memo ∞ 「新型SiCトランジスタ開発／阪大・京大・ローム・東京エレクトロン」　

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大阪大学大学院工学研究科の細井卓治助教、渡部平司教授、京都大学大学院工学研究科の木本恒暢教授、ローム株式会社、東京エレクトロン株式会社は共同で、高誘電率ゲート絶縁膜(アルミニウム酸窒化物：AlON)※1を採用したシリコンカーバイド(SiC※2)パワーMOSFET※3を開発し、電流駆動力と長期信頼性の向上を達成しました。本成果は省エネルギーの切り札であるSiCパワーデバイスの普及を加速し、低炭素社会実現に大きく貢献することが期待されます。
本成果は、2012年12月10日(米国太平洋時間)に電子デバイス技術に関する世界最大の国際学会である「International Electron Device Meeting(IEDM)」(米国電気電子学会(IEEE)主催)にて発表されました。

【研究の背景】
現在世界が直面している環境・エネルギー問題の解決に向けて、エネルギー利用効率の向上が強く求められています。電気エネルギーは発電から消費に至るまでの間に、電力変換※4が数多く行われており、そこで用いられているのが半導体パワーデバイスです。電力変換は必ずエネルギー損失を伴うため、電気エネルギーを無駄なく使うにはパワーデバイスの性能向上が最重要課題と言えます。しかし、従来のシリコン(Si)半導体では材料によって決まる性能限界に近付きつつあり、飛躍的な特性向上は困難となっています。ワイドバンドギャップ半導体であるSiCは高電界でも壊れにくく、高温でも安定であることから、小型で大電力を扱うことのできる次世代パワーデバイス材料として注目されています。近年では、徐々にSiCパワーデバイスの採用も進み、電力変換を担うインバータ回路を構成する整流素子とスイッチング素子のうち、整流素子であるショットキーバリアダイオード※5は既にエアコン等で実用化されています。一方、スイッチング素子であるSiC-MOSFETは導通時のエネルギー損失や信頼性が課題となっていたため、本格的な量産が始まったばかりです。この原因の1つとして、MOS構造を構成するゲート絶縁膜に問題があることが知られています。従来技術ではSiC表面の熱酸化で絶縁膜(シリコン酸化膜：SiO2)を作製していましたが、この方法では特性に優れた絶縁膜を得ることは困難でした。

【今回の成果】
本研究では、熱酸化法でSiO2絶縁膜を形成するのではなく、電気特性と耐熱性に優れたAlONゲート絶縁膜をSiC基板上に堆積する方法を採用しました。これまで大阪大学が取り組んできたSiC-MOSFET向けAlONゲート絶縁膜に関する知見を基に、今回、東京エレクトロンとの共同研究によって、膜質を最適化したAlONゲート絶縁膜を立体的なトレンチ構造に原子層レベルで均一に形成可能な薄膜堆積技術を開発しました。さらにこうして実現したAlON層をゲート絶縁膜として用いたトレンチ型パワーMOSFETをローム・京都大学と共同で試作し、デバイス性能と長期信頼性の向上に成功しました。具体的には、AlON絶縁膜を用いることで、ゲート絶縁膜を透過する漏れ電流を1桁低減し、1.5倍の絶縁破壊耐圧の向上を実現しました(右下図参照)。また、本技術はAlON膜単層だけでなく、界面層をSiC基板との間に挿入した積層構造への展開も容易であり、素子構造設計の自由度が高いことから更なる発展が見込まれ、超低損失・高信頼性SiCパワーデバイスの実現に向けた大きな一歩と言えます。

【本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)】
社会における電気エネルギーの消費量は増加の一途を辿っています。社会の持続的発展のためには、環境に負荷をかけずに電気エネルギーを生み出すことはもちろん、消費する側でも無駄なく利用する技術が求められています。本研究で開発した高性能・高信頼性SiC-MOSFETは、太陽光発電システムや電気自動車をはじめとして、あらゆる機器のエネルギー利用効率を飛躍的に高め、省エネルギー・低炭素社会の実現に大きく寄与します。

※1　高誘電率ゲート絶縁膜：従来のシリコン酸化膜(SiO2)を主成分としたゲート絶縁膜に代わる、金属酸化物(HfO2やAl2O3など)からなるゲート絶縁膜。シリコン酸化膜に比べて比誘電率が高いため、電気的な膜厚を維持したまま物理膜厚を厚くすることが可能であり、MOSFETの消費電力・発熱を飛躍的に低減するとともに信頼性を向上することができる。比誘電率を表す記号κから転じてhigh-k絶縁膜とも呼ばれる。
※2　SiC(Silicon Carbide)：炭化ケイ素。電気自動車、産業機器、鉄道、発送電システム、家電など幅広く用いられているパワーデバイス用途を考えた場合、SiCの方が従来の半導体材料であるSiよりも優れた物性を有することから、高電圧や高温条件下での動作が可能になり、小型化・低消費電力化・高効率化が期待されている。
※3　MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)：金属-酸化膜-半導体製の電界効果トランジスタ。ここで、金属はゲート電極、酸化膜はゲート絶縁膜とも呼称される。ゲート端子に印加する電圧によって、ソース−ドレイン端子間の導通・絶縁を制御する3端子デバイス。電気回路におけるスイッチング素子として用いられ、特に大電力を扱うものはパワーMOSFETと呼ばれる。導通時の抵抗(オン抵抗)が高いほど、エネルギー損失(導通損失)が増大してしまう。
※4　電力変換：交流(AC)から直流(DC)、直流から交流、周波数や電圧の変換などを指す。
※5　ショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode: SBD)：金属と半導体を接合したときに生じるエネルギー障壁(ショットキー障壁)を利用して整流作用を持たせた２端子デバイス。

【論文名および著者名】
International Electron Device Meeting(IEDM) 2012， 講演番号7.4
"Performance and Reliability Improvement in SiC Power MOSFETs by Implementing AlON High-k Gate Dielectrics"(アルミニウム酸窒化物ゲート絶縁膜導入によるSiCパワーMOSトランジスタの高性能化及び信頼性向上) 細井卓治、東雲秀司、柏木勇作、保坂重敏、中村亮太、箕谷周平、中野佑紀、浅原浩和、中村孝、木本恒暢、 志村考功、渡部平司