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，我们试图开发一种具有优异高输出和高效率的GaN HEMT，用于第五代移动通信系统（5G）的实际应用。因此，m轴方向的生长是必要的，但与c轴方向的生长不同，这不是既定的方法。在m轴方向上的生长期间，由于c轴和a轴方向上的各向异性而出现原子迁移率的差异。因此，首先需要确定V/III比以及生长温度和压力等因素。 （m面基板是有补助金购买的）本研究的主要目的是通过向c轴施加压缩应变来减少2DHG的有效质量，但AlGaN的Al成分决定了应变量。在这里，我们研究了 Al 成分引起的应变量与 2DHG 有效质量之间的相关性，并验证了与模拟结果的差异。另一方面，当AlGaN/GaN直接在GaN衬底上外延生长时，AlGaN层受到来自GaN衬底的拉伸应变并出现裂纹。为了抑制裂纹，形成了具有AlGaN/GaN超晶格结构的缓冲层。为了可靠地抑制裂纹，我们首先交替生长六层AlGaN/GaN超晶格作为缓冲层。我们寻找基座温度在 650°C 至 750°C 之间的最佳条件。此后，将温度升高至1100℃，并分别形成厚度为100nm和10nm的AlGaN和GaN膜。 AlGaN 采用 Mg 进行 p 掺杂。使用微分干涉显微镜、白光干涉显微镜、原子力显微镜观察形成的膜的状态，评价表面形貌和表面粗糙度。通过设计该结构，确认在显微图像中不会出现小丘或裂纹。我们还制作了具有这种结构的器件并测量了其电性能。霍尔测量的结果与预期相反，发现它是n型半导体元件而不是p型半导体元件。这被认为是因为MOVPE中引入了非预期的杂质并形成了施主能级。