利用報告書 / User's Report | ARIM Japan公式ホームページ_マテリアル先端リサーチインフラ

【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22AE0017

利用課題名 / Title

高性能MOS型パワーデバイス実現に向けたヘテロ界面評価とその制御技術の開発

利用した実施機関 / Support Institute

日本原子力研究開発機構

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

GaN,スパッタ成膜,XPS

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

渡部平司

所属名 / Affiliation

大阪大学大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

小林拓真,野崎幹人,溝端秀聡

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

吉越章隆

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AE-001：表面化学実験ステーション

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

縦型GaN MOSFETの高性能化にはSiO₂/GaN MOS界面の高品質化が不可欠である。我々はプラズマCVD法でSiO₂を成膜することで、SiO₂/GaN界面にGaO_x層が形成し、良好な界面特性が得られることを報告してきた。しかしGaO_x層はその後の熱処理の過程で容易に還元して正の固定電荷生成を伴うため、MOSデバイスの閾値変動の原因となる。したがって本研究ではスパッタ成膜でSiO₂を形成することで、不安定なGaO_x層を最小化することを目的とした。

実験 / Experimental

実験にはn型GaN(0001)面エピ層（[Si]: 2 × 10¹⁶ cm^-3）を用いた。まず、スパッタ成膜により約20 nmのSiO₂膜を堆積した。この際、ターゲットにはSiO₂を用い、室温・Ar雰囲気下で成膜を行った。また、比較としてプラズマCVD法でSiO₂を成膜した試料も用意した。絶縁膜形成後、フォーミングガス（H₂/N₂ 3%）あるいは真空雰囲気で200 – 800°C 30分の熱処理を行った。最後にNiゲート電極（直径100 μm）およびAl裏面電極を真空蒸着することでMOSキャパシタを作製した。同時に界面GaO_x層の観察を目的とし、薄膜SiO₂/GaN試料（SiO₂厚: 約2 nm）を用意し、放射光XPS分析を行った。分析には、SPring-8 BL23SUの表面化学実験ステーション（SUREAC 2000）を用い、光電子脱出角度は90°、X線エネルギー1253.6 eVの条件で測定を実施した。

結果と考察 / Results and Discussion

まず、MOSキャパシタのC-V特性の評価を行った。スパッタ成膜直後の試料では欠陥への電子注入に伴うヒステリシスや特性のストレッチアウトが観察されたが、800°Cでフォーミングガスあるいは真空熱処理を施すことで、良好なC-V特性が得られた。続いて熱処理に伴うフラットバンド電圧（V_FB）の変動について調べた。まず、プラズマCVD成膜試料では、800°Cの熱処理で負電圧方向のV_FBシフトが生じた。これは成膜時にGaO_x界面層が形成し、熱処理に伴ってGaO_x層が還元することで、正の固定電荷が生成したことによると推測される。対してスパッタ成膜試料では、フォーミングガス・真空熱処理のいずれの場合でもV_FBシフトは軽微であった。このことから、スパッタ成膜は界面GaO_x層の抑制に効果的であると推測できる。最後に放射光XPS分析によりGa 2p_3/2スペクトルを観察し、界面GaO_x層厚を評価した。結果、プラズマCVD成膜試料では、無視できないGa-O信号成分が観測されたのに対し、スパッタ成膜試料の場合にGa-O信号の明確な低減が見られた。このように、スパッタ成膜は不安定なGaO_x層の抑制に効果的であることを見出した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究の一部は、文部科学省革新的パワーエレクトロニクス創出基盤技術研究開発事業（JPJ009777）およびJSPS科研費（19H00767）の助成を受けた。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

大西健太郎他, 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会, 22p-B204-1, 9月22日 (2022).
K. Onishi, et al., 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials, J-6-02, Sep. 28 (2022).

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件