SiCパワー半導体がもたらす電気エネルギーの有効利用－省エネ効果－

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きよはるさだい
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( 日刊工業新聞社 ) 2013.11.8 SiCパワー半導体がもたらす電気エネルギーの有効利用 - 省エネ効果 - 松波弘之 ( 京都大学 ) 1.

1 ( 日刊工業新聞社 ) SiCパワー半導体がもたらす電気エネルギーの有効利用 - 省エネ効果 - 松波弘之 ( 京都大学 ) 1. パワー半導体 SiCへの期待 2. 京都大学の寄与ーステップ制御エピタキシー 3.SiCパワーデバイス技術の進展 4. 産業機器分野への応用 5. グリーンイノベーションに向けて

2 21 世紀の課題 (2001 年頃の提案 ) 人口食糧エネルギー環境医療健康 (ICT 活用 ) 日本の国情食糧 : 自給率 40% 以下 ( 大問題 ) エネルギー : 海外依存度 80% 以上 ( 石油依存度大 - 枯渇高騰 ) ( 地球上で偏在大資本による戦略 ) 電気エネルギー活用 ~40% - 増加電気エネルギーの有効利用パワーテクノロジー

容量 (VA) パワーデバイスの棲み分けと SiC への期待 1 0 9 1 0 8 1 0 7 1 0 6 THY.

3 容量 (VA) パワーデバイスの棲み分けと SiC への期待 THY. GTO DC Transmission Large Factory SiC bipolar device Bullet Train UPS SiC Inverter Si BPT Telephone Line IGBT Electric Vehicle SiC MOSFET POWER-IC MOSFET Switching Power Module 動作周波数 (Hz) 電力変換 ( インバータ : 直流交流 )

4 SiC パワーデバイスのメリット Si SiC(4H ) vs. Si 禁制帯幅 (ev) x 3 電子移動度 (cm 2 /Vs) 1,350 1,000 x 0.8 絶縁破壊電界 (MV/cm) x 10 電子飽和速度 (cm/s) 1.0E E+07 x 2 熱伝導率 (W/cmK) x 3 高電圧 x10 低損失 x100 高周波動作 x10 汎用インバータ - 高効率 ( 損失 : 1/2~1/10!) - 高出力 - 小型 ( システム : 1/4~1/10!) - 簡易冷却 ( 小型ヒートシンク空冷 ) 高温動作 x3

5 電界強度ショットキーダイオードのオン抵抗 Si n - n + ショットキー接触オーム性接触 SiC n n + E c (SiC) 耐圧 :V B = (E C W D )/2 キャリヤ濃度 :N D = (e / q)(e C / W D ) = 2 e E C 2 / qv B オン抵抗 :R on = W D / qm n N D = 4 V B 2 / em n E C 3 SiC E c (Si) オン抵抗 R on,sic = R on,si / 300 Si デバイス厚さ E c : SiC: 3.0 MV/cm Si: 0.3 MV/cm

6 MOSFET vs. IGBT gate source gate source n + n + p p n - n + n + p p n - n + drain MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) ユニポーラデバイス p + drain IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) バイポーラデバイス

7 SiC 半導体の採用による性能向上 - 素子システムレベルにおける試算 - 素子レベル耐圧 3kV の MOSFET の場合オン抵抗 1/300 サイズ 1/10 システムレベル 300MWの変換器の場合総損失 11MW スナバ損失損失 1/3 リアクトル損失素子損失総損失 3MW Si SiC Si SiC 高効率化低損失化の波及効果 : 冷却システムの簡易化システムの小型化低価格化広範な装置の利用

8 家庭電化製品家電製品パワーモジュールでの変換ロス消費電力の 10% に相当変換ロスを半分にできれば年間 180 億 kwh ( 原子力発電所 2 基分 ) Si パワーモジュール 10% のロス低変換効率損失大空冷必要サイズ大高コスト SiC パワーモジュール高変換効率省エネ空冷不要小型化低価格化

9 無停電電源 (UPS) 富士電機インバータが性能を左右 SiC パワーデバイスに期待 1. SiC ダイオードの利用 2. SiC トランジスタの利用

列車応用新幹線 700 系 Si IGBT を用いたコンバータインバータで電力変換 JR 西日本車両図鑑 http://www.

10 列車応用新幹線 700 系 Si IGBT を用いたコンバータインバータで電力変換 JR 西日本車両図鑑 SiC デバイス高効率化 ( 省エネ ) 高周波化 ( 騒音低減 ) 小型化 ( 冷却簡易化 )

11 ハイブリッド車電気自動車応用ハイブリッド自動車の構成 U U p p 水冷冷却 V V Inverter n W n W Si IGBT Si タイオート Si IGBT Inverter モジュール熱暴走を防ぐため水冷冷却が必要重量大 Inverter における変換ロス航続距離減少 SiC デバイス高温動作低損失空冷化重量軽減燃費向上高効率化航続距離の増大

12 SiC 研究の歴史 ( 世界の流れ ) 1950~ 高温動作トランジスタ熱望 (Ge:~60 ) 1955: Lely 法昇華法活用による SiC 高品質結晶プロジェクト ( 米国 ) オランダイギリス日本で研究 1959: 第 1 回 SiC 国際会議 (Shockley 推奨 ) 1968: 研究開始 ( 京都大学 ) SiC/Si ヘテロエピ青色 LED 1970~ Lely 法の限界自然核発生利用小面積基板 Si 技術進展 Planar Tr. MOSFET(~125 ) SiCへの興味減退 1973: 第 3 回 SiC 国際会議 ( 以後 SiC 研究ほとんど停止 ) Lely 法結晶

Si 上への 3C-SiC のヘテロエピタキシー 1981~ SiH,C H, H 4 3 8

13 Si 上への 3C-SiC のヘテロエピタキシー 1981~ SiH,C H, H 格子不整合 20 % 低温バッファ層 ( 炭化法 ) 基板温度 (Si 融点以下 ) 再現性確立

14 3C-SiC/Si MOSFET 1986 IEEE EDL-7, 692 反転型 MOSFET( 世界初 ) 漏洩電流 ( 格子不整合原因?) アチソン基板上への結晶成長の試み 3C-SiC/6H-SiC *3C-SiC on 4-inch Si (2002, U.S.A.) 16 年後高温耐放射線用デバイス集積回路応用

15 Acheson 法による SiC 結晶 65 mm 10 mm 6H-SiC 35 mm

16 典型的な SiC 結晶多形 3C-SiC (zincblende) 4H-SiC 6H-SiC C B A C B A 2H-SiC (wurtzite) A B A B A B A a = nm c / n = nm C atom Si atom C B A B C B A A C B A B C A C B A

17 SiC 基板上への SiC のエピタキシャル成長原料ガス : SiH 4, C 3 H 8, H 2 圧力 : 大気圧温度 : 1500 o C 成長速度 : 2.5 mm/h 不規則形状自然面 (Si, C 面 ) 複雑積層不純物ガス : n- 型 : N 2 p- 型 : TMA 基板 : 6H-SiC (0001) 6H-SiC (000-1)

18 高品質エピタキシャル成長の実験的証拠オンオフ表面モフォロジー 6H-SiC 3C-SiC 反射電子線回折エッチピット

19 ブレークスルー 1987 ブレークスルー

20 ステップ制御エピタキシーの概念ジャスト基板 (0001) 6H-SiC 3C-SiC 6H-SiC SiC 2 次元核発生異結晶多形混在オフ基板 (0001) 6H-SiC 6H-SiC 6H-SiC ステップフロー成長結晶多形伝承ステップ端 : 一義的位置決定テラス上 : 位置決定に 2 選択 B A B C B B C

21 ナノノレベル制御の証拠 Normarski microscope Cross sectional TEM 100µm 8nm 1mm AFM R ms =0.2~0.3nm

22 1.75 kv SiC ショットキーダイオード 1995 エポックメーキング (1) A. Itoh, T. Kimoto and H. Matsunami, Int. Symp. on Power Semiconductor Devices and IC s Yokohama, 1995 Au/6H-SiC Schottky Barrier Diode: 1,1 k V (1993, ICSCRM93) パワーデバイス界に強いインパクト! 商品化 Infineon, 2001 Si SBD < 200 V

23 Specific On-Resistance (Ωcm 2 ) MOSFET のオン抵抗 UMOS DIMOS Gate Source n + n + p p n - n + Drain Source Gate n + n + p p n - n + Drain : SiC MOSFET 10 0 Si : SiC ACCUFET μ ch = 1 cm 2 /Vs Cree Purdue μ ch = 10 cm 2 /Vs NCSU Siemens DENSO μ ch = 100 cm 2 /Vs Northrop KEP/Cree Siemens Siemens Siemens Purdue drift layer + substrate resistance 4H-SiC Breakdown Voltage (V) KEPCO/Cree :SiC Schottky 2 Low channel mobility (< 20 cm /Vs) Large channel resistance!

24 4H-SiC(11-20) MOSFET による高チャネル移動度 CHANNEL MOBILITY, m0 (cm 2 /Vs) LOW-FIELD MOBILITY μ 0 (cm 2 /Vs) 4H-SiC 倍 (0001) 面 H-SiC MOSFET 5.6 <0001> <1100> <1100> - on (1120) on (0001) エポックメーキング (2) on (1120) 4H-SiC MOSFET current direction - :<1100> :<0001> ~T -2.2 on (0001) ~T TEMPERATURE, T (K) - (1120) 面トレンチ MOSFET ソースドレインゲート n + n p p + n - n + チャネル移動度 m T -2.2 温度特性 : 抵抗増大パワーデバイスとして望ましい

ウエーハ口径 SiC ウエーハの進展 150 mm 100 mm 100 mm 25mm 35 mm 150 mm 50 mm 75 mm 改良レーリー法 ( 種付け昇華法 ) 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Insulation Polycrystalline SiC

25 ウエーハ口径 SiC ウエーハの進展 150 mm 100 mm 100 mm 25mm 35 mm 150 mm 50 mm 75 mm 改良レーリー法 ( 種付け昇華法 ) Insulation Polycrystalline SiC (2,400 0 C) Graphite Porous Graphite SiC Bulk Crystal (2,200 0 C) SiC Seed Crystal 年低抵抗ウエーハ : r ~ Wcm (n-type) ゼロマイクロパイプ転位密度 : 3,000~6,000 cm -2

26 SiC 4 インチウエーハデバイス MOSFET SBD ウエーハ

27 SiC デバイスの市販開発市販海外 :Infineon( 独 : SBD JSFET) Cree( 米 : SBD MOSFET) STMicro( 伊 : SBD) Fairchild( スウェーデン : BJT) 国内 : ローム (SBD MOSFET) 新日本無線 (SBD) 三菱 ( パワー半導体モジュール : 自動車鉄道 PVetc.) 開発海外 :GE( 米 ) GENESiC( 米 ) UnitedSiC( 米 ) Northrop( 米 ) 他国内 : 産総研東芝日立三菱電機富士電機パナソニックローム住友電工デンソー日産サンケン新電元他

28 Current (A) SiC ショットキーダイオード (SBD) 2001~ 5.1mm X 5.1mm chip SBD 製品 (Infineon, ROHM, etc.) 300-1,700 V, 6-20 A SBD サンプル / R&D 600-3,000 V, A Voltage (V)

20% 改善インバータのスイッチング損失を 60% 改善 http://www.nissan-global.

29 Si IGBT SiC SBD パワーモジュールの進展 SiC ショットキーダイオードを搭載した車両用のインバータを開発し燃料電池車で走行実験民生用ルームエアコンに SiC ショットキーダイオードを搭載 ( 月産 20,000 台を予想 ) インバータの効率を 20% 改善インバータのスイッチング損失を 60% 改善 STORY/ j.html d.html

30 高密度 all-sic インバータ体積 : 約 1/4 SiC モジュール Si- 整流部 SiC- インバータ部耐圧 1.2kV 5mm SiC-SBD 耐圧 1.2kV 5mm SiC-MOSFET 従来の Si 11kW インバータ SiC インバータ体積 : 約 1.1L パワー密度 :10W/cc SiC デバイスを適用した 11kW/400V 小型インバータを試作 Si インバータ比 1/4 の小型化実現 by courtesy of Mitsubishi Electric

31 電力損失 SiC インバータによる電力損失低減 kw 出力時の電力損失比較 434 W Tj:125 キャリア周波数 :15kHz 力率 :0.8 70% 減 130 W パワー密度 (W/cm 3 ) スイッチンク損失定常損失ボード電源汎用インバータサイリスタバルブ SiC(11kW) SiC(3.7kW) ユニット電源パッケージ電源 HEV インバータエアコン用インバータ西暦 ( 年 ) Si インバータ SiC インバータ最新成果 :90% 減!! by courtesy of Mitsubishi Electric

32 高性能 SiC トレンチ MOSFETs SiC トレンチ MOS 1.6 mwcm 2 (1050 V) SiC DMOS 7 mwcm 2 (1000 V) Si IGBT ~10 mwcm 2 (1000 V) Much lower V F, Compared with Si IGBT Chip size: 1.6 mm x 1.6 mm 最新 : 630 V 0.79 mwcm V 1.41 mwcm 2 T. Nakamura et al, IEDM by courtesy of Rohm

33 SiC パワー半導体による電気エネルギーの有効利用損失 >~10% 風力発電データセンター IT インテリジェントビル鉄道ビジネスマシン産業用モータドライブ火力原子力水力発電変換変換変換変換消費太陽光発電次世代電力変換器 ( インバータ ) の革新と導入が必要貯蔵大規模サーバ無停電電源ハイブリッドカー電気自動車スイッチング電源燃料電池リチウム電池電気エネルギー利用の高効率化環境負荷低減 (HEV/EV 等 ) への要請大発電から消費までの電力フローの中で電力変換技術の占める役割大パワーエレクトロニクスの革新必須 SiC パワーエレクトロニクス技術の確立電力変換器の高効率化新規分野への導入効果

34 SiC パワー素子の市場規模と省エネ効果の予測 SiC パワー素子の市場規模 (100 万個 ) 2020 年における省エネ効果 *5 ) 活用分野 2010 年 2020 年導入量省エネルギー量 (TWh/ 年 ) CO 2 排出削減量 ( 万 t / 年 ) 原油換算の省エネルギー量 ( 万 kl/ 年 ) 電気自動車 / ハイブリッド車 / 燃料電池車 2.4 *1) 6~20 *2) 500 万台汎用インバータ ( モーター制御 ) 0.1 *1) 43 *3) 4100 万台 CPU 電源 1 *1) 100 *4) 6500 万台無停電電源装置 (UPS) 0.5 *1) 50 *1) 2300 万台分散電源システム 0.01 *1) 2 *1) 2002 万 kw *1) ジェイスターの予測 *2) 日本電動車両協会燃料電池自動車に関する調査報告書の予測を参照 *3) 経済産業省経済産業政策局調査統計部機械統計年報の予測を参照 *4) 電子情報技術産業協会世界の電子機器と半導体市場の中長期展望の予測を参照 *5) エンジニアリング振興協会次世代パワー半導体デバイス実用化調査の予測を参照出典 :EE Times Japan

35 690 V AC インバータ (SiC SBD 活用 ) ドイツにおける政策を先取りする実施例 1 From ECPE User Forum

36 太陽電池用インバータへの応用 (Fraunhofer Inst.) 1,200 V SiC MOSFET: 40 A at 3 V, 15 V/125 C ドイツにおける政策を先取りする実施例 2 From ECPE User Forum

37 All SiC パワーデバイスによる QMET ドライブ安川電機ロームトルクー回転数効率 90% 以上の確保

システムにおける電力損失低減 1. 地下鉄電車 ( 東京 ) への搭載 Si IGBT SiC SBD ハイブリッドインバータ (1) 電気ブレーキの活用 : 22.7% 51.0% (2) 電車全体の電力損失 : 38.6% (2012.7.30-2012.

38 システムにおける電力損失低減 1. 地下鉄電車 ( 東京 ) への搭載 Si IGBT SiC SBD ハイブリッドインバータ (1) 電気ブレーキの活用 : 22.7% 51.0% (2) 電車全体の電力損失 : 38.6% ( 平均 ) 2. 高速エレベータへの搭載 all-sic インバータシステム全電力損失の低減 : 65.0% Tokyo Metro パワエレの革新はシステムの変革を促す (Mitsubishi Electric URL)

39 国家プロジェクトの展開戦略材料 : 日本の国情に合ったテーマ ( エネルギー環境 ) 日本が開発をすることの意義 ( 日本でしかやれない分野 ) 電気エネルギーの有効利用省エネ ( エネルギーの海外依存大 ) 石炭石油使用による環境への負荷低減ハイブリッド車プラグイン電気自動車への期待 Power Technology (PT) 早い自立を! : 燃焼等制御システム開発地域重要プロジェクト ( 近畿通産局 ) : 超低損失電力素子技術開発プロジェクト : エネルギー使用合理化技術戦略的開発事業 ( 提案公募助成 ) : パワーエレクトロニクスインバータ基盤技術開発プロジェクト : グリーン I T プロジェクト : 最先端研究開発プロジェクト : 新材料パワー半導体プロジェクト

40 性能 ( 口径耐圧低欠陥パワー密度ほか ) SiC 関連技術国家プロジェクト < Technology Driver> 超高耐圧 R&D 電力インフラスマートグリッド超高耐圧 (10kV~) ~50W/cm 3 バイポーラ素子新結晶成長 R&D ウェハ 8 インチ? ( 昇華法 X 法 Y 法 ) 超高純度エピ超高速エピハイブリッド / 電気自動車高速鉄道高耐圧デバイス R&D 高耐圧デバイス (5kV 級 ) ~25W/cm 3 高温動作 (250 級 ) ユニポーラ素子高信頼ウェハ 6 インチ ( 昇華法 X 法 ) 厚膜高純度エピ先進ウェハエピ R&D 汎用インハータハワーコンティショナー等中耐圧デバイス (1kV 級 ) ~10W/cm 3 モシュールウェハ 4 インチ ( 昇華法 ) 年

41 Si vs. SiC, Unipolar vs. Bipolar デバイス SBD MOSFET Near-Future Target PiN IGBT, GTO SBD MOSFET, JFET Si PiN IGBT, GTO Target of this project SiC 100 V 300 V 600 V 1.2 kv 4.5 kv 10 kv 20 kv Voltage rating (V) SiC unipolar devices: Medium-voltage applications SiC bipolar devices: Ultra high-voltage applications

power loss and size of conversion systems (2) Realization of

42 超高耐圧 (> 10 kv) SiC デバイス Power transmission, HVDC, SVC, Advanced traction, HVPS 6,600 V system 13 kv Power switch/diode Strong needs: (1) Reduction of power loss and size of conversion systems (2) Realization of highly-functional and reliable power networks A G1 G2 G3 G4 K Several Si GTOs C G E 13 kv SiC IGBT

43 SiC アライアンス産学官研究開発グループオールジャパン体制国際交流標準化への道 End user の needs 把握アライアンス ( 戦略提案 ) 国 ( ヒトモノカネの適切配置法整備 ) スマートグリッド関連技術国際標準提案型研究ロードマップ作成研究開発取組の俯瞰相互連携協調競争的フェーズの整理一般人社会広報サイエンスコミュニケーション楽しい研究開発雰囲気産業界が歓迎する科学技術裾野を広げる ( 大学人若手の参入 ) 世代間 Technology transfer

44 電力系統への展開 CVCF: 電池対応 UPS STATCOM: 系統接続 Static Synchronous Compensator *SST(Solid State Transformer) 固体変圧器 Power substationで従来の変圧器を置換高電力高速スイッチ入力 :AC DC 出力 :AC DC 電力品質問題を解決電気機器への電流量低減グリッド系における伝送損失削減スマートグリッドにおける供給需要の制御容易 ( 分散電源貯蔵 )

45 マイクログリッド, スマートグリッド, 集積グリッドの概念 HEMS BEMS Nature, Vol.457, 27, November 2008

46 SiC バイポーラデバイスが期待されるスマートグリッド (FIRST-SiC URL)

47 SiC パワーデバイスが拓く未来ハイブリッド車 EV 太陽電池燃料電池産業用モータデータセンター高速鉄道インバータ家電照明電源発電変電送電革新的な省電力 SiC デバイスグリーンイノベーション実現に寄与国際競争力の高い新産業分野の創出 ( 予測 :2020 年に 1 兆円の市場 )

48 まとめ SiC パワーデバイス 1. ユニポーラデバイス : 市販レベルショットキーダイオード JFET MOSFET モジュール応用例で電力損失低減の実績今後の展開 : 産業用機器プロトタイプの試作を経て広い展開を期待 2. バイポーラデバイス : 研究開発段階 pin ダイオードバイポーラトランジスタ IGBT スマートグリッド

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし 2012. 7. 9 窒化物半導体応用研究会 SiC パワー半導体の研究開発動向京都大学工学研究科電子工学専攻木本恒暢概要 1. SiCパワー半導体 2. SiCダイオードの進展 3. SiCスイッチングデバイスの進展 4. SiC 半導体の開発動向 5. まとめ 2 Rated Current (A) パワーデバイスパワーデバイス DC AC AC DC DC DC( 電圧変換 ) AC

SiCパワー半導体がもたらす 電気エネルギーの有効利用 －省エネ効果－

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