【研究者】

　代表者：嘉数　誠

　分担者：セドング　セイリ－プ、大石敏之　

 

【研究成果の概要】

　国立大学法人佐賀大学（以下、「佐賀大学」。本部：佐賀県佐賀市本庄町1番地。学長：兒玉 浩明）は、超高感度エミッション顕微鏡により、次世代のパワー半導体ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスの動作に致命的な結晶欠陥を発見することに成功しました。この発見により、ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスの実用化に繋げることができます。

　佐賀大学は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構の助成（戦略的省エネルギー技術革新プログラム、実証開発「β-Ga₂O₃ショットキーバリアダイオードの製品化開発」）を受けて、超高感度CCDカメラを使ったエミッション顕微鏡を製作し、ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスのリーク電流の発生や動作電圧の低下をもたらしていた結晶欠陥（いわゆるキラー欠陥＊１）を発見し、シンクロトロンX線トポグラフィーで、キラー欠陥の物性を明らかにしました。このキラー欠陥の発見と特性の解明により、ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスのキラー欠陥の密度を低減することができ、ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスの実用化につなげることができました。

　酸化ガリウム半導体デバイスは、従来のシリコン半導体デバイスより、大電力で高効率なパワーデバイスとして、注目され、米国、日本で活発に研究開発が行われており、実用化が近いとされていました。しかし、ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスは、1枚の2インチのウエハ上でも、リーク電流値が高く、絶縁耐圧が設計値より低い半導体デバイスが点在するため、システムへの適用に課題となっていました。しかし、佐賀大学は、超高感度エミッション顕微鏡を製作し、これにより、キラー欠陥を同定することができました。

　さらに佐賀大学の研究チームは、佐賀県シンクロトロン光研究センターでシンクロトロンＸ線トポグラフィー観察を行い、このキラー欠陥の物性を明らかにすることができました。これらの結果から、ベータ型酸化ガリウムの結晶製造メーカでは、このキラー欠陥の生成を抑えるように結晶成長技術を改良し、不良の酸化ガリウム半導体デバイスの密度を低減し、システムへの応用に繋げることができました。

　今回の超高感度エミッション顕微鏡やシンクロトロンX線トポグラフィー技術は、酸化ガリウム半導体ばかりでなく、佐賀大学で研究を進めるダイヤモンド半導体デバイスにも適用し、その実用化を加速させることが期待されます。

 

＜成果のポイント＞

• 酸化ガリウム半導体は大電力・高効率、経済的なパワー半導体として期待
• 超高感度エミッション顕微鏡を開発
• パワー半導体デバイスに致命的なキラー欠陥を同定
• シンクロトロンX線トポグラフィーでキラー欠陥の特性が明らかに
• 電気自動車電力制御用デバイスに目途

 

＜開発の背景＞

　近年、省エネルギー化に伴い、より大電力で、高エネルギー効率のパワー半導体デバイスが求められています。急速に普及の進む電気自動車では、３００Ａの電流、１ｋＶの電圧で動作する高い効率のパワー半導体デバイスが必要になります。半導体の素材については、これまでシリコン、シリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)などが実用化段階に入っていますが、酸化ガリウムやダイヤモンドは、さらに大電力で高効率の半導体デバイスができることが理論的にわかっており、研究開発が進められています（図１）。

　ベータ型酸化ガリウム半導体デバイスでは、２インチウエハ上に５００個近くのデバイスが並べられますが、一部のデバイスは、逆方向リーク電流が高く、設計値より逆方向耐圧が低いという特性を示すため、高効率大電力デバイスではあるが、システムでの実用化は困難とされてきました（図２）。

 

＜技術のポイント＞

<1>超高感度エミッション顕微鏡の開発

　佐賀大学はパワー半導体デバイスの動作中に、リーク電流によって発生する微弱な発光を観察することのできる超高感度エミッション顕微鏡を開発しました（図３）。これは、半導体デバイスウエハを載せて、ウエハ上に作製されている半導体デバイスの電極に探針を下すことのできるプローブステーションに、光子1個を捉えることのできる超高感度のCCDカメラを取り付けたものです。

　観察方法は、まず半導体デバイスの表面側のショットキー電極に探針を当て、裏側の電極との間に、ダイオードの逆方向に電圧を印加します。本来は、電流が流れていけない電圧の範囲内でも、キラー欠陥を介して、リーク電流が流れ、そこで微弱な発光が起こります。それを超高感度CCDカメラで観察することにより、キラー欠陥を同定するものです。

 

<2>シンクロトロンＸ線トポグラフィー技術の開発

　従来は、電子顕微鏡で、結晶欠陥を観察していましたが、試料を破壊しなければならず、時間がかかり大面積で観察することができませんでした。

　シンクロトロン光は、電子を光速に近い速さで加速した電子から出る高輝度で波長の揃ったX線です。佐賀大学では、佐賀県シンクロトロン光研究センターの設備を使い、Ｘ線トポグラフィー技術を確立しました（図５）。
　半導体デバイスのウエハを観察したところ、キラー欠陥は、バタフライ（蝶）型のコントラストを示すことがわかりました（図６）。また原子間力顕微鏡などにより、多孔質の中心部に多結晶が囲む欠陥であることが明らかになりました。

　この欠陥は、エピタキシャル成長中に、成長反応炉内壁からウエハ表面に付着した残渣が原因であり、成長反応炉に改良を加えることにより、欠陥の発生を抑えることができ、半導体デバイスでもリーク電流のない、ほぼ理想の特性が得られるようになりました。

 

【今後の展開】

 　今後、超高感度エミッション顕微鏡やシンクロトロンＸ線トポグラフィー等のパワー半導体デバイスの評価技術を改良し、酸化ガリウム半導体デバイスばかりでなく、佐賀大学で開発を進めるダイヤモンド半導体デバイスの実用化も加速してまいります。

 

＜用語解説＞

*1　ショットキーバリアダイオード

　半導体デバイスには、様々なものがありますが、二端子で、一方向からは電流は流れるが、もう一方向からは電流が流れないデバイスを、ダイオードと言います。ショットキーバリアという接合を使ったダイオードを、ショットキーバリアダイオードといい、インバーターなどの電力制御回路に使われる部品です。

　理想的なダイオードは、順方向には電流が流れるが、逆方向には全く電流が流れてはいけません。電流の流れない逆方向の電圧は高い電圧でなければなりません。

 　キラー欠陥があると、逆方向にも電流が流れるようになり、この電流をリーク電流と呼びます。また逆方向の無電流を維持する電圧が低下します。

 

 *２　結晶欠陥、キラー欠陥

　半導体デバイスは、ウエハ形状の単結晶の中に作製されます。単結晶は原子が規則的に配列した構造を言いますが、実際の単結晶には、原子の配列の乱れや異種原子の混入があります。これらを結晶欠陥と呼びます。その中でも、半導体デバイス特性の劣化に関与する結晶欠陥をキラー欠陥と呼びます。

 

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【研究成果の公表媒体（論文や学会など）】

　　Applied Physics Letters 118巻 172106頁 (2021)

 

【教員活動ＤＢのリンク先】

　　嘉数　誠　　https://research.dl.saga-u.ac.jp/profile/ja.2d82a58bcbe158ac.html

 

【本件に関する問い合わせ先】

　　佐賀大学理工学部　教授　嘉数　誠　

　　E-mail　kasu (at) at cc.saga-u.ac.jp

　　TEL  0952(28)8648