• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2022 年度 実績報告書

ロバストエレクトロニクスを目指したSiC半導体の学理深化

研究課題

研究課題/領域番号 21H05003
研究機関京都大学

研究代表者

木本 恒暢  京都大学, 工学研究科, 教授 (80225078)

研究分担者 金子 光顕  京都大学, 工学研究科, 助教 (60842896)
田中 一  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (40853346)
研究期間 (年度) 2021-07-05 – 2026-03-31
キーワード炭化珪素 / MOS界面 / MOSFET / 絶縁破壊 / パワーデバイス / 高温動作デバイス
研究実績の概要

本研究では、低損失パワーデバイスおよび高温動作集積回路の実現に向けてSiC半導体に関する学理革新と深化を目指しており、本年度に得られた主な成果は以下の通りである。
1) SiC MOS界面物性の解明に関しては、研究代表者が提案した酸化抑制プロセスによりトレンチ側壁面((11-20), (1-100)面)上のMOS構造を作製・評価したところ、伝導帯端近傍で約5E10cm-2eV-1 という極めて低い界面準位密度が得られることを見出した。
2) SiCのnチャネルMOSFETの高性能化に関しては、新規の酸化抑制プロセスを活用することにより、トレンチ側壁面の高濃度p型ボディ上で130cm2/Vs以上という高い移動度を達成した。また、様々な素子でMOS-Hall効果測定を行い、電子移動度と界面準位捕獲電子密度に関する体系的なデータを取得した。
3) SiCのpチャネルMOSFETにおいて比較的高いチャネル移動度が得られる原因を実験と理論により解析し、価電子帯端近傍の界面準位密度が比較的低いだけでなく、pチャネルMOSFETの方がnチャネルMOSFETに比べて通電時の表面フェルミ準位がバンド端から離れており(有効質量の違い)、キャリア捕獲の影響が小さいからであることを明らかにした。
4) SiCの高電界物性に関しては、<0001>方向の電子の衝突イオン化係数が異常に小さいことを見出し、SiC特有のバンド構造を考慮したフルバンドのモンテカルロシミュレーションによって、その原因を明らかにした。
5) 様々なドナー密度を有するSiCショットキー障壁ダイオードを作製し、実測特性を理論計算結果と比較検討した。ドナー密度が2E18cm-3以上では、実測した順方向・逆方向特性ともにショットキー障壁を介したトンネル電流により定量的に説明できることを示した。

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

5つの課題全てにおいて、当初に計画した結果を得ている。一部の課題では予想を上回る成果が得られるなど、順調に進展している。以下に課題毎の達成度を述べる。
1) 高品質SiC MOS界面の電子物性に関しては、提案する酸化抑制プロセスにより形成したSiO2/SiCの界面準位密度のエネルギー分布を複数の手法により決定し、従来プロセスに対する顕著な優位性を示した。特に実用上重要な(11-20)、(1-100)面上のMOS構造ではSiO2/Si系に匹敵する低い界面準位密度を得た。界面構造の物理・化学分析も進めている。
2) nチャネルSiC MOSFETの高性能化に関しては、酸化抑制プロセスを適用することにより、実用上重要な高濃度ドープp型ボディを有する(11-20)、(1-100)面MOSFETで約10倍の移動度向上を達成するなど、予想を上回る成果を得た。MOS-Hall効果測定と反転層内の電子輸送機構の理論計算も着実に進めている。
3) pチャネルSiC MOSFETに関しては、初めてチャネル移動度のボディ領域ドナー密度依存性、実効垂直電界依存性に関する体系的なデータを取得すると共に、nチャネルMOSFETとの相違点を明らかにし、これを半導体物理に立ち戻った解析により説明した。
4) SiCの高電界電子物性に関しては、電子の衝突イオン化係数の異方性の発見と理論解析を初めて行った点が特筆される。本研究後半の課題となるドリフト速度決定用の素子設計もほぼ完了している。
5) SiC接合の高電界特性に関しては、pn接合およびn型ショットキー障壁におけるトンネル電流の寄与を理論的に明らかにし、実験結果を数桁に亘って再現できることを示した。特にショットキー障壁の研究を前倒しで着手し、直接トンネル電流およびトラップ支援トンネル電流が支配的であることを明らかにするなど、当初の予定を上回る成果を得ている。

今後の研究の推進方策

SiC nチャネルMOSFETの高性能化については予想を上回る移動度向上を達成したので、今後はMOSFET特性を予測する物理モデル構築に注力する。この研究課題はMOS-Hall効果測定による実験研究と、反転層内キャリアの電子状態と散乱過程を考慮した計算研究からなる。SiC MOSFFETではゲート電圧を大きくすると表面フェルミ準位が上昇し、界面準位に捕獲されるキャリア数が急激に増大するので、クーロン散乱源の密度が酸化膜形成プロセスだけでなくゲート電圧にも強く依存することに注意しながら解析する必要がある。界面準位密度のエネルギー分布(酸化膜形成プロセスで決まる)が与えられれば、各ゲート電圧に対する自由キャリア密度、キャリア移動度、捕獲キャリア密度が求まり、MOSFET特性を予測できる物理モデルを構築する。
SiC pチャネルMOSFETに関しては、SiC(11-20)、(1-100)面上に作製したMOSFETの解析を進め、高いチャネル移動度を実証する。並行してpチャネルMOSFETのHall効果測定を行い、反転層内の正孔の散乱過程を明らかにする。また、SiC(0001)基板を用いてプレーナ型CMOSを設計・作製し、短チャネル化による高性能化を検討する。
SiCの高電界電子物性に関しては、今後は衝突イオン化係数の温度依存性(低温~高温)を明らかにする。また、高電界下における電子および正孔のドリフト速度の決定に取り組む。SiCでは従来の半導体に比べて約一桁高い電界まで測定する必要があり、測定素子の構造と計測手法に工夫が必要である。
SiC pn接合の高電界特性については概ね当初の目標を達成したので、本研究後半ではショットキー障壁の高電界特性に注力する。n型ショットキー障壁については目途が立ってきたので、p型ショットキー障壁におけるトンネル電流の実測と定式化を行う。

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (12件) (うち査読あり 12件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 19件、 招待講演 7件) 図書 (1件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] Impact of the split-off band on the tunneling current at metal/heavily-doped p-type SiC Schottky interfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Kitawaki Takeaki、Hara Masahiro、Tanaka Hajime、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 031005~031005

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acc30d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Physical properties of sulfur double donors in 4H-SiC introduced by ion implantation2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka Taiga、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 ページ: 010908~010908

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb309

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced tunneling current and low contact resistivity at Mg contacts on heavily phosphorus-ion-implanted SiC2023

    • 著者名/発表者名
      Hara Masahiro、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 021003~021003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acb98b

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical analysis of tunneling current in 4H-SiC Schottky barrier diodes under reverse-biased conditions based on the complex band structure2023

    • 著者名/発表者名
      Murakami Yutoku、Nagamizo Sachika、Tanaka Hajime、Mori Nobuya
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 ページ: SC1042~SC1042

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acaed2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-voltage SiC power devices for improved energy efficiency2022

    • 著者名/発表者名
      KIMOTO Tsunenobu
    • 雑誌名

      Proceedings of the Japan Academy, Series B

      巻: 98 ページ: 161~189

    • DOI

      10.2183/pjab.98.011

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Critical electric field for transition of thermionic field emission/field emission transport in heavily doped SiC Schottky barrier diodes2022

    • 著者名/発表者名
      Hara Masahiro、Tanaka Hajime、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 120 ページ: 172103~172103

    • DOI

      10.1063/5.0088681

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Carrier Trapping Effects on Forward Characteristics of SiC p-i-n Diodes Fabricated on High-Purity Semi-Insulating Substrates2022

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Katsuya、Tanaka Hajime、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Electron Devices

      巻: 69 ページ: 1989~1994

    • DOI

      10.1109/TED.2022.3154673

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simulation analysis of high-field carrier transport in wide-bandgap semiconductors considering tunable band structures and scattering processes2022

    • 著者名/発表者名
      Tanaka H.、Kimoto T.、Mori N.
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 131 ページ: 225701~225701

    • DOI

      10.1063/5.0090308

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mobility enhancement in heavily doped 4H-SiC (0001), (11-20), and (1-100) MOSFETs via an oxidation-minimizing process2022

    • 著者名/発表者名
      Tachiki Keita、Mikami Kyota、Ito Koji、Kaneko Mitsuaki、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 ページ: 071001~071001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac7197

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] SiC Complementary Junction Field-Effect Transistor Logic Gate Operation at 623 K2022

    • 著者名/発表者名
      Kaneko M.、Nakajima M.、Jin Q.、Kimoto T.
    • 雑誌名

      IEEE Electron Device Letters

      巻: 43 ページ: 997~1000

    • DOI

      10.1109/LED.2022.3179129

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effective channel mobility in phosphorus-treated 4H-SiC (0001) metal-oxide-semiconductor field-effect transistors with various p-body doping concentrations2022

    • 著者名/発表者名
      Ito Koji、Horita Masahiro、Suda Jun、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 ページ: 098001~098001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac87e4

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mobility degradation under a high effective normal field in an inversion layer of 4H-SiC (0001) metal-oxide-semiconductor structures annealed in POCl32022

    • 著者名/発表者名
      Ito Koji、Kimoto Tsunenobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 ページ: 121006~121006

    • DOI

      10.35848/1882-0786/aca377

    • 査読あり
  • [学会発表] Defect Electronics in SiC Power Semiconductor2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto
    • 学会等名
      2022 Semiconductor Physics Workshop in Erlangen
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Physical Understanding and Prevention of Bipolar Degradation in SiC Power Devices2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto, A. Iijima, and M. Kaneko
    • 学会等名
      241st Electrochemical Society Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High Mobility in SiC MOSFETs with Heavily-Doped p-Bodies2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto, K. Tachiki, K. Ito, K. Mikami, M. Kaneko, M. Horita, and J. Suda
    • 学会等名
      14th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-quality MOS interface on 4H-SiC (11-20) formed by the oxidation-minimizing process2022

    • 著者名/発表者名
      K. Mikami, K. Tachiki, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Contribution of a split-off band to tunneling current in heavily-doped p-type SiC Schottky barrier diodes2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kitawaki, M. Hara, H. Tanaka, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] High temperature operation of SiC complementary JFET logic gates fully fabricated by ion implantation2022

    • 著者名/発表者名
      M. Kaneko, M. Nakajima, Q. Jin, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Influence of electrons trapped at the interface states on Hall electron mobility in SiC/SiO2 inversion layers2022

    • 著者名/発表者名
      K. Ito, M. Horita, J. Suda, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhanced tunneling current at Schottky contacts formed on heavily P+-implanted SiC2022

    • 著者名/発表者名
      M. Hara, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Depth profile analyses of deep levels near 4H-SiC p+-n junctions formed by Al ion implantation2022

    • 著者名/発表者名
      H. Fujii, K. Kanegae, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Anomalously high electron mobility in S-implanted n-type SiC2022

    • 著者名/発表者名
      T. Matsuoka, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Remarkable improvement of threshold voltage controllability in ion-implantation-based SiC JFETs by adopting bottom-gate structure2022

    • 著者名/発表者名
      S. Shibata, T. Matsuoka, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Anisotropy of hole mobility in 4H-SiC over wide ranges of acceptor concentration and temperature2022

    • 著者名/発表者名
      R. Ishikawa, H. Tanaka, M. Kaneko, and T. Kimoto
    • 学会等名
      Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Progress and Future Challenges in SiC Power Semiconductor2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto
    • 学会等名
      ETH Power Electronics Colloquium 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-Temperature Operation of SiC JFET-Based Complementary Circuits2022

    • 著者名/発表者名
      M. Kaneko, M. Nakajima, Q. Jin, and T. Kimoto
    • 学会等名
      2022 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Progress and Future Challenges of SiC Power Devices2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto
    • 学会等名
      IME Workshop on SiC Power Devices 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Progress and Future Challenges in SiC MOSFETs2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kimoto, K. Tachiki, K. Ito, K. Mikami, and M. Kaneko
    • 学会等名
      10th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Monte Carlo Simulation of Electron Transport in SiC MOS Inversion Layers Considering Capture and Emission by Interface States2022

    • 著者名/発表者名
      F. Tanaka, H. Tanaka, and N. Mori
    • 学会等名
      IEEE 2022 International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai
    • 国際学会
  • [学会発表] Theoretical Analysis of Tunneling Current in 4H-SiC Schottky Barrier Diodes Under Reverse-biased Condition Based on Complex Band Structure2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Murakami, S. Nagamizo, H. Tanaka, and N. Mori
    • 学会等名
      2022 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Theoretical Analysis of Tunneling Effect in 4H-SiC Schottky Barrier Diodes Based on Complex Band Structure2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Murakami, S. Nagamizo, H. Tanaka, and N. Mori
    • 学会等名
      Int. Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems 2022
    • 国際学会
  • [図書] 次世代パワー半導体の開発・評価と実用化 第一章2022

    • 著者名/発表者名
      小林拓真、木本恒暢
    • 総ページ数
      12
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4860437671
  • [産業財産権] SiC pチャネルMOSFET及びSiC相補型MOSデバイス2023

    • 発明者名
      木本恒暢、三上杏太
    • 権利者名
      京都大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-025123
  • [産業財産権] SiC相補型電界効果トランジスタ2022

    • 発明者名
      金子光顕、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
      2022-065535
  • [産業財産権] SiC接合型電界効果トランジスタ及びSiC相補型接合型電界効果トランジスタ2022

    • 発明者名
      金子光顕、松岡大雅、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
      2022-112930

URL: 

公開日: 2023-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi