次世代先端デバイス研究会（第2回) (2015/3/17 研究社英語センタービル) GaN-HEMTのバンド構造解析 株式会社富士通研究所 野村 健二、滋野 真弓、土井 修一、 宮島 豊生、淡路 直樹、片岡 祐治 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED HEMTデバイスの利用 HEMT: High Electron Mobility Transistor 高周波（高速）デバイス 航空機・気象レーダー ワイヤレス通信 パワー（高耐圧）デバイス 携帯電話基地局 衛星通信 電気自動車・ハイブリッドカー インバータ搭載電気機器 ・1980年に富士通/富士通研究所により開発 ・社会インフラを支える様々な高周波/パワーデバイスに利用が拡大 1 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED 窒化ガリウム(GaN)の物性とGaN-HEMT 窒化ガリウム(GaN)の物性 材料 Si GaAs SiC GaN 破壊電界 (MV/cm) 0.3 0.4 2.8～3.0 3.3 飽和電子速度 (cm/s) 1.0×10 12 2.0×10 12 2.0×10 12 2.5×10 12 移動度 (cm2/Vs) 1350～1500 8500 650～1020 900～2000 GaN-HEMTの基本構造 高いキャリア濃度 ～1013 cm-2 ドレイン 障壁層（電子供給層） 2DEG － － － － － － － チャネル層（電子走行層） CBM 基板 VBM GaN ゲート depth 2次元電子ガス （2DEG) ソース バンド構造 Binding Energy EF InAlN,AlGaNなど 熱伝導率 (W/cm/K) 1.3～2.0 0.5～0.6 4.5～5.0 1.0～2.1 ・GaNの高い電子飽和速度、絶縁破壊電界とHEMT特有の 高キャリア濃度の2DEGにより高速、高耐圧デバイスを実現 フェルミエネルギー(EF), 価電子帯上端(VBM), 伝導帯下端(CBM) 2 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED GaN-HEMT開発の課題 GaN-HEMTの構造 オーミック接合 界面制御 ソース ゲート 絶縁膜－障壁層の 界面制御 絶縁膜 障壁層（InAlN, AlGaN） ヘテロ接合 界面制御 ドレイン ショットキー接合 界面制御 スペーサ層（AlN） チャネル層（GaN） 基板 ・界面準位の影響によりバンド構造が変わりデバイス特性が変化 ・現状ではデバイス特性を基にバンド構造を推測 3 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED 硬X線光電子分光の特徴とGaN-HEMTへの適用 実験室XPSとHAXPESの検出深さ 実験室 非弾性散乱平均自由行(IMFP)と 運動エネルギーの関係 絶縁膜（AlO） 5nm HAXPES HAXPES 障壁層（InAlN） 7nm 膜厚 20～30nm スペーサ層(AlN) 1nm 実験室 GaN － － － － － － チャネル層（GaN） GaNのIMFP 実験室 約 2 nm HAXPES 約10 nm 検出可能な深さは IMFPの3倍程度 ・硬X線光電子分光(HAXPES)の検出深さを利用することで、 実デバイスに近いGaN-HEMTのヘテロ接合界面を含めた バンド構造評価技術開発を目的とする 4 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED HAXPES装置 BL46XU（共用ビームライン） アナライザ：SCIENTA製R4000 サンプル導入部 BL16XU（専用ビームライン） アナライザ：SCIENTA製R4000 X線 X線 X線集光素子 測定チャンバ X線集光素子 測定チャンバ サンプル導入部 サンプル Beam Size 150μm ×20μm 5 Beam Size 30μm ×30μm 図は、産業利用推進室HP、サンビームHAXPES開発資料より抜粋 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED 分析試料 HEMT基本構造 GaN単層膜 チャネル層（GaN） 1 μm 障壁層（InAlN） 13 nm チャネル層（GaN） 1 μm 基板 基板 p-GaN(Mg: 4E+19 cm-3) p-GaN(Mg: 2E+19 cm-3) i-GaN n-GaN(Si: 2E+18 cm-3) ・評価技術開発に必要な 10試料を準備 InxAl1-xN x=17, 32% 電極形成 電極（Ni） 5 nm 障壁層（InAlN） 7 nm スペーサ層（AlN） 1 nm チャネル層（GaN） 1 μm 基板 絶縁膜形成 スペーサーの挿入 絶縁膜（AlO/SiN） 5 nm 障壁層（InAlN） 7 nm スペーサ層（AlN） 1 nm チャネル層（GaN） 1 μm 障壁層（InAlN） 7 nm スペーサ層（AlN） 1 nm チャネル層（GaN） 1 μm 基板 6 基板 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED バンド構造解析方法(GaN単層膜) チャネル層（GaN） 1 μm 基板 Binding Energy depth CBM 4 Eg(GaN) = 3.43 eV EF 3 VBM VBMGaN-N1s VBMGaN-Ga2p3/2 N1s 1 2 Ga2p3/2 バンドギャップ(Eg), フェルミエネルギー(EF), 価電子帯上端(VBM), 伝導帯下端(CBM), 内殻スペクトル(Ga2p3/2、N1s) 解析方法 Step① 価電子帯スペクトルと内殻スペクトルを測定 ⇒ 「VBMGaN－内殻」を導出しデータベース化 Step② 内殻スペクトルN1s、Ga2p3/2を測定 ⇒ VBMの深さ依存を導出 Step③ ロススペクトルの測定 ⇒ バンドギャップEg(GaN)を導出 Step④ ⇒ VBM深さ依存とバンドギャップよりCBM深さ依存を導出 7 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED Step① 「VBMGaN-内殻」のデータベース化 価電子帯スペクトル p-GaN(Mg: 4E+19 cm-3) 1 p-GaN(Mg: 2E+19 cm-3) 0.8 p-GaN(Mg: 4E+19 cm-3) 1 Normalized Intensity Normalized Intensity 内殻N1sスペクトル i-GaN n-GaN(Si: 2E+18 cm-3) 0.6 0.4 0.2 0 p-GaN(Mg: 2E+19 cm-3) i-GaN 0.8 n-GaN(Si: 1.5E+18 cm-3) 0.6 Au EF 0.4 0.2 0 401 399 397 395 Binding Energy (eV) 393 391 6 VBMGaN－N1s 4 2 0 Binding Energy (eV) -2 -4 Normalized Intensity VBMGaN－Ga2p3/2 内殻Ga2p3/2スペクトル p-GaN(Mg: 4E+19 cm-3) 1 EFとVBMの位置関係が変化すると それに応じて内殻(N1s、Ga2p3/2)もシフト p-GaN(Mg: 2E+19 cm-3) 0.8 i-GaN n-GaN(Si: 2E+18 cm-3) 0.6 0.4 0.2 0 1121 1119 1117 1115 Binding Energy (eV) 1113 ・「VBMGaN－内殻」が分かっていれば 内殻の測定からVBMを導出可 1111・どの内殻を用いてもVBM導出可 8 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED Step② VBMの深さ依存の導出 フィットにより得られたVBMの深さ依存 1.0 TOA=15° 0.5 p-GaN (Mg: 4E+19 cm-3) Binding Energy (eV) 0.0 1.0 0 N 1s TOA=80° 1 2 0 0.5 光電子脱出角 TOA： Take Off Angle 0.0 7538 7539 7540 7541 7542 7543 7544 7545 Binding Energy (eV) Intensity N1s内殻スペクトルのピークフィット結果 7546 TOA=15° 脱出深さ 2.53 nm 0.8 0.6 0.4 9.62 nm 0.2 5 10 Depth (nm) 15 20 0 5 10 Depth (nm) 15 20 1 2 0 TOA=80° 1 Binding Energy (eV) Normalized Intensity Kinetic Energy (eV) GaN膜のN1sの光電子脱出深さ 0 VBM 1 2 0 0 10 20 30 0 Depth (nm) 5 10 Depth (nm) 15 20 ・深さ毎に異なるピーク位置としてフィットしVBMの深さ依存を導出 ・異なるTOAで測定したスペクトルの同時解析により解析精度向上 9 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED Step③ バンドギャップの導出 ロススペクトル測定 バンドギャップ ・ロススペクトル測定より、バンドギャップを導出 10 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED Step④ CBMの深さ依存の導出 GaN単層膜のバンド構造解析結果 Binding Energy (eV) -4 CBM -3 -2 Eg(GaN) = 3.45 -1 EF 0 VBM 1 2 0 5 10 Depth (nm) 15 20 ・Step②で導出したVBMの深さ依存と、 Step③で導出したバンドギャップを使用して、 CBMの深さ依存を導出 11 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED InAlN / GaNのバンド構造解析方法 内殻スペクトルの選定 障壁層（InAlN） 13 nm チャネル層（GaN） 1 μm 膜 InAlN GaN In3d5/2 － 内殻スペクトル Al1s － － Ga2p3/2 InAlNのみ In3d5/2： ピーク幅小 Al1s： 強度大 基板 GaNのみ N1s N1s 両方 ・どの内殻ピークを選択してもVBMの導出が可能な特徴を利用し、 多層膜のバンド構造を解析 ・InAlNのみに起因するIn3d5/2、Al1s、GaNのみに起因するGa2p3/2、 両方に起因するN1sを選択 ・ピークのエネルギー幅が狭いIn3d5/2と強度が強いAl1sの併用 により解析精度向上 12 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED InAlN / GaNにおけるVBMの解析結果 ・VBMの導出により得た、 バンド不連続ΔEv=0.20eVは シミュレーションと略一致 (J. Cryst. Growth 269, 119 (2004).) Binding Energy (eV) -3 InAlN -2 GaN -1 0 EF 1 2 3 4 ΔEv=0.20 eV VBM 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Depth (nm) 13 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED InAlNのバンドギャップの解析結果 In 17% 膜厚 7nm 解析結果 膜種 膜厚 バンドギャップ 7 nm 4.35 eV 障壁層 In 17% 13 nm 4.37 eV InAlN In 32% 3.20 eV In 17% 膜厚 13nm ・膜厚でほぼ変化なし ・In組成増加に伴い減少 In 32% 14 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED InAlN / GaNの解析結果 ・InAlN/GaN-HEMTの ヘテロ接合界面を含めた バンド構造解析に成功 Binding Energy (eV) -3 InAlN -2 CBM -1 0 GaN ΔEc=0.72 eV EF 1 4.37 eV 2 3.45 eV 3 4 ΔEv=0.20 eV VBM 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Depth (nm) 15 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED Binding Energy (eV) InAlN / AlN / GaNの解析結果 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 InAlN AlN GaN effective ΔEc=1.33 eV EF 4.35 eV 6.20 eV CBM 3.45 eV VBM 0 5 10 15 20 25 30 35 40 ・AlN(1nm)スペーサの挿入により、 Depth (nm) effectiveΔEcの増加を観測 ⇒ InAlN層への電子のしみ出しを抑制し、2DEG移動度の増加を示唆 16 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED Ni / InAlN / AlN / GaNの解析結果 ・Ni電極形成によりショットキー 障壁はφB=2.3eVに増加 ・φNi=5.2eV、χInAlN=2.7eVから 予想されるφB=5.2-2.7=2.5eVと 略一致 Binding Energy (eV) -4 -3 InAlN AlN GaN φB=2.3 eV -2 -1 0 1 2 CBM EF 4.35 eV 3.45 eV 6.20 eV 3 VBM 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Depth (nm) φm: 仕事関数, χ: 電子親和力, φB: ショットキー障壁 17 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED 絶縁膜のバンドギャップの解析結果 SiN膜 解析結果 膜種 絶縁膜 膜厚 SiN AlO 5 nm バンドギャップ 5.23 eV 8.07 eV ・AｌO膜で、より大きな バンドギャップを観測 AlO膜 18 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED SiN / InAlN / AlN / GaNの解析結果 Binding Energy (eV) -4 SiN InAlN AlN GaN -2 ・絶縁膜SiN膜形成後も、 バンド構造の導出が可能 CBM 5.23 eV EF 4.35 eV 0 2 6.20 eV 3.45 eV VBM 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Depth (nm) 19 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED AlO / InAlN / AlN / GaNの解析結果 Binding Energy (eV) -8 ・絶縁膜AlO膜形成後も、 バンド構造の導出が可能 AlO InAlN AlN GaN -6 -4 -2 8.07 eV 0 EF 2 CBM 4.35 eV 6.20 eV 3.45 eV VBM 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Depth (nm) 20 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED 絶縁膜の効果 ・絶縁膜によりチャネル部の電位 （GaNのCBM）の持ち上がりを観測 ⇒ 2次元電子ガスの減少を示唆 ・SiN膜よりもAlO膜の方が効果大 21 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED まとめ ・硬X線光電子分光の観測深さを利用し、各層の 構成元素に起因する複数の内殻スペクトル を 同時解析することで、InAlN/GaN-HEMTの バンド構造解析に成功した。 ・本手法を電極や絶縁膜形成後のより実デバイスに 近い膜にも適用可能なことを示した。 謝辞 本課題の実施にあたり、JASRI 産業利用推進室 室長 広沢一郎様、 コーディネーター 古宮聰様、BL46XUご担当の陰地宏様、孫珍永様、 崔芸涛様には大変お世話になり、感謝しております。 22 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED 23 Copyright 2015 FUJITSU LIMITED
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