東北大ら,GaN-HEMT動作下のX線分光に成功

東北大学,住友電気工業,高輝度光科学研究センターは, GaN-HEMTの高周波動作の決定要因の一つである表面電子捕獲の時空間挙動の直接観測及びそのメカニズム解明に初めて成功した(ニュースリリース)。

GaNとその上に成長させたAlGaNの界面では,電子は二次元的に閉じ込められており,高速で動く。さらに,GaNはバンドギャップが大きいため,大出力化が可能。しかし,更なる高性能化に向けては未だ十分には解決されていない問題があった。

その最大の問題が,高出力動作させようとするときに,出力電流が時間的に変動したり,低下してしまう電流コラプス現象。この原因の一つが,デバイス表面の電子捕獲であり,表面物理学における核心的な研究課題でもある。

通常,半導体デバイスの動作機構の解明には,巨視的な電気測定評価法が用いられるが,今回,局所的な情報を得るため,大型放射光施設SPring-8の軟X線固体分光ビームラインのオペランド・ナノX線吸収分光装置を用いた。ただし,この分光は,充分な時間分解能がなく,これまで定常電圧下のみの測定に限られ,実際の高周波動作下での測定は困難だった。

今回使用したオペランド・ナノ時空間分解X線吸収分光装置は,電圧印加下で電子状態観察が行なえる仕様となっている。さらに,放射光X線のパルス性を活用したシステムを構築することで,空間分解能だけでなく高い時間分解能を賦与することに成功した(最高分解能:<100nm,<100ps)。また,分光測定と同時に電気特性評価が行なえる。

観測の結果,表面電子捕獲の時空間的挙動を説明する新たなメカニズムを提案することができた。すなわち,電圧印加直後では表面電子捕獲はゲート電極近傍のみで起こっており,時間が経つとゲート電極から離れた所へ電子がホッピングしていく。このメカニズムはDC電圧下と高周波電圧下での電流コラプス現象の違いをうまく説明することができ,高周波動作条件下での安定動作を行うための設計に役立つものであるという。

研究グループは,現在,得られた成果に基づき,電流コラプス現象を考慮した,デバイス・モデリングの研究を進めている。今回の成果によりデバイス開発者が有する暗黙知もしくはノウハウと呼ばれてきたものを,言語化することが可能となり,新たなデバイスを生む土壌を醸成することが期待されるしている。

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