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こうだいかたづ
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1 2014 年 9 月 17 日 ( 水 ) 第 75 回応用物理学会秋季学術講演会 TiC 電極,TiSi 2 電極と SiC 基板の Schottky ダイオード特性評価 Schottky diode characteristics of TiC and TiSi 2 electrodes on SiC substrates 東工大フロンティア研 1, 東工大総理工 2, 鈴木智之 1, 岡本真里 2, 宗清修 2, 角嶋邦之 2, 片岡好則 2, 西山彰 2, 杉井信之 2, 若林整 2, 筒井一生 2, 名取研二 1, 岩井洋 1 Tokyo Tech. FRC 1, IGSSE 2, T. Suzuki 1, M. Okamoto 2, S. Munekiyo 2, K. Kakusima 2, Y. Kataoka 2, A. Nishiyama 2, N. Sugii 2, H. Wakabayashi 2, K. Tsutsui 2, K. Natori 1, H. Iwai 1 suzuki.t.cl@m.titech.ac.jp Tokyo Institute of Technology 1

2 本研究の技術的背景と利点 SiC ショットキーダイオードの利点高電圧用スイッチング回路などの電力用半導体素子として用いる場合の利点 SiC は耐圧性耐熱性熱伝導率が高い絶縁構造や冷却装置を縮小効率改善で電力損失を削減小型化と省電力化の達成高温, 高線量環境でも使用可能寿命時間の増加 IGBT IGBT SiC-SBD SiC-SBD 使用用途の多様化とコストダウン IGBT パワーモジュールの例 SiC ショットキーダイオードの性能の向上で広範な恩恵を得られる 2

3 本研究の課題と考案 SiC ショットキーダイオードの課題熱処理温度により金属-SiCの界面が反応ショットキー障壁値の変動による逆方向漏れ電流増加金属 -SiC 界面反応の制御考案ダイオード特性の向上 A. Itoh and H. Matsunami, Physica Status Solidi 162, 390 (1997) 参照する金属電極としてTi 電極を選択 (Reference) Cを含む金属電極としてTiC 電極を選択 (Si-CのCとの反応を阻止) Siを含む金属電極としてTiSi 2 電極を選択 (Si-CのSiとの反応を阻止) TiC 電極,TiSi 2 電極は熱処理により SiC と反応しにくい可能性がある 3

4 本研究の目的目的 TiCまたはTiSi 2 の金属電極を形成する金属電極とSiCの界面反応によるダイオード特性の劣化防止ダイオードの整流特性の維持改善を目指す手順金属電極にTiとCまたはSiを積層したSiCショットキーダイオードを作成高温熱処理により積層した金属電極をシンタリング( 焼結 ) 電気特性(I-V 特性 ) を測定, 異なる金属電極による整流特性を確認する Log I Log I 逆方向漏れ電流増加 V 理想的な整流特性の例急峻性が低下 V 劣化した整流特性の例 4

5 デバイス製作工程 TiN (50 nm) / Ti or TiC or TiSi 2 / SiC 金属電極 SiC 基板をSPM,HFで化学洗浄プラズマCVD (TEOS) で素子分離金属電極 ( アノード ) SiO 2 TiN (50 nm) Ti (20 nm), TiC, TiSi 2 Epilayer (12 μm) SiO 2 Ti, C, Si を積層スパッタ堆積 Ref.Ti 20 nm SiC substrate 酸化防止膜 Ti (20 nm) TiN (50 nm) をスパッタ堆積 TiN (50 nm) 裏面電極 ( カソード ) Ti (20 nm), TiN (50 nm) をスパッタ堆積裏面電極熱処理 N 2 雰囲気,1 min, 熱処理温度 500~1050 o C, 50 or 100 刻み Measurement (I-V 測定 ) 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 5

6 Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 ( 常用対数 ) Ti TiC TiSi Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V) Ti に比べて TiC,TiSi 2 電極は逆方向漏れ電流の増加傾向が小さい熱処理温度 800 を境にダイオード整流特性の劣化が見られる電極面積 μm 2 特に 800 については Ti に対し,TiC と TiSi 2 電極の整流特性劣化が少ない今回はこのダイオード特性をもとに以下の手順で評価した 6

7 Current (A) I-V 特性の電極面積依存性と周辺電流 1x x x min in N V Ti TiSi 2 電極面積を 0 に近づけると周辺電流が観測できる 4x x10-11 TiC SiO 2 TiN SiO 2 Ti, TiC, TiSi 2 Epilayer 0 0 2x10-5 4x10-5 6x10-5 8x10-5 1x10-4 Electrode area (cm 2 ) SiC substrate 電極表面金属電極周辺電流 (A) Ti よりTiC 電極,TiSi 2 電極は周辺電流 Ti 6.2x10-12 の増加を抑えられている傾向が見られた TiC 5.6x10-13 電極による反応が少ないと考えられる TiSi 2 2.4x10-12 電極面積 μm 2, μm 2, μm min in N V 7

8 ダイオード特性の評価に用いたモデルと理論式 Shockleyのダイオード方程式逆方向飽和電流 (TEDモデル) Barrier Lowering Effect 金属半導体界面の鏡像効果によるショットキー障壁 ϕ B の低下 n : n 値 ( 理想的には n=1) A** : 実効リチャードソン定数 [A/cm 2 /K 2 ] ϕ B : ショットキー障壁の高さ [ev] 金属半導体鏡像面伝導帯理論モデルに基づき実効リチャードソン定数を実験的に定める理論式のフィッティングによりショットキー障壁高さ ϕ B と n 値を求める 8

実効リチャードソン定数 A** の導出 ln(j/t 2 ) (A/cm 2 /K 2 ) 逆方向飽和電流 ( 熱電子放出 - 拡散 TED)

温度の関数としてアレニウスプロット傾きからショットキー障壁値 ϕ B -Δϕ B 切片から実効リチャードソン定数 A**

956 [ev] @-1 V 実効リチャードソン定数実験値 A**=129 [A/cm 2 /K 2 ] @-1 V -26-27 -28-29 -20

9 実効リチャードソン定数 A** の導出 ln(j/t 2 ) (A/cm 2 /K 2 ) 逆方向飽和電流 ( 熱電子放出 - 拡散 TED) 大きな逆バイアスでは J J s に近似できる TiC/SiC 500 1min in N 2-1 V 温度の関数としてアレニウスプロット傾きからショットキー障壁値 ϕ B -Δϕ B 切片から実効リチャードソン定数 A** TiC/SiCショットキー障壁値 ϕ B -Δϕ B =0.956 V 実効リチャードソン定数実験値 A**=129 [A/cm 2 /K 2 V mv /T (K -1 ) TEモデル 4H-SiCの理論値 A*=146 [A/cm 2 /K 2 ] A. Itoh, T. Kimoto and H. Matsunami 1995 IEEE Electron Device Letters

10 Current density (A/cm 2 ) ショットキーダイオードの温度特性と n 値 TiC/SiC 500 1min in N Anode voltage (V) TiC/SiC 熱処理温度分 N 2 雰囲気 ϕ B =0.995 [ev] 測定温度 ( ) n 値測定温度を上げると逆方向漏れ電流が増加電流- 電圧特性が理論モデルで再現できる理想特性 (n=1) に近い値を得た実効リチャードソン定数を実験値 129 A/cm 2 /K 2 としてフィッティング 10

11 n 値 (a.u) ϕ B (ev) ショットキー障壁値と n 値の熱処理温度依存性ショットキー障壁値 ϕ B 室温 Ti TiC TiSi 2 熱処理温度 800 までTiC と TiSi 2 のSiCショットキーダイオードは変化の少ないショットキー障壁値 ϕ B 1.1 以下の安定したn 値を示した SiCとの反応を制御できている n 値室温電極剥離 TiC や TiSi 2 の電極を形成すれば 1.2 Ti 広い熱処理温度範囲において理想 TiSi 2 TiC 的なダイオード特性を実現できる可能性がある as-depo 熱処理温度 ( ) 11

12 本発表のまとめ研究目的熱処理による金属 -SiC の界面反応の抑制と整流特性の維持改善プロセス Ti と C,Si の積層スパッタリングと高温熱処理によるシンタリングデバイス TiC または TiSi 2 を金属電極とする SiC ショットキーダイオード Ti に比べて TiC,TiSi 2 電極の SiC ショットキーダイオードは高温熱処理による逆方向漏れ電流の増加傾向が小さい実効リチャードソン定数を 129 A/cm 2 /K 2 と定め, 理論モデルのフィッティングにより広い熱処理温度範囲で安定したショットキー障壁値と 1.1 以下の n 値を得た結論 TiC または TiSi 2 電極の SiC ショットキーダイオードは広い熱処理温度範囲で界面反応を抑えられており, ダイオード特性の劣化が少ないことが示唆された 12

13 Backup 13

14 積層スパッタリング工程 TiN (50nm) TiN (50nm) C (0.45nm) Ti (0.8nm) Si (1.19nm) Ti (0.46nm) 22.5 nm 18 sets 26.4 nm 16 sets C (0.45nm) Ti (0.8nm) Epilayer (12um) SiC substrate Si (1.19nm) Ti (0.46nm) Epilayer (12um) SiC substrate 14

15 デバイス全景電極面積 μm 2 酸化防止膜 TiN (50 nm) 素子分離 SiO 2 Ti (20 nm), TiC, TiSi 2 SiO 2 金属電極 Epilayer (12 μm) エピタキシャル結晶成長層 SiC substrate SiC 基板 Ti (20 nm) 裏面電極 TiN (50 nm) 酸化防止膜 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 15

16 TiC の電極破損 1050 熱処理後の TiN/TiC/SiC の写真高温熱処理によるグラファイト層の形成により剥離が発生するとされている TiC C (Graphite) Epilayer SiC 剥離 16

17 Current density (A/cm 2 ) ダイオード特性の熱処理温度依存性 ( 常用対数 ) (a) Ti (b) TiC (c) TiSi Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V) ショットキー障壁 ϕ B (ev) Φ b TiN/Ti ev TiN/TiC ev TiN/TiSi ev n 値熱処理温度 800 程度まではダイオード特性の劣化を抑えられた n TiN/Ti TiN/TiC TiN/TiSi 実効リチャードソン定数を実験値 129 A/cm 2 /K 2 としてフィッティング 17

18 Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (Ti) Ti ー 1050 ー 1000 ー 950 ー 900 ー 850 ー 800 ー 750 ー 700 ー 600 ー 500 ー asdepo Anode voltage (V) 18

19 Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (TiC) TiC ー 1050 ー 1000 ー 950 ー 900 ー 850 ー 800 ー 750 ー 700 ー 600 ー 500 ー asdepo Anode voltage (V) 19

20 Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (TiSi 2 ) TiSi ー 1050 ー 1000 ー 950 ー 900 ー 850 ー 800 ー 750 ー 700 ー 600 ー 500 ー asdepo Anode voltage (V) 20

21 補足スライド 21

22 TiC の形成 Intensity (Count) (111) (200) TiC (220) (311) (222) (d) C (0.45nm) Ti (0.8nm) 22.5 nm 18 sets C (0.45nm) Ti (0.8nm) Epilayer (12um) 20 SiC substrate Ѳ (deg) K.Tuokedaerhan Apl (2013) 積層構造で堆積した Ti と C は,500 o C の熱処理において, TiC を形成することが XRD により確認されている 22

23 デバイス製作工程 TiN (50 nm) / Ti or TiC or TiSi 2 / SiC 積層スパッタリング工程 SiC 基板をSPM,HFで化学洗浄プラズマCVD(TEOS) で酸化膜形成 (100 nm) フォトリソグラフィーで電極のパターニング Ti,C,Si をスパッタ堆積酸化防止膜としてTiN (50 nm) をスパッタ堆積フォトリソグラフィーでRIEのパターニング酸化膜上の金属をRIEエッチング ( 素子分離 ) TiN (50 nm) C (0.45 nm) Ti (0.8 nm) 18 sets C (0.45 nm) Ti (0.8 nm) Epilayer (12 μm) SiC substrate TiN (50 nm) Si (1.19 nm) Ti (0.46 nm) 16 sets Si (1.19 nm) Ti (0.46 nm) Epilayer (12 μm) SiC substrate 裏面電極として Ti (20 nm),tin (50 nm) をスパッタ堆積熱処理 N 2,500 o C~1050 o C,1 min Measurement (I-V 測定 ) 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 23

24 研究背景パワーエレクトロニクス電力電子および制御の技術を総合した, 電力変換及び電力開閉に関する技術分野電力変換電気の特性を変換することパワ - デバイスを用いて電気の特性を変換できるスイッチング動作や漏れ電流によって損失が発生電力損失を減らし, 高効率な電力制御が必要電気学会電気専門用語集 No.9 低損失デバイス実現に向けて次世代パワー半導体が注目されている半導体の物理特性 Si 4H-SiC バンドギャップ (ev) 絶縁破壊電圧 (MV/cm) 熱伝導率 (W/cm/K) Streetman, Ben G.; Sanjay Banerjee (2000). Solid State Electronic Devices (5th ed.). New Jersey: Prentice Hall. p Siに比べてSiCはバンドギャップが大きい絶縁破壊電圧が高い熱伝導率が高い SiC は耐電圧性, 耐熱性が高く, パワーデバイスに有用 24

25 エピレイヤーの有無エピレイヤーの無い裏面にダイオード構造を形成するとオーミック特性と化す電極がザラザラして見えるラフネス大 TiN/TiC ( 線形 ) SiO 2 TiN (50 nm) TiC SiO 2 SiC substrate Epilayer (12 μm) Ti (20 nm) TiN (50 nm) TiN/TiC ( 対数 ) ラフネス小 25

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スライド 1 2015 年 2 月 17 日 ( 火 ) 学士卒業論文発表会 TiC 及び TiSi 2 電極と SiC ショットキーダイオードの電気特性評価 (Electrical Characteristics of SiC Schottky Diodes with TiC and TiSi 2 Electrodes) Iwai and Kakushima Laboratory Tomoyuki Suzuki