卒業研究発表 Tokyo Institute of Technology

A novel ohmic contact for AlGaN/GaN

using carbide electrodes

1

電気電子工学科岩井/角嶋研究室所属 学部４年 10_21843 松川佳弘

次世代パワー半導体デバイス

新しいパワーデバイスとして横型AlGaN/GaN HEMTに注目

2

Electric FieldThermal

Conductivity

Melting

Point

Electron

Velocity

Energy

Gap

Electron

Mobility

GaN

Si SiC01

2

3

4

5

High Frequency

Operation

High Voltage

Operation

High Tem.

Operation

Electric FieldThermal

Conductivity

Melting

Point

Electron

Velocity

Energy

Gap

Electron

Mobility

GaN

Si SiC01

2

3

4

5

High Frequency

Operation

High Voltage

Operation

High Tem.

Operation

Yole développement, Power GaN, 2012

Passivation

AlGaN

GaN

Buffer layerSi(111) substrate

GateS D

耐圧 ~1000V

電子移動度 2000cm2/Vs

横型デバイスのため、集積化可能

新しい材料の物性値比較

AlGaN

Metal

GaN

2DEG

EC

EF

EV

高性能HEMT構造の実現課題

100 1000 1000

10

1

0.1

0.01耐圧 (V)

オン抵抗

, R

on

A(m

cm

2)

Cg=35nF/cm2

Lch=0.5mVg-Vth=5V

縦型

GaNデバイス限界

c=10cm2

1cm2

0.1cm2

0.01cm2

損失60%減横型

Siデバイス限界

750V 横型GaN

デバイス

W.Saito Solid-State Electronics 48(2004)

100001000

耐圧(V)

100

3

損失低減には、低抵抗なオーミックコンタクト電極が必要

Passivation

AlGaN

GaN

Buffer layerSi(111) substrate

GateS D

低コンタクト抵抗の必要性

AlGaN

Metal

GaN

2DEG

EC

EF

EV

従来のオーミックコンタクト電極の課題

4

L. Wang, APL, 95, 172107 (2009)

TiNの形成

電子のエネルギー分布

Bn

AlGaN Ef

電子

低融点のAlを用いず、窒素欠損を形成できるコンタクト電極材料が必要

Deepak Selvanathan J.Vac.Sci.Technol.B 22(5),2004

Ti,AlとAlGaNとの反応でオーミック接続 Al,Auの合金化により粗い表面状態

Al,Auの合金化(rms=70nm~)

800oC~

1000oC

で熱処理

窒素欠損によりトンネリング伝導

不均一な電気伝導及び空孔の発生の可能性

AlGaN

GaN

Ti

Al

Ni/Ti/Pt/Mo

Au

AlGaN

GaN

Metal高温熱処理

(>800oC)

電極パッド界面での剥離の恐れ

Al,Auに代わる物質の選択

物質 窒化物 Ti化合物 融点(oC)

Ti（チタン） TiN なし ~2950(TiN)

B（ホウ素） BN TiB2 ~2900

C（炭素） CN化合物 TiC ~3200

Si（ケイ素） SiN TiSi2 ~1700

Ta(タンタル) TaN Ti-Ta合金 ~3290(Ta)

Au(金) なし Ti-Au合金 1064(Au)

Al（アルミニウム） AlN Ti-Al合金 ~1000,

660(Al)

5

本研究では、窒化物が生成可能で高融点のC(炭素)を選択

窒素欠損を形成可能な高融点物質

本研究の目的

6

高融点物質のC(炭素)を利用したオーミックコンタクトと表面平坦性のある電極の実現

1, Ti/C/TiN電極によるオーミックコンタクト獲得

2, 良好な電極表面状態の獲得

製作プロセスと測定方法TiN(50nm)/TiC(20nm)

distanceSiO2(100nm)

GaN

AlGaN

Si sub

Buffer layer

7

X = 1,2,3

d = 22.5nm, 30nm

(Ti:C =1:1 の場合のみ)

d

電極構造

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= X:1

GaN

AlGaN

TiN

Ti

Al

比較対象電極

2.0

1.5

1.0

0.5

0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0-2.0 0 2.0

Voltage(V)

Cu

rre

nt(

mA

)

300m

80m

900oC

700oC800oC

1100oC

950oC

1000oC

1050oC

オーミック特性の熱処理温度

Cu

rre

nt(

mA

)

Voltage(V)

-2.0 0 2.0

2.0

1.5

1.0

0.5

0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0300m

80m

1025oC

800oC

700oC

900oC

950oC

925oC

8

熱処理温度 950oC~1050oC(Ti:C=1:1),

925oC~1025oC(Ti:C=3:1)によりオーミック特性実現

ショットキー特性

オーミック特性

ショットキー特性

オーミック特性

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 1:1

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 3:1

Tota

l Co

nta

ct r

esi

stan

ce(Ω

)

Contact distance(μm)

0 50 100 150 200 250 300 350

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

Ti:C=1:1 18sets (1025oC Anneal)

Ti:C=3:1 18sets(1025oC Anneal)

Ti:C=1:1 24sets (1025oC Anneal)Ti:C=2:1 18sets(1025oC Anneal)

9

Ti:C比率による抵抗値低減

Tiの比率が上昇するにつれ、コンタクト抵抗値が減少し、抵抗低減の可能性 (RC=2.7~2.9Ωmm ρC=3.4×10-4Ωcm2)

d

80m

目標値:5~10Ω

80%減少

膜厚による変化なし

コンタクト抵抗の測定温度依存性

コンタクト抵抗値の温度依存性が低いことから、界面の電気伝導が窒素欠損によるトンネリング伝導の可能性

10

Co

nta

ct r

esi

stan

ce R

C(Ω

mm

)100

10

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

1000/Temperature(K)

293K

56K

Annealing temperature:1000oC

Annealing time:1min

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 1:1

Carbon挿入による表面状態改善

Ti:C=3:1

Ti/C/TiN

1025oC

1min

Ti/Al/TiN

950oC

30sec

従来使用されているTi/Al積層構造よりも良質な表面状態

11

20m 20m

剥離 凝集

d

80m低抵抗が得られた熱処理温度での比較

GaN

AlGaN

TiN

Ti

Al

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 3:1

Carbon挿入による表面粗さ改善

Area:5×5 μm2 Area:5×5 μm2

Annealed at 1025oC

1minAnnealed at 950oC

30sec

表面粗さRMS(1)~4nm (2)~14nmとCarbideを導入した場合、平坦な表面を形成

12

局所的に凹凸

GaN

AlGaN

TiN

Ti

Al

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 3:1

本発表のまとめ

高融点物質 C(炭素)を用いることにより、

Tiの比率を変更したTi/C電極を用い、従来電極の10倍程度の2.7Ωmm~3Ωmm、ρc=3.1×10-4Ωcm2のオーミックコンタクト電極を形成

13

表面粗さ RMS

新しいコンタクト材料として高融点物質 C(炭素)を用いた

Back up

熱処理による反応モデル図

課題解決のためのアプローチ

オーミック獲得した熱処理温度

Ti:C=1:1では、熱処理 950~1050℃でオーミック特性が得られた

2.0

1.5

1.0

0.5

0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0-2.0 0 2.0

Voltage(V)

Cu

rre

nt(

mA

)

300m

80m

900oC

700oC800oC

1100oC

950oC

1000oC

1050oC

ショットキー特性

オーミック特性

オーミック温度(Ti:C=3:1)

Ti:C=3:1では、熱処理 900~1025oCでオーミック特性が得られた

Cu

rre

nt(

mA

)

Voltage(V)

-2.0 0 2.0

2.0

1.5

1.0

0.5

0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0300m

80m

1025oC

800oC

700oC

900oC

950oC

925oC

オーミック特性

ショットキー特性

低温測定における距離依存性

0 50 100 150 200 250 300Contact distance(μm)

1200

1000

800

600

400

200

0

Tota

l re

sist

ance

(Ω)

293K

200K

56K

低温になるにつれ、ドリフト抵抗値が小さくなっていき、傾きが緩やかになっていく。

このグラフから各測定温度の面積比抵抗が導き出せる。

Annealing temperature:1000oCAnnealing time:1min

オーミック特性の得られる温度(続き)

●アニール温度上昇とともに電流値が増加し、1050oCでオーミック特性が得られた。●1050oC以上のアニール温度では、

オーミック特性が崩れていくことが読み取れる。

●アニール温度上昇とともに総抵抗値が低下していくのが、読み取れる。

●オーミック特性の得られた1050oC

の抵抗値が最も小さく、1.64×103

であった。

Annealing Temperature(oC)

1.0×108

1.0×107

1.0×106

1.0×105

1.0×104

1.0×103

1.0×102

1.0×101

1.0×100

Tota

l R

esis

tance)@-1V

TiN(50nm)/TiCdistance

SiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

distanceSiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

distanceSiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

(17.68nm)distance

SiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Ohmic

Annealing Temperature(oC)

1.0×108

1.0×107

1.0×106

1.0×105

1.0×104

1.0×103

1.0×102

1.0×101

1.0×100

Tota

l R

esis

tance)@-1V

TiN(50nm)/TiCdistance

SiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

distanceSiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

distanceSiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

(17.68nm)distance

SiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Annealing Temperature(oC)

1.0×108

1.0×107

1.0×106

1.0×105

1.0×104

1.0×103

1.0×102

1.0×101

1.0×100

Tota

l R

esis

tance)@-1V

TiN(50nm)/TiCdistance

SiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

distanceSiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

distanceSiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

(17.68nm)distance

SiO2

GaN(1.3m)

AlGaN(26nm)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Ohmic

Voltage（V)

Cu

rre

nt（

mA

)

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1050oC

1000oC

1100oC

800oC

900oC

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

300μ m

80μ m

150μ m300μ m

80μ m

150μ m

Voltage（V)

Cu

rre

nt（

mA

)

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1050oC

1000oC

1100oC

800oC

900oC

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

Voltage（V)

Cu

rre

nt（

mA

)

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1050oC

1000oC

1100oC

800oC

900oC

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

300μ m

80μ m

150μ m300μ m

80μ m

150μ m

Fig. 5 I-V characteristic of TiC. Fig. 6 Total resistance on annealing temperature.

21

Ti5C8電極では1050℃でオーミック特性が得られる。しかし、幅広い範囲ではオーミック特性が得られない。

炭素導入による表面改善可能性

30 50 70 90

θ-2θ(deg)

Log(

cou

nts

)

TiC(111) TiC(200)

TiC(220)

TiC(311)

TiC(222)

Annealing temperature:500oC

Substance Grain size(nm)

TiC(500℃) 3.9

TaC 3.2

W2C 1.9

Substance Grain size(nm)

TiC(500℃) 3.9

TaC 3.2

W2C 1.9

AlGaN

GaN

AlGaN

GaN

K.Tuokedaerhan Apl 103 111908(2013)

ナノ結晶粒子形成により平坦な表面が形成可能

AlGaN

GaN

AlGaN

GaN

SiSiO2

TiC

TiC

18set

1set

TiC生成の確認

積層構造で堆積したTi（チタン）とC(炭素）は、500oCのアニールで、TiCとなることがXRDにより確認出来ている。

30 50 70 90

θ-2θ(deg)

Log(

cou

nts

)

TiC(111) TiC(200)

TiC(220)

TiC(311)

TiC(222) SiSiO2

TiC

TiC

Annealing temperature:500oC

18set

K.Tuokedaerhan Apl 103 111908(2013)

1set

GaN

AlGaN

18sets

GaN

AlGaN

24sets

GaN

AlGaN

18sets

0.8nm0.45nm

TiNTiN

(a) (b)

0.8nm0.45nm

(c)

TiN

1.6nm0.45nm

(d)

GaN

AlGaN

18sets

TiN

2.4nm0.45nm

電極の積層プロセス

TiC電極利用の狙いCN(シアン)生成による窒素欠損形成

TiCNGa2Al 0.750.25

kJ/mol7.190Ga2

3Al

2

1CNTiN

Substance -Δ H298

(kJ/mol)

Al0.25Ga0.75N 162.7

TiN 265.5

TiC 184.5

CN 435.1

Substance -Δ H298

(kJ/mol)

Al0.25Ga0.75N 162.7

TiN 265.5

TiC 184.5

CN 435.1

298Kにおける生成エンタルピー

CN（シアン）の生成により、AlGaN層からガスとしてN(窒素)を抜き取る

Metal

AlGaN

GaN

VNVN VNVN VNVN VNVN

AFMによる測定

測定用針電極

界面のTEM画像

Si

Buffer

GaN

AlGaN

デバイス構造に対応したTEM画像が確認できた

TiN(50nm)/TiC(20nm)

distanceSiO2(100nm)

GaN

AlGaN

Si sub

Buffer layer

Contact

電極断面のTEM画像(1)

AlGaN(10nm)

TiCとTiNの界面は不均一で混ざり合ってる

Interface layer

Surface

Contact

電極断面のTEM画像(2)

AlGaN層が上部の層の侵食により、膜厚が減少

AlGaN(10nm)

表面

Interface layer

Contact

(193nm)

28

24

20

16

12

8

4

00 10 100

Co

nta

ct r

esi

stan

ce R

C(Ω

mm

)

Annealing Time(min)

Ti/Al/Mo/TiNTiC/TiN

熱処理時間依存性

アニール時間が増大するにつれ、面積比抵抗が増大している。

Annealing temperature:1000oC

電極の表面状態

Type (a)

Ti:C=1:1

Ti/C/TiN

1025oC

1min

Type (d)

Ti:C=3:1

Ti/C/TiN

1025oC

1min

比率に関わらず、Carbon挿入により、良好な表面状態が得られている

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 3:1

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 1:1

電極端の明瞭さ

10μm10μm

荒れがない明瞭な電極端

GaN

AlGaN

TiN

Ti:C= 3:1

Au/Al 電極パッドとワイヤの剥離

Au/Al 電極界面 195oC 500時間

先行研究の電極表面

B.Luo, F.Ren, R. C. Fitch, J. K.

Gillespie, T. Jenkins, J. Sewell, D.

Via, A. Crespo, A. G. Baca, R.D.

Briggs, D. Gotthold, R. Birkhahn, B.

Peres, S. J. Pearton, “Improved

morphology for ohmic contacts for

AlGaN/GaN high electron mobility

transistors using WSix- or W-based

metallization”, Applied Physics

Letters, Volume 82, Number22, 2003

AuとAlの合金化による凝集

先行研究の電極端

Deepak Selvanathan, Fitih M.

Mohammed, Asrat Tesfayesus, and

Ilesanmi Adesida, “Comparative study

of Ti/Al/Mo/Au, Mo/Al/Mo/Au, and

V/Al/Mo/Au ohmic contacts to

AlGaN/GaN heterostructures”, J. Vac.

Sci. Technol. B, Vol. 22, No. 5, 2004

GaNの材料的優位点GaNの利点①絶縁破壊電界[MV/cm]が大きい（Siの約10倍）②熱伝導率[W/cm/K]が高い(Siの約1.5倍)

③電子飽和速度[cm/s]が大きい(Siの約2.5倍)

④ＨＥＭＴ構造が可能である⑤大型エピウェハ形成による低コスト化

Si SiC GaNバンドギャップ[eV] 1.1 3.26 3.39

絶縁破壊電界[MV/cm] 0.3 2 3.3

キャリア移動度[cm2/V/s] 1350 650~720 2000(HEMT)

電子飽和速度[1×107cm/s] 1 2 2.5

熱伝導率[W/cm/K] 1.5 4.5 2.1

表１：各種材料の比較

36

冷却性に優れた、高耐圧かつ高周波数で動作可能な低コストパワーデバイスの作成が可能

求められる電極条件

①低いショットキー障壁（仕事関数）の金属

例：Ti,Al,AlN

②局所伝導に依存しないために、接合部であるAlGaN層と面で反応して、窒素を引き抜ける金属

真空準位

Metal

仕事関数W

Semiconductor

Schottky障壁

結晶欠陥を利用した局所伝導 窒素を均一に抜き取った面伝導 37

TiSi2

AlGaN

GaN

VNVNVNVNVNVNVNVNVNVN

TiSi2

AlGaN

GaN

VNVNVNVNVNVNVNVNVNVN

Ti

GaN

TiN TiNVNVNVNVNVNVN VNVN

Ti

GaN

TiN TiNTiNVNVNVNVNVNVN VNVN

GaN半導体の課題

Passivation

AlGaN

GaN

Buffer layerSi(111) substrate

GateS D

Metal contact

:Normally-off, high threshold voltage

:Low gate leakage current

:MIS, Reccess, Surface treatment

Buffer breakdown

:Crack-free, Defect reduction

:High breakdown voltage

:Doping/Interlayer

Ohmic contact

:Low contact resistance

:Good edge acuity

:Au-free CMOS capatible ohmic

2DEG channel

:High mobility for Ron

:Self heating issue

Passivation

:Leakage,current collapse control

:SiNx,Al2O3, SiO2, HfO2,etc

Field plate

:High breakdown voltage

:Low leakage current

:Reliability

電極とAlGaN/GaN基板との間のオーミック接続の問題に着目