パワーデバイス材料SiCの電気特性を高分解能で測定する装置を開発名工大

名古屋工業大学は2020年9月9日、富士電機、電力中央研究所、昭和電工、産業技術総合研究所と共同で、3ミクロンの空間分解能でSiC中の電気特性の微細な分布を測定する技術を確立し、設計通りにSiCパワーデバイス内部の構造が作製されているかの可視化を容易にする装置を開発したと発表した。

大電力の電圧変換に用いられるパワーデバイスとして、シリコンカーバイド（SiC）という結晶材料の利用が期待されているが、パワーデバイスを作るにはSiC結晶内部の電気特性の分布を制御する必要がある。しかし、これまで微細な電気特性の分布の可視化が困難だった。そこで今回、名古屋工業大学らはパワーデバイス材料SiCの電気特性を光の強度で測定する装置を開発した。

開発した装置は、0.65という開口数の大きい対物レンズを通して、電子と正孔を作る波長の短いレーザー（355nm）と、電子と正孔により吸収される波長のレーザー（405nm）を集光してSiCに照射する。透過する405nmの光の強度の時間変化により、電子と正孔の量の時間変化、つまり電気特性の時間変化を測定するという。

測定したSiCサンプルは、p型とn型領域を有するダイオード構造のものだ。そのうち一つには、内部にバナジウムという不純物元素を意図的に入れた厚さ11ミクロンの薄い層を入れ、電子と正孔の消える速度が速く、周辺とは電気特性の異なる部分の形成を試みた。ダイオードがオンからオフに変わるときの電力消費は、この層によって少なくなり、ダイオードの性能を高めることが期待できる。ただし、その層で実際に電子と正孔が速く消えているかは、従来確認できていなかった。

測定したサンプルの断面構造図

実験では、サンプル内部のバナジウムの量を二次イオン質量分析法によって測定した結果、サンプルの電気特性が設計通りの分布を持つことを可視化できた。また、開発した測定装置の空間分解能がおよそ3ミクロンであることも分かった。

開発した装置は、高い空間分解能での測定に加え、測定条件を調整して電子と正孔の消える速さの正確な値を見積れるという。

a.バナジウムを入れたサンプルでのバナジウムの量の深さ分布、b.電子と正孔が消える速さを示す1/eライフタイムの深さ分布

研究では、開発した装置を使用してSiCダイオード内部のバナジウム導入の効果を可視化した。だが同装置は、他の要因によるSiCの電気特性の分布も可視化でき、SiCパワーデバイスの高性能化、製造コスト削減につながるという。

パワーデバイス材料SiCの電気特性を高分解能で測定する装置を開発　名工大