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電気的特性による InGa/4H-SiC 接触界面に関する研究進

藤怜

史＊・佐久間涼＊・宇瀬尚平＊＊・浅野清光Interface Properties of InGa/4H-SiC Contacts
by Electrical Measurements
Satoshi SHINDO ＊ , Ryo SAKUMA ＊ , Shohei USE ＊＊ and Kiyomitsu ASANO（平成24年11月29日受理）
We have studied metal-semiconductor contacts, particularly metal/4H-SiC contacts. In thestudy, electrical characteristics of InGa/4H-SiC were investigated. InGa alloys are used as low
Ohmic contacts between alloy and semiconductivity of ceramics. The purpose of this paper isto clear whether InGa/4H-SiC contacts have Ohmic property. As a result, 4H-SiC coated with
InGa alloy showed the varistor characteristics. This means that it has no Ohmic property.
And, the varistor property was asymmetry. This may be probably associated with planedirection dependence. These results are useful for understanding these metal-semiconductorcontacts.

1.

緒言

InGa 合金は半導体セラミックス等の低接触抵抗率のオーミックコンタクトとして使われている1）。
過 去 の 研 究 で は2, 3）， 金 属/4H-SiC（0001）Si 面 の 電気的特性の測定のために，その裏面である4H-SiC（000-1）C 面のオーミック電極として InGa を塗布していた。その後の研究で，Y/4H-SiC（0001）Si 面の電気的特性の測定の際，（000-1）C 面に InGa 塗布後に加熱した試料は，塗布前に加熱した試料に比べて高い電気伝導性を示した4）。これは，InGa/4H-SiC（000-1）C 面にはショットキー障壁が存在し，加熱処理によってその障壁が変化する事で電気的特性が変化した事が原因と考えられる。よって，この障壁により，InGa 合金は4H-SiC（000-1）C 面に対して完全なオーミック性を有していない可能性がある。
したがって，InGa 合金が実際にオーミックコンタクトとして機能しているかを調べるためには，
InGa/4H-SiC の電気的特性を明らかにする必要がある。本研究では，InGa/4H-SiC の電気的特性を明らかにする事を目的として，InGa/4H-SiC（0001）Si 面，InGa/4H-SiC（000-1）
C 面の I-V 特性を測定し，その＊＊＊秋田高専専攻科学生
秋田高専学生

秋田高専研究紀要第48号

結果を考察した。
2.

実験方法

厚さ345μm，抵抗率0.1Ω・cm 以下の2inchφの窒素ドープ n 型4H-SiC ウェハ基板を用いた。まず，半導体洗浄液セミコクリーン23による超音波洗浄を4H-SiC ウェハ基板に対して行った。その後，ウェ
ハを0.5～1.5cm2の大きさに分割した。次に表 1 のような条件で 3 つの試料の電気的特性を測定した。
表1

InGa/4H-SiC の測定条件

4H-SiC（0001）Si 面

4H-SiC（000-1）C 面

InGa 塗布

塗布無し

Ⅱ塗布無し

InGa 塗布

Ⅲ

InGa 塗布

InGa 塗布

Ⅰ

電気的特性は図 1 のように Cu 板に挟んで測定している。条件Ⅰは4H-SiC（0001）Si 面に InGa を塗布し，その InGa/4H-SiC（0001）の両面に Cu 板を挟んでいる。つまり，（0001）Si 面の方向では，Cu 板と InGa の 接 触，（000-1）C 面 の 方 向 で は，Cu 板 と4H-SiC（000-1）C 面の接触となっている。条件Ⅱでは，条件Ⅰの逆になっている。条件Ⅲは（0001）（，000-1）の両面に InGa を塗布した後，Cu 板に挟んで測定を― 16 ―
進藤怜史・佐久間涼・宇瀬尚平・浅野清光

図3
図1

順バイアスの定義

InGa/4H-SiC の測定条件行っている。
なお，4H-SiC の積層構造は図 2 のようになっており，4H-SiC［0001］方向の第一層は Si 面，4H-SiC［000-1］方向の第一層は C 面となっている5）。

図4

各測定条件での InGa/4H-SiC の J-V 特性
表2

図2

3.

4H-SiC の積層構造の模式図5）

InGa/4H-SiC の電気的特性
順バイアス

逆バイアス

条件Ⅰ

流れない

流れる条件Ⅱ

流れる

流れない

条件Ⅲ

流れる

流れる

実験結果と考察

条件Ⅰの結果については，順バイアス時の4H-SiC
試料は図 5 のように，2 つの金属 / 半導体接触に対
図 3 に 測 定 結 果 の 順 バ イ ア ス の 定 義 を 示 す。 して電圧が印加されていると考えられる。4H-SiC［0001］方向に正に電圧を印加した場合を順バイア （000-1）C 面と Cu 板の接触では，金属 / 半導体接触スと呼ぶ。
における逆バイアスになっており，この接触の高抵
図 4 に各測定条件における InGa/4H-SiC の J-V 特抗が原因となり，条件Ⅰでの順バイアスは電流が流性を示す。条件Ⅰでは，順方向には電流は流れず，れない結果となったと考えられる。
逆方向のみ電流が流れる結果になった。条件Ⅱは，
条件Ⅰの逆バイアスについては，図 6 のような状逆方向電流が殆ど流れず，順方向電流は流れる結果態になっていると考えられる。InGa/4H-SiC（0001）になった。条件Ⅲは順，逆両方向に電流が流れる結Si 面において逆バイアスとなるが，そこでは，トン果となった。この結果を表 2 に示す。
ネル電流が流れ，高抵抗にならなかったと考えられ平成25年２月

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電気的特性による InGa/4H-SiC 接触界面に関する研究

図5

条件Ⅰでの順バイアス

図6

条件Ⅰでの逆バイアスる。トンネル電流が生ずるかどうかは，おそらく金属 /4H-SiC の 接 触 に 関 係 し て い る。InGa と4H-SiCの接触に比べ Cu 板と4H-SiC の接触は僅かな面積しか接触していない。よって InGa と4H-SiC 間には，Cu 板と比べて，多くの原子レベルでの接触が存在するため，トンネル現象が起こる確率もそれだけ多いと考えられる。よって InGa/4H-SiC の接触でのみトンネル電流が流れると考えられる。同様の結果はMo/4H-SiC（0001）Si 面の電気的特性の研究において4H-SiC（000-1）C 面の InGa の有無について検討した
際にも見られている2）。
同様にして，条件Ⅱの順バイアス，逆バイアスの結果も説明できる。図 7，図 8 に説明図を示す。順図7

条件Ⅱでの順バイアス

図8

条件Ⅱでの逆バイアス

秋田高専研究紀要第48号

バイアスでは，図 7 のように InGa/4H-SiC（000-1）C面でトンネル電流が流れると考えられるので，高抵抗とならない。逆バイアスでは図 8 のように，Cu板と4H-SiC（0001）Si 面において金属半導体接触における逆バイアスとなり，高抵抗となる。よって結果として，条件Ⅱでは順バイアスで電流が流れ，逆バイアスで電流が流れなくなる。
条件Ⅲも同様である。その説明図を図 9，図10に示す。順バイアス時は，図 9 のように InGa/4H-SiC（000-1）C 面で逆バイアスとなるが，トンネル電流が流れると考えられるので，高抵抗にならない。逆バイアス時は InGa/4H-SiC（0001）Si 面で逆バイアスとなるが，ここでもトンネル電流は流れると考えられるので，高抵抗にならない。よって条件Ⅲの場合，
図 4 のようなバリスタ特性を示す。

図9

条件Ⅲでの順バイアス

図10

条件Ⅲでの逆バイアス

さらに，図 4 において，順バイアスに比べて逆バイアスの方がより多くの電流が流れている。図11に条件Ⅲのみの InGa/4H-SiC の J-V 特性を示す。3V
では順バイアスに比べ逆バイアスの電流密度は 2 倍以上になっている。これは InGa/4H-SiC（0001）Si 面の障壁高さが InGa/4H-SiC（000-1）C 面に比べ低い事が原因だと考えられる。この4H-SiC の障壁高さの結晶面方位依存性は既に報告されているが 6），その物理的機構は明らかになっていない。
これより，条件Ⅲの結果がバリスタ特性になっている事から，InGa は4H-SiC に対して，完全なオーミック性を示さない事が確認できた。
図12に条件Ⅲにおける n-φB 特性を示す。プロット点はベーテのダイオード理論7）から導出した（1），（2）式から条件Ⅲの実験値より求めた。

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進藤怜史・佐久間涼・宇瀬尚平・浅野清光

本 研 究 で は，4H-SiC の m*eを0.3m0（m0は 電 子 の 静
5-2 -2
止 質 量 ） と し8），A* を3.60×10［AmK ］ と し た。
また，n は理想因子である。n=1 ならば，熱電子放出電流のみの理想状態であり，n の値が大きいならば，何らかの別の電流が流れている事になる。図12では各点が曲線上に分布している事から，n=1 で外挿した値が熱電子放出機構に従った理想障壁高さとなる9）。n=1 に外挿した InGa/4H-SiC（0001）の理想障壁高さは図より0.74eV となった。
ショットキーモデル10）によると，障壁高さは（4）式に従う。
φB =φM－χS

図11n=

条件Ⅲにおける InGa/4H-SiC の J-V 特性

qΔlnJkTΔV

φB = kTln

A*T 2J0（1）（2）

ここで，A* はリチャードソン定数である。A* は次式で表される。
A* =4πqm*e k 2h3（3）m*e は電子の有効質量，h はプランク定数である。

図12InGa/4H-SiC（0001）の n-φB 特性（条件Ⅲ）（4）

こ こ で，φM は 金 属 の 仕 事 関 数，χS は 半 導 体 の 電子 親 和 力 で あ る。InGa の 仕 事 関 数11） は4.1-4.2eV，
4H-SiC の 電 子 親 和 力6） は3.6eV で あ る。 よ っ て，
InGa/4H-SiC（0001）障壁高さは0.5-0.6eV となる。このショットキーモデルによる理論値と本研究での実験値，過去の研究2, 3）における実験値との比較を表 3に示す。表中の Schottky limit というのは，（4）式に従った障壁高さという意味である。表 3 より障壁高さの実験値は約0.7eV 程度になっている事が分かる。このように，金属の仕事関数に依存せず障壁高さが一定になる現象はフィルミ準位のピニング現象12）と呼ばれ，SiC のような共有結合性5）を持つ半導体によく見られる。
表3

金属 /4H-SiC（0001）接触における Schottkylimit と実験値

電極金属

Schottky limit［eV］ 実験値［eV］

Mo（スパッタ）

1.0±0.15

0.69

Pt（スパッタ）

2.05±0.10.74

InGa（塗布）

0.5-0.60.74

本研究では4H-SiC に InGa を塗布する事で電極を形成し，障壁高さを測定したが，スパッタ法で形成した電極の障壁高さに近い値となった。金属電極の形成法で界面構造は多少異なり，障壁高さにも影響すると考えられるが，結果にはその影響が現れていない。おそらく，前述のピニング効果によりその影響が小さくなったと考えられる。
この仮説を裏付けるには，まず真空蒸着法等の種々の電極形成法で金属電極を形成し，それらの障壁高さを比較しピニングを確認する。次に適切な表面処理9） を行い，Schottky limit を得られる表面を用意し，同様の実験（各電極金属形成法の比較）を行えばよいと考えられる。
平成25年２月

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電気的特性による InGa/4H-SiC 接触界面に関する研究

4.

結論

本研究において，InGa は4H-SiC に対してオーミック性を示さない事が分かった。これまでの研究2, 3）で は 一 貫 し て4H-SiC（000-1）C 面 に InGa を 塗 布 してオーミック性であると仮定して実験を行ってきた。よってこれまでの研究の障壁高さの値について定量性の点では問題があると考えられる。これはInGa/4H-SiC（000-1）
C 面でオーミック性を確保できていないと考えられるからである。ただし，以前の結果について定性的には問題は無いと考えられる。
なぜなら，4H-SiC（000-1）C 面には一貫して InGa 塗布を行っていたので，試料同士の比較においてはその大小関係に変化は無いと考えられるからである。
今後の研究において障壁高さの定量性を確保するためには，現状の InGa に代わるオーミック性を有する電極材料を検討する必要がある。例えば，本研究で使用している InGa 合金の組成は50In-50Ga であるが，その組成比の異なる InGa 合金を作製する，InGa 合金に別の金属を添加する等の方法が考えられる。
また，InGa/4H-SiC（0001）の障壁高さは0.74eV となり，スパッタ法で形成した他の金属電極に近い値となった。これはピニング現象により，電極形成法の違いの影響を受けにくくなったのが原因と考えられる。

秋田高専研究紀要第48号

参考文献
1） L.Medvecky and J.Briancin,Chem.pap.58（2）, 93（2004）．
2） 進藤怜史，浅野清光，秋田工業高等専門学校研究紀要，46，pp.66-73,（2011）．
3） 進藤怜史，浅野清光，秋田工業高等専門学校研究紀要，47，pp.46-53,（2012）．
4） 進藤怜史，浅野清光，日本表面科学会東北・北海道支部講演会講演予稿集，pp.17-18, 2012
年 3 月8-9日 .
5） 松波弘之，半導体 SiC 技術と応用，日刊工業新聞社，（2003），pp.9-10.
6） 木本恒暢，SiC プロセス技術，応用物理 Vol.74，（2005），p.374.
7） 國岡昭夫，上村喜一，新版基礎半導体工学，朝倉書店，（1985），pp.126-128.
8） 長谷川文夫・吉川明彦，ワイドギャップ半導体
光・電子デバイス，森北出版，（2006），p.24.
9） T.Teraji and S.Hara, Phys.Rev.B70, 35312（2004）．
10）B.L.Sharma，Metal-Semiconductor Schottky
Barrier Junctions and Their Applications，
Plenum Press-New York and London，p.4,（1984）．
11）H.Haick and D.Cahen, Progress in Surface
Science, 83, 232（2008）．
12）小出康夫，村上正紀，金属 / 半導体および半導体 / 半導体接合界面におけるエネルギー障壁，
まてりあ，Vol.35，No.5，pp.502-503，（1996）．