Clarification of dislocation reduction mechanism and exploring the limit in fast SiC bulk growth by high-temperature CVD

• Project/Area Number: 20H00356
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
• Research Institution: Central Research Institute of Electric Power Industry
• Principal Investigator: Tsuchida Hidekazu 一般財団法人電力中央研究所, エネルギートランスフォーメーション研究本部, 副研究参事 (60371639)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥33,540,000 (Direct Cost: ¥25,800,000、Indirect Cost: ¥7,740,000); Fiscal Year 2022: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2020: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
• Keywords: 炭化珪素 / 結晶成長 / 転位 / 熱応力 / X線トポグラフィ / 転位動力学 / SiC / 高温CVD法 / 応力 / 4H-SiC

Outline of Research at the Start

本研究では、SiCバルク結晶を高温CVD法によって従来法（昇華法）の約10倍程度の速度（数mm/h）で成長させ、放射光X線トポグラフィ等による転位評価結果を得るとともに、その評価結果をウェハ中の応力を考慮した転位動力学シミュレーション結果と照合することで、結晶成長に伴う転位の運動・低減過程ならびにそのメカニズムを明らかにする。さらに、成長速度を高めた際の転位評価と応力解析を通じて、高温CVD法による高速成長における転位低減の限界を探求する。

Outline of Final Research Achievements

High-performance silicon carbide (SiC) power semiconductor devices are expected to promote saving power and electrification. This study investigated the fast and high-quality production method of SiC crystals as material for SiC power devices, using the high-temperature chemical vapor deposition (CVD) technique. Significant reduction of defect (dislocation) densities along the crystal growth direction was found in each part of a grown SiC crystal and the characterization results showing coalescence of dislocations and suppressed generation of new dislocations during crystal growth are obtained. Limiting factors in fast and high-quality SiC CVD crystal growth are also revealed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

カーボンニュートラルに向けて、電力系統制御や再生可能エネルギーの系統連系装置、自動車、鉄道車両、産業機器などの高効率化が必須であり、それらにおける電力変換を担うパワー半導体の低損失化が求められている。SiCパワー半導体は高い低損失性能を有するため、各種の電力変換装置への適用が期待されているが、その素材となるSiC結晶の生産性が低いことが課題となっている。本研究では、高温CVD法を用いて従来手法よりも約10倍高い速度で高品質なSiC結晶を製造する上での学術的・技術的知見を得たものであり、将来の高性能SiCパワー半導体の適用・普及拡大に大きく貢献すると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Investigation of propagation and coalescence of threading screw and mixed dislocations in 4H-SiC crystals grown by the high-temperature gas source method (2022)
  • Author(s): Kamata Isaho、Hoshino Norihiro、Betsuyaku Kiyoshi、Kanda Takahiro、Tsuchida Hidekazu
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 590 Pages: 126676-126676
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2022.126676
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of crystal growth techniques for high-power SiC devices (2021)
  • Author(s): 土田秀一、鎌田功穂、星乃紀博、村田晃一
  • Journal Title: Oyo Buturi Volume: 90 Issue: 11 Pages: 675-678
  • DOI: 10.11470/oubutsu.90.11_675
  • NAID: 130008109769
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • Year and Date: 2021-11-01
• [Journal Article] Reduction in dislocation densities in 4H-SiC bulk crystal grown at high growth rate by high-temperature gas-source method (2020)
  • Author(s): Hoshino Norihiro、Kamata Isaho、Kanda Takahiro、Tokuda Yuichiro、Kuno Hironari、Tsuchida Hidekazu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 9 Pages: 095502-095502
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abace0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高電圧パワー半導体に向けたSiC結晶材料開発 (2020)
  • Author(s): 土田秀一
  • Journal Title: 電気評論 Volume: 12 Pages: 13-17
• [Presentation] 高温ガス法による高速4H-SiCバルク結晶成長における転位密度低減 (2023)
  • Author(s): 星乃紀博、鎌田功穂、神田貴裕、徳田雄一郎、久野裕也、土田秀一
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 4H-SiC結晶における貫通刃状転位の上昇運動を考慮した転位動力学シミュレーション (2022)
  • Author(s): 別役潔、星乃紀博、鎌田功穂、神田貴裕、土田秀一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Recent progress in 4H-SiC CVD growth and defect control (2021)
  • Author(s): Hidekazu Tsuchida, Isaho Kamata, Norihiro Hoshino, and Koichi Murata
  • Organizer: 13th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 放射光セクショントポグラフィによる貫通転位挙動の観察 (2021)
  • Author(s): 鎌田功穂、星乃紀博、別役潔、神田貴裕、土田秀一
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 4H-SiCにおける貫通刃状転位間の相互作用 (2021)
  • Author(s): 別役潔、星乃紀博、鎌田功穂、神田貴裕、土田秀一
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高耐圧SiCパワーデバイスの高性能化・高信頼性化を目指した欠陥制御 (2020)
  • Author(s): 土田秀一、鎌田功穂、星乃紀博、村田晃一、前田康二、浅田聡志
  • Organizer: 日本学術振興会「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第162委員会」第120回研究会
  • Invited
• [Presentation] 高品質 SiC 結晶成長技術の開発と欠陥評価 (2020)
  • Author(s): 土田秀一、鎌田功穂、星乃紀博、村田晃一、宮澤哲哉
  • Organizer: 日本学術振興会「放射線科学とその応用第186委員会」 第36回研究会
  • Invited
• [Presentation] ガス法で成長した4H-SiCバルク結晶中の貫通転位ペアの分布評価 (2020)
  • Author(s): 星乃紀博、鎌田功穂、別役潔、神田貴裕、土田秀一
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会第7回講演会
• [Remarks] 電力中央研究所研究者紹介（土田秀一）
  • URL: https://egsweb.denken.or.jp/researcher/1001940/