ワイドギャップ半導体材料評価 －名工大 市村・加藤研の取り組み－ 名古屋工業大学 電気電子工学科 加藤 正史 http://araiweb.elcom.nitech.ac.jp/ 車載用パワーデバイス材料 •高温動作 熱伝導率・バンドギャップ •省エネルギー 絶縁破壊電界・移動度 SiC・GaNが優れている •小サイズ 省エネルギー・高温動作 •低コスト 結晶成長・プロセスコスト Siが素晴らしい 2 材料の比較 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC GaN Si バンドギャップ (eV) 2.2 3.0 3.2 3.4 1.1 熱伝導率 (W cm-1 K-1) 4.5 4.5 4.5 1.3 1.5 絶縁破壊電界 (106 V/cm) 1.2 2.4 2.0 3.3 0.3 900 370a 50c 720a 650c 900 1350 昇華法 HVPE 水熱合成 フラックス CZ FZ 移動度 （cm2 V-1 s-1) 基板成長方法 Si上エピ 昇華法 値はH. Okumura, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 7565.より 3 ユニポーラ理論性能 Si CoolMOS 2 オン抵抗 (mΩcm ) 100 Si 現状はもっと下 10 1 100 Si IGBT 1000 耐圧 (V) 3C-SiC 4H-SiC GaN 10000 GaNが最高性能だがゲート技術、バイポーラ動作に課題 パワーデバイス・車載パワエレトレンド 2500 80000 Papers per year from Google Scholar Si power device GaN power device SiC power device 90000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Si automotive power electronics GaN automotive power electronics 2000 SiC automotive power electronics 1500 1000 500 10 09 20 08 20 07 20 06 20 05 Year 20 04 20 03 20 02 20 01 20 00 20 99 20 98 0 19 19 Papers per year from Google Scholar 100000 19 98 999 000 001 002 003 004 005 006 007 008 009 010 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Year Google Scholarによる論文数 Siデバイス・パワエレが圧倒的だが、SiC・GaNも躍進 5 ポリタイプの推移 3.5 3 2.5 Year 過去は6Hがトップ、次第に4Hが主流に 11 10 20 09 20 08 20 07 20 06 20 05 20 04 20 03 20 02 20 20 98 19 10 09 20 08 20 07 20 06 20 05 20 20 20 20 20 20 20 19 19 04 0 03 0 02 0.5 01 200 00 1 99 400 01 1.5 99 600 2 20 800 19 Papers per year 1000 00 1200 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiC GaN 20 4H-SiC power device 6H-SiC power device 3C-SiC power device 98 Papers per year from Google Scholar 1400 Year 加藤の発表論文 ３C→６H→４H→？という流れ 現在産業界の主流は圧倒的に4H 6 3C-SiCの評価 1998年当時 3C, 6H, 4H全てのポリタイプに可能性 豊田中研と3Cの研究 3CはSi基板の上に成長可能、4インチが可能 6H-,4H-は1.5インチ 3C-SiCのバンドギャップ中の準位を評価（DLTS） 7 アンジュラントSi基板の利用 フリースタンディング3C-SiC結晶 3C-SiCにはまだまだ 課題あり・・・ 偏光顕微鏡像 歪みによるコントラストが存在 キャリアライフタイムマップ 歪みと電気特性に相関 8 キャリアライフタイム測定 マイクロ波光導電減衰法（μ-PCD法） 10GHz microwave 266 nm or 355 nm laser photon/pulse=2-3×1015 cm-2 -3 Δn(z,0) tepi S1 S2 Δn(z,t) (a) Excess carrier density (cm ) sample Excess carrier density Pulsed light microwave reflection 0 W Depth, z (b) wave guide 1020 1018 1016 1014 0 355 nm 266 nm 100 Depth (m) 励起キャリア分布 ・励起光源により異なる ・時間と共に拡散 キャリアの再結合過程(n型半導体) 完全な結晶 長いキャリア ライフタイム Ec 励起光 再結合中心ありの結晶 短いキャリア ライフタイム Ev 光励起 トラップありの結晶 遅い成分のある 減衰 GaNの評価 豊田中研とGaNの研究 ドライエッチングとp型に課題が存在：評価 キャリアライフタイム測定 フォトキャパシタンス測定 ドライエッチングによる キャリアトラップ発生を確認 11 6H-、4H-SiCウェハーの評価 6H-,4H-SiCウェハーに対するキャリアライフタイム測定 キャリアライフタイム X線トポグラフ 複屈折像 キャリアライフタイム測定によりウェハー内の欠陥評価が可能 12 キャリアライフタイム温度依存 p型4H-SiCウェハーのキャリアライフタイム温度依存性を確認 遅い成分は深い準位によるキャリアの捕獲による 13 4H-SiC、６H-SiCエピの深い準位評価 4H-SiCエピ中の深い準位の光励起断面積 6H-SiCエピのO-CTS信号 結晶欠陥の光物性が明らかに 14 4H-SiCエピのキャリアライフタイム評価 (a) (b) As-grown surface (Si-face) as-grown 10 16irradiated 10 17irradiated Substrate Polished with CMP (C-face) as-grown-surface samples 35, 65 and 120 m thick 0.1 CMP-finish surface (Si-face) Epilayer Substrate both-side-polished samples 33, 63 and 83 m thick 266 nm epi side 266 nm sub side 266 nm 355 nm epi side 355 nm sub side 355 nm 3 2.5 1/e lifetime (s) Excess carrier (a. u.) 1 Epilayer Epi./sub. interface 2 S 1=1000 cm/s S 1=2000 cm/s S 1=1000 cm/s 1.5 0.01 0 0.1 0.2 S 1=2000 cm/s 1 0.3 Time (s) 電子線照射で炭素空孔を作ると p型４H-SiCのキャリアライフタイム減少 0.5 0 0 20 40 60 Thickness (m) 80 100 自立n型４H-SiCのキャリアライフタイム測定 により表面再結合速度を評価 バイポーラデバイスの設計に有用な情報 15 電気化学による6H-SiCウェハーの評価 電気化学で6H-SiCをエッチング 6H-SiCウェハーにおける欠陥観察 ウェハー内の螺旋転位を可視化 16 4H-SiC SBDの評価 電気化学（めっき）によるショットキーバリアダイオードの評価 no bias low 1.E+00 current density (A/cm2) forward bias Zn2+ non ideal 1.E-02 film deposition 1.E-04 1.E-06 × high ideal 1.E-08 Zn2+ 1.E-10 no deposition 1.E-12 -3 -2 -1 0 voltage (V) 1 2 3 順方向特性の悪いSBD n-type 4H-SiC electrolyte Deposition of ZnO is adapted めっきする場合のバンド図 4H-SiCエピへのめっき前後 17 2 Current density (A/cm ) 不良SBDへの堆積 不良SBDの表面に堆積物 101 10-2 10 GG-69 HI-97 II-70 II-51 Typical for the rest of contacts -5 10-8 0 1 2 3 Voltage (V) Dot Seems nothing Commet 5 nm 15 m 100 nm 10 m 堆積を導く欠陥は表面欠陥、 突起物と積層欠陥 (b) (a) 0 nm 0 nm <11`20> -100 nm 10 m 15 m -5 nm 18 電気化学による４H-SiC SBD性能改善 SiO2 リーク（正孔）電流 により酸化 OH－ １０：陽極酸化法による酸化膜 ９：結晶欠陥 電解液 １１：金属電極 ８：炭化ケイ素基板 0.00001 1E-07 -5 Number of electrode 半導体 0.1 △○：before oxidation ▲●：after oxidation 0.001 Current density (A/cm 2) 陽極電圧 -4 1E-09 -3 -2 -1 0 Voltage (V) 1 2 50 40 before oxidation after oxidation 30 20 10 0 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 Current density (A/cm 2) 陽極酸化後にリーク電流が減少 19 大学での半導体研究 大学での研究 企業・国研による開発 同じ直線に乗っては意味がない ・いずれは誰かが開発 ・下請け機関になってしまう ・そもそもプロセス装置がない 相互作用 使ってもらわないと役に立たない ・自己満足 ・業績リスト作り 新技術開発 物性評価 デバイス開発・評価 大学として意義のある研究を目指して 20 車載用デバイスへの応用に向けて 重視される点 ・高温特性 ・信頼性 コスト以外はSiC,GaNが優位 ・モジュール性能 ・コスト 有力な素子 モーターインバータ 整流素子 4H-SiC JBS スイッチング素子 4H-SiC MOSFET、BJT 電源用 Si基板上GaN SBD・HEMTオンチップ構造 ＃スマートグリッドを視野に入れた場合かなり高い要求 21
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