　そこで、本研究では、GaNのパワー半導体を生産する際に、1300℃の成長炉で行われるエピタキシャル層での結晶成長に関して、RSDFT計算を用いたシミュレーションでミクロのレベルでどうようなことが起こっているかを解明し、GaNの高速成長を実現しつつ、不純物の混入やCとOの汚染を防ぐのに貢献する情報の取得を目指した。

　なお、エピタキシャル層でのGaNの結晶成長は、成長炉の気相でGaやTMG、NH³ガスなどを気相反応させ、反応した物質がエピタキシャル層に落下することで、生じることが分かっている。しかし、1300℃の成長炉には高温なため計測機器を設置できず、気相反応の詳細などが判明していなかった。

エピタキシャル層でのGaNの結晶成長のイメージ［クリックして拡大］　出所：「省エネルギー次世代半導体デバイス開発のための量子論マルチシミュレーション」の事後評価発表資料

　本研究では、RSDFT計算を用いたシミュレーションで、成長炉の気相でTMGがさまざまな反応経路を経て、最終的にガラン（GaH₃）まで分解することが判明した。

　加えて、気相中でNH³が分解しないGaNの結晶成長ケースもシミュレーションした結果、気相にあるNH³は、GaN基板上にあるGa電子同士の化学結合が弱い部分にくっつき、分解され、H₂（水素）は気相に取り込まれ、残ったNH（アンモニア）がさきほどと同様にGaN基板上にあるGa電子同士の接着が弱い部分に向けて0.6電子ボルト（eV）のエネルギーコストで移動し、ステップ端に拡散していく。これがGaNの結晶成長におけるステップフロー成長のミクロな実態だと分かった。

エピタキシャル層でのGaNのステップフロー成長のイメージ［クリックして拡大］　出所：「省エネルギー次世代半導体デバイス開発のための量子論マルチシミュレーション」の事後評価発表資料

　こういった成長炉内の気相分子の反応に関するデータを境界条件として流体のシミュレーターに取り込み、GaNの薄膜成長の表面と基層が成長炉内で熱平衡の関係にあることを踏まえて、シミュレーションした結果、GaNが1時間当たり2μ結晶成長することが判明した。この研究データは、GaNの結晶成長中に混入する不要な元素を取り込ませない手法を構築するのに役立つと考えている。

⇒その他の「素材／化学インタビュー」の記事はこちら

パワー半導体の生産性を大幅に向上する、欠陥特定装置を共同開発
Mipoxと名古屋大学は、パワー半導体の生産性を大幅に高める欠陥特定システムを共同開発した。SiCなどを材料とする半導体基板中の結晶欠落の種類や位置、キラー欠陥を非破壊で自動的に検出する。
パワーMOSFETでシャー芯に灯をともす
注目デバイスの活用で組み込み開発の幅を広げることが狙いの本連載。第11回は、「破壊実験のロマン」に突き動かされた筆者が、パワーMOSFETを使ってシャー芯に灯をともす。
Fin状トレンチ型SiC-MOSFETを製品化、サンプル出荷開始へ
日立パワーデバイスは、Fin状トレンチ型SiC-MOSFET「TED-MOS」を製品化した。2021年3月よりサンプル出荷を開始する。デバイス設計の自由度が向上したほか、耐久性と低消費電力を両立した。
SiC-MOSFETの課題克服へ、新材料を用いたゲート絶縁膜で信頼性を向上
SiC-MOSFETの量産採用に向けた課題の1つとして挙げられているのが、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜に起因する動作時の信頼性の低さだ。大阪大学と京都大学、ローム、東京エレクトロンは、AlON（アルミニウム酸窒化物）を用いたゲート絶縁膜によって、SiC-MOSFETの信頼性を高める技術を開発した。
オン抵抗を40％、スイッチング損失を50％低減したSiC-MOSFETを開発
ロームは、車載パワートレインシステムや産業機器用電源向けに「1200V 第4世代SiC MOSFET」を開発した。短絡耐量時間を短縮せずにオン抵抗を従来品と比較して約40％、スイッチング損失を約50％低減した。
日立AstemoがEV用インバーターにローム製SiC-MOSFETを採用、2025年に供給開始
ロームは、同社の第4世代SiC-MOSFETとゲートドライバICが、日立AstemoのEV（電気自動車）用インバーターに採用されたと発表。このインバーターは、国内自動車メーカーを皮切りに2025年から国内外向けに順次供給される予定である。