Development of GaN CMOS Monolithic Integrated Circuits Technology Using Crystal Hetero-Polarity Control

2次元電子ガスをnチャネルに利用した「窒化ガリウム（GaN）高電子移動度トランジスタ（GaN HEMT）」は高周波パワーデバイスとして高速無線通信のインフラ増強を牽引してきた。対照的に、2次元正孔ガスは正孔移動度が小さいためpチャネルデバイスは実用化に至っていない。本研究では、高性能・低コストな相補型金属酸化膜半導体構造（CMOS）をGaNによって開発するため、「ヘテロ極性制御によるCMOS集積方法の開発」、「歪エンジニアリングによるpチャネル導電性の向上」に取り組む。この課題達成のため、2022年度は、【①pチャネルの移動度解析】、【②表面クリーニングで生じるアルミニウム（Al）液滴の微細構造解析】、【③ナノパターン基板上窒化アルミニウム（AlN）テンプレートの微細構造解析】の3点に取り組んだ。①では、実験的に得られたpチャネルの正孔移動度が理論値よりも低くなることが明らかになり、その原因として、表面クリーニングの未実施によって生じるキャリア散乱の可能性を考察した。②では、表面クリーニングで意図せず生じるアルミニウム（Al）液滴と、これによって誘起されるAlNのエッチング抑制機構を透過電子顕微鏡（TEM）観察によって観察し、その生成機構を考察した。③では、高導電性p型チャネルを形成するため、歪制御に向けたナノパターン基板上AlN厚膜の微細構造解析に取り組んだ。これらの結果から、正孔移動度を向上させつつも、Al液滴を発生させないようなクリーニング条件の最適化の必要性が示された。加えて、歪制御に向けて導入したナノパターン構造が結晶成長中に空孔構造・転位分布を誘起するメカニズムが明らかとなった。

2次元電子ガスをnチャネルに利用した「窒化ガリウム（GaN）高電子移動度トランジスタ（GaN HEMT）」は高周波パワーデバイスとして高速無線通信のインフラ増強を牽引してきた。対照的に、2次元正孔ガスは正孔移動度が小さいためpチャネルデバイスは実用化に至っていない。本研究では、高性能・低コストな相補型金属酸化膜半導体構造（CMOS）をGaNによって開発するため、「ヘテロ極性制御によるCMOS集積方法の開発」、「歪エンジニアリングによるpチャネル導電性の向上」に取り組む。この課題達成のため、2022年度は、【①pチャネルの移動度解析】、【②表面クリーニングで生じるアルミニウム（Al）液滴の微細構造解析】、【③ナノパターン基板上窒化アルミニウム（AlN）テンプレートの微細構造解析】の3点に取り組んだ。①では、実験的に得られたpチャネルの正孔移動度が理論値よりも低くなることが明らかになり、その原因として、表面クリーニングの未実施によって生じるキャリア散乱の可能性を考察した。②では、表面クリーニングで意図せず生じるアルミニウム（Al）液滴と、これによって誘起されるAlNのエッチング抑制機構を透過電子顕微鏡（TEM）観察によって観察し、その生成機構を考察した。③では、高導電性p型チャネルを形成するため、歪制御に向けたナノパターン基板上AlN厚膜の微細構造解析に取り組んだ。これらの結果から、正孔移動度を向上させつつも、Al液滴を発生させないようなクリーニング条件の最適化の必要性が示された。加えて、歪制御に向けて導入したナノパターン構造が結晶成長中に空孔構造・転位分布を誘起するメカニズムが明らかとなった。