木本 恒畅
京都大学研究生院工学研究科 教授
2018年起担任OPERA“超智能能源社会基础技术共创联盟”主管
【导读】为了实现碳中和，使用碳化硅（SiC）功率半导体来节约能源或高效利用能源的技术正在推进之中。京都大学研究生院工学研究科的木本恒畅教授通过大幅降低SiC功率半导体多年来一直存在的氧化膜/SiC界面缺陷问题，确立了同时实现低成本、高可靠性、大幅提高性能的基础技术。木本教授还在使用SiC半导体的集成电路中验证了高温条件下的基本动作，为在多种环境下应用SiC半导体器件开辟了道路。
产学联盟共享目标
融合学术研究与先进技术
2016年1月，日本政府公布了“Society 5.0(社会5.0)”概念，明确了日本期待实现的未来社会目标。这是继狩猎社会（Society 1.0）、农业社会（Society 2.0）、工业社会（Society 3.0）、信息社会（Society 4.0）之后的以人为本的新社会形态。届时将由IoT（物联网，万物互联）连接所有人和事物，共享各种知识和信息，创造前所未有的新价值，以实现经济发展和解决社会问题。
京都大学为了实现“Society 5.0”以及即将到来的极限节能、低环境负荷、安全且高机能社会，于2019年1月成立了开发革新性半导体技术的OPERA“超智能能源社会基础技术共创联盟”（图1）。该联盟的主管为京都大学研究生院工学研究科的木本恒畅教授。联盟的宗旨是在推进创新创发关键的学术研究以及和具有普遍性的先进技术融合的同时，培养下一代研究者。
图1 “超智能能源社会基础技术共创联盟”的概要
为了在半导体领域发挥出高水平的国际竞争力，重要的是在发挥技术优势的同时，开展不仅仅是元器件，还包括周边设备的研发工作。木本教授介绍说：“联盟采取的机制是，初期在非竞争领域各加盟单位进行合作研发，当商业化前景确立后，各加盟单位在竞争领域进行个别的联合研究。”
此外，联盟还与策划并实施大规模联合研究的京都大学开放创新机构、京都府和京都市等地方政府合作，由联盟的研究人员为从事节能和高效能源利用技术开发的当地企业提供技术指导等，通过与地方合作实现智能能源的创新。
关于解决问题的关键——技术主题，联盟着眼于激发创新关键的学术研究和具有普遍性的先进技术的融合，设定了6个主题，分别为“提高SiC功率半导体可靠性的设计技术”、“耐环境SiC复合材料基础技术”、“使用宽带隙半导体的超灵敏传感器技术”、“高效大功率转换功率模块及无源器件技术”、“功率处理技术及下一代系统应用”、“电力分组及电力路由技术”。
其中木本教授主导的“提高SiC功率半导体可靠性的设计技术”先后诞生了两项以创新半导体技术为基础的能源创新成果——分别为解决了长期课题的“通过形成非氧化性氧化膜实现SiC功率半导体（晶体管）的高性能化”，以及“低功耗集成电路在350℃环境下的基本动作验证”。
Si逐渐达到理论极限
SiC的击穿场强是Si的10倍
解决能源问题是本世纪最重要的课题之一，但就像可再生能源的充分利用一样，建立高效利用能源的技术变得重要，而掌握其中关键的就是半导体功率器件。从家用电器到光伏发电、电动汽车等，所有带有电源的电子设备都要用到功率器件，它是支撑人们日常生活的常用器件。
目前的半导体功率器件主要使用硅（Si）材料，但木本教授指出，硅制器件的性能正在接近理论极限，“在不久的将来，将不可避免地需要使用新的半导体材料。其中最有希望的是硅和碳（C）的化合物碳化硅（SiC）”。碳化硅的击穿场强（表示物质强度的指标之一）是硅的10倍，左右动作上限温度的带隙为硅的3倍，而且150mm的大口径、高品质SiC晶圆已在市场上广泛销售，也能够在大范围内控制器件所需的p型、n型，所以SiC有望成为超越硅极限的功率器件用材料（图2）。
图2 硅与碳化硅的特性比较
虽然日本国内外的企业从1998年就开始正式研发SiC功率半导体，2001年开始量产使用SiC的二极管，但到2010年才开始量产SiC晶体管。以用于工作站等的电源为开端，空调、光伏发电用电力调节器、快速充电器、工业用马达等设备都开始配备SiC功率半导体。搭载SiC功率半导体的铁道车辆和电动汽车等也成为了热门话题。
无需氧化就可制作氧化膜
逆向思维成功降低缺陷
硅功率半导体中最基本且重要的晶体管器件是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET的核心是对硅的表面热氧化形成的氧化膜（SiO2）与硅之间的界面。碳化硅MOSFET也同样经过热氧化，在表面形成SiO2氧化膜，但此时氧化膜与SiC之间的界面会出现比Si大100倍以上的缺陷，这一问题极大地限制了器件的性能。
为了减少这一缺陷，20多年来众多研究人员不断尝试也不断失败，几乎未能取得进展。但是，木本教授等人通过“无需氧化制作氧化膜”的逆向思维，成功地大幅降低了缺陷。东京工业大学物质与信息卓越教育院的松下雄一郎副教授等人按照第一原理计算发现，SiC热氧化后，界面必定会高密度出现源于碳原子的缺陷。
根据松下副教授的计算结果，通过基于理论的思考和反复实验，木本教授等人发现一些工序对减少缺陷是有效的。其中一个是在形成氧化膜之前通过氢蚀刻去除残留在SiC晶圆表面的缺陷，然后在基材表面使用化学成膜的CVD方法来沉积SiO2的做法。也就是说如果能够在SiC表面形成高质量的氧化膜，那么在形成氧化膜时就不会出现新的高密度缺陷。
研究团队在沉积氧化膜后进一步使用一氧化氮（NO）气体进行了界面氮化，以实现界面的高质量化（图3）。结果与原来的业界标准相比，成功地获得了将缺陷降低到约1/5的高品质材料，表示载流子易移动性的沟道迁移率也提高了约2倍。
图3 新提出的SiO2/SiC制作方法
采用微细的沟槽结构
沟道迁移率提高6～80倍
木本教授的研究团队随后又进一步设法提高了性能。将芯片的结构由原来在晶圆表面制作栅极的“平面型”改为在表面挖出小沟槽埋入栅极的“沟槽型”，在晶圆表面（0001）面表示的Si面垂直的A面和M面上形成氧化膜（图4、5）。由此，与以往的氧化膜成膜方法相比，沟道迁移率提高了约6～7倍。
图4 沟槽型MOSFET截面图
图5 SiC制MOS界面电子显微镜图像
此外，与实际制造的SiC晶体管一样，通过以较高浓度添加受主杂质铝的方法形成p型区域，并在A面和M面上制造出了MOSFET。由此将沟道迁移率提高到了原方法的6～80倍（图 6）。这样一来可靠性大大提高，同时芯片面积减少，使成本可降低到原来的三分之一左右。
图6 沟道迁移率的比较
木本教授表示，在他30年的研究生涯中，一直苦恼于氧化膜和SiC界面的缺陷。他笑着说：“到目前为止，我先后提出过100多个假设，但都失败了。一直都是摸着石头过河的状态。此次，我们第一次看到了问题的本质，我认为已经找到了根本性的解决方案。”现在，SiC功率半导体的世界市场规模约为1200亿日元。预计5年后将增加到3000～6000亿日元，如果以此为契机加速SiC功率半导体的实用化，将会为社会的节能做出巨大贡献。
成功在350℃下确认基本动作
功耗降至万分之一进入视野
近年来，集成电路的适应范围扩展到人无法触及的高温环境的势头越来越盛。在石油和天然气等的钻探作业中，地下温度超过300℃时，就要实时传递地下信息。在行星探测中，金星表面的压力约为70个大气压，温度高达400℃以上，探测器的着陆变得困难。此外，飞机和汽车的发动机燃烧室内有时会达到600℃，但也还需要在这种环境下精细地控制燃料混合比。
目前主流的硅半导体在250℃左右就会发生故障，所以从理论上不可能应用于这些高温环境。而碳化硅由于具有在约800℃的环境下也能正常工作的耐热性所以受到关注。木本教授列举了此前存在的课题：“SiC MOSFET的核心部分——氧化膜的耐高温极限约在 250～300℃，且容易受到辐射的影响，因此被认为难以在极端环境下稳定工作。”
由此受到瞩目的是使用 pn 结的结型场效应晶体管 (SiC JFET)。由于该器件在构造上本身不存在氧化膜，所以有望作为用于高温工作SiC集成电路的晶体管。但是，一般方法制作的JFET无法形成互补电路，所以需要大量的待机电力。在SiC集成电路被期待的应用环境——300℃以上的高温环境下，供电也会受到限制，所以降低功耗一直是SiC JFET面临的一大课题。
一般的JFET的制作方法只能制成n型或p型中的一种，但木本教授与同一研究室的金子光显助教等人一起采用离子注入法，通过用高电压加速离子化的原子并使其与半导体碰撞并进入半导体内部，从而制作出器件，由此成功地在同一基板上制作出了n型和p型的JFET。离子注入法是工业上广泛应用的技术，从量产的观点来看也是很有前途的制作方法。
在制造实用型集成电路时，需要配置互补电路以降低待机功耗。为此，当没有电压施加到栅极时就没有电流流过晶体管的常断特性必不可少。虽然用传统的制造方法难以实现，研究团队用两个栅极从两侧夹住 JFET沟道区域的结构，实现了常断特性并降低了待机功耗（图 7）。木本教授自豪地表示：“正如预期的那样，这样制作出来的互补型JFET从室温到350℃的温度范围内都能正常工作，并且待机状态下的功耗也被降至最大只有几十纳瓦甚至更低的程度。”
图7 JFET的示意图
与国外开发的使用了JFET的电路相比，木本教授的研究团队开发的电路功耗不到前者的万分之一，毫无疑问这是迈向实际应用的一大步。尤其值得注意的是，此次开发的电路可以使用SiC半导体的标准工艺制造，SiC半导体正在与集成电路不同的领域形成市场。木本教授展望道：“JFET是否可以通过微细化来实现小型化、高速化和高功能化，还需要进一步进行基础研究，我们将继续进行探讨。” （TEXT：片柳和之、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2022年12月号
翻译：JST客观日本编辑部
