(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極及びドレイン電極との間に形成されたゲート電極を備える電界効果型窒化物トランジスタに対し、
（１）  前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に所定の電圧を負荷しつつ、前記ゲート電極と前記ソース電極との間を逆バイアスして所定のＯＦＦ時間、ＯＦＦ状態とした後、順バイアスに転換してＯＮ状態とし、
（２）  前記（１）の転換時から前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧が安定するまでの過渡期中の第一の測定時点（ｔ１）と、前記第一の測定時点より後の第二の測定時点（ｔ２）における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧をそれぞれ測定してその差分を算出し、
（３）  前記（１）（２）の条件を一定に設定した上で、前記電界効果型窒化物トランジスタの温度条件を異ならせて前記（２）の測定を複数回実行し、温度に対する前記差分の変化特性を電流コラプス特性として得るにあたり、
前記ＯＦＦ時間の始点から、前記第二の測定時点（ｔ２）までを、前記電界効果型窒化物トランジスタの異なる２つの動作周波数の一周期に対応させてそれぞれ設定し、これらそれぞれの設定について前記変化特性を電流コラプス特性として得る電流コラプスの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果型窒化物トランジスタの電流コラプス現象を測定する電流コラプスの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果型窒化物トランジスタにおいて電流コラプスの発生が問題となっており、特許文献１−３には、電流コラプスを低減することを課題とした発明が記載されている。
具体的には電界効果型窒化物トランジスタとして、ＧａＮチャネル層上にＡｌＧａＮ電子供給層を用いたＨＥＭＴ(High Electron Mibility Transistor（高電子移動度トランジスタ）) が挙げられる。
特許文献１には、電流コラプスとは、電界効果型窒化物トランジスタで顕著に見られ、高電圧動作時にドレイン電流が大幅に減少する現象であり、結果としてデバイスのドレイン電流の減少あるいはオン抵抗の増加が起こると述べられている（同文献段落０００７）。
【０００３】
一方、特許文献２には、電流コラプスは、低電圧動作でのオン抵抗値と比べて、高電圧動作でのオン抵抗値が高くなる現象であると述べられ、そのオン抵抗値が高くなる原因は、高電圧（ストレス電圧）動作時の高電界により、ＡｌＧａＮ層のトラップ（深い準位）に電子が捕獲され、捕獲された電子により２次元電子ガス層の濃度が低下することにあると述べられる（同文献段落００２４）。
また特許文献２には、トラップのエネルギは安定である（低い状態である）ため、ある程度の時間が経過することや、熱や電界などが印加されることがないと、捕獲された電子が放出されないという性質があると述べられている（同文献段落００２５）。
さらに特許文献２の段落００３１には、「これは、ストレス電圧の印加時にトラップに捕獲された電子が、ストレス電圧の印加が終了すると、時間経過と共に放出されていくためである。そのため、電流コラプスを議論するには、ストレス電圧の印加終了時点から、オン抵抗を測定するまでの間の経過時間が重要なパラメータであることが分かる。」と記載されている。
【０００４】
特許文献３には、電流コラプス現象の測定方法が開示されている。すなわち、特許文献３には、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ＝０Ｖ，ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ＝０Ｖとした場合、及びＶｄｓ＝５０Ｖ，Ｖｇｓ＝−３Ｖのピンチオフ状態の場合、それぞれの場合にＶｄｓ及びＶｇｓのパルス信号を入力した際の、各サンプルのＤＣ特性を３端子法で測定し、前者の場合と後者の場合との電圧‐電流特性の差異が大きいほど、電流コラプスが強く発生しているとした（同文献段落００２６−００２７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１７５６９６号公報
【特許文献２】特開２０１４−０２９９０８号公報
【特許文献３】特開２０１２−０２８５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１−３にも記載されるように、電流コラプスが低減された電界効果型窒化物トランジスタの開発が進められている。
また、その開発者やユーザーにおいて、複数種類の電界効果型窒化物トランジスタの電流コラプス現象を比較・検討したい、特に、実動作に近い条件（温度・動作周波数等）において、電流コラプス現象を定量的に測定し、評価・検討を行いたいとのとの要望が存在する。
電流コラプス現象の原因の一つは、上述したようにＡｌＧａＮ層のトラップ（深い準位） に捕獲された電子の挙動である。
本発明者らは、その挙動は、温度・電界・時間という３つのパラメータに大きく依存するから、電流コラプス現象を定量的に測定するためには、上記３つの特性パラメータを定性的に扱う必要があり、上記３つの特性パラメータを定性的に扱うことによって、ＡｌＧａＮ層のトラップ（深い準位） に捕獲された電子の挙動を、素子固有の電気的特性値（動特性）として定量的に測定することができると考えた。
しかしながら、特許文献３に記載の測定方法では、上記３つの特性パラメータの内、温度についての記述が無く、実動作の条件（温度・動作周波数等）への対応が不十分で、電流コラプス現象のある限定的な状態を測定したのみであり、評価・検討を行うための特性値として十分とはいえないものであった。
【０００７】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、電界効果型窒化物トランジスタの電流コラプス現象を、素子固有の電気的特性値（動特性）として定量的に測定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ソース電極及びドレイン電極との間に形成されたゲート電極を備える電界効果型窒化物トランジスタに対し、
（１）  前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に所定の電圧を負荷しつつ、前記ゲート電極と前記ソース電極との間を逆バイアスして所定のＯＦＦ時間、ＯＦＦ状態とした後、順バイアスに転換してＯＮ状態とし、
（２）  前記（１）の転換時から前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧が安定するまでの過渡期中の第一の測定時点（ｔ１）と、前記第一の測定時点より後の第二の測定時点（ｔ２）における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電圧をそれぞれ測定してその差分を算出し、
（３）  前記（１）（２）の条件を一定に設定した上で、前記電界効果型窒化物トランジスタの温度条件を異ならせて前記（２）の測定を複数回実行し、温度に対する前記差分の変化特性を電流コラプス特性として得るにあたり、
前記ＯＦＦ時間の始点から、前記第二の測定時点（ｔ２）までを、前記電界効果型窒化物トランジスタの異なる２つの動作周波数の一周期に対応させてそれぞれ設定し、これらそれぞれの設定について前記変化特性を電流コラプス特性として得る電流コラプスの測定方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電界効果型窒化物トランジスタの電流コラプス現象の原因であるＡｌＧａＮ層のトラップ（深い準位） に捕獲された電子の挙動が依存する温度・電界・時間という３つのパラメータとの関係を特定した測定を行うので、電流コラプス現象を素子固有の電気的特性値（動特性）として定量的に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電流コラプスの測定方法を実行するときのドレイン‐ソース電圧の時間変化グラフ(a)及びゲート‐ソース電圧の時間変化グラフ(b)である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電流コラプスの測定方法を実行するときのドレイン‐ソース電圧の異なる３つの温度ごとの時間変化グラフ(a)及び測定結果としての温度に対する差分〔Ｖｄｓ（ｔ１）−Ｖｄｓ（ｔ２）〕の変化特性を示すグラフ(b)である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電流コラプスの測定方法によりあるサンプルを対象に測定した結果であって、異なる２つの時間条件ごとの温度に対する差分〔Ｖｄｓ（ｔ１）−Ｖｄｓ（ｔ２）〕の変化特性を示すグラフである。図(a)と図(b)とでサンプルが異なる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る電流コラプスの測定方法は、電流コラプスが問題となる電界効果型窒化物トランジスタを対象に有効に行うことができる。
電界効果型窒化物トランジスタは、基板と、前記基板上に形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成されたＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上に直接又は中間層を介して形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極とを備えるものであって、代表としては、ＨＥＭＴ(High Electron Mibility Transistor（高電子移動度トランジスタ）) が挙げられる。
【００１４】
本発明の一実施形態に係る電流コラプスの測定方法は、次の過程による。図１、図２の測定例を参照して説明する。
（１）  ソース電極とドレイン電極との間に所定の電圧Ｖｄｓを負荷しつつ、ゲート電極とソース電極との間を逆バイアスして所定のＯＦＦ時間ｔｏｆｆ、ＯＦＦ状態とした後、順バイアスに転換してＯＮ状態とする。
〔ＯＦＦ動作〕図１に示すようにＯＦＦ時間ｔｏｆｆの間、Ｖｄｓ＝５０〔Ｖ〕,Ｖｇｓ＝−３〔Ｖ〕でオフ状態とする。これにより、ストレス電圧：Ｖｄｓ＝５０Ｖ、つまり、高電界をかける。この時、ＡｌＧａＮ層のトラップ（深い準位）に電子が捕獲される。
〔ＯＮ動作〕ＯＦＦ時間ｔｏｆｆ後、図１に示すように、Ｖｇｓ＝５〔Ｖ〕の順バイアス電圧を印加し、ＯＮ状態とする。これにより、ストレス電圧：Ｖｄｓが低下し、安定したＯＮ状態となる。その間（過渡期）に、トラップ（深い準位）に捕獲されていた電子が放出される。過渡期では、ストレス電圧：Ｖｄｓは、その素子に内在するトラップ（深い準位）によって決定される。
【００１５】
（２）  図１に示すように、（１）の転換時からソース電極とドレイン電極との間Ｖｄｓの電圧が安定するまでの過渡期中の第一の測定時点ｔ１と、第一の測定時点ｔ１より後の第二の測定時点ｔ２におけるソース電極とドレイン電極との間の電圧Ｖｄｓをそれぞれ測定してその差分〔Ｖｄｓ（ｔ１）−Ｖｄｓ（ｔ２）〕を算出する。（１）の転換時から第一の測定時点ｔ１までの期間をＴ１、（１）の転換時から第二の測定時点ｔ２までの期間をＴ２として、Ｔ１＜Ｔ２である。
図１に示すように、ＯＦＦ時間ｔｏｆｆの始点から、第二の測定時点ｔ２までを、測定対象としている電界効果型窒化物トランジスタの実動作周波数ｆの一周期に対応させて設定することが好ましい。すなわち、Ｔ２＝（１／ｆ）−ｔｏｆｆ  とする。
したがって、図１(a)に破線で示すように、第二の測定時点ｔ２に、実動作ではＯＦＦ状態となる。図１において実線グラフが測定時の波形となる。
【００１６】
（３）  （１）（２）の条件を一定に設定した上で、電界効果型窒化物トランジスタの温度条件を異ならせて（２）の測定を複数回実行し、温度に対する前記差分の変化特性を電流コラプス特性として得る。
すなわち、図２(a)に示すように、異なる温度２５〔℃〕，７５〔℃〕、１７５〔℃〕において（２）の測定を実行し、図２(b)に示すように温度に対する差分〔Ｖｄｓ（ｔ１）−Ｖｄｓ（ｔ２）〕の変化特性を得る。なお、図２(a)には、簡単のため3つの温度を示した。測定対象としている電界効果型窒化物トランジスタの動作温度範囲にいて（例えば、25℃〜175℃）、多点測定する。
図２(b)に示す温度に対する差分〔Ｖｄｓ（ｔ１）−Ｖｄｓ（ｔ２）〕の変化特性のグラフ（代表値として、そのピーク値やピークを示す温度）は、その素子のＡｌＧａＮ層に内在するトラップ（深い準位）に依存しており、その素子の電流コラプス特性を示す固有値である。
以上のようにして、３つの特性パラメータ（温度・電界・時間）を定性的に扱い、ＡｌＧａＮ層のトラップ（深い準位） に捕獲された電子の挙動を測定し、電流コラプス現象を素子固有の電気的特性値（動特性）として定量的に測定することができる。
【００１７】
図３(a)は、電界効果型窒化物トランジスタのあるサンプルを対象に測定した結果を示す。その測定条件は、ｔｏｆｆ＝１〔ｍｓ〕、Ｔ２＝１，１０〔ｍｓ〕、Ｔ１＝（Ｔ２）／１０として、図３(a)に示すように異なる温度において測定を実行し、温度に対する差分〔Ｖｄｓ（ｔ１）−Ｖｄｓ（ｔ２）〕の変化特性を得たものであり、Ｔ２＝１〔ｍｓ〕の場合のグラフと、Ｔ２＝１０〔ｍｓ〕の場合のグラフとを同じ座標上に記載したものである。
Ｔ２＝１〔ｍｓ〕の場合は、（１／ｆ）＝ｔｏｆｆ＋Ｔ２＝１＋１＝２〔ｍｓ〕で、動作周波数ｆ＝５００〔Ｈｚ〕の場合に相当する。
Ｔ２＝１０〔ｍｓ〕の場合は、（１／ｆ）＝ｔｏｆｆ＋Ｔ２＝１＋１０＝１１〔ｍｓ〕で、動作周波数ｆ＝９０．９〔Ｈｚ〕の場合に相当する。
図３(b)は、図３(a)とは別のサンプルを対象として同じ条件で測定した結果を同様に示す。
図３に示すように、同じサンプルでも、温度のみならず、時間によって電流コラプスの影響の大きさが異なることが示されている。例えば、動作周波数ｆ＝９０．９〔Ｈｚ〕で使用するなら、図３(a)に測定結果が示されるサンプルの方が図３(b)に測定結果が示されるサンプルに比較して、ピーク値が低い、すなわち、電流コラプスの量が少なく、特性としてみると良好であると判断できる。
【００１８】
以上の測定方法によれば、図２(b)の波形のピーク値とその時の温度を測定することにより、電流コラプス現象を定性的・定量的に測定することが可能となる。
更に、以上のように第二の測定時点ｔ２を設定することで、実際にその素子をON/OFFさせる動作周波数に相当させて電流コラプス特性を測定することができ、従って、実際の動作周波数における電流コラプス現象を、定量的に測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
ｆ     実動作周波数
ｔ１   第一の測定時点
ｔ２   第二の測定時点
ｔｏｆｆ      ＯＦＦ時間
Ｖｄｓ ドレイン−ソース間電圧
Ｖｇｓ ゲート−ソース間電圧
【図１】
0006570357.tif 000002
【図２】
0006570357.tif 000003
【図３】
0006570357.tif 000004