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論文

Development of diagnostic method for deep levels in semiconductors using charge induced by heavy ion microbeams

加田 渉*; 神林 佑哉*; 岩本 直也*; 小野田 忍; 牧野 高紘; 江夏 昌志; 神谷 富裕; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 児島 一聡*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.240 - 245, 2015/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:40.75(Instruments & Instrumentation)

Deep level defects in semiconductors act as carrier traps Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) is known as one of the most famous techniques to investigate deep levels. However, DLTS does not well work for samples with high resistivity. To overcome this issue, DLTS using charge generated by ion incidence was proposed. Recently, we developed a deep level evaluation system based on Charge Transient Spectroscopy using alpha particles from $$^{241}$$Am (Alpha Particle Charge Transient Spectroscopy: APQTS) and reported the effect of deep levels in 6H SiC pn diodes generated by electron irradiation on the characteristics as particle detectors. In this study, we report the development of Charge Transient Spectroscopy using Heavy Ion Microbeams (HIQTS). The HIQTS can detect deep levels with micron meter spatial resolution since microbeams are applied. Thus, we can clarify the relationship between deep levels and device characteristics with micron meter resolution. When a 6H-SiC pn diode was irradiated with 12 MeV-oxygen (O) ions at 4$$times$$10$$^{9}$$ and 8$$times$$10$$^{9}$$ /cm$$^{2}$$, the charge collection efficiency (CCE) decreased to 71 and 52%, respectively. HIQTS signals obtained from those damaged regions using 15 MeV-O microbeams increased at measurement temperature ranges above 350 K, and the signals are larger with increasing 12 MeV-O ion fluence.

論文

Radiation hardness of n-type SiC Schottky barrier diodes irradiated with MeV He ion microbeam

Pastuovi$'c$, $v{Z}$*; Capan, I.*; Cohen, D.*; Forneris, J.*; 岩本 直也*; 大島 武; Siegele, R.*; 星乃 紀博*; 土田 秀一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.233 - 239, 2015/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:54.79(Instruments & Instrumentation)

The relationship between defects created in SiC semiconductors and the degradation of SiC particle detectors was investigated. The n-type Schottky barrier diodes (SBD) fabricated on an epitaxial 4H-SiC layer were irradiated with a raster scanned alpha particle microbeam (either 2 or 4 MeV He$$^{2+}$$ ions) to introduce crystal damage with different depths. Deep level transient spectroscopy (DLTS) was applied to characterize defects generated in SiC by He ion irradiation. Ion Beam Induced Charge (IBIC) microscopy was used to determine the degradation of the charge collection efficiency (CCE). DLTS and electrical characteristics measurements suggested that minority carrier lifetime decreased with increasing the concentration of Z$$_{1/2}$$ defect. Also, the free carrier concentration in SiC decreased with increasing He fluence. Furthermore, the formation of new type of defects, i.e. complex (cluster) defects was detected. In conclusion, the value of CCE decreased due to above-mentioned effects.

論文

Heavy-ion induced anomalous charge collection from 4H-SiC Schottky barrier diodes

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 平尾 敏雄*; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(4), p.2647 - 2650, 2013/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:59.34(Engineering, Electrical & Electronic)

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象研究の一環として、逆方向電圧を印加したn型六方晶(4H)SiCショットキーダイオードへ重イオンを照射し、ダイオード内で収集される電荷量を測定した。その結果、イオンの飛程がエピタキシャル層厚と同等、もしくはそれ以上の場合に、本来、入射イオンがイオンダイオード内に生成する電荷量を越えた多量の電荷収集が発生することが観測された。解析の結果、ショットキーダイオードにおける過剰な電荷収集においては、イオンの飛程とエピタキシャル層厚の関係が重要なパラメータであり、エピタキシャル層と基板の界面付近で発生した電荷によりポテンシャルが変動し、基板側から電荷が流れ込むという描像で説明できることが見いだされた。

論文

Defect-induced performance degradation of 4H-SiC Schottky barrier diode particle detectors

岩本 直也; Johnson, B. C.; 星乃 紀博*; 伊藤 雅彦*; 土田 秀一*; 児島 一聡*; 大島 武

Journal of Applied Physics, 113(14), p.143714_1 - 143714_5, 2013/04

 被引用回数:27 パーセンタイル:77.13(Physics, Applied)

A correlation between radiation induced defects and charge collection performance of 4H-SiC Schottky barrier diodes has been studied. Charge collection efficiency (CCE) of the detectors is degraded by irradiation with 1 MeV electrons to a fluence of 1$$times10^{15}$$ cm$$^{-2}$$. Three electron traps, labeled EH$$_1$$, Z$$_{1/2}$$ and EH$$_3$$, are observed after the electron irradiation by deep level transient spectroscopy. Low temperature annealing at 300 $$^circ$$C is found to recover CCE significantly and remove EH$$_1$$ and EH$$_3$$ completely. On the other hand, Z$$_{1/2}$$ is not removed by annealing up to 400 $$^{circ}$$C, and does not correlate the annealing behavior of CCE. Therefore, we conclude that EH$$_1$$ and EH$$_3$$ are more responsible for the degraded CCE than Z$$_{1/2}$$.

論文

Heavy-ion-induced charge enhancement in 4H-SiC schottky barrier diodes

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.66 - 69, 2012/12

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象の発生メカニズム解明を目指し、n型六方晶(4H)SiCショットキーダイオード内で発生する電荷量を測定した。ショットキーダイオードは、n型4H-SiC基板の上に成長させた30$$mu$$m厚のエピタキシャル層上に作製した。照射は、ダイオード内での飛程約26$$mu$$mを持つKr-322MeVを用いた。ダイオードに逆方向電圧を印加し、収集される電荷量をチャージアンプ(ORTEC 142C)で測定した。測定の結果、400V以上の電圧を印加した場合、Krがダイオード内に生成する電荷量を越えた電荷収集が発生した。イオン入射数と観測された電荷発生イベント数が同じであることから、この過剰な電荷は、ダイオード内に生成された電荷が何らかの理由で増幅されたものといえる。ダイオードは電荷によって破壊されることから、SiCショットキーダイオードの破壊現象の発生メカニズムにとって重要な知見といえる。

論文

Annealing effects on charge collection efficiency of an electron-irradiated 4H-SiC particle detector

岩本 直也; Johnson, B. C.; 大島 武; 星乃 紀博*; 伊藤 雅彦*; 土田 秀一*

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.62 - 65, 2012/12

Thermal annealing effects on the charge collection efficiency (CCE) of an electron-irradiated 4H-SiC Schottky barrier diode (SBD) particle detector have been studied. The SBD particle detector was irradiated with 1 MeV electrons to a fluence of 1$$times$$10$$^{15}$$ cm$$^{-2}$$ and subsequently annealed between 100 $$^{circ}$$C and 600 $$^{circ}$$C for 30 minutes. The CCE of the SBD was characterized by using 5.5 MeV alpha particles. Before the electron irradiation, a CCE value of 100% is obtained at a reverse bias voltage of 20 V and higher. Degradation of the CCE is seen after electron irradiation and is more pronounced at lower bias voltages. The degraded CCE recovers as the anneal temperature increases up to 300 $$^{circ}$$C. However, the CCE starts to decrease again by 350 $$^{circ}$$C. From these results, it is concluded that thermal annealing for the recovery of SBD particle detector performance should not exceed 300 $$^{circ}$$C.

口頭

アルファ粒子を利用した低ドープn型4H-SiC中の欠陥準位の検出

岩本 直也; Johnson, B. C.; 大島 武; 星乃 紀博*; 土田 秀一*

no journal, , 

半導体のバンドギャップ中に存在する欠陥準位を評価し制御することは、半導体デバイスの開発において必要不可欠である。ところが、従来の欠陥評価手法では、低ドープの半導体中の欠陥準位を検出することが難しいという欠点がある。本研究では、アルファ粒子を用いることでこの問題を解決し、低ドープ半導体中の欠陥準位の検出を試みた。試料は、次世代のパワーデバイスの材料として期待されているn型4H-SiCである。ドーピング濃度は10$$^{14}$$cm$$^{-3}$$以下であり、従来の評価手法では欠陥を検出することが非常に難しい。このSiC上にダイオードを作製し、一部のダイオードには意図的に欠陥準位を導入するために電子線照射と熱処理を行った。これらのダイオードに逆バイアス電圧を印加した状態で5.5MeVのアルファ粒子を入射させ、電荷収集特性を測定した。試料の温度を変化させながら測定した電荷収集特性に対して、Rate Window解析を行ったところ、電子線照射と熱処理を行ったダイオードには、約0.5eVの活性化エネルギーを有する欠陥準位が検出された。

口頭

4H-SiCショットキーダイオードにおけるイオン誘起電荷の過剰収集

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

no journal, , 

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象研究の一環として、逆方向電圧を印加したn型六方晶(4H)SiCショットキーダイオードへ重イオンを照射し、ダイオード内で収集される電荷量を測定した。ショットキーダイオードは、n型4H-SiC基板の上に成長させた30$$mu$$m厚のエピタキシャル層上に作製しており、逆方向に400V以上の電圧を印加した状態でKrイオン(エネルギー322MeV、飛程27$$mu$$m in SiC)を照射した。その結果、Krイオンがダイオード内に生成する電荷量を越えた電荷収集が確認された。この原因として、イオンの飛程とエピタキシャル層厚の関係に注目し、ダイオード内での飛程が異なる$$alpha$$線(エネルギー5.4MeV、飛程18$$mu$$m in SiC)を照射し、収集電荷量を測定した。しかし、$$alpha$$線がダイオード内に生成する電荷量を越えた電荷収集によるピークは確認されなかった。以上より、ショットキーダイオードにおける過剰な電荷収集は、イオンの飛程がエピタキシャル層厚と同等、もしくはそれ以上の場合に起こる現象であると推察できる。

口頭

4H-SiCショットキーダイオードにおけるイオン誘起電荷の増幅

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

no journal, , 

耐放射線性デバイスへの応用が期待されるSiCデバイスのイオン誘起破壊現象研究として、逆方向を印加したn型六方晶(4H)SiCショットキーダイオードへ重イオンを照射し、ダイオード内で収集される電荷量を測定した。ショットキーダイオードは、n型4H-SiC基板上に成長させた30$$mu$$m厚のエピタキシャル層に作製し、ダイオード内での飛程約26$$mu$$mを持つKr-322MeVを照射した。基板側に正の電圧を印加し、基板で収集される電荷量をチャージアンプ(ORTEC 142C)で測定した。その結果、400V以上の電圧を印加した場合、Krがダイオード内に生成する電荷量を越える電荷収集が観測された。イオン入射数と観測された電荷発生イベント数が同じであることから、この過剰な電荷は、ダイオード内に生成された電荷が何らかの理由で増幅されたものといえる。SiCショットキーダイオード内の空乏層がエピタキシャル層に近づくとこの現象が観測されることから、イオン誘起電荷の増幅メカニズムにはエピタキシャル層と基板の界面が何らかの関与をしていると考えられる。

口頭

Defect levels in low-doped 4H-SiC Schottky barrier diodes detected by using alpha particles

岩本 直也; Johnson, B. C.; 星乃 紀博*; 伊藤 雅彦*; 土田 秀一*; 大島 武

no journal, , 

Defects in Schottky barrier diodes (SBDs) formed on low-doped 4H-silicon carbide (SiC) have been studied by charge transient spectroscopy using single high energy alpha particles as the trap filling pulse. We have successfully detected defect levels in as-fabricated, electron-irradiated and thermally annealed SBDs where the high series resistance precludes the use of standard techniques such as Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). It was found that carrier capture cross sections of detected defect levels are as large as 10$$^{-14}$$ cm$$^{2}$$. These defect levels, which have large capture cross sections, are the most important since they tend to dominate recombination processes in devices.

口頭

Z$$_{1/2}$$センターとSiC高エネルギー粒子検出器の電荷収集効率の関係

岩本 直也; Johnson, B. C.; 星乃 紀博*; 伊藤 雅彦*; 土田 秀一*; 児島 一聡*; 大島 武

no journal, , 

六方晶炭化ケイ素(4H-SiC)のキャリアライフタイムキラー欠陥として知られるZ$$_{1/2}$$センターと、4H-SiC高エネルギー粒子検出器の電荷収集効率の関係を明らかにすることを目的に研究を行った。高エネルギー粒子検出器として4H-SiCダイオードを使用した。このダイオードに1MeVの電子線を1$$times$$10$$^{15}$$cm$$^{-2}$$照射することでZ$$_{1/2}$$を含む放射線誘起欠陥を形成した。電子線照射したダイオードに対して、100$$^{circ}$$Cから300$$^{circ}$$Cで熱処理を行い電荷収集効率と欠陥の変化を調べた。初期値が100$$%$$であった電荷収集効率は、電子線照射後に78$$%$$に低下した。このとき、EH$$_1$$, Z$$_{1/2}$$, EH$$_3$$の3種類の欠陥が形成されていることが確認された。300$$^{circ}$$Cまでの熱処理によって電荷収集効率は93$$%$$まで回復し、EH$$_1$$及びEH$$_3$$の欠陥は消滅した。一方、Z$$_{1/2}$$は、電子線照射後から300$$^{circ}$$Cまでの熱処理の間でほとんど変化しない。以上のことから、電子線照射によって低下した電荷収集効率のうち、300$$^{circ}$$Cでの熱処理後も回復していない成分(およそ1/3)がZ$$_{1/2}$$による影響であると考えられる。

口頭

4H-SiCショットキーダイオードにおけるイオン誘起破壊前兆現象メカニズムの検討

牧野 高紘; 出来 真斗*; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

no journal, , 

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象の耐性強化技術の開発に向け、30$$mu$$mのエピタキシャル層を持つSiCショットキーダイオード(SBD)へ、SiC中での飛程が異なる2種類の重イオン(18及び27$$mu$$m)を照射し、SBDの収集電荷を評価した。具体的には、重イオン照射中に、SBDは逆方向バイアスを徐々に増加させ、収集される電荷をチャージアンプで測定した。その結果、飛程が長いイオンを照射した場合、印加電圧400V以上の条件において、イオンがSBD内に生成する電荷量を越えた電荷収集が確認された。一方、飛程が短いイオンを照射した場合、印加電圧400V以上となってもイオンがSBD内に生成する電荷量を越えた電荷収集は確認されなかった。この過剰収集の原因として、イオンの飛程とエピタキシャル層厚に関係があると予想し、エピタキシャル層厚の異なる(25及び69$$mu$$m)SBDへ、飛程が長いイオン(27$$mu$$m)を照射し、収集電荷測定を行った。その結果、イオンの飛程に対してエピタキシャル層が十分に厚い69$$mu$$mの場合は過剰収集が発生せず、エピタキシャル層が同等の25$$mu$$mの場合のみ過剰収集が確認された。このことより、予想どおり電荷の過剰収集においてイオンの飛程とエピタキシャル層厚の関係が重要であると結論できた。

口頭

アルファ粒子誘起過渡電荷を用いた4H-SiCショットキーバリアダイオード中の欠陥評価

神林 佑哉; 小野田 忍; 加田 渉*; 牧野 高紘; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武; 神谷 富裕; 花泉 修*

no journal, , 

半導体デバイス中に発生する照射欠陥の評価技術として開発を進めているアルファ線誘起電荷スペクトロスコピー(APQTS)評価装置の改良を行うとともに、その装置を用いて電子線や陽子線照射により六方晶炭化ケイ素(4H-SiC)を用いたショットキーダイオード(SBD)型粒子検出器に発生する欠陥を調べた。評価装置の改良としては、従来の試料が固定されたチップキャリアを冷却・加熱する方式から、試料を直接冷却・加熱ホルダーに固定する方式へとすることで、200K$$sim$$600Kであった測定温度範囲を100K$$sim$$600Kとした。この装置を用いて、1MeV電子線, 3MeV陽子線を照射することで電荷収集効率を低下させた4H-SiC SBDのAPQTS評価を行った。その結果、350K付近にAPQTSスペクトルのピークが観測され、このピークをアレニウスプロットすることで活性化エネルギーを求めたところ0.55eVであることが判明した。この欠陥ピークが室温付近で観測されること、0.55eVと深い準位であることから、この欠陥の発生により4H-SiC SBDの粒子検出特性が低下すると結論できた。

口頭

Investigation of deep levels in silicon carbide using ion-induced charge transient spectroscopy

加田 渉*; 小野田 忍; 岩本 直也*; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 牧野 高紘; 神林 佑哉; 江夏 昌志; 花泉 修*; 神谷 富裕; et al.

no journal, , 

Charge transient spectroscopy (QTS) techniques using ionizing particle probes, 5.5 MeV alpha particles from an $$^{241}$$Am radiation source (APQTS) and focused heavy ions (10.5 MeV oxygen) from a 3 MV tandem accelerator (HIQTS) were applied in order to investigate effects of deep levels on the Charge Collection Efficiency (CCE) of Schottky Barrier Diodes (SBDs) fabricated on 4H Silicon Carbide (SiC). The degradation of CCE for 4H-SiC SBDs irradiated with 3 MeV protons at 10$$^{12}$$ /cm$$^{2}$$ was observed. The APQTS and HIQTS measurements for the irradiated 4H-SiC SBDs were performed. As a result, a deep level at an activation energy of 0.73 eV was detected from the irradiated 4H-SiC SBDs.

口頭

Ion-induced anomalous charge collection mechanisms in SiC Schottky barrier diodes

牧野 高紘; 出来 真斗*; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

no journal, , 

これまで、30$$mu$$mのエピタキシャル層を持つSiCショットキーダイオード(SBD)へ、SiC中での飛程が異なる2種類の重イオン(18, 27$$mu$$m)を照射し、SBDの収集電荷を評価してきた。その結果、イオンがSBD内に生成する電荷量を越えた電荷収集(過剰収集)は、飛程が長いイオンを照射した場合、印加電圧400V以上の条件で発生するのに対し、飛程が短いイオンを照射した場合、印加電圧400V以上でも確認されないことを明らかにしている。この過剰収集の原因を解明するため、イオンの飛程とエピタキシャル層厚に注目し、エピタキシャル層厚が異なる(25, 69$$mu$$m)、2つのSBDへ、イオン(飛程27$$mu$$m)を照射し、収集電荷のエピ厚依存性を調べた。その結果、どちらの場合においても過剰収集は発生するが、25$$mu$$mの場合の方が69$$mu$$mの場合に比べて電荷の増幅率が大きいことが分かった。このことより、電荷の過剰収集においてイオンの飛程とエピタキシャル層厚の関係が重要であることが明らかとなった。

口頭

4H-SiCショットキーバリアダイオードにおけるイオン誘起破壊メカニズムの検討

牧野 高紘; 出来 真斗*; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

no journal, , 

炭化ケイ素(SiC)デバイスのイオン誘起破壊メカニズムの解明に向け、n型六方晶4H-SiC SBDのエピタキシャル層(エピ層)厚とSBD内でのイオンの飛程の関係に注目し、SiCショットキーダイオード(SBD)に発生するイオン誘起電荷量を評価した。実験は、エピ層厚の異なる(25及び69$$mu$$m)SBDへ、デバイス中飛程27$$mu$$mのイオンを照射し、収集電荷測定を行った。どちらの場合も400 V印加時には、理論値を越えた過剰な電荷収集が観測され、イオン誘起電荷が増幅されることが判明した。この時のSBD内の電界強度は、25$$mu$$mと69$$mu$$mどちらのエピ層においてもほぼ同じであるが、エピ層内に誘起される収集電荷量の増幅率は69$$mu$$mよりも25$$mu$$mのエピ層でより大きくなることがわかった。このことより、エピ層厚とイオン飛程の関係が電荷の増幅・過剰収集に関与する重要なパラメータであると帰結できた。

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