ダイヤモンド半導体を用いた耐高温パワーデバイスの作製
Fabrication of high-temperature and high-power diamond devices

１．序論
半導体パワーデバイスは、コンバータやインバータの様な電力変換器の中核デバイスであり、車載応用や太陽電池、エアコン等の幅広い産業分野で省エネルギー化に貢献している。現在多くの用途で使用されている Si 半導体パワーデバイスは、デバイス構造の工夫やプロセス技術の開発により著しい進歩を遂げてきたが、植田 研二 (Kenji UEDA, Dr. Sci.)

その性能改善は限界に近づいている。また、Si パワー

名古屋大学 工学研究科 准教授

デバイスは 100°C 程度の高温で熱暴走等が起こる為、(Associate Professor, Graduate School of Engineering, Nagoya
University)

現在は大きな水冷機構と共に使用されているが、これも大きなデメリットの一つである。一方、ダイヤモン

応用物理学会 日本金属学会 日本磁気学会
研究専門分野：半導体工学

ドは 5.5 eV のバンドギャップを持つワイドギャップ
半導体であり、高絶縁破壊電圧、高熱伝導率、高移動度等の優れた特性を持つ事から、SiC, GaN に続く次電子デバイスとして非常に高いポテンシ世代パワーデバイス用ワイドギャップ半導体材料としャルを有するダイヤモンド半導体を用い、耐高温性、て期待されている。ダイヤモンド半導体を初めとする省電力性等に優れたパワーデバイスの作製を試みた。

これらのワイドギャップ半導体を用いる事で、Si よりCu/ダイヤモンドショットキーパワーダイオードはも格段に高い電圧かつ高温下で、低損失、高効率の電700°C までの高温で動作すると共に、車載応用等でタ力変換を可能とするパワーデバイスの開発が可能となーゲットとなる数百°C の温度領域で高い熱安定性をる。半導体材料の物性値（表 1）からパワーデバイス示した。また、高温下（400°C）での電流-電圧特性かとしての性能指数（パワーデバイスとしての性能を表ら見積もられたダイオードの耐圧及び抵抗値（オン抵わす尺度で、値が大きいほど性能が高い）を求める事

抗）は、1000V 以上及び 65 m·cm2 となったが、こができるが、代表的な性能指数として Johnson 指数

れらの値は Si 半導体の理論限界値を越え、SiC の理論（(絶縁破壊電圧×飽和電子速度)2 に比例）がある。ダ限界値に匹敵する結果である。この結果はダイヤモン

イヤモンドの Johnson 指数は Si の 2500 倍、SiC の 6ド半導体が耐高温パワーデバイスとして非常に有望で倍となり、他の半導体よりもパワーデバイスとして高ある事を示している。

いポテンシャルを有している事が分かる[1]。

あらまし

表１ 様々な半導体材料の物性値

1

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cm2/Vs の p 型半導体薄膜が再現性良く得られている[4]。

本研究では、この様に電子デバイスとして非常に高いポテンシャルを有するダイヤモンド半導体を用い、フォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチング（RIE）

耐高温性、省電力性等に優れたパワー半導体デバイスにより、Cu をショットキー電極、Cu/Ti をオーミック電極の作製を試みた。

として用いたダイヤモンドパワーショットキーダイオードの作製を行い、真空高温下（室温~800°C）で電流-電圧(I-V)

２．研究の背景と国内外の研究動向測定を行った。なお、ショットキーダイオードは半導上述の様に、Si パワーデバイスを置き換えるべく、体デバイスとして最も基本的なもので、整流機能を有SiC やダイヤモンド等のワイドギャップ半導体を用いしており、大電力用の整流器として用いられる。本研

たパワーデバイスの開発が行われている。現在、SiC

究では Cu をショットキー電極としてダイオードを作や GaN を用いたパワーデバイスは製品化が為されて製しているが、以前の研究でショットキー電極についおり、Si より高電圧（~1200 V）で動作する SiC やて Ag, Ni, Cu 等を比較して吟味した所[4][5]、Cu が高GaN パワーデバイスが各社から販売され始めている温特性に優れていた為、Cu ショットキー電極を採用状況である。
一方で、ダイヤモンドパワーデバイスは、した。

バンドギャップが SiC や GaN より格段に大きい事から、より高電圧かつ高温等の過酷環境下での動作を想

４．研究結果と考察定し開発が行われているが、製膜やプロセス技術がま

図 2 に、作製した Cu/ダイヤモンドショットキーダイ

だ十分にこなれていない為、実用レベルには至っていオードの電流-電圧（I-V）特性の温度依存性を示す[5]。

ない。
現在、幾つかのグループからダイヤモンドパワーショットキーダイオードの高温下での出力特性についての報告があるが、絶縁耐圧：842V、抵抗値（オン抵抗）
9.4 m·cm2@250°C が現状での最高値であると思われる[2]。絶縁耐圧とオン抵抗にはトレードオフ（一方が向上すると他方が低下する）の関係があるが、特性をうまくコントロールし、両者をバランス良く向上させていく事が、高性能パワーデバイスの創製に不可欠となる。ダイヤモンドは、高温下で SiC の理論限界を遥かに上回る性能を示すとの理論予測もされており[3]、耐高温高性能ダイヤモンドパワーデバイスの作製に向け、現在精力的に研究が進められている。
図２
３．研究方法ダイヤモンド p 型半導体薄膜はマイクロ波プラズマ化学

Cu/ダイヤモンドショットキーダイ
オードの電流-電圧特性の温度依存性（破線は TE フィット）

気相成長（CVD）法により、市販のダイヤモンド(100)基板上に作製した。
CH4 /H2 流量比は 0.1-1 %、ガス圧は 50 Torr、室温で 5 桁程度の整流性（順方向（正電圧側）で大き

成長温度は 700-900℃、膜厚は 1~3.5 μm 程度とした。不純な電流が流れ、逆方向（負電圧側）であまり電流が流物 ホ ウ 素 源 と し て ト リ メ チ ル ホ ウ 素 （ TMB ；れない）が現れた。測定温度の増加と共に、順方向及

TMB/CH4= 1 ppm)を用いた。ダイヤモンド薄膜の電気特び逆方向電流が増加したが、~600°C でも 3 桁程度の性は、ホール効果測定により評価しているが、この成長条件整流比（順方向電流／逆方向電流）を示し、700°C で下でキャリア濃度：1016~1017

も 1 桁の整流比が維持されていた。これは、Cu/ショcm 、室温移動度：~1000-32TELECOM FRONTIER No.92 2016 SUMMER

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ットキーダイオードが 700°C の高温下でも整流素子

次に Cu ショットキーダイオードの耐電圧について評価する為に 400°C での逆方向電流の電圧依存性にとして動作する事を意味している。
次に、デバイス劣化に関する知見を得る為に熱電子放ついて調査した（図 4）[6]。1000V の高電圧を印可し出（TE）理論による I-V 特性の解析を行った所、Cu シても絶縁破壊に伴う急激な電流上昇は見られず、絶縁ョットキー接合のショットキーバリア高さ（ϕB）は 1.6

破壊電圧（VB）は 1000 V 以上となった（測定装置のeV と求まった。なお、バリア上部から熱エネルギーを得限界の為 1000V 以上の電圧は印可できず）。また、順て電子が放出される過程が熱電子放出（TE）過程であり、方向電流から求められたダイオードの抵抗値（オン抵ショットキーダイオードでは通常、この TE 過程が順方抗）は 65 m·cm2 となった。これらの値は Si 半導体向電流の挙動を支配する。理想因子（n）は室温からの理論限界値を越え、SiC の理論限界値及びダイヤモ

650°C の範囲で~1.5 と理想値（n=1）に近い値であった

ンドショットキーダイオードのトップデータ（9.4が、700°C 以上で n の増加が始まり、750-800°C では

m·cm2, 842V@250°C）に匹敵する値である。なお、

TE 理論から完全に外れる挙動を示した。これらの結果

ダイヤモンドショットキーダイオードのトップデータから、~700°C でダイオードの劣化が開始し、温度の上は、高濃度ホウ素ドープ層やフィールドプレート及び昇と共に劣化が進んでいくと思われるが、劣化メカニズ

縦型素子構造の利用など、素子構造をかなり工夫してムについては今後の検討課題である。

得られた結果であるのに対し、筆者らの物は非常に単車載応用等でターゲットとなる数百°C 程度の温度純な横型の素子構造で得られた結果である事から、今領域での動作を想定し、詳細なデバイス特性の検討を後ドーピング技術を駆使し、素子構造を工夫する事で、高温下（400°C）で行った。図 3 に、400°C で長時間高温下で、更に優れたパワー特性を有するデバイスの（0~30 hr）ダイヤモンドショットキーダイオードを作製が行えると思われる。

保持しながら連続して行った I-V 測定の結果を示す。
400°C で 30 時間保持後も I-V 特性に変化は見られず、400°C でダイオードが安定動作し、劣化しない事が示唆された。

図４

Cu/ダイヤモンドショットキーダイ
オードの 400℃での耐圧測定

耐圧を下げる要因について考察する為に、逆方向リ
図３

ーク電流の電圧依存性について様々なモデルを用いて高温下（400℃）での Cu/ダイヤモンドショットキーダイオードの電流-電圧特性の時間依存性解析を行った（図 5）。用いたモデルは 4 つであり、熱電子放出（TE）、熱電界放出（TFE）、熱電子放出＋バリ ア 低 下 （ TE+BL ）、 熱 電 界 放 出 ＋ バ リ ア 低 下
3TELECOM FRONTIER No.92 2016 SUMMER

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Fabrication of high-temperature and high-power diamond devices（TFE+BL）モデルである[6]。TE 過程に加え、TFEの影響を考慮する必要がある事を意味している。これでは電子のトンネル過程、BL では鏡像力によるバリらを取りこんだ新しいモデルの構築は、ダイヤモンドア高さの低下を考慮している。TE や TE+BL モデル

ショットキーダイオードの精密動作解析に重要であり、ではリーク電流が小さくなり過ぎていて、実験値を再今後取り組んでいく予定である。

現できないのに対し、TFE 又は TFE+BL モデル、即ち電子のトンネル過程を考慮したモデルでは、実験値５．将来展望とかなり近い値が得られた。特に、TFE+BL モデルでダイヤモンドパワーデバイスは高温下でも高い性能実験値と計算値が良く一致した。SiC や GaN の様なを維持できる為、SiC 等の他のワイドギャップ半導体ワイドギャップ半導体を用いたショットキーダイオーを用いたデバイスよりも、より高温かつ高電圧で動作ドでは、一般的に Si ダイオードよりリーク電流が高く、するデバイスをターゲットとし、開発が進んでいくとトンネル伝導を考慮した TFE や TFE+BL モデルで逆思われる。ダイヤモンド半導体の製膜やプロセス技術

方向リーク電流の挙動について説明できる事が良く知が今後洗練化され、デバイス特性が向上していけば、られている[7][8]。その為、ダイヤモンドショットキ他の半導体を用いたデバイスでは不可能な過酷環境下ーダイオードの逆方向リーク電流が TFE+BL モデ（高温下や放射線下等）で動作するダイヤモンドパワ

ルで再現できるのは妥当な結果であると思われる。

ーデバイスの実用化が見えてくると思われる。

参考文献[1] H. Okumura, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 7565.
[2] H. Umezawa, Y. Kato, and S. Shikata, Appl.
Phys. Express 6 (2013) 011302.
[3] C. Raynaud, D. Tournier, H. Morel, and D.
Planson, Dia. Relat. Mater. 19 (2010) 1.
[4] K. Ueda, K. Kawamoto, T. Soumiya, and H.
Asano, Dia. Relat. Mater. 38 (2013) 41.
[5] K. Ueda, K. Kawamoto, and H. Asano, Jpn. J.
Appl. Phys. 53 (2014) 04EP05.
[6] K. Ueda, K. Kawamoto, and H. Asano, Dia. Relat.
図５Cu/ダイヤモンドショットキーダイ
オードの逆方向リーク電流解析結果（バリア高さ ϕB = 1.1 eV での結果）

Mater. 57 (2015) 28.
[7] S. Oyama, T. Hashizume, and H. Hasegawa,Appl. Surf. Sci. 190 (2002) 322.
[8] T. Hatakeyama, and T. Shinohe, Mat. Sci. Forum

しかし、TFE+BL フィッティングから得られるバリア

389-393 (2002) 1169.

高さ（ϕB）は 1.1 eV となり、順方向電流の TE モデルによるフィッティングから得られた ϕB（=1.6 eV）より 3 割程度小さい値となった。2 つの値は理想的には一致するはずであり、これらの結果は TFE+BL モデ
ルでもダイヤモンドショットキーダイオードの逆方向

この研究は、平成２４年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とリーク電流について完全には説明しきれておらず、リして採用され、平成２５～２６年度に実施されたもの

ーク電流を増加させる他の機構（電極エッジ効果等）です。
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