Improvement of diamond semiconductor device properties by clarifying the non-radiative defect generation mechanism

通过阐明非辐射缺陷产生机制来提高金刚石半导体器件的性能

• 批准号: 22K04951
• 负责人: 毎田 修
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04951/
• 关键词: ダイヤモンド; ワイドギャップ半導体; 欠陥評価; 半導体物性

本研究で用いる輻射型欠陥評価系ではこれまで電流アンプで増幅した信号をロックイン検出していたが、評価系の高感度化のためには電流アンプの帰還抵抗の増加が必要となる。その際、1 GΩの帰還抵抗を用いた場合、一般に0.5 pF程度の寄生容量を持つため遮断周波数は320 Hz程度に限られてしまう。この問題の解決策としては帰還容量（数pF）を用いた電荷増幅器があげられるが、長時間の測定では出力電圧が飽和してしまう。そこで本年度は帰還容量の直流電圧成分を常時放電するフィードバック系を備えた電荷増幅器の開発として、回路シミュレータを用いて1 pFの帰還容量を有する電荷増幅器に高速オペアンプを用いた直流電圧フィードバック系および後段増幅回路を組み合わせた信号増幅系の設計を完了した。また、非輻射型欠陥にトラップされたキャリアの光励起放出による接合容量変化は接合容量に比べ微小（100 ppm以下）であるため試料インピーダンスを補償し測定レンジを可能な限り下げる必要がある。そこで試料インピーダンスを相殺する外部制御補償回路の設計を前述の信号増幅系にあわせて行った。また、本年度は当初、令和6年度に実施を予定していたマイクロ波プラズマCVD法によりホモエピタキシャル成長したダイヤモンド結晶上への絶縁膜形成プロセスの開発を前倒しして着手し、電子ビーム蒸着法により形成したシリコン薄膜の低温酸化条件を適正化することで良好な絶縁耐性を有するダイヤモンド結晶上SiO2薄膜の作製手法を確立した。

本研究中使用的基于辐射的缺陷评估系统传统上对电流放大器放大的信号进行锁定检测，但为了提高评估系统的灵敏度，需要增加电流放大器的反馈电阻。在这种情况下，如果使用1GΩ反馈电阻，则截止频率被限制在约320Hz，因为它通常具有约0.5pF的寄生电容。使用反馈电容（几个pF）的电荷放大器可以作为解决这个问题的方法，但在长期测量过程中输出电压会变得饱和。因此，今年，我们将开发一种配备反馈系统的电荷放大器，不断释放反馈电容的直流电压分量。我们将使用电路模拟器来开发使用高速运算放大器的直流电压反馈系统。反馈电容为1 pF的电荷放大器，以及后级的放大器电路组合的信号放大系统的设计。此外，由于非辐射缺陷中捕获的载流子的光激发发射导致的结电容变化与结电容相比很小（100 ppm以下），因此需要补偿样品阻抗并尽可能降低测量范围尽可能。因此，我们结合上述信号放大系统设计了外部控制补偿电路来消除样本阻抗。此外，本财年，我们通过优化低温氧化，提前开始了原定于2021财年实施的使用微波等离子体CVD方法的同质外延生长金刚石晶体绝缘膜形成工艺的开发。针对硅薄膜的条件，我们建立了一种在金刚石晶体上制备具有良好绝缘电阻的SiO2薄膜的方法。