革新的要素技術の研究 - nedo.go.jp on CVD GaN CVD with high mobility CVD with low mobility

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

超低損失電力素子技術開発超低損失電力素子技術開発超低損失電力素子技術開発超低損失電力素子技術開発

技術評価委員会、事後評価分科会

革新的要素技術の研究

平成１５年４月４日

独立行政法人　産業技術総合研究所

パワーエレクトロニクス研究センター

第１回　「超低損失電力素子技術開発」

（事後評価）分科会

資料7-2


基盤技術開発基盤技術開発基盤技術開発基盤技術開発（産官学集中研究体制）（産官学集中研究体制）（産官学集中研究体制）（産官学集中研究体制）

基板作製基板作製基板作製基板作製　　技術　　技術　　技術　　技術

素子設計・素子設計・素子設計・素子設計・　評価技術　評価技術　評価技術　評価技術

プロセスプロセスプロセスプロセス　要素技術　要素技術　要素技術　要素技術

ブレークスルー要素技術の開発

実用化調査委員会

素子化技術開発素子化技術開発素子化技術開発素子化技術開発（企業ポテンシャル活用）（企業ポテンシャル活用）（企業ポテンシャル活用）（企業ポテンシャル活用）

接合接合接合接合FETFETFETFET

MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET

MESFETMESFETMESFETMESFET

GaNGaNGaNGaN----HEMTHEMTHEMTHEMT

SiC (GaN)素子の性能実証：オン抵抗1/10又はパワー密度10倍

革新的要素技術革新的要素技術革新的要素技術革新的要素技術（産総研）（産総研）（産総研）（産総研）

結晶成長新技術結晶成長新技術結晶成長新技術結晶成長新技術素子化プロセス新技術素子化プロセス新技術素子化プロセス新技術素子化プロセス新技術新材料デバイス化技術新材料デバイス化技術新材料デバイス化技術新材料デバイス化技術特性評価新技術特性評価新技術特性評価新技術特性評価新技術

大学との共同大学との共同大学との共同大学との共同（専門性の活用）（専門性の活用）（専門性の活用）（専門性の活用）

TEG

ﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ技術ﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ技術ﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ技術ﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ技術

技術課題技術課題技術課題技術課題

ニーズの明確化

革新的要素技術の位置づけと役割分担AIST特会評価費 NEDO委託費

1


革新的要素技術

・ワイドギャップ半導体に適した物性評価法

・ワイドギャップ半導体素子特性のシミュレーション技術

(4) (4) (4) (4) 特性評価新技術特性評価新技術特性評価新技術特性評価新技術

・MBE 法による窒化物半導体結晶成長法、

及びデバイスプロセス・CVDダイアモンドエピタキシャル膜、

及びデバイスプロセス・立方晶SiCエピタキシャル膜、

及びデバイスプロセス

(3) (3) (3) (3) 新材料デバイス新材料デバイス新材料デバイス新材料デバイス化技術化技術化技術化技術

・オゾンによるSiC表面処理法(2) (2) (2) (2) 素子化プロセス素子化プロセス素子化プロセス素子化プロセス新技術新技術新技術新技術

・X線トポグラフィーによるSiC結晶成長素過程観察法

・プラズマCVD法によるSiCエピタキシャル成長法

(1) (1) (1) (1) 結晶成長新技術結晶成長新技術結晶成長新技術結晶成長新技術

2


Ｘ線その場観察結晶成長装置

　　　　　　　　　　Ｘ線源　　　　　　　　　　Ｘ線源　　　　　　　　　　Ｘ線源　　　　　　　　　　Ｘ線源

結晶成長炉結晶成長炉結晶成長炉結晶成長炉

CCDカメラカメラカメラカメラ

シンチレーションカウンターシンチレーションカウンターシンチレーションカウンターシンチレーションカウンター

結晶成長結晶成長結晶成長結晶成長

　・高周波加熱型　・高周波加熱型　・高周波加熱型　・高周波加熱型　　（　　（　　（　　（20kHz・・・・40kW））））

　・成長温度　・成長温度　・成長温度　・成長温度　　（　　（　　（　　（1900～～～～2500℃℃℃℃））））

　・成長圧力　・成長圧力　・成長圧力　・成長圧力　　（　　（　　（　　（1～～～～700Torr））））　・成長雰囲気　・成長雰囲気　・成長雰囲気　・成長雰囲気　　（アルゴンガス）　　（アルゴンガス）　　（アルゴンガス）　　（アルゴンガス）

Ｘ線その場観察Ｘ線その場観察Ｘ線その場観察Ｘ線その場観察

　・Ｘ線源　・Ｘ線源　・Ｘ線源　・Ｘ線源　　（　　（　　（　　（Mo，，，，Kαααα線）線）線）線）

　・Ｘ線出力　・Ｘ線出力　・Ｘ線出力　・Ｘ線出力　　（　　（　　（　　（18kW））））

　・光学系　・光学系　・光学系　・光学系　　（コリメーター・　　（コリメーター・　　（コリメーター・　　（コリメーター・　　　２結晶分光）　　　２結晶分光）　　　２結晶分光）　　　２結晶分光）　・観測系　・観測系　・観測系　・観測系　　（　　（　　（　　（CCDカメラ・カメラ・カメラ・カメラ・

　　　シンチレーション　　　シンチレーション　　　シンチレーション　　　シンチレーション　　　　　　カウンター）　　　　　　カウンター）　　　　　　カウンター）　　　　　　カウンター）　・測定系　・測定系　・測定系　・測定系　　（Ｘ線トポグラフィー　　（Ｘ線トポグラフィー　　（Ｘ線トポグラフィー　　（Ｘ線トポグラフィー　　　・Ｘ線回折・透過強度）　　　・Ｘ線回折・透過強度）　　　・Ｘ線回折・透過強度）　　　・Ｘ線回折・透過強度）　　　　　　　　　　　　

3


SiC結晶成長のＸ線トポ像その場観察

2200220022002200℃℃℃℃700Torr700Torr700Torr700Torr

LelyLelyLelyLely----SeedSeedSeedSeed


After 1.5hrsAfter 1.5hrsAfter 1.5hrsAfter 1.5hrs





Micropipe walking

Micropipe

Domainboundary

Dislocations

SiC結晶成長のX線その場、

実時間観察装置

結晶成長炉結晶成長炉結晶成長炉結晶成長炉

高周波コイル高周波コイル高周波コイル高周波コイル

成長結晶成長結晶成長結晶成長結晶

原料原料原料原料

CCDCCDCCDCCDカメラカメラカメラカメラ

黒鉛黒鉛黒鉛黒鉛るつぼるつぼるつぼるつぼ

XXXX----rayrayrayray

コリメーターによるコリメーターによるコリメーターによるコリメーターによる　平行化ビーム　平行化ビーム　平行化ビーム　平行化ビーム

4


プラズマCVD法による4H-SiC低温成長

マイクロ波プラズマアシストにより、4H-SiCホモエピタキシャル成長温度を低減従来の熱CVD法: 1500℃　→　プラズマCVD法: 1000℃

H2 (400 sccm)CH4 (0.14 sccm)SiH4 (0.01 sccm)

Gas

4H-SiC Si- and C-face(8° off to [11-20])

substrate

50 TorrPressure

1000WPlasma power

970°CTemperature

成長条件

Grown on carbon face (SiC(0001)) substrate

SEM images (observed by 45° tilted angle)

Grown on silicon face (SiC(0001)) substrate

・RHEED、ラマン分光により成長した薄膜は4H-SiCであることを確認⇒1000℃において4H-SiCのホモエピタキシャル成長に成功

・大きなステップバンチングが見られる・Si面よりもC面の方がバンチングが規則的で小さい

600 nm600 nm

5


紫外線紫外線紫外線紫外線(UV)(UV)(UV)(UV)照射を伴う高濃度オゾン処理照射を伴う高濃度オゾン処理照射を伴う高濃度オゾン処理照射を伴う高濃度オゾン処理

294 292 290 288 284 282 280286

C1s

XP S

Inte

nsi ty

[ arb

. uni

ts]

Binding Energy [eV]

(a) RCA洗浄

(c) (b)+UV-オゾン処理

(b) (a)+犠牲酸化処理　(10 nm)

SiC bulk

ＵＶ照射オゾン処理により、従来の洗浄法(a)では除去困難な表面炭素不純物層の除去に成功。⇨酸化膜/SiC界面特性の改善。

SiC表面処理法のXPS評価 SiO2/SiCの高温オゾン酸化

6

7

8

910

12

2

3

4

5

6

Inte

rfac

e tr

appe

d D

ensi

ty [

cm-2

eV-1

]0.400.350.300.250.200.15

Ec-E [eV]

(a) O2 at 1200oC, 101330 Pa

(b) O2/O3 at 950oC, 666.6 Pa

(c) O2/O3 at 1200oC, 666.6 Pa

高温でのオゾン酸化により、酸化膜／SiC界面欠陥が低減された。

6


GaNGaNGaNGaNの結晶構造と膜極性の結晶構造と膜極性の結晶構造と膜極性の結晶構造と膜極性

化学的に安定な化学的に安定な化学的に安定な化学的に安定なGa極性へ均一化極性へ均一化極性へ均一化極性へ均一化

c軸上に対称でない軸上に対称でない軸上に対称でない軸上に対称でない2方向の極性が存在方向の極性が存在方向の極性が存在方向の極性が存在

Ga極性の実現法極性の実現法極性の実現法極性の実現法AlN高温バッファーIII族メタル堆積In照射

アンモニア窒化

デバイス特性改善

膜特性の更なる改善

7

MBE法では通常制御できていなかった法では通常制御できていなかった法では通常制御できていなかった法では通常制御できていなかった


A exciton

I2 (bound exciton)

D-A pair recombination

N-polarity

Ga-polarity

GaN buffer

AlN buffer

FWHM= 27.4 arcmin

FWHM= 14.5 arcmin

0 0.5-0.5 1-1Omega (degree)

(a) (b)

0.1

1

10

100

1000

104

105

350 360 370 380 390 400

A lN buffer 試料(G a極性)G aN buffer試料１(N極性)G aN buffer試料２(N極性)

PL L

og In

tens

ity (

a.u.)

Wave Length (nm)

Ａ励起子

I2束縛励起子

ﾄﾞﾅｰｱｸｾﾌﾟﾀｰﾍﾟｱｰ発光帯

Wavelength (nm)

MBE成長成長成長成長 GaN/sapphireエピ層の極性依存性エピ層の極性依存性エピ層の極性依存性エピ層の極性依存性

XRD rocking curve Low temperature PL

PL L

og In

tens

ity (a

.u.)

8


MBE法による窒化物半導体エピタキシャル膜の特性向上とそのデバイス化

特性向上のﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ　極性制御（結晶の裏表）

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300 350

Mob

ility

(cm2 /V

s)

Temperature (K)

Ga-polarity RF-MBEN-polarity RF-MBEN-polarity RF-MBEECR-MBE on CVD GaNCVD with high mobilityCVD with low mobility エピ膜の移動度向上エピ膜の移動度向上エピ膜の移動度向上エピ膜の移動度向上

MBE成長膜によるデバイス特性成長膜によるデバイス特性成長膜によるデバイス特性成長膜によるデバイス特性

100μμμμm

10μμμμm

ソースソースソースソースドレインドレインドレインドレイン

ゲートゲートゲートゲート

9


立方晶SiC

高耐圧デバイス研究の主体は六方晶SiC

より広いバンドギャップ

commercialに基板入手可能（品質、価格は不十分）

立方晶SiC

大面積、低コスト（Si上へのヘテロエピ膜）

世界最高品質 by AIST8インチ by HOYA多量の積層欠陥

10


＊Ｓｉ基板上ヘテロエピ成長＊Ｓｉ基板上ヘテロエピ成長＊Ｓｉ基板上ヘテロエピ成長＊Ｓｉ基板上ヘテロエピ成長　基板温度：１３５０　基板温度：１３５０　基板温度：１３５０　基板温度：１３５０℃℃℃℃　　　　C/C/C/C/SiSiSiSi比：１．９比：１．９比：１．９比：１．９　成長速度：３　成長速度：３　成長速度：３　成長速度：３ μμμμｍｍｍｍ////ｈｈｈｈ　成長膜厚：８０　成長膜厚：８０　成長膜厚：８０　成長膜厚：８０μμμμｍｍｍｍ　　　　XRDXRDXRDXRD----ωωωω半値幅：～６００半値幅：～６００半値幅：～６００半値幅：～６００arcsecarcsecarcsecarcsec　　　　SBDSBDSBDSBD耐圧：耐圧：耐圧：耐圧：～３００Ｖ～３００Ｖ～３００Ｖ～３００Ｖ

＊ホモエピ成長　　　　　＊ホモエピ成長　　　　　＊ホモエピ成長　　　　　＊ホモエピ成長　　　　　　基板温度：１６００　基板温度：１６００　基板温度：１６００　基板温度：１６００℃℃℃℃　　　　C/C/C/C/SiSiSiSi比：０．８～１．２比：０．８～１．２比：０．８～１．２比：０．８～１．２　成長速度：１０　成長速度：１０　成長速度：１０　成長速度：１０ μμμμｍｍｍｍ////ｈｈｈｈ　成長膜厚：５００　成長膜厚：５００　成長膜厚：５００　成長膜厚：５００ μμμμｍｍｍｍ　　　　XRDXRDXRDXRD----ωωωω半値幅：半値幅：半値幅：半値幅：～８６～８６～８６～８６arcsecarcsecarcsecarcsec

-200 -100 0 100 200

Arb

. Uni

t

(arcsec)

立方晶SiCヘテロエピ膜の特性改善

H13: 立方晶SiCホモエピ膜　SBD耐圧305V, XRC幅150arcsec

11


特性評価新技術

ワイドギャップ半導体　大きなバンドギャップ値のため　通常の評価手段の適用が困難　　（適用波長、温度等がSiと　　　　大きく異なり、事実上測れない）

・深い準位からの励起に光を併用　　　ーー光ICTS法ーー

　　　　エピ成長条件との対応

・SiC MOS構造の最適化ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ　　　ーー埋め込みチャネルMOS FETーー

　　　　デバイスのnormally-off化

12


革新的要素技術の成果

達成

バルク大大口径化に適バルク大大口径化に適バルク大大口径化に適バルク大大口径化に適用用用用

一部達成

X線トポグラフィーによるSiC結晶成長素過程観察法を確立し、実際のSiC基板結晶成長に適用してその大面積高品質化に資する。

プラズマCVD法によるSiCエピタキシャル成長法を開発して、実際のエピプロセスに適用し、その高品質化に資する。

(1) (1) (1) (1) 結晶成長結晶成長結晶成長結晶成長　　　　新技術　　　　新技術　　　　新技術　　　　新技術

達成SiCSiCSiCSiCエピ膜の評価に適用エピ膜の評価に適用エピ膜の評価に適用エピ膜の評価に適用

達成MOS normallyMOS normallyMOS normallyMOS normally----offoffoffoff構造設構造設構造設構造設計に適用計に適用計に適用計に適用

達成

達成　　　デバイス化促進デバイス化促進デバイス化促進デバイス化促進

達成

一部達成

達成状況達成状況達成状況達成状況

ワイドギャップ半導体に適した物性評価法を確立し、実際の材料デバイス評価に資する。

ワイドギャップ半導体素子特性のシミュレーション技術を開発し、実際の素子設計に資する。

(4) (4) (4) (4) 特性評価特性評価特性評価特性評価　　　　新技術　　　　新技術　　　　新技術　　　　新技術

MBE法によるデバイス品質窒化物半導体結晶成長法を確立し、それを用いた高性能高周波デバイス作製に資する。

ダイアモンドエピタキシャル膜、及びデバイスプロセスの高品質化を行い、それを用いたデバイス作製に資する。

立方晶SiCエピタキシャル膜、及びデバイスプロセスの高品質化を行い、それを用いたデバイス作製に資する。

(3) (3) (3) (3) 新材料新材料新材料新材料　デバイス化技術　デバイス化技術　デバイス化技術　デバイス化技術

オゾンによるSiC表面処理法を確立し、実際のSiCデバイス作製プロセスに適用する。

(2) (2) (2) (2) 素子化素子化素子化素子化　プロセス新技術　プロセス新技術　プロセス新技術　プロセス新技術

自主目標自主目標自主目標自主目標項目項目項目項目

外部発表（平成10年10月～平成14年3月）　特許10件、論文6４４４４件、学会発表113件、新聞発表2件

13

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