http://support.spring8.or.jp/Report_JSR/PDF_JSR_24B/2012B1861.pdf

2012B1861

BL46XU

パワーデバイス用 InAlN / GaN 高電子移動度トランジスタの硬 X 線光電子分光測定
Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy Study of InAlN/GaN-HEMTs
for Power Device
野村 健二, 滋野 真弓, 土井 修一
Kenji Nomura, Mayumi Shigeno, Shuuichi Doi(株)富士通研究所
Fujitsu Laboratories Ltd.
障壁層 / チャネル層で構成される、次世代パワーデバイス用の高電子移動度トランジスタにおける、ヘテロ構造界面のバンド構造解析を試みた。障壁層に InAlN 膜、チャネル層に GaN 膜を用いた、InAlN / GaN 膜において、価電子帯スペクトルに加えて、InAlN 層のみに起因する In 3d5/2
及び Al 1s、GaN 層のみに起因する Ga 2p3/2、両方の層に起因する N 1s 内殻スペクトルを選定し、光電子の取出し角の異なる、複数の内殻スペクトルのピーク位置及びピーク形状を考慮し、同時解析を行うことで、ヘテロ構造界面のバンド構造解析に成功した。
キーワード： パワーデバイス、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、硬 X 線光電子分光(HAXPES)
背景と研究目的：
近年、電気エネルギーの高効率利用が課題となっている。その解決策の 1 つが、現状の Si パワーデバイスに変わる、新しいパワーデバイスの導入である。パワーデバイスは、電気の変換・制御を行っており、性能向上により、変換時に無駄になる損失を大幅に低減できるため、電気の高効率利用が可能となる。窒化ガリウム（GaN）は、低損失・高効率な次世代パワーデバイス材料として期待され、世界中で開発が進められている。通常、図 1 に示したような、高電子移動度トランジスタ（HEMT： High Electron Mobility Transistor）と呼ばれる構造が採用されている。HEMT 構造デバイスでは、障壁層（InAIN）とチャネル層（GaN）の界面に 2 次元電子ガス（2DEG： TwoDimension Electron Gas)が発生し、これがデバイスを支配する。そのため、ヘテロ構造界面のバンド構造を知ることは、デバイス開発の促進に大きく貢献すると考えられる。しかし、実験室の X線光電子分光（XPS： X-ray Photoelectron Spectroscopy）では、障壁層が 10 nm 程度と厚いため、この界面を観測することはできなかった。また、HEMT 構造デバイスでは、障壁層の厚さにより、2DEG の濃度が変わるため、実験室 XPS でよく行われているような、障壁層を薄膜化して測定することや、障壁層とチャネル層を個別に測定することも出来なかった。本
課題の目的は、硬 X 線光電子分光（HAXPES： Hard X-rayPhotoelectron Spectroscopy）の、膜の深い領域まで観測可能な特徴を利用し、このヘテロ構造界面のバンド構造を評価する
図 1. HEMT 構造。
ことである。
実験：
試料には、Si 基板上に、有機金属化学気相成長（MOCVD：Metal Organic Chemical VaporDeposition）法で成膜した、In0.17Al0.83N(8 nm) / GaN(1 μm)膜を用いた。BL46XU で準備されている、Cu 製の標準試料ホルダに搭載して測定するために、8 mm × 4 mm サイズに切り出した。Cu ホ
ルダ上にカーボンテープを貼り付け、切り出した試料を固定した。また、チャージアップを抑制するために、試料表面と Cu ホルダを、カーボンテープにより導通させた。SPring-8 の BL46XUに設置されている HAXPES 装置を用いて測定を行った。測定は、BL46XU の標準的な装置条件で行った。入射 X 線のエネルギーは 7.95 keV、検出器のパスエネルギーは 200 eV、スリット幅は 0.5

mm である。本試料の測定においては、上記のカーボンテープのみで、チャージアップは観られなかったため、中和銃は使用しなかった。Au 4f7/2 の束縛エネルギーを 84 eV としてエネルギー校正を行うことにより、運動エネルギー(KE： Kinetic Energy)を束縛エネルギー(BE： Binding Energy)に変換した。本課題においては、価電子帯上端(VBM： Valence Band Maximum)のバンド構造の深さ依存を得るために、VBM スペクトルに加えて、内殻光電子スペクトルの測定を行った。VBM測定の場合、直接、VBM の情報を得ることが出来るが、障壁層とチャネル層の情報が畳重し、其々の情報を分離して得ることは困難である。一方、内殻光電子スペクトル測定の場合には、直接 VBMの値を得ることはできないが、VBM とフェルミエネルギー(EF)の位置関係により、内殻光電子スペクトルのピーク位置がシフトすることや、バンド曲りにより、ピーク形状が非対称になることが知られており、また、各層に固有の元素に起因するスペクトルを選択することで、各層毎の情報を分離して得ることが可能である。そのため、VBM スペクトルと内殻スペクトルを同時解析することで、HEMT 構造サンプルの詳細な VBM のバンド構造を得ることができると考えられる。
内殻スペクトルは、ピーク強度が大きく、半値幅が狭く、ピーク形状が対称で、バックグラウン
ドが平坦という観点から選定を行った。本課題では、障壁層である InAlN 層のみに起因するスペクトルとして In 3d5/2 及び Al 1s、チャネル層である GaN 層のみに起因するスペクトルとして Ga2p3/2、両方の層に起因するスペクトルとして N 1s を選定した。VBM のバンド構造の深さ依存を詳細に解析するために、80°、30°、15°、8°の 4 つの光電子の取出し角(TOA： Take Off Angle)で測定を行った。上記の TOA における光電子の脱出深さは、其々、TOA = 90°の場合と比較して、およそ 98 %、50 %、26 %、14 %に相当し、脱出深さが各ピークで約 1/2 になるように TOA の選定を行った。
結果および考察：InAlN / GaN 膜の測定の前に、InAlN 膜、GaN 膜の其々の厚膜を用いて、VBM と内殻スペクトルのエネルギー差を決定するための測定を行った。一例として、GaN 膜の結果を図 2 に示す。図2(a)は VBM の結果であり、図中の黒丸が測定データである。挿入図の赤線で示したように、直線近似により VBM を求めた。図 2(b)は N 1s、図 2(c)は Ga 2p3/2 の結果である。測定したプロファイ
ルを、Gauss、Lorenz、Voigt の 3 種類の関数でフィッティングを行った結果、Gauss 及び、Lorenz
関数においては、フィッティング精度が悪かったため、Voigt 関数を用いることとした。図中の赤線が Voigt 関数を用いたフィッティング結果であり、ピーク値より、其々の内殻スペクトルのエネルギーを求めた。本測定において、VBM－N 1s 及び、VBM－Ga 2p3/2 は、材料固有のパラメータであり、一度測定するだけでよい。同様にして、InAlN 膜においても、VBM－In 3d5/2、VBM－Al1s、VBM－N 1s を求めた。

図 2.

GaN 膜の測定結果。(a)VBM、(b)N 1s、(c)Ga 2p3/2 の結果。

InAlN / GaN 膜の内殻スペクトル測定を行った。InAlN 膜のみに起因する In 3d5/2 の結果を、図 3に示す。黒丸が測定データである。ピーク位置の TOA 依存は、ほとんど観測されていない。本結果は、InAlN 膜の VBM の深さ依存がほぼ一定値であることを意味している。Al 1s においても、
In 3d5/2 と同様の結果が得られているが、ここでは図を省略する。GaN 膜のみに起因する、Ga 2p3/2の結果を図 4 に示す。TOA が小さい程、低 KE 方向にピークがシフトしている。本結果は、GaN膜が InAlN 膜と接触することで、ヘテロ構造界面のバンドが曲がったことを反映している。なお、
Ga 2p3/2 において、TOA = 8°の結果が無い理由は、InAlN 層の影響で光電子が脱出できず、Ga 2p3/2スペクトルが観測されないためである。図 5 は、InAlN 膜と GaN 膜の両方の層に起因する、N 1sの結果である。TOA が小さい程、高 KE 方向にピークがシフトしている。本結果は、主として、
InAlN 膜と GaN 膜における、VBM－N 1s の差を反映している。

図 3.

In 3d5/2 の結果。

図 4.

Ga 2p3/2 の結果。

図 5.

N 1s の結果。

図 3 から図 5 の全ての結果を用いてフィッティングを行うことにより、VBM の深さ依存を求めた。深さ毎に異なるピーク位置であるとして、非弾性平均自由行程(IMFP：Inelastic Mean Free Path)を考慮して、其々のピークを足し合わせることにより、フィッティングを行った。ここで、IMFPは、TPP2M 式[1]より算出した。算出した概算値は、InAlN 領域では、In 3d5/2 は 11.24 nm、Al 1sは 9.81 nm、N 1s は 11.30 nm、GaN 領域では、Ga 2p3/2 は 8.98 nm、N 1s は 9.77 nm である。バックグラウンド補正に関しては、全ての測定データで、ピークの高エネルギー側と低エネルギー側で強度が等しかったため、定数値を除去するのみとした。各ピークのフィッティング結果を、図 3から図 5 の赤線で示す。また、その結果得られたバンド構造を図 6 に示す。図 6 の青線がフィッティングの結果得られた、VBM の深さ依存であり、緑線が、バンドギャップ値を用いて算出した伝導帯下端(CBM： ConductionBand Minimum)の深さ依存である。ここで、InAlN の バ ン ド ギ ャ ッ プ Eg(InAlN) はEg(InAlN) = 4.70 eV、GaN のバンドギャップEg(GaN)は Eg(GaN) = 3.43 eV である。ヘテロ構造界面において、CBM が EF より高 BE 側に沈み込んでおり、2DEG の発生及び、本InAlN / GaN 膜がノーマリーオン状態であることが確認できる。以上のように、InAlN/ GaN 膜において、各層に起因する内殻スペクトルを同時解析することで、ヘテロ構造界面のバンド構造を得ることに成功した。
図 6. 解析の結果得られたバンド構造。
今後の課題：
今後、パッシベーション膜やリセスが、ヘテロ構造界面に与える影響を明らかにする予定である。また、本手法をさらに、AlGaN / GaN 膜など、異なる HEMT 構造サンプルに適用することを予定している。
参考文献：[1] S. Tanuma, et al., Surf. Interface Anal. 21, 165 (1993).