京都大學成功將SiC半導體性能提高兩倍

2020-09-17 卡比獸papa

京都大學研究生院工學研究科的木本恆暢教授與正在攻讀博士學位的立木馨大等人組成的研究團隊，大幅減少了被視為節能王牌的SiC半導體20年來一直存在的缺陷（半導體缺陷），將SiC電晶體的性能成功提高了2倍。

以Si（矽）為中心的半導體不僅是計算機邏輯和存儲器，還廣泛應用於電動汽車、電車的馬達控制及電源等，但存在耗電量（功耗）較大的問題。近年來，為降低功耗，性能優於Si的SiC電晶體的開發變得活躍，並開始逐步實用化。

不過，近20多年來，SiC電晶體的核心部位氧化膜與SiC的邊界部分（界面）始終存在很多缺陷，無法充分發揮SiC本來的性能。另外，以前要想減少缺陷，需要使用劇毒氣體（一氧化氮）。此次，研究團隊查清了產生缺陷的主要原因，並利用大氣中存在的安全氣體氮氣，實現了與目前的世界標準相比可達兩倍的最高特性。藉助此次的技術，低損耗SiC器件在日益普及的電動汽車和工業設備等領域的應用將能夠迅速擴大，還可以為解決能源問題做出貢獻。

採用氮氣製作SiO2/SiC電晶體，性能得以提高

研究背景

能源問題是本世紀最重要的課題之一。解決這個問題，利用光伏發電和風力發電等自然能源至關重要，可以有效利用能源的技術（節能技術、高效率化和低損耗化技術）同樣也非常重要。能源有各種各樣的形態，從全電化住宅和電動汽車的興起可以看出，近年來電能的佔比逐年升高，有效利用電能的重要性越來越高。電能轉換（電力轉換）的關鍵在於半導體功率器件（二極體和電晶體）。在我們身邊，半導體功率器件無處不在，比如個人電腦和數字家電的電源、冰箱和空調、光伏發電的電力調節器、電動汽車（包括混合動力車和燃料電池車）和鐵路車輛的電力轉換器等。

目前，半導體功率器件主要使用Si（矽），經過長期的發展後，其器件性能已逐漸達到Si的理論極限，要想實現劃時代的性能提高，必須使用新的半導體材料。

最有希望的材料就是SiC（碳化矽）。SiC具有非常高的抗絕緣破壞性和耐熱性，作為高耐壓、低損耗（高效率）的功率器件用材料，全球展開了激烈的研發競爭。京都大學在SiC半導體領域，從SiC的晶體生長、缺陷降低和特性調查，到提出新結構器件方案及原理驗證等一直處於領先地位。

從1995年前後起，國內外的企業也開始全面推進SiC功率半導體的研究開發，2001年開始量產SiC二極體，2010年開始量產SiC電晶體，並配備於各種產品。最初先用於工作站等的電源，之後開始配備於空調、光伏發電用電力調節器、快速充電器、工業馬達（工廠的機器人等）、電車和電動汽車等，採用SiC功率半導體均獲得了顯著的節能效果。例如，東京地鐵公司、JR山手線（東京）和環狀線（大阪）將電車的運行電力削減了約30％。2020年7月投入使用的新幹線新車型N700S也導入SiC功率半導體驅動。另外，特斯拉公司的配備SiC的電動汽車Model 3已成為全球暢銷車型。

不過，SiC電晶體的核心部位氧化膜與SiC的邊界部分（界面）長期以來始終存在很多缺陷，限制了SiC電晶體的特性和可靠性，20多年來一直無法發揮SiC本來的性能（雖然性能已經達到Si器件的約50倍，但正常來說應該能達到500倍）。另外，目前使用劇毒氣體一氧化氮（NO）來減少氧化膜與SiC的界面缺陷，氣體的採購、廢氣處理和安全設備的維護等都需要高額費用。此次研究利用自主開發的方法，解決了SiC半導體存在的最大問題。

研究方法與成果

Si半導體中最重要的電晶體是利用氧化膜與半導體的結的MOSFET（金屬-氧化膜半導體場效應電晶體）。Si MOSFET幾乎在所有應用中都是最重要和最基本的器件，比如計算機邏輯、存儲器、圖像傳感器以及電力用功率器件等。Si MOSFET的核心部位就是氧化膜與Si的結界面。Si MOSFET利用了通過熱氧化Si（在氧氣氣氛中加熱至高溫）會在Si表面形成高質量氧化膜（SiO2）的特點。

與Si一樣，熱氧化SiC也會在表面形成SiO2膜，這被視為SiC的一大優點。以前一直利用這種方法形成氧化膜（SiO2膜）與SiC的結，製作SiC電晶體（MOSFET）。不過觀察發現，氧化膜/SiC的結界面存在非常多的缺陷（Si的100倍以上），這種界面缺陷大大限制了SiC電晶體的性能。業界一直嘗試通過調整SiC的氧化條件，或熱氧化後在各種條件下進行熱處理來降低氧化膜與SiC界面的缺陷，但20多年來始終沒有取得明顯的進展。

此次，木本教授等人著眼於「在不氧化SiC的情況下形成優質氧化膜」，以及「擺脫劇毒氣體一氧化氮（NO）」進行了研究。通過根據理論反覆進行思考和實驗，發現以下三點能有效減少缺陷和提高SiC電晶體的性能。

  1. 在SiC晶圓和電晶體的製造過程中，需要對SiC表面進行氧化（+利用化學溶液去除氧化膜），但此次發現，在SiC的氧化過程中，SiC表面附近會出現高密度缺陷，形成氧化膜之前用適當的方法（氫蝕刻）去除這些缺陷至關重要。
  2. 研究確認，即使利用上述方法形成了高品質SiC表面，但如果隨著SiC的氧化形成了氧化膜（SiO2膜），也會出現新的高密度缺陷。為解決這個問題，利用在SiC表面堆積氧化膜（薄膜）的方法形成了優質氧化膜。
  3. 最後發現，通過用大氣中大量存在的安全氮氣進行界面氮化，而不是像以前那樣用劇毒的一氧化氮（NO），能大幅減少氧化膜與SiC界面的缺陷。另外，利用該方法試製SiC電晶體確認，通過電子控制導電的n型電晶體的性能成功提高2倍，通過空穴控制導電的p型電晶體的性能成功提高1.5倍。

圖1展示了常規的全球標準方法「熱氧化→一氧化氮（NO）氣體處理」和此次研究（「表面缺陷去除→氧化膜堆積→N2處理」）的方法。圖2比較了分別用這兩種方法形成的SiO2/SiC界面缺陷，圖3比較了利用各種方法製作的SiC電晶體（MOSFET）的性能。如圖所示，在完全不使用劇毒氣體的情況下，與常規的全球標準方法（目前的最好方法）相比，界面缺陷降至標準方法的約五分之一，電晶體性能提高2倍。另外，此次研究實施了很多系統性的實驗，確認只要SiC半導體表面有輕微的氧化，就無法形成這種超高品質的界面。

圖1：形成SiO2/SiC結構的方法模式圖（上：常規方法，下：此次研究提出的方法）

圖2：SiO2/SiC的界面缺陷大幅減少

圖3：SiC電晶體的性能提高

上述（1）~（3）中，過去單獨嘗試過（2）或（3），但沒有得到理想的結果。此次證實，上述（1）~（3）缺少其中哪一點也無法獲得高品質界面，解決了困擾該領域20多年的技術課題，實現了重大突破。

效果與展望

此次研究在完全不使用劇毒氣體的情況下，把被視為SiC功率半導體最主要問題的氧化膜與SiC界面的缺陷降至原來的約1/5，同時將SiC電晶體的性能提高約2倍，有望一舉加速SiC功率半導體的實用化及由此產生的節能效果。此次提出的方法完全不需要使用特殊裝置或特殊氣體和化學物質，可以徹底擺脫以前花費巨額成本確保使用NO氣體時的安全性的問題，從事半導體器件業務的企業都可以無障礙地採用。

本文及圖片均摘抄編譯自京都大學的研究成果公關發布資料（https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2020/200908_2.html）

【論文信息】

題目：通過消除氧化過程形成高品質4H-SiC/SiO2界面

期刊：第81屆應用物理學會秋季學術演講會 10p-Z23-13

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