京大など、電力変換装置の損失低減と信頼性向上を実現するSiCトランジスタを開発

電力変換装置の損失低減と信頼性向上を実現するSiCトランジスタを開発
−リーク電流９０％減・絶縁耐圧１．５倍で低炭素社会に貢献



　木本恒暢　工学研究科教授、細井卓治　大阪大学大学院工学研究科助教、渡部平司　同教授、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）を採用したシリコンカーバイド（SiC）パワーMOSFET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。この原因の一つとして、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を本学・ロームと共同で試作し、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（図）。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さら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。


■図：トレンチ型SiCパワーMOSFETの断面模式図（ゲート絶縁膜にAlONを用いることで特性を大幅に改善）

　※添付の関連資料を参照


＜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。


＜論文情報＞

論文名
　"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および信頼性向上）

著者名
　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