ワイドギャップ半導体の電子物性制御とエネルギーエレクトロニクスへの展開

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09102009
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 松波 弘之 京都大学, 工学研究科, 教授 (50026035)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木本 恒暢 京都大学, 工学研究科, 助教授 (80225078)
• Keywords: シリコンカーバイド / パワーデバイス / pn接合ダイオード / MOSFET / イオン注入 / 熱酸化

Research Abstract

本研究では、高純度SiCエピタキシャル結晶を用いた高性能SiCダイオードとMOS型SiCパワーデバイスの作製を行った。以下に本年度に得られた主な成果をまとめる。
1.高性能SiCダイオードの作製
(1)Al、Bイオン注入より形成したプレーナ形pn接合ダイオードを作製し、耐圧2900V、オン抵抗8mΩcm^2という非常に優れた特性を得た。厚膜を用いたダイオードでは、最高で4600Vの高耐圧を得た。逆方向漏れ電流も-1000V印加時で10^<-6>A/cm^2と非常に小さい。
(2)ダイオードの温度特性を調べ、200℃の高温でも良好な動作を確認した。耐圧は温度の上昇と共に高電圧側にシフトし、絶縁破壊がトンネリングではなくアバランシエ破壊によるものであることが判明した。また、アバランシェ時の電流を3A/cm^2まで増大させても特性劣化しないというロバスト(堅牢)なダイオードの作製に成功した。
(3)ダイオードのスイッチング特性を調べたところ、ターンオフ時間が20ns以下と極めて高速のスイッチングが可能であることが分かった。これは、イオン注入によってpn接合界面近傍に、適度な再結合中心が導入されたからである。
2.MOS型SiCパワーデバイスの作製
(1)従来の(0001)面ではなく(112^^-0)面を用いることで、4H-SiCのMOS反転層チャネル移動度を5〜10cm^2/Vsから80〜97cm^2/Vsにまで向上させた。また、SiC(112^^-0)面上のMOSFETでは温度を上昇させたときにチャネル移動度が減少するという半導体デバイス本来の特性が現れる。
(2)高耐圧横型SiC MOSFETのデバイスシミュレーションを行い、長さ10μm程度、ドナー密度1×10^<17>cm^<-3>程度のRESURF領域を用いることで1000V以上の耐圧が達成できることが分かった。
(3)RESURF領域を有する横型SiC MOSFETを試作し、700Vの高耐圧を達成した。また、実際に(112^^-0)面を用いることがオン抵抗の低減に有効であることが分かった。

Research Products

• [Publications] H.Matsunami: "Progress in wide bandgap semiconductor SiC for power devices"Proc. of the 12th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices and IC's. 3-10 (2000)
• [Publications] H.Matsunami: "An overview of SiC growth"Materials Science Forum. 338-342. 125-130 (2000)
• [Publications] H.Matsunami: "Formation of periodic steps with a unit-cell height on 6H-SiC (0001) surface by HCI etching"Applied Physics Letters. 76. 3412-3414 (2000)
• [Publications] H.Matsunami: "High channel mobility in inversion layer of SiC MOSFETs for power switching transistors"Japanese J.Applied Physics. 39. 2008-2011 (2000)
• [Publications] H.Matsunami: "Vanadium ion implanted guard rings for high-voltage 4H-SiC Schottky rectifiers"Japanese J.Applied Physics. 39. L1216-L1218 (2000)
• [Publications] H.Matsunami: "A cause for highly-improved channel mobility of 4H-SiC MOSFETs on (1120)"Applied Physics Letters. 86. 374-376 (2001)