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成果報告書詳細
管理番号20170000000563
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究/新規絶縁膜形成技術の探索
公開日2018/3/8
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立研究開発法人産業技術総合研究所 国立大学法人名古屋大学
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト/窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究/新規絶縁膜形成技術の探索

 GaNパワーデバイスは低損失で高速なスイッチングが可能なことから、小型・高性能なシステムやモノリシックパワー集積回路への応用が期待されている。これらGaNデバイスを用いたシステムでは、一部製品化が始まっているが、GaNデバイスの耐圧および信頼性は十分ではない。これらは、GaN表面の絶縁膜等によるパッシベーション技術が未だ確立されていないことが原因の一つとして考えられる。そこで本研究開発では、原子・電子レベルの特徴を考慮した界面構造設計、絶縁膜材料選択、構造解析、電気的特性評価を通じて、高品質金属/酸化膜/GaN (MOS)構造の形成を試みた。
 まず第一原理計算による絶縁膜/GaN界面の構造設計を行い、ダングリングボンドが存在せず、安定な、結晶SiO2原子層/GaN構造が形成可能であることを見出した。さらに、リモート酸素プラズマとSiH4を用いた化学気相堆積法によって、SiO2/GaN構造を形成し、光電子分光法(XPS)および光電子収率分光法(PYS)を用いて、詳細な界面構造解析を行った。XPSの結果からSiO2/GaN界面では、顕著なGaN表面の酸化は見られず、組成急峻な界面が形成されていることが明らかとなった。またPYSからミッドギャップ近傍で界面準位密度(Dit)が 3×1011 cm-2eV-1、MOSキャパシタの電気特性から、E-Ei = 1.45eV(Ei: 真性フェルミレベル)でDit = 3.3×1011 cm-2eV-1と比較的良好なMOS界面が形成されていることが明らかとなった。界面制御層の導入や水素などの結合エネルギーが小さい欠陥終端元素を導入することなく、良好なGaN MOS界面を形成できたことは、ロバストなGaNデバイスの実現に向けて、非常に意義のあることである。
原子層堆積法において基板温度および酸化剤を変えて形成したAl2O3/GaN界面では、基板温度および酸化剤に依存して界面特性が変化することが明らかとなった。注目すべきは、SiO2/Si界面(Dit=9×1011 cm-2eV-1)と比較してDitは同程度 (Dit=1×1012 cm-2eV-1)にも関わらずAl2O3/GaN界面では、表面ポテンシャル揺らぎが非常に大きいことである。表面ポテンシャル揺らぎは、界面電荷によって引き起こされると考えられることから、GaN MOS界面には、多量の電荷が存在していることが明らかとなった。このことは、GaNデバイスの特性を大きく向上させるためには、Ditだけでなく界面電荷全体を低減する必要があることを示している。今後の高性能GaNデバイスの実現に向けて課題が明確になったことは、非常に有益なことである。
英文要約Title: Next Generation Power Electronics Project for a Low Carbon Emission Society/Pilot-study for development of high-power gallium nitride device/Development of insulator film deposition technique
(FY2015-FY2016) Final Report

 GaN power devices have attracted much attention because of low on-resistance and high speed switching characteristics, which are suitable for a small and high performance system and a monolithic integrated circuit with the power devices. Although the GaN discrete devices and the systems have been already launched, robustness such as breakdown voltage and reliability is not enough. This might be because a surface passivation technique using an insulator layer has not yet established. Therefore, in this study, we had tried to form a high-quality metal-insulator-semiconductor (MOS) structure through design of the interface structure with atomic scale using ab-initio calculation, selection of the insulator materials, detailed interface structure analysis and characterization of electrical interface properties.  First, an insulator/GaN interface structure was designed by the ab-initio calculation. We found that insertion of an ultra-thin crystallographic SiO2 layer between an amorphous SiO2 layer and GaN leads to a stable interface structure without forming dangling bonds. Furthermore, A SiO2/GaN interface was formed by remote-oxygen plasma-enhanced chemical vapor deposition method (PECVD) with SiH4. The SiO2/GaN interface was systematically investigated by the x-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and Total Photoelectron Yield Spectroscopy(PYS). We found that, after the SiO2 formation, the GaN surface is hardly oxidized, resulting in that an abrupt SiO2/GaN interface is formed. Also, PYS revealed that the interface trap density (Dit) is 3×1011 cm-2eV-1 at around midgap. Furthermore, the electrical characterization of a GaN MOS capacitor with the SiO2/GaN interface revealed Dit of 3×1011 cm-2eV-1 at E-Ei = 1.45eV(Ei: intrinsic Fermi level). Consequently, we found that PECVD can gives us the high-quality SiO2/GaN interface. These indicate a possibility of high quality interface formation by controlling the interface structure without introducing passivation atoms such as hydrogen with weak bonding strength. Electrical properties of Al2O3/GaN interfaces formed by atomic layer deposition method at different temperatures using oxidants of H2O, O3 or alternate supply of H2O and O3 were also investigated. It should be noted that values of surface potential fluctuation for the Al2O3/GaN interfaces are much larger than those for a Si MOS capacitor with a SiO2 layer formed by CVD in spite of the small Dit values for the GaN MOS capacitor compared with the Si MOS capacitor, meaning that the total interface charge densities for the GaN MOS capacitors are higher than that for the Si MOS capacitor. The large total interface charges could degrade performance and reliability of the GaN devices. Therefore, these results are quite informative for improving the GaN device performances.
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