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[2007/03/01]

ニュースリリース
報道関係者各位
独立行政法人 産業技術総合研究所


炭化ケイ素パワーデバイスのコスト削減を可能に
− 炭化ケイ素(SiC)の高速エピタキシャル成長技術を開発 −


【ポイント】
 ・SiCパワーデバイスの作製に必要な高速エピタキシャル膜製造装置を開発
 ・従来の生産装置に比べて二桁速いエピタキシャル膜成長速度を実現
 ・高電圧用SiCパワーデバイスの実現に向けて大きな貢献

【概要】
開発した高速成長CVD炉
図1:開発した高速成長CVD炉
 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川弘之】(以下「産総研」という)パワーエレクトロニクス研究センター【センター長 荒井和雄】の石田夕起主任研究員は,高性能パワーデバイス作製の鍵となる炭化ケイ素(SiC)エピタキシャル膜の高速成長を可能とする「近接垂直ブロー型CVD炉」を開発し,従来装置に比べ二桁速い成長速度を実現した。
 SiCパワーデバイスは,現在のシリコン(Si)パワーデバイスに比べ,電力損失が小さいだけでなく,より高温・高速での動作が可能である。それゆえ,SiCパワーデバイスを用いることで,電力変換機器の高効率化と小型化,さらにはパワーエレクトロニクスの質的変革までをも成し遂げられると期待されている。しかしながら,SiCパワーデバイスの価格はあまりにも高いために,市場には受け入れられていない。中でもエピタキシャル膜成長プロセスは,Siプロセスに比べ生産効率が数桁悪く,価格を押し上げている要因になっている。
 この状況を打破すべく,高速エピタキシャル膜成長の研究が数多くおこなわれてきたが,未だ実用レベルでは成功していない。これは,高速成長の阻害要因はSiC結晶そのものが持つ物理的特性によるものとの定説に基づいて開発を行ってきた為と思われる。
 今回,成膜方法を徹底的に見直すことにより,エピタキシャル成長の高速化を真に阻害していた原因を特定することができた。そして,この問題を一気に解決できる「近接垂直ブロー型CVD炉」を開発し,従来装置より二桁高速なエピタキシャル膜成長技術の開発に成功した。
 今回の成果は,SiCパワーデバイスの実用化に大きく寄与するものと思われる。

_は下記【用語の説明】参照


【研究の社会的背景】
 電力の省エネルギー化には,電力変換器がキーコンポーネントであり,変換器の構成要素であるパワーデバイスの高効率化が重要である。現状のパワーデバイスはSiによって構成されているが,その性能は,昨今の目覚しいSiテクノロジーの進歩によって材料限界に到達しており,もはや性能向上は飽和しつつある。SiCはSiを上回る物性値を持ち,例えばハイブリッド車用インバーターに搭載された場合,理論的には大きさを1/25,損失を1/5 に低減できることが分かっている。しかしSiCパワーデバイスの価格はSiに比べ,基板だけでも二桁以上も高く,普及するには至っていない。素子のコストダウンに向けて不可欠な,SiCエピタキシャル膜の高速成長技術の確立が切望されていた。

【研究の経緯】
 SiCパワーデバイスは,デバイス特性を発現させるためのエピタキシャル膜を必要とする。通常,エピタキシャル膜は化学気相成長法(CVD法)を用いて作製される。これは,原料ガス(プロパンC3H8とシランSiH4)を装置内に導入し,下地となるSiC結晶基板上で化学反応させてSiCエピタキシャル膜を成長させる方法である。現状の量産装置では,エピタキシャル膜の成長速度は数μm/hであり,Siの成長速度に比べ二桁遅く,これがコストを押し上げる要因となっていた。それゆえ,生産効率向上のために成長速度の高速化が望まれていた。
 従来,高速成長を阻害する要因は,テラス上での二次元核生成によると解釈されていた。そして,二次元核の生成を抑制して高速化を成し遂げるためには,通常の成膜温度より100〜200℃高い温度での成長が必要とみなされていた。この考えに基づき,超高温炉を使用して高速化する方法などが提案されてきたが,この方法では成長炉内部材の寿命が著しく低下するのみならず,膜厚及び不純物濃度の膜内均一性を得ることが難しいため,未だに実用炉は出来ていない。
 産総研では,CVD法におけるSiCの成長メカニズムを基礎から抜本的に見直したところ,現状の成長条件においては,高速成長の阻害要因は気相中での均一核生成であることを見出した。この発見に基づき,近接垂直ブロー型CVD炉という新たな炉の概念を提唱し,通常用いられている成長温度(1600℃)で100μm/h以上の成長速度を実現した。
 本成果は,独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 産業技術研究助成事業による研究成果である。

【研究の内容】
 産総研では,SiCエピタキシャル膜の成長速度と成膜条件の関係を詳細に調べた。SiCのエピタキシャル成長においては,成膜時の原料ガス(SiH4とC3H8)の濃度比(C/Si比)が重要である。
 図2は縦軸にC/Si比,横軸に成長速度をとり,エピタキシャル膜が得られた領域(鏡面域)と,表面の形状が荒れてエピタキシャル膜が得られなかった領域(荒面域)を示したものである。図中では,荒面域に黒で網掛けをしてある。また,従来の方法で行った時に得られる鏡面域を黄色で網掛けした。CVD法におけるSiCの成長メカニズムを見直したところ,成長初期段階の過程を最適化することで鏡面域の得られる条件が広がり,成長速度の上限値が増すことを見出した。さらに,荒面をもたらす要因は3種類あることが分かった。図中のAとCの領域では,ステップバンチングが,D領域ではエピタキシャル膜表面でのSiの凝縮が膜の表面を荒らす要因であった。そして,高速成長を阻害しているB領域では,従来考えられていたテラス上での二次元核生成ではなく,気相中の均一核生成が要因であることを見出した。おそらく,適切な成長条件においては,テラス上での二次元核生成の生じる境界は,図に示したように,B領域中に存在するものと思われる。
 以上のことから,高速成長の実現にはなるべく多くのガスを無駄なく基板面上に到達させる必要があることが分かった。この結果に基づき,図3のような原料ガスを基板に垂直に吹き付けるタイプの炉(近接垂直ブロー型CVD炉)を開発し,通常用いられている成長温度(1600℃)で100μm/h以上の成長速度を実現した。
 さらに炉内部の構造に改良を加えることで,膜の均一性にも優れた実用高速CVD炉を開発できた。2インチ基板全面にわたって,平均成長速度:140μm/h,膜厚均一性:3.9%,濃度均一性:8.9%を達成した。これにより,SiCエピタキシャル膜工程の大幅な生産効率向上が期待できる。特に数十μm 以上の厚膜を形成する際には,現状の量産装置に比べ2倍以上の生産効率向上が見込まれる。


図2:成長速度とC/Si比との関係図3:近接垂直ブロー型CVD炉の概念図
成長速度とC/Si比との関係

【今後の予定】
 量産型炭化ケイ素高速エピタキシャル成長装置の実用化に向け,CVD装置メーカーと意見交換や共同開発を行いたい。


【用語説明】
近接垂直ブロー型CVD炉 ガス導入管を基板直近まで持ってくることで,反応ガスを無駄なくエピタキシャル成長に寄与させることが出来,高速成長を可能とする特殊な構造をもった炉の名称。
パワーデバイス 電圧・電流・周波数を変換・制御するための一群の半導体素子をパワーデバイスという。
炭化ケイ素(SiC) 炭素(C)とケイ素(Si)からなる化合物半導体のこと。その組成比は1:1である。Siに比べバンドギャップが大きいだけでなく,絶縁破壊電界,飽和電子ドリフト速度,熱伝導度が大きいため,パワーデバイス用材料として期待されている。
エピタキシャル膜 単結晶基板上に,その基板の結晶方位に対してある特定の方位に膜が結晶成長することをエピタキシャル成長という。そして,この成長様式で作製した膜のことをエピタキシャル膜という。
電力変換器 交流から直流,直流から交流などの電力変換及び制御に用いられる機器のこと。種々のパワーデバイスを組み合わせて作製される。身近なところでは,エアコン,冷蔵庫,ハイブリッド車や電車などのモーター制御に使われている。
パワーエレクトロニクス 電力の変換と制御を扱う電子工学分野のこと。
インバーター 直流を交流に変換する電力変換器のこと。他の電力変換器と組み合わせて周波数変換,電圧変換などにも用いられる。
CVD法 目的とする膜を構成している元素を含む原料ガスを基板上に供給し,気相中または基板表面での化学反応により膜を堆積させる方法のこと。
テラス上での二次元核生成 ミクロ的に見れば,結晶表面には細かい凹凸が存在しており,段差部をステップ,何も無い表面をテラスという。通常,結晶成長は,結晶表面に付着した原子がテラス上を拡散し,そしてステップにたどり着いたものが結晶に取り込まれることで進行すると考えられている。しかしながら,条件によっては,テラス上に付着した原子が核となり,そこに次々と拡散してきた原子が取り込まれていくことで二次元的に結晶が成長していく様式がある。このことを,テラス上での二次元核生成という。
気相中での均一核生成 反応ガスは,ある濃度以上になると,気相中でお互い同士が反応し合って微粒子を生成する。このことを均一核生成という。これらの微粒子はSiCの成長には寄与できないので,成長速度を落とす原因となる。
ステップバンチング 結晶表面にステップが階段状に存在するとき,結晶成長中にこれらステップ列が合体して束になり巨大なステップを形成することがある。この現象をステップバンチングという。

【本件に関するお問い合わせ】
独立行政法人 産業技術総合研究所 パワーエレクトロニクス研究センター
主任研究員 石田夕起
住所:〒305-8568 茨城県つくば市梅園1-1-1 つくば中央第二
TEL:029-861-5430 FAX:029-861-5434
e-mail:y-ishida@aist.go.jp

【テクニカルノートはこちら】
  ・「量産型炭化ケイ素(SiC)高速エピタキシャル成長装置」に関する共同開発の提案 [2007年03月01日]
【関連記事はこちら】
  ・SiC半導体の実用化を促進 産総研が高速エピ成長技術を開発 [2007年03月01日]



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