H27 2.4 物理電子システム創造専攻修士論文発表 Tokyo Institute of Technology A study on interface control of metal and AlGaN/GaN for low resistive Ohmic contact (低オーミック接合の実現に向けた金属とAlGaN/GaN構造の界面制御技術に関する研究) 角嶋・岩井研究室 13M36070 岡本真里 1 エネルギー消費の現状とワイドギャップデバイス高効率電力変換の実現パワーエレクトロニクスに用いられる半導体基板の物性値の比較 Si 4H-SiC GaN 1.1 3.2 3.4 1500 900 ~2000 Eg (eV) bandgap e (cm2/Vs) mobility HEMT sat (cm/s) 1.0x107 2.2x107 2.7x107 EBD (V/cm) 3.0x105 2.5x106 3.0x106  (W/cmK) 1.5 4.9 2.3 ~10-8 ~10-5 ~10-5 saturated velocity breakdown field thermal conductivity C (cm2) Reported specific contact resistance 効率面・ワイドバンドギャップ半導体のGaNを用いたインバーター化により消費電力を約20％削減コスト面・横型HEMT構造可能→集積化が可能・Si(111)上に成長可能→大口径化 1チップ当たりのコストを下げられる AlGaN/GaN HEMT構造が期待できる 2 AlGaN/GaN HEMTの課題保護膜： SiN、SiO2膜による 2DEG減少防止 Gate： Normally-off制御リーク電流の低減絶縁膜：固定電荷・欠陥 S/D：コンタクト抵抗 RC低減コラプス電流現象コンタクト抵抗RC 貫通転位による耐圧低下バッファー層：貫通転位密度低減コンタクト抵抗低減に着目 3 コンタクト抵抗低減の重要性オン抵抗のうちコンタクト抵抗の占める割合は高い(1/3~1/2) コンタクト抵抗値を10-5cm2から10-6～10-7cm2まで低減する事で消費電力を約60%減少させることが出来るコンタクト抵抗値低減は重要な課題である 4 従来のオーミックコンタクトプロセスの懸念《Ti/Al/barrier-layer(Ni,Mo)/Au電極の場合》２DEG コンタクト抵抗 c ~4.7×10-７cm2 @825oC L. Wang, APL, 87, 141915 (2005) (RC~0.26mm ） TiN→2DEGに直接伝導してオーミックを達成しているしかし、TiNが貫通転位部分にのみ形成するため局所伝導となる TiN増大に伴い、2DEG減少→高抵抗化基板の結晶成長技術が向上し、貫通転位が減少するとコンタクト抵抗は増加する可能性がある 5 貫通転位の異なる基板における逆方向リークの違い《異なる測定温度時の逆方向リーク電流》 300(K) SiC基板上貫通転位密度の違いにより、ゲート逆方向リーク電流の違いが生じる転位密度が高い＝リーク電流が大 GaN基板上 Si基板上だと、貫通転位密度はさらに大 →リーク電流が大きくなる On GaN On SiC 貫通螺旋転位(cm-2) 2.5×104 6.0×106 貫通刃状転位(cm-2) 3.0×106 6.9×108 貫通転位の違いがコンタクト抵抗も同様に大きな影響が出る可能性が高い 6 研究目的研究目的：貫通転位に依存せず、c 10-7 cm2を得る材料とプロセスの指針を示す電極材料判断基準貫通転位に依存しない AlGaN層をn型化するこれら2つの条件を満たす金属材料として TiSi2、TiC電極を選択 7 本研究の目的を実現するアプローチ AlGaN層をn型化する方法：AlGaN中に窒素欠損VNを生成する → ①バンドを曲げ、トンネル電流を増加 ②２DEG量の増加 AlGaN →貫通転位に依存しないオーミックコンタクトの実現 GaN 8 本日の発表内容１．イントロダクション２．研究目的３．研究目的へのアプローチ４. AlGaNをn型化する材料の候補５．デバイス作製プロセス６．TiSi2・TiC電極の電気・物理的評価７．まとめ 9 AlGaN層をn型化(VN形成)可能な材料 AlGaNとSi,C,Tiとの反応 Al0.25Ga 0.75 N  Si 1 1 3  Si 3 N 4  Al  Ga  85.6kJ/mol 3 4 4 Al0.25Ga 0.75 N  C 1 3  CN  Al  Ga  272.4kJ/mol 4 4 Al0.25Ga 0.75 N  Ti 298Kにおける生成エンタルピー Substance ー⊿H298 （kJ/mol） Al0.25Ga0.75N 162.7 CN 435.1 Si3N4 744.8 AlN 318.1 GaN 110.9 1 3 TiN  TiN  Al  Ga  102.8kJ/mol 4 4 Si、C、TiはAlGaN中に窒素欠損を形成し、 AlGaNをn型化する可能性が高い (TiNはAlxGa1-xNの比率によって生成されなくなる課題がある) 265.5 10 《Ti/AlGaNのXPS解析》 Ti、C電極のXPS解析 Ti電極： AlGaNとの反応でTi-Gaが形成される C電極： AlGaN層のn型化を確認 Gaなどの凝集をCarbon層中に確認 →AlGaNを還元している《C/AlGaNの断面図@1025oC》《XPS解析によるC/AlGaN/GaNバンド図》 1075oC 1min N2 ambient Gaの凝集 11 Si/AlGaNの反応の物理分析結果《C電極 TEM断面図》 1075oC 1min N2 ambient 《Interface layer EELS分析結果》・SiliconとAlGaNとの間にInterface layerを確認・EELSの結果からSi-Nを含む層であることがわかった SiがAlGaN層からNを引き抜いた可能性 12 Si,Tiの窒素欠損形成 Ti電極熱処理によりTi-Gaを形成 AlGaNがn型化されにくい C電極 AlGaNのn型化を確認 Si電極 Si-Nを含む界面層を確認 SiがNを引き抜く事を示唆 CとSiによりAlGaN層をn型化出来る可能性が高い 13 本日の発表内容１．イントロダクション２．研究目的３．研究目的へのアプローチ４. AlGaNをn型化する材料の候補５．デバイス作製プロセス６．TiSi2電極の電気・物理的評価７．TiC電極の電気・物理的評価８．まとめ 14 I-V用デバイス作製プロセス Ti (20 nm) C (20 nm) AlGaN AlGaN GaN GaN 15 電流電圧特性 Si, Ti, TiSi2の電流電圧特性 @ 1075oC C, Ti, TiCの電流電圧特性@ 1025oC 10 電流（ｍA）電流（ｍA） 10 5 0 5 0 -5 -5 -10 -10 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 電圧（V）・TiSi2にすることでオーミック特性を得られた・オーミック達成温度 950~1100oC -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 電圧（V）・TiCにすることでオーミック特性を得られた・オーミック達成温度 1000~1025oC TiSi2電極とTiC電極にすることでオーミック特性を得られた本日の発表内容１．イントロダクション２．研究目的３．研究目的へのアプローチ４. AlGaNをn型化する材料の候補５．デバイス作製プロセス６．TiSi2電極の特性と課題７．TiC電極の特性と利点８．まとめ 17 TiSi2電極の窒素欠損量@1075oC Al0.25Ga0.75N Al1s GaN TiSi2 0.27 eV Al 1s 0.27 eV formation of n+-AlGaN Al1sスペクトルが0.27eV 高エネルギー側にシフト →AlGaNのn型化窒素欠損量 1.4×1018cm-3 TiSi2電極により高温でAlGaN層のn型化を確認 18 TiSi2電極の熱処理時間依存性コンタクト抵抗 c (cm2) 10-4 10-5 TEM 高抵抗化 10-6 10-7 TiSi2最小値Rc 熱処理時間 (分) 熱処理時間を最適化(5分)することで最小抵抗値が得られた c 4.9×10-7 cm2 (1分)➡c 1.8×10-7 cm2 (5分) 熱処理時間5分で10-７cm2に達したが、長時間の熱処理で高抵抗化 18 TiSi2電極 TEM断面図熱処理1075oC 60min 貫通転位に依存していないことを確認 EDXの結果より Interface layerに Si-Nを含む層を確認 ➡高抵抗化の原因 AlGaNの膜厚減少 30 nm→15.3 nm TiSi2電極は貫通転位に依存しない電極だが低抵抗コンタクト抵抗値(c 10-7cm-2)に達成するウィンドウが狭い 20 TiC電極 Tiの割合依存性 RCとTiの割合依存性 @ 1025oC 2DEGシート抵抗 Rc(/□) コンタクト抵抗 c(cm2) RCとTiの割合依存性全温度 90 % 90 % Tiの割合 (%) 熱処理温度 (oC) TiC(50%) RC ： 6.1×10-3cm2@1025 C 温度：1000oC・1025oC o TiC(90%) RC ： 8.8×10-8 cm2@1025 C 温度：850oC~1050oC o Tiの割合を高くすることで、コンタクト抵抗値・アニール温度を共に低減することが出来た 2DEGのシート抵抗が一定なことから、VNが増加したことを示唆 21 TEM断面図 TiC(90%) asdepo 825 oC 850 oC 1025 oC Contact AlGaN Non-Ohmic Ohmic ・熱処理温度が高くなるにつれてAlGaN膜厚が減少していることを確認AlGaN層とTiCの反応によりAlGaN膜厚が減少したと考えられる・TiCが貫通転位に依存していない電極であることがわかる 22 TiSi2 TiC電極によるオーミック獲得のメカニズム Si-O-N層により高抵抗化 AlGaN 膜厚減少・VN欠損形成オーミック特性を得るにはVN欠損量が重要 TiSi2の長時間熱処理により生じるSi-N層により高低化 TiCはAlGaNと直接反応し、膜厚を減少させた 23 各電極の抵抗値・アニール条件のまとめアニール温度 Ti/Al/Mo (Referene） 800 850 900 950 1000 1025 1050 1075 1100 ✖ ✖ ✖ 10-2 10-3 10-3 10-6 ✖ ✖ 10-4 10-4 ✖ ✖ 10-6 TiSi2 ✖ TiC（50%） ✖ ✖ ✖ ✖ 10-1 10-2 ✖ ✖ ✖ TiC (75%) ✖ ✖ 10-4 10-4 10-3 10-5 10-5 ✖ ✖ TiC (90%) ✖ 10-4 10-4 10-5 10-5 10-8 10-5 ✖ ✖ TiC (95%) 10-3 10-4 10-4 10-5 10-7 10-7 10-7 ✖ ✖ 10-3 10-4 10-4 5分熱処理 10-7 TiSi2電極と比べTiC電極はオーミック温度やコンタクト抵抗値を下げられることが出来た 24 まとめ TiC・TiSi2を用いることでオーミック特性を得ることが出来た (参考 Ti/Al/Mo 最小抵抗値 2.3×10-6 cm2 @1050oC ) ・TiSi2・・・熱処理時間を5分にすることで最小抵抗値が得られた ρc : 1.8×10-7 cm2 @1075oC ・TiC ・・・Tiの割合を90％にすることで最小抵抗値が得られた ρc : 8.8×10-8 cm2 @1025oC ☆TiSi2、TiCを用いることでn型AlGaNを形成出来た ☆TEM断面図から貫通転位に依存しない電極であることを確認 ☆TiCはTiSi2と異なり界面層などを形成せずAｌGaNとの界面を保ち、AｌGaNの膜厚を減少貫通転位に依存しないオーミック電極材料として TiC電極が最も有効であるアニール温度を下げられることが出来れば実用化にも期待できる 16 ご清聴ありがとうございました