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そうかなり
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1 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

2 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

3 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 AC( 周波数変換 ) などの電力変換を行う市場 :1.0 兆円 (2001) 1.6 兆円 (2008) 4 兆円 (2030) 10 兆円 (2050) 低耐圧デバイス DC-DC converter Server PC 中耐圧デバイス Automobile Electronics (ABS, Injector) HDD Telecom. HEV/EV Factory Automation Motor Control Home Appliance SW Power Supply AC Adaptor Lamp Ballast 高耐圧デバイス Rated Voltage (V) Power Transmission Traction SiC デバイスのターゲット 3

4 On-Resistance (m cm 2 ) Conversion Capacity (VA) SiC パワーデバイスの特徴特性オン抵抗 vs. 耐圧 Si SiC Blocking Voltage (V) DC Transmission Large Factory THY. GTO Si BJT Telephone Line POWER-IC IGBT SiC Bullet Train UPS Inverter Electric Vehicle MOSFET Switching Power Module Operating Frequency (Hz) 高耐圧低オン抵抗高速 SW 高温動作電力変換損失の大幅な低減 ( 高効率化 ) 冷却装置簡素化超小型変換システム 4

5 WAFER SIZE SiC ウェーハの進展 150 mm 100 mm 100 mm 150 mm 75 mm 25mm 35 mm 50 mm 価格 : <?0,000 円 (100 mmf) 3-4 good vendors YEAR 低抵抗ウェーハ : ~ 10-2 cm (n-type) 半絶縁性ウェーハ : > cm 5

6 4H-SiC{0001} 基板に存在する主な拡張欠陥種類マイクロパイプ (MP) 貫通らせん転位 (TSD) 貫通刃状転位 (TED) 基底面転位 (BPD) 積層欠陥 (SF) b nc (n 3) 1c, (2c) 1/3<1120> 1/3<1120> 1/3<1100> ( 部分転位 ) 転位線 // c // c // c in {0001} in {0001} 密度 0~0.1 cm cm cm cm -2 < 1 cm -1 TSD: Threading Screw Dislocation b : バーガースベクトル TED: Threading Edge Dislocation BPD: Basal Plane Dislocation 6

7 量産用 SiC エピタキシャル成長装置の開発エピ成長装置処理ウェハ : 2, 3, 4インチ ( 複数枚一括処理 ) 加熱形態 : ホットウォールCVD( 誘導加熱 ) L/L 機構 & 真空搬送機構エピ成長条件ガス : SiH 4, C 3 H 8, H 2, N 2 ( ドーパント ) プロセス温度 :1550~1650 プロセス圧力 :5~20 kpa 基板 : 4H-SiC(0001) 4 o オフ開発した SiC エピ成長装置 7

8 Doping Concentration (cm -3 ) Thickness (mm) SiC エピウェーハの品質均一性改善 SiC エピウェーハの均一性 SiC SBD の耐圧不良箇所の分布 σ/mean:3.82% σ/mean:0.55% Wafer V B Faults Position Number New Equipment Conventional 3 インチウェーハでの均一性エピ膜厚 : s/m = 0.55 % ドーピング : s/m = 3.82 % ready for production SiC ウェーハの欠陥密度を大幅に低減耐圧不良箇所の大幅な減尐 8

9 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 9

10 パワーデバイス : Si vs. SiC SBD MOSFET PiN Si IGBT, GTO Challenge Near-Future Target SBD MOSFET, JFET PiN IGBT, GTO SiC 100 V 300 V 600 V 1.2 kv 4.5 kv 10 kv 20 kv Voltage rating (V) SiC ユニポーラデバイス : 600 V ~ 3.3 kv 応用 SiC バイポーラデバイス : > 6 kv 応用 10

Current (A) SiC ショットキー障壁ダイオード (SBD) 1993-1995, 京大 2008, ROHM

11 Current (A) SiC ショットキー障壁ダイオード (SBD) , 京大 2008, ROHM 1200 V 100 A J F = 100 A/cm 1.0 V V B = 1750 V Voltage (V) T. Kimoto et al., IEEE EDL, 14 (1993), 548. ( 世界初の高耐圧 SiC SBD) A. Itoh et al., Proc. of ISPSD1995, p.101. ( 現在の世界標準構造 ) 11

12 SiC ショットキーダイオードの応用例 : 力率改善 (PFC) 回路 by courtesy of Dr. D. Stephani, SiCED Si pin ダイオード (D): ダイオードの逆回復電流によりトランジスタ (T) で大きいターンオン損失発生ダイオード (D) を SiC ショットキーダイオードで置き換えるとトランジスタ (T) のスイッチング損失を大幅に低減高周波化コイル (L) とコンデンサ (C) の小型化 SiC ショットキーダイオードのソフトなスイッチング特性 EMC フィルタの小型化 12

Si IGBT SiC SBD パワーモジュールの進展民生用ルームエアコンに SiC SBD を搭載 ( 月産 20,000

http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2010/0824-d.

html http://www.nissan-global.com/jp/news/2008/story/080905-02-j.

13 Si IGBT SiC SBD パワーモジュールの進展民生用ルームエアコンに SiC SBD を搭載 ( 月産 20,000 台を予想 ) SiC SBD で作製したパワーモジュールを東京地下鉄の車両に搭載インバータのスイッチング損失を 60% 改善 V / 1200 A 変換器電力損失 30% 低減体積 40% 低減 SiC SBD を搭載した車両用インバーターを開発燃料電池車で走行実験 13

14 超高耐圧 SiC バイポーラデバイス電力系統制御高圧直流送電高速車両高圧電源電力変換 (DC AC など ) 時に約 10% を熱として損失 ( 国内で約 800 億 kwh/ 年 ) 社会のニーズ : (1) 電力損失の低減と変換設備の小型化 (2) 将来のスマートグリッド等の高機能安定な電力インフラ実現現行の Si 半導体素子の限界 (Si サイリスタ Si PiN ダイオード ) A K SiC 半導体による革新 G1 G2 G3 G4 G C E 13 kv SiC IGBT 複数の Si サイリスタ 14

15 DLTS Signal (ff) Z 1/2 Concentration (cm -3 ) DLTS スペクトル (n 型 SiC) 熱酸化による SiC 中の深い準位の低減 Z 1/2 as-grown EH 6/7 10 t = 0.8 ms t 11 > 30 ms (as-grown) Temperature (K) Z 1/2 センター密度の深さ方向分布キャリア寿命の増大 after oxidation (1300 o C, 5h) 10 min Detection Limit (after defect 0 10 elimination) Depth From Surface (mm) 熱酸化 (1300, 5 h) 後のSiC Z 1/2, RD 1/2, EH 6/7 センター : 表面から深さ約 47 mmの領域で検出限界 ( cm -3 ) 以下に低減 as-grown 1 h 5 h T. Hiyoshi et al., Appl. Phys. Express 2 (2009),

16 Current Density (A/cm 2 ) キャリア寿命増大による PiN ダイオードの特性向上 with oxidation p + -Anode: 1x10 18 cm mm SiO without oxidation Forward Voltage (V) 微分オン抵抗 (R on ) の低減 n - layer: N d = 4x10 14 cm -3 d epi = 170 mm n + -substrate V B = 11 kv Without Oxidation With Oxidation R on = 97 m cm 2 R on = 38 m cm 2 16

17 新しい接合終端構造空間変調 JTE (SM-JTE) 低濃度 RESURF 領域の外周部に同じドーピング濃度を有する複数のリングリングの幅と間隔を変調し実効的な JTE ドーズを外周に向かって徐々に減尐 17

18 耐圧の JTE ドーズ依存性 (PiN ダイオード ) Two-zone + SM2 SM2 理論耐圧の 90% 以上を達成 Two-zone + SM1 SM1 Single-zone Two-zone H. Niwa et al., Mater. Sci. Forum, (2012), in press. 18

19 超高耐圧 (> 20 kv) PiN ダイオードの実現 R on : 35 m cm 2 ( 理論耐圧の 81%) D JTE1 = 1.6x10 13 cm -2, D JTE2 = 1.1x10 13 cm -2 H. Niwa et al., Appl. Phys. Exp. 5 (2012),

20 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 20

21 Drain Current (A) Current Density (A/cm 2 ) SiC パワー MOSFET の最先端 ( 産総研 ) IEMOSFET p-epilayer SiO 2 Buried channel n + p p + N + -implanted p p + n + n-epilayer n + -substrate チャネル長 : 1.2 mm セルピッチ : 12 mm 1100 V 4.3 m cm 2 (Si face) 660 V 1.8 m cm 2 (C face) S. Harada et al. IEDM2006, p.906. K. Fukuda et al. ICSCRM2007, We-2A-1. 21

1200 V 200 A SiC DMOSFET (Cree) L ch = 0.5 mm V DS = 2.

22 1200 V 200 A SiC DMOSFET (Cree) L ch = 0.5 mm V DS = A (V GS = 20 V) R on = 3.7 m cm 2 7 mm x 8 mm (active area: 0.4 cm 2 ) m ch = 22 cm 2 /Vs V B = 1550 V 22

23 Specific On-Resistance ( cm 2 ) オン抵抗 vs. 耐圧特性 (SiC デバイス ) R on V B トレードオフ (2010) 10-1 Si limit (unipolar) : SiC MOSFET : SiC JFET Si IGBT 1) MOS 移動度の向上 2) 微細化 ( セル ) SiC limit (unipolar) Blocking Voltage (V) SiC IGBT? SiC パワー MOSFETs: 既に Si IGBT を大きく凌ぐ性能 - 低い R on - 高速スイッチング - 高温動作 23

24 SiC パワー MOSFET の量産開始 ( ローム ) 2010 年 12 月 ~ 世界初 2.4 x 4.8 mm 2 Normally-OFF (V TH ~ 3 V) 200 o C Si SiC 200 o C 24

25 高密度 SiC インバータ ( 三菱電機 ) 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 の小型化実現本研究の一部は独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構の委託を受けて実施しました 25

26 電力損失 SiC インバータによる電力損失低減 ( 三菱電機 ) 11 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エアコン用インバータ西暦 ( 年 ) HEV インバータ Si インバータ SiC インバータ本研究の一部は独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構の委託を受けて実施しました 26

27 超高密度 (40 W/cc) SiC インバータ (FUPET) 電磁界シミュレーション熱シミュレーション等の設計技術を駆使二層セラミック基板活用による低インダクタンス化 (5 nh) K. Matsui et al. Mater. Sci. Forum, (2012),

28 1 MW 級 All SiC インバータ (Cree/Powerex) 10 kv 10 A SiC MOSFET x kv 20 A SiC JBS x 6 1 MW Solid-State Power Substation 効率 : 97% サイズ : 1/2, 重量 : 1/4 (Si 比 ) 28

Common-Emitter Current Gain I C (ma) 高電流利得 (b > 400) SiC BJT 500 400 300 200 BJT on (0001) BJT on (000-1) 40 30 20 I B = 0~0.07mA 0.

29 Common-Emitter Current Gain I C (ma) 高電流利得 (b > 400) SiC BJT BJT on (0001) BJT on (000-1) I B = 0~0.07mA 0.007mA step b = Collector Current (A) V CE (V) High injection mode at low I C due to the lower base doping on (0001) Si-face b = 257 on (0001) C-face b = 439 Highest current gain ever reported First operation of C-face BJTs with current gain beyond 400 H. Miyake et al, IEEE Electron Device Lett. 32 (2011),

30 12 kv 100 A SiC サイリスタ (Cree) ネガティブベベルによる接合終端 1 cm x 1 cm (termination: 600 mm) V F = A (R on = 4 m cm 2 ) 30

31 超高耐圧 SiC IGBT (Cree) 31

32 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 32

33 SiC ウェハの市販開発市販海外 :Cree( 米 ) Dow Corning( 米 ) SiCrystal( 独 ) II-IV( 米 ) Norstel( スウェーデン ) TankeBlue( 中国 ) 国内 : 新日鉄マテリアル昭和電工 ( エピ ) 主力は3インチから4インチへ( 数年後には6インチ ) エピウェハの市販はCree Dow Corning 昭和電工開発海外 : 上記の事業化企業国内 : 産総研ブリヂストン HOYA(3C) トヨタ自動車住友金属他 33

34 市販 SiC デバイスの市販開発海外 :Infineon( 独 : SBD, JFET) Cree( 米 : SBD) SemiSouth ( 米 : SBD, JFET) STMicro( 伊 : SBD) Fairchild ( スウェーデン : BJT) 国内 : ローム (SBD, MOSFET) 三菱電機 (SBD) 開発海外 :GE( 米 ) GENESiC( 米 ) UnitedSiC( 米 ) Northrop ( 米 ) 他国内 : 産総研東芝日立富士電機新日本無線パナソニック住友電工デンソー日産本田技研新電元他 34

35 1. ショットキーダイオード基本技術確立実用化大容量化へ Si IGBT との Hybrid Pair で市場拡大 2. MOSFET SiC パワーデバイスのまとめ SiC: 高耐圧低損失高速のパワーデバイス Si IGBT を凌ぐ優れた特性量産開始大容量化と低コスト化により市場拡大 3. PiN ダイオード IGBT サイリスタなど超高耐圧応用基礎研究の進展 ( 欠陥低減特性向上など ) 35

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ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし 2011. 3. 2 高等研究院インテックセンター成果報告会極限を目指した新しい半導体デバイスの実現京都大学工学研究科電子工学専攻木本恒暢須田淳光電子理工学エネルギー環境問題や爆発的な情報量増大解決へ物理限界への挑戦と新機能の創出自在な光子制御フォトニック結晶シリコンナノフォト二クスワイドバンドギャップ光半導体極限的な電子制御ワイドバンドギャップ (SiC) エレクトロニクス

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