倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成■受領№1432

SiC デバイス信頼性確保に向けた SiC エピタキシャル層
キャリア寿命測定
代表研究者

加藤正史

名古屋工業大学准教授

Measurements of carrier lifetime in SiC epitaxial layers for ensuring reliability of
SiC devices
Principal Researcher

Masashi KATO,
Nagoya Institute of Technology Associate Professor

SiC デバイスの信頼性確保のために、バイポーラ劣化を抑制可能なキャリア寿命の指針とその測定法をシミュレーションおよび実験的に検討した。その結果、実験的に得られるキャリア寿命測定値において、バイポーラ劣化を抑制に必要な条件を推定することができた。一方で、その条件を満たす値を得るために、キャリア寿命の制御を試みたがいずれの制御手法を施しても必要な値を満たすことができなかった。
したがって、バイポーラ劣化の抑制にはキャリア寿命の制御だけでは充分でないことが明らかになった。
In order to ensure the reliability of SiC devices, the guideline of the carrier lifetime that can suppress
bipolar degradation and its measurement method were investigated by simulation and experiment. We
estimated the experimental value necessary to suppress bipolar degradation in the carrier lifetime
measurements. On the other hand, we attempted to control the carrier lifetime to obtain a value thatsatisfied the estimated value, but could not satisfy the estimated value by any of the control methods.
Therefore, it is clear that carrier lifetime control alone is not sufficient to suppress bipolar degradation.

1．研究内容のエピタキシャル層の内部においては、基板中の1. はじめに基底面転位の方向をエピタキシャル層/基板界面SiC デバイスでは、⻑期信頼性を確保するためで転換することで、基底面転位をほぼ無くす技術にバイポーラ劣化と呼ばれる現象を抑制することが確立されている。一方で、基板中は数多くの基が求められている。このバイポーラ劣化が起こる

底面転位が存在するため、そこにキャリアが到達

原因は、基底面転位の拡大によるシングルショッしてしまうと 1SSF へと拡張し、エピタキシャルクレー積層欠陥（1SSF）であるとされている。そ層にまで拡大し劣化が起こる。したがって、バイして、このバイポーラ劣化の駆動力は、基底面転ポーラ劣化を抑制するためには、エピ層内でのキ位での電気伝導キャリアの再結合である。したがャリア寿命が短いことが必要である。しかしながって、基底面転位付近でのキャリアの再結合を抑ら、10 m 程度のエピタキシャル層厚では、表面制すれば、バイポーラ劣化の抑制が可能である。と基板の存在により、エピ層内のキャリア寿命のここで SiC デバイスに用いられる厚さ 10 m 程度測定は通常困難である。そこで本研究では、10 m

倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成のエピタキシャル層で要求されるキャリア寿命のns を満たすことがわかった。

指針とその測定方法について、シミュレーションと実験により検討を行った。
2. シミュレーション
これまでの研究により、SiC pn ダイオードを動作させたとき、アノードから注入される正孔密度がエピ層と基板の界面で 2×1016 cm-3 に達するとバイポーラ劣化が起こることがわかっている[1]。
そこで一次元半導体デバイスシミュレータである
AFORS-HET [2]を用いて、厚さ 10 m、ドナー密度 1016 cm-3 のドリフト層を有する SiC pn ダイオードの順方向動作のシミュレーションを行った。
このとき、ドリフト層のキャリア寿命（ bulk）を10 ns とすると、図 1 に示すような電流密度に対する正孔密度の分布が計算できた。電流密度 300A/cm2 の場合、界面で正孔密度が 2×1016 cm-3 以下になっている。したがって、300 A/cm2 の定格電流のデバイスでは、ドリフト層のキャリア寿命

図 1. 厚み 10 m、ドナー濃度 1016 cm-3 のドリフト層を有する pn ダイオードにおける正孔密度分布。ドリフト層のキャリア寿命は 10 ns、注入電流密度は 10-1000 A/cm2 とした。

は 10 ns 以下でなければならないことがわかった。
10 m のエピタキシャル層のキャリア寿命が 10ns 以下であることを実験的に保証するためには、エピタキシャル層内部でのみキャリアが生成される測定をする必要がある。そこで光の侵入深さが1 m 程度である波⻑ 266 nm のパルスレーザー励起によりキャリア寿命測定を行った。用いた手法
はマイクロ波光伝導度減衰（-PCD）法であるが、実験的に得られる値には表面再結合の影響を含んでしまう。そのため、まずは実験結果の解釈において表面再結合の影響を排除するため、-PCD 信号を偏微分方程式を用いて計算した。ここで、基板における再結合は、C 面の表面再結合速度 SC

図 2.  1/e2 の SSi および bulk への依存性。灰色で示で近似した。-PCD 信号のピークを 1 とし、信号した領域は bulk が 10ns 以上であり、1SSF の拡張が 1/e から 1/e に減少するまでの時間を 1/e ライが可能である条件である。

22フタイム（ 1/e ）と定義した。図 2 は、SC=10 cm/s
24における Si 面の表面再結合速度 SSi と bulk および

 1/e2 の関係を示したものである。この結果から、全ての SSi において 1/e2 < 7.2 ns であれば bulk < 10倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
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シャル層のキャリア寿命をバイポーラ劣化を

3. 実験結果
図 3 に厚さ 10 m、ドナー密度 1016cm の-3エピタキシャル層を有するサンプルに対して、抑制可能な値まで減少させることはできなかった。

様々な入射光子密度で測定した-PCD 減衰曲線を示す。いずれの測定条件においても  1/e2 は48-70 ns の範囲に収まり、7.2 ns よりかなり大きいことがわかる。

4. まとめ本研究によりエピタキシャル層のキャリア寿命の制御のみでバイポーラ劣化を抑制するための数 bulk を短くするために、0.95 MeV の H 照射値目標が明確になった。ただし、いかなる手法をを同じウェハから切り出したエピタキシャル用いても実験的にその目標値までキャリア寿命を層に施した。図 4 は測定された  1/e の H 照射減少させることはできなかった。したがって、バ量依存性を示している。10 13 cm -2 の H + 照射量

イポーラ劣化の抑制にはエピタキシャル層のキャで 7.8 ns という最小の  1/e が得られたが、このリア寿命の制御のみならず、既報[4]にあるような 1/e2 は 7.2ns よりまだ⻑い。より⾼い密度でバッファ層の導入などと組み合わせることが必要

H を照射した場合、-PCD 信号が得られないになると考えられる。

+2+2+ほどエピタキシャル層の品質が劣化してしまった。

[1] T. Tawara et al.,（2018）J. Appl. Phys. 123, 025707.
[2] R. Varache et al.,（2015）Sol. Energy Mater Sol.

2.7×1014 cm-2
1.9×1014 cm-2
7.1×1013 cm-2
3.5×1013 cm-2
1.6×1013 cm-2

Cells 141, 14-23.
[3] B. Zippelius et al., J. Appl. Phys. 111,033515(2012).

1/e[4] T. Tawara et al., J. Appl. Phys. 120,115101(2016).
601/e20.150

1/e2 = 48-70 ns
00.05

0.1

0.150.2Time (µs)

図 3. 266 nm パルス励起レーザーの入射光子密度を変化させた場合の厚み 10 m、ドナー密度 10

1/e2 (ns)µ-PCD signal (arb. unit)

140302016cm-3 を有するエピタキシャル層から得られた
-PCD 減衰曲線。
他の手法として電子線照射、もしくは1850℃ で ア ニ ー ル す る こ と に よ り 点 欠 陥 の ⾼温での熱平衡濃度[3]を利用することでキャリア寿命の減少も試みた。しかしながら、いずれの手法によっても  1/e2 が 7.2 ns 以下になることはなかった。したがって、実験的にはエピタキ

100w/o 1010 1011 1012 1013
H+ dose (cm-2)

図 4. H+照射を施した厚み 10 mm、ドナー密度 1016
cm-3 のを有するエピタキシャル層に対する-PCD減衰曲線から得られた 1/e2。測定に使用した入射光子密度は 1014 cm-2 である。

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2．発表（研究成果の発表）“4H-SiCバイポーラ劣化抑制に向けたドリフト層内のキャリアライフタイムの検討”三井 俊樹、加藤 正史、2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会[10p-S202-7]（オンライン）2021年09月 応用物理学会“4H-SiCバイポーラ劣化抑制に求められるドリフト層内キャリアライフタイムの評価”三井 俊樹,
加藤 正史、先進パワー半導体分科会第8回講演会（オンライン） 2021年12月月

応用物理学会先進パワー半導体分科会“Discussion on carrier lifetime control in a drift
layer of 1.2 kV class 4H-SiC devices forsuppression of bipolar degradation”, Toshiki Mii,
Shunta Harada, Hitoshi Sakane, Masashi Kato,
19thInternational

Conferenceon

Defects-Recognition, Imaging and Physics in
Semiconductors（オンライン）
稿中）

2022年8月（投