ワイドバンドギャップSiC半導体による放射線耐性に優れたCMOS集積回路の研究

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25420331
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 黒木 伸一郎 広島大学, ナノデバイス・バイオ融合科学研究所, 准教授 (70400281)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 極限環境エレクトロニクス / シリコンカーバイド / 集積回路 / 耐放射線 / 耐高温 / 原子力発電所廃炉

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではSiCによる耐放射線性の高い極限環境エレクトロニクスの研究を進めている。平成27年度は試作した4H-SiC nMOSFETsの放射線（Co60ガンマ線）照射実験と高温動作実験を行った。さらにnMOSインバータ、Pseudo-CMOSインバータ回路を試作し、その動作に成功した。これらにより4H-SiC MOSFETs集積回路による極限環境エレクトロニクスの可能性を拓いた。
試作した4H-SiC nMOSFETsは、Asドープ・ソース/ドレイン(S/D)、Nb/Niシリサイド・S/Dオーミックコンタクト電極、ドライ・ゲート熱酸化膜により形成しており、プロセスの最高温度はS/D活性化アニール時の1800℃である。放射線（Co60ガンマ線）照射実験は、国立研究開発法人日本原子力研究機構（現・国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構）のCo60ガンマ線照射施設で実施した。照射線量は113 Mrad（1.13MGy）である。電子電界移動度の変化は酸化膜10 nmの場合は、8%にとどまるが、酸化膜20 nmの場合、照射による移動度の増加が確認され、113Mrad照射後26%の増加が確認された。しきい値電圧は113Mrad照射後の6%の低下程度であり、極めて高い放射線耐性を示した。450℃までの高温動作特性の評価を行った。実験はスウェーデン王立工科大学にて行った。試作した4H-SiC nMOSFETsの450℃での超高温動作を実証した。
試作した4H-SiC nMOSインバータ、Pseudo-CMOSインバータ回路においては、室温においての評価を行った。特にPseudo-CMOSインバータ回路は高い出力電圧スウィングを持ち、デジタル集積回路のロジックゲートとして十分に有効な特性をもっていることを実証した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: KTH Royal Institute of Technology
• [Journal Article] Characterization of 4H-SiC nMOSFETs in Harsh Environments, High-Temperature and High Gamma-Ray Radiation (2016)
  • Author(s): S-I. Kuroki, H. Nagatsuma, M. De Silva, S. Ishikawa, T. Maeda, H. Sezaki, T. Kikkawa, T. Makino, T. Ohshima, M. Ostling, and C.-M. Zetterling
  • Journal Title: Mat. Sci. Forum Volume: 858 Pages: 864-867
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.858.864
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 4H-SiC nMOSFETs with As-doped S/D and NbNi Silicide ohmic contacts (2016)
  • Author(s): H. Nagatsuma, S-I. Kuroki, M. De Silva, S. Ishikawa, T. Maeda, H. Sezaki, T. Kikkawa, M. Ostling, and C.-M. Zetterling
  • Journal Title: Mat. Sci. Forum Volume: 858 Pages: 573-576
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.858.573
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Low resistance ohmic contact formation on 4H-SiC c-face with NbNi silicidation using nano-second laser annealing (2016)
  • Author(s): M. D. Silva, S. Ishikawa, T. Kikkawa, and S.-I. Kuroki
  • Journal Title: Mat. Sci. Forum Volume: 858 Pages: 549-552
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.858.549
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 4H-SiC MOSFETs and Logic Inverters for Radiation-Hardened Electronics (2016)
  • Author(s): Shin-Ichiro Kuroki
  • Organizer: International Workshop on Radiation Resistant Sensors and Related Technologies for Nuclear Power Plant Decommissioning 2016 (R2SRT2016, 廃炉に向けた耐放射線センサー及び関連研究に関するワークショップ)
  • Place of Presentation: 福島県・いわき市
  • Year and Date: 2016-04-19 – 2016-04-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アルカリ土類金属によるSi及び4H-SiCの増殖酸化 (2016)
  • Author(s): 村岡 幸輔、瀬崎 洋、石川 誠治、前田 智徳、吉川 公麿、黒木 伸一郎
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都・東工大 大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] レーザアニールによる4H-SiC C面上のTi-Si-Cオーミックコンタクトの形成 (2016)
  • Author(s): ミランタ デシルワ、川崎 輝尚、吉川 公麿、黒木 伸一郎
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都・東工大 大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 4H-SiC nMOSFETによるPseudo-CMOS論理インバータの研究 (2016)
  • Author(s): 長妻 宏郁、黒木 伸一郎、黒瀬 達也、石川 誠治、前田 知徳、瀬崎 洋、吉川 公麿、牧野 高紘、大島 武、Mikael Ostling、Carl-Mikael Zetterling
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都・東工大 大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 4H-SiC nMOSFETsによる論理インバータ回路の研究 (2016)
  • Author(s): 黒瀬 達也、黒木 伸一郎、長妻 宏郁、石川 誠治、前田 知徳、瀬崎 洋、吉川 公麿、牧野 高紘、大島 武、Mikael Ostling、Carl-Mikael Zetterling
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都・東工大 大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 4H-SiC MOSFETs for power and harsh environment electronics (2016)
  • Author(s): Shin-Ichiro. Kuroki, Hirofumi Nagatsuma, Milantha De Silva, Seiji Ishikawa, Tomonori Maeda, Hiroshi Sezaki, Takamaro Kikkawa, Takahiro Makino, Takashi Ohshima, Mikael Ostling, and Carl-Mikael Zetterling
  • Organizer: Annual World Congress of Smart Materials 2016-Develop New Path of Smartness
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2016-03-04 – 2016-03-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characterization of 4H-SiC nMOSFETs with As-doped S/D and NbNi Silicide Contacts After High Gamma-Ray Radiation (2015)
  • Author(s): H. Nagatsuma, S-I. Kuroki, M. De Silva, S. Ishikawa, T. Maeda, H. Sezaki, T, Kikkawa, M. Ostling, and C.-M. Zetterling
  • Organizer: The 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications(RASEDA2015、第11回宇宙用半導体素子放射線影響国際ワークショップ)
  • Place of Presentation: 群馬県・桐生市桐生市・市民文化会館
  • Year and Date: 2015-11-13 – 2015-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 炭素侵入型金属とレーザアニールを用いた4H-SiCパワーデバイスのための低抵抗オーミック抵抗の形成 (2015)
  • Author(s): Milantha De Silva、石川 誠治、吉川 公麿、黒木 伸一郎
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会 第2回講演会
  • Place of Presentation: 大阪市・大阪国際交流センター
  • Year and Date: 2015-11-09 – 2015-11-10
• [Presentation] NbNiシリサイドコンタクト4H-SiC nMOSFETsの高ガンマ線照射後及び高温時の動作特性 (2015)
  • Author(s): 長妻 宏郁、黒木 伸一郎、Milantha De Silva、石川 誠治、前田 知徳、瀬崎 洋、吉川 公麿、牧野 高紘、大島 武、Mikael Ostling、Carl-Mikael Zetterling
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会 第2回講演会
  • Place of Presentation: 大阪市・大阪国際交流センター
  • Year and Date: 2015-11-09 – 2015-11-10
• [Presentation] 4H-SiC MOSFETsによる極限環境エレクトロニクスへの展開 (2015)
  • Author(s): 黒木伸一郎、長妻宏郁、Milantha De Silva, 石川誠治、前田知徳、 瀬崎洋、 吉川公麿、 牧野高紘、 大島武、Mikael Ostling、Carl-Mikael Zetterling
  • Organizer: 薄膜材料デバイス研究会 第12回研究集会
  • Place of Presentation: 京都市・龍谷大学響都ホール校友会館
  • Year and Date: 2015-10-30 – 2015-10-31
• [Presentation] Characterization of 4H-SiC nMOSFETs in Harsh Environments; High-Temperature and High Gamma-Ray Radiation (2015)
  • Author(s): S-I. Kuroki, H. Nagatsuma, M. De Silva, S. Ishikawa, T. Maeda, H. Sezaki, T. Kikkawa, T. Makino, T. Ohshima, M. Ostling, and C.-M. Zetterling
  • Organizer: The International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015(ICSCRM2015, シリコンカーバイト及び関連材料に関する国際会議)
  • Place of Presentation: Giardini Naxos, Italy
  • Year and Date: 2015-10-04 – 2015-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 4H-SiC nMOSFETs with As-doped S/D and NbNi silicide ohmic contacts (2015)
  • Author(s): H. Nagatsuma, S-I. Kuroki, M. De Silva, S. Ishikawa, T. Maeda, H. Sezaki, T, Kikkawa, M. Ostling, and C.-M. Zetterling
  • Organizer: The International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015(ICSCRM2015, シリコンカーバイト及び関連材料に関する国際会議)
  • Place of Presentation: Giardini Naxos, Italy
  • Year and Date: 2015-10-04 – 2015-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low resistance ohmic contact formation on 4H-SiC c-face with NbNi silicidation using nano-second laser annealing (2015)
  • Author(s): Milantha De Silva, Seiji Ishikawa, Takamaro Kikkawa, and Shin-Ichiro Kuroki
  • Organizer: The International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015(ICSCRM2015, シリコンカーバイト及び関連材料に関する国際会議)
  • Place of Presentation: Giardini Naxos, Italy
  • Year and Date: 2015-10-04 – 2015-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザアニールとカーボン侵入型金属による低抵抗SiCオーミック接触の形成 (2015)
  • Author(s): ミランタ デシルワ、石川 誠治、前田 知徳、瀬崎 洋、吉川 公麿、黒木 伸一郎
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋市・名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] 4H-SiC MISFETsのためのAl2O3,Al6Si2O13ゲート絶縁膜の研究 (2015)
  • Author(s): 赤瀬 光、石川 誠治、前田 知徳、瀬崎 洋、Milantha de Silva、長妻 宏都、吉川 公麿、黒木 伸一郎
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋市・名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] 極限環境4H-SiC MISFETsのためのAl2O3,Al6Si2O13ゲート絶縁膜の研究 (2015)
  • Author(s): 赤瀬 光、Milantha de Silva、長妻 宏都、吉川 公麿、黒木 伸一郎
  • Organizer: 2015年度応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
  • Place of Presentation: 徳島市・徳島大 常三島キャンパス
  • Year and Date: 2015-08-01 – 2015-08-01
• [Patent(Industrial Property Rights)] 炭化珪素半導体装置及びその製造方法 (2016)
  • Inventor(s): 黒木 伸一郎、ミラン ダ シルワ、石川 誠治
  • Industrial Property Rights Holder: 黒木 伸一郎、ミラン ダ シルワ、石川 誠治
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願２０１６－００８９５４
  • Filing Date: 2016-01-20