Improvement in Device Performance in MIS AlGaN/GaN HFETs by Designing Insulator/AlGaN/GaN Structures

摘要

MIS構造AlGaN／GaNヘテロ構造FET（HFET）の高性能化への指針を得るため、絶縁膜とAlGaN障壁層とを一体の障壁層と考えた層構造設計の検討を行った。ゲート容量を一定に保持して絶縁膜の厚膜化とAlGaNの薄層化とを行うことにより、従来型HFETと同等の高い相互コンダクタンスを保ちつつ、従来型HFETで非常に大きいゲートリーク電流を大幅に低減可能なことが示された。さらに、MIS構造HFETにおいて、デブレション型デバイスとしての従来型HFETと同じしきい値を得るため、GaNチャネルへのチャネル・ドーピングを組み合わせた設計の検討を行った。その結果、MIS構造HFETにおいて、従来型HFETと同じしきい値と同等の高い相互コンダクタンスを保ちつつ、従来型HFETで非常に大きいゲートリーク電流を大幅に低減可能なことが示された。このことは、MIS構造HFETが、デブレション型の従来型HFETを置き換えるポテンシャルを有していることを示している。%To improve the device performance of GaN-based Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) heterostructure field-effect transistors (HFETs), the layer design of MIS AlGaN/GaN HFETs has been investigated by considering the insulator/AlGaN structures as the total barrier layers of MIS HFETs. With an increased insulator thickness and decreased AlGaN thickness, where the gate capacitance is kept constant, a high transconductance was successfully obtained that was equivalent to that of HFET, in addition to the reduced gate leakage current in MIS HFETs. Channel doping design has also been proposed to incorporate into MIS HFETs to modulate the threshold voltage aiming at the same application of depression mode as conventional HFETs. In a MIS HFET with channel doping design, a significantly reduced gate leakage current was obtained with a transconductance and threshold voltage that are kept close to typical values of HFETs, indicating that the device has a potential to replace conventional HFETs.