The interface properties and energy band alignment of SiO2/GaN metal-oxide-semiconductor (MOS) structures fabricated on N-polar GaN() substrates were investigated by electrical measurements and synchrotron-radiation x-ray photoelectron spectroscopy. They were then compared with those of SiO2/GaN MOS structures on Ga-polar GaN(0001). Although the SiO2/GaN() structure was found to be more thermally unstable than that on the GaN(0001) substrate, excellent electrical properties were obtained for the SiO2/GaN() structure by optimizing conditions for post-deposition annealing. However, the conduction band offset for SiO2/GaN() was smaller than that for SiO2/GaN(0001), leading to increased gate leakage current. Therefore, caution is needed when using N-polar GaN() substrates for MOS device fabrication.
References
1.
B. J.
Baliga
, Semicond. Sci. Technol.
28
, 074011
(2013
).2.
T.
Kachi
, Jpn. J. Appl. Phys.
53
, 100210
(2014
).3.
H.
Amano
, Y.
Baines
, E.
Beam
et al., J. Phys. D
51
, 163001
(2018
).4.
M. A.
Khan
, J. N.
Kuznia
, D. T.
Olson
, W. J.
Schaff
, J. W.
Burm
, and M. S.
Shur
, Appl. Phys. Lett.
65
, 1121
(1994
).5.
T.
Ueda
, M.
Ishida
, T.
Tanaka
, and D.
Ueda
, Jpn. J. Appl. Phys.
53
, 100214
(2014
).6.
M.
Kuzuhara
, J. T.
Asubar
, and H.
Tokuda
, Jpn. J. Appl. Phys.
55
, 070101
(2016
).7.
R.
Asahara
, M.
Nozaki
, T.
Yamada
, J.
Ito
, S.
Nakazawa
, M.
Ishida
, T.
Ueda
, A.
Yoshigoe
, T.
Hosoi
, T.
Shimura
, and H.
Watanabe
, Appl. Phys. Express
9
, 101002
(2016
).8.
S.
Nakazawa
, H.-A.
Shih
, N.
Tsurumi
et al., in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(IEEE
, 2017
), pp. 25.1.1
–25.1.4
.9.
J. T.
Asubar
, Z.
Yatabe
, D.
Gregusova
, and T.
Hashizume
, J. Appl. Phys.
129
, 121102
(2021
).10.
H.
Otake
, K.
Chikamatsu
, A.
Yamaguchi
, T.
Fujishima
, and H.
Ohta
, Appl. Phys. Express
1
, 011105
(2008
).11.
T.
Oka
, Y.
Ueno
, T.
Ina
, and K.
Hasegawa
, Appl. Phys. Express
7
, 021002
(2014
).12.
T.
Oka
, T.
Ina
, Y.
Ueno
, and J.
Nishii
, Appl. Phys. Express
8
, 054101
(2015
).13.
M.
Yoshino
, Y.
Ando
, M.
Deki
, T.
Toyabe
, K.
Kuriyama
, Y.
Honda
, T.
Nishimura
, H.
Amano
, T.
Kachi
, and T.
Nakamura
, Materials
12
, 689
(2019
).14.
R.
Tanaka
, S.
Takashima
, K.
Ueno
, H.
Matsuyama
, and M.
Edo
, Jpn. J. Appl. Phys.
59
, SGGD02
(2020
).15.
S.
Rajan
, A.
Chini
, M. H.
Wong
, J. S.
Speck
, and U. K.
Mishra
, J. Appl. Phys.
102
, 044501
(2007
).16.
M. H.
Wong
, S.
Keller
, Nichi
, S.
Dasgupta
, D. J.
Denninghoff
, S.
Kolluri
, D. F.
Brown
, J.
Lu
, N. A.
Fichtenbaum
, E.
Ahmadi
, U.
Singisetti
, A.
Chini
, S.
Rajan
, S. P.
DenBaars
, J. S.
Speck
, and U. K.
Mishra
, Semicond. Sci. Technol.
28
, 074009
(2013
).17.
S.
Wienecke
, B.
Romanczyk
, M.
Guidry
, H.
Li
, E.
Ahmadi
, K.
Hestroffer
, X.
Zheng
, S.
Keller
, and U. K.
Mishra
, IEEE Electron Device Lett.
38
, 359
(2017
).18.
B.
Romanczyk
, S.
Wienecke
, M.
Guidry
, H.
Li
, E.
Ahmadi
, X.
Zheng
, S.
Keller
, and U. K.
Mishra
, IEEE Trans. Electron Devices
65
, 45
(2018
).19.
T.
Narita
, T.
Kachi
, K.
Kataoka
, and T.
Uesugi
, Appl. Phys. Express
10
, 016501
(2017
).20.
S. J.
Pearton
, C. B.
Vartuli
, J. C.
Zolper
, C.
Yuan
, and R. A.
Stall
, Appl. Phys. Lett.
67
, 1435
(1995
).21.
A. N.
Hattori
, K.
Endo
, K.
Hattori
, and H.
Daimon
, Appl. Surf. Sci.
256
, 4745
(2010
).22.
T.
Kimoto
, Y.
Kanzaki
, M.
Noborio
, H.
Kawano
, and H.
Matsunami
, Jpn. J. Appl. Phys.
44
, 1213
(2005
).23.
T.
Hatakeyama
, T.
Suzuki
, J.
Senzaki
, K.
Fukuda
, H.
Matsuhata
, T.
Shinohe
, and K.
Arai
, Mater. Sci. Forum
600–603
, 783
(2009
).24.
T.-H.
Kil
and K.
Kita
, Appl. Phys. Lett.
116
, 122103
(2020
).25.
I.
Sayed
, B.
Bonef
, W.
Liu
, S.
Chan
, J.
Georgieva
, J. S.
Speck
, S.
Keller
, and U. K.
Mishra
, Appl. Phys. Lett.
115
, 172104
(2019
).26.
I.
Sayed
, W.
Liu
, J.
Georgieva
, A.
Krishna
, S.
Keller
, and U. K.
Mishra
, Semicond. Sci. Technol.
35
, 095027
(2020
).27.
I.
Sayed
, W.
Liu
, B.
Romanczyk
, J.
Georgieva
, S.
Chan
, S.
Keller
, and U. K.
Mishra
, Appl. Phys. Express
13
, 061010
(2020
).28.
M.
Nozaki
, D.
Terashima
, A.
Yoshigoe
, T.
Hosoi
, T.
Shimura
, and H.
Watanabe
, Jpn. J. Appl. Phys.
59
, SMMA07
(2020
).29.
T.
Yamada
, K.
Watanabe
, M.
Nozaki
, H.
Yamada
, T.
Takahashi
, M.
Shimizu
, A.
Yoshigoe
, T.
Hosoi
, T.
Shimura
, and H.
Watanabe
, Appl. Phys. Express
11
, 015701
(2018
).30.
Y.
Teraoka
and A.
Yoshigoe
, Appl. Surf. Sci.
169
, 738
(2001
).31.
T.
Yamada
, J.
Ito
, R.
Asahara
, K.
Watanabe
, M.
Nozaki
, T.
Hosoi
, T.
Shimura
, and H.
Watanabe
, Appl. Phys. Lett.
110
, 261603
(2017
).32.
K.
Mitsuishi
, K.
Kimoto
, Y.
Irokawa
, T.
Suzuki
, K.
Yuge
, T.
Nabatame
, S.
Takashima
, K.
Ueno
, M.
Edo
, K.
Nakagawa
, and Y.
Koide
, Jpn. J. Appl. Phys.
56
, 110312
(2017
).33.
T. K.
Zywietz
, J.
Neugebauer
, and M.
Scheffler
, Appl. Phys. Lett.
74
, 1695
(1999
).34.
M.
Sumiya
, M.
Sumita
, Y.
Asai
, R.
Tamura
, A.
Uedono
, and A.
Yoshigoe
, J. Phys. Chem. C
124
, 25282
(2020
).35.
E. H.
Nicollian
and J. R.
Brews
, MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology
(Wiley
, 1982
).36.
Y.
Wada
, M.
Nozaki
, T.
Hosoi
, T.
Shimura
, and H.
Watanabe
, Jpn. J. Appl. Phys.
59
, SMMA03
(2020
).37.
M.
Lenzlinger
and E. H.
Snow
, J. Appl. Phys.
40
, 278
(1969
).38.
S.
Takashima
, Z.
Li
, and T. P.
Chow
, Jpn. J. Appl. Phys.
52
, 08JN24
(2013
).39.
S.
Miyazaki
, H.
Nishimura
, M.
Fukuda
, L.
Ley
, and J.
Ristein
, Appl. Surf. Sci.
113–114
, 585
(1997
).40.
M.
Sometani
, R.
Hasunuma
, M.
Ogino
, H.
Kuribayashi
, Y.
Sugahara
, and K.
Yamabe
, Jpn. J. Appl. Phys.
48
, 05DB03
(2009
).41.
M.
Sometani
, R.
Hasunuma
, M.
Ogino
, H.
Kuribayashi
, Y.
Sugahara
, A.
Uedono
, and K.
Yamabe
, Jpn. J. Appl. Phys.
51
, 021101
(2012
).42.
T. P.
Chow
and M.
Ghezzo
, MRS Online Proc. Libr.
423
, 9
–21
(1996
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
