Development of one-chip complementary inverters using SiC lateral super-junction power MOSFETs

本研究では、SiCを用いた横型構造の低抵抗p型超接合パワーMOSFETの開発と、n型素子と併せてモノリシックに形成したワンチップ相補型電力変換器の実現を目指している。2022年度は、主に現有プロセス技術の適用を想定した横型超接合pMOSFETの最適設計と、相補型動作時を想定した正負の繰り返しパルスがゲートに入力された際のMOSFET動作に関する研究を行った。・横型超接合pMOSFETの設計では、半絶縁性SiC基板に対してイオン注入で超接合構造を形成し、1kV程度の耐圧を得るための最適構造を、3次元TCAD解析を用いて検討した。ピラーの深さやピラーおよびドリフト層の不純物濃度をパラメータとし、それらが耐圧に与える影響を調査した。耐圧はピラー深さやピラーの不純物濃度の変動に弱く、プロセス上の弱点になりうることが判明し、この特徴はチャージバランスで説明可能である。最適設計では耐圧は986Vであり、この時の超接合層の抵抗は147mΩcm2であり、超接合構造を導入しない場合の約1/4の値が得られた。これらは室温時の特性であるが、実用的な温度(150度程度)を想定すると、キャリア密度が増加してさらなる低抵抗化が可能となる。・ゲートに正負を繰り返すパルスを入力した際のMOSFETの諸特性を評価した。チャージポンピング法によるpMOSFETの界面特性評価では、蓄積から反転へのパルス遷移時間依存性が大きく、nMOSFETと同様に、伝導帯近傍に界面欠陥が多いことが分かった。3値パルスのチャージポンピング測定からは、界面近傍酸化膜欠陥が価電子帯側にも存在することが明らかとなった。nMOSFETへの長時間ゲートパルス印加によるしきい値電圧変動試験では、スイッチングにおける蓄積から反転へと遷移する際に界面準位を介した捕獲正孔と反転層電子の再結合エネルギーにより反転層電子が酸化膜に注入されるモデルを示し、様々なパルス条件によるしきい値電圧変動が説明可能であることを示した。

本研究では、SiCを用いた横型構造の低抵抗p型超接合パワーMOSFETの開発と、n型素子と併せてモノリシックに形成したワンチップ相補型電力変換器の実現を目指している。2022年度は、主に現有プロセス技術の適用を想定した横型超接合pMOSFETの最適設計と、相補型動作時を想定した正負の繰り返しパルスがゲートに入力された際のMOSFET動作に関する研究を行った。・横型超接合pMOSFETの設計では、半絶縁性SiC基板に対してイオン注入で超接合構造を形成し、1kV程度の耐圧を得るための最適構造を、3次元TCAD解析を用いて検討した。ピラーの深さやピラーおよびドリフト層の不純物濃度をパラメータとし、それらが耐圧に与える影響を調査した。耐圧はピラー深さやピラーの不純物濃度の変動に弱く、プロセス上の弱点になりうることが判明し、この特徴はチャージバランスで説明可能である。最適設計では耐圧は986Vであり、この時の超接合層の抵抗は147mΩcm2であり、超接合構造を導入しない場合の約1/4の値が得られた。これらは室温時の特性であるが、実用的な温度(150度程度)を想定すると、キャリア密度が増加してさらなる低抵抗化が可能となる。・ゲートに正負を繰り返すパルスを入力した際のMOSFETの諸特性を評価した。チャージポンピング法によるpMOSFETの界面特性評価では、蓄積から反転へのパルス遷移時間依存性が大きく、nMOSFETと同様に、伝導帯近傍に界面欠陥が多いことが分かった。3値パルスのチャージポンピング測定からは、界面近傍酸化膜欠陥が価電子帯側にも存在することが明らかとなった。nMOSFETへの長時間ゲートパルス印加によるしきい値電圧変動試験では、スイッチングにおける蓄積から反転へと遷移する際に界面準位を介した捕獲正孔と反転層電子の再結合エネルギーにより反転層電子が酸化膜に注入されるモデルを示し、様々なパルス条件によるしきい値電圧変動が説明可能であることを示した。