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 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) 10 4 10 3 10 2 10 1 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 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Rated Voltage (V) Power Transmission Traction SiC デバイスのターゲット 3
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 100 10 1 Si SiC 0.1 10 100 1000 10000 Blocking Voltage (V) 1 0 9 1 0 8 1 0 7 1 0 6 1 0 5 1 0 4 1 0 3 DC Transmission Large Factory THY. GTO Si BJT Telephone Line POWER-IC IGBT SiC Bullet Train UPS Inverter Electric Vehicle MOSFET Switching Power Module 10 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 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
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 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 YEAR 低抵抗ウェーハ : ~ 10-2 cm (n-type) 半絶縁性ウェーハ : > 10 10 cm 5
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 -2 500 cm -2 3000 cm -2 3000 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
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
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 10 17 10 16 σ/mean:3.82% σ/mean:0.55% 6 7 1 2 3 4 8 9 3 Wafer 5 7 6 5 4 3 2 1 V B Faults 10 15 0 0 2 4 6 8 10 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
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
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 1200 V 100 A J F = 100 A/cm 2 @ 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
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 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 http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2010/0824-d.html http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2011/1003-a.html http://www.nissan-global.com/jp/news/2008/story/080905-02-j.html 1700 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
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
DLTS Signal (ff) Z 1/2 Concentration (cm -3 ) DLTS スペクトル (n 型 SiC) 10 8 6 4 2 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 0 100 200 300 400(as-grown) 500 600 700 Temperature (K) Z 1/2 センター密度の深さ方向分布 10 13 10 12 キャリア寿命の増大 after oxidation (1300 o C, 5h) 10 min Detection Limit (after defect 0 10 elimination) 20 30 40 50 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 (1 10 11 cm -3 ) 以下に低減 as-grown 1 h 5 h T. Hiyoshi et al., Appl. Phys. Express 2 (2009), 041101. 15
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 100 80 60 with oxidation p + -Anode: 1x10 18 cm -3 0.8 mm SiO 2 40 20 without oxidation 0 0 5 10 15 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
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
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, 717-720 (2012), in press. 18
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), 064001. 19
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
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 = 2.58 V @ 200 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
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 ) 10-2 10-3 SiC limit (unipolar) 10 2 10 3 10 4 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
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
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
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 100 10 1 0.1 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 0.01 1970 1980 1990 2000 2010 2020 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
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, 717-720 (2012), 1233. 27
1 MW 級 All SiC インバータ (Cree/Powerex) 10 kv 10 A SiC MOSFET x 12 10 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 0.007mA step b = 439 100 10 0 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Collector Current (A) 0 0 2 4 6 8 10 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), 841. 29
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 = 3.8 V @ 100 A (R on = 4 m cm 2 ) 30
超高耐圧 SiC IGBT (Cree) 31
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
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
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
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