の OFF

状態で VD=50V を 60 秒間印加し、その後 VG=0V の ON 状態で VD=0.1V として評価を行

った。結果を図 21 に示す。ノンドープ、Fe ドープのサンプルいずれも温度上昇と共に電

流値が低下しているが一定の割合で電流値が回復している。各温度における時定数を求め

るために（1）式を用いて電流特性を調べた（図 22）。各温度における時定数を表 1 に示す。

0.E+00

1.E-04

2.E-04

3.E-04

4.E-04

5.E-04

6.E-04

0 100 200 300 400Time(s)

Dra

in C

urre

nt(A

)

0.E+00

1.E-04

2.E-04

3.E-04

4.E-04

5.E-04

6.E-04

0 100 200 300 400

Time(s)

Dra

in C

urr

ent(

A)

29

（a）ノンドープサンプル (b)Fe ドープサンプル

図 21 ストレス(VG=-5V, VDst=50V)印加後のドレイン電流回復の

温度依存性(VG=0V, VD=0.1V)

50℃ 50℃

100℃ 100℃

150℃ 150℃

180℃ 180℃

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

0 100 200 300 400

Time(s)

IDsa

t -ID

(t) (

A)

30

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

0 100 200 300 400Time(s)

IDsa

t -ID

(t) (

A)

50℃50℃100℃100℃150℃150℃180℃180℃

(a)ノンドープサンプル (b)Fe ドープサンプル

図 22 ドレイン電流(IDsat-ID)の時定数評価温度依存性（50,100,150,180℃）

表 3 各サンプルのドレイン電流回復時定数の温度依存性

温度 50℃ 100℃ 150℃ 180℃

ノンドープ 174s 167s 151s 134s

Fe ドープ 222s 210s 183s 144s

この結果を SRH 統計に当てはめてトラップ準位 ETと捕獲断面積σnを見積もる。

ここでトラップ準位と捕獲断面積の見積もり方を説明する。深い準位の詳しい性質は次

章で説明する。深い準位はバンドギャップ内のトラップを介した生成再結合は SRH 統計

(Shockley-Read-Hall)統計で表される。トラップから伝導帯への電子の捕獲、トラップか

らの伝導帯への電子の放出、トラップからか電子帯への正孔の捕獲、トラップから価電子

帯への正孔の放出の４種類が考えられる（図 23）。電子の占有確率 fT=nT/NT (nT : トラッ

プに捕獲された電子数、NT : トラップの総数)とすると速度方程式は以下のように表され

る。

TpTpTnTnT fefpCfefnC

dt

df 11

31

pn CC , pn e,

第１項は電子の捕獲、第 2 項は電子の放出、第 3 項は正孔の捕獲、第 4 項は正孔の放出を

表す。また はそれぞれ電子およびホールの捕獲係数、 e は放出係数を表す。

C

TE

VE

pe

nnC

ppC

電子の

放出

電子の

　 捕獲

正孔の

　 捕獲

正孔の

　 放出

E

ne

　　

C

TE

VE

pe

nnC

ppC

電子の

放出

電子の

　 捕獲

正孔の

　 捕獲

正孔の

　 放出

E

ne

　　

図 23 トラップからの電子、正孔の捕獲放出過程

ここでは、熱処理によるトラップからの電子の放出について考える。式（ ）の第 2 項か

ら TnT fe

dt

df であり、この微分方程式を解くと

dtedff nTT

1

Clog

f

tef nT || （C は積分定数）

)exp( CtenT

ここで とすれば )exp(CA

)tef nexp()exp( AteA nT となる。

ここで、nn Cne 1

11

1n

τ：電子放出の時定数 ：フェルミ準位がトラップと一致した時のトラップの電子の数

また

nCnT

n CnkT

NCf

nC 1exp

TCT

nEEf

e1

ここで、n1を

32

kT

EENn TC

C exp1

と表すと n1 に温度依存性があることがわかる。また、Nc にも温度依存性があり

2/32 kTmn

22

h

NC

C

電子の捕獲係数に関しては電子の捕獲断面積σnと電子の熱速度 vthnを用いると

thnnn v

で表される。

熱速度は以下のように温度依存性がある。

22

2

1

22

3thphthne vmvmkT

1

これら全て組み合わせると、電子放出の時定数τの温度依存性には exp の項×Nc からで

る

T の-3/2 乗の項×vthn からでる T の-1/2 乗の、合計 1/T2×exp(1/T)の項がかかっている。

つまり

kT

EE

T

A TCexp2

そのため活性化エネルギーを求める際にはτT2の対数を取り、

kT

EEAT TC lnln 2

この傾きから EC-ETが求まり、y 切片から lnA が求まり、この A から捕獲断面積σnを求

める。

ここで、me/m0=0.27、σn=1.0×10-17m2 とした場合の電子放出の時定数の温度依存性を図

に示す

1.E-10

1.E-08

1.E-06

1.E-04

1.E-02

1.E+00

1.E+02

1.E+04

1.E+06

1.E+08

1.E+10

1.E+12

0 200 400 600 800 1000

TemperatureT[K]

Tim

e c

onst

ant

of

ele

ctr

on e

mis

sion

0.2eV

0.5eV

1eV

1.5eV1.7eV

1.9eV

2.4eV2.9eV

1.E+14

1.E+16

1.E+18

τ[s

ec]

EC-ET=3.2eV

図 24 電子放出の時定数の温度依存性

トラップが伝導帯から 1.9eV の位置にあると仮定した場合、温度 300[K]での電子放出の時

定数は図 24 より約 332 億年となる。

33

以上の計算式を用いて時定数と温度の関係を用いたアレニウスプロットを描いた（図 25）。

これらの結果からノンドープの場合はσn=1.3×10-29cm2, EC-ET=-41.8meV、Fe ドープ

の場合はσn=1.7×10-29cm2, EC -ET=-27.6meV と求まった。トラップ準位はバンドギャッ

プ外の負の値であり、捕獲断面積も原子間距離の円の面積より 10 桁以上も小さいことか

ら、これまでに観測された 100 秒から 200 秒付近のドレイン電流の回復は SRH 統計に基

づくトラップからの電子の放出ではないと考えられる。

1.E+00

1.E+02

1.E+04

1.E+06

1.E+08

2 3 4 5 61000/T[K-1]

τT

2[K

2s]

1.E+10

EC-ET=8.5meV

σn=10-15

cm2

undoped

Fe-doped

図 25 時定数のアレニウスプロット

34

4.5 深い準位の特性

ここで以降の解析のため深い準位の特性について説明しておく。

半導体の不純物準位には、電子を捕獲したときが中性のドナーと電子を放出したときが

中性のアクセプタがある。SRH 統計によれば、不純物準位にはこの分類とは独立に、電子

が主に伝導帯から来るか価電子帯から来るかによる分類がある。我々はこれを電子トラッ

プとホールトラップと呼んで分類している。

電子とホールが非平衡状態かつ定常状態にあるとき、トラップでの電子の占有率 fTは次

のように表される。

)()(1

ppCnnC

pCnCf pnT

11 pn （2）

ここで、n は電子濃度、p はホール濃度、Cn, Cpはそれぞれ電子、ホールの捕獲係数であ

る。また、n1, p1は以下のように表される。

35

kT

EENp

kT

EENn TV

VTC

C exp,exp 11

thpppthnnn vCvC

（3）

ここで ETはトラップのエネルギー準位であり、NC, NVは電子とホールの有効状態密度

である。また Cn, Cpは以下のように表される。

　, （4）

ここで、σn, σp は電子とホールの捕獲断面積であり、vthn, vthp は電子とホールの熱速度

である。（2）式がほぼ fT(n)になるものが電子トラップ、ほぼ fT(p)になるものがホールト

ラップである。この差はトラップの両キャリアに対する捕獲断面積とエネルギー準位で決

まるが、（3）式から室温(300K)ではトラップのエネルギー準位が 60meV 変化するごとに

n1, p1 がそれぞれ 10 倍ずつ変化するので、ほとんどエネルギー準位で決まってしまう。つ

まり、基本的にはトラップ準位がミッドギャップより上にあれば電子トラップ、下にあれ

ばホールトラップとなる。

トラップによる電荷の捕獲に関してはトラップ周囲の自由電子や自由ホール量できまる

ため一定ではなく、比較的早い時間でも起こる。一方、電子, ホールの放出は特有の時定

数が存在する。その大きさは放出係数 en, epの逆数で、en, epは以下のように表される。

36

,　n Cne Cpe 1 n p p1 （5）

ここでも n1, p1の値が影響しており、そのためワイドギャップ半導体では天文学的な長い

時定数が発生する場合がある。

MOCVD 法による GaN 層は残留ドナーが多く、リーク電流を抑えるためにアクセプタ

型の深い準位も残留させた半絶縁性層になっている。この深い準位は成長条件に依存する

ことから炭素の残留が疑われているが、必ずしも 1 種類とは限らずその材料的な起因は解

明できていない。

半絶縁性層は電子もホールもほとんど存在しない絶縁物に近い状態で電荷中性状態が実

現する。しかし、バイアスがかかった熱平衡状態では半絶縁性層特有の電位分布を生じる。

この電位分布について、電子トラップは n 型半導体に、ホールトラップは p 型半導体に置

き換えて考えることができる。n 型半導体や p 型半導体では空乏層が空間電荷を発生する

が、半絶縁性層ではトラップが帯電することで空間電荷を発生している。また、たとえ電

位勾配が生じていても自由電荷が極めて少ないので電流は流れない。

トラップによる空間電荷は電子またはホールの捕獲、放出で変化するが、その変化はデ

バイスの動作速度に比べて極めて遅い。その結果、ストレス時に負帯電した電荷がストレ

スを取り除いても残留し、それがコラプスを引き起こしていると考えられる。とりわけホ

ールトラップ型の場合はドレイン側に高濃度イオン化層が形成されるために、極端な電流

低下を引き起こす可能性がある。

4.6 光照射測定及び熱測定の考察

光照射測定の結果は、1.9eV から 2.6eV の光で負帯電が急速に回復したことを示してい

る。トラップへの光照射はトラップの電子を伝導帯へ上げるか、価電子帯の電子をトラッ

プに上げる、すなわちとラップのホールを価電子帯へ放出するかの両方が考えられるが、

後者ではトラップは負に帯電するので前者と考えられる。すなわち、コラプスを引き起こ

しているトラップは伝導帯から 1.9eV 以上深いところにある。GaN のバンドギャップは

37

3.4eV なので 1.9 から 2.6eV ということはホールトラップである。ノンドープの場合は残

留炭素による準位と推定される。Fe ドープのものでも大きな差が無かったが、1.9 から

2.6eV での別の準位か、あるいは残留炭素が多いために同様の結果になったかどうかは定

かではない。

前項までの結果を元に推測される負帯電及び回復過程についてバンド図を用いて説明す

る。ホールトラップが支配的だとすると、ストレスバイアスのようにドレインに高電圧を

印加した際、図 26(a)のように n-p-n 構造に電圧を印加した場合と同様のバンド図になり、

ドレイン側に負帯電が生じ高電界になる。

次にドレイン電圧を下げストレスを解放するとトラップ電荷の移動が起きていないので

ドレイン側の負帯電部分のバンドが持ち上がる（図 (b)）。この変化はチャネル側から見

れば n チャネル FET に負のバックゲートバイアスをかけた場合と同様なバンド状態にな

り、チャネル電流の現象を引き起こす。この現象が電流コラプスと考えられる。

負帯電の回復はトラップに捕獲された電子の放出もしくは、ホールの捕獲による中性化

によるものと考えられる。トラップ準位 ETを伝導帯から 1.9eV、電子の捕獲断面積σnを

10-12cm2と仮定した場合、（2）式からトラップからの電子放出の時定数は 332億年となる。

これから観測された時定数200秒程度の回復はトラップからの電子の放出ではないと考え

られる。他の回復機構としてはバッファ層中で何らかの機構で生成されたホールがバンド

の形状に沿って負帯電箇所に来てホールを捕獲することにより中性化したのではないかと

考えられる。しかし、温度を変えた測定からは活性化エネルギーはほぼゼロで、いずれに

してもトラップからの電子やホールの放出ではないと推定できる。

そこで、回復に寄与するホールは負帯電により生じたポテンシャル勾配の高い領域でト

ンネルにより価電子帯電子が伝導帯へぬけたために生じているのではないかと考えられる。

それを確認するためにこれまでは VG=0V のみで観測していた回復過程のゲートバイアス

依存性の測定を行った。

38

（a）ストレス印加時

（b）ストレス解放時

図 26 負帯電・回復過程のバンド図

S G D

負帯電 VD=0.1V

EC

EV

EC

EV

ETp

S G D

VDSt=50V

負帯電

4.7 回復過程のゲート電圧依存性

これまで回復過程を測定する際のゲート電圧は 0V 一定としていたが、OFF 状態でスト

レス（VG=-5V, VD=50V, 60 秒間）を印加した後にドレイン電圧 VD=0.1V で評価する際に

評価に切り替えた時間を 0 秒として 0～20 秒の 20 秒間のゲート電圧を-8～0V の間で変化

させ、その後の 20 秒以降はゲート電圧 VG=0V にしてドレイン電流を測定する。はじめの

20 秒間の電流値から、回復はゲートバイアスの値で大きく異なる（図 27）。また、ゲート

電圧 VG=-2V 以下ではドレイン電流が流れていないためチャネルがオフになっていると考

えられる。これはチャネルがオフであればストレス状態を維持していることを示している。

20 秒後の電流値を比較すると VG=0~-0.5V 間での変化に比べ、VG=-0.5V からチャネルが

オフになっていると思われる VG=-2V、VG=-2V 以下では電流値の間隔が異なる。

VG=0~-0.5V と VG=-2V 以下に比べ VG=--0.5~-2V は間隔が大きい。見やすくするため、0

～20 秒間におけるドレイン電流の単位時間あたりの回復量のゲート電圧依存性を図 28 示

す。これよりチャネルがオンかオフかで大きく回復量が異なることがわかる。

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40Time(sec)

0.7

0.8

Dra

in C

urre

nt(m

A)

VG=0V

-0.5V

VG=-8V

-2V

VG=-8～0V (step0.5V)VD=0.1V

VG=0V

VD=0.1V

図 27 ドレイン電流回復のゲート電圧依存性

39

この回復量がトラップからの電子の放出でないことから、ホールの捕獲による回復と考

えられる。しかし、デバイス内にホールが存在しないので、このホールは高電界部におけ

るバンド間トンネルで発生したホールと思われる。ミッドギャップより深い準位はホール

トラップで、ストレス電圧によりドレイン側に負帯電が発生する。帯電状態を維持したま

まドレイン電圧を負帯電部分は負電位となる。この際、チャネルが ON のときにはチャネ

ル直下に大きな電界が生じるが、OFF 状態ではチャネル電位が浮遊状態になるので電界は

強くない（図 29）。その結果、ゲートバイアスがしきい値前後で大きく異なるものと考え

られる。

02468

10121416

-10 -8 -6 -4 -2 0

Gate Voltage VGX(V)

Rec

over

y D

rain

Cur

rent

(μA

/s

1820

ec)

図 28 各ゲート電圧条件 20 秒間における単位時間当たりのドレイン電流回復量

40

41

図 29 バンド間トンネルによるホール発生の概略図

VG

ψFE

AlGaN

GaN

VG<-2 channel:OFF

書式変更: フォント : 12 pt

VG>-2 channel:ON

generation of hole

削除: X

削除: C

書式変更: フォント : 12 pt

削除: G

削除: X

削除: C

42

第 5 章 本研究のまとめ

本研究はAlGaN/GaN HFETにおける電流コラプスの発生機構解明及び改善を目的とし

て、GaN 層がノンープと Fe ドープの２種のサンプルにおける、結晶起因と思われる電流

コラプスの回復過程の評価を行った。

回復過程における光照射測定から、電流コラプスの原因は２種サンプル共に 1.9～2.6eV

のトラップが負帯電していたと考えられる結果が得られた。この 1.9～2.6eV という準位は

他の研究機関からの報告による炭素が形成する準位に一致しており、トラップの大きな原

因は MOCVD 結晶成長で使われる有機金属に含まれる炭素が残留していたためと推定さ

れる。また、光照射後のドレイン電流回復に約 200 秒の時定数が存在しており、どのトラ

ップが寄与しているか温度測定より解析を行った。結果、SRH 統計を用いたアレニウスプ

ロットからトラップ準位と電子の捕獲断面積を見積もった結果、トラップ準位は伝導帯外

の負の準位であり、電子の捕獲断面積は原子半径を仮定した面積よりも数 10 桁小さい値

であった。これより観測したドレイン電流の回復はトラップからの電子の放出によるもの

ではないと考えられる。電流コラプスの回復はトラップ準位からの電子の放出もしくはホ

ールの捕獲と考えられるが、デバイス内にホールは存在しない。しかし、1.9~2.4eV から

の電子の放出は数億年以上かかるので何らかの形でホールが生成されたと考えられる。

そこで、ホールの生成はバンド間トンネルによるものと推定し、回復過程のゲート電圧依

存性を測定したところチャネルのオン、オフに依存して回復量が大きく異なった。バンド

間トンネルは電界に大きく依存する。そのためチャネルのオンかオフで回復量が違ったと

思われる。

以上より、電流コラプスの大きな要因は GaN 結晶中の炭素によるホールトラップが大

きな原因であること、回復にはバンド間トンネルが関係していることを示唆した。本研究

より、根本的な解決には結晶改善によりトラップ濃度デバイス特性に影響を与えない程小

さくすることである。しかし、一方で Si などの他の残留不純物や結晶欠陥もあり、単純に

炭素のみを削減すると n 型半導体になってしまう。それを半絶縁かしているのが深い準位

を作る炭素と言われており、結晶成長技術の更なる高度化が必要である。

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著者のこれまでの研究発表・成果

［第一著者］

・ 細川 大志, 原内 健次, 敖 金平, 大野 泰夫 AlGaN/GaN 横型ショットキーダ

イオード二次元デバイスシミュレーション, 応用物理学会, 2010 年 9 月

・ 細川 大志, 黒田 健太郎, 井谷 井谷 祥之, 敖 金平，大野 泰夫 AlGaN/GaN

HFET 電流コラプスの回復過程測定, 応用物理学会, 2011 年 3 月

・ 細川 大志, 井川 祐介, 木尾 勇介, 敖 金平，大野 泰夫 AlGaN/GaN 電流コラプス

回復の温度依存性, 応用物理学会 2011 年秋

・ 細川 大志, 井川 祐介, 木尾 勇介, 敖 金平，大野 泰夫 AlGaN/GaN 電流コラプス

回復過程解析 電子情報通信学会 2011 年

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謝辞 本研究を行うにあたって、終始、御指導、御助言をしていただきました、徳島大学ソシ

オテクノサイエンス研究部先進物質材料部門 大野泰夫 教授に深く感謝いたします。本

研究室の指導教官として、様々な状況で大変お世話になりました。本研究は当然のこと、

人生のことや、就職活動のこと、たくさんのアドバイスをしていただきました。心より感

謝しております。

本研究を行うにあたって、終始、御指導、御助言をしていただきました、徳島大学ソシ

オテクノサイエンス研究部先進物質材料部門 敖金平 准教授に深く感謝いたします。本

研究の指導教官として、様々な状況化で大変お世話になりました。また、本研究において、

議論し合い、指導していただき、また研究以外の学業の方でもご指導していただきました。

心より感謝しております。

学内発表会等で有益なご助言とご指導をいただきました徳島大学ソシオテクノサイエン

ス研究部先進物質材料部門 酒井士郎 教授に深く感謝したします。

学内発表会等で有益なご助言とご指導をいただきました徳島大学ソシオテクノサイエン

ス研究部先進物質材料部門 永瀬雅夫 教授に深く感謝したします。

発表会、講義等で、有益なご助言とご指導をいただきました徳島大学ソシオテクノサイ

エンス研究部先進物質材料部門 直井美貴 准教授に深く感謝いたします。また、就職活

動の際は、研究のことをはじめ、就職活動における様々なアドバイスをいただきました。

有益な議論をしてくださり、講義においてもご指導してくださった徳島大学ソシオテク

ノサイエンス研究部先進物質材料部門 西野克志 准教授に深く感謝いたします。

装置運営やクリーンルームの運用などご協力いただきましたソシオテクノサイエンス研

究部総合技術センター 技術職員 稲岡武 氏 、 東知里 氏に深く感謝いたします。

研究の環境を整えていただいたソシオテクノサイエンス研究部総合技術センター 桑原

明伸 氏、山中卓也 氏に深く感謝いたします。

本研究で使用した GaN ショットキーバリアダイオードの作製にご助力いただきました、

喬 健 氏に深く感謝いたします。

学部時代、研究の基礎から教えていただきました、井川祐介 氏、に深く感謝いたしま

す。同じグループテーマとして、また目指すべき良きライバルとして私の目標としての指

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針を示していただきました。深く感謝しております。

本研究を進める上で常に活発な議論や助言をしていただいた 原内健次 氏、に感謝い

たします。

本研究室において、様々な御助言をしていただきました 野崎兼史 氏、倉本健次 氏、

中谷克俊 氏に深く感謝いたします。

同じ研究グループとして、本研究に関する活発な議論をしていただいた木尾勇介 氏に

感謝いたします。

研究室生活や研究をバックアップしていただいた大野研究室のみなさま、ならびに酒井

研究室のみなさまに深く感謝いたします。

本研究を進めるにあたって研究に関する活発な議論、測定機器を提供いただきました

Agilent Technologies, Inc.に深く感謝いたします。

本研究を進めるにあたって試料や知識を提供いただきました 株式会社パウデックに深

く感謝いたします。

本研究を進めるにあたって試料や知識を提供いただきました 株式会社 NTT-AT に深く

感謝いたします。

本研究を進めるにあたって試料や知識を提供いただきました 住友電気工業株式会社に

深く感謝いたします。

本研究を進めるにあたって試料や知識を提供いただきました UD トラックス株式会社

に深く感謝いたします。

2012 年 3 月

細川 大志