【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.02】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24KT2303

利用課題名 / Title

化合物半導体デバイスにおける半導体-電極界面の接合信頼性と最適な接合条件の探索

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

化合物半導体,接合信頼性,接触抵抗,異種材料接着・接合技術/ Dissimilar material adhesion/bonding technology,スパッタリング/ Sputtering

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

菅原 徹

所属名 / Affiliation

京都工芸繊維大学　大学院工芸科学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-202：多元スパッタ装置（仕様Ｂ）

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

半導体デバイスに内包される多様な異種材料界面は、複雑な界面現象を発現し、電気・熱輸送効率とデバイスの信頼性を左右する重要な要素である。しかしながら、異種材料界面の物性を精密に評価する基盤技術の構築や、界面信頼性に関する実証・実験は不十分であるため、 デバイスの界面設計指針が定まっていない。本研究では、膨大な接合条件の半導体/金属界面 の電気的・熱的物性を網羅的に測定・評価することで、低い接触抵抗と高い熱化学的安定性を有する半導体/金属界面を実現することを目的とする。

実験 / Experimental

図1(左), 1(右)に示すように、スパッタ装置(KT-202)及びレーザー加工を用いて、石英ガラス基板上に密着層(Ti = 100nm)、熱電半導体(B_i0.3Sb_1.72Te₃ = 100, 300, 500nm)、拡散バリア層(Ti, Cr, Ni=200nm)、電極(Ag＝1000nm)を多様なサイズ設 計条件(幅, 膜厚, 長さ)で成膜し、計 189 種類のデバイスを作製した。このデバイスに対して、申請 者らが新たに提案する拡張TLM法を用いて、多様なデバイス動作条件で熱電半導体/金属界面の接触抵抗を精密に測定した。デバイスの電流-電圧特性を測定するステージを常温(25℃)に調節し、各デバイス動作温度条件での接触抵抗を計測した。

結果と考察 / Results and Discussion

図2(左)は、作製したTLMサンプルの各電極間距離に対する抵抗値を示している。この結果は、計測された抵抗値が半導体の厚み(t = 0.1, 0.3, 0.5μm)に関わらず、サンプル幅(W=1000~6000 μm)のみによって異なることを示している。また、図2(右)は、図2(左)のR-Lプロットのy切片から算出された接触抵抗をサンプル幅に対してプロットしたものである。サンプル幅の増加に対して、接触抵抗が減少する傾向が現れており、W=1000μmでは、接触抵抗値が比較的大きな値を示している。これは、狭い電流伝播領域にて生じる電流集中効果に起因しており、十分なサンプル幅を設計することで接触抵抗測定の精度が向上できることが明らかになった。一方で、抵抗値及び接触抵抗値は、半導体の厚みに対する依存性を示さなかった。この結果は、図3に示すように、過去に測定してきた熱電半導体(n型Bi₂Te₃)とは電流経路が大きく異なることを意味している。具体的には、n型半導体(Bi₂Te₃)は半導体の厚みに応じて、その深さ方向に電流が伝播するのに対し、p型半導体(Bi_0.3Sb_1.72Te₃)は薄膜表面のみに電流が通過することが示唆された。本研究結果から、従来の接触抵抗の測定手法では、p型半導体の半導体の厚みを考慮した抵抗値および界面物性の評価が困難であり、同じビスマステルル系熱電半導体でも、キャリアドープ状態に応じた物性評価手法の最適化が必要であることが明らかになった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 (左)スパッタ法を用いて作製したTLMサンプルの積層構造, (右) TLMサンプル形状の模式図

図2 (左)TLM法を用いて計測した各電極間距離に対する抵抗値 (右) TLMサンプルの幅に対する接触抵抗の変化の変化

図3 ビスマステルル系熱電半導体(p型 = (BiSb)₂Te₃, n型 = Bi₂Te₃)における電流経路の差異

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究は、 科研費基盤B(JSPS)、戦略的創造事業(JP MJCR19J1, JST CREST)、官民による若手研究発掘支援事業(NEDO)、物質・デバイス領域共同拠点 (MEXT)、などの助成を受けたものである。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件