化合物半導体デバイス―限りなき可能性を求めて（その2）―

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いっけいうなだ
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特別論文化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて ( その 2) 林秀樹 Development of Common Platform for ITS Devices II by Hideki Hayashi Many different compound semiconductors can be formed by changing the combination of

1 特別論文化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて ( その 2) 林秀樹 Development of Common Platform for ITS Devices II by Hideki Hayashi Many different compound semiconductors can be formed by changing the combination of constituent elements. Properties of alloy semiconductors, mixture of multiple compound semiconductors, can be changed in a continuous fashion by changing the mixing ratio. Very thin alloy semiconductor multilayers, which show interesting properties, can be formed by sophisticated epitaxial growth method such as MOVPE (metalorganic vapour phase epitaxy) or MBE (molecular beam epitaxy). Based on these matters, uncounted numbers of compound semiconductor devices with a wide variety of functions and characteristics have been developed. This fact is the most fascinating feature of compound semiconductors compared with silicon semiconductors. Sumitomo Electric has developed various kinds of compound semiconductors for about half a century and is the world s biggest company on compound semiconductors. GaAs and InP substrates and their epitaxial wafers for consumer and communication markets have been the lead products. Recently, GaN substrates for blue-violet lasers have been developed for the new generation optical disk market. In this paper, power semiconductor devices, especially those by using wide-bandgap semiconductors, are reviewed, as the sequel of the paper entitled Development of Compound Semiconductor devices for Pursuit of Infinite Possibilities in SEI Technical Review No.173. Keywords: compound semiconductor, MOVPE, MBE, wide-bandgap semiconductor, power semiconductor device 1. 緒言 2 種類以上の元素から構成される化合物半導体はその元素の組み合わせにより多くの種類の化合物半導体が構成できるまた 2 種類以上の化合物半導体の混ざり合った混晶半導体ではその混合比を変えることにより物性値を連続的に変えることができるさらに異種の化合物半導体や混晶半導体の薄膜を多層に積層させることにより無限と言える種類の半導体構造が形成できそれによって多種多様な機能特性を持った半導体デバイスが実現できるここが Si 半導体とは全く異なる点であり化合物半導体の魅力でもある当社では約半世紀前から化合物半導体材料の開発事業化に取り組んできた通信用や民生用の GaAs 基板 InP 基板とそのエピタキシャルウェハが主な製品であったが最近ではブルーレイディスクに使われる青紫レーザ用の GaN 基板の開発製品化を実現させており世界最大の化合物半導体材料総合メーカとなっている一昨年本誌に掲載した化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めてで当社のこれまで四半世紀の化合物半導体デバイスへの取り組みについてレビューした (1) 本論文ではその続編 ( その 2) として 21 世紀に入り益々その重要性が高まっている半導体パワーデバイスについて 1 特にワイドバンドギャップ半導体を用いた次世代パワーデバイスを中心に述べる 2. パワー半導体デバイス 1948 年のベル研究所でのトランジスタの発明以来 6 有余年の間に非常に多種の半導体デバイスが発明開発され実用化されてきたその応用分野はパソコン携帯電話液晶テレビ等の家電製品ハイブリッド車電車新幹線等の輸送機器情報機器医療機器産業用重機械等々挙げればきりがないほど多くの分野で用いられている半導体デバイスは半導体レーザ (LD) 発光ダイオード (LED) 等の光デバイスとトランジスタに代表される電子デバイスに大別されるさらに電子デバイスはマイクロプロセッサや各種メモリなどの集積デバイスと電力を制御するパワーデバイスとに分類されるパワーデバイスとはダイオードトランジスタサイリスタなど電力の変換や制御を行う半導体デバイスでありパワーエレクトロニクスの根幹となる部品であるトランジスタが発明された 1947 年以前は交流から直流直流から交流への電力変換には水銀整流器が用いられてい年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 17 8 号 ( 1 )

2 た水源整流器は真空中の水銀の放電現象を応用したものでありその信頼性に問題があった 196 年頃から整流機能を持つ Si ダイオードが実用化されその電圧電流定格の増加とともに大容量の直流交流間の電力変換に用いられるようになってきたまた 195 年台に 2 個のトランジスタを組み合わせるとベース電流によりオン状態が持続できるということが見いだされ後ほどサイリスタと呼ばれるデバイスが生まれ小電力の制御に使用されるようになったその後シリコン半導体デバイス技術の進展によってダイオードトランジスタサイリスタの電圧電流定格は大きくなり動作特性は大幅に改善されてきたパワーデバイスは今や送配電などの電力システム新幹線を初めとする各種電気鉄道ハイブリッド車や電気自動車燃料電池車など各種電動自動車無停電電源 (UPS) を初めとする各種電源産業用ロボットなどの AC サーボエアコン等の家電製品各種 OA 機器など極めて幅広い分野で使用されておりその世界市場規模は 2 兆円とも 3 兆円とも言われている電力の変換制御を行うのがパワーデバイスであるが電力の変換で言えば変換に伴うエネルギー損失は最小であることが望ましく変換効率 1 % が理想である現在全世界で使用される全エネルギーの数パーセントがパワーデバイスで消費されており今後の省エネ社会の実現のためにはパワーデバイスの低損失化は必須となっているまた電力の制御というとできる限り小さい制御入力で必要な電力が正確に遅れなく制御できることが理想となるパワーデバイスではこれら二つの要求を満足させるために繰り返し高速でオンオフできるデバイス技術の向上が図られてきた現在使用されているパワーデバイスは Si( シリコン ) を材料としたデバイスであり Si 技術の進展に伴い上記理想に向かって進化してきたわけであるが Si という材料物性による限界に近づきつつあるというのが現状である繰り返しオンオフさせるパワーデバイスでの損失はオン時のオン抵抗による損失オフ時の漏れ電流による損失それとスイッチング時の電圧電流の過渡損失の合計となるこれらの損失を少なくするにはデバイスのオン抵抗値が小さくでき高速で動作できるものであればよいこれらの条件を満たすものとしては Si より広いエネルギーバンドギャップを持った材料をデバイスの構成材料に用いればよく次節で述べる SiC や GaN といったワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスの研究開発が進められているこれらワイドバンドギャップ半導体パワーデバイスは従来の Si パワーデバイスに比べてそのバンドギャップの広さが故に高耐圧低消費電力高速動作高温動作などが可能となるため次世代パワーデバイスとしての期待が大きい 3. ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス 3 1 ワイドバンドギャップ半導体これまで実用化されてきたパワーデバイスは集積デバイスと同様に使用されている半導体材料はごく一部を除き Si である Si パワーデバイスとしてはダイオードサイリスタや MOSFET 2 IGBT 3 等のトランジスタなどの多くのデバイスが開発され極めて広い分野で数多く使用されており年々その数も増大を続けているパワーデバイスの使用数量の増大に伴いその消費電力も増加の一途を辿っている前節でも述べたように近年特に地球温暖化防止の観点から省エネルギー指向がますます高まってきておりパワーエレクトロニクス機器に対する更なる低損失化高効率化が望まれている上記要望に応えるためには Si よりエネルギーバンドギャップが広い SiC GaN 等のワイドバンドギャップ半導体によるパワーデバイスの実現が不可欠になってきているワイドバンドギャップ半導体は表 1 に示すように Si に比べて広いバンドギャップを持った半導体であり SiC GaN などはそのバンドギャップは Si に比べて約 3 倍と大きい広いバンドギャップを持つことは電界印加時の破壊が起こりにくいことになり SiC GaN の絶縁破壊強度は Si のそれの約 1 倍の値となっているまた速い飽和ドリフト速度高い熱伝導度などの優れた物性も有しているパワーデバイスの消費電力は電流が流れているオン時の抵抗 ( オン抵抗 ) での損失とスイッチング時の損失が主であり消費電力低減のためにはオン抵抗を下げることが重要になるパワーデバイスのオン抵抗はデバイスの種類によっても異なるがドリフト層 ( パワーデバイスの耐圧を保持する層 ) と呼ばれる半導体層の抵抗が大きな部分を占める SiC を用いるとその絶縁破壊電界が Si のそれの約 1 倍であるのでドリフト層の厚みを Si に比べて約 1/1 に低減できるまた半導体内部の電界強度はドーピング濃度の 1/2 乗に比例するのでドーピング濃度は電界強度の 2 乗に比例した値まで調整できるすなわち絶縁破壊電界が 1 倍である場合はドーピング濃度を 1 倍という高い値にすることができるドリフト層の抵表 1 各種半導体の物性値 Si 4H-SiC GaN AlN ダイヤモンドバンドギャップ (ev) 電子移動度 (cm 2 /Vs) 1,4 1,2 2, 1,9 2, 絶縁破壊電界 (MV/cm) 飽和ドリフト速度 (cm/s) 熱伝導率 (W/cmK) ( 2 ) 化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて ( その 2)

抗の値はその厚さに比例し濃度に反比例するので SiC を用いるとその抵抗は Si のそれの約 1/1 にすることができるオン抵抗にはドリフト層抵抗以外の抵抗も加わるが絶縁破壊電界の値が大きい SiC 等のワイドバンドギャップ半導体を用いると Si に比べてパワーデバイスのオン抵抗の値を大幅に下げることができパワーデバイスの損失を下げることができる

高品質な単結晶製造が困難であるという問題がありその後あまり研究されなくなったところが 197 年代終わり頃に種付け昇華法と呼ばれる結晶成長手法がロシアで見出されまた 198 年代後半には高品質エピタキシャル成長法であるステップ制御エピタキシー技術が日本で報告された (24) これら 2 つの大きな技術開発により 199 年代に入って SiC

3 抗の値はその厚さに比例し濃度に反比例するので SiC を用いるとその抵抗は Si のそれの約 1/1 にすることができるオン抵抗にはドリフト層抵抗以外の抵抗も加わるが絶縁破壊電界の値が大きい SiC 等のワイドバンドギャップ半導体を用いると Si に比べてパワーデバイスのオン抵抗の値を大幅に下げることができパワーデバイスの損失を下げることができるワイドバンドギャップ半導体の絶縁破壊電界は Si のそれに比べて十分に大きいのでデバイスの厚さを最適化することにより Si パワーデバイスに比べて高耐圧低消費電力のパワーデバイスが実現できることになる 3 2 SiC パワーデバイス SiC はワイドバンドギャップで高温耐性があるということで 195 年代には世界的規模で精力的に研究開発が進められたが高品質な単結晶製造が困難であるという問題がありその後あまり研究されなくなったところが 197 年代終わり頃に種付け昇華法と呼ばれる結晶成長手法がロシアで見出されまた 198 年代後半には高品質エピタキシャル成長法であるステップ制御エピタキシー技術が日本で報告された (24) これら 2 つの大きな技術開発により 199 年代に入って SiC パワーデバイス開発への機運が一気に高まった SiC パワーデバイスとしてはまずショットキーバリアダイオード 4 が開発され 21 年から市販されるようになっている現在の研究開発の対象はスイッチング用の各種トランジスタであり国内外で盛んに研究開発が進められている当社では通信機器産業用機器各種電源ハイブリッド車等の電動自動車や民生機器への搭載を目指し SiC の特長を最大限に生かしうるパワーデバイスとして RESURF(REduced SURface Field : 表面電界緩和 ) 型接合型電界効果トランジスタ (JFET 5 ) (2) (6) と MOS 型電界効果トランジスタ (MOSFET) (7) の開発を進めている前者の JFET はチャンネル部分の電流経路が半導体内部にあるので MOSFET などとは異なり SiC 材料固有の移動度をチャンネル移動度として活用できることとなり SiC 材料物性を十分に生かすことができるデバイスであると言えるデバイスの構造を工夫することにより既存の Si パワーデバイスでは得られない高速動作低損失高耐圧の性能を兼ね備えたユニークなデバイスが実現できる写真 1 に RESURF 型 JFET の顕微鏡写真を図 1 にその断面構造図を示す図中のソース電極ドレイン電極間のn 型チャンネル層を流れる電流をゲート電極の電位で制御する構造であるが n 型チャンネル層は p 型層で挟まれた構造となっているこの構造はゲートドレイン間の電界強度のピークを抑え同時にチャンネル層の高キャリア密度化による低抵抗化を図るものでありデバイスの低抵抗高耐圧性能の両立を実現させているチャンネル長 1um のデバイスのスイッチング特性としては立ち上がり立ち下がりとも約 3ns という値が得られているこのような数百 V 耐圧領.48mm drain 1.9mm source gate source gate drain 域において高速スイッチングが可能であるという特性からスイッチング電源や省エネ型の携帯基地局電源への応用が期待できる一方後者の MOSFET に関してはノーマリオフ 6 動作か可能で高耐圧低損失が期待できるデバイスであるが MOS 界面の不完全さで未だ十分な電子移動度が得られていないのが実情である当社では特殊なプロセスを施すことにより表面が原子層レベルで平坦な SiC 表面を形成しこの表面に形成した MOS 構造で高電子移動度が得られることを示した (7) この SiC MOSFET は高耐圧低損失大電流動作が期待できるため Si パワーデバイスのうちでも比較的大容量向けの IGBT の置き換えとして電力機器用や自動車用への応用が期待されている 3 3 GaN 系電子デバイス GaN は SiC とほぼ同じバンドギャップのワイドバンドギャップ半導体でありその材料特性は似通っているが GaN 電子デバイスは SiC 電子デバイスに比べて同一構造ではそのオン抵抗の値を数分の 1 に下げることができるため省エネデバイスとして期待されている GaN 系デバイスとしては白色 LED や青紫レーザ等の光デバイスがまず市場に出たが電子デバイス用の大口径 GaN 基板の入手が困難であったため基板としては格子不整合系の SiC や Si が用いられた SiC 基板上の GaN 電子デバイスとしては無線通信用のデバイスとしての GaN 15mm 写真 1 RESURF-JFET の顕微鏡写真図 1 Resurf 型 SiCJFET の模式断面図年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 17 8 号 ( 3 )

HEMT 7 を SEDI( 住友電工デバイスイノベーション ) がいち早く開発製品化を実現させ市場でリードしているいわゆるパワーデバイスとしては GaN 基板上の GaN デバイスが高性能パワーデバイスとしての期待が大きいが低コストで良質の GaN 基板が未だ得られないこともあり Si 基板上の GaN パワーデバイスの研究開発が広くなされている基板が低コストの Si

系電子デバイスの研究開発を進めている先ず GaN 自立基板上に GaN ショットキバリアダイオードおよび PN 接合ダイオードを形成した GaN ショットキバリアダイオードでは GaN 基板上の電子移動度 93cm 2 /Vs といった高品質 n 型 GaN 層を用いておりダイオードの特性オン抵抗値は.

3mΩcm 2 耐圧 925V というダイオードが得られている (9) GaN 基板上の GaN トランジスタとしては当社は AlGaN/GaN 系 2 次元電子ガス 8 をチャンネルとした縦型ヘテロ接合 FET を試作した (1) このトランジスタの模式断面構造図を図 2 に示す作製プロセスとしては GaN 基板の上に形成した n -GaN p -GaN n + -GaN

6mΩ で GaN 系縦型トランジスタではこれまで報告された中で最も高い Figure of Merit(VB 2 /RonA) の値が得られている AlGaN 層の厚さを変えることにより FET の閾値電圧を制 Source/p -GaN Ohmic Gate Gate n + -GaN p -GaN Re-grown AlGaN/GaN (2DEG) Electrons Flow n

2eV と大きく光デバイス用途としては紫外光源の基板が考えられるが電子デバイスとしては SiC や GaN より高温動作が可能でより堅牢なパワーデバイスが期待されるただし AlN は SiC や GaN よりさらにその結晶成長が難しく未だウェハと呼ばれるような口径の単結晶基板は得られていない ( 写真 2 参照 ) 当社では 9 年台後半より AlN の基板技術エピタキ Drain

4 HEMT 7 を SEDI( 住友電工デバイスイノベーション ) がいち早く開発製品化を実現させ市場でリードしているいわゆるパワーデバイスとしては GaN 基板上の GaN デバイスが高性能パワーデバイスとしての期待が大きいが低コストで良質の GaN 基板が未だ得られないこともあり Si 基板上の GaN パワーデバイスの研究開発が広くなされている基板が低コストの Si 基板であり低コストデバイスの期待が持てるが基板とデバイス動作層の材料が全く異なるヘテロデバイスであるため縦方向に電流を流すことには適していないこと基板材料の Si の熱伝導率が GaN や SiC に比べて低いことなどにより大容量のパワーデバイスには適しておらず小容量の Si パワー MOSFET の置き換え等が考えられている当社では当社で開発した高品質 GaN 基板上の GaN 系電子デバイスの研究開発を進めている先ず GaN 自立基板上に GaN ショットキバリアダイオードおよび PN 接合ダイオードを形成した GaN ショットキバリアダイオードでは GaN 基板上の電子移動度 93cm 2 /Vs といった高品質 n 型 GaN 層を用いておりダイオードの特性オン抵抗値は.71mΩcm 2 耐圧は 11V といった良好な値が得られている (8) 一方 GaN PN 接合ダイオードにおいても p 型 GaN 層の Mg のドーピング密度を十分下げることにより特性オン抵抗 6.3mΩcm 2 耐圧 925V というダイオードが得られている (9) GaN 基板上の GaN トランジスタとしては当社は AlGaN/GaN 系 2 次元電子ガス 8 をチャンネルとした縦型ヘテロ接合 FET を試作した (1) このトランジスタの模式断面構造図を図 2 に示す作製プロセスとしては GaN 基板の上に形成した n -GaN p -GaN n + -GaN の積層構造を斜め研磨し AlGaN/GaN 構造を再成長させた後オーミック電極ゲート電極を形成しているノーマリオンデバイスでは耐圧 672V 特性オン抵抗 7.6mΩ で GaN 系縦型トランジスタではこれまで報告された中で最も高い Figure of Merit(VB 2 /RonA) の値が得られている AlGaN 層の厚さを変えることにより FET の閾値電圧を制 Source/p -GaN Ohmic Gate Gate n + -GaN p -GaN Re-grown AlGaN/GaN (2DEG) Electrons Flow n -GaN GaN Substrate Drain 御することができノーマリオフ動作デバイスも得られている 3 4 AlN 系パワートランジスタ AlN は表 1 でも示すようにそのバンドギャップは 6.2eV と大きく光デバイス用途としては紫外光源の基板が考えられるが電子デバイスとしては SiC や GaN より高温動作が可能でより堅牢なパワーデバイスが期待されるただし AlN は SiC や GaN よりさらにその結晶成長が難しく未だウェハと呼ばれるような口径の単結晶基板は得られていない ( 写真 2 参照 ) 当社では 9 年台後半より AlN の基板技術エピタキ Drain Current I D [ma] Drain Current I D [ma] 2 RT V 18 GS =+2V L G =3µm 16 W G =515µm =+1V = V 1 8 =-1V 6 4 =-2V 2 =-3V Drain Voltage V DS [V] (a) 1 9 RT L 8 G =3µm W G =515µm 7 V GS =+2V 6 =+1V 5 = V 4 3 =-1V =-2V 2 =-3V 1 =-4V Drain Voltage V DS [V] (c) (2) 写真 2 AlN 単結晶の写真 Drain Current I D [ma] Drain Current I D [ma] ºC L G =3µm W G =515µm 1mm (111) V GS =+2V =+1V = V =-1V =-2V Drain Voltage V DS [V] 3ºC L G =3µm W G =515µm (b) Drain Voltage V DS [V] (d) V GS =+2V =+1V = V =-1V =-2V =-3V 1 2 図 2 GaN 基板上の AlGaN/GaN 2 次元電子ガスをチャンネルとした縦型ヘテロ接合 FET の模式断面構造図図 3 Drain I-V characteristics for GaN-channel HEMT (a, b) and AlGaN-channel HEMT (c, d) (13) ( 4 ) 化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて ( その 2)

5 シャル成長技術開発を進めており (11) (12) 27 年から参画している新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) プロジェクトでは当社作製の基板エピを用いたトランジスタをプロジェクトの共同研究者が試作し評価を行っている ( 13) このデバイスは AlN 自立基板上に形成された (Al.24Ga.76N チャンネル層と Al.51Ga.49N アンドープ層からなる ) 初めての HEMT である Vgs = 2V での最大飽和電流は.13A/mm で最大 gm は 25mS/mm であったまた比較のために GaN をチャンネル層とする標準構造の HEMT の作製も行いこの 2 種類のトランジスタの特性の温度依存性を評価している図 3 にこれらのトランジスタの室温および 3 におけるドレイン I-V 特性を示すまたドレイン電流の温度依存性を図 4 に示すオン抵抗ゲート漏れ電流および閾値電圧の温度依存性をそれぞれ図 5 図 6 図 7 に示すドレイン電流の温度依存性については AlN 基板上の AlGaN チャンネル HEMT の温度依存性は GaN チャンネル HEMT のそれに比べて約 1/2 であり AlN 基板上のデバイスが高温特性に優れていることが初めて示された Normalized drain current (%) Normalized on-state resistance (%) 12 LG=3µm 1 8 AlGaN Channel GaN Channel VVDS = 1V VVGS = V Temperature (ºC) 図 4 Normalized drain current vs temperature (13) 3 LG=3µm 25 2 GaN Channel 15 1 AlGaN Channel Temperature (ºC) 図 5 Normalized on-state resistance vs temperature (13) Threshold voltage (V) Gate leakage current (A/mm) LG=3µm GaN Channel AlGaN Channel VGS=-7V Temperature (ºC) 図 6 Gate leakage current vs temperature (13) LG=3µm -1 GaN Channel -2-3 AlGaN Channel Temperature (ºC) 図 7 Threshold voltage vs temperature (13) 3 5 ダイヤモンドパワーデバイスダイヤモンドは炭素単体の結晶であり化合物半導体ではないがワイドバンドギャップ半導体ということでパワーデバイス用材料として期待が大きいものであり本稿で述べることとするダイヤモンド結晶は硬さ強度等の機械的特性が優れておりまた熱伝導率が高いといった材料物性により線引きダイスや精密バイト等の加工工具やヒートシンク等に用いられてきたがワイドバンドギャップ半導体材料としての応用は未だないダイヤモンドの半導体材料としての性能ではそのバンドギャップの大きさからくる高絶縁破壊電界強度と高熱伝導度が最大の特長であるパワーデバイスとしての性能指数では他の材料を圧倒する値となっておりダイヤモンドパワーデバイスへの期待は大きいダイヤモンドパワーデバイスの実用化に向けての大きな課題は結晶成長技術とデバイスプロセス技術の高度化が挙げられる前者の結晶成長に関しては不純物や結晶欠陥の少ない大型の高品質な単結晶ダイヤモンドを然るべき製造コストで作製することが必須となるダイヤモンドの合成法としては超高圧合成法や気相合成法があるが半年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 17 8 号 ( 5 )

導体デバイス用の基板としてはプラズマ CVD 法などの気相合成法が適している産業技術総合研究所 ( 以下産総研と略す ) では従来から気相合成法によるダイヤモンド単結晶作製技術の研究を進めてきているが最近では

産総研はさらにダイレクトウェハ法を使って性質のそろった単結晶ダイヤモンド薄板を複数作製しこれらの薄板同士を接合して 1 インチ角程度の大面積ウェハを作製した (15) ( 写真 3) この成果は

ダイヤモンドを用いたデバイスとしてはこれまで SAW( 表面弾性波 ) デバイス 9 電子エミッタ紫外 LED( 発光ダイオード ) やショットキバリアダイオード MOSFET(MOS 型電界効果トランジスタ )

実用化へは至っていないダイヤモンドは電子を引き出しやすい性質があり低電圧大電流の電子エミッタが可能となるため電子ビーム露光装置電子顕微鏡電子線照射装置などの電子銃への応用が期待されている当社では高濃度にリンをドープした n

ダイヤモンド電子源による電子線描画でレジスト上に世界写真 6 ダイヤモンド電子銃で撮影した観察倍率 1 万倍の金粒子二次電子像最狭線幅となる 4nm の電子線描画に成功しており (19) また電子顕微鏡用電子銃モジュール ( 写真 5)

6 導体デバイス用の基板としてはプラズマ CVD 法などの気相合成法が適している産業技術総合研究所 ( 以下産総研と略す ) では従来から気相合成法によるダイヤモンド単結晶作製技術の研究を進めてきているが最近では大型結晶が得られる成長面を変えて気相成長する結晶成長技術繰返し成長技術種結晶から板状に成長したダイヤモンドをロスなしに分離する技術ダイレクトウェハ化技術の開発に成功しこれらの技術の適用により大型ウェハの作製が可能となっている (14) 産総研はさらにダイレクトウェハ法を使って性質のそろった単結晶ダイヤモンド薄板を複数作製しこれらの薄板同士を接合して 1 インチ角程度の大面積ウェハを作製した (15) ( 写真 3) この成果はダイヤモンドデバイスの製造に必要な大型ダイヤモンド基板の量産可能性を示したものと言える写真 4 ダイヤモンド電子エミッタアレイ (5µm ピッチアレイ ) 1mm 写真 5 電子源モジュール写真 3 ダイヤモンドウェハの写真 (15) ダイヤモンドを用いたデバイスとしてはこれまで SAW( 表面弾性波 ) デバイス 9 電子エミッタ紫外 LED( 発光ダイオード ) やショットキバリアダイオード MOSFET(MOS 型電界効果トランジスタ ) 等のパワーデバイスが研究開発されている SAW デバイスはいわゆる半導体デバイスではないがダイヤモンドの表面を伝搬する弾性波の高速性を活用すべく当社でも GHz 帯の高周波 SAW デバイスへの応用開発を行った ( 16) ( 17) が実用化へは至っていないダイヤモンドは電子を引き出しやすい性質があり低電圧大電流の電子エミッタが可能となるため電子ビーム露光装置電子顕微鏡電子線照射装置などの電子銃への応用が期待されている当社では高濃度にリンをドープした n 型ダイヤモンドで優れた電子放出性能を示すことを見いだし 1mm 2 のデバイスから 113mA の大電流電子放出を得ることに成功している (18) ( 写真 4) また NEDO プロジェクトとしてエリオニクス社産総研とで行った共同開発ではダイヤモンド電子源による電子線描画でレジスト上に世界写真 6 ダイヤモンド電子銃で撮影した観察倍率 1 万倍の金粒子二次電子像最狭線幅となる 4nm の電子線描画に成功しており (19) また電子顕微鏡用電子銃モジュール ( 写真 5) を作製し観察倍率 1 万倍での金粒子の二次電子像の撮影に成功している ( 写真 6) さて本論のパワーデバイスであるがダイヤモンドを用いたパワーデバイスとしてはショットキバリアダイオードとトランジスタの研究が進められている当社が産総研と共同で行ったショットキーバリアダイオードの研究で ( 6 ) 化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて ( その 2)

7 は耐電界強度は 3.1MV/cm と SiC を超える高い値が得られている (2) ダイヤモンドはそのエネルギーバンドギャップが大きく高温動作デバイスが期待できるが産総研は Ru( ルテニウム ) という材料をショットキ電極に用いることにより 4 5 という高温で動作するダイオードを開発している (21) またこのダイオードの高速スイッチング特性についても報告がなされている (22) ダイヤモンドを用いたトランジスタの研究に関しては 199 年代から始まっている水素終端したダイヤモンド表面にはホールの蓄積層が生じこのホール蓄積層をチャンネルとしたトランジスタが多く報告されている早稲田大学からはゲート長.15µmのトランジスタでカットオフ周波数として 45GHz という高い値が報告されている (23) ダイヤモンド半導体はこれを用いたパワーデバイスの性能指数としては他の半導体材料デバイスのそれを圧倒する値を示し高耐圧低消費電力高温動作デバイスとしての期待が大きくまた上記したようにダイオードトランジスタの研究も進められているしかしこれらのデバイスの実用化のためには高品質大口径のダイヤモンドウェハは必須であり産総研が成果を挙げつつはあるが今しばらくの開発期間がかかるものと予想される用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 ワイドバンドギャップ半導体 SiC GaN ダイヤモンドといったそのエネルギーバンドギャップが Si のそれより大きい半導体次世代パワーデバイス用の半導体材料として期待されている 2 MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor : 電界効果トランジスタ (FET) の一種でゲート部はゲート電極と半導体層との間に酸化物を挿入した MOS ( 金属 / 酸化物 / 半導体 ) 構造 LSI の中で最も一般的に使用されているデバイス 3 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor : バイポーラトランジスタのベース部に MOSFET を付けた複合デバイス中容量のパワートランジスタとして広く用いられている 4 ショットキバリアダイオード金属と半導体との接合 ( ショットキ接合 ) によって生じるショットキ障壁を利用したダイオード 4. 結言 SiC GaN 等の化合物半導体やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスはその材料物性により現在市場で広く用いられている Si パワーデバイスに比べて低消費電力高耐圧高周波動作高温動作が可能となるため多くの市場分野で次世代パワーデバイスとしての期待が大きいこれらのワイドバンドギャップ半導体パワーデバイスの実用化に向けての最大の課題は如何にして Si パワーデバイス並の製造コストで生産できるかでありその鍵は高品質低コストの大口径基板の実現だと思われる基板結晶の成長が難しく未だ低コスト大口径の基板が得られていないのが実情であるこの課題へのソルーションを見い出したものが市場参入の一番乗りになるものと予想され当社もこの難しい課題を解こうと種々の検討を進めている一旦でも化合物半導体デバイスの開発に携わった技術者はその魅力に取り付かれ寝ても覚めても新しいデバイスの実現に向けて行動することになる筆者も化合物半導体材料メーカに入社して以来この魔物に取り付かれ一貫して化合物半導体デバイスの研究開発を行ってきた今は来るべき省エネルギーの社会の実現に向けてワイドバンドギャップ半導体を何とか手なずけようと奮闘している 5 JFET Junction Gate Field Effect Transistor : pn 接合により生じる空乏層をゲートに印加する電圧によって変化させソースドレイン間に流れる電流を制御するトランジスタ 6 ノーマリオフ型トランジスタのゲート電極に電圧を印加しない時はソースドレイン間に電流が流れないタイプ反対にゲート電極に電圧を印加しない時も電流が流れるデバイスはノーマリオン型と呼ばれる 7 HEMT High Electron Mobility Transistor : 半導体ヘテロ界面に生成される二次元電子ガス 8 をチャンネルに用いる高速トランジスタ 8 二次元電子ガス半導体のヘテロ界面に生成される電子が二次元的に分布している状態 7 の HEMT はこの二次元電子ガスをチャンネルに応用したもの 9 SAW デバイス固体の表面を伝搬する表面弾性波 (SAW: Surface Acoustic Wave) を利用してデバイスバンドパスフィルタ等が実用化されている年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 17 8 号 ( 7 )

参考文献 (1) 林秀樹化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて SEI テクニカルレビュー第 173 号 PP14-24(28) (2)K. Fujikawa, S. Harada, A. Ito, T. Kimoto and H. Matsunami, 6V 4H-SiC RESURF-type JFET, Material Science Forum, 457, p.

8 参考文献 (1) 林秀樹化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて SEI テクニカルレビュー第 173 号 PP14-24(28) (2)K. Fujikawa, S. Harada, A. Ito, T. Kimoto and H. Matsunami, 6V 4H-SiC RESURF-type JFET, Material Science Forum, 457, p.1189 (24) (3)T. Masuda, K. Fujikawa, K. Shibata, H. Tamaso, S. Hatsukawa, H. Tokuda, A. Saegusa, Y. Namikawa and H. Hayashi, Low On- Resistance in 4H-SiC RESURF JFETs Fabricated with Dry Process for Implantation Metal Mask, Material Science Forum, 527, p.123 (26) (4)K. Fujikawa, K. Shibata, T. Masuda, S. Shikata and H. Hayashi, 8V 4H-SiC RESURF-Type Lateral JFETs, IEEE Electron Device Letters, 25, p.79(24) (5)H. Tamaso, J. Shinkai, T. Hoshino, H. Tokuda, K. Sawada, K. Fujikawa, T. Masuda, S. Hatsukawa, S. Harada and Y. Namikawa, Fabrication of a Multi-chip Module of 4H-SiC RESURF-type JFETs, Materials Science Forum, 556, P.983(27) (6)K. Fujikawa, K. Sawada, T. Tsuno, H. Tamaso, S. Harada and Y. Namikawa, Fast Swetching Characteristics of 4H-SiC RESURF-type JFET, International Conference on Silicon Carbide and Related Materials(27) (7)T. Masuda, S. Harada, T. Tsuno, Y. Namikawa and T. Kimoto, High Channel Mobility of 4H-SiC MOSFET Fabricated on Macro-Stepped Surface, International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM)(27) (8)Y. Saitoh, K. Sumiyoshi, M. Okada, T. Horii, T. Miyazaki, H. Shiomi, M. Ueno, K. Katayama, M. Kiyama and T. Nakamura, Extremely Low On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on Low-Dislocation-Density GaN Substrates, Appl. Phys. Express 3, 811(21) (9)Y. Yoshizumi, S. Hashimoto, T. Tanabe and M. Kiyama, Highbreakdown-voltage pn-junction diodes on GaN substrates, J. Crystal. Growth, 298, pp (27) (1)Okada, Y. Saitoh, M. Yokoyama, K. Nakata, S. Yaegassi, K. Katayama, M. Ueno, M. Kiyama, T. Katsuyama and T. Nakamura, Novel Vertical Heterojunction Field-Effect Transistors with Re-grown AlGaN/GaN Two-Dimensional Electron Gas Channels on GaN Substrates, Appl. Phys. Express 3, 5421(21) (11)M. Tanaka, S. Nakahata, K. Sogabe, H. Nakahata and M. Tobioka, Morphology and X-ray diffraction peak widths of Aluminium Nitride single crystals prepared by the sublimation method, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.36, L1621(1997) (12) 宮永倫正水原奈保藤原伸介嶋津充中幡英章昇華法による AlN 単結晶成長 SEI テクニカルレビュー第 168 号 p.p (26) (13)M. Hatano, N. Kunishio, H. Chikaoka, J. Yamazaki, Z.B. Makhzani, N. Yafune, K. Sakuno, S. Hashimoto, K. Akita, Y. Yamamoto and M. Kuzuhara, Comparative high-temperature DC characterization of HEMTs with GaN and AlGaN channel layers, CS MANTECH Conference, p.11(21) (14) 産総研プレスリリース (27.3.2) (15)H. Yamada, A. Chayahata, Y. Mokuno, H. Umezawa, S. Shikata and N. Fujimori, Fabrication off 1 Inch Mosaic Crystal Diamond Wafers, Applied Physics Express 3, 5131(21) (16) 鹿田真一ダイヤモンドの特性を活用したデバイスの開発化学 Vol.62 No.6(27) (17) 藤井知他ダイヤモンド SAW デバイスの進展 NEW DIAMOND Vol.25 No.2(29) (18)N. Tatsumi, A. Ueda, K. Tanizaki, Y. Nishibayashi and T. Imai, Phosphorus Doped Diamond Electron Emitter Devices, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.139- P9-4(28) (19) 植田暁彦西林良樹池田和寛辰巳夏生今井貴浩上柿順一布川博土田智之小若裕則本目精吾山田貴壽鹿田真一ダイヤモンド電子源の開発とその応用学振 158 委員会 p.9(21) (2) 辰己夏生池田和寛梅澤仁鹿田真一ダイヤモンドショットキダイオードの開発 SEI テクニカルレビュー第 174 号 (29) (21)K. Ikeda, H. Umezawa, K. Ramanujam and S. Shikata, Thermally Stable Schottky Barrier Diode by Ru/Diamond, Applied Physics Express 2, 1122(29) (22)K. Kodama, T. Funaki, H. Umezawa and S. Shikata, Switching characteristics of a diamond Schottky barrier diode, IEICE Electronics Express, Vol.7, No.17, (21) (23) 平間一行川原田洋ワイドギャップ半導体ダイヤモンドを用いた高周波高出力 MOSFET の開発科学と工業 Vol.83 No.4(29) (24)N. Kuroda, K. Shibahara, W. S. Yoo, S. Nishino and H. Matsunami, Step-Controlled VPE Growt of SiC Single Crystals at Low Temperatures, Ext. Abstr. 19th Conf. on Solid State Devices and Materials, p. 227(1987) 執筆者林秀樹 : フェロー博士 ( 工学 ) 情報通信システム事業本部技師長 IEEE フェロー電子情報通信学会評議員応用物理学会フェロー輻射科学研究会理事日本工学アカデミー会員 1978 年入社以来一貫して化合物半導体デバイスの研究開発およびその実用化に従事オプトエレクトロニクス研究所長デバイス技術センター長半導体技術研究所長パワーデバイス開発室長材料技術研究開発本部技師長を経て現職 ( 8 ) 化合物半導体デバイス限りなき可能性を求めて ( その 2)

Microsoft PowerPoint - H30パワエレ-3回.pptx

Microsoft PowerPoint - H30パワエレ-3回.pptx パワーエレクトロニクス第三回パワー半導体デバイス平成 30 年 4 月 25 日授業の予定シラバスよりパワーエレクトロニクス緒論パワーエレクトロニクスにおける基礎理論パワー半導体デバイス (2 回 ) 整流回路 (2 回 ) 整流回路の交流側特性と他励式インバータ交流電力制御とサイクロコンバータ直流チョッパ DC-DC コンバータと共振形コンバータ自励式インバータ (2 回 )