【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT0178

利用課題名 / Title

窒化ガリウム系半導体デバイスの作製と評価に関する基礎研究

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

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

東京大学大学院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）,技術補助/Technical Assistance

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

UT-202：高輝度In-plane型X線回折装置
UT-304：極限環境下電磁物性計測装置
UT-305：環境制御マニュアルプローバステーション
UT-505：レーザー直接描画装置 DWL66+2018
UT-600：汎用ICPエッチング装置

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（レーザー直接描画装置 DWL66+2018）），ドライエッチング（汎用ICPエッチング装置 CE-300I, 汎用高品位ICPエッチング装置 NE-550），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（高輝度In-plane型X線回折装置 (XRD)SmartLab(9kW)）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-14LHattt )や環境制御マニュアルプローバステーション（半導体特性評価システム4200-SCS）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，「AlGaN/GaNヘテロ界面における二次元電子ガス(2DEG)のドリフト速度の解明」に関して紹介する．GaNは高い絶縁破壊電界や高い電子移動度・飽和ドリフト速度を有するため，高周波かつ高出力な電子デバイス応用が注目されている．すでに実用化も始まっているものの，基礎物性やデバイス物理の理解について不十分な点が多く，さらなる性能向上に向けて基礎学理の構築が求められている．高周波特性を決定するのは「飽和ドリフト速度」であるが，これまでAlGaN/GaNヘテロ接合における2DEGのドリフト速度については信頼できる報告がなく，その詳細な特性は未解明であるのが現状である．　本研究では，様々なAl組成を有するAlGaN/GaNヘテロ接合を用意し，HEMTに加えて2DEGのドリフト速度評価用素子を作製・評価することで，ドリフト速度の電界依存性の解明に取り組んだ．半絶縁性SiC基板上に有機金属気相成長法(MOVPE)によってAlGaN/GaNをエピタキシャル成長し，フォトリソグラフィやドライエッチング，電極蒸着などを駆使することで，HEMT，伝送長法(TLM)素子，Hall効果測定用素子を作製した．作製した素子に対してパルス印加によって電流-電圧(I-V)特性を測定し，その特性からドリフト速度-電界特性の抽出を行なった．

結果と考察 / Results and Discussion

　様々なギャップ長のTLM素子に対する測定からドリフト速度-電界特性を抽出したところ，低電界ではドリフト速度は電界に比例し，高電界になるにつれて速度が鈍り，100 kV/cmを超えたあたりで飽和する特性が得られた．低電界域における電子移動度は1500 cm2/Vs程度であり，Hall効果測定の結果と良く一致している．高電界においては飽和ドリフト速度が1.0-1.5e7 cm/s程度となった．ギャップ長によらず一貫した特性が得られ，信頼性の高い結果が得られたことを支持している．Al組成増加につれて電子濃度が高くなり，飽和ドリフト速度がわずかに低下する様子が確認された．この飽和ドリフト速度の低下は，電子濃度の増加につれてより高エネルギーに電子が分布しやすくなり，光学フォノンとの相互作用（特に放出）が生じやすくなったことに起因していると考えている．温度上昇につれて飽和ドリフト速度がやや低下した．これは，光学フォノン数の温度依存性で概ね説明できるが，低温域については電子の縮退状態に応じてその特性が変わることを見出した．具体的には，低電子濃度の場合には，全ての温度領域で飽和ドリフト速度が線形に低下したのに対し，高電子濃度域では，低温では一定の飽和速度であり，200 K付近から線形に低下し始める特性が見られた．この温度依存性の違いについては引き続き，理論的な研究が必要であるが，AlGaN/GaN 2DEGのドリフト速度の電界依存性，電子濃度依存性，温度依存性について包括的な評価に成功し，デバイス応用上で必須となる飽和ドリフト速度の理解および正確なパラメータを提示することに成功したという点で，学術的・工学的に極めて意義深い結果が得られたと言える．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1. Schematic cross section of the TLM structure. AlGaN/GaN heterostructure was grown by MOVPE on semi-insulating substrate. Selective regrowth of n+GaN was performed to make an ohmic contact. SiNx passivation layer was formed by PECVD. 

Fig. 2. The representative image of the velocity-field cuves of 2DEG in AlGaN/GaN heterostructure at 25 K, 298 K and 573 K.

Fig. 3. The temperature dependence of the saturation velocity of 2DEG in AlGaN/GaN heterostructure. 

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 2024, Poster.
2. 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 2024, Poster.
3. 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. 2024, Oral.
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 2024, Oral. [invited]
5. 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, ショートプレゼン&ポスター発表. [発表奨励賞]
6. 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, 口頭発表．[招待講演]
7. 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, 口頭発表．
8. 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, ショートプレゼン&ポスター.
9. 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, ショートプレゼン&ポスター.
10. 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).
11. 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).
12. T. Maeda, Y. Wakamoto, S. Kaneki, H. Fujikura, A. Kobayashi, "Structural and optical properties of epitaxial ScxAl1-xN coherently grown on GaN bulk substrates by sputtering method", Applied Physics Letters 125, 022103 (2024).
13. 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 (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