Fabrication and DC Characterization of BST-Gated AlGaN/GaN MOS-HEMT Structures in Two- and Three-Terminal Configurations

技術要約：BSTゲートAlGaN/GaN MOS-HEMT構造の作製およびDC特性評価

問題提起
窒化ガリウム（GaN）ベースのAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、そのワイドバンドギャップと高い電子移動度により、パワーエレクトロニクスや高周波アプリケーションにおいて優れた性能を発揮するが、従来のショットキースケゲート構造には重大な制限が存在する。これらには、特に高電界下における大幅なゲートリーク電流、閾値電圧の不安定性、表面状態のトラップ、および電流コラプスが含まれる。これらの課題に対処するため、静電制御を強化しリークを低減することを目的として、誘電体層を利用した金属酸化物半導体（MOS）構造が採用されている。SiNx、Al₂O₃、HfO₂などの高誘電率（high-k）誘電体が一般的に探索されているが、AlGaN/GaN MOS-HEMTのゲート誘電体としてバリウムストロンチウムチタン酸塩（BST）を用いた研究に関する公開された研究は極めて少ない。既存の文献は主にRF性能や破壊電圧に焦点を当てており、BSTゲートデバイスのDC電気的特性および界面特性に関する実験データは限られている。さらに、BSTの形成が輸送現象およびデバイス動作に与える影響を評価するために、2端子型と3端子型のBSTゲートMOS-HEMTの電気的特性を系統的に比較した先行研究は存在しない。

手法
本研究では、有機金属化学気相成長法（MOCVD）によって成長させた市販のAlGaN/GaN HEMTウェハを使用した。作製プロセスには、2つの異なるデバイス構成が含まれる：

1. 2端子デバイス： BST堆積前後におけるAlGaN/GaN構造の電気的特性を分析するために設計された。オーミックコンタクト（Al/Cr/Au）はフォトリソグラフィと熱蒸着を用いてパターン形成され、その後、870°Cでの急速熱処理（RTA）が行われた。その後、RFマグネトロンスパッタリングを用いてゲート領域にBST薄膜が堆積された。
2. 3端子MOS-HEMT： 2端子構造の上に構築されたこれらのデバイスは、ゲート領域を定義するための第2のフォトリソグラフィ工程を組み込んでいる。Ni/Au（10 nm/50 nm）ゲートスタックがBST層の上に堆積されてMOSゲートを形成し、Al/Cr/Auスタックがソースおよびドレインコンタクトとして機能した。チャネル寸法は約100 μm（長さ）× 25 μm（幅）であった。

電気的特性評価は、室温においてKeithley 2634B Dual-Channel SourceMeter Unitを用いて行われた。2端子デバイスは、±1 Vから±12 Vまでの対称I-Vスイープによってテストされた。3端子デバイスは、出力特性曲線（Ids–Vds）および伝達特性曲線（Ids–Vgs）を用いて特性評価され、閾値電圧、相互コンダクタンス、およびオン/オフ電流比などの重要なパラメータを抽出した。

主要な結果

• 2端子特性評価： 2端子デバイスのI-V特性は、BST堆積後に、ほぼ線形なオーミック挙動から著しく高い抵抗状態への遷移を示した。任意の電圧スイープ（例：±12 V）において、電流は約1桁減少した（例：9.85 mAから0.517 mAへ）。これは、BST層の効果的なブロッキング特性および絶縁特性を裏付けるものである。
• 3端子特性評価： 作製されたBSTゲートMOS-HEMTは、ドレイン電流に対する効果的なゲート制御を示した。
  • 閾値電圧 ($V_{th}$): 約 0.028 V と抽出され、デバイスがノーマリーオンモードに近い状態で動作していることを示した。
  • 電流レベル: $V_{gs} = 0.7$ V におけるオン状態電流 ($I_{ON}$) は 5.76 × 10⁻⁸ A、$V_{gs} = -4$ V かつ $V_{ds} = 1$ V におけるオフ状態電流 ($I_{OFF}$) は 3.475 × 10⁻⁹ A であった。これにより、オン/オフ電流比は約 16 となった。
  • 相互コンダクタンス: 最大相互コンダクタンス ($g_m$) は、$V_{ds} = 20$ V において 4.03 × 10⁻⁶ S と記録された。
  • 出力特性: 固定された $V_{ds} = 20$ V において、$V_{gs}$ が -4 V から +4 V へ変化するにつれて、ドレイン電流 ($I_{ds}$) は $4.715 \times 10^{-4}$ A から $9.347 \times 10^{-4}$ A へと緩やかに増加した。

意義および主張
本論文は、BSTゲートAlGaN/GaN MOS-HEMTの作製およびDC特性評価の成功が、ゲート絶縁体としてのBSTの生存可能性に関する詳細な洞察を提供するものであると主張している。本研究は、高誘電率BST層の導入がリーク電流を効果的に低減し、2次元電子ガス（2DEG）チャネルのゲート変調を可能にすることを実証している。2端子構成と3端子構成を比較することにより、本研究は、特に界面輸送現象およびこれらの特定のデバイストポロジーの比較電気特性に関するデータの欠如に対処し、BSTベースのデバイスのDC性能に関する文献の空白を埋めるものである。結果は、BST/AlGaNヘテロ構造下での2DEGの機能的な形成を検証しており、BSTがGaNベースデバイスのDC電気的特性を向上させるための有望な候補であることを示唆している。