内 容 1. パワーデバイスの基礎 1) パワーデバイスの仕事 2) 次世代パワーデバイス開発の位置づけ 2.SiC パワーデバイスの最新技術と課題 1) なぜ SiC が注目されているのか 2) 高温動作ができると何がいいのか 3)SiC-MOSFET の課題 4)SiC トレンチ MOSFET

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1 SiC GaN パワー半導体の最新技術 課題 ならびにデバイス評価技術の重要性 2016 年 7 月 12 日 筑波大学数理物質系物理工学域 教授岩室憲幸 1

2 内 容 1. パワーデバイスの基礎 1) パワーデバイスの仕事 2) 次世代パワーデバイス開発の位置づけ 2.SiC パワーデバイスの最新技術と課題 1) なぜ SiC が注目されているのか 2) 高温動作ができると何がいいのか 3)SiC-MOSFET の課題 4)SiC トレンチ MOSFET 技術 2

3 内 容 3.GaNパワーデバイスの最新技術と課題 1) なぜGaNパワーデバイスなのか 2)SiCとGaNデバイスの構造の違い 3)GaN-HEMTの特徴と課題 4. パワーデバイス評価技術の重要性 3

4 第 1 章 パワーデバイスの基礎 4

5 パワエレ & パワーデバイスの仕事 交流や直流を各機器に使いやすいように変換する パワーエレクトロニクスは最適な形に電力変換する技術 パワーデバイスはそのために使う半導体デバイス (Ref. サンケン電気 HP) 5

6 パワーデバイスの適用分野 ( 現状 ) Si-MOSFET,IGBT が主役 この領域はサイリスタ 電力 1000 IGBT 風力 鉄道 電流 (A) 100 パワー MOSFET ハイブリッド自動車 産業 情報機器太陽光発電 電源 家電 ロホ ット 10 自動車電装品 PDP 電圧 (V) ( 出典 :2008 年電気学会公開シンポジウム資料 ) 6

7 トヨタプリウス内のパワエレ装置 PCU 交流 パワー半導体 (IGBT モジュール ) 直流 ハ ッテリ チョッハ インハ ータ モータ インハ ータ 発電機 動力分割機構 エンシ ン 直流 交流 7

8 プリウス PCU 内部写真 意外と 空間 が多くを占めている (Ref: 8

9 パワー半導体 (IGBT モジュール ) の縦構造 外部端子 半導体チップが正常に動作できるようにチップ接合温度 Tj を下げる設計 アルミワイヤ 封止ゲル 樹脂ケース はんだ グリース ( コンパウンド ) Cu ベース チップ DCB 基板 IGBT モジュール 冷却体 9

10 高温動作ができるとなにがいいのか? ハイブリッドカー (Lexus LS600h) HV インハ ータシステム デンソー様資料より 省スペース化 小型化 10

11 パワー MOSFET, IGBT は パワーデバイスの主役として 長期間活躍している なぜか? 市場からの要求 Si-MOSFET,IGBT の伸長 コストパフォーマンス 機能 性能 使いやすさ ( 駆動回路が簡単 壊れにくい ) これにマッチしたから長寿命製品として君臨している 11

12 パワーデバイスに要求される特性低損失特性と高破壊耐量特性の両立 必要とされる特性低オン抵抗 トレードオフ関係 高速スイッチ 高破壊耐量 ポイント : 上記 3 特性を同時に向上 12

13 第 2 章 SiC パワーデバイスの最新技術と課題 13

14 半導体デバイス材料の変遷 Ge 初めての半導体デバイス μe=3900 cm2/vs μh=1900 cm2/vs Eg = 0.66eV 最高動作温度 40 酸化ガリウム ダイアモンド GaN SiC ワイドバンドギャップ半導体 Si Eg = 1.12eV 最高動作温度 150 ほとんどの分野で活躍 高速動作 高温動作 GaAs Eg = 1.42eV 最高動作温度 350 発光動作 (LD, LEDなど ) 高速動作 (HEMT, MESFETなど ) 特殊プロセス バイポーラデバイスは困難 良質な酸化膜形成困難(MOSFET, 保護膜 ) 14

15 各材料の主要物理定数比較 ワイドバンドギャップ半導体材料は最大電界強度 Emax が高い 酸化ガリウムは最大電界強度が高い 酸化ガリウム Ga 2 O ( 推定 )

16 SiC の Si に対する利点 (SBD の場合 ) 1n- 層を薄くできる 2n- 層濃度を高くできる 低オン抵抗化 V B =E c W m /2 N D =εec 2 /2qV B R=W m /qμn D W m は 1/10 R は 1/300 倍 16

17 SiC ならびに GaN デバイス構造 GaN 基板は SiC の 10 倍以上の価格 GaN on Si が主流に SiC デバイス SiC EPI SiC 基板 GaN デバイス GaN EPI Buffer Si 基板 17

18 Si 基板上への MOCVD によるエピ膜成長 GaN/AlN 多層膜による応力緩和 抵抗が高い膜 GaN デバイス AlN AlN GaN GaN 圧縮歪 GaN EPI 超格子バッファ層 Buffer AlN AlN GaN GaN 応力緩和 圧縮歪 Si(111) AlN AlGaNGaN 18

19 SiC ならびに GaN デバイス構造 SiC GaN 電流の流れ 電極 電極 電流の流れ 電極 SiC エピ層 GaN EPI Buffer SiC 基板 Si 基板 (111) 電極 縦型素子素子全体に均一に電流が流れる 大電流用途向き 横型素子素子表面のみに電流が集中して流れる 大電流用途向きではない 19

20 SiC GaN デバイスの対象領域 低耐圧デバイス中耐圧デバイス高耐圧デバイス 電力基幹系統機器 電車 定格電流 (A) GaN が期待される領域 オンホ ート 電源 ノート PC イオン電池 自動車電装機器 HDD 通信機器電源 ハイブリッド自動車電気自動車 汎用インバータ サーバー (FEP) 新エネ 分散電源 家電 SW 電源 AC アダプタ 産業機器 SiC が期待される領域 定格電圧 (V) 20

21 何故 SiC パワーデバイスなのか? 1. 優秀 な保護膜 SiO 2 がある 2.Siパワーデバイス特性限界説 3. 新適用市場からの要求 (Siでは物理的に困難な市場) 1 高温動作 2 耐厳環境動作 3 小型軽量化 4 高性能高効率化 4. ポストSiへの期待 1 新材料への期待 2これまでの開発実績 21

22 SiC 粉末 昇華法 ( 2200 C) インゴット SiC ウェハができるまで 切断研磨ダイヤモンド砥粒 放電加工 バルクウェハ エピタキシャル薄膜成長 ( C) エピタキシャルウェハ SiC エピ SiC 単結晶 基板 エピ成膜 1) 精密膜厚制御 2) 低欠陥密度 3) 均一性 4) 広範囲の濃度制御 22

23 SiC 粉末 昇華法 ( 2200 C) インゴット SiC 結晶 ウェハができるまで 切断研磨ダイヤモンド砥粒 放電加工 Si に比べコスト高 バルクウェハ エピタキシャル薄膜成長 ( C) エピタキシャルウェハ SiC 1 枚 :~10 万円 直径 10cm 厚さ数 cm Si 直径 30cm 厚さ ~1m 1 枚 : 数千円 23

24 Φ6 SiC パワーデバイスの生産 SiC デバイス 6 インチ生産ラインを構築 ( 富士電機株式会社 2013 年 10 月 ) ( 長野県松本市 ) 24

25 SiC パワー半導体の製品発表 1200V All SiC-MOSFET モジュール搭載太陽光 PCS( 富士電機 2014 年 5 月発表 ) 変換効率の向上と装置小型化 効率 98.8% 体積 20% ただし SiC-MOSFET 製品化加速にはもう少し時間がかかりそう 25

26 SiC パワー半導体の製品応用例 ホンダ新型 FCV に SiC が搭載 (2016 年 3 月 ) ( 出典 :EE Tiems Japan) 26

27 SiC-MOSFET の課題 1. 信頼性が不十分 電気的な負荷をかけると 特性が変動しやすい 2. オン抵抗は Si-IGBT に比べ小さくて良好 しかしまだ材料特性を十分出し切るほど小さくない ( 不十分 ) 27

28 ゲート電圧印加後のしきい値変動 SiC-MOSFET はゲート印加後のしきい値変動に課題あり Vg=+20V 時間経過後の Vth 変動結果 (M.Furuhashi et al, ISPSD2013, pp.55) Si デバイスではほぼ 0V( 変動なし ) 28

29 ゲート酸化膜の形成方法 酸化膜成膜 熱酸化 SiO 2 堆積膜 ドライ酸化 酸窒化ウエット酸化 (Si-MOSFETで使われている) 特徴 : 膜が緻密 カーボンクラスターが SiO 2 中に入る (SiC + O 2 SiO 2 + C) LTO, HTO PECVD O 2 酸化 特徴 : カーボンクラスターの発生がない 膜密度が小さい POA(Post Oxidation Anneal):H 2 NH 3 など SiC/SiO 2 界面欠陥を H 終端したり 窒化することで移動度が向上する Si-MOSFET で使われている熱酸化法を基に SiC-MOSFET への最適化が検討されている 29

30 界面準位の MOSFET 特性への影響 界面準位が電子を捕獲する 電子が散乱 1 移動度の低下 2Vth の増大 ゲート電極 SiO 2 半導体表面 SiC 界面準位に捉えられた負電荷 ソース電極 - 電子 qv s qv f E C E i E FS - E V n-エピ - - ケ ート poly-si p p+ qv G アクセプタイオン E FM x d による空間電荷 (a) エネルギーバンド図 (b)mosfet 断面図 30

31 各種パワーデバイスの耐圧と RonA SiC-MOSFET の RonA と実測値と理論線との かい離 大 低 RonA 化への余地大きい 1μ mos の向上と 2 トレンチ MOSFET 開発 1000 (@RT) オン抵抗 RonA(mΩcm 2 ) 素子耐圧 (V) 31

32 トレンチ MOSFET の利点 利点 高チャネル密度( 総チャネル幅大 ) Jfet 抵抗成分がない 低オン抵抗化に有利 32

33 SiC と Si のトレンチ MOSFET 構造の違い 1トレンチゲート底部にP+ 層をイオン注入で形成 2 深いp-base 層形成 T.Kojima et al.(fupet, SSDM2015) SiC-MOSFET Si-MOSFET Source Gate n + p n - n + Drain SiC の場合 ゲート酸化膜の電界強度緩和には特別の考慮が必要 33

34 第 3 章 GaN パワーデバイスの現状と課題 34

35 何故 GaN パワーデバイスなのか? 1.Siパワーデバイス特性限界説 2.SiC 結晶品質改善限界説 3. 新適用市場からの要求 (Siでは物理的に困難な市場) 1 高温動作 2 耐厳環境動作 3 小型軽量化 4 高性能高効率化 4. 未開拓材料への期待 1 新材料への期待 2これまでの開発実績 ( 青色発光での ) 35

36 GaN-HEMT デバイスの特徴 HEMT: 高電子移動度トランジスタ High Electron Mobility Transistor の略 AlGaN と GaN で良好なヘテロ接合 : 高い移動度 ピエゾ効果で多量の電子が発生 ここを高速で電子が流れる ここに電子がたまる Si 基板 (111) この特長を活かしてスイッチを作る パワーデバイス バンド図 36

37 GaN デバイス搭載太陽光 PCS 発売 ( 安川電機 ) 発表 主な特長 (1) 世界最小のコンパクトサイズ取付面積は従来モデルの約 1/2 を実現 (2) 発電量の最大化最大変換効率 98% (3) 高い静粛性可聴領域を超える高周波スイッチング 販売計画 (1) 販売開始 : 2015 年 1 月 (2) 販売計画 : 34,000 台 / 年 安川電機 HP より 37

38 Transphorm 社の発表 (IEDM2014) デバイス構造 GaN on Si HEMT+Si-MOS Cascode Wafer Φ6GaN on Si HEMT(CMOS ( 発表 ) Compatible process) 38

39 GaN on Si パワーデバイスの主な課題 1. 大口径 Si ウェハ (>Φ6) 活用によるコストダウン 2. 電気特性 1) Normally-off 2) Current collapse 39

40 GaN on Si HEMT on Φ6 Si sub. Panasonic will start to deliver 600V GaN on Si HEMT samples in April, 2013 (Ref: Nikkei Tech-on HP, ) 40

41 ノーマリ - オフ特性 パワーデバイスではノーマリ - オフ型が主流 不純物の注入によってチャネルを最初から形成しておくこともできる. この場合, ゲート電圧が 0 でもドレイン電圧が流れる. n チャネル (normally-on) デプレション形 Id I D エンハンスメント形 (normally-off) エンハンスメント形ゲート電圧の印加によりドレイン電流が流れ始める (normally-off) デプレッション形ゲート電圧が 0V でもドレイン電流が流れる (normally-on) V エンハンスメント形 T 0 Vg-Id 特性 pチャネル V V T デプレション形 D : 一定 Vg G 41

42 GaN-HEMT のノーマリ - オフ化 Si 基板上 GaN GIT 構造によるノーマリーオフ化 ( パナソニックテクニカルジャーナル2012 年 4 月 ) ゲートソースドレイン p-algan i-algan i-gan DEG ここを高速で電子が流れる Si 基板 1)Vg=0V でケ ート下の電子を枯渇 ノーマリ - オフ 2)Vg>0V で 正孔が注入し伝導度変調 低オン抵抗 600V 素子で RonA=2.6mΩcm 2 (Vg=4V), Vth=1.0V ( 高耐圧かつ低オン抵抗でノーマリ - オフ化を達成 ) 42

43 第 4 章 パワーデバイス評価技術の重要性 43

44 1. 寸法 パワーデバイス評価は ダイナミックレンジが広い SiC-MOSFET 設計 ~5µm SiC-MOSFET 酸化膜界面解析 (~5nm) 図は Si の例 44

45 パワーデバイス評価は ダイナミックレンジが広い 2. 電圧 電流 例 1) 素子耐圧 3300V ゲートしきい値 3V しきい値変動 <±0.1V もれ電流 100nA 定格電流 1000A 3. 温度 例 1)Tj=-40 ~200 Drain Voltage [V], Temperature [K] SiC Drain Voltage 0 SiC Drain Current SiC Lattice Temperature Time [µs] ( 出典 : 生井 他 電気学会全国大会 2016 年 3 月 ) Drain curent [A] 図.SiC-MOSFET 破壊時の電流 電圧 素子内温度計算結果例 2) 素子内温度が1600K 以上になると予想される 45

46 まとめ 1. パワーデバイスの現状電流導通時 スイッチング時の損失を低減することがパワエレ装置の省エネ実現のキーポイント 2. SiC パワーデバイス開発状況と今後を概説 1)MOSFET は本格量産にもう一歩 2) しきい値の変動 ボディーダイオード Vf 劣化に課題 3) 低オン抵抗化へのアプローチ進む i) トレンチ MOSFET の開発が加速 3. GaN パワーデバイス開発状況と今後を概説 1)GaN-HEMT もパワエレ製品に搭載されてきた 2)1 チップでの Normally-off 化実現がポイント 46

47 まとめ 4. パワーデバイス評価はダイナミックレンジが広い 広いダイナミックレンジに対応できる正確な評価技術が今後ますます重要となってくる 47

48 ご清聴ありがとうございました 48