絶縁膜/窒化ガリウム系半導体界面の電子準位評価と光応答特性

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窒化ガリウム(GaN)材料はシリコンを超える物性値を持ち、電力変換素子応用のための電子デバイス材料として注目され、MIS(金属/絶縁膜/半導体)ゲート構造の開発が精力的に続けられている。しかし、GaN混晶材料はワイドギャップであるため、I/S界面に存在する電子準位の帯電状態の熱的な変化を観測することが困難であり、特に絶縁膜/AlGaN接合面における報告は無いため、MIS界面評価がデバイス応用の重要課題であった。そこで、汎用AlGaN/GaNヘテロ構造上にAl2O3を用いてMISゲートを作製し、課題に対するアプローチとして、I/S界面特性の直接的観察のための光支援C-V(容量-電圧)測定を行った。光照射を併用したC-V測定では、光源に単色光を用い、フォトンエネルギーにより界面準位の意図的なエネルギー範囲での光イオン化を誘起することで、熱では応答しない界面準位のイオン化をC-V観測した。また、複数の単色光による光照射C-V測定を行うことで、絶縁膜/AlGaN界面準位の直接的観測を行い、ミッドギャップ付近に存在する界面準位密度を決定することに初めて成功した。同時に、バンド構造計算を1次元ポアソン方程式により詳細に決定し、そのエネルギーを用いることで界面準位分布の定量的な評価を行った。その結果、Al203/AlGaN界面には5x1012cm-2eV-1の電子準位が存在していることが明らかとなり、Al2O3/n-GaN界面と比較して1桁ほど高密度であった。これは、AlGaN/GaNのしきい値を2V近くシフトさせる電子準位密度であり、AlGaN/GaN電子デバイス素子の不安定性を引き起こす原因となり得る。信頼性のためには、更なる界面準位の低減が必要であることが分かった。