GaN-HEMTの表面電子捕獲機構を解明、東北大など：無線通信デバイスの高出力化へ

オペランド顕微X線光電子分光を用いて状態観察

　東北大学電気通信研究所の吹留博一准教授らによる研究グループは2018年9月、GaN（窒化ガリウム）を用いた無線通信用高速トランジスタ（GaN-HEMT）の出力低下につながる表面電子捕獲のナノスケール定量分析と、その抑制機構の解明に初めて成功したと発表した。

　今回の研究は、吹留氏らの研究グループと住友電気工業、東京大学放射光分野融合国際卓越拠点、物質・材料研究機構、高エネルギー加速器研究機構および、東京理科大学が共同で行った。

　東北大学と住友電気工業はこれまでも、GaN-HEMTやグラフェンなど2次元電子系を用いた電子デバイスの研究を共同で行ってきた。この中で、GaN-HEMTの出力低下につながる電流コラプス現象が大きな課題といわれてきた。その要因が、デバイス表面の電子捕獲であることは分かっていた。しかし、これまでの電気測定評価法では、局所的な情報を得ることができず、動作機構を解明することが極めて難しかった。

　今回の共同研究では、電圧を印加している状況で電子状態観察が行えるオペランド顕微X線光電子分光を用いて、GaN-HEMT表面の電子状態を観察する手法を開発した。分光測定と同時に、電気特性の評価も可能だという。

オペランド顕微X線光電子分光法の概略 出典：東北大学

　実験では、ゲート電極に−5V、ドレイン電極に30Vを印加した。測定結果から、Ga 3dスペクトルのピークは、強い場所依存性を示すことが分かった。しかも、数千nmという広い領域で変化した。この場所依存性がゲート電極および、ドレイン電圧にだけに起因するものだと、Gaスペクトルが変化する領域は、ゲート電極端より数百nmの領域に限定されるという。

オペランド顕微光電子分光によるGaN-HEMTの表面電子捕獲の機構解明 出典：東北大学

　研究グループはこの現象を、定性的に表面電子捕獲によるバンド湾曲変化が関係していると推論した。これを実証するため、デバイスシミュレーターを組み合わせて解析した。この結果、表面電子捕獲が起こった領域と表面捕獲電子密度の定量分析に成功した。

　さらに、SiN（窒化シリコン）表面保護膜の効果についても、オペランド顕微X線光電子分光を用いて検証した。デバイスシミュレーションと組み合わせることで、表面電子捕獲の定量分析にも成功した。この結果、SiNに比べて表面電子捕獲量が低減した。ゲート電極近傍での表面電子捕獲の増大も確認されなかった。

オペランド顕微光電子分光を用いたSiN保護膜の役割の解明 出典：東北大学

　表面電子状態について今後は、空間的な電子状態変化だけでなく、時間的変化に関しても研究を行う予定だ。