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ワイドギャップ半導体MOS界面欠陥の正体の横断的解明

Research Project

Project/Area Number 20H00340
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

藤ノ木 享英 (梅田享英)  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10361354)

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)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
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)
KeywordsMOS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
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。

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。

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。

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。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report

Research Products

(4 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Electrical detection of TV2a-type silicon vacancy spin defect in 4H-SiC MOSFETs2022

    • Author(s)
      Y. Abe, A. Chaen, M. Sometani, S. Harada, Y. Yamazaki, T. Ohshima, T. Umeda
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 120 Pages: 064001-064001

    • DOI

      10.1063/5.0078189

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [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
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.165201

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Nearly degenerate ground state of phosphorus donor in diamond2020

    • Author(s)
      C. Shinei , H. Kato, H. Watanabe, T. Makino, S. Yamasaki, S. Koizumi, T. Umeda
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 4

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.4.024603

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Electrical detection of Tv2a-type VSi centres in SiC-MOSFET2021

    • Author(s)
      Y. Abe, A. Chaen, M. Sometani, S. Harada, Y. Yamazaki, T. Ohshima, T. Umeda
    • Organizer
      European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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