【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.22】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT1131

利用課題名 / Title

ワイドギャップ半導体の電子デバイスに関する研究

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/ Electronic microscope,光学顕微鏡/ Optical microscope,X線回折/ X-ray diffraction,電子回折/ Electron diffraction,電子分光/ Electron spectroscopy,エリプソメトリ/ Ellipsometry,リソグラフィ/ Lithography,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,ワイヤーボンディング/ Wire Bonding,高周波デバイス/ High frequency device,エレクトロデバイス/ Electronic device,ワイドギャップ半導体/ Wide gap semiconductor

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

前田 拓也

所属名 / Affiliation

東京大学工学系研究科電気系工学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

若本裕介,久保田航瑛,佐々木洸

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-304：極限環境下電磁物性計測装置
UT-858：電子顕微鏡
UT-902：マニュアルウエッジボンダ―
UT-202：高輝度In-plane型X線回折装置
UT-102：高分解能走査型分析電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究では，パワーデバイス応用や高周波デバイス応用に向けて窒化ガリウム(GaN)系半導体のデバイスの作製や評価に関する基礎研究に取り組んだ．ARIM事業を活用し，フォトリソグラフィ（主にDWL），ドライエッチング（NE-550, CE-300I），EB電極蒸着について武田先端知で実施し，AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタやその基礎物性解明のためのテストデバイスの試作に成功した．また，新規窒化物材料であるScAlNをバリア層としたデバイスの試作にも取り組み，ScAlN/GaN HEMTの試作実証に成功した．評価の観点では，プロセスの際の光学顕微鏡や段差計（デクタク）を用いた検査，SEM-EDSによる組成評価やXRDによる構造特性評価を行なった．また，低温物性の評価については極限環境下電磁物性計測装置(PPMS)や環境制御プローバを利用した．

実験 / Experimental

前述の研究のうち，代表的な成果として「ScAlN/GaN HEMTにおける2DEGの輸送機構解明」に関して紹介する．ScAlNはGaNと擬似格子整合可能であり，高い自発分極や高い比誘電率，大きなバンドギャップを有することから，特に高周波・高出力用途のGaN HEMTの新規バリア層として期待が高まっている．また，近年強誘電性を示すことが明らかになり，強誘電性のメモリ(FeRAM)や電界効果トランジスタ(FeFET)などの新規応用も検討されている．しかし，ScAlN/GaNヘテロ接合における二次元電子ガス(2DEG)の濃度や移動度については，報告機関ごとにばらつきが大きく，その詳細な理解は得られていないのが現状である．特に，GaN上に高品質なScAlNをエピタキシャル成長する技術がまだ確立されておらず，結晶品質の向上とその結晶性の評価と合わせて2DEG特性を評価することが強く求められている．そこで，本研究では，AlGaN/GaN/SiCテンプレート基板上にスパッタ成長によってScAlNをエピタキシャル成長し，その特性を詳細かつ系統的な手法により調べたので報告する．

結果と考察 / Results and Discussion

Fig.1に作製したデバイスの構造図を示す。 X線回折法(XRD)による10-15回折付近の逆格子空間マッピング測定より，ScAlNがAlGaN/GaN上にコヒーレント成長していることが確認された．TEM-EDS測定より，ScAlNの膜厚は9 nm程度であり，Sc組成は9%程度であることがわかった．Hall効果測定を行ったところ，シート電子濃度が1.5e13 cm-2程度であり，温度無依存であることがわかった．温度無依存であることから，バリア層の分極に起因した2DEGが誘起されていることを支持する結果である．また，ScAlN薄膜成長前に比べ，ScAlNの再成長による2DEG濃度によって電子濃度は4倍程度増加した．これは，同膜厚のAlGaNを成長した場合と比較しても顕著に大きい濃度である．移動度はわずかに低下したものの，その温度依存性を詳細に調べたところ，極性光学フォノン散乱(POP)，音響変形ポテンシャル散乱(ADP)，界面ラフネス散乱(IR)によって説明でき，移動度の低下は電子濃度の増加によるIR散乱の増加のみで説明できることがわかった．すなわち，ScAlNのスパッタ再成長によってAlN/GaN界面のラフネスは悪化していないことを示唆している．なお，ScAlNの自発分極の理論値から考えると，ScAlN/AlGaN界面にも2DEGが誘起されるはずであり，総合的なシート電子濃度は5e13 cm^-3程度になるはずであるが，本研究で得られた2DEG濃度はその値よりも大幅に低い．この要因としては，再成長界面に存在する不純物（主に炭素）が負性固定電荷として働き，実行的な分極電荷が低下していることに起因していると考察している．このScAlN/AlGaN/AlN/GaNヘテロ接合を用いて高電子移動度トランジスタ(HEMT)を作製したところ，良好なFET特性が得られた．この結果をFig.2ならびにFig.3に示す。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Figure 1. (a) The schematic cross-section of a ScAlN/AlGaN/AlN/GaN HEMT fabricated in this study. (b) The schematiccross-sections of the AlGaN/AlN/GaN and ScAlN/AlGaN/AlN/GaN samples prepared for the Hall-effect measurements.

Figure 2. Temperature dependences of (a) sheet electron density and (b) electron mobility of the ScAlN/AlGaN/AlN/GaN and AlGaN/AlN/GaN heterostructures measured by the Hall-effect measurements. Clear enhancement of 2DEG is observed by regrowth of the ScAlN thin film.

Figure 3. (a) The output characteristics (Id-Vd), (b) the transfer characteristics (Id-Vg and Ig-Vg in the semi-log plot) and (c) the transfer characteristics (Id-Vg and gm-Vg in the linear plot) of the ScAlN/AlGaN/AlN/GaN HEMT fabricated in this study. The gate length (Lg), the source-drain distance (Lsd) and the gate width (Wg) are 4 μm, 6 μm and 40 μm, respectively.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Takuya Maeda, Characterization of ScAlN/GaN Toward Electronic Device Application, 2024 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), , 1-4(2024).
   DOI: 10.1109/BCICTS59662.2024.10745675
   
2. Takuya Maeda, Structural and optical properties of epitaxial ScxAl1−xN coherently grown on GaN bulk substrates by sputtering method, Applied Physics Letters, 125, (2024).
   DOI: 10.1063/5.0213662
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Y. Wakamoto, T. Kawahara, S. Yoshida, K. Makiyama, K. Nakata, T. Maeda, "Velocity-Field Characteristics of 2DEG in AlGaN/GaN Precisely Determined by Pulsed I-V Measurements for TLM Structure", The 82nd Device Research Conference (DRC 82), Maryland (USA), June 23-26, 2024, Poster.
2. A. Munakata, K. Sasaki, K. Ema, Y. Nakano, M. Kobayashi, T. Maeda, “Characterization of temperature dependence of barrier height in Ni/β-Ga2O3 SBD over a wide temperature range and evaluation of valence band structure by XPS”, The 66th Electronic Materials Conference (EMC 66), Maryland (USA), June 26-28, 2024, Oral.
3. Y. Wakamoto, T. Kawahara, S. Yoshida, K. Makiyama, K. Nakata, T. Maeda, "Low-field and High-field 2DEG Transport Properties in AlGaN/GaN at High Temperatures", The 15th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics (TWHM 2024), Sendai (Japan), August 26-29, 2024, Poster.
4. T. Maeda, Y. Wakamoto, A. Kobayashi, "Characterization of ScAlN/GaN Toward Electronic Device Application", 2024 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS 2024), Florida (USA), October 27-30, 2024, Oral. [invited]
5. Y. Wakamoto, T. Kawahara, S. Yoshida, K. Makiyama, K. Nakata, T. Maeda, "Drift Velocity of 2DEG in AlGaN/GaN in Ultrawide Temperature Range from 25 K to 573 K", International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2024), Hawaii (USA), Nov. 3-8, 2024, Oral.
6. 若本裕介, 河原孝彦, 吉田成輝, 牧山剛三, 中田健, 前田拓也, "AlGaN/GaN ヘテロ接合における二次元電子ガスのドリフト速度の高温特性", 第16回ナノ構造エピタキシャル成長講演会, Th-P06, 高知県立県民文化ホール, 2024年5月30-6月1日, ショートプレゼン&ポスター発表. [発表奨励賞]
7. 前田拓也, "ScAlN/GaN系電子デバイスの研究進展", ワイドギャップ半導体学会 (WideG) 第17回研究会「GaN-HEMTデバイス技術の最新動向」, 主婦会館(東京),2024年7月26日, 口頭発表．[招待講演]
8. 若本裕介, 河原孝彦, 吉田成輝, 牧山剛三, 中田健, 前田拓也, "AlGaN/GaN⼆次元電⼦ガスにおけるドリフト速度-電界特性の温度依存性", 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 16p-A22-20, 朱鷺メッセ(新潟), 2024年9月16-20日, 口頭発表．
9. 棟方晟啓, 佐々木公平, 江間研太郎, 中野義昭, 小林正起, 前田拓也, "Ni/β-Ga2O3ショットキー障壁⾼さの温度依存性の起源: 温度上昇に伴うβ-Ga2O3価電⼦帯上端の上昇と伝導帯底の低下", 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 20p-22-1, 朱鷺メッセ(新潟), 2024年9月16-20日, 口頭発表．[講演奨励賞受賞記念招待講演]
10. Y. Wakamoto, T. Kawahara, S. Yoshida, K. Makiyama, K. Nakata, T. Maeda, "Temperature-Dependent Velocity-Field Characteristics of 2DEG in AlGaN/GaN Heterostructures", The 43rd Electronic Materials Symposium (EMS 43), 奈良, 2024年10月2-4日, ショートプレゼン&ポスター.
11. K. Kubota, Y. Wakamoto, T. Kawahara, S. Yoshida, K. Makiyama, K. Nakata, Y. Nakano, A. Kobayashi, T. Maeda, "Temperature-dependent Hall effect measurement of 2DEG in ScAlN/AlGaN/AlN/GaN heterostructure prepared by sputtering method", The 43rd Electronic Materials Symposium (EMS 43), 奈良, 2024年10月2-4日, ショートプレゼン&ポスター.
12. 若本裕介, 河原孝彦, 吉田成輝, 牧山剛三, 中田健, 前田拓也, “AlGaN/GaNヘテロ接合における二次元電子ガスの飽和ドリフト速度の電子濃度依存性”, 第72回応用物理学会春季学術講演会, 17p-K301-5, 3/17(月) 14:15-14:30 (2025).
13. 久保田航瑛, 若本裕介, 河原孝彦, 吉田成輝, 牧山剛三, 中田健, 小林篤, 前田拓也, “スパッタ成長ScAlN/AlGaN/AlN/GaNヘテロ構造における二次元電子ガスの輸送特性”, 第72回応用物理学会春季学術講演会, 東京理科大学 野田キャンパス, 17p-K301-6, 3/17(月) 14:30-14:45 (2025).
14. 佐々木洸, 棟方晟啓, 小林正起, 山本涼太, 佐藤早和紀, 小林篤, 中野義昭, 前田拓也, "X線分光測定によるGaN上スパッタ成長ScAlN薄膜の表面酸化状態の評価", 第72回応用物理学会春季学術講演会, 東京理科大学 野田キャンパス, 17a-K401-5, 3/17(月) 10:15-10:30 (2025).
15. T. Maeda, Y. Wakamoto, A. Kobayashi, "Characterization of ScAlN/GaN Toward Electronic Device Application", Proceedings of 2024 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium, Oct.27-30, 2024 (BCICTS 2024).

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件