ダイヤモンド、酸化ガリウムの研究開発動向とデバイス応用への期待

第1部 SiCを代表とする次世代パワーデバイスの実用化動向と、SiC・GaNより先のパワー半導体に求められる特性と将来性展望

(2013年5月29日 10:30〜12:00)

筑波大学 数理物質系 電子・物理工学専攻 教授 岩室 憲幸 氏

　パワー半導体の将来を考える上での重要な課題は、シリコンデバイスからシリコンカーバイド (SiC) やガリウムナイトライド (GaN) に代表されるワイドバンドギャップ化合物半導体にいつになったら本格的に移行するかというところにある。 　シリコンMOSFET、IGBTはスーパージャンクション型MOSFET、トレンチFS型IGBTの誕生で特性限界に近づきつつあり、いよいよワイドバンドギャップパワー半導体の登場も現実味を帯びてきた。どんな素子がいつごろ本格的にマーケットに登場するのか? 特長は?課題は? 最近のSiC・GaNデバイスの発表データを見ると、オン抵抗に代表される低損失特性は目を見張るものの、長期信頼性に関しては特有の課題があり、未だ解決の余地があるようである。 　シリコンパワーデバイスの誕生から現在のワイドバンドギャップ最先端素子に至るまでの開発の歴史を振り返りながら、素子構造、諸特性、限界特性、設計思想、製造プロセスの特異性など、素子設計、製造プロセス、またアプリケーションの立場を通して多角的な観点から詳細に説明する。

1. パワーデバイスの現状
   1. パワーデバイスとは何?
   2. パワーデバイスに要求される特性とは?
2. シリコンパワーデバイスの最新技術
   1. 最新のIGBT、パワーMOSFET技術とは
      • IGBT:キーワードは微細化と薄ウェハ化。
      • MOSFET:Superjunction-MOSFETの最新技術
3. 新材料パワーデバイス開発の現状
   1. なぜSiCが注目されているのか
   2. MOSFETを開発するのか、IGBTを開発するのか
   3. SiCパワーデバイス開発現状と課題
      • 最近の新聞発表、論文について解説
      • SiC-MOSFETの本格的な製品化はいつごろなのか?
      • 製品化を阻んでいる課題は何なのか?
   4. SiCパワーデバイスのプロセスはSiとどこが違うのか
   5. GaN・ダイヤモンドパワーデバイス開発現状と課題
      • なぜGaNなのか?SiCに対して何がいいのか?
      • 最近の新聞発表、論文について解説
4. まとめ

• 質疑応答・名刺交換

第2部 ダイヤモンド物性とパワー半導体へ向けた開発状況

(2013年5月29日 12:45〜14:15)

(独)産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究ラボ長 鹿田 真一 氏

　SiCの実用化が進み、さらに次世代パワーデバイスの候補として、究極の材料としてダイヤモンドが検討されている。 　また最近レーザーやASICのヒートスプレッダなど一般的工業材料として利用されつつあり、Si,SiCパワーデバイスの放熱材料としても期待がかけられ、そろそろダイヤモンドに関する理解が必要な時期になってきた。 　本講座では、ダイヤモンドの一般物性、半導体物性を解説し、データ提供する。材料・ウェハ合成については、単結晶、多結晶、ナノ結晶を含む内容の進捗概要を紹介し、最後にパワーデバイスの開発状況について紹介する。

1. ダイヤモンドの一般物性
   1. 結晶構造等
   2. 熱的特性
   3. 弾性的特性
   4. 化学的特性
   5. 光学的特性
2. ダイヤモンドの半導体物性
   1. 一般電気特性・バンド構造
   2. pドーピング・移動度
   3. nドーピング・移動度
3. ダイヤモンドの材料合成
   1. 単結晶
      1. 高圧高温
      2. CVD (マイクロ波)
      3. CVD (フィラメント)
      4. 単結晶ウェハ状況展望
   2. 多結晶
   3. ナノ結晶
4. ダイヤモンドの加工
   1. 機械加工
   2. ドライエッチング
5. ダイヤモンドデバイス
   1. エピ成長
   2. コンタクト (オーミック)
   3. コンタクト (ショットキー)
   4. プロセス
   5. ショットキーダイオード開発状況
   6. トランジスタ
   7. パワーデバイス展望
6. ヒートシンク状況と展望

• 質疑応答・名刺交換

第3部 酸化ガリウム (Ga2O3) 次世代パワーデバイスの研究開発の現状と今後の展望

(2013年5月29日 14:30〜16:00)

(独)情報通信研究機構 未来ICT研究所 総括主任研究員 東脇 正高 氏

　酸化ガリウム (Ga2O3) は、次世代パワーデバイス用途の新半導体材料として大きく期待できる優れた材料物性を有する。また、原理的に大口径かつ高品質な単結晶基板を、融液成長法により安価、簡便に作製することが出来るという産業上大きな魅力も有する。これら二つの特徴を有する半導体材料であるにも関わらず、世界的に見ても研究開発が全くの手付かずであった。 　我々は、世界に先駆けてGa2O3パワーデバイス研究開発に着手し、世界初の単結晶Ga2O3トランジスタの作製、動作実証等の研究成果を着実に積み重ねてきている。本講演においては、最初に他の材料系も含めた現状の半導体パワーデバイス研究開発の背景について述べた後、Ga2O3パワーデバイスの位置付け、魅力、現在までの研究開発状況および今後の計画について紹介する。

1. 社会的背景
   1. パワーデバイスとは?
   2. 次世代パワーデバイスが求められる現状とその理由
   3. パワーエレクトロニクスについて基礎知識
   4. パワーデバイスの用途
2. パワーデバイス半導体材料として見た場合の酸化ガリウム (Ga2O3) の魅力
   1. SiC, GaNデバイスの紹介
   2. 酸化ガリウム (Ga2O3) とは?
   3. SiC, GaNとGa2O3の物性比較
   4. 単結晶Ga2O3基板の作製方法
   5. 単結晶Ga2O3基板開発のこれまでの経緯
3. Ga2O3 MBE成長と物性
   1. Ga2O3 成長用MBE装置
   2. ホモエピタキシャル層の成長温度依存性
   3. n型ドーピング
4. Ga2O3 MESFET
   1. デバイス構造、プロセス
   2. トランジスタ特性
5. Ga2O3ショットキーバリアダイオード
   1. デバイス構造
   2. ダイオード特性
6. その他のGa2O3デバイス
   1. パワーデバイス以外の想定される応用分野
   2. Ga2O3基板上に作製したGaN LED
   3. 深紫外線フォトディテクタ
7. まとめと今後の展望
• 質疑応答・名刺交換