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SiC MOS界面準位の低減および新チャネル構造MOSFETの動作実証

研究課題

研究課題/領域番号 19J23422
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関京都大学

研究代表者

立木 馨大  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
3,100千円 (直接経費: 3,100千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2019年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワードSiC / MOSFET / SiC MOSFET / 界面準位 / パッシベーション / interface state density
研究開始時の研究の概要

電力変換の大幅な向上を実現するパワーデバイスとして期待されているなSiC MOSFETは既に商用化が進んでいるものの、現在MOS高密度界面欠陥に起因する高いチャネル抵抗が原因で、その性能を最大限に発揮することができていない。したがって、さらなる性能向上を図るにはチャネル抵抗の低減が必須である。
本研究では、高密度界面欠陥のミクロな形態を第一原理計算や化学組成分析といった理論的検討により明らかにした上で、高チャネル抵抗の原因となっている界面準位低減処理法の模索を実験的に行い、SiC MOS高密度界面準位低減手法の確立を目指す。

研究実績の概要

電力の高効率利用には, 電力変換を担う半導体トランジスタの高性能化 (通電損失の低減) が重要である. 現在パワー用トランジスタの材料としてシリコン (Si) が広く用いられているが, その性能はSiの物性値から決まる理論限界に達しつつある. そこで, Siトランジスタの限界を打破し, 飛躍的な低損失化を実現するトランジスタ材料として炭化ケイ素 (SiC) に注目が集まっている. SiC MOS型トランジスタは同耐圧のSiトランジスタに対し, 理論上, 通電損失を約1/500に低減できる. したがって, SiトランジスタをSiCに置換することができれば, 電力の大幅な削減が実現される.
本論文では, SiC MOSFETのチャネル移動度の低減を目標として, 高密度界面欠陥手法の確立を目指した。
その過程で, SiCの酸化排除を排除したSiC/SiO2構造の形成や水素エッチングが高密度界面欠陥の低減に.有効であることを示し、同時にSiCの熱酸化が, 欠陥を誘起することを示した.
そして, 高品質SiC/SiO2界面を得る3つのポイントとして, 1. 水素エッチング, 2. SiCを酸化させないSiO2形成, 3. 窒化処理が大事であることを示した.
また, 本手法を用いて幅広い範囲でボディ層アクセプタ密度を変化させたSiC MOSFETを作製し, その移動度を評価したところ, 従来手法(熱酸化+窒化処理)と比較して6-100倍移動度を向上することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Improvement of Both n- and p-Channel Mobilities in 4H-SiC MOSFETs by High-Temperature N? Annealing2021

    • 著者名/発表者名
      Tachiki Keita、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Electron Devices

      巻: 68 号: 2 ページ: 638-644

    • DOI

      10.1109/ted.2020.3040207

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mobility improvement of 4H-SiC (0001) MOSFETs by a three-step process of H2 etching, SiO2 deposition, and interface nitridation2021

    • 著者名/発表者名
      Tachiki Keita、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 14 号: 3 ページ: 031001-031001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abdcd9

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Short-Channel Effects in SiC MOSFETs Based on Analyses of Saturation Drain Current2021

    • 著者名/発表者名
      Tachiki Keita、Ono Takahisa、Kobayashi Takuma、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Electron Devices

      巻: 68 号: 3 ページ: 1382-1384

    • DOI

      10.1109/ted.2021.3053518

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation of high-quality SiC(0001)/SiO2 structures by excluding oxidation process with H2 etching before SiO2 deposition and high-temperature N2 annealing2020

    • 著者名/発表者名
      Tachiki Keita、Kaneko Mitsuaki、Kobayashi Takuma、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 13 号: 12 ページ: 121002-121002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abc6ed

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] \Mobility improvement in 4H-SiC MOSFETs by H2 etching before SiO2 deposition and interface nitridation2021

    • 著者名/発表者名
      K. Tachiki, K. Ito, M. Kaneko, and T. Kimoto,
    • 学会等名
      European Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2020/2021,
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Reduction in interface state density of SiC/SiO2 structure by H2 etching and N2 annealing2021

    • 著者名/発表者名
      K. Tachiki, M. Kaneko, T. Kobayashi, and T. Kimoto,
    • 学会等名
      International Symposium on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2021
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素エッチングとSiO2堆積後の窒化処理を組み合わせた高品質4H-SiC/SiO2界面の形成2021

    • 著者名/発表者名
      立木 馨大, 金子 光顕, 小林 拓真, 木本 恒暢
    • 学会等名
      第68回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] H2エッチング、酸化膜堆積、N2アニールによる4H-SiC/SiO2界面の低減2020

    • 著者名/発表者名
      立木 馨大, 金子 光顕, 小林 拓真, 木本 恒暢
    • 学会等名
      応用物理学会 先進パワー半導体分科会 第7回講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 酸化過程排除プロセスによる高品質4H-SiC/SiO2界面の形成2020

    • 著者名/発表者名
      立木 馨大, 金子 光顕, 小林 拓真, 木本 恒暢
    • 学会等名
      第81回 応用物理学会 秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光照射C-V測定による窒化SiO2/SiC界面における深い準位の評価2019

    • 著者名/発表者名
      立木馨大 鐘ヶ江一考 木本恒暢
    • 学会等名
      応用物理学会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高温N2アニールによる4H-SiC/SiO2構造における伝導帯および価電子帯端近傍の界面準位の低減2019

    • 著者名/発表者名
      立木馨大 木本恒暢
    • 学会等名
      先進パワー半導体分科会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Reduction of interface states in 4H-SiC/SiO2 near both conduction and valence band edges by high-temperature nitrogen annealing2019

    • 著者名/発表者名
      K. Tachiki and T. Kimoto
    • 学会等名
      ICSCRM 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Impact of hi gh temperature nitrogen annealing on i nterface prop erties of p t ype 4H SiC/SiO 22019

    • 著者名/発表者名
      K. Tachiki and T. Kimoto
    • 学会等名
      APWS 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [産業財産権] SiC半導体素子の製造方法及びSiC MOSFET2020

    • 発明者名
      木本 恒暢, 立木 馨大
    • 権利者名
      木本 恒暢, 立木 馨大
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [産業財産権] SiC半導体素子の製造方法及びSiC半導体素子2020

    • 発明者名
      木本 恒暢, 小林 拓真, 立木 馨大
    • 権利者名
      木本 恒暢, 小林 拓真, 立木 馨大
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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