概要（Abstract）
この論文では、Si 基板上に成長した AlGaN/GaN HEMT において、単層 C ドープバッファと C/Fe 複合ドープバッファの電気的・ノイズ・ダイナミック特性を比較評価した。C/Fe 複合バッファは Fe 拡散抑制を目的として C 層を上部に配置した構造を採用している。DC 特性は類似するものの、複合バッファはより大きな vertical breakdown voltage (1055 V) と **低シート抵抗（269 Ω/□）**を示し、一方で単層 C バッファは 低ノイズ・低トラップ密度・低動的 Ron を示した。SIMS、ノイズ解析、温度依存測定の結果から、Fe 由来トラップによるチャネル散乱および動的特性劣化が主因であることが示された。複合バッファはさらなる最適化次第で、高耐圧と絶縁性制御の両立に有望と結論づけられる。
背景
GaN HEMT の高耐圧化には、高抵抗（semi-insulating）GaN バッファの最適設計が不可欠である。しかし既存手法には次の課題がある。
● Fe ドープバッファの課題
- 深いドナー準位（Ec − 0.5–0.6 eV）によるキャリア補償が有効
- しかし **Fe メモリー効果（拡散）**によりチャネル近傍へ Fe が侵入
→ 2DEG 劣化、動特性悪化、信頼性低下
● C ドープバッファの課題
- アクセプタ準位（Ev + 0.9 eV）による高絶縁性
- だが current collapse が大きいという報告もあり、深いトラップの制御が不十分
● 本研究の狙い
- Fe 拡散を抑制しつつ、C の絶縁性を活かすために
下層 Fe-doped GaN + 上層 C-doped GaN の複合構造を設計。 - 従来ほとんど検討されていない C/Fe 複合バッファ構造の統合評価を行い、
ダイナミック特性・ノイズ・耐圧などの全体 trade-off を明らかにする。
手法
1. エピ構造と材料パラメータ
MOCVD により以下の積層構造を Si 基板上に形成：
- AlN nucleation：300 nm
- GaN buffer：1500 nm（C-only または C/Fe 複合）
- C 濃度：1×10¹⁹ cm⁻³
- Fe 濃度：2×10¹⁸ cm⁻³
- GaN channel：300 nm
- AlGaN barrier：20 nm
- GaN cap：3 nm
Hall 測定
- μ_RT：C = 1220 cm²/Vs、C/Fe = 1130 cm²/Vs
- ns：C = 1.84×10¹³ cm⁻²、C/Fe = 2.05×10¹³ cm⁻²
2. デバイスパラメータ
- Gate length：1 µm
- Source–drain spacing：6 µm
- Gate metal：Ni/Au
- Ohmic：Ti/Al/Ni/Au（RTA）
3. 解析手法
- DC（Agilent 4142）
- パルス測定（AMCAD AM213/241）
- 低周波ノイズ（10–1000 Hz）
- 温度依存特性（300–400 K）
- SIMS による C/Fe プロファイル
- XRC による結晶品質評価（002/102 FWHM → dislocation density）
主要結果
■ 1. DC 特性
● IDS–VDS（Figure 2a）
- Ron：C = 4.69 Ω·mm, C/Fe = 4.97 Ω·mm
- gm_peak：C = 134.7 mS/mm，C/Fe = 139.7 mS/mm
- IDS_max：ほぼ同等（~590 mA/mm）
● サブスレッショルド（Figure 2c）
- SS：C = 107 mV/dec（良好）
C/Fe = 123 mV/dec - ION/IOFF：
- C = 1.13×10⁶
- C/Fe = 6.71×10⁵
→ C-doped の方がオフリーク・トラップの少なさを反映
● ゲートリーク（Figure 2d）
- VGS = −10 V において
- C：1.79×10⁻⁵ mA/mm
- C/Fe：2.06×10⁻⁴ mA/mm
■ 2. ダイナミック特性（current collapse、drain lag）
● パルス測定（Figure 4a–b）
- current collapse
- C：8.2%
- C/Fe：8.9%（悪化）
- dynamic Ron (VDSQ = 6 V)
- C：1.27×
- C/Fe：1.44×
→ C/Fe は深い/浅いトラップ双方の影響で動特性が劣る
■ 3. 低周波ノイズ（Figure 5a–b）
- SID：全周波数で C/Fe > C
- 1/f に加えて C/Fe は Lorentzian 成分（corner ~100 Hz）
- トラップ時定数：
- C：~4.0 ms
- C/Fe：~1.5 ms（浅いトラップ由来）
SID/IDS² vs VGS の解析
- C/Fe は **VGS⁻³ 領域（チャネル・バッファトラップ）**の寄与が大
→ Fe 由来トラップと高転位密度の影響が顕著。
■ 4. 耐圧特性（Figure 6）
● 横方向耐圧
- C：979 V
- C/Fe：690 V
→ C の方が高絶縁性でリークが少なく高耐圧。
● 縦方向耐圧
- C：1025 V
- C/Fe：1055 V（若干向上）
→ Fe のキャリア補償効果により vertical path の絶縁性が改善。
● シート抵抗
- C：278 Ω/□
- C/Fe：269 Ω/□（低い）
SIMS（Figure 6d）より Fe はチャネル側に拡散していないため、
下記が示唆される：
- C/Fe の Ron 悪化は チャネルの劣化ではなく、バッファ由来のトラップ効果
■ 5. 結晶品質と転位密度（XRC）
- (002)/(102) FWHM
- C：443 / 640 arcsec
- C/Fe：701 / 1140 arcsec
→ C/Fe の結晶品質は大きく劣化
転位密度（経験式より）
- C：2.57×10⁹ cm⁻²
- C/Fe：7.89×10⁹ cm⁻²
→ Fe ドープが主因。動特性・ノイズ劣化と整合的
■ 6. 温度依存特性（300–400 K）
● IDS ロールオフ（Figure 7）
- C：20.7% 低下
- C/Fe：31.1% 低下
● Ron 増加
- C：4.21 → 5.39 Ω·mm（+22%）
- C/Fe：4.13 → 7.24 Ω·mm（+42.9%）
→ C の方が熱的劣化が小さく、熱散逸にも優れる
考察
● Fe の深い準位は vertical breakdown に寄与
- キャリア補償による絶縁性強化
- しかし同時に 浅いトラップ・転位増加も誘発
● C 層による Fe 拡散抑制は成功
SIMS により Fe はチャネルから隔離されているため、
チャネル品質悪化は抑えられている。
● しかし C/Fe は結晶品質劣化 → トラップ密度増大
- XRC で C/Fe の広い FWHM
- low-frequency noise（Lorentzian）
- drain lag
→ すべて整合的
技術的意義と展望
■ 本研究の位置付け
従来研究では、
- C ドープ：絶縁性は高いが current collapse が課題
- Fe ドープ：絶縁性/耐圧は良いが拡散・信頼性に課題
本研究はこれらを複合化し、
“C による Fe 拡散抑制”
“Fe によるキャリア補償と高耐圧化”
の両立を目指した点に新規性がある。
■ 技術的インパクト
- vertical breakdown：+30 V（1025 → 1055 V）
- Rsh：−9 Ω/□（わずかに低下）
- Fe 拡散：SIMS で明確に抑制
→ GaN-on-Si パワーデバイスの限界である vertical leakage に対して貢献
■ 今後の最適化方向
- Fe 濃度の最適化（過剰ドープは転位増加）
- Fe 層の薄膜化、C-superlattice の導入
- 高 C 濃度によるエピ品質劣化の抑制技術
- バックバリア（AlGaN）との組み合わせ
→ 複合バッファは “trade-off optimization platform” として将来性が高い
まとめ
本研究は、AlGaN/GaN HEMT における C/Fe 複合バッファの利点と課題を定量的に示した。
● 利点
- Fe diffusion の抑制に成功
- vertical breakdown 電圧が向上（1055 V）
- シート抵抗低下（269 Ω/□）
● 課題
- XRC で示される結晶品質劣化
- 動的 Ron 増加（1.44×）
- 低周波ノイズの増大
- 温度特性の悪化
総合評価として、
C/Fe 複合構造は “高耐圧化” に有効だが、動特性とトラップ密度の最適化が不可欠
であり、今後のエピプロセス改良によって高性能 GaN-on-Si パワーデバイスのプラットフォームとなる可能性が高い。
参考文献
Chang PH, Huang CR, Liu CH, Lee KW, Chiu HC. The Effect of Dual-Layer Carbon/Iron-Doped Buffers in an AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistor. Micromachines (Basel). 2025 Sep 10;16(9):1034. doi: 10.3390/mi16091034. PMID: 41011924; PMCID: PMC12471957.
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