客观日本

京都大学等实现SiC二十年来的重大技术突破,将品质提高约10倍

2020年09月07日 电子电气

京都大学研究生院工学研究科的木本恒畅教授、东京工业大学科学技术创成研究院的松下雄一郎特任副教授及小林拓真博士研究员等人组成的研究团队,把被视为节能王牌的SiC半导体20多年来面临的主要问题——半导体缺陷降低了一位数,成功地将性能提高了约10倍。

以Si为中心的半导体不仅是计算机逻辑和存储器,还广泛应用于纯电动汽车、电车的马达控制及电源等,但存在耗电量(功耗)较大的问题。近年来,为降低功耗,性能优于Si的SiC晶体管的开发变得活跃,并开始实现实用化。

不过,20多年来,SiC晶体管的核心部位氧化膜与SiC的边界部分(界面)始终存在很多缺陷,无法充分发挥SiC本来的特长。

本次研究将SiC功率半导体存在的最主要问题——氧化膜与SiC界面的特性提高了约10倍,有望一举加速SiC功率半导体的实用化及由此产生的节能效果。此次提出的方法完全不需要使用特殊装置或特殊气体和化学物质,从事半导体器件业务的企业都可以无障碍地采用。还具备能摆脱一氧化氮剧毒气体的巨大优点。

将此次的研究成果应用于SiC晶体管(MOSFET)可获得以下优点:(1)大幅提高晶体管的性能,(2)通过削减芯片面积大幅降低成本,(3)大幅提高可靠性。尤其是优点(2),降低成本,便可以大大加快在目前因为成本原因而犹豫是否要采用SiC晶体管的系统上配备。全球的SiC功率半导体的市场规模现在约为700亿日元,预计5年后将超过2,000亿日元。据估算,通过配备SiC功率半导体,有望节约相当于数座核电站的能源。

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形成超高品质SiO2/SiC界面

研究方法与成果

Si半导体中最重要的晶体管是利用氧化膜与半导体的结的MOSFET(金属-氧化膜半导体场效应晶体管)。Si MOSFET几乎在所有应用中都是最重要和最基本的器件,比如计算机逻辑、存储器、图像传感器以及电力用功率器件等。Si MOSFET的核心部位就是氧化膜与Si的结界面。Si MOSFET利用了通过热氧化Si(在氧气气氛中加热至高温)会在Si表面形成高质量氧化膜(SiO2)的特点。

与Si一样,热氧化SiC也会在表面形成SiO2膜,这被视为SiC的一大优点。以前一直利用这种方法形成氧化膜(SiO2膜)与SiC的结,制作SiC晶体管(MOSFET)。不过观察发现,氧化膜/SiC的结界面存在非常多的缺陷(Si的100倍以上),这种界面缺陷大大限制了SiC晶体管的性能。业界一直尝试通过调整SiC的氧化条件,或热氧化后在各种条件下进行热处理来降低氧化膜与SiC界面的缺陷,但20多年来始终没有取得明显的进展。另外,也一直不清楚氧化膜与SiC的界面缺陷的形成原因,始终不知道该如何提高品质。

此次,松下特任副教授等人的研究团队利用第一性原理计算发现,热氧化SiC时肯定会在界面高密度形成由碳原子引起的缺陷。木本教授等人根据该计算结果朝着乍一看很矛盾的目标推进了实验研究,即“在不氧化SiC的情况下形成优质氧化膜=通过一层也不氧化SiC的方法形成优质氧化膜”。研究团队根据理论反复进行思考和实验,发现以下两点能有效减少缺陷。

1. 构思了在干净的SiC表面堆积Si薄膜,通过对其进行低温氧化,将Si薄膜转化为SiO2膜的想法,并利用该方法成功形成了高品质SiO2膜。Si的氧化起始温度约为700℃,SiC的氧化起始温度约为900℃,因此,在二者中间选择合适温度的话,完全无需氧化SiC,就能将Si薄膜彻底转化为SiO2膜。

2. 利用上述方法在SiC表面形成SiO2膜后,通过向界面导入氮原子提高了品质。一直以来,通过基于一氧化氮(NO)气体的界面氮化来提高品质的方法还被广泛应用于SiC MOSFET的量产,但使用NO气体的话,在向界面导入氮原子的同时,NO气体分子中的氧原子还会促进SiC氧化,从而生成新的缺陷。另外,NO气体为剧毒气体,因此应该避免在量产工厂使用。此次,木本教授等人通过在高温氮气(N2)气氛中进行热处理,成功得到了高品质界面。

图1展示了常规的全球标准方法“热氧化→一氧化氮(NO)气体处理”和此次研究(“Si堆积→通过Si低温氧化形成SiO2膜→在高温下氮气退火”)的方法。图2比较了分别用这两种方法形成的SiO2/SiC界面缺陷。如图所示,与常规的全球标准方法(目前的最好方法)相比,性能提高了10倍(缺陷量1/10)。具体来说,利用自主开发的方法,将常规方法中存在的1.3x1011cm-2的缺陷密度成功降到了1.2x1010cm-2。另外,此次研究实施了很多系统性的的实验,确认只要SiC半导体表面有轻微的氧化,就无法形成这种超高品质的界面。

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图1:形成SiO2/SiC结构的方法模式图(上:常规方法,下:此次研究提出的方法)

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图2:降低SiO2/SiC界面缺陷的实验数据

“氧化SiC在表面形成SiO2膜,将其用于SiC晶体管”——此次打破了这种一直以来的认识,通过“在不氧化SiC的情况下在表面形成优质氧化膜”的“逆向思维”,解决了困扰该领域20多年的技术课题,实现了重大突破。

论文信息
题目:Design and formation ofSiC(0001)/SiO2 interfaces via Sideposition followed by low-temperatureoxidation and high-temperature nitridation
期刊:Applied Physics Express
DOI:10.35848/1882-0786/ababed

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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