平成２１年度　実績報告書

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教育研究プラットフォームIDER研究成果/ポストドクター・GCOE研究員ワ イ ド バ ン ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 用 ゲ ー ト 絶 縁 膜 の 開 発 小松 直佳 大阪大学大学院 工学研究科 電気電子情報工学専攻 杉野 研究室 ア ブ ス ト ラ ク ト 近年、パワーデバイスにおいては Si に代わる半導体材料として SiC 、 GaN 、 Diamond などのワイドバ ンドギャップ半導体が注目されている。ワイドバンドギャップ半導体による M OS - FET では高温、高電圧 下で安定な動作が要求され、特に、高温でゲート酸化膜のリーク電流を抑制することは極めて重要であ る。本研究では、 AlSiO(N)/AlN/SiC 構造を作製し、電気的特性の評価を行った。 ワイドバンドギャップ半導体のゲート絶縁膜に求められる特性として、半導体材料よりバンドギャップが 広いこと、高抵抗であること、熱的安定性、低い固定電荷、高誘電率があげられる。本研究では、まずバ ンドギャップが広い Al 2 O 3 に着目した。 Al 2 O 3 はワイドバンドギャップであり誘電率も大きいが、一般的に固 定電荷を持ち、抵抗率が比較的小さい。そこで、抵抗率、熱的安定性向上、界面準位密度の低減のため に、 Si や N の添加を行い、膜厚 40nm 以下の AlSiO(N) 薄膜を作製した。 AlSiO は誘電率が 7 ~ 9 、バン ドギャップは 7eV 以上であり ( 図 1 参照 ) 、ワイドバンドギャップ用ゲート絶縁膜として望ましい値を持つ材料 である。抵抗率は Si または N の添加量によって異なるが、最適な濃度を添加することによって、 AlSiO(Si:12%) の抵抗率は 1 × 10 13 Ω cm 、 AlSiON(Si:18%,N:11%) では 5 × 10 15 Ω cm を得ることができた。 4H - SiC(0001) 基板上に、これら Al 系絶縁膜を作製したが、良好な C - V 特性が得られなかった。そこで、 界面を改善するためにバッファ層として AlN 膜を Al 系絶縁膜と SiC の間に挿入したところ、良好 な C - V 特性が得られた。この AlSiON/AlN/SiC 構造における I - V の高温特性を測定した結果、図 2 のような特性 が得られ、 300 ℃までは良好な絶縁性を保っている。高温領域での AlSiON の活性化エネルギーは 1.1eV と算出され、 300 ℃以上の熱励起でなければリーク電流は発生しない。この熱的安定性は、 SiC を用いた MOS 構造にとって有効であると考えられる。 ( 研究業績: N. Komatsu, K. Masumoto, H. Aoki, C. Kimura, and T. Sugino, “ Character ization of Si - added aluminum oxide (AlSiO) films for power devices, ” Applied Surface Science, vol.256, pp.1803 - 1806 (2010).) 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 Electric field (MV/cm) m c / A ( y t i s n e d t n e r r u C 2 ) ~ 150 ℃ 200 ℃ 250 ℃ 300 ℃ 350 ℃ 400 ℃ 450 ℃ 500 ℃ 図 1 各種絶縁膜の誘電率と バンドギャップの関係 図 2 AlSiON/AlN/SiC の I - V 温度特性 % 96

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