WEKO3
アイテム
SiCパワー半導体バイポーラ劣化抑制方法の研究
https://doi.org/10.18997/00007807
https://doi.org/10.18997/00007807a047ff0d-610b-41e1-a8ef-6f07b8d41058
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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sei_k_365.pdf (26.2 MB)
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| アイテムタイプ | 学位論文 = Thesis or Dissertation(1) | |||||||||
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| 公開日 | 2020-06-16 | |||||||||
| 資源タイプ | ||||||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_db06 | |||||||||
| 資源タイプ | doctoral thesis | |||||||||
| タイトル | ||||||||||
| タイトル | SiCパワー半導体バイポーラ劣化抑制方法の研究 | |||||||||
| 言語 | ja | |||||||||
| タイトル | ||||||||||
| タイトル | Study on the suppression methods of bipolar degradation for SiC power semiconductor | |||||||||
| 言語 | en | |||||||||
| 言語 | ||||||||||
| 言語 | jpn | |||||||||
| 著者 |
鳥見, 聡
× 鳥見, 聡
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| 抄録 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||||
| 内容記述 | 本研究では、SiCパワー半導体の信頼性低下をもたらすバイポーラ劣化現象の新たなモデルを提案し、デバイス構造パラメータとバイポーラ劣化の関係を理論的に明らかにした。さらに、Si蒸気圧エッチング法と呼ぶSiC基板の表面処理を提案し、本処理によりバイポーラ劣化が抑制されることを実験的に確認した。本成果はSiCの結晶品質、デバイス構造、動作環境に関する新たな指針を与え、パワーエレクトロニクス機器の信頼性向上に貢献する。第1章では、パワーエレクトロニクス機器の高効率化に期待される半導体SiCの性能と省エネに対する効果ならびにSiCパワー半導体の実用化の動向を概説し、本研究の背景としてバイポーラ動作するSiCパワー半導体において信頼性低下をもたらすバイポーラ劣化現象に関して言及した。バイポーラ劣化の抑制手法ならびにそのメカニズムの理解において、SiC基板内でバイポーラ劣化の起点となる基底面転位を積極的に貫通刃状転位へ変換させる手法に関して報告された例はほとんどない。また、基底面転位の位置を考慮したデバイス構造パラメータとバイポーラ劣化の関係に関しても十分に明らかにされていない。本研究ではこれらの課題について実験的かつ理論的に明らかにすることを目的とし、バイポーラ劣化の本質的解決における本研究の重要性について述べた。第2章では、SiC基板表面の熱化学エッチングプロセスであるSi蒸気圧エッチング法を提案し、ダメージフリー平坦化加工によるSiC基板の表面改質がもたらすエピタキシャル膜の高品質化ならびに基板の機械的強度の改善の効果を示すとともに、基底面転位がSiC基板内で貫通刃状転位へ変換する挙動と定量的な変換深さの効果を示した。Si蒸気圧エッチング法は、高品質エピタキシャル成長ならびにSiCパワー半導体の信頼性向上を実現するSiC表面の新たな高品質化技術として期待されるが、SiCパワー半導体にもたらすバイポーラ劣化抑制効果を実験的および理論的に検証するまでには至っておらず、基板中の基底面転位の貫通刃状転位への変換効果を定量的に示す必要性について言及した。第3章では、4H-SiC PiNダイオードを例としてSiCパワー半導体中の基底面転位に起因するバイポーラ劣化現象の理論的な理解のために新たなモデルを提案した。具体的には、PiNダイオード構造中の基底面転位がシングルショックレー型積層欠陥へ拡張する臨界ホール濃度を用いてバイポーラ劣化が発生する電流密度（臨界電流密度）を予測するモデルを構築した。本モデルにおいては、ドーパントのイオン化、バンドギャップナローイング効果、および移動度などの温度依存性を考慮した物理モデルを採用し、498 Kまでの高温条件下におけるバイポーラ劣化の予測を可能とした。第4章では、基板中の基底面転位がシングルショックレー型積層欠陥へ拡張する電流密度および温度の閾値をPiNダイオードの試作ならびに順方向通電ストレス試験より評価した。このとき、基板中の基底面転位によるバイポーラ劣化において拡張起源の基底面転位のBurgersベクトル解析も行い、Burgersベクトルの成分は温度および電流密度に対して依存性がないことを明らかにした。さらに、Si蒸気圧エッチング法により加工されたウェハを用いたPiNダイオードは従来加工法である化学機械研磨されたウェハよりも基板中の基底面転位に起因するバイポーラ劣化が発生しにくいことを実験的にはじめて明らかにした。また、両者のウェハ間でのバイポーラ劣化が発生したPiNダイオードの数の比率は、Si蒸気圧エッチング法による基板内の基底面転位の貫通刃状転位への変換率と良い相関を示すことを明らかにした。第5章では、第4章の試作PiNダイオード通電ストレス試験により得られたバイポーラ劣化の電流密度および温度の閾値から提案したモデル式を用いて臨界ホール濃度を推定した。推定された臨界ホール濃度をもとに基底面転位がPiNダイオード中のドリフト層、バッファ層、ならびに基板に位置するときのデバイス構造パラメータと臨界電流密度の関係を数値的に明らかにし、バイポーラ劣化を抑制するためのデバイス構造ならびに温度に対する設計指針を与えた。さらに、基板のホールのライフタイムを短くすること、基板内の基底面転位－貫通刃状転位の変換位置を深くすることで臨界電流密度を向上させる効果が示されたことから、両者の組み合わせによって注入ホールが基底面転位に一層到達しにくくなる相乗効果が期待できる。本モデルの結果は、バッファ層においてキャリア再結合の制御を行わずとも基板の結晶品質を制御することによってバイポーラ劣化を抑制する新たな手法を提案し、Si蒸気圧エッチング法による基板内の基底面転位の貫通刃状転位への変換効果がもたらすバイポーラ劣化抑制の優位性を定量的に示した。第6章では、本研究により得られた結果を総括して本論文の結論と今後の展望と課題をまとめた。 | |||||||||
| 目次 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | TableOfContents | |||||||||
| 内容記述 | 第1章 半導体SiCのパワーエレクトロニクス機器への実用化と課題||第2章 Si蒸気圧エッチング法||第3章 SiCパワー半導体バイポーラ劣化予測モデルの設計||第4章 PiNダイオード通電ストレス試験||第5章 バイポーラ劣化予測モデルによるPiNダイオードの臨界電流密度の計算||第6章 結論 | |||||||||
| 備考 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | 九州工業大学博士学位論文 学位記番号：生工博甲第365号 学位授与年月日：令和2年3月25日 | |||||||||
| キーワード | ||||||||||
| 主題Scheme | Other | |||||||||
| 主題 | Sic | |||||||||
| キーワード | ||||||||||
| 主題Scheme | Other | |||||||||
| 主題 | バイポーラ劣化 | |||||||||
| キーワード | ||||||||||
| 主題Scheme | Other | |||||||||
| 主題 | 基底面転位 | |||||||||
| キーワード | ||||||||||
| 主題Scheme | Other | |||||||||
| 主題 | Si蒸気圧エッチング | |||||||||
| キーワード | ||||||||||
| 主題Scheme | Other | |||||||||
| 主題 | PiNダイオード | |||||||||
| アドバイザー | ||||||||||
| 大村, 一郎 | ||||||||||
| 学位授与番号 | ||||||||||
| 学位授与番号 | 甲第365号 | |||||||||
| 学位名 | ||||||||||
| 学位名 | 博士（工学） | |||||||||
| 学位授与年月日 | ||||||||||
| 学位授与年月日 | 2020-03-25 | |||||||||
| 学位授与機関 | ||||||||||
| 学位授与機関識別子Scheme | kakenhi | |||||||||
| 学位授与機関識別子 | 17104 | |||||||||
| 学位授与機関名 | 九州工業大学 | |||||||||
| 学位授与年度 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | 令和元年度 | |||||||||
| 出版タイプ | ||||||||||
| 出版タイプ | VoR | |||||||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 | |||||||||
| アクセス権 | ||||||||||
| アクセス権 | open access | |||||||||
| アクセス権URI | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | |||||||||
| ID登録 | ||||||||||
| ID登録 | 10.18997/00007807 | |||||||||
| ID登録タイプ | JaLC | |||||||||
