GaN中の隠れた欠陥評価

窒化ガリウム、GaNは、次世代パワーエレクトロニクス、高周波デバイス、オプトエレクトロニクス、高効率エネルギー応用において、非常に重要な半導体材料となっています。従来のシリコンと比較して、GaNは高い絶縁破壊電界、高い電子移動度、高温動作への適性、小型かつ高出力なデバイスへの応用可能性など、多くの利点を有しています。

一方で、GaNデバイスの性能や信頼性は、通常の外観検査や構造評価だけでは把握しにくい要因によって制限されることがあります。それが、電気的に活性な欠陥です。

これらの欠陥は非常に小さく、場合によっては原子1個の欠落や、原子が本来の格子位置からずれることによって形成されます。しかし、そのような微小な欠陥であっても、デバイス特性に大きな影響を与える可能性があります。GaN HEMT、縦型GaNパワーデバイス、GaNダイオード、LED、その他のGaN系デバイスでは、これらの欠陥が電流コラプス、動的オン抵抗、リーク電流、しきい値電圧の不安定性、耐圧劣化、長期信頼性の低下などに関与することがあります。

半導体デバイスは、外観上問題がなく、表面が清浄で、結晶性も良好に見える場合があります。また、初期の電気特性も良好に見えることがあります。しかし、材料内部や界面付近に存在する隠れた欠陥が、電子や正孔を一時的に捕獲するトラップとして働く場合があります。

これらのトラップは、キャリアを捕獲し、一定時間後に再放出します。この捕獲と放出の挙動は、デバイス内部の電界分布を乱し、動作特性の変動、リーク電流の増加、効率低下、信頼性低下などを引き起こす可能性があります。

GaNにおける電気的に活性な欠陥は、さまざまな工程や要因によって形成されます。

• エピタキシャル成長
• プラズマエッチング
• イオン注入
• 電子ビーム照射や放射線照射
• 表面処理およびパッシベーション
• ゲート絶縁膜形成
• 熱アニール
• 基板、界面、バッファ層に起因する欠陥

GaNやSiCのようなワイドバンドギャップ半導体では、これらの欠陥準位がバンドギャップ内の深い位置に存在することがあります。そのため、単純な浅いドーパントとは異なり、複雑なトラップ状態としてデバイス特性に影響を与えることがあります。

DLTS（Deep Level Transient Spectroscopy、深準位過渡分光法）は、半導体材料およびデバイス中の深い準位欠陥を評価するための高感度な電気的評価手法です。

簡単に言えば、DLTSではショットキーダイオード、pn接合、MOS構造、デバイス構造などの半導体接合に電圧パルスを印加し、欠陥準位に捕獲されたキャリアが温度変化に伴って放出される過程を測定します。

この過渡応答を解析することで、以下のような情報を得ることができます。

• トラップのエネルギー準位
• トラップ濃度
• 捕獲断面積
• 電子トラップか正孔トラップか
• 熱的な放出挙動
• 構造や測定方法によっては深さ方向分布
• プロセス、ストレス、照射、アニールによる変化

最近のGaN研究では、DLTSがプロセス誘起欠陥の同定に有効であることを示す事例が報告されています。代表的な研究では、フリースタンディングGaN基板上に成長したn型およびp型GaN層に電子ビーム照射を行いました。この目的は、GaN結晶中に制御された損傷を導入することでした。

電子ビーム照射により、原子が本来の格子位置から変位し、GaN結晶自体に由来する真性点欠陥が形成される可能性があります。照射後、研究者らはDLTSを用いてGaN層中に導入されたトラップを評価しました。

その結果、2種類の電子トラップ準位と1種類の正孔トラップ準位が確認されました。

ここで重要なのは、DLTSが単にトラップの存在を検出しただけではないという点です。DLTSによって得られた電気的なトラップ信号を、原子スケールの欠陥モデルと結びつけることが可能になりました。

研究では、測定されたDLTS準位を第一原理計算の結果と比較しました。さらに、トラップ濃度が電子ビーム照射量、すなわちフルエンスに対してどのように変化するか、またアニール後にトラップがどのように変化するかも調べられました。このように、DLTS測定、制御された欠陥導入、理論計算との比較、熱安定性評価を組み合わせることで、観測されたトラップ準位が窒素変位に関連する真性欠陥に由来する可能性が支持されました。

この研究においてDLTSが重要であった理由は、対象となる欠陥が表面上の粒子や大きな構造欠陥ではなく、半導体格子中の点欠陥であったためです。

DLTSがなければ、これらの欠陥が電気的に活性なトラップ準位を形成しているか、バンドギャップ内のどの位置に存在しているか、デバイス特性にどの程度影響する可能性があるかを判断することは困難です。

GaNパワーデバイスや高周波デバイスを開発する企業、研究機関にとって、欠陥評価は単なる学術的な分析ではありません。歩留まり、安定性、寿命、顧客信頼性に直結する重要な技術課題です。

DLTSは、以下のような比較評価に活用できます。

• 異なるGaNエピタキシャルウェハメーカーの比較
• GaN-on-Si、GaN-on-SiC、バルクGaNの比較
• 異なるバッファ構造およびパッシベーションプロセスの比較
• プラズマエッチング前後の比較
• ゲート絶縁膜形成前後の比較
• アニール前後の比較
• ストレス印加前後のデバイス比較
• 不良デバイスと良品デバイスの比較
• 研究開発や量産プロセス開発における条件分岐の比較

特に、通常の電気特性評価で問題が確認されても、その原因が明確でない場合にDLTSは有効です。例えば、リーク電流や動的オン抵抗の増加が、バッファ層、表面、ゲート近傍、またはバルク中のトラップに起因している可能性があります。DLTSにより、どのようなトラップ準位が存在し、それらが温度やバイアス条件に対してどのように応答するかを詳しく調べることができます。

セラミックフォーラムでは、電気的に活性な欠陥をより深く理解したい研究者、デバイスエンジニア、半導体メーカー向けに、DLTS測定・解析サービスを提供しています。

弊社のDLTS測定サービスは、以下のような先端半導体材料やデバイス構造の評価に有用です。

• GaNおよびSiC
• ダイヤモンドおよびその他の超ワイドバンドギャップ半導体
• 化合物半導体
• パワー半導体構造
• オプトエレクトロニクス材料
• 太陽電池およびペロブスカイト関連材料
• MOSおよび界面構造
• ショットキー接合およびpn接合デバイス

このサービスは、初期の実現可能性評価、プロセス比較、故障解析、学術研究支援、顧客サンプル評価、装置導入前の事前評価、専門的な解釈が必要な開発プロジェクトに適しています。

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この柔軟性は非常に重要です。なぜなら、すべての半導体試料が同じ測定条件に適しているわけではないためです。従来の容量DLTSに適した試料もあれば、半絶縁性材料、極薄層、高リークデバイス、FET構造、界面支配型サンプルのように、電流DLTS、電荷DLTS、PITS、TSC、光励起、または高度な過渡応答解析が必要となる場合もあります。

PhysTech FT 1230 HERA-DLTSシステムは、ルーチン測定から最先端の欠陥研究まで幅広く対応できるよう設計されています。デジタル過渡信号取得、柔軟なパルス制御、高度な解析ソフトウェア、多様な測定モードにより、さまざまな半導体材料およびデバイス構造中の電気的に活性な欠陥を詳細に評価することが可能です。

GaN技術がさらに高電圧、高周波、高信頼性の応用へ展開していく中で、電気的に活性な欠陥の理解はますます重要になっています。

DLTSは、デバイス特性に影響するトラップを直接評価するための有効な手法です。プロセス誘起欠陥の検出、材料品質の比較、故障解析、プロセス最適化に役立ちます。

電子ビーム照射によってGaN中に形成される真性点欠陥の研究は、原子スケールの欠陥形成と電気的に観測されるトラップ準位をDLTSによって結びつける好例です。このような理解は、より高性能で信頼性の高いGaNデバイスを実現するために不可欠です。