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2012 年度 実績報告書

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

研究課題/領域番号 21226008
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, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00293887)
西 佑介  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10512759)
研究期間 (年度) 2009-05-11 – 2014-03-31
キーワード炭化珪素 / パワーデバイス / キャリア寿命 / 絶縁破壊 / 深い準位
研究概要

1) SiC PiNダイオードの超高耐圧化:高純度厚膜SiC結晶の作製と独自の電界集中緩和構造の適用、表面保護膜の最適化などを通じて、21kV耐圧のSiC PiNダイオードを実現した。シミュレーションで求めた耐圧と実測耐圧に見られる差異の主要因が、絶縁膜/SiC界面の固定電荷であることを明らかにした。この固定電荷の影響を受けにくい新たな接合終端構造を考案することで、温度の上昇と共に耐圧が増大し、かつアバランシェ耐量の高いダイオードを作製することに成功した。
2) 超高耐圧SiC PiNダイオードの順方向特性の改善:本研究で確立したC原子の拡散を利用したキャリア寿命増大プロセスを適用し、i層に注入されたキャリアの拡散長を増加させることにより、20kV級ダイオードにおいて順方向のオン電圧、オン抵抗を大幅に低減できることを明らかにした。高温動作も実証し、300℃において15mΩcm2という低いオン抵抗を達成した(SiCユニポーラ限界の約1/50までの低減を達成)。キャリア寿命増大を行わない従来プロセスで作製したダイオードでは、300℃でのオン抵抗は70mΩcm2以上であり、本プロセスの有効性を実素子で示すことができた。
3) 超高耐圧SiCバイポーラトランジスタの設計と作製:コレクタ領域に高純度SiC厚膜(180ミクロン)を用い、上述の電界集中緩和構造や適切な表面保護膜を用いることにより、耐圧21kV以上、電流利得60以上のnpn型SiCバイポーラトランジスタを実現した。ガンメルプロットにおいて、コレクタ電流は理想因子n=1で立ち上がっており、理想的な拡散電流が支配的であることを明らかにした。

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

独自のC原子拡散プロセスを用いた深い準位の低減とキャリア寿命の増大(最高のキャリア寿命を達成)、PLイメージン法を用いたSiCエピ成長層および基板の拡張欠陥の詳細評価、高純度SiC厚膜と独自の接合終端構造を用いた最高耐圧(21kV以上)のSiC PiNダイオードの実現、最高耐圧(21kV以上)および高い電流利得(60以上)を有するSiCバイポーラトランジスタの実現など、研究は概ね順調に進行していると考えられる。当初の研究計画に比べて遅れは生じていない。

今後の研究の推進方策

超高耐圧SiCデバイス(ダイオード、トランジスタ)の設計と作製については、極めて順調であり、当初の計画を前倒しできている。今後はデバイス構造やプロセスの改良により、さらにオン特性(オン抵抗、オン電圧)の向上を目指す。p型SiCに対するオーム性電極の接触抵抗の低減や、p型SiC内のキャリア寿命増大が重要な課題であると考えている。
SiC材料研究についても順調であるが、重要な課題が残っている。SiC結晶中の主要な深い準位の起源解明に向けて、様々なドーピング密度と欠陥密度を有するSiC自立膜を作製する。こららの試料の電気的性質(キャリア密度、深い準位密度など)とEPR測定における点欠陥由来のスピン密度を対照させることで、深い準位の起源を解明する(現在、目処がついてきている)。また、p型SiCでは、n型ほど長いキャリア寿命が容易に得られないことが分かったので、この原因を解明して、p型SiCにおいて長いキャリア寿命を達成するための指針を提示する。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 4件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] 21.7 kV 4H-SiC diode with a space-modulated junction termination extension2012

    • 著者名/発表者名
      H. Niwa, J. Suda, and T. Kimoto
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Exp

      巻: 5 ページ: 064001/1-3

    • DOI

      10.1143/APEX.5.064001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analytical model for reduction of deep levels in SiC by thermal oxidation2012

    • 著者名/発表者名
      K. Kawahara, J. Suda, and T. Kimoto
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys

      巻: 111 ページ: 053710/1-9

    • DOI

      10.1063/1.3692766

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Carrier recombination in n-type 4H-SiC epilayers with long carrier lifetimes2012

    • 著者名/発表者名
      S. Ichikawa, K. Kawahara, J. Suda, and T. Kimoto
    • 雑誌名

      Appl. Phys Exp.

      巻: 5 ページ: 101301/1-3

    • DOI

      10.1143/APEX.5.101301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 21-kV SiC BJTs with space-modulated junction termination extension2012

    • 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

    • 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 structures2012

    • 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 ページ: 2748-2752

    • DOI

      10.1109/TED.2012.2210044

    • 査読あり
  • [学会発表] Progress and future challenges of SiC power devices2012

    • 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
    • 年月日
      20121119-20121119
    • 招待講演
  • [学会発表] Defect electronics in SiC and fabrication of ultrahigh-voltage bipolar devices2012

    • 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
    • 年月日
      20121007-20121010
    • 招待講演
  • [学会発表] Defect electronics in SiC for high-voltage power devices2012

    • 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
    • 年月日
      20120903-20120906
    • 招待講演
  • [学会発表] Breakdown characteristics of 12-20 kV-class 4H-SiC PiN diodes with improved junction termination structures2012

    • 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
    • 年月日
      20120604-20120607
  • [学会発表] Generation and elimination of the Z1/2 center in 4H-SiC2012

    • 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
    • 年月日
      20120409-20120411
    • 招待講演
  • [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
    • 総ページ数
      2.8.3節, 4.1節
    • 出版者
      培風館
  • [図書] Silicon Carbide Epitaxy 42012

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto, G. Feng, K. Danno, T. Hiyoshi and J. Suda
    • 総ページ数
      121-144
    • 出版者
      Research Signpost,

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公開日: 2014-07-24  

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