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教員紹介

山本 秀和 教授 工学博士

山本 秀和 教授 工学博士

略歴

北海道大学卒業

北海道大学大学院工学研究科博士後期課程修了

三菱電機入社

関西(19年), 福岡(3年), 熊本(3年半), 関西(半年)

2010年4月より千葉工業大学

趣味・特技

ウォーキング:メタボ対策で、1日10000歩を目標に歩いています。

ものを集めること(変なものが多いので不評):旅行先のマグネット、牛乳キャップ、お酒のラベル、フィギャー(戦車、ウルトラマン、ガンダム、仮面ライダー、・・・)など

研究分野

グリーンエネルギーデバイス

地球温暖化防止を目指したデバイスの基礎となる研究を行います。

結晶欠陥制御技術

結晶欠陥の半導体デバイスへの影響を解明し、コストを考慮して仕様を最適化します。

主な担当科目

電子デバイスおよび演習1

30年間行ってきた半導体研究の実績を生かし、半導体デバイスの構造と動作を解説します。

パワーデバイス

パワーデバイスは、地球温暖化防止をエレクトロニクス的に支えるデバイスとして、近年急激に注目され出しました。最先端の技術動向を含めて講義を行います。

電気材料

電気材料の基礎、導電材料、絶縁材料、半導体材料、磁性体材料に関する講義を行います。

ひとこと

判らないことは何でも質問しましょう。自分だけが知らないのじゃないかと思い、だんだん聞けなくなってしまいます。最初は知らないのが当たり前です。また、教科書や論文に書いてあることは、全てが正しいとは限りません。疑うことも重要です。偉大な先人達の例を見ても、人類の進歩の多くはそこが出発点でした。

研究概要

半導体デバイスは、ウエハ状(円板状)に加工された結晶を材料として製造されています。パワーデバイス用としては、シリコン(Si)が最も多く使用されており、次世代デバイス用としてシリコンカーバイド(SiC)や窒化ガリウム(GaN)が検討されています。ウエハ中の結晶欠陥は、ある時は製造歩留まりの向上、またある時はデバイス不良を引き起こし、諸刃の剣のように振舞います。いかに結晶欠陥をコントロールするかをウエハエンジニアリングと呼び、その研究を行っています。

研究室の様子

IGBTにおける転位の影響

IGBTにおける転位の影響

パワーデバイス用Siウエハにはミスフィット転位と呼ばれる結晶欠陥が多数存在します。ミスフィット転位はデバイス不良を発生させないこと、ミスフィット転位の先端にのみ歪があること、ミスフィット転位発生部には段差はあるが歪みはないこと等を見出し、ミスフィット転位発生メカニズムを解明してきました。
図は、スリップ転位の発生を加速したSiウエハにIGBTを作製し、リーク電流を測定した結果です。ミスフィット転位発生部はデバイス不良を引き起こさないが、スリップ転位はリーク不良(白い×)を引き起こします。

Siミスフィット転位発生部の表面段差

Siミスフィット転位発生部の表面段差

ミスフィット転位発生部の原子間力顕微鏡評価により、直線状の段差が観測されました。矢印部の一次元走査の結果、4本の段差は、すべて約0.5nmです。
ミスフィット転位発生部はデバイス不良は発生しませんが、ウエハ表面に段差が発生しています。この段差は、転位がウエハ表面を通過したことを示しています。ミスフィット転位形成により、歪は緩和されます。
本測定は日立製作所/日立ハイテクノロジーズ様のご協力で実施しました。

Siにおける転位周辺の応力評価

Siにおける転位周辺の応力評価

ミスフィット転位先端部周辺の顕微ラマン分光分析による局所応力を評価しました。ミスフィット転位未発生部、ミスフィット転位発生部では、歪は発生していません。一方、転位先端部においては引っ張り応力側および圧縮応力側に、約2cm-1ピークがシフトしました。シリコンにおいては1%の歪により8cm-1のラマンシフトが発生することが報告されています。ミスフィット転位の先端部には約0.25%の歪が発生しており、この歪により、高温処理時にミスフィット転位が伸展すると考えられます。

SiC結晶の評価

SiC結晶の評価

SiCには1cm2中に100000個程度の欠陥が存在します。さらに、GaNにはその100倍以上の欠陥が存在します。次世代パワーデバイス用として期待されている結晶の評価を、X線トポグラフィ法、フォトルミネッセンス法、ラマン分光法、ミラー電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、微分干渉顕微鏡など様々な手法を駆使して行っています。
SiC基板の積層欠陥を、X線トポグラフィ法、フォトルミネッセンス法、ミラー電子顕微鏡で評価した結果を示します。左上図はX線トポグラフィ法による評価、中央はフォトルミネッネッセンス法による評価、左下図はミラー電子顕微鏡による評価結果です。同一箇所の積層欠陥を評価できました。
それぞれの装置の特徴を生かした積層欠陥の評価が可能です。X線トポグラフィ法では、ウエハ厚さ方向全体の評価が可能です。フォトルミネッセンス法、ミラー電子顕微鏡は、ウエハ表面のみの評価です。ミラー電子顕微鏡では、表面段差と荷電粒子の捕獲による電位分布が評価可能であり、紫外線照射の有無で、分離できます。
X線トポグラフィはニッテツテクノリサーチ様、フォトルミネッセンスは明治大学/フォトンデザイン様、ミラー電子顕微鏡測定は日立製作所/日立ハイテクノロジーズ様のご協力で実施しました。

SiCバルク積層欠陥の段差

SiCバルク積層欠陥の段差

上記のSiCバルク積層欠陥の段差を原子間力顕微鏡で測定しました。図はその二次元マップです。段差と基板内部への侵入部で直線上の段差が確認できました。直線の交差角度は、X線トポおよびミラー電子顕微鏡で測定値と一致しました。
段差の高さはノイズに埋もれる程度ですが、1μm程度の幅での平均値から求めたところ、0.2~0.3nm程度でした。この値は、原子間距離程度の値ですが、それが評価できました。
本測定は、日立ハイテクノロジーズ様、日立製作所様、パークシステムズ様のご協力で実施しました。

著書:パワーデバイス

著書:パワーデバイス

現在、日本はエネルギー供給体制の変換に迫られています。この課題に対し、自然エネルギーの利用拡大、ハイブリッドカーや電気自動車による化石燃料使用量削減、電気機器のインバーター化による省エネルギー化の推進等をエレクトロニクス的に支えるパワーデバイスが注目を集めています。本書は、パワーデバイスの入門書として執筆しました。
多くのパワーデバイスは、LSIと同様単結晶シリコンを用いて製造されますが、結晶の製造方法、デバイス構造および製造プロセスが大きく異なります。しかしながら、パワーデバイスに焦点を当てた教科書、特に入門書はほとんどありません。本書では、半導体の基礎は動作を理解するうえでの必要最小限にとどめ、パワーデバイスの構造および特性と製造プロセスを詳しく解説しました。

著書:半導体LSI技術

著書:半導体LSI技術

現在の情報化社会において、シリコン集積回路LSIは必要不可欠の存在です。数多くのLSIがシステムの頭脳として使われ、人類に多大な恩恵をもたらしています。携帯電話からAV機器、コンピュータ、さらには自動車まで、LSIがなくては今の機能は実現されません。
本書は、牧野博之大阪工業大学準教授、益子洋治大分大学教授、および山本が共同執筆しました。具体的には、半導体LSIの歴史から半導体デバイス、デジタル回路、論理設計からレイアウト設計に至るLSI設計全般、およびLSI材料・製造プロセス、パッケージング技術や計測・検査・評価技術とクリーン化技術を網羅し、基本から最近技術までを解説しています。

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