炭化珪素半導体の高電界物性の解明と超高耐圧パワーデバイスへの応用

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SiCデバイスの正確な耐圧設計の実現を目指し、本研究ではこれまでSiCにおける衝突イオン化係数の算出を広い電界の範囲(1.0-2.5 MV/cm)で行ってきた。しかし、より正確な耐圧設計を実現するには、高電界(~3 MV/cm)における値も重要である。そこで本年は特に高電界における電子の衝突イオン化係数の精密測定を目指し、SiCフォトダイオードを用いた光キャリア増倍測定を行った。本研究では高電界において雪崩増倍を発生させるために、従来よりも高ドーピング密度の耐圧維持層を有するフォトダイオードを作製した。本デバイスを用いた光キャリア増倍測定により増倍係数を初めに測定し、得られた増倍係数を数学的に解析することで衝突イオン化係数を算出した。特に今回用いたデバイス構造では解析の際にDead Space Effectと呼ばれる衝突イオン化の非局在性を考慮する必要があった。本研究では他材料における先行研究で用いられた解析手法に改良を加えることでSiC特有の現象を考慮した解析手法を提案し、従来よりも高電界の3.2 MV/cmまでの電子の衝突イオン化係数の実測に成功した。本研究ではさらに、得られた衝突イオン化係数を用いたSiCにおける絶縁破壊電界および理想耐圧の計算も行った。本研究では特に、耐圧維持層の極性(n型またはp型)に注目して計算を行った。その結果、p型耐圧維持層を用いた場合、n型よりも低い理想耐圧などが得られることが分かった。これは耐圧維持層の極性によりキャリアが空乏層内で高/低電界側のどちら側から増倍されるかが変わるためであり、特にSiCのように正孔と電子の衝突イオン化係数の差が大きい材料では現象が顕著に現れることが分かった。これにより、例えばn-IGBTとp-IGBTのように耐圧維持層の極性が異なるデバイスにおいて、n型耐圧維持層を用いた方が理想耐圧という観点では優れていることを示すことができた。