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界面準位密度（Interface Trap Density, Dit）とは

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界面準位密度（Interface Trap Density, Dit）とは

～MOS界面の電気的品質を左右する重要パラメータ～

■ 定義

**界面準位密度（Dit, Interface Trap Density）**とは、半導体と絶縁膜（例：Si と SiO₂）の界面に存在する電気的な欠陥（トラップ）状態の密度を表す指標です。
このトラップはキャリアを捕獲・放出する性質を持ち、MOS構造の電気特性、スイッチング特性、信頼性に大きな影響を与えます。

単位は通常：

[cm−2⋅eV−1]\mathrm{[cm^{-2} \cdot eV^{-1}]}

で表され、エネルギー帯（バンドギャップ内）あたりの単位面積あたりの準位数を意味します。

■ 物理的背景

MOS構造において、酸化膜形成時の不完全な結合や汚染、不純物などにより、以下のような界面欠陥が生成されます：

  • 未結合手（dangling bond）

  • 酸化膜中の金属・水素由来の欠陥

  • 熱処理・プラズマプロセス由来の損傷

これらがキャリア（電子・正孔）をトラップとして捕獲・再放出するため、MOSFETの**しきい値変動、サブスレッショルド特性の劣化、信頼性低下（NBTIなど）**の原因になります。

■ 測定方法（代表的な手法）

手法 特徴 用途
✅ 高周波・低周波C–V法 HFとLFの差からDitを抽出 非破壊・簡易
✅ コンダクタンス法（Conductance Method） G/ω vs Vで測定 高感度・高精度
✅ Charge Pumping法 MOSFETのパルス駆動を利用 LSI開発でよく使用
✅ 光C–V法 光照射でトラップを励起 材料研究向き

■ 高周波・低周波C–V法の概要

高周波ではトラップが追従できず、低周波ではトラップが応答するため、下記のような容量差が生じます：

ΔC=CLF−CHF\Delta C = C_{LF} - C_{HF}

この差から、界面準位密度Ditを以下のように近似的に導出できます：

Dit≈ΔCqAD_{it} \approx \frac{\Delta C}{qA}

  • qq：電荷量

  • AA：電極面積

■ 応用と重要性

分野 内容
✅ MOSFET設計 Vth変動、移動度低下の要因に
✅ 高信頼性LSI 経時劣化（NBTI・PBTI）と関連
✅ SiC/GaNパワーデバイス 酸化膜界面の品質が性能に直結
✅ 材料開発 酸化膜/界面形成条件の評価指標

■ 測定時の注意点

項目 内容
✅ 温度依存性 トラップの応答速度が変化
✅ バイアスストレスの影響 測定中にDitが変化する場合あり
✅ MOS構造の品質 不純物混入・膜質不良でDitが増加
✅ 測定周波数の選定 適切なHF/LF設定が不可欠

■ まとめ

項目 内容
定義 半導体–酸化膜界面に存在するキャリア捕獲欠陥の密度
単位 cm−2⋅eV−1\mathrm{cm^{-2} \cdot eV^{-1}}
測定法 HF/LF-CV法、コンダクタンス法、チャージポンピング法など
応用分野 MOSデバイス評価、材料開発、信頼性評価など
重要性 デバイス性能・安定性・歩留まりに大きな影響を与える指標