2- 2.

2 -2.

主 要な研 究 成 果 - 2 0

主要な研究成果 -20

SiCパワー半導体の通電特性に与える積層欠陥の影響を解明
SiCデバイスの信頼性向上に貢献

共通・分野横断

SiCパワー半導体
SiC（シリコンカーバイド）単結晶を用いた高耐圧・低損失パワー半導体。

背景
中・大容量の高効率パワー半導体として期待されているSiCパワー半導体は、量産・実用化が開始され、現在の主流であるSiパワー半導体に対する優位性が実証されつつあります。今後、電力系統や、電動車、鉄道、航空機などの分野において、SiCパワー半導体の需要拡大が期待されますが、それに伴って、半導体素子（デバイス）動作の信頼性向上が強く求められています。
＊ 本研究の一部は、防衛装備庁（安全保障技術研究推進制度JPJ004596）からの受託研究により実施。

主 要な研 究 成 果

主 要な研 究 成 果

成果の概要◇SiCデバイスの電気伝導に与える積層欠陥の影響を実験的に解明
SiCデバイス動作中に、SiC結晶中に内在する積層欠陥の拡張が生じ、通電特性が低下する問題が積層欠陥
p.19参照あることから、SiCデバイスの信頼性向上のためにはその影響を定量的に把握する必要があります。
性に与える影響度合いを定量的に明らかにしました（図1）。

浅田 聡志（あさだ さとし）

村田 晃一（むらた こういち）

エネルギートランスフォーメーション研究本部

エネルギートランスフォーメーション研究本部

材料科学研究部門◇SiCデバイスの通電特性が積層欠陥によって悪化するメカニズムを解明

材料科学研究部門

積層欠陥を量子井戸として扱うことで積層欠陥を内包するデバイスの動作をシミュレーションで量子井戸電子の移動方向が束縛された状態のこと。SiC中の積層欠陥は、伝導帯に形成する量子井戸でモデル化され、電子を捕獲するきるモデルを開発し、SiCパワー半導体の通電特性が積層欠陥によって悪化するメカニズムを解明しフォトルミネセンスイメージング装置

対象物に光照射した際に生じる発光現象を観察する装置。
ウェハ中の結晶欠陥の検出などに用います。

ました。さらに、開発したシミュレーションモデルによって、実際のデバイス導通損失と積層欠陥の占有面積の関係を再現できました（図2）。
これにより、長期使用の際に拡張する積層欠陥によるSiCデバイスの特性変化の予測が可能になります。

ことが報告されている。

物質に光を照 射し、励 起された電子が基底状態に戻る際に発生する光のこと。この発光は物質の不純物や欠陥に影響を受けやすいため、発光を分光

積層欠陥無（破線）

10010-210-410-610-801

や不純物の情報を得ることができる。

58

電力中央研究所

2345

図1

4種類の異なる積層欠陥を含むSiCダイオードの通電特性（実測）

様々な構造種を持つ積層欠陥の影響度を、それぞれ実験的に明らかにしました。

Annual Report 2021

陽極1mm

シミュレーション

積層欠陥

930

SiCダイオード

SiCウェハのフォトルミネセンス画像と開発したシミュレーションモデルによる結果

6A/cm2電流200150

積層欠陥

100

陰極050

電流密度分布（断面図、シミュレーション）

成果の活用先・事例

実測値

使用中に拡張する積層欠陥を考慮したSiCデバイス特性を予測できることから、長期信頼性を確保したSiCパワーエレクト
05101520

デバイス面積に対する積層欠陥占有率（％）

印加電圧（V）

し詳細に解析をすることによって、物 質 中 の 欠 陥

12導通損失の増大率（％）

フォトルミネセンス

電流密度（A/cm2）102

様々な構造種を持つ積層欠陥

フォトルミネセンス画像
（上面図）

積層欠陥

図2

積層欠陥の電気特性への影響のシミュレーションによる再現

積層欠陥の増加により電流が流れづらくなることを、シミュレーションで再現することができました。

ロニクス機器の設計が可能となります。SiCパワー半導体の信頼性向上により、高効率パワーエレクトロニクス機器の適用拡大に貢献します。
参考

S. Asada et al., Appl. Phys. Express 15, 045502, 2022.
S. Asada et al., Jpn. J. Appl, Phys. 59, 054003, 2020.
S. Asada et al., IEEE Trans. Electron Devices 68, 3468, 2021.
K. Murata et al., J. Appl. Phys. 126, 045711, 2019.

電力中央研究所

Annual Report 2021

59

共通・分野横断

共通・分野横断

そこで、構造の異なる積層欠陥を一つ含むSiCデバイスを4種類作製し、通電特性などのデバイス特2- 2.

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主 要な研 究 成 果 - 2 0

主要な研究成果 -20

SiCパワー半導体の通電特性に与える積層欠陥の影響を解明
SiCデバイスの信頼性向上に貢献

共通・分野横断

SiCパワー半導体
SiC（シリコンカーバイド）単結晶を用いた高耐圧・低損失パワー半導体。

背景
中・大容量の高効率パワー半導体として期待されているSiCパワー半導体は、量産・実用化が開始され、現在の主流であるSiパワー半導体に対する優位性が実証されつつあります。今後、電力系

統や、電動車、鉄道、航空機などの分野において、SiCパワー半導体の需要拡大が期待されますが、それに伴って、半導体素子（デバイス）動作の信頼性向上が強く求められています。
＊ 本研究の一部は、防衛装備庁（安全保障技術研究推進制度JPJ004596）
からの受託研究により実施。

主 要な研 究 成 果

主 要な研 究 成 果

成果の概要◇SiCデバイスの電気伝導に与える積層欠陥の影響を実験的に解明
SiCデバイス動作中に、SiC結晶中に内在する積層欠陥の拡張が生じ、通電特性が低下する問題が積層欠陥
p.19参照あることから、SiCデバイスの信頼性向上のためにはその影響を定量的に把握する必要があります。
性に与える影響度合いを定量的に明らかにしました（図1）。

浅田 聡志（あさだ さとし）

村田 晃一（むらた こういち）

エネルギートランスフォーメーション研究本部

エネルギートランスフォーメーション研究本部

材料科学研究部門◇SiCデバイスの通電特性が積層欠陥によって悪化するメカニズムを解明

材料科学研究部門

積層欠陥を量子井戸として扱うことで積層欠陥を内包するデバイスの動作をシミュレーションで量子井戸
電子の移動方向が束縛された状態のこと。SiC中の積層欠陥は、伝導帯に形成する量子井戸でモデル化され、電子を捕獲するきるモデルを開発し、SiCパワー半導体の通電特性が積層欠陥によって悪化するメカニズムを解明しフォトルミネセンスイメージング装置

対象物に光照射した際に生じる発光現象を観察する装置。
ウェハ中の結晶欠陥の検出などに用います。

ました。さらに、開発したシミュレーションモデルによって、実際のデバイス導通損失と積層欠陥の占有面積の関係を再現できました（図2）。
これにより、長期使用の際に拡張する積層欠陥によるSiCデバイスの特性変化の予測が可能になります。

ことが報告されている。

物質に光を照 射し、励 起された電子が基底状態に戻る際に発生する光のこと。この発光は物質の不純物や欠陥に影響を受けやすいため、発光を分光

積層欠陥無（破線）

10010-210-410-610-801や不純物の情報を得ることができる。

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電力中央研究所

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図1

4種類の異なる積層欠陥を含むSiCダイオードの通電特性（実測）

様々な構造種を持つ積層欠陥の影響度を、それぞれ実験的に明らかにしました。

Annual Report 2021

陽極1mm

シミュレーション

積層欠陥

930

SiCダイオード

SiCウェハのフォトルミネセンス画像と開発したシミュレーションモデルによる結果

6A/cm2電流200150

積層欠陥

100

陰極

050

電流密度分布（断面図、シミュレーション）

成果の活用先・事例

実測値

使用中に拡張する積層欠陥を考慮したSiCデバイス特性を予測できることから、長期信頼性を確保したSiCパワーエレクト
05101520

デバイス面積に対する積層欠陥占有率
（％）

印加電圧
（V）

し詳細に解析をすることによって、物 質 中 の 欠 陥

12導通損失の増大率（％）

フォトルミネセンス

電流密度（A/cm2）102

様々な構造種を持つ積層欠陥

フォトルミネセンス画像
（上面図）

積層欠陥

図2

積層欠陥の電気特性への影響のシミュレーションによる再現

積層欠陥の増加により電流が流れづらくなることを、シミュレーションで再現することができました。

ロニクス機器の設計が可能となります。SiCパワー半導体の信頼性向上により、高効率パワーエレクトロニクス機器の適用拡大に貢献します。
参考

S. Asada et al., Appl. Phys. Express 15, 045502, 2022.
S. Asada et al., Jpn. J. Appl, Phys. 59, 054003, 2020.
S. Asada et al., IEEE Trans. Electron Devices 68, 3468, 2021.
K. Murata et al., J. Appl. Phys. 126, 045711, 2019.

電力中央研究所

Annual Report 2021

59

共通・分野横断

共通・分野横断

そこで、構造の異なる積層欠陥を一つ含むSiCデバイスを4種類作製し、通電特性などのデバイス特