ワイドギャップ半導体MOS界面欠陥の正体の横断的解明
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20H00340
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藤ノ木 享英 (梅田享英) 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10361354)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧野 俊晴 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (20360258)
五十嵐 信行 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (40771100)
磯谷 順一 筑波大学, 数理物質系, 研究員 (60011756)
染谷 満 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60783644)
松下 雄一郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任准教授 (90762336)
原田 信介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (20392649)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥44,850,000 (Direct Cost: ¥34,500,000、Indirect Cost: ¥10,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
Fiscal Year 2020: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
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| Keywords | MOS界面欠陥 / 電子スピン共鳴分光 / 電流検出 / ワイドギャップ半導体 / 電流検出型電子スピン共鳴 / スピン欠陥 / MOS界面 / 4H-SiC / MOSFET / ダイヤモンド / BVセンター / 炭化ケイ素 / 窒化ガリウム / 第一原理計算 / PbCセンター / 炭素ダングリングボンド / 電子スピン共鳴 / IV族系半導体 / GaN |
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| Outline of Research at the Start |
次世代パワーエレクトロニクスのキーデバイスとなるワイドギャップ半導体MOS(金属-酸化膜-半導体)型電界効果トランジスタ(MOSFET)について、その核心部となるMOS界面の界面欠陥の正体を解明する。ターゲットは炭化ケイ素4H-SiC、窒化ガリウムGaN、ダイヤモンドの代表的な3種類のMOS界面とし、正体を解明する手段として電流検出型電子スピン共鳴(EDMR)分光＋第一原理計算を用いる。本研究により、長い間、正体不明のままだったワイドギャップ半導体MOS界面欠陥の横断的解明が期待できる。これは日本が強みをもつ半導体パワーエレクトロニクス分野をさらに強化し発展させることにつながる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最大の武器は「電流検出型電子スピン共鳴（EDMR）分光」である。この分光実験は、外部磁場とマイクロ波で電子スピンを励起し、その励起を試料電流で検出する。2021年度は、この特徴を生かしたスピン検出実験を行った。
対象は、炭化ケイ素（4H-SiC）のMOS型電界効果トランジスタ（MOSFET）に埋め込んだ「シリコン空孔スピン（Tv2a型）」である。このスピンは4H-SiCで最も有望なスピン欠陥/量子ビットとして知られているが、EDMRによる検出例がない。EDMRは電流励起・電流検出のため、EDMRによってスピン欠陥/量子ビットの検出ができればMOSFET型・量子デバイスの集積小型化が見込めてインパクトがある。検出に使用したのは、産業技術総合研究所（研究分担者）で作り込まれたnチャネル窒化Si面4H-SiC MOSFET（ゲート長5um、幅200um）である。そのMOS界面直下にプロトン照射（エネルギー80kV、照射量1e13cm-2、量子科学技術研究開発機構QSTで実施）でシリコン空孔を埋め込んだ。この状態でチャネルに電流を流してEDMRを測ったところ、約1e5個のシリコン空孔スピン（Tv2a型）を検出することができた。検出感度は十分とは言えないが、Tv2a型スピンがEDMR検出できることを初めて実証した実験として評価された。
2021年度のEDMR実験はこの一例のみで、MOS界面欠陥のEDMR評価は行えなかった。EDMR分光装置の中核となる「マイクロ波ソース」が経年劣化のために使用不能となってしまったからである。メーカーのドイツ本社での修理もできなかった。EDMR実験再開のためにマイクロ波ソースの自作化が必要となり、最終的に日本メーカー（アンリツ）の20GHz信号発生器＋ベクトルネットワークアナライザで可能であることに目途をつけ、その手配を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
主力武器である電流検出型電子スピン共鳴（EDMR）分光装置の再構築が必要となったため、EDMR分光実験が一時停止することになった。再構築に必要なマイクロ波ソースの新規設計と機材購入を2021年度に行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度に手配が完了した機材（20GHz信号発生器、20GHzベクトルネットワークアナライザなど）を組み合わせてEDMR分光装置を再構築し、MOS界面欠陥のEDMR評価を再開する。また、第一原理計算によるMOS界面欠陥の探索も、これまでの計算情報を精査して絞り込みを行う。
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Report
(3 results)
Research Products
(4 results)
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[Journal Article] Negatively charged boron vacancy center in diamond2022
Author(s)
T. Umeda, K. Watanabe, H. Hara, H. Sumiya, S. Onoda, A. Uedono, I. Chuprina, P. Siyushev, F. Jelezko, J. Wrachtrup, J. Isoya
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 105
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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