SiC MOSFETの高移動度動作を可能にする革新的な酸化膜の低温形成技術の開発

开发出可实现SiC MOSFET高迁移率运行的创新低温氧化膜形成技术

• 批准号: 20J15538
• 负责人: 土井 拓馬
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J15538/
• 关键词: シリコンカーバイド; 電界効果トランジスタ; MOS型電界効果トランジスタ; 界面準位密度

4H-シリコンカーバイド（SiC）を用いた金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は，電気自動車のインバータなど低損失なパワーデバイスとして期待されている．しかし，既存のプロセスで作製した素子は，酸化物/4H-SiC界面の界面準位密度（Dit）が高いためにチャネル移動度が低く，4H-SiCの持つポテンシャルを十分に発揮できていない．そこで本特別研究員は，酸化アルミニウム（Al2O3）層堆積のための新手法「金属薄膜酸化（MLO）法」を初年度において開発し，Al2O3/4H-SiC界面のDit低減に成功した．本年度においては，本手法を用いてMOSFETを作製し高移動度の実証，および電気伝導機構の解明に取り組んだ．3種類のゲート絶縁膜; (i)熱酸化で形成したSiO2，(ii)従来手法である原子層堆積（ALD）法で作製したAl2O3，(iii)MLO法で作製したAl2O3を用いてカウンタードープ型MOSFETを作製し，特性を評価し比較した．それぞれのMOSFETから得られたピーク電界効果移動度は50，64，80 cm2/Vsであり，Ditの小さいMLO-Al2O3を用いた場合に顕著に高い値であった．電気伝導機構を明らかにすべく，カウンタードープMOSFETの電界効果移動度を決定づけるパラメータである「自由電子移動度」と「自由電子密度増加率」を独立に評価した．その結果，Dit低減の効果は主に自由電子密度増加率の増大に寄与することが明らかになった．また，電界効果移動度に与えるDitの影響はカウンタードープ条件により変化することをシミュレーションにより明らかにし，高い電界効果移動度が得られるドープ条件の設計指針を示した．

使用4H碳化硅（SiC）的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）预计将被用作低损耗功率器件，例如电动汽车逆变器。然而，由于氧化物/4H-SiC界面处的界面态密度(Dit)较高，使用现有工艺制造的器件具有较低的沟道迁移率，并且无法充分利用4H-SiC的潜力。因此，这位专门研究人员在第一年就开发出了一种沉积氧化铝（Al2O3）层的新方法，“金属薄膜氧化（MLO）法”，并成功减少了Al2O3/4H-SiC界面处的Dit 。今年，我们使用这种方法制造了 MOSFET，展示了其高迁移率，并致力于阐明导电机制。制作了三种类型的栅极绝缘膜：(i)通过热氧化形成的SiO2、(ii)通过传统原子层沉积(ALD)方法制造的Al2O3、以及(iii)通过反掺杂的MLO方法制造的Al2O3。并对其特性进行了评价和比较。从每个 MOSFET 获得的峰值场效应迁移率分别为 50、64 和 80 cm2/Vs，当使用具有小 Dit 的 MLO-Al2O3 时，该值明显更高。为了阐明导电机制，我们独立评估了“自由电子迁移率”和“自由电子密度增加率”，它们是决定反掺杂MOSFET场效应迁移率的参数。结果表明，减少Dit的效果主要有助于自由电子密度增加率的增加。此外，我们通过模拟阐明了Dit对场效应迁移率的影响根据反掺杂条件而变化，并为设计可获得高场效应迁移率的掺杂条件提供了指导。

项目成果

低仕事関数金属/ 4H-SiC界面におけるMIGSの影響

MIGS 对低功函数金属/4H-SiC 界面的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 土井拓馬;柴山茂久;坂下満男;清水三聡;中塚理
• 通讯作者: 中塚理

Enhancement of the Field-effect Mobility of 4H-SiC Buried Channel n-MOSFETs by Using Al2O3 as a Gate Insulator

使用 Al2O3 作为栅极绝缘体增强 4H-SiC 埋沟道 n-MOSFET 的场效应迁移率

• 发表时间: 2021
• 作者: Takuma Doi; Shigehisa Shibayama; Wakana Takeuchi; Mitsuo Sakashita; Noriyuki Taoka; Mitsuaki Shimizu;Osamu Nakatsuka
• 通讯作者: Osamu Nakatsuka

金属堆積後熱処理による低仕事関数金属/n型4H-SiC界面のSBH低減

通过金属沉积后的热处理减少低功函数金属/n型4H-SiC界面处的SBH

• 发表时间: 2021
• 作者: 土井拓馬;柴山茂久;坂下満男;清水三聡;中塚理
• 通讯作者: 中塚理

Lowering of the Schottky barrier height of metal/n-type 4H-SiC contacts using low-work-function metals with thin insulator insertion

使用具有薄绝缘体插入的低功函数金属降低金属/n型4H-SiC接触的肖特基势垒高度

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac0ab2
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 1.5
• 作者: Doi Takuma;Shibayama Shigehisa;Sakashita Mitsuo;Shimizu Mitsuaki;Nakatsuka Osamu
• 通讯作者: Nakatsuka Osamu

Impact of byproducts formed on a 4H-SiC surface on interface state density of Al2O3/4H?SiC(0001) gate stacks

4H-SiC 表面副产物对 Al2O3/4H?SiC(0001) 栅叠层界面态密度的影响

• DOI: 10.1063/1.5143574
• 发表时间: 2020
• 影响因子: 4
• 作者: Doi Takuma;Shibayama Shigehisa;Takeuchi Wakana;Sakashita Mitsuo;Taoka Noriyuki;Shimizu Mitsuaki;Nakatsuka Osamu
• 通讯作者: Nakatsuka Osamu