| 研究課題/領域番号 |
18H03779
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
木本 恒暢 京都大学, 工学研究科, 教授 (80225078)
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| 研究分担者 |
西 佑介 京都大学, 工学研究科, 助教 (10512759)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 炭化珪素 / 半絶縁性基板 / イオン注入 / 電界効果トランジスタ / 耐環境素子 |
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| 研究実績の概要 |
1) 半絶縁性SiCの電子物性および欠陥物理の解明と集積回路作製に向けた課題抽出
半絶縁性SiC基板の物性に関しては、高温熱処理や熱酸化によって若干、キャリア密度が変化するものの、700-900Kでも十分高い抵抗率を示すこと、フェルミ準位がほぼSiCの禁制帯（Eg=3.26 eV）の中央にピニングされていることを明らかにした。次に、この半絶縁性SiCにP, Alイオンを注入して注入層の電気的性質を調べた。約1650℃の高温熱処理を施すことによって95%以上というほぼ完全な電気的活性化率が得られること、および注入層の移動度は電子、正孔ともにSiCエピ成長層と遜色ないことを明らかにした。
2) SiC結晶に存在する転位が電子デバイスの高温動作に与える影響解明
半絶縁性SiCへのイオン注入によってpn接合ダイオードを作製し、その電気的特性を広い温度範囲で調べた。適切な活性化アニールを施して作製したpn接合は、良好な整流性を示し、その耐圧は衝突イオン化係数から計算される理想値にほぼ等しいことがわかった。また、PLイメージングによりSiC基板内に存在する転位の種類と位置を調べ、pn接合の特性との相関を調べたが、耐圧、リーク電流いずれの観点でも転位による悪影響は確認されなかった。
3) SiCを用いた相補型JFETに関するデバイス物理の体系化とこれを元にした独自構造デバイスの原理実証
SiC JFETにおいて容易にノーマリオフ特性を達成でき、かつしきい値電圧の揺らぎを抑制できるチャネル構造として、サイドゲートを有するダブルゲートJFETを考案し、シミュレーションと実験の両方により安定した動作を確認した。特に、実験では、半絶縁性SiC基板へのイオン注入により作製したnチャネルおよびpチャネルSiC JFETの両方において、室温から500℃の温度範囲で良好なノーマリオフ特性を達成した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、交付申請書に記載した３つの研究テーマに取り組み、いずれのテーマにおいても当初目的としていた成果を挙げることができた。したがって、本研究は順調に進展していると判断できる。３つの研究テーマに関する具体的な状況は以下のとおりである。
「半絶縁性SiCの電子物性および欠陥物理の解明と集積回路作製に向けた課題抽出」については、半絶縁性SiC基板の基本的な電気的性質とデバイス作製プロセスに対する耐性を明らかにすると共に、半絶縁性を支配する点欠陥のエネルギー準位を決定した。さらに、半絶縁性SiC基板に直接イオン注入した領域が良好な電気的性質を示し、充分にデバイス作製に適用可能であることを示した。また、「SiC結晶に存在する転位が電子デバイスの高温動作に与える影響解明」については、室温だけでなく400℃の高温においても、転位起因のリーク電流増加や耐圧低下は観測されなかった。つまり、SiC高温動作デバイスにおいて、これらの転位が直接的な悪影響を与えることはなく、現状のSiC基板を用いて充分に実用化可能な高温動作集積回路を実現できることを示している。さらに、「SiCを用いた相補型JFETに関するデバイス物理の体系化とこれを元にした独自構造デバイスの原理実証」に関しては、SiCに適した独自のチャネル構造を有するJFETを提案し、その有用性をシミュレーションと実験により実証した。
以上のように、SiCに関わる材料科学とデバイス基礎の両面で多くの新しい学術的知見を獲得することができた。nチャネル、pチャネルJFETの室温から高温におけるノーマリオフ動作の成果は、電子デバイス分野で最も権威ある学術雑誌（IEEE Electron Device Letters）に掲載され、多くの招待講演を行い、かつ担当学生が学会賞を受賞するなど、当該分野で高い評価を得ている。
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| 今後の研究の推進方策 |
過去２年間の研究は、ほぼ当初の計画通りに進行しており、最終年度では、これらの成果を集約しながら残された課題解決に取り組む。
半絶縁性SiC基板の電子物性に関しては、半絶縁性を支配する欠陥のエネルギー準位を決定できたものの、欠陥の原子的構造の同定には至っていない。今後、電子スピン共鳴測定や理論計算研究との対比を通じて、欠陥構造の同定を試みる。また、半絶縁性SiC基板へのイオン注入層の電気的活性化率が95%以上であることが分かったが、注入不純物密度を大幅に低く設定した場合には、深い準位による補償の影響が無視できなくなると予測される。そこで、イオン注入による伝導性制御の下限の見極めと補償欠陥密度の見積もりを行う。さらに、JFETに関しては高性能化を目指した短チャネル化を行い、SiC JFETにおける短チャネル効果発現の臨界条件を明らかにする。最後に、nチャネルJFETとpチャネルJFETを組み合わせた相補型JFETを試作して高温動作の限界を見極める。
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