スライド タイトルなし

Similar documents
スライド タイトルなし

untitled

Microsoft PowerPoint - 14.菅谷修正.pptx

untitled

PowerPoint プレゼンテーション


Electrical contact characteristics of n-type diamond with Ti, Ni, NiSi2, and Ni3P electrodes

低損失V溝型SiCトレンチMOSFET 4H-SiC V-groove Trench MOSFETs with the Buried p+ regions

Microsoft PowerPoint - 9.菅谷.pptx

SiC 高チャネル移動度トランジスタ

2004/4/16 (Power Technology) O 2 ( ) (Information Technology) ( ) Gas (4H) GaN andgap (ev) Electron mobility (cm 2 /Vs)

Microsoft PowerPoint 修論発表_細田.ppt

スライド 1

untitled

Superjunction MOSFET

スライド 1

電力線重畳型機器認証技術

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

高耐圧SiC MOSFET

AlGaN/GaN HFETにおける 仮想ゲート型電流コラプスのSPICE回路モデル

低転位GaN 基板上の低抵抗・高耐圧GaNダイオード

研究成果報告書

窒化アルミニウムによる 高効率フィールドエミッションを実現 ディスプレイパネル実用レベルのフィールドエミッション特性

untitled

第 1 回窒化物半導体応用研究会平成 20 年 2 月 8 日 講演内容 1. 弊社の概要紹介 2. 弊社における窒化物半導体事業への展開 3. 知的クラスター創生事業での取り組み Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術技術開発

スライド 1

開発の社会的背景 パワーデバイスは 電気機器の電力制御に不可欠な半導体デバイスであり インバーターの普及に伴い省エネルギー技術の基盤となっている 最近では高電圧 大電流動作が技術的に可能になり ハイブリッド自動車のモーター駆動にも使われるなど急速に普及し 市場規模は 2 兆円に及ぶといわれる パワー

untitled

MOSFET HiSIM HiSIM2 1

(Microsoft PowerPoint - \203E\203B\203\223\203N\210\244\222m.ppt)

Microsoft PowerPoint - semi_ppt07.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - semi_ppt07.ppt

1-2 原子層制御量子ナノ構造のコヒーレント量子効果 Coherent Quantum Effects in Quantum Nano-structure with Atomic Layer Precision Mutsuo Ogura, Research Director of CREST Pho

記者発表資料

PowerPoint プレゼンテーション

内 容 1. パワーデバイスの基礎 1) パワーデバイスの仕事 2) 次世代パワーデバイス開発の位置づけ 2.SiC パワーデバイスの最新技術と課題 1) なぜ SiC が注目されているのか 2) 高温動作ができると何がいいのか 3)SiC-MOSFET の課題 4)SiC トレンチ MOSFET

<4D F736F F F696E74202D2091E F BB95A894BC93B191CC899E97708CA48B8689EF E9197BF>

Microsoft PowerPoint - 4.1I-V特性.pptx

AN504 Through-hole IRED/Right Angle Type 特長 パッケージ 製品の特長 φ3.6 サイドビュ - タイプ 無色透明樹脂 光出力 : 5mW TYP. (I F =50mA) 鉛フリーはんだ耐熱対応 RoHS 対応 ピーク発光波長指向半値角素子材質ランク選別はん

報道発表資料 2000 年 2 月 17 日 独立行政法人理化学研究所 北海道大学 新しい結晶成長プロセスによる 低欠陥 高品質の GaN 結晶薄膜基板作製に成功 理化学研究所 ( 小林俊一理事長 ) は 北海道大学との共同研究により 従来よりも低欠陥 高品質の窒化ガリウム (GaN) 結晶薄膜基板

Microsoft PowerPoint - tft.ppt [互換モード]

研究成果報告書

600 V系スーパージャンクション パワーMOSFET TO-247-4Lパッケージのシミュレーションによる解析

LMC6022 Low Power CMOS Dual Operational Amplifier (jp)

Microsoft Word - sp8m4-j.doc

スライド 1

GaNの特長とパワーデバイス応用に向けての課題 GaNパワーデバイスの低コスト化技術 大面積 Si 上 MOCVD 結晶成長技術 Si 上大電流 AlGaN/GaNパワー HFET GaN パワーデバイスのノーマリオフ動作 伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ - Gate Inject

Microsoft PowerPoint - 群馬大学_講演6-28.ppt

Slide 1

支援財団研究活動助成 生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究 奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介

PowerPoint プレゼンテーション

パナソニック技報

LMC6082 Precision CMOS Dual Operational Amplifier (jp)

Triple 2:1 High-Speed Video Multiplexer (Rev. C

PowerPoint Presentation

研究成果報告書

PowerPoint プレゼンテーション

SiCパワー半導体がもたらす 電気エネルギーの有効利用 -省エネ効果-

untitled

C-2 NiS A, NSRRC B, SL C, D, E, F A, B, Yen-Fa Liao B, Ku-Ding Tsuei B, C, C, D, D, E, F, A NiS 260 K V 2 O 3 MIT [1] MIT MIT NiS MIT NiS Ni 3 S 2 Ni

XP233P1501TR-j.pdf

OPA134/2134/4134('98.03)

PowerPoint プレゼンテーション

スライド 1

PowerPoint Presentation

LMV851/LMV852/LMV854 8 MHz Low Power CMOS, EMI Hardened Operational Amplifi(jp)

三菱パワーデバイス HVIC

PS5042 Through-hole Phototransistor/Right Angle Type 特長 パッケージ 製品の特長 サイドビュータイプ 無色透明樹脂 光電流 : 1.4mA TYP. (V CE =5V,Ee=1mW/cm 2 ) 鉛フリーはんだ耐熱対応 RoHS 対応 ピーク感

過電流保護用/突入電流抑制用/過熱検知用"ポジスタ"

XP231P0201TR-j.pdf

Conduction Mechanism at Low Temperature of 2-Dimensional Hole Gas at GaN/AlGaN Heterointerface (低温におけるGaN/AlGaN ヘテロ界面の2 次元正孔ガスの伝導機構)

SiC JFET による高速スイッチング電源

LM35 高精度・摂氏直読温度センサIC

動化 V ns 9)10) Grezaud 15ns 10) DC VSC (Voltage Source Converter) SiC HEV SiC-MOSFET FWD SiC-SBD SiC-MOSFET FET DENSO TECHNICAL REVIEW Vol 電 FW

LT 低コスト、シャットダウン機能付き デュアルおよびトリプル300MHz 電流帰還アンプ

NJG1815K75 SPDT スイッチ GaAs MMIC 概要 NJG1815K75 は無線 LAN システムに最適な 1 ビットコントロール SPDT スイッチです 本製品は 1.8V の低切替電圧に対応し 高帯域 6GHz での低損入損失と高アイソレーション特性を特長とします また 保護素子

01 23A1-W-0012.indd

Microsoft PowerPoint - 集積回路工学(5)_ pptm

DSP用いたスイッチング電源回路 軽負荷場合の効率向上手法の検討

圧電型加速度センサ Piezoelectric Acceleration sensor 特長 Features 圧電素子に圧電型セラミックを用いた加速度センサは 小型堅牢 高感度で広帯域を特長としております 従って 低い周波数の振動加速度から衝突の様な高い加速度の測定まで 各分野で 幅広く使用されて

NJM78L00S 3 端子正定電圧電源 概要 NJM78L00S は Io=100mA の 3 端子正定電圧電源です 既存の NJM78L00 と比較し 出力電圧精度の向上 動作温度範囲の拡大 セラミックコンデンサ対応および 3.3V の出力電圧もラインアップしました 外形図 特長 出力電流 10

この講義のねらい ナノ 量子効果デバイス 前澤宏一 本講義は 超高速 超高周波デバイスの基盤となる化合物半導体 へテロ接合とそれを用いたデバイスに関して学ぶ 特に高電子移動度トランジスタ (HEMT) やヘテロバイポーラトランジスタ (HBT) などの超高速素子や これらを基礎とした将来デバイスであ

Microsoft PowerPoint - pp601-1.ppt

IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化

<6D31335F819A A8817A89C896DA93C782DD91D682A6955C816991E58A A CF8D588CE3817A C8B8F82B382F1817A7

低炭素社会にむけたグリーンエレクトロニクスの役割

Figure 1. Center and Edge comparison of a HEMT epi measured by PCOR-SIMS SM 図 1 は直径 150mm の Si ウェハ上に成長させた GaN HEMT 構造全体の PCOR-SIMS による深さプ ロファイルを示しています

Microsoft Word - プレリリース参考資料_ver8青柳(最終版)

untitled

USER'S GUIDE

Plastic Package (Note 12) Note 1: ( ) Top View Order Number T or TF See NS Package Number TA11B for Staggered Lead Non-Isolated Package or TF11B for S

事務連絡

BD9328EFJ-LB_Application Information : パワーマネジメント

降圧コンバータIC のスナバ回路 : パワーマネジメント

博士学位論文 4H-SiC バイポーラデバイスにおける 結晶欠陥と電気特性の関係に関する研究 中山浩二 2013 年 1 月 大阪大学大学院工学研究科

フロントエンド IC 付光センサ S CR S CR 各種光量の検出に適した小型 APD Si APD とプリアンプを一体化した小型光デバイスです 外乱光の影響を低減するための DC フィードバック回路を内蔵していま す また 優れたノイズ特性 周波数特性を実現しています

LM837 Low Noise Quad Operational Amplifier (jp)

スライド 1

研究の背景 世界のエネルギー消費量は年々増加傾向にあり, 地球規模のエネルギー不足が懸念さ れています このため, 発電により生み出したエネルギー ( 電力 ) の利用の更なる高効 率化が求められており, その鍵は電力制御を担っているパワーデバイス ( 6) が握っ ています 現在主流である Si(

Transcription:

2011. 3. 2 高等研究院 インテックセンター成果報告会 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

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 量子光学 電磁工学 ナノ電子工学

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 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 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) Rated Current (A) 10 4 10 3 10 2 10 1 低耐圧デバイス DC-DC converter Server PC 中耐圧デバイス Automobile Electronics (ABS, Injector) HDD Telecom. HEV/EV Factory Automation Motor Control Home Appliance SW Power Supply AC Adaptor Lamp Ballast 高耐圧デバイス Power Transmission Traction 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 SiC デバイスのターゲット Rated Voltage (V)

SiC パワーデバイスの特徴 特性オン抵抗 vs. 耐圧 On-Resistance (m cm 2 ) 100 10 1 Si SiC 0.1 10 100 1000 10000 Blocking Voltage (V) Conversion Capacity (VA) 1 0 9 1 0 8 1 0 7 1 0 6 1 0 5 1 0 4 1 0 3 DC Transmission Large Factory THY. GTO Si BJT Telephone Line IGBT POWER-IC SiC Bullet Train UPS Inverter Electric Vehicle MOSFET Switching Power Module 10 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 Operating Frequency (Hz) 高耐圧低オン抵抗高速 SW 高温動作 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

パワーデバイス : Si vs. SiC SBD MOSFET PiN IGBT, GTO Si SBD PiN MOSFET, JFET BJT IGBT, GTO SiC 100 V 300 V 600 V 1.2 kv 4.5 kv 10 kv 20 kv 定格耐圧 (V) 工業的には 600~1200 V 級の SiC SBD と MOSFET がターゲット 学術的には 10 kv 級の SiC PiN と IGBT, GTO が未開拓

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 低抵抗 (N ドープ )4H-SiC 半絶縁性 4H-SiC 低抵抗 (N ドープ )6H-SiC 電力用 SiC パワーデバイス 通信用 SiC, GaN 高周波デバイス 窒化物半導体発光デバイス

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 A G1 G2 A 未踏 未開拓 G G3 G4 K 5 kv Si GTO x 4 K 20 kv SiC GTO x 1 損失低減 設備の小型化

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 膜厚 ( m) SiC ドナー密度 (cm -3 ) 膜厚 ( m) Si ドナー密度 (cm -3 ) 1.2 kv 11 1 10 16 130 1 10 14 2.5 kv 20 5 10 15 270 5 10 13 4.5 kv 42 2 10 15 610 2 10 13 20 kv 210 4 10 14 2400 3 10 12 超高純度 超厚膜 超高品質 SiC 結晶が必須 物理的に不可能

Growth Rate ( m/h) 100 80 60 40 20 C/Si = 1.2 SiC の高速エピタキシャル成長 standard 0 0 5 10 15 20 25 30 35 SiH 4 Flow Rate (sccm) 85 m/h で良好な表面平坦性 8 o off-axis, Si face エピ層厚さ : 120 m 成長圧力 : 35 Torr 500 m height scale: 3 nm CMP 研磨 5 m In-situ H 2 エッチング (1650 o C, 35 Torr) 低圧成長 RMS = 0.18 nm (20 m )

残留窒素ドナー密度の低減 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 Donor Concentration (cm -3 ) 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 T = 1500 C/Si = 1.5 SiH 4 : 1.5 sccm C 3 H 8 : 0.75 sccm N-doped undoped 4H-SiC(0001) 8 o off 20 100 1000 Pressure (Torr) 低い圧力 + 高い C/Si 比 Net Donor Concentration (cm -3 ) 10 16 10 15 10 14 10 13 4H-SiC(0001) SiH 4 : 1.5 sccm P: 80 Torr 10 12 0 1 2 3 C/Si Ratio N D = 5x10 12 cm -3 ( 純度 99.99999999%)

SiC エピ成長層中の点欠陥 ( 深い準位 ) 0.0 Conduction Band Z 1/2 RD 1/2 E c 3.0 Z 1/2 センター密度とキャリヤ寿命の関係 10 7 1/ E C - E (ev) 1.0 2.0 3.0 UT1 EH 6/7 Detected in n-type Valence Band Detected in p-type HK4 HK3 HK2 HK1 2.0 1.0 E - E V (ev) 1/ (s -1 ) 10 6 1/ SRH (slope = 1) 1/ other 10 12 10 13 10 14 10 15 Z 1/2 concentration (cm -3 ) Z 1/2 センター : ライフタイムキラー K. Danno et al., Appl. Phys. Lett. 90 (2007), 202109. E v

DLTS Signal (ff) DLTS スペクトル (n 型 SiC) 10 8 6 4 2 熱酸化による SiC 中の深い準位の低減 Z 1/2 as-grown EH 6/7 10 = 0.6 s 11 > 10 s Z 1/2 センター密度の深さ方向分布 Z 1/2 Concentration (cm -3 ) 0 Detection Limit 100 200 300 400(as-grown) 500 600 700 (after defect 0 10 elimination) 20 30 40 50 Temperature (K) Depth From Surface ( m) 10 13 10 12 キャリア寿命の増大 after oxidation (1300 o C, 5h) 10 min as-grown 熱酸化 (1300, 5 h) 後のSiC Z 1/2, RD 1/2, EH 6/7 センター : 表面から深さ約 47 mの領域で検出限界 (1 10 11 cm -3 ) 以下に低減 1 h T. Hiyoshi et al., Appl. Phys. Express 2 (2009), 041101. 5 h

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

SiC ショットキー障壁ダイオード 1993-1995, 京大 2008, ROHM 1200 V 100 A J F = 100 A/cm 2 @ 1.0 V Current (A) V B = 1750 V Voltage (V) T. 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 )

SiC ショットキー障壁ダイオード 1993-1995, 京大 2008, ROHM 1200 V 100 A J F = 100 A/cm 2 @ 1.0 V Current (A) V B = 1750 V インバーターのスイッチング損失を60% 改善 Voltage (V) T. 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 )

SiO 2 L JTE 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 Ti/Al 高さ : 2.0 m n- バッファ層 p + 層 Al + 注入, 深さ 0.8 m N A : 2 10 18 cm -3 JTE 領域 (p) Al + 注入 : 深さ 0.8 m n - ドリフト層 N D : 3~7 10 14 cm -3 膜厚 : 90~100 m (50 m/h の高速成長 ) Ni n 型 4H-SiC 基板 (0001) 8 オフ

10 kv SiC PiN ダイオードの I-V 特性 ドリフト層膜厚 : 92 m N D = 4.0 10 14 cm -3 JTE 幅 : L JTE = 200 m オン抵抗 : 95 m cm 2 逆方向破壊電圧 : 10.2 kv SiC Breakdown @ 10.2 kv Current (A/cm 2 ) -10000-8000 -6000-4000 -2000 Si 50 40 30 20 10 0-15 10 15-2 -3-4 -5 10 kv SiC PiN 8 kv Si PiN Voltage (V) T. Hiyoshi et al., IEEE Trans. Electron Devices 55 (2008), p.1841.

Current Density (A/cm 2 ) 160 140 120 100 80 60 40 20 10 kv 級 SiC PiN ダイオードの特性改善 with oxidation 4H-SiC PiN without oxidation p + -Anode: 1x10 18 cm -3 0.8 m n + -substrate SiO 2 n - layer: N d = 6x10 14 cm -3 d epi = 145 m 0 5 10 15 Forward Voltage (V) 欠陥低減によるオン抵抗 (R on ) の改善 V B = 12 kv Without Oxidation With Oxidation R on = 97 m cm 2 R on = 46 m cm 2

SiC パワー MOSFET のオン抵抗 Gate DIMOSFET SiO 2 Source n + R n + p JFET p n - R Drift n + Drain R Ch R S Channel R Sub On-state Resistance (m cm 2 ) 100 10 Si-MOSFET SiC-MOSFET 1 Si drift limit SiC drift limit 0.1 10 100 1000 10000 Blocking Voltage (V) オン抵抗 R ON = R S + R Ch + R JFET + R Drift + R Sub

MOSFET チャネル移動度の向上 Effective Channel Mobility (cm 2 /Vs) 100 80 60 40 20 0 4H-SiC (1120), N 2 O N A ~1x10 16 cm -3 (0001) C, N 2 O (0001) Si, N 2 O (0001) Si, wet O 2 5 10 15 20 25 Gate Voltage (V) Effective Channel Mobility (cm 2 /Vs) 100 4H-SiC MOSFET 80 (1120) 60 40 (0001) C 20 (0001) Si 0 10 16 10 17 10 18 Doping Concentration of p-body (cm -3 ) eff : (1120) > (0001) C > (0001) Si (N 2 O) > (0001) Si (O 2 ) T. Kimoto et al. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005), p.1213.

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 mm 2 Si SiC 200 o C 200 o C

大容量 SiC トレンチ MOSFET ( 京大 ローム ) トレンチ形 MOSFET Source Gate 400 単チップで 300 A を達成 4.8mm 角 300A 300 Ti/Al Ti p+ n+ p-well SiO 2 Poly-Si SiC n- epi-layer Ti Drain Current (A) 200 100 V gs = 20 V 5V step 従来 3.0mm 角 SiC n+ substrate Ni Metal 0 0 1 2 3 4 5 Drain Voltage (V) 耐圧 > 600 V Drain 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

横型 SiC RESURF MOSFET: for power IC Source Gate top-p region thickness : 0.1 m SiO 2 Drain p + n + RESURF1 RESURF2 n + Region (n - ) region (n) 0.6 m p-epilayer substrate (p + ) L RES : 10 m L LDD : 10 m 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 R ON 高い V B

Drain Current [ma] 20 10 0 SiC ダブル RESURF MOSFET の特性 L/W = 1.7/200 m V G = 0-20 V 4 V Step V T = 2.8 V 0 5 10 15 Drain Voltage [V] V B = 1580 V R ON = 40 m cm 2 V T = 2.8 V Specific On-Resistance (m cm 2 ) R ON = 40 m cm 2 V B = 1580 V (I D 1000) 300 200 100 500 1000 1500 0 300 200 100 0 Drain Current [A/cm 2 ] 4H-SiC 6H-SiC Si AIST '03 Kyoto '03 RPI '04 stable avalanche Lateral MOSFET Si limit (1D) Kyoto '03 Kyoto '03 RPI '02 this work 600 800 1000120014001600 Breakdown Voltage (V) M. Noborio et al., IEEE EDL, 30 (2009), 831.

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 < 1x10 13 cm -3 ) 熱酸化による欠陥消滅 ( 欠陥密度 < 1x10 11 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 究極の電子デバイスを目指して SiC: 高耐圧 低損失 高速のパワーデバイス 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