パナソニック技報

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1 67 Next-generation Power Switching Devices for Automotive Applications: GaN and SiC Tetsuzo Ueda Yoshihiko Kanzawa Satoru Takahashi Kazuyuki Sawada Hiroyuki Umimoto Akira Yamasaki GaNSiCGaNSiGate Injection TransistorGIT 6 VSiCDio MOS-integrated MOSFET Next-generation power devices using GaN and SiC which have been developed at Panasonic and are applicable to electric and hybrid electric vehicles are reviewed. A novel normally-off transistor named Gate Injection Transistor (GIT) on cost-effective Si substrates enables stable operation at 6V. A DioMOS (-integrated MOSFET) structure is proposed for SiC, which eliminates the conventional external diode and reduce the total area of SiC chips and the cost. These GaN and SiC power devices are very promising automobile applications since they can make the system lighter and smaller with reduced power consumption. EVHEV IGBTInsulated-Gate Bipolar TransistorMOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Si GaNSiC Si GaNSiC GaNSiC Si GaNSi GaN 1 V SiSiC SiC GaN 1 VSiSiC 1 V GaNSiC GaNSiC EV/HEVGaNSiC GaN DC-DCSiC

2 68 DC-DC GaN SiC GaN Si GaNSiC Potential applications of GaN and SiC power switching devices MOCVD 5 m [1] GaN AlGaN/GaN Gate Injection Transistor GIT GITp [] MOSFETGaN Si EV/HEVGaNSiC Typical circuit diagram of EV/HEV and suitable applications of GaN and SiC

3 69 PKG PKG PKGL GaN Comparisons between Panasonics GIT and a conventional normally off GaN transistor GaN Current collapse observed in GaN power transistors GIT - GITGaN 6 V GIT 6 V [3]BT Si6 VGIT GIT DC-DCLLC 1 MHzSi [] GIT Suppression of current collapse in a GIT: Change of on-state resistance after applying various drain voltages SiGIT Typical characteristics of a 6 V GIT on Si 1. V 6 V 1 V 15 A 71 mω 16 ns 9 ns 1.5 V

4 7 この層にが流れるようにその厚さ 濃度を設計する SiCパワーデバイス ことで あたかも逆方向ダイオードを並列に接続した場 当社で開発しているSiCパワートランジスタはDioMOS 合と同様の 電圧特性を実現できる[5,6] これによ -integrated MOSFET と呼ばれ トランジスタの りインバータなど応用でSiCトランジスタに並列に接続 内部に逆方向ダイオードの機能を内蔵していることが大 される必要のあったSiCショットキーバリアダイオード きな特長である 従来のDMOS Double-diffused MOSFET が不要となる 使用するSiCチップの面積を低減できパッ との比較を第6図に示す いずれもSiC基板上に形成した ケージサイズを低減できると同時に低コスト化を実現で 縦型構造を有しているが DioMOSではMOSゲート直下 きる さらに トランジスタとダイオードの接続で生じ に高濃度の薄膜n型チャネル層を形成していることが異 る寄生インダクタンスも低減でき より高速で低損失の なっている 逆方向電圧印加時に.8 V程度の低電圧から スイッチングが期待できる 得られた 電圧特性の 代表例を第7図に示す チップ当たりのオン抵抗5 mω DioMOS 酸化膜 ゲート ソース 定格電圧1 Vのデバイスでアバランシェ耐圧として DMOS 高濃度薄膜 n型チャネル層 165 Vと十分大きな値を確保している ここでボディダ 酸化膜 ソース SiC ゲート イオードと記載した逆方向特性はSiCトランジスタに内 n+ 構造 ダイオード 回路図 SiC チップ D SiC-DioMOS G 合はチャネル層を用いたダイオードの立ち上り電圧が低 トランジスタ ドレイン SiC 1チップ D 蔵されたpn接合のダイオード特性であるがDioMOSの場 p nn+ p n n+ ドレ イン トランジスタ Ids [A] デバイス SiC-MOSFET 3 VVgsgs ==~V V V V step (V step) G 削減 1 S 特長 課題 ダイオード機能一体化 S 課題 外付けダイオード不要 トータルチップ面積大 小型PKG 低コスト化 Vds [V] 特長 トータルチップ面積を低減 -1 SiCダイオード -1 コスト低減限界 PKGサイズ大 ダイオード接続の寄生L低減 Channel Channel V V ds= (Vgs =V) - Body Body -3 - 第6図 SiCトランジスタの特性比較 Fig. 6 Comparisons between Panasonic s DioMOS and a conventional DMOS transistor Tc=15, Vgs=+ V SiC DioMOSの 電圧特性 Fig. 7 Current-voltage characteristics of a SiC DioMOS (b)負バイアス印加 5 Vth [V] Vth [V] (a)正バイアス印加 第7図 Testing Time [h] 第8図 6 Testing Time [h] SiC DioMOSのゲート信頼性試験結果 Fig. 8 Reliability of MOS gates in SiC DioMOS 7 Tc=15, Vgs= - V 8 1 1

5 71 [] いためpn接合には流れない normally-off GaN gate injection transistors, IEEE WiPDA, 当社ではゲート形成工程を改善することでMOSゲー トに関して良好な信頼性を確保している 第8図はゲー T. Ueda, The challenge and progress of high-voltage Columbus, Ohio, USA, October 13. [5] M. Uchida et al., Novel SiC power MOSFET with integrated トに正負 Vを印加した場合の閾値電圧の変化を示すが unipolar internal inverse MOS-channel diode, IEEE IEDM 1時間でも大きな変動はなく実用上問題ないことがわ Tech. Dig., Washington D.C., USA, December 11, pp かる より大きなゲート電圧を印加できるので高速スイ ッチングに向け有利である 1 V耐圧DioMOSの代表 特性を第表にまとめる DioMOSによりDC-DCコンバー [6] A. Ohoka et al., mω / 17 V DioMOS ( in SiC MOSFET) for high power switching applications, Materials Science Forum vols , pp , 1. タの5 khz動作 それによる小型化を確認できており 今後さらに応用検討を進めていく 執筆者紹介 第表 SiC DioMOSの代表特性 Table Typical characteristics of a 1 V SiC DioMOS Vth 3.9 V 耐圧 定格 室温 BVds 1 V 耐圧 ブレークダウン BVds 165 V 閾値電圧 ドレイン 定格 室温 Ids 5 A 上田 哲三 Tetsuzo Ueda Engineering Div, 博士 工学 mω オン抵抗 室温 Ron スイッチング立ち上がり時間 6 V, R負荷 tr 58 ns スイッチング立ち下がり時間 6 V, R負荷 tf 13 ns 逆方向ダイオード立ち上がり電圧 Vgs= V時 Vf.8 V 5 まとめ EV/HEVのさらなる軽量化 省エネルギー化に貢献す ると期待されるGaNおよびSiCパワーデバイスに関して 高橋 理 Satoru Takahashi 海本 博之 Hiroyuki Umimoto 当社における最新デバイス技術についてまとめた GaN に関しては独自のGIT構造によりノーマリオフ型6 V 耐圧品を SiCに関しては同じく独自のDioMOSにより逆 方向ダイオードを内蔵した1 V耐圧品を開発している 今後は これらの次世代パワーデバイスに関して車載応 用の視点から長期信頼性技術確立や実機応用上の課題対 策を進め 実用化を目指し取り組んでいく GaNは充電 器あるいはDC-DCコンバータの小型化に SiCは主モー タ駆動用インバータの高効率化に貢献すると期待され 次世代EV/HEV向けに非常に有望である 参考文献 [1] M. Ishida et al., GaN on Si technologies for power switching 神澤 好彦 Yoshihiko Kanzawa Engineering Div., 博士 工学 澤田 和幸 Kazuyuki Sawada Engineering Div., 山崎 晃 Akira Yamasaki devices, IEEE Trans. Electron Device, vol.6, no.1, pp , 13. [] Y. Uemoto et al., Gate injection transistor (GIT) A normally-off AlGaN/GaN power transistor using conductivity modulation, IEEE Trans. Electron Device, vol.5, no.1, pp , 7. [3] T. Ueda, Reliability issues in GaN and SiC power devices, IEEE IRPS Tech. Dig., Wikoloa, Hawaii, USA, June 1, 3D-. 71