〈一般研究課題〉 センサネットワークのための窒化物半導体集積回路の検討
助 成 研 究 者

豊橋技術科学大学

岡田浩

センサネットワークのための窒化物半導体集積回路の検討
岡田 浩（豊橋技術科学大学）

Investigation of nitride-based semiconductor integrated
circuits for sensor network
Hiroshi Okada(Toyohashi University of Technology)

Abstract：
Fabrication technology of nitride-based semiconductor electronic devices towards integrated
circuits for sensor network has been studied. For formation of GaN-based metal-oxidesemiconductor (MOS) field-effect transistor (FET), which is a one of the key technology forrealization of monolithic integrated circuit operable in various environment including hightemperatures, deposition of thin SiO2 film on GaN by atomic species enhanced chemical vapor
deposition (ASECVD) proposed by our research group has been investigated. Fabricated SiO2/GaN
MOS diode showed superior characteristics with low leakage current density in current density
versus electric field (J–V ) characteristics as well as ideal capacitance–voltage (C–V )characteristics. We also investigated device isolation technique for formation of monolithic
integrated circuit by Boron ion-implantation. Well-behaved MOSFET operation has been confirmed
at room temeprature and at 200℃ in fabricated GaN-based MOSFETs. Monolithic integration ofGaN-based transistors are studied for future sensor network application.
1．はじめに(研究目的)
センサネットワークや IoT 技術による安全・安心な生活や社会実現が嘱望されている。例えば、
橋梁などの構造物にセンサを埋め込み、劣化や歪みの状況をモニタリングが可能になれば、社会イ－ 123 －

(D-MOSFET) を組み合わせた E/D 型インバータにむけた検討を行なっている。E-MOSFET とD-MOSFET では閾値電圧が異なっており、その閾値調整にはシリコン集積回路で用いられているチャネルへのイオン注入を用いた。GaN に対しては Si がドナー不純物として利用可能であり、イオン注入によるドーピング制御も行われている。しかしながら、GaN への Si のイオン注入は、一般的にコンタクト領域形成のための高濃度ドーピングが主であり、ドーピング濃度は 1019 ∼ 1020
cm−3 台であることが多い。これに対しトランジスタの閾値調整では、数 V 程度の閾値のシフトのための不純物添加量は 1015 cm−3 程度であり、イオン注入のドーズ量としては低ドーズと見積もられる。Si 集積回路では不純物の選択やイオン注入後の活性化プロセスが確立しているのに対し、窒化物半導体では熱処理技術を含めたイオン注入技術は発展途上の段階であり、特にイオン注入量が低濃度領域での制御性の知見は少ない。そこで、GaN の集積回路作製プロセスの要となる Si イオン注入技術に着目し、GaN への低濃度 Si イオン注入効果について MOS ダイオードの C–V 特性評価から解析を行なった。その結果、閾値シフト量はイオン注入した Si の量に対して単純な線形関係にはならないものの、注入量に対して系統的に閾値変化が得られると見積もられた。[5] ここで得られた知見をもとに、E/D 型インバータ回路を作製し、インバータ回路動作を確認した。
[6] 今後、得られた結果を検証し、回路設計のためのパラメータ抽出なども行なっていく予定である。
3．まとめ
本検討では窒化物半導体を用いた集積回路実現に向けた検討を行なった。センサーネットワークのような多様な環境で使用される集積回路のために、窒化物半導体を基板材料とする絶縁ゲート型のトランジスタのために、独自開発した ASECVD 法による SiO2 膜を堆積した GaN の特性を評価し、良好な半導体/絶縁体界面の形成を示すデータ得ることができた。集積回路実現のための素子分離技術について検討するとともに、絶縁膜をゲート絶縁膜として採用した絶縁ゲートトランジ
スタを実際に作製し、室温から 200℃の広い温度領域においてゲートリーク電流の小さい良好なトランジスタ動作を確認した。窒化物半導体を用いた小規模集積回路として E/D インバータ回路の試作と評価を行なった。回路の基本特性について動作確認をすることができており、今後、素子構造や作製プロセスの改良を重ね、より高度な機能を有する回路作製へと研究を進めて行く予定である。
参考文献［1］H.Okada, K.Kawakami, T.Shinohara, T.Ishimaru, H.Sekiguchi, A.Wakahara, and M.Furukawa,“Chemical vapor deposition of silicon nitride film enhanced by surface-wave plasma for surface
passivation of AlGaN/GaN device,”AIP Conf. Proc., 1659, 41 (2015).
［2］H.Okada, M.Baba, M.Furukawa, K.Yamane, H.Sekiguchi, and A.Wakahara,“Formation of SiO2
film by chemical vapor deposition enhanced by atomic species extracted from a surface-wave
generated plasma,”AIP Conf. Proc., 1807, 020006 (2017).
［3］Z .H.Liu, G.I.Ng, H.Zhou, S.Arulkumaran, and Y.K.T.Maung,“Reducing surface leakage
current and trapping effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors on silicon with－ 128 －SiN/Al2 O3 passivation,”Appl. Phys. Lett., 98, 113506 (2011).
［4］F.Hemmi, C.Thomas, Y.-C.Lai, A.Higo, A.Guo, S.Warnock, J.A.del Alamo, S.Samukawa,T.Otsuji and T.Suemitsu,“Neutral beam etching for device isolation in AlGaN/GaN HEMTs,”
Phys. Stat. Solidi A, 214 (3), 1600617 (2017).
［5］岡田浩、横山太一、三輪清允、山根啓輔、若原昭浩、関口寛人、「窒化物半導体集積回路プロセ ス の 検 討 –Si イ オ ン 注 入 に よ る 閾 値 調 整 の 試 み–」、 電 子 情 報 通 信 学 会 技 術 研 究 報 告ED2019-26,CPM2019-17,SDM2019-24 (2019-05)［6］H .Sekiguchi, K.Miwa, K.Yamane, A.Wakahara, and H.Okada, “GaN-based Inverter byMonolithic Integration of Threshold Controlled MOSFETs,”Compound Semiconductor Week
2019, MoP-G-10 (Nara, May 19–23) (2019).

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