炭化珪素半導体の欠陥制御と超高耐圧ロバスト素子への応用

• 研究課題/領域番号: 21226008
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 木本 恒暢 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80225078)
• 研究分担者: 須田 淳 京都大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00293887) ; 西 佑介 京都大学, 大学院工学研究科, 助教 (10512759)
• 研究期間 (年度): 2009-05-11 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 203,450千円 (直接経費: 156,500千円、間接経費: 46,950千円); 2013年度: 29,770千円 (直接経費: 22,900千円、間接経費: 6,870千円); 2012年度: 35,880千円 (直接経費: 27,600千円、間接経費: 8,280千円); 2011年度: 41,210千円 (直接経費: 31,700千円、間接経費: 9,510千円); 2010年度: 39,910千円 (直接経費: 30,700千円、間接経費: 9,210千円); 2009年度: 56,680千円 (直接経費: 43,600千円、間接経費: 13,080千円)
• キーワード: 半導体 / パワーデバイス / 結晶欠陥 / キャリア寿命 / 絶縁破壊 / 炭化珪素 / 深い準位 / 拡張欠陥 / 点欠陥 / PiNダイオード / 接合終端

研究概要

電力系統や高圧電源に用いられる高効率電力変換用パワーデバイスの実現を目指し、炭化珪素(SiC)半導体に関する材料科学と超高耐圧デバイスの基礎研究を遂行した。主な成果として、高純度結晶の作製、拡張欠陥の構造および物性の解明、拡張欠陥の非破壊高速検出、深い準位の物性解明、キャリア寿命キラー欠陥の大幅な低減とキャリア寿命の増大、キャリア寿命制御、超高耐圧を可能とする接合終端構造および設計指針の提示、絶縁破壊機構に関する考察、固体素子として最高の超高耐圧(20kV以上) SiC PiNダイオードおよびバイポーラトランジスタの作製、特性解析と高温動作(300℃)の実証を達成した。

評価記号

検証結果 (区分)

A

研究成果

• [雑誌論文] 高耐圧SiCパワーデバイスの進展と課題 (2014)
  • 著者名/発表者名: 木本恒暢
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 49 ページ: 35-43
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation on Origin of Z_<1/2> Cener in SiC by Deep Level Transient Spectroscopy and Electron Paramagnetic Resonance (2013)
  • 著者名/発表者名: Koutarou Kawahara, et al.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 102 号: 11
  • DOI: 10.1063/1.4796141
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrahigh-voltage SiC PiN diodes with an improved junction termination extension structure and enhanced carrier lifetime (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Kaji, H. Niwa, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 52 号: 7R ページ: 070204-070204
  • DOI: 10.7567/jjap.52.070204
  • NAID: 210000142425
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of carrier lifetimes in highly Al-doped p-type 4H-SiC epitaxial layers by hydrogen passivation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Okuda, T. Kimoto, and J. Suda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 6
  • NAID: 40019923235
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deep levels generated by thermal oxidation in n-type 4H-SiC (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kawahara, J. Suda, and T. Kimoto,
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp. 巻: 6 号: 5 ページ: 051301-051301
  • DOI: 10.7567/apex.6.051301
  • NAID: 10031174299
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deep Levels Generated by Thermal Oxidation in p-type 4H-SiC (2013)
  • 著者名/発表者名: Koutarou Kawahara, et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 113 号: 3
  • DOI: 10.1063/1.4776240
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of Carrier Lifetimes in Highly Al-Doped p-Type 4H-SiC Epitaxial Layers by Hydrogen Passivation (2013)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Okuda, Tsunenobu Kimoto, and Jun Suda
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 号: 12 ページ: 121301-121301
  • DOI: 10.7567/apex.6.121301
  • 査読あり
• [雑誌論文] 21.7 kV 4H-SiC diode with a space-modulated junction termination extension (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Niwa, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp 巻: 5 号: 6 ページ: 064001-064001
  • DOI: 10.1143/apex.5.064001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carrier recombination in n-type 4H-SiC epilayers with long carrier lifetimes (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Ichikawa, K. Kawahara, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp 巻: 5
  • NAID: 10031117540
  • 査読あり
• [雑誌論文] 21-kV SiC BJTs with space-modulated junction termination extension (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Miyake, T. Okuda, H. Niwa, T. Kimoto, and J. Suda
  • 雑誌名: IEEE Electron Device Lett 巻: 33 ページ: 1598-1600
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analytical model for reduction of deep levels in SiC by thermal oxidation (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kawahara, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 111 号: 5
  • DOI: 10.1063/1.3692766
  • NAID: 120004057133
  • 査読あり
• [雑誌論文] Space-modulated junction termination extension for ultrahigh-voltage p-i-n diodes in 4H-SiC (2012)
  • 著者名/発表者名: G. Feng, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: IEEE Trans. Electron Devices 巻: 59 号: 2 ページ: 414-418
  • DOI: 10.1109/ted.2011.2175486
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carrier recombination in n-type 4H-SiC epilayers with long carrier lifetimes (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Ichikawa, K. Kawahara, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: Appl. Phys Exp. 巻: 5 号: 10 ページ: 101301-101301
  • DOI: 10.1143/apex.5.101301
  • NAID: 10031117540
  • 査読あり
• [雑誌論文] 21-kV SiC BJTs with space-modulated junction termination extension (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Miyake, T. Okuda, H. Niwa, T. Kimoto, and J. Suda
  • 雑誌名: IEEE Electron Device Lett. 巻: 33 号: 11 ページ: 1598-1600
  • DOI: 10.1109/led.2012.2215004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Breakdown characteristics of 15-kV-class 4H-SiC PiN diodes with various junction termination structures (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Niwa, G. Feng, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: IEEE Trans. Electron Devices 巻: 59 号: 10 ページ: 2748-2752
  • DOI: 10.1109/ted.2012.2210044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonradiative recombination at threading dislocations in 4H-SiC epilayers studied by micro-photoluminescence mapping (2011)
  • 著者名/発表者名: G. Feng, J. Suda, and T. Kimoto
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 110 号: 3
  • DOI: 10.1063/1.3622336
  • NAID: 120004920356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impacts of reduction of deep levels and surface passivation on carrier lifetimes in p-tyne 4H-Sic epilavers (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Hayashi, T.Asano, J.Suda, T.Kimoto
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 巻: 109 号: 11
  • DOI: 10.1063/1.3583657
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高効率電力変換用SiCパワーデバイス (2011)
  • 著者名/発表者名: 木本恒暢
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 80 ページ: 673-678
  • NAID: 10029354680
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sources of epitaxial growth-induced stacking faults in 4H-SiC (2010)
  • 著者名/発表者名: G.Feng, J.Suda, T.Kimoto
  • 雑誌名: Journal of Electronic Material 巻: 39 ページ: 1166-1169
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of deep levels generated by ion implantation into n- and p-type 4H-SiC (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Kawahara, J.Suda, G.Pensl, T.Kimoto
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 108
  • NAID: 120003386608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impacts of recombination at the surface and in the substrate on carrier lifetimes of n-type 4H-SiC epilayers (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Kimoto, T.Hiyoshi, T.Hayashi, J.Suda
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 108
  • NAID: 120002661513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of deep levels and improvement of carrier lifetime in n-type 4H-SiC by thermal oxidation (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Hiyoshi, and T. Kimoto
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp 巻: 2 ページ: 041101-041101
  • DOI: 10.1143/apex.2.041101
  • NAID: 10025085589
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of deep levels and improvement of carrier lifetime in n-type 4H-SiC by thermal oxidation (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Hiyoshi, T.Kimoto
  • 雑誌名: Applied Physics Express 2
  • NAID: 10025085589
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection and depth analyses of deep levels generated by ion implantation in n- and p-type 4H-SiC (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kawahara, G.Alfieri, T.Kimoto
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 106
  • NAID: 120002086109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of major in-grown stacking faults in 4H-SiC epilayers (2009)
  • 著者名/発表者名: G.Feng, J.Suda, T.Kimoto
  • 雑誌名: Physica B : Condensed Matter 23-24 ページ: 4745-4748
  • 査読あり
• [学会発表] Ultrahigh-voltage SiC devices for future power infrastructure (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto
  • 学会等名: Proc. of 43th Europ. Solid-State Device Research Conf
  • 発表場所: Bucharest
• [学会発表] Junction technology in SiC for high-voltage power devices (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, K. Kawahara, H. Niwa, T. Okuda, and J. Suda
  • 学会等名: Ext. Abstr. of IEEE 13th Int. Workshop on Junction Technology
  • 発表場所: Kyoto
• [学会発表] Fundamentals and frontiers of SiC power device technology (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto
  • 学会等名: Short Course of 25th Int. Symp. of Power Semiconductor Devices & ICs
  • 発表場所: Kanazawa
  • 招待講演
• [学会発表] Junction technology in SiC for high-voltage power devices (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, K. Kawahara, H. Niwa, T. Okuda, and J. Suda
  • 学会等名: IEEE 13th Int. Workshop on Junction Technology
  • 発表場所: Kyoto
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrahigh-voltage SiC devices for future power infrastructure (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto
  • 学会等名: 43th Europ. Solid-State Device Research Conf.,
  • 発表場所: Bucharest, Romania
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrahigh-voltage (> 20 kV) SiC PiN diodes with a space-modulated JTE and lifetime enhancement process via thermal oxidation (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Kaji, H. Niwa, J. Suda, and T. Kimoto
  • 学会等名: Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2013
  • 発表場所: Miyazaki
• [学会発表] Temperature dependence of impact ionization coefficients in 4H-SiC (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Niwa, J. Suda, and T. Kimoto
  • 学会等名: Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2013
  • 発表場所: Miyazaki
  • 招待講演
• [学会発表] Progress and future challenges of high-voltage SiC power devices (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, H. Miyake, H. Niwa, T. Okuda, N. Kaji, and J. Suda
  • 学会等名: 2013 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 招待講演
• [学会発表] "Defect electronics in SiC and fabrication of ultrahigh-voltage bipolar devices (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, J. Suda, G. Feng, H. Miyake, K. Kawahara, H. Niwa, S. Ichikawa, and Y. Nishi
  • 学会等名: Electrochemical. Soc. Fall Meeting 2012
  • 発表場所: Honolulu
• [学会発表] Breakdown characteristics of 12-20 kV-class 4H-SiC PiN diodes with improved junction termination structures (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Niwa, G. Feng, J. Suda, and T. Kimoto
  • 学会等名: 2012 24th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's
  • 発表場所: Bruges, Belgium
• [学会発表] Defect electronics in SiC and fabrication of ultrahigh-voltage bipolar devices (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, J. Suda, G. Feng, H. Miyake, K. Kawahara, H. Niwa, T. Okuda, S. Ichikawa, and Y. Nishi
  • 学会等名: Electrochemical. Soc. Fall Meeting 2012
  • 発表場所: Honolulu
  • 招待講演
• [学会発表] Generation and elimination of the Z1/2 center in 4H-SiC (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, K. Kawahara, B. Zippelius and J. Suda
  • 学会等名: 2012 Spring Meeting, Materials Research Society
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Defect electronics in SiC for high-voltage power devices (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, J. Suda, K. Kawahara, H. Niwa, T. Okuda, N. Kaji, and S. Ichikawa
  • 学会等名: 9th Europ. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials
  • 発表場所: St. Petersburg, Russia
  • 招待講演
• [学会発表] Progress and future challenges of SiC power devices (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto and J. Suda
  • 学会等名: 8th Handai Nanoscience and Nanotechnology Int. Symp.
  • 発表場所: Osaka, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] High-voltage SiC power devices for energy electronics (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kimoto, J.Suda
  • 学会等名: the 2011 Int.Conf.on Solid state Devices and Materials
  • 発表場所: 愛知県産業労働センター,名古屋、愛知(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-27
• [学会発表] Elimination of deep levels in thick SiC epilayers by thermal oxidation and proposal of the analytical model (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Kawahara, J.Suda, T.Kimoto
  • 学会等名: Int.Conf.on Silicon Carbide and Related Materials 2011
  • 発表場所: ルネッサンスクリーブランドホテル,Cleveland, USA(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-16
• [学会発表] Experimental study on various junction terminat ion structures applied to 15kV 4H-SiC PiN diodes (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Niwa, G.Feng, J.Suda, T.Kimoto
  • 学会等名: Int.Conf.on Silicon Carbide and Related Materials 2011
  • 発表場所: ルネッサンスクリーブランドホテル,Cleveland, USA
  • 年月日: 2011-09-14
• [学会発表] Fast epitaxial growth and defect control of SiC toward ultra high-voltage power devices (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kimoto, J.Suda, G.Feng
  • 学会等名: Asia-Paciffic Workshop on Widegap Semiconductors
  • 発表場所: 鳥羽国際ホテル,鳥羽、三重(招待講演)
  • 年月日: 2011-05-22
• [学会発表] SiC R&D in Japan (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kimoto
  • 学会等名: Int.SiC Power Electronics Applications Workshop
  • 発表場所: Kista Science Tower, Stockholm, Sweden(招待講演)
  • 年月日: 2011-05-03
• [学会発表] SiC technologies for future energy electronics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Kimoto
  • 学会等名: 2010 VLSI Technology Symposium
  • 発表場所: Honolulu
  • 年月日: 2010-06-14
• [学会発表] SiC technologies for future energy electronics (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto
  • 学会等名: Tech. Digests of 2010 VLSI Technology Symp
  • 発表場所: Honolulu
• [学会発表] Defect control in growth and processing of 4H-SiC for power device applications (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, G. Feng, T. Hiyoshi, K. Kawahara, M. Noborio, and J. Suda
  • 学会等名: Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2009
  • 発表場所: Nurnberg
• [学会発表] Point and extended defects in SiC and their impact on modern technological processes (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Kimoto
  • 学会等名: 25th Int. Conf. on Defects in Semiconductors
  • 発表場所: St.Petersburg, Russia
• [図書] ワイドギャップ半導体 あけぼのから最前線へ (2013)
  • 著者名/発表者名: 木本恒暢
  • 出版者: 培風館
• [図書] "4H-SiC epitaxial growth and defect characterization", Silicon Carbide Epitaxy 4 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, G. Feng, K. Danno, T. Hiyoshi and J. Suda
  • 出版者: Publisher Research Signpost
• [図書] Silicon Carbide Epitaxy 4 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kimoto, G. Feng, K. Danno, T. Hiyoshi and J. Suda
  • 出版者: Research Signpost,
• [図書] SiCパワーデバイス最新技術 (2010)
  • 著者名/発表者名: 木本恒暢
  • 出版者: サイエンス&テクノロジー
• [備考]
  • URL: http://semicon.kuee.kyoto-u.ac.jp/
• [産業財産権] 半導体装置の製造方法および熱処理装置 (2013)
  • 発明者名: 須田淳、奥田貴史、木本恒暢
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2013-143504
  • 出願年月日: 2013-07-09
• [産業財産権] 半導体装置、半導体装置の製造方法および熱処理装置 (2013)
  • 発明者名: 須田淳、奥田貴史、木本恒暢
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2013-143504
  • 出願年月日: 2013-07-09
• [産業財産権] 半導体素子及び半導体素子の製造 (2011)
  • 発明者名: 木本恒暢、須田淳
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2011-059992
  • 出願年月日: 2011-03-18
• [産業財産権] 半導体素子及び半導体素子の製造方法 (2011)
  • 発明者名: 木本恒暢
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権番号: 2011-059992
  • 出願年月日: 2011-03-18