東大ら,高周波/パワーデバイスの2次元電子ガス観察

東京大学とソニーグループは,半導体界面に蓄積された2次元電子ガスの直接観察に成功した(ニュースリリース)。

GaN系デバイスは高効率のLEDやLDの素材であるほか,絶縁破壊強度と飽和電子速度の高さから次世代の通信用高周波デバイスや電力変換用パワーデバイスとしても期待されている。特に高電子移動度トランジスタ(HEMT)は,半導体界面に2次元電子ガスと呼ばれる電子が蓄積した層が発生し,この層を電子が高速に移動できることから,高周波動作に優れている。

この2次元電子ガスの詳細は半導体デバイスの性能に極めて重要で,実験や理論計算などで予想はされていたが,それを直接観察して確かめることは長年困難とされてきた。

原子レベルの空間分解能でデバイス構造を直接観察できる走査透過電子顕微鏡(STEM)は,先端半導体デバイス開発における強力な計測手法として広く実用化されている。STEM法では,半導体デバイスの微細構造や組成を原子レベルで観察・分析することができる。

しかし,実際のデバイスは微細構造に伴って形成される不均一な電磁場や電荷キャリアによって動作するため,デバイス特性の真の理解には構造・組成だけでなく,電磁場分布や電荷キャリアを直接的に観察できる技術の確立が望まれていた。

特に,GaNを利用したHEMTなどの次世代高周波/パワーデバイスでは,半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の2次元電子ガスをチャネルとして利用するため,その可視化技術と定量化技術の開発が極めて重要となる。

今回研究グループは,原子分解能磁場フリー電子顕微鏡(MARS)に,独自に開発した傾斜スキャンシステムおよび超高感度・高速分割型検出器を搭載し,窒化ガリウム/窒化アルミニウムインジウム(GaN/AlInN)ヘテロ界面に蓄積した2次元電子ガスの直接観察に挑戦した。観察には,開発した原子レベルの電磁場観察手法である原子分解能微分位相コントラスト(DPC)法を用いた。

研究グループはこれにより,半導体界面の数ナノメートル領域に蓄積した2次元電子ガスの可視化および定量化に成功した。これらによって,2次元電子ガスの高度な制御が可能となり,トランジスタのさらなる性能向上が期待できる。

この成果は,2次元電子ガスを制御した高性能な高周波/パワーデバイスの創成を可能とするなど,半導体デバイスの界面解析・制御に革新をもたらすとともに,最先端マテリアル・デバイス研究開発を格段に進歩させる画期的な計測技術につながると期待されるとしている。

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