極限を目指した
新しい半導体デバイスの実現
京都大学 工学研究科 電子工学専攻
木本 恒暢、須田 淳
ナノ電子工学 量子光学 電磁工学
光・電子理工学
光・電子理工学
エネルギー、環境問題や爆発的な情報量増大解決へ 物理限界への挑戦と新機能の創出 自在な光子制御 ・フォトニック結晶 ・シリコンナノフォト二クス ・ワイドバンドギャップ 光半導体 極限的な電子制御 ・ワイドバンドギャップ (SiC) エレクトロニクス ・原子揺らぎを考慮したLSI設計 基礎物性・電磁工学究極の電子デバイスを目指して
木本 恒暢、須田 淳
・
10,000 Vの電圧
に耐える半導体デバイス
・
500℃の高温
でも動作する半導体デバイス
・
超高周波、高電力
でも動作する半導体デバイス
・
消費電力が限りなくゼロ
の半導体デバイス
SiC
(炭化珪素)
概 要
概 要
1. SiCパワーデバイスの特徴
2. SiC結晶成長と物性制御
3. SiCパワーデバイスの作製
4. まとめ
パワーデバイス
パワーデバイス
パワーデバイス DC→AC、AC→DC、DC→DC(電圧変換)、AC→AC(周波数変換)などの電力変換を行う。 市場：1.0兆円(2001) → 1.6兆円(2008) → 4兆円(2030) → 10兆円(2050) 101 102 103 104 100 101 102 103 104 Rated Voltage (V)Rated Current (A) Server
PC DC-DC converter HDD Telecom. Automobile Electronics (ABS, Injector) Motor Control HEV/EV SW Power Supply AC Adaptor Home Appliance Factory Automation Traction Power Transmission Lamp Ballast 低耐圧デバイス 中耐圧デバイス 高耐圧デバイス SiCデバイス のターゲット
0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 1 0 8 1 0 9 Operating Frequency (Hz)
Conversion Capacity (VA)
IGBT IGBT MOSFET MOSFET POWER POWER--ICIC BJT BJT GTO GTO THY. THY. 1 DC Transmission Bullet Train UPS Electric Vehicle Switching Power Module Inverter Large Factory Telephone Line Si Si SiC SiC 電力変換損失の大幅な低減（高効率化） 冷却装置簡素化、超小型変換システム 特性オン抵抗 vs. 耐圧 高耐圧 低オン抵抗 高速SW 高温動作 10 100 1000 10000 0.1 1 10 100 Si SiC Blocking Voltage (V) O n-R es is ta nc e (m cm 2 ) 10 100 1000 10000 0.1 1 10 100 Si SiC Blocking Voltage (V) O n-R es is ta nc e (m cm 2 )
SiCパワーデバイスの特徴
SiCパワーデバイスの特徴
定格耐圧 (V) 100 V 300 V 600 V 1.2 kV 4.5 kV 10 kV 20 kV SBD PiN MOSFET IGBT, GTO SBD MOSFET, JFET IGBT, GTO PiN
Si
SiC
BJTパワーデバイス：
Si vs. SiC
パワーデバイス：
Si vs. SiC
工業的には、600~1200 V級のSiC SBDとMOSFETがターゲット概 要
概 要
1. SiCパワーデバイスの特徴
2. SiC結晶成長と物性制御
3. SiCパワーデバイスの作製
4. まとめ
シリコンカーバイド
(SiC)ウェハ
シリコンカーバイド
(SiC)ウェハ
窒化物半導体 発光デバイス 低抵抗(Nドープ)4H-SiC 低抵抗(Nドープ)6H-SiC 電力用SiC パワーデバイス 半絶縁性4H-SiC 通信用SiC, GaN 高周波デバイス超高耐圧
(> 10 kV) SiCデバイス
超高耐圧
(> 10 kV) SiCデバイス
6.6 kV 電力系統 → 13~20 kV 耐圧のスイッチ/ダイオード5 kV Si GTO x 4
20 kV SiC GTO x 1
A K G1 A K G G2 G3 G4 未踏・未 開拓 損失低減 設備の小型化20 kV 耐圧を実現する条件（材料面）
20 kV 耐圧を実現する条件（材料面）
パワー デバイスの 定格電圧 SiC Si 1.2 kV 11 11016 130 11014 膜厚 (m) ドナー密度(cm-3) 2.5 kV 20 51015 270 51013 4.5 kV 42 21015 610 21013 20 kV 210 41014 2400 31012 膜厚 (m) ドナー密度(cm-3)物理的に不可能
超高純度・超厚膜・ 超高品質SiC結晶が必須RMS = 0.18 nm (20 m□) 5 m 500 m エピ層厚さ: 120 m 8o off-axis, Si face height scale: 3 nm CMP研磨 In-situ H2エッチング (1650oC, 35 Torr) 低圧成長 85 m/hで良好な表面平坦性 成長圧力: 35 Torr 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100
SiH4 Flow Rate (sccm)
Growth Rate ( m/h) C/Si = 1.2 standard
SiCの高速エピタキシャル成長
SiCの高速エピタキシャル成長
残留窒素ドナー密度の低減
残留窒素ドナー密度の低減
SiH4: 1.5 sccm C3H8: 0.75 sccm 低い圧力 ＋ 高いC/Si比 →N
D= 5x10
12cm
-3 (純度 99.99999999%) 1012 1014 1016 1018 1020 Pressure (Torr) Donor Concentration (cm -3 ) undoped N-doped T = 1500℃ C/Si = 1.5 20 100 1000 4H-SiC(0001) 8o off ドナー密度の成長圧力依存性 ドナー密度のC/Si比依存性 SiH4: 1.5 sccm P: 80 Torr 0 1 2 3 1012 1013 1014 1015 1016 C/Si RatioNet Donor Concentration (cm
-3 )
SiCエピ成長層中の点欠陥（深い準位）
SiCエピ成長層中の点欠陥（深い準位）
K. Danno et al., Appl. Phys. Lett. 90 (2007), 202109.
Z1/2センター：ライフタイムキラー Z1/2センター密度とキャリヤ寿命の関係 Conduction Band Z1/2 Ec RD1/2 EH6/7 1.0 2.0 0.0 E C -E (eV) 3.0 Valence Band Ev Detected in n-type Detected in p-type 1.0 2.0 3.0 E -E V (eV) HK4 HK3 HK2 UT1 HK1 1012 1013 1014 1015 106 107 Z1/2 concentration (cm-3) 1/ (s -1 ) 1/ SRH (slope = 1) 1/other 1/ 1012 1013 1014 1015 106 107 Z1/2 concentration (cm-3) 1/ (s -1 ) 1012 1013 1014 1015 106 107 Z1/2 concentration (cm-3) 1/ (s -1 ) 1/ SRH (slope = 1) 1/other 1/
Z1/2, RD1/2, EH6/7センター: 表面から深さ約47 mの領域で 検出限界(1×1011 cm-3)以下に低減 熱酸化 (1300℃, 5 h) 後のSiC DLTSスペクトル (n型SiC) Z1/2センター密度の深さ方向分布 0 10 20 30 40 50 1011 1012 1013
Depth From Surface (m)
Z1/ 2 Conc ent rat ion ( cm -3 ) as-grown 10 min 1 h 5 h Detection Limit
熱酸化による
SiC中の深い準位の低減
熱酸化による
SiC中の深い準位の低減
T. Hiyoshi et al., Appl. Phys. Express 2 (2009), 041101.
100 200 300 400 500 600 700 0 2 4 6 8 10 Temperature (K) DLTS Signal (fF) Z1/2 EH6/7 as-grown after oxidation (1300oC, 5h)
キャリア寿命の増大
= 0.6
s →
> 10
s
概 要
概 要
1. SiCパワーデバイスの特徴
2. SiC結晶成長と物性制御
3. SiCパワーデバイスの作製
4. まとめ
1993-1995, 京大 VB = 1750 V JF = 100 A/cm2 @ 1.0 V
SiCショットキー障壁ダイオード
SiCショットキー障壁ダイオード
Voltage (V) Current (A) 2008, ROHM 1200 V – 100 AT. Kimoto et al., IEEE EDL, 14 (1993), 548. (世界初の高耐圧SiC SBD)
1993-1995, 京大 VB = 1750 V JF = 100 A/cm2 @ 1.0 V
SiCショットキー障壁ダイオード
SiCショットキー障壁ダイオード
Voltage (V) Current (A) 2008, ROHM 1200 V – 100 AT. Kimoto et al., IEEE EDL, 14 (1993), 548. (世界初の高耐圧SiC SBD)
A. Itoh et al., Proc. of ISPSD1995, p.101. (現在の世界標準構造)
インバーターのスイッチング
n-バッファ層 Ni SiO2 LJTE 高さ: 2.0 m n型 4H-SiC基板 (0001) 8°オフ Ti/Al n－ドリフト層 ND: 3～7×1014 cm-3 膜厚: 90～100 m (50 m/hの高速成長) JTE領域 (p) Al+注入: 深さ 0.8 m p+層 Al+注入, 深さ 0.8 m NA: 2×1018 cm-3
超高耐圧
SiC
PiNダイオード
超高耐圧
SiC
PiNダイオード
6600 V系統
→
13~20 kVパワーデバイス
Breakdown @ 10.2 kV 5 10 15 10 20 30 40 50 0 Voltage (V) C urre nt (A/ cm 2 ) -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 -5 -4 -3 -2 -1
10 kV
SiC
PiN
8 kV
Si
PiN
Si
SiC
・ ドリフト層膜厚: 92 m ・ ND= 4.0×1014 cm-3 ・ JTE幅: LJTE = 200 m ・ オン抵抗: 95 mcm2 ・ 逆方向破壊電圧: 10.2 kVT. Hiyoshi et al., IEEE Trans. Electron Devices 55 (2008), p.1841.
10 kV
SiC
PiNダイオードのI-V特性
p+-Anode: 1x1018 cm-3 0.8 m n+-substrate SiO2 n- layer: N d = 6x1014 cm-3 depi = 145 m Ron = 97 mcm2 R on = 46 mcm2 5 10 15 20 40 60 80 100 120 140 160 0 Forward Voltage (V)
Current Density (A/cm
2 )
4H-SiC PiN
Without Oxidation With Oxidation
欠陥低減によるオン抵抗(Ron)の改善 without oxidation with oxidation
V
B= 12 kV
10 kV級SiC
PiNダイオードの特性改善
10 kV級SiC
PiNダイオードの特性改善
SiCパワーMOSFETのオン抵抗
SiCパワーMOSFETのオン抵抗
DIMOSFETn
-pn
+ p n+ n+ Source Drain Gate Channel SiO2 10 100 1000 10000 0.1 1 10 100 Blocking Voltage (V) On -state Re sis tan ce (m cm 2 )SiC drift limit Si drift limit SiC-MOSFET Si-MOSFET 10 100 1000 10000 0.1 1 10 100 Blocking Voltage (V) On -state Re sis tan ce (m cm 2 )
SiC drift limit Si drift limit SiC-MOSFET Si-MOSFET RS RCh RJFET RDrift RSub
MOSFETチャネル移動度の向上
MOSFETチャネル移動度の向上
1016 1017 1018 0 20 40 60 80 100Doping Concentration of p-Body (cm-3)
Effective Channel Mobility (cm
2 /Vs) (0001)C (1120) (0001)Si 4H-SiC MOSFET eff: (1120) > (0001)C > (0001)Si (N2O) > (0001)Si (O2)
T. Kimoto et al. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005), p.1213.
NA~1x1016 cm-3 5 10 15 20 25 20 40 60 80 100 0 Gate Voltage (V)
Effective Channel Mobility (cm
2 /Vs) (0001)C, N2O (0001)Si, N2O (1120), N2O (0001)Si, wet O2 4H-SiC
SiCパワーMOSFETの量産開始
SiCパワーMOSFETの量産開始
世界初の量産化に成功 (2010年12月~) 2.4 x 4.8 mm2 Si SiC 200oC 200oCトレンチ形MOSFET SiC n- epi-layer Ti/Al Poly-Si SiC n+ substrate Ni Metal p-well Source Drain Gate Ti p+ n+ Ti SiO2 セルピッチ 6 m チャネル長 0.4 m セルの微細化 耐圧構造の改善により、 エピ層抵抗を20%低減 0 100 200 300 400 0 1 2 3 4 5 Drain Voltage (V) D rai n C ur rent ( A ) 4.8mm角 300A Vgs = 20 V 5V step 従来 3.0mm角 単チップで300 Aを達成 耐圧 > 600 V
大容量
SiCトレンチMOSFET （京大、ローム）
大容量
SiCトレンチMOSFET （京大、ローム）
横型
SiC RESURF MOSFET:
for power IC
横型
SiC RESURF MOSFET:
for power IC
MOS界面特性の改善 ダブルRESURF構造 2ゾーンRESURF構造 デバイスシミュレーション 低いRON 高いVB n+ n+ RESURF1 Region (n-) p-epilayer substrate (p+) Source Gate Drain top-p region thickness : 0.1 m LRES: 10 m 0.6 m RESURF2 region (n) LLDD: 10 m p+ SiO2
VB = 1580 V RON = 40 mcm2 VT = 2.8 V 0 5 10 15 0 10 20 Drain Voltage [V]
Drain Current [mA]
L/W = 1.7/200 m VG = 0-20 V 4 V Step VT = 2.8 V (ID × 1000) VB = 1580 V 500 1000 1500 0 100 200 300
Drain Current [A/cm
2 ] RON = 40 mcm2 stable avalanche 600 800 1000120014001600 0 100 200 300 Specific On-Resistance (m cm 2 ) Breakdown Voltage (V) Si limit (1D) Kyoto '03 RPI '04 RPI '02 this work AIST '03 4H-SiC 6H-SiC Si Kyoto '03 Kyoto '03 Lateral MOSFET
★
M. Noborio et al., IEEE EDL, 30 (2009), 831.
SiC
ダブル
RESURF MOSFETの特性
1. SiC結晶成長と物性制御 高速・高純度結晶成長 (不純物密度 < 1x1013 cm-3) 熱酸化による欠陥消滅 (欠陥密度 < 1x1011 cm-3) 2. SiC MOSFET Siの理論限界を10倍以上凌ぐ優れた性能 → 連携企業が量産化開始（世界初） 3. PiNダイオード 超高耐圧(> 10 kV)達成 さらなる性能向上の研究に取り組み中 → ポスター
