In 1986, Kentaro Shibahara achieved the world’s first successful demonstration of an inversion-type SiC-MOSFET. In this tribute, Professor Hiroyuki Matsunami (Professor Emeritus, Kyoto University) recounts how Shibahara overcame technical challenges through his own efforts to realize the MOSFET, and reflects on the significance of this achievement. Professor Matsunami also describes how he and Shibahara, along with their colleagues, jointly received the SSDM Award for their work on Step-Controlled Epitaxy, a foundational technology that paved the way for the practical realization of today’s SiC power devices.
芝原健太郎君の歩んだ道 The Path of Dr. Kentaro Shibahara 松波弘之(京都大学名誉教授) Hiroyuki Matsunami, Professor Emeritus, Kyoto University 2011年10月10日 October 10, 2011
SiCのデバイス化に向けて:基板上へのβ-SiC単結晶成長と不純物添加 Toward SiC Device Fabrication: Single-Crystal Growth of β-SiC on Substrates and Doping
世界初のSiC-MOSFET実現と博士論文:IEDL掲載による動作実証の記録 World’s First Demonstration of SiC-MOSFET Operation and Publication in IEEE EDL
この段階で、 CVD (Chemical vapor Deposition)法による3C-SiC成長層の伝導度制御が可能になった。 必要とする半導体単結晶を制御性よく作るところまで来たから、これから先はデバイスということで、SiCを用いたMOSFET1(金属(M)-酸化膜(O) -半導体(S)電界効果トランジスタ(FET) の作製に挑戦して貰った。2 幸いにも、ある会社から中古のイオン注入装置を寄付して貰うことができたので、イオン注入から挑戦と言うことになった。研究室では、全く経験のない装置で、多くの苦労があった。教室内3でもイオン注入技術に長けた人材は居なかった。他大学でイオン注入を手掛けていた研究者に相談をして、SiCの場合にどのようになるかを自ら解析して、注入条件を設定した。 何物にもめげず、前進あるものとの意気込みで研究に取り組み、1986 年にはMOSFETが実現した。4世界初のMOSFET5であり、国内のSSDM (固体素子材料会議) 6でLate Newsとして発表7してもらうとともに、IEEE Electron Device Lett.誌8に発表した。9 博士論文は、これらをまとめて、「Epitaxial Growth Of SiC by Chemical vapor Deposition and Application to Electronic Devices」で101988年3月に工学博士を授与された。学位論文には、後述する「ステップ制御エピタキシー」11の基本が含まれている。
国際学会MRSで発表 Presentation at the MRS International Conference
1986年にSi上の3C-SiC12を用いて、世界初のMOSFETを作製した成果をもって、1987 年4月に米国アナハイムで開かれたMRS13(Materials Research Symposium)で発表14するために芝原君にとっては初めての国際会議に同行した。 UC (University of California) Santa Barbara 校を訪問した後、ヨセミテ公園を経由、サンフランシスコに着き、Stanford大学のDutton教授を訪問した。大学院生を引率しての初めての海外出張であり、緊張もしたが、芝原君がどのように感じたかは、詳しくは聞かなかった。
世界初のSiC-MOSFETを携えてCree Researchへ:Dr. Palmourの記憶に残る成果 Bringing the World’s First SiC-MOSFET to Cree Research: A Lasting Impression on Dr. Palmour
1987年5月1日、North Carolina State Universityにて。左から、Hua-Shuang Kong夫妻、John W. Palmour(当時博士課程)、Robert F. Davis教授、芝原健太郎、Kalyan Das。写真は西野茂弘氏20提供。西野氏の記憶によれば、写真に写るNCSU関係者の一部は、その後Cree Researchの創業に参加、または同社に勤務したという
1987年5月1日、John A. Edmondと芝原健太郎。写真は西野茂弘氏提供。Edmondは1987年にCree Research(現Wolfspeed)を共同創業した
「ステップ制御エピタキシー」とSSDM Award受賞 “Step-Controlled Epitaxy” and the SSDM Award
2005年4月にとても嬉しい連絡を受けた。京都大学が1987年にSSDM (固体素子材料国際会議)で発表した「Step-Controlled VPE Growth Of SiC Single Crystals at Low Temperatures21」by N. Kuroda, K. Shibahara’ w. Y00′ s. Nishino’ and H. MatsunamiがSSDM-2005で、表彰22されるというニュースであった。 第1回から2000年までの間にSSDMで発表された論文の中から、年に1件だけ表彰されるたいん名誉な賞である。 授与式では、著者の 5人(黒田、芝原、兪、西野、松波) 23が集まることができ、たいん嬉しく、晴れがましい経験をした。 この技術が中核となって、今、パワー半導体SiC24の実用化が始まっている。 2011年10月10日
SiCを用いたMOSFETの作製に挑戦・・・芝原らはこれに先立つ1984年、CVD成長した3C-SiCにMOS構造を形成し、その電気特性を評価した。この研究では、SiC表面に反転状態が形成されることが確認されており、1986年の反転型SiC-MOSFET実現に直接つながる基礎研究の一つである。この1984年論文は、1986年の反転型SiC-MOSFET論文(注8)でも先行研究として引用されている。 K. Shibahara, S. Nishino and H. Matsunami, “Metal-oxide-semiconductor characteristics of chemical vapor deposited cubic-SiC,” Jpn. J. Appl. Phys., 23 (1984) L862–L864. [DOI: 10.1143/JJAP.23.L862] 【参考文献】研究会資料「Si基板上に成長させたβ-SiCに関する諸話題」(“Topics on β-SiC Grown on Si Substrates” Workshop Material, April 30, 1986) ↩︎
Late Newsとして発表…この時のタイトルは “Inversion-type N-channel MOSFET Using Antiphase-domain Free Cubic-SiC Grown on Si(100)”。 [研究業績] 1986年に掲載。 SSDM Late Newsは最新の研究成果や重要な進展を、通常の締切後に追加で募集される論文の特別枠。 正式論文扱いとなる。 ↩︎
IEEE Electron Device Lett.誌(EDL)・・・IEEE Electron Devices Society が発行する公式ジャーナル. 研究の新規性やインパクトが強く求められるトップクラスの速報誌として国際的に認知されている. ここに論文が掲載されることは、電子デバイス分野において非常に重要であり、研究者の評価やキャリアに大きな意味を持つ. IEEE(米国電気学会)は世界最大の技術者組織. ↩︎
「Epitaxial Growth Of SiC by Chemical vapor Deposition and Application to Electronic Devices」・・・(「化学気相成長法によるSiCのエピタキシャル成長と電子デバイスへの応用」)(1987年京都大学)学位論文https://doi.org/10.14989/doctor.k3995↩︎
ステップ制御エピタキシー・・・高性能SiCパワーデバイスの製造に必須の基盤技術.SiC基板表面の原子ステップを利用して、成長するSiCの結晶構造(ポリタイプ)を制御する結晶成長法。高品質なSiCホモエピタキシャル層を得るための基盤技術となった。芝原らはこれに先立つ3C-SiC研究で、基板表面の原子ステップとAPD(Anti-Phase Domain)の関係を調べ、オフ基板によってAPDのない成長層が得られることを示している。関連論文:K. Shibahara, S. Nishino and H. Matsunami, “Antiphase-domain-free growth of cubic SiC on Si(100),” Appl. Phys. Lett., 50 (1987) 1888–1890. [DOI: 10.1063/1.97676] 【関連記事】ステップ制御エピタキシーまでのSIC研究/寄稿 「証言記録 ステップ制御エピタキシー」↩︎
MRS(Materials Research Society)・・・ 材料科学分野の世界最大級の国際学会で、エレクトロニクス、エネルギー、バイオなど広範な材料研究者が集まり、最新の研究成果発表や議論が行われている。 ↩︎
MRS(Materials Research Society)で発表・・・K. Shibahara et al., “Inversion-type MOS field effect transistors using CVD grown cubic SiC on Si”, Proc. Mat. Res. Soc., 97 (1987) 247-252. DOI: 10.1557/proc-97-247↩︎
Dr. John Palmour・・・John W. Palmour。米国の半導体研究者で、Cree(現 Wolfspeed)の共同創業者. SiC半導体デバイスの開発を世界的に牽引した人物。SiCの国際学会ICSCRM2011で、世界で最初のSiC MOSFET作製の報告として芝原健太郎の3C-SiC MOSFETを紹介した。次の注を参照。 ↩︎
Dr. John Palmour(前の注参照)は2011年、SiCの国際学会で芝原のMOSFETを世界で最初の SiC MOSFET 作製の報告として紹介している。 以下は共同研究者西野茂弘氏の寄稿(2011年追悼文集)から引用。 「今年(2011.911~9.16)「SiC の国際会議:ICSCRM2011」がクリーブランド (Ohio,U.S.A.)でありました。私(※西野氏)は残念ながら出席できませんでしたが、日本の出席者から次のようなメールをもらいました。『さて、ICSCRM のクロージングプレナリーですが、Infineon の Roland Rupp と CREE の John Palmour でした。ここで Palmour の方が MOSFET 商品化に至るまでの経緯・歴史を紹介しており、世界で最初の SiC MOSFET 作製の報告として芝原先生の 3C-SiC MOSFET が紹介されました。スライド一枚で論文のタイトルと著者だけの紹介でしたが、Palmour が芝原先生を respect しているということが感じられました。』。これは嬉しいことです。芝原君がこれを聞けば 1987 年に NCSU を訪問して「SiC の諸問題について議論したあの John Palmour が自分の仕事を高く評価してくれている」と喜んだと思います。」 ↩︎
”Step-Controlled VPE Growth of SiC Single Crystals at Low Temperatures” ・・・本文献は、1987年に黒田尚孝、芝原健太郎、松波弘之らが、国際学会「SSDM」において、後に「ステップ制御エピタキシー」と呼ばれる結晶成長法を “Step-Controlled VPE Growth” として初めて報告したExtended Abstract[1987年SSDM論文(全文)](DOI: 10.7567/SSDM.1987.C-4-2)。 「ステップ制御エピタキシー」については、注11.を参照。 なお、このExtended Abstractでは、芝原らによる①3C-SiCの表面形態・APD研究(1986)、②オフ基板によるAPD-free成長(1986年の研究、1987年発表)、および③APD-free 3C-SiCを用いた反転型MOSFET(1986)が先行研究として引用されている。 ① “Surface morphology of cubic-SiC(100) grown on Si(100) by chemical vapor deposition” (J. Crystal Growth, 78 (1986) 538–544)、② “Antiphase-domain-free growth of cubic SiC on Si(100)” (Appl. Phys. Lett., 50 (1987) 1888–1890)、③ “Inversion-type N-channel MOSFET Using Antiphase-domain Free Cubic-SiC Grown on Si(100)” (SSDM 1986, p.717)。[研究紹介]や[研究業績]を参照 ↩︎
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