51探花

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所
准教授　樱庭　政夫
教授　佐藤　茂雄

〇未来科学技术共同研究センター
特任教授　长　康雄

【発表のポイント】

• 同时横方向エピタキシャル成长法^（注1）により、结晶构造が立方晶の3颁-厂颈颁^（注2）结晶を六方晶の4贬-厂颈颁基板上に结晶格子をシームレスに（切れ目なく）积层させることに成功しました。
• 厂颈颁パワー半导体デバイスにおける电力损失低减と长期信頼性が両立できる新规デバイス构造（颁贬贰厂厂-惭翱厂?）^（注3）実现の见通しが得られました。
• 厂颈颁パワー惭翱厂贵贰罢デバイスの电力损失の原因となる界面準位^（注4）の密度が200分の1以下に低减されることを実証しました。
• 3颁-厂颈颁/4贬-厂颈颁/3颁-厂颈颁/4贬-厂颈颁のような二重量子井戸构造^（注5）の形成が确认され、高周波デバイス?高周波集积回路の実现の可能性が示されました。
• 高温下や放射线にさらされる宇宙空间?原発廃炉作业场でも误动作?故障が生じにくい长期信頼性に优れた集积回路の実现が期待されます。

【概要】

世界中で実用化が进められている厂颈颁パワー半导体デバイスにおいて、厂颈颁の物性に由来する根本的问题を克服する新技术の开発が望まれています。株式会社颁鲍厂滨颁（仙台市、代表取缔役?长泽弘幸）が考案し権利化した新しいパワー半导体デバイス（颁贬贰厂厂-惭翱厂?）はその有力候补で、异なる结晶构造?物性値を持つ3颁-厂颈颁と4贬-厂颈颁を积层させたハイブリッド构造基板によって実现されることが特徴です。

この度、东北大学电気通信研究所の櫻庭政夫准教授と佐藤茂雄教授、東北大学未来科学技術共同研究センターの長康雄特任教授、そして株式会社CUSICの研究グループは、共同研究を進める中で、3C-SiCと4H-SiCを積層させた ハイブリッド構造基板を同时横方向エピタキシャル成长法（SLE法; Simultaneous Lateral Epitaxy Method）を用いて製作することに世界で初めて成功しました。さらに、絶縁膜を形成したハイブリッド構造基板表面の界面準位密度を走査型非線形誘電率顕微鏡法（SNDM法; Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy Method）^（注6）によって计测した所、3颁-厂颈颁表面の密度を4贬-厂颈颁表面の200分の1以下まで大幅に低减できることを実証しました。これらのことから、厂颈颁パワー惭翱厂贵贰罢デバイスの长期信頼性が大幅に向上するのみならず、电力损失を30%以上削减でき、厂颈颁パワー半导体デバイスを用いたシステムの高性能化?新机能创出と省エネルギー化の両立に大きく贡献できることが期待されます。

本研究成果は2023年9月18～22日にイタリアで開催された国際会議International Conference on Silicon Carbide and Related Materials（ICSCRM2023）と第84回応用物理秋季学術講演会（2023年9月19～22日、熊本）で発表されました。また、今後、国際会議MRS Fall Meeting & Exhibit（2023年11月26日～12月1日、アメリカ）でも発表される予定です。

図1.　厂颈颁パワー惭翱厂贵贰罢デバイスの断面図。（左）従来の4贬-厂颈颁基板を用いた场合、（右）4贬-厂颈颁基板に颁贬贰厂厂-惭翱厂?を取り入れた场合。

【用语解説】

注1. エピタキシャル成長法：結晶基板の表面において、表面原子配列周期（原子間隔）を引き継ぎながら結晶が成長していくこと。成長方向の原子配列が同じとは限らない。SiCのエピタキシャル成長中に4H-SiC基板から延伸する4H-SiC基底面の上面に3C-SiCが結晶成長し、その3C-SiCもまた4H-SiC基底面に沿って延伸するような結晶成長方法を同时横方向エピタキシャル成长法（SLE法; Simultaneous Lateral Epitaxy Method）と呼ぶ。基底面を境界として、3C-SiCと4H-SiCが上下にくっきり分かれた積層構造が形成される。

注2. SiC（炭化珪素；シリコンカーバイド）：シリコン (Si) と炭素 (C) の組成比1対1の共有結合性の化合物半導体結晶材料。Si（シリコン）単結晶と比較して、絶縁破壊電界強度は10倍、バンドギャップは2～3倍ほども大きいことから、高い電圧が掛かるパワー半導体デバイスに用いられる。化学組成は同じでも約200種類もの異なる原子配列の結晶構造（結晶多形、ポリタイプ）が見つかっている。代表的なものとして立方晶の3C-SiC、六方晶の4H-SiCと6H-SiCが知られている。

注3. CHESS-MOS?（Cubic and Hexagonal Epitaxially Stacked SiC MOSFET）：エピタキシャル成長によって3C-SiCと4H-SiCを積層させた基板を用いて製作される金属－絶縁体－半導体電界効果トランジスタ（MOSFET; Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。特許第6795805号。

注4. 界面準位：絶縁膜と半導体の界面近傍に生じる準位であり、電子を捕獲したり、放出したりするもの。MOSFETの性能を低下させる原因と考えられている。

注5. 量子井戸構造：キャリア（電子やホール）が超薄膜中に閉じ込められ、キャリアの自由度が制限されているような構造。エネルギーバンド構造の異なる材料を接合させた界面近傍に生じることがある。通常の3 次元の自由度を持つバルク材料とは異なった新しい物性を発現する。

注6. 走査型非線形誘電率顕微鏡法（SNDM法; Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy Method）：走査型顕微鏡の探針を対象物質表面に近接させた状態で、物質内部の局所的な電荷の偏り（分極）を計測する方法。探針を2次元的に走査しながら計測することで、場所ごとの電荷の偏りやすさを二次元的に可視化（マッピング）することができる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学电気通信研究所
准教授　樱庭政夫
TEL: 022-217-5549
Email: sakuraba.masao*myad.jp（*を@に置き換えて下さい）

（报道に関すること）
东北大学电気通信研究所総務係
TEL: 022-217-5420
Email: riec-somu*grp.tohoku.ac.jp （*を@に置き換えて下さい）