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高温CVD法による高速SiCバルク結晶成長における転位低減機構解明と限界探求

Research Project

Project/Area Number 20H00356
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research InstitutionCentral Research Institute of Electric Power Industry

Principal Investigator

土田 秀一  一般財団法人電力中央研究所, 材料科学研究所, 領域リーダー 副研究参事 (60371639)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥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)
KeywordsSiC / 結晶成長 / 高温CVD法 / 転位 / 応力 / 炭化珪素 / 熱応力 / X線トポグラフィ / 転位動力学 / 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 Annual Research Achievements

(1) SiCバルク結晶成長
高温CVD法(ガス法)によって、直径75 mmの種結晶に対して、種結晶温度2500-2550℃での4H-SiC単結晶成長実験を行った。種結晶のオフ角度は4度、オフ方位は<11-20>とした。炉内のガス流パターンを制御することで成長速度の径方向分布を均一化し、約6 mmの均一な厚さを有する4H-SiC単結晶を成長速度2 mm/hで高速成長させることを実現した。これにより得られた単結晶をスライス、研磨することで、転位評価用の複数枚のウエハを取得した。
(2) 転位評価
成長速度3 mm/hで得た直径50 mmの4H-SiC単結晶に対して、放射光X線トポグラフィによる転位評価を行った。異なる成長厚さに対して反射X線トポグラフィ像を取得し、転位密度の面内分布の厚さ方向変化を解析したところ、TSD/TMD、TEDともに転位密度が高い領域ほど結晶成長に伴う転位低減量が大きいことを明らかにした。また、成長方向に沿った断面カットサンプルに対する放射光X線トポグラフィにより、逆向きのc方向バーガースベクトル成分を有するTSD/TMDが結晶成長途中で合体して消滅していることを確かめた。
(3) 応力解析と転位動力学シミュレーション
転位間相互作用力と熱応力が重畳する場合について、二つのTEDのバーガースベクトルと相対位置に対応する引力・斥力を解析した。これに基づき、多数のTEDを想定し、転位間相互作用力と熱応力によって時間的にTEDが移動することを仮定した二次元転位動力学シミュレーションを実施し、結晶中央部と端部において合体や排出に伴って、転位密度が減少することを示すシミュレーション結果を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ガス法による高速SiCバルク結晶成長、転位評価、応力解析と転位動力学シミュレーションのそれぞれの項目について、それぞれ当初計画に沿った実施結果が得られており、おおむね順調に進捗している。

Strategy for Future Research Activity

種結晶のオフ方位とオフ角度および結晶成長速度をパラメータとして、結晶成長実験ならびに転位評価と転位動力学シミュレーションを行い、それぞれの場合における転位密度の低減度合いの実験値とシミュレーション結果を照合することで、高温CVD法による高速SiCバルク結晶成長における転位低減メカニズムの解明と転位低減の限界見極めを進める。

Report

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

Research Products

(7 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Reduction in dislocation densities in 4H-SiC bulk crystal grown at high growth rate by high-temperature gas-source method2020

    • Author(s)
      Hoshino Norihiro、Kamata Isaho、Kanda Takahiro、Tokuda Yuichiro、Kuno Hironari、Tsuchida Hidekazu
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 13 Pages: 095502-095502

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abace0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • 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

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
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    • 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
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  • [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
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    • 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
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  • [Presentation] 高品質 SiC 結晶成長技術の開発と欠陥評価2020

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      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
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  • [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
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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