窒化ガリウム超高速トランジスタの高出力・高速化〜メカニズムを解明し、さらなる実用化へ〜 No.33

背景
　GaN-HEMT はGaNとAlGaN界面を電子輸送層として用いたトランジスタです。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、高速で動きます。さらに、GaNはバンドギャップが大きいため、大出力化が可能です。GaN-HEMTは既に住友電工により実用化されていますが、更なる高性能化向けては未だ十分には解決されていない問題があります。最大の問題が、電流コラプス現象***です。この原因の一つが、デバイス表面の電子捕獲です。表面電子捕獲は、産業的にも重要であるばかりでなく、トランジスタ発明の際に勃興した表面物理学における核心的な研究課題です。通常の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ますが、この方法では局所的な情報が得られないため、GaN-HEMTの電流コラプス現象に関与する表面電子捕獲の機構を解明することは困難でした。
　一方、SPring-8の軟X線固体分光ビームラインBL25SUではオペランド・ナノX線吸収分光****装置が設置され、トランジスタなどにおける微視的な電子状態の観察に成功しています。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でした。

成果の詳細
　今回、SPring-8の放射光X線のパルス性を活用したシステムを構築することで、オペランド・ナノX線吸収分光装置に高い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ました（最高分解能：<100 nm、<100 ps)。また本装置は、電圧印加下で電子状態観察が可能となり、分光測定と同時に電気特性評価が行える仕様になっています。
　本装置を用いた計測の結果、デバイス動作下でのGaN-HEMTの直接観測に初めて成功しました。その結果、GaN-HEMTの特性の決定要因の一つである表面電子捕獲の時空間挙動を初めて解明し、表面電子捕獲の詳細なメカニズムを明らかにしました。さらには、表面保護膜による特性向上のメカニズムをも詳らかにしました。これらの成果は、GaN-HEMTの更なる高出力化・高速化につながるものです。
　今後、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、GaN-HEMTが、第五世代移動通信システム（5G）やその次のBeyond 5Gのキーデバイスとなるべく研究開発を進めます。