次世代パワー半導体デバイス・実装技術の基礎－Siから新材料への新展開－

【執筆者一覧】

齋藤 渉（さいとう わたる）

所属：九州大学　応用力学研究所

経歴：東京工業大学大学院で博士号を取得後、1999年に株式会社東芝に入社。ディスクリート半導体事業部にて、パワー半導体デバイスの研究開発や製品開発に従事。2019年に九州大学応用力学研究所 教授に就任し、現在に至る。

専門：パワー半導体デバイス

所属学会：電気学会、応用物理学会、電子情報通信学会、IEEE

田中 保宣（たなか やすのり）

所属：（国研）産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：大阪大学大学院で博士号を取得後、1996年に工業技術院電子技術総合研究所（当時）に入所。低速イオン散乱法 （ISS） やラザフォード後方散乱分光法（RBS）による半導体表面分析、及び炭化ケイ素（SiC）へのイオン注入による伝導度制御技術開発に従事。2001年に （独） 産業技術総合研究所 （当時） に改組後、一貫してSiCパワーデバイスのプロセス技術開発、デバイス構造設計・デバイス開発に携わり現在に至る。現職は産業技術総合研究所先進パワーエレクトロニクス研究センター・副研究センター長。

専門：半導体物性、半導体デバイス

所属学会：応用物理学会、電気学会

加地 徹（かち てつ）

所属：名古屋大学　未来材料・システム研究所

経歴：1978年 株式会社豊田中央研究所に入社。 研究所では、光学測定システム開発、GaAsの結晶成長、GaNレーザー、およびGaN LEDの開発に従事。2000年ごろから、LED開発と平行してGaNパワーデバイスの研究を開始、以後一貫してGaN縦型パワーデバイスの要素技術開発、デバイス開発に携わり現在に至る。2016年　名古屋大学　未来材料・システム研究所に移籍、現在トヨタ先端パワーエレクトロニクス寄附研究部門に所属、特任教授　工学博士。

専門：半導体デバイス

所属学会：応用物理学会、電子情報通信学会

東脇 正高（ひがしわき まさたか）

所属：（国研）情報通信研究機構 未来ICT研究所 グリーンICTデバイス先端開発センター

経歴：1998年大阪大学大学院基礎工学研究科で学位 ［博士 （工学）］ を取得。日本学術振興会特別研究員 （PD） を経て、2000年郵政省通信総合研究所に入所 ［2004年 （独） 情報通信研究機構に改組］。窒化インジウム （InN）、窒化ガリウム （GaN） の分子線エピタキシー成長、超高周波GaNトランジスタ開発などに従事。2007年から2010年米国カリフォルニア大学サンタバーバラ校プロジェクト研究員（情報通信研究機構からの転籍出向）。2010年情報通信研究機構に復帰後、酸化ガリウムトランジスタ、ダイオード開発を開始し、現在に至る。現職は、（国研） 情報通信研究機構 未来ICT研究所 グリーンICTデバイス先端開発センター・センター長。

専門：化合物半導体電子デバイス、化合物半導体エピタキシー成長

所属学会：応用物理学会、電子情報通信学会、IEEE

竹内 大輔（たけうち だいすけ）

所属：産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：京都大学大学院で博士号を取得後、1997年に工業技術院電子技術総合研究所 （当時） に入所。2001年に （独） 産業技術総合研究所 （当時） に改組も、一貫してダイヤモンド半導体特有の表面・界面物性の評価・解明、新規デバイス設計・開発に携わり現在に至る。負性電子親和力表面からの電子放出機構解明と超高耐圧スイッチの原理実証で、第27回 （2013年度） 独創性を拓く先端技術大賞フジサンケイ・ビジネスアイ賞受賞。現職は（国研）産業技術総合研究所先進パワーエレクトロニクス研究センター・副研究センター長。

専門：電子工学、半導体物性工学

所属学会：応用物理学会、電気学会、日本表面真空学会、ニューダイヤモンドフォーラム

山田 英明（やまだ ひであき）

所属：産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：新潟大学大学院で核融合プラズマの平衡・安定性解析に関する研究にて博士号を取得後、2002年から京都大学大学院で産学連携研究員として有機Low-k膜のプロセスプラズマ反応素過程の研究に従事。2004年から （独） 産業技術総合研究所に入所後、合成装置開発、単結晶大型化、加工技術開発など、一貫して大面積ダイヤモンドウェハの作製技術開発に携わり、現在に至る。現職は （国研） 産業技術総合研究所 （関西センター）・先進パワーエレクトロニクス研究センター・ダイヤモンドウェハチーム長。

専門：プラズマ、シミュレーション

所属学会：応用物理学会、ニューダイヤモンドフォーラム、プラズマ・核融合学会、表面技術協会

寺地 徳之（てらじ とくゆき）

所属：物質・材料研究機構　機能性材料研究拠点　ワイドギャップ半導体グループ

経歴：工業技術院電子技術総合研究所 （当時） で実施した炭化ケイ素 （SiC） への電極形成に関する研究で、筑波大学から博士号を取得。1998年から無機材質研究所 （当時） においてポスドク研究員としてn型ダイヤモンド薄膜成長と電気的特性の研究に従事。2000年から大阪大学において助手としてダイヤモンド薄膜の高速成長技術開発に取り組む。2005年から （独） 物質・材料研究機構 （当時） に主任研究員として入所、一貫して半導体特性向上を目指してダイヤモンド薄膜の高品質化と高純度化に関する研究に携わり現在に至る。現職は （国研） 物質・材料研究機構・主席研究員。

専門：半導体工学、薄膜成長

所属学会：応用物理学会、ニューダイヤモンドフォーラム

徳田 規夫（とくだ のりお）

所属：金沢大学　ナノマテリアル研究所

経歴：筑波大学大学院でシリコンゲート絶縁膜、シリコン表面構造制御に関する研究で2005年に博士 （工学） を取得。その後、産業技術総合研究所でポスドクとしてダイヤモンド研究を開始。主に、ダイヤモンド膜の成長制御技術を研究。2009年に金沢大学理工研究域電子情報学系に助教として着任し、ダイヤモンド半導体ウェハ・プロセス・デバイスに関する研究に携わり現在に至る。2018年から2年間、産業技術総合研究所クロスアポイントメントフェローを兼務。現職は金沢大学ナノマテリアル研究所・教授 （リサーチプロフェッサー）。京都大学化学研究所・客員教授。

専門：半導体工学

所属学会：応用物理学会、ニューダイヤモンドフォーラム、日本結晶成長学会、日本表面真空学会、表面技術協会、ナノ学会、CVD研究会

加藤 宙光（かとう ひろみつ）

所属：産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：早稲田大学大学院で博士号を取得後、2003年に （独） 産業技術総合研究所 （当時） に入所。半導体ダイヤモンドにおけるn型伝導制御技術およびそれを用いたデバイス開発に関する研究に従事。2011年－2013年 ドイツ Fraunhofer研究所 客員研究員。

専門：半導体工学

所属学会：応用物理学会、ニューダイヤモンドフォーラム

梅沢 仁（うめざわ ひとし）

所属：産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：早稲田大学大学院で博士号を取得後、2005年に産業技術総合研究所に入所。半導体ダイヤモンドの合成技術や欠陥評価とともに高周波素子、高耐圧素子、耐環境素子などの半導体デバイス開発に従事。

専門：半導体物性、半導体デバイス

所属学会：応用物理学会、IEEE

大曲 新矢（おおまがり しんや）

ご所属：産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：九州大学大学院で博士後期課程を修了。博士 （工学）。2013年に産業技術総合研究所に入所。ダイヤモンドパワーデバイスの導電性ウェハの開発、高濃度ホウ素ドーピング、CVDエピタキシャル成長開発に従事。

専門：半導体デバイス工学、結晶工学

所属学会：応用物理学会

牧野 俊晴（まきの としはる）

所属：産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：筑波大学大学院で博士号を取得後、松下技研㈱、甲南大学を経て、2003年に産業技術総合研究所でダイヤモンド半導体デバイスに関する研究に従事。

専門：半導体物性、半導体デバイス工学

所属学会：応用物理学会、日本物理学会

松本 翼（まつもと つばさ）

所属：金沢大学　ナノマテリアル研究所

経歴：熊本電波高専専攻科を修了後、筑波大学大学院で博士号を取得、2014年～2015年産業技術総合研究所の産総研特別研究員を経て、2015年に金沢大学助教に着任し、現在、同准教授。ダイヤモンドと金属、酸化膜界面について研究を重ね、2016年に反転層動作のMOSFETをダイヤモンドで初めて実現。同成果にて応用物理学会薄膜分科会第3回論文賞受賞。ダイヤモンドならではのパワーデバイス開発に向けて、ダイヤモンドMOS界面の研究を継続中。

専門：電子工学

所属学会：応用物理学会、日本表面真空学会、ニューダイヤモンドフォーラム

川原田 洋（かわらだ ひろし）

所属：早稲田大学　理工学術院　電子物理システム学科、ナノ理工学専攻

経歴：1985年　早稲田大学大学院理工学研究科博士課程修了
　　　1986年　大阪大学工学部助手1990年早稲田大学理工学部助教授
　　　1995年　同　教授
　　　1995年～1996年　フラウンホーハ研　応用固体物理部門所属 （フンボルト財団研究員） SiC上のダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長の研究
　　　2006年～2007年　応用物理学会理事APEX創刊
　　　2012年～日本学術会議　連携会員
　　　2010年～2014年 （社） ニューダイヤモンドフォーラム会長
　　　2016年文部科学大臣表彰　科学技術賞 （研究部門）　業績名：ダイヤモンドパワートランジスタおよびバイオセンサの研究

専門：半導体デバイス

所属学会：応用物理学会、IEEE、Materials Research Society

モットー：宝石よりも魅力的なダイヤモンド半導体デバイスをつくる。

山口 浩（やまぐち ひろし）

所属：（国研） 産業技術総合研究所　先進パワーエレクトロニクス研究センター

経歴：1989年3月東京工業大学工学部電気・電子工学科卒業。同大学大学院修士課程 （電気・電子工学専攻）、博士課程 （電気・電子工学専攻） を経て、1994年4月より同大学工学部電気・電子工学科助手に着任。1996年6月に通産省工業技術院電子技術総合研究所 （現所属機関の前身となる組織のひとつ） に転籍。現在は、産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター・研究センター長。博士 （工学）。

専門：パワーエレクトロニクス、電気機器、電力系統、エネルギーマネジメントシステム

所属学会：電気学会、電子情報通信学会、低温工学協会、IEEE

【目次】

第１章　パワーデバイスの基礎

1. １－１　パワーデバイスとは
   1. １－１－１　パワーデバイスの役割
   2. １－１－２　パワーデバイスの基本動作
   3. １－１－３　パワーデバイスの分類
2. １－２　耐圧設計
   1. １－２－１　チップ基本構造
   2. １－２－２　ドリフト設計
   3. １－２－３　終端設計
3. １－３　ダイオード
   1. １－３－１　基本構造と動作
   2. １－３－２　リカバリー特性
   3. １－３－３　構造の進展
4. １－４　パワーMOSFET
   1. １－４－１　基本セル設計
   2. １－４－２　スイッチング特性
   3. １－４－３　破壊耐量
   4. １－４－４　構造の進展
5. １－５　IGBT
   1. １－５－１　基本構造と動作
   2. １－５－２　スイッチング特性
   3. １－５－３　破壊耐量
   4. １－５－４　構造の進展

第２章　SiCパワーデバイス

1. ２－１　SiCパワーデバイスの特徴
   1. ２－１－１　期待される性能
   2. ２－１－２　デバイスプロセス
2. ２－２　SiCウェハ、エピタキシャル成長技術
   1. ２－２－１　バルク単結晶成長技術
   2. ２－２－２　エピタキシャル成長技術
3. ２－３　SiCダイオード
   1. ２－３－１　ショットキーバリアダイオード（SBD）
   2. ２－３－２　PiN ダイオード
   3. ２－３－３　複合型ダイオード
4. ２－４　SiC-MOSFET
   1. ２－４－１　基本構造
   2. ２－４－２　SiC-MOS界面
   3. ２－４－３　その他の技術的課題
5. ２－５　その他のＳｉＣパワーデバイス
   1. ２－５－１　接合型トランジスタ
   2. ２－５－２　IGBT
6. ２－６　まとめ

第３章　GaNパワーデバイス

1. ３－１　GaNパワーデバイスの特徴
   1. ３－１－１　はじめに
   2. ３－１－２　横型GaNパワーデバイスの特徴
   3. ３－１－３　縦型GaNパワーデバイスの特徴
2. ３－２　横型GaNパワーデバイスの構造設計
   1. ３－２－１　AlGaN/GaN層構造の設計
   2. ３－２－２　ノーマリオフゲート構造の設計
   3. ３－２－３　ダイナミックオン抵抗の増加
   4. ３－２－４　Si基板上GaNエピタキシャル成長技術
   5. ３－２－５　横型GaNパワーデバイスの特性と課題
   6. ３－２－６　これからの技術開発動向
3. ３－３　縦型GaNパワーデバイスの構造設計
   1. ３－３－１　はじめに
   2. ３－３－２　縦型GaNパワーデバイスの開発の歴史
   3. ３－３－３　基本構造とプロセス技術
   4. ３－３－４　ゲート構造の設計とプロセス
      1. ３－３－４－１　再成長技術
      2. ３－３－４－２　トレンチ形成技術
      3. ３－３－４－３　ゲート絶縁膜形成技術
   5. ３－３－５　ドリフト層の設計とプロセス
      1. ３－３－５－１　低濃度ドーピング技術
      2. ３－３－５－２　C混入の課題
   6. ３－３－６　終端構造の設計とイオン注入
   7. ３－３－７　GaN基板開発
4. ３－４　今後の展望

第４章　Ga₂O₃パワーデバイス

1. ４－１　はじめに
2. ４－２　Ga₂O₃の物性
   1. ４－２－１　結晶多形
   2. ４－２－２　パワーデバイス応用に重要な物性
3. ４－３　融液成長単結晶バルク
4. ４－４　薄膜エピタキシャル成長
   1. ４－４－１　MBE
   2. ４－４－２　HVPE
   3. ４－４－３　MOCVD
   4. ４－４－４　ミストCVD
5. ４－５　ダイオード
   1. ４－５－１　HVPEドリフト層を有するショットキーバリアダイオード
   2. ４－５－２　フィールドプレートショットキーバリアダイオード
   3. ４－５－３　Nイオン注入プロセスにより作製したガードリングを有する
      　　　　　　フィールドプレートショットキーバリアダイオード
   4. ４－５－４　トレンチショットキーバリアダイオード
   5. ４－５－５　α-Ga₂O₃ショットキーバリアダイオード
   6. ４－５－６　p型アモルファス酸化物/n型Ga₂O₃ヘテロ接合ダイオード
6. ４－６　横型FET
   1. ４－６－１　MESFET
   2. ４－６－２　ディプレッションモードMOSFET
   3. ４－６－３　フィールドプレートMOSFET
   4. ４－６－４　変調ドープFET
   5. ４－６－５　ノーマリーオフFET
7. ４－７　縦型FET
   1. ４－７－１　電流アパーチャーFET
   2. ４－７－２　フィンチャネルFET
8. ４－８　今後の課題、展望
9. ４－９　まとめ

第５章　ダイヤモンドパワーデバイス

1. ５－１　はじめに
2. ５－２　ダイヤモンドウエハ化技術
   1. ５－２－１　技術背景
   2. ５－２－２　結晶作製方法
   3. ５－２－３　結晶加工方法
   4. ５－２－４　まとめ
3. ５－３　p型エピタキシャルダイヤモンド
4. ５－４　高品質・高純度化学気相成長ダイヤモンド
   1. ５－４－１　ダイヤモンド膜の高品質化
      1. ５－４－１－１　ダイヤモンド膜中に形成される結晶欠陥
      2. ５－４－１－２　酸素添加による欠陥抑制
   2. ５－４－２　ダイヤモンド膜の高純度化
5. ５－５　n型エピ技術（リンドーピングによるn型伝導制御技術）
6. ５－６　ダイヤモンドSBDとMESFET
7. ５－７　ダイヤモンドSBDの進展
8. ５－８　ダイヤモンドPINおよびBJT素子
9. ５－９　ダイヤモンド評価技術 EBIC
10. ５－１０　反転層チャネルダイヤモンドMOSFET
11. ５－１１　2DHGをチャネル層に適用したダイヤモンドMOSFET
    1. ５－１１－１　2DHG層による蓄積層または反転層
    2. ５－１１－２　ダイヤモンドMOSFET のオフ状態での高耐圧化、オン状態の電流密度向上
    3. ５－１１－３　ノーマリオフ動作での高耐圧特性
    4. ５－１１－４　縦型ダイヤモンドFET
    5. ５－１１－５　まとめと将来性

第６章　ワイドバンドギャップ半導体のための実装技術

1. ６－１　はじめに
2. ６－２　活用したい先進パワーデバイスの性能と求められる実装技術
   1. ６－２－１　低オン電圧性能の活用
   2. ６－２－２　高速動作性能の活用
   3. ６－２－３　高温動作性能の活用
   4. ６－２－４　超高耐圧性能の活用
3. ６－３　パワーデバイス実装技術の基礎
   1. ６－３－１　パワーモジュールの実装構造
   2. ６－３－２　各構造に共通する技術
4. ６－４　ワイドギャップ半導体用実装技術
5. ６－５　今後の展望

【参考文献】

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