熊倉一英 牧本俊樹
機能物質科学研究部
窒化物半導体は、大きなバンドギャップを有するなどの材料特性から、高温・高耐圧で動作するデバイスの材料として有望である。ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、ノーマリーオフデバイスであり、大きな電流密度での動作が可能である。したがって、窒化物半導体ＨＢＴは、従来の半導体では実現できないような、高温で動作するハイパワーデバイスとして期待されている。しかし、これまでの窒化物半導体ＨＢＴは、結晶欠陥が多いことやデバイスプロセスによるダメージにより、リーク電流が多いなどの問題があり、耐圧などの実験値は、理論的に予測される値を下回っていた。
我々のグループでは、独自に開発した緩衝層を使用することで、サファイア基板上に高品質の窒化物半導体を成長することに成功している［１］。また、この技術とプロセスダメージの低減により、Ｐｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴのエミッタ接地動作に、世界で初めて成功している。今回我々は、このＰｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴの高温での特性を評価し、伝導機構の解明を図った。
ｃ面サファイア基板上に、ＥＣＲプラズマスパッタリングにより、Ａｌ２Ｏ３／組成傾斜ＡｌＯＮ／ＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３を、室温において２０ｎｍ堆積した。この基板上に、有機金属気相成長法により図１に示すＨＢＴ構造を成長した。エミッタおよびベースメサはＥＣＲプラズマエッチングにより形成した。エミッタおよびサブコレクタへのオーミック接触にはＰｄ／Ａｕを、ベースにはＡｌ／Ａｕを用いた。
図２は、５５０°Ｃにおけるエミッタ接地コレクタ電流−コレクタ電圧特性である［２］。高温においても飽和特性が良く、ベース電流がゼロの場合の漏れ電流も１μＡ以下と小さな値であった。このような高温での動作は、半導体デバイスの中でも最高クラスである。今回の結果は、高品質結晶成長と低プロセスダメージの結果得られたものであり、窒化物半導体ＨＢＴが将来のハイパワーエレクトロニクスにとって有望であることを示している。
[1] K. Kumakura, M. Hiroki, and T. Makimoto, Int. Workshop on Nitride Semiconductors
2004, P5.1, Pittsburgh, USA, 2004; J. Crystal Growth 292 (2006) 155-158.
[2] K. Kumakura and T. Makimoto, 2005 Int. Conference on Solid State Devices
and Materials, Kobe, Japan, I-6-2, 2005.
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図1 |
作製したＨＢＴ構造の模式図 | 図2 | ５５０℃におけるＨＢＴの電流−電圧特性 |
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