m-plane GaN epitaxial growth and lattice strain enable high-speed 2D hole gas transistor

m面GaN外延生长和晶格应变使高速2D空穴气晶体管成为可能

• 批准号: 21K04138
• 负责人: 瀬奈 ハディ
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04138/
• 关键词: 窒化ガリウム(GaN); GaN HEMT; m-plane GaN device; light hole; 2D hole gas (2DHG); m-plane GaN; m-plane AlGaN

本研究では第五世代移動体通信システム(5G)実用化に向けて、高出力・高効率に優れるGaN HEMTの開発を試みた。そのため、m軸方向成長が必要であるが、c軸方向成長と違って確立された手法ではない。m軸方向成長ではc軸とa軸方向における異方性によりアドアトムの移動度に差が生じる。そのため、まずはV/III比や成長温度・圧力といったファクターを決定する必要があった。(m面基板は助成金で購入した) c軸に圧縮ひずみをかけ2DHGの有効質量を軽くすることは本研究の最大の目的でもあるが、AlGaNのAl組成がひずみの量を決定した。ここで、Al 組成によるひずみ量と2DHG有効質量の相関を調査するとともにシミュレーション結果との違いについても検証した。一方、GaN基板上で直接AlGaN/GaNをエピタキシャル成長させるとAlGaN層は GaN基板から引っ張りひずみを受け、クラックが発生した。クラック抑制にはAlGaN/GaNの超格子構造のバッファ層を形成した。クラックを確実に抑制するためにはまず6層のAlGaN/GaN超格子を交互にバッファ層として成長させた。サセプター温 度を650°Cから750°Cの間で最適条件を探索した。その後、温度を1100°Cに上昇しAlGaN膜とGaN膜をそれぞれ100nmと10nmを形成した。AlGaNはMgによりp型ドープした。形成した膜の状態を微分干渉顕微鏡、白色光干渉顕微鏡や原子間力顕微鏡により観察し、表面トポグラフィー や表面粗さを評価した。この構造をデザインしたことで顕微鏡像ではヒロックやクラックが発生しないことが確認できた。また、この構造でデバイスを作製し、電気特性も測定した。ホール測定の結果、予想と反してp型ではなくn型半導体素子になっていることがわかった。これはMOVPE中に意図しない不純物が導入され、ドナー準位を形成したためと考えられる。

在这项研究中，我们试图开发具有高输出和高效率的Gan Hemt，以实际使用第五代移动通信系统（5G）。因此，尽管需要M轴增长，这与C轴的生长不同，但这不是一种既定方法。在M轴方向生长中，由于C轴和A轴方向的各向异性，原子迁移率有所不同。因此，有必要首先确定诸如V/III比，生长温度和压力之类的因素。 （通过赠款购买了M面底物）这项研究的主要目的是将压缩应变应用于C轴以减轻2DHG的有效质量，但Algan的Al组成确定了菌株的量。在这里，我们研究了由于Al组成而导致的应变量与2DHG的有效质量之间的相关性，并研究了模拟结果之间的差异。另一方面，当直接在GAN底物上展开α/GAN生长时，将Algan层从GAN底物中进行拉伸应变，从而导致裂缝发生。为了抑制裂纹，形成了具有α/gan超晶格结构的缓冲层。为了确保抑制破裂，首先将六个Algan/Gan超级晶格交换为缓冲层。搜索最佳条件，以获取650°C至750°C之间的振动温度。之后，温度升高到1100°C，分别在100 nm和10 nm处形成艾根膜和gan膜。 Algan用Mg掺杂了P型。使用差分干扰显微镜，白光干扰显微镜或原子力显微镜观察到形成的膜的状态，并评估了表面形貌和表面粗糙度。通过设计这种结构，可以证实在显微镜图像中没有产生丘陵或裂缝。此外，使用该结构制造了设备，还测量了电特性。孔测量结果表明，与期望相反，它不是P型半导体设备，而是N型半导体设备。这被认为是因为在Movpe期间引入了意外杂质，形成了供体水平。