V体育出世界上最高空间分辨率的功率器件材料SiC电特性测量装置

演示要点

〇　我们V体育了一种新设备，可以利用光强度测量功率器件材料碳化硅 (SiC) 的电性能分布。
〇　所V体育的装置获得的空间分辨率为3微米，超过了之前报道的值，是世界上最高的。
〇　可视化 SiC 中电性能的精细分布可以导致高性能 SiC 器件的生产和成本降低。

Summary

　一种称为碳化硅（SiC）（*2）的晶体材料有望用作用于高功率电压转换的功率器件（*1）。为了制造控制大功率的功率器件，需要控制SiC晶体内部的电特性分布，但目前还无法将电特性的微小分布可视化。
我校工学研究科加藤正志副教授课题组与富士电机株式会社、电力工业中央研究所、昭和电工株式会社、独立行政法人产业技术综合研究所的课题组合作，确立了以3微米的世界最高空间分辨率（*3）测量SiC电特性的微小分布的技术并V体育了装置。该测量技术可以轻松可视化SiC功率器件的内部结构是否按照设计制造，从而提高SiC功率器件的性能。

研究背景

　功率器件是半导体元件，用于控制火车和汽车的速度，以及在输配电系统中转换电压。碳化硅（SiC）有望用作制造此类功率器件的新型晶体材料。使用SiC晶体的功率器件已经开始在一些领域投入实际应用，例如下一代新干线列车，并且据报道可以显着降低功耗。然而，电力基础设施（例如从发电厂传输的电力）需要将更大量的电力转换为电压的大功率电力设备。为了最大限度地发挥这种高功率功率器件的性能，有必要控制晶体内部的电特性分布，但很难想象功率器件制造后的分布是否实际上按照设计进行控制。

研究内容/结果

　本研究では、065という开口数（※４）の大きい対物renzuを通して、电子と正孔（※5）を作る长の短いureーザー(355 nm)と、电子と正孔により吸收される波长のreーザー(405 nm)を集光してSiCに发光装置するを开発しました。图1显示了设备配置的概念图。电子和空穴的数量随时间的变化，或者换句话说，电性能随时间的变化，可以通过随时间变化透射 405 nm 光的强度来测量。光を绞ることができる开口数の大きい対物伦ズを使用することと、波长405 nmという比较的短い波长の光を使うことで、扫描い领域のみの电子と正孔の量を観测できることが、この装置の特徴です。

图 1。　以高空间分辨率测量 SiC 电特性的设备概念图。通过数值孔径为 065 的物镜，用以纳秒脉冲振荡的 355 nm 激光和波长 405 nm 的连续波 (CW) 激光照射 SiC 样品。读取穿过样品的 405 nm 光的强度，以测量电子和空穴消失的速度。

　本研究中测量的 SiC 样品具有如图 2 所示的具有 p 型和 n 型区域的二极管结构。在其中一个样品中，有意在内部放置了一层 11 微米厚的薄层，其中含有称为钒的杂质元素，试图创建一个电子和空穴快速消失的区域，其电特性与周围区域不同。 This layer is expected to increase the diode's performance by consuming less power when the diode turns from on to off However, it has not been possible to confirm whether electrons and holes actually disappear quickly in that layer

图 2。被测样品的截面结构图。 n⁺n 在打字板上⁺类型 → n 类型 → p 类型 → p⁺类型配置和功能作为二极管。在样品(b)中，含有钒(V)的层(N/V掺杂层)被插入到n型区域中以提高二极管的性能。


图 3(a)是利用二次离子质谱法(*6)测定图2(b)中的样品内部的钒量的结果，可以看出，按照设计，在11微米的宽度中含有钒。图3（b）显示了使用本研究V体育的设备测量的图2（a）和（b）所示样品中电子和空穴的消失速度（1/e寿命：值越小，越快）的分布。图 2(a) 中不含钒的样品具有均匀分布，但图 2(b) 中含有钒的样品在含钒层中表现出较小的 1/e 寿命值。 In other words, it was visualized that the electrical properties of the sample had the distribution as designed Additionally, from these results, we found that the spatial resolution of the developed measurement device was approximately 3 microns
　此外，所V体育的装置不仅可以进行高空间分辨率的测量，还可以通过调整测量条件来准确估计电子和空穴消失的速度。

图 3。　(a) Depth distribution of the amount of vanadium in a sample containing vanadium图2中X=0为p+型表面，可以看出距表面22-33微米深度处宽11微米内含有钒。 (b) Depth distribution of 1/e lifetime showing the speed at which electrons and holes disappear The inset shows the detailed 1/e lifetime depth distribution around the layer containing vanadium It can be seen that the 1/e lifetime decreases at a depth of 22-33 microns where vanadium is present另外，从1/e寿命均匀的位置到最小值的位置的距离可以看出，空间分辨率为3微米。

社会意义

　V体育的设备可以可视化 SiC 内部电特性的微小分布。在这项研究中，我们可视化了在 SiC 二极管内引入钒的效果，但也可以可视化由于其他因素而导致的 SiC 电性能分布。因此，该技术可以为SiC功率器件的V体育和制造提供重要的信息来源，从而提高SiC功率器件的性能并降低制造成本。

未来发展

　通过将所V体育的设备应用于SiC功率器件的研发，预计将带动高性能、低成本、大功率SiC功率器件的市场销售。此外，随着高功率SiC功率器件的普及，未来将有可能降低电力基础设施的功耗。

论文信息

论文标题：“使用微观时间分辨自由载流子吸收系统观察 4H-SiC 厚外延层中的载流子寿命分布”
作者姓名：K Nagaya、T Hirayama、T Tawara、K Murata、H Tsuchida、A Miyasaka、K Kojima、T Kato、H Okumura、M Kato
出版杂志名称：Journal of AppliedPhysics【
发布日期：2020 年 9 月 8 日
doi：101063/50015199
网址：

联系信息

研究相关

V体育工学研究生院
电气/机械工程系
加藤正史副教授
电话：052-735-5581
电子邮件：katomasashi[at]nitechacjp

Matters related to public relations

Nagoya Institute of Technology Planning and Public Relations Division
电话：052-735-5647
电子邮件：pr[at]admnitechacjp

*请将每个 [at] 替换为 @。