2021 Fiscal Year Research-status Report
炭化珪素半導体MOS界面科学と界面設計指針の再構築
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21K18170
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
渡部 平司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90379115)
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2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 炭化珪素 / パワーデバイス / MOS構造 / 界面科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
炭化珪素（SiC）半導体パワーデバイスの研究開発が進み、金属－酸化物－半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の実用化に至っている。しかし、現在のSiC MOSFETの電界効果移動度はバルク移動度の数%に留まり、材料本来の特性を引き出しているとは言い難い。これは、MOS構造を構成するSiO2/SiC界面に蓄積された電子の大部分が捕獲されてFETのオン電流に寄与しない事に加え、従来のMOS界面科学では説明できない電子散乱が生じる為である。近年の第一原理計算からSiCの伝導帯下端がフローティングステート（Nearly Free Electron）で構成される事が報告され、c軸の積層周期の違いで結晶多形を有するSiC半導体では、MOS界面の電子伝導に対して本質的な問題を抱える事が予想される。本研究では、従来のMOS界面科学の理解を超えてSiO2/SiC界面の特異性に関する上記の議論に決着を付けると共に、界面設計指針の再構築を目的として、SiC表面の酸化を伴わないMOS構造の形成や、フローティングステートの空間的な揺らぎを観測可能なまでに微細化したナノデバイスの試作と特性解析に挑戦する。
初年度では、本研究が最終的な目標とする理想SiC MOS界面との比較対象となる現行のNO窒化SiC MOSデバイスの特性評価、特に非基底面基板上のMOS構造の評価から着手し、現在の技術水準を確認する為の基礎データとする。一方、SiC表面の酸化を伴わないMOS構造の製造技術を確立する為には、SiC表面の安定化技術を構築する必要があり、本課題採択以降、SiC表面のパッシベーション技術の検討を開始した。また、微細MOSFETの試作と動作解析に関する取り組みとして、当該予算を活用して高精度の多探針マニュアルプローバを導入する等、デバイス試作ならびに特性評価の為の実験環境整備を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今後の標準試料となるNO窒化SiC MOSデバイスの基本特性評価を現有の電気特性評価システムを活用して実施した。これらの結果は、現在のSiC MOSデバイスの技術水準を判定する為のベンチマークデータとなる。また、SiC表面の酸化を伴わないMOS構造形成法の開発では、絶縁膜堆積時にSiC表面が酸化性雰囲気に曝されても安定である事が理想である。よって初年度では、高密度プラズマ表面改質技術を活用したSiC表面の安定化技術の構築に取り組んだ。今後、その安定性を詳細に評価すると共に、安定化処理を施したSiC基板上へのゲート絶縁膜堆積を実施し、MOSデバイスの電気特性評価や、界面安定性を明らかにしたい。また、微細MOSFET試作に関しては、多探針プローバを導入し、電気特性評価システムの整備を進めた。加えて、微細デバイス試作と評価に向けた準備段階として、既存TEGを用いたMOSFET試作と温度可変測定環境の整備を進めた。一方、非基底面MOSデバイスの評価に関してはレター論文への論文掲載や、電気学会の研究会での招待講演に加え、ワイドバンドギャップ半導体MOSデバイスに関する包括的なテーマでの招待講演を通じて積極的な成果発信を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
SiC表面のパッシベーション技術に関して、耐酸化性と界面電気特性を評価指標として、その優位性実証を進める。安定化したSiC表面がCVD等の従来成膜手法に対しても十分な酸化耐性を有する場合には、当初計画を変更して、より汎用性が高いCVD-SiO2等の絶縁膜材料を用いたSiC MOS構造形成を検討すると共に、既存TEGを用いたMOSFETの試作と特性評価を先行して実施したい。また、微細MOSFETの試作に向けて、学内共通施設である電子ビーム露光装置の利用手続きや、微細パターン作製に向けた加工条件の最適化に取り組む。これらの実験に加えて、理論研究者や国内外からの最新情報を統合して、SiC半導体の特異性に着目したMOS界面物性の理解と、界面キャリア伝導モデルの構築に継続的に取り組む。
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