Buffer-less Gallium Nitride High Electron Mobility Heterostructures on Silicon

技術要約：シリコン基板上のバッファレスGaN高電子移動度ヘテロ構造

問題提起
III族窒化物半導体のシリコン基板へのヘテロエピタキシャル統合は、著しい格子不整合（約19%）および熱膨張係数の差（約50%）によって阻害されている。従来のGaN-on-Si HEMT（高電子移動度トランジスタ）設計は、応力管理と貫通転位（TD）のフィルタリングのために、組成傾斜させたAlGaNまたはAlN/GaN超格子バッファなどの厚いバッファ層に依存している。しかし、これらのバッファは合金および界面散乱による大幅な熱抵抗をもたらし、熱抽出を著しく制限する。この熱的なボトルネックは、デバイスの効率を低下させ、故障率を増加させ、商業用GaN-on-SiデバイスがSiCベースのデバイスと比較して1桁分低格付けされる要因となっている。さらに、これら厚いバッファの成長は、製造時間、エネルギー消費、および材料コストを増大させ、持続可能性の目標に逆行するものである。

手法
著者らは、Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOV_OPE) を用い、薄いAlN核形成層（NL）上にGaNを直接成長させる「バッファレス」アプローチを提案している。コアとなる手法は、中間バッファ層を用いることなく、ストレスの進化と欠陥形成を制御するために、GaN成長中の反応器圧力（$P_g$）を調整することである。

• 成長戦略： AlN NLの厚さは、転位密度の低減とクラックのリスクのバランスをとるため、約150 nmに固定された。GaN層の厚さは、熱性能を最適化しつつ応力管理を維持するために、計約750–800 nm（総エピタキシャル厚 $\le$ 1 µm）となるよう設計された。
• 応力変調： 反応器圧力を1つのオーダーにわたって変化させ（18から200 Torr）、成長モードを変化させた。インサイチュ（in-situ）ウェハ曲率モニタリングと反射率トランジェントを用いて、応力の進化と表面合体（coalescence）をリアルタイムで追跡した。
• 特性評価： 構造品質は、高分解能X線回折（HRXRD）、走査型電子顕微鏡（SEM）、および原子間力顕微鏡（AFM）を介して評価された。熱抵抗は、ナノ秒過渡熱反射法（TTR）を用いて測定された。電子特性は、室温ホール効果測定および低温（1.8 K）磁気輸送解析を通じて評価された。

主な結果

1. 応力および構造制御： 反応器圧力を下げることで、Ga der 著者らは、GaN堆積の開始時から圧縮成長領域を誘起することに成功し、冷却中にクラックを引き起こす通常的な引張応力を相殺した。75 Torrの圧力は、(-0.90 ± 0.01) GPaの平均圧縮応力を生じさせ、これはクラックを防ぎ、(48 ± 10) µmのウェハ反りを維持するのに十分であり、CMOSファブの要件を満たしている。
2. 欠陥密度： バッファレス構造は、(3.4 ± 0.9) × 10⁹ cm⁻²の貫通転位密度（TDD）を達成し、これは最先端の厚いバッファ構造に匹敵する。高圧下でのTDDの減少は、転位の「上昇（climb）」ではなく「曲げ（bending）」を促進する、遅延した島状合体メカニズムに起因している。
3. 熱性能： 熱抵抗の高いバッファを除去したことにより、GaN-基板間の熱抵抗は(11 ± 4) m² K GW⁻¹となった。これは従来のGaN-on-Si設計と比較して1桁の減少であり、非ネイティブ基板上のヘテロエピタキシャルGaNとして報告されている中で最も低い値の一つである。
4. 電子特性： これらのテンプレート上に成長したAlGaN/AlN/GaNヘテロ接合は、高品質な2次元電子ガス（2DEG）を示した。
   • 室温： ホール移動度は2000 cm²/V·sを超え、キャリア密度は最大9.6 × 10¹² cm⁻²に達し、厚いバッファを持つものを含むGaN-on-Siの最高報告値に匹敵した。
   • 低温： 2DEGは明確なシュブニコフ・ド・ハース（SdH）振動を示し、高い量子品質を示した。量子寿命は>0.180 psと測定され、スピン分裂（ラシュバ効果）の兆候が観察された。これは、高い結晶品質とチャネル内の強い閉じ込めを確認するものである。

意義および主張
本論文は、高性能なGaN-on-Si統合において、熱抵抗の高いバッファ層が不可欠ではないことを実証することにより、窒化物HEMTの新しいパラダイムを確立したと主張している。バッファ層をバイパスすることで、著者らは構造的完全性、熱抽出、および電子移動度の同時最適化を実現した。

本研究の意義は以下の通りである：

• 熱効率： チャネル温度を大幅に低下させる経路を提供し、GaN-on-Siの全パワー密度ポテンシャルを解き放つ可能性がある。
• 製造の実現可能性： 成長時間、エネルギー消費、および材料使用量を削減し、よりグリーンな製造目標に適合する。
• 科学的プラットフォーム： バルクや高価なSiC、サファイア基板に限定されていた、2次元ワイドバンドギャップ系における電子ダイナミクス、スピン分裂、およびメゾスコピック物理学の研究のための、スケーラブルで産業的に関連のあるプラットフォームを提供する。

著者らは、このアプローチが、次世代のエネルギー効率の高いトランジスタや新しい量子デバイスに適した、低コストで持続可能な方法で生産されるGaNベースのヘテロ構造への道を開くと結論付けている。