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

2012. 7. 9 窒化物半導体応用研究会

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

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)

101 102 103 104100

101

102

103

104

Rated Voltage (V)

Rate

d C

urr

ent (A

)

Server

PC

DC-DC

converter

HDD

Telecom.

Automobile

Electronics

(ABS,

Injector)

Motor

Control

HEV/EV

SW Power

Supply

AC

Adaptor

Home

Appliance

Factory

Automation

Traction

Power

Transmission

Lamp Ballast

低耐圧デバイス

中耐圧デバイス

高耐圧デバイス

SiCデバイスのターゲット

3

0 1

1 0 2

1 0 3

1 0 4

1 0 5

1 0 6

1 0 7

1 0 3

1 0 4

1 0 5

1 0 6

1 0 7

1 0 8

1 0 9

Operating Frequency (Hz)C

onvers

ion C

apacity (

VA

)

IGBT

MOSFETPOWER-IC

BJT

GTOTHY.

1

DC Transmission

Bullet Train

UPS

Electric

Vehicle

Switching

Power Module

Inverter

Large Factory

Telephone

Line

Si

SiC

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

特性オン抵抗 vs. 耐圧

高耐圧 低オン抵抗 高速SW 高温動作

10 100 1000 100000.1

1

10

100

Si

SiC

Blocking Voltage (V)

On-R

esis

tance (

m

cm

2)

10 100 1000 100000.1

1

10

100

Si

SiC

Blocking Voltage (V)

On-R

esis

tance (

m

cm

2)

SiCパワーデバイスの特徴

4

SiCウェーハの進展

価格: < ?0,000 円(100 mmf)

3-4 good vendors

100 mm

75 mm

1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006

25mm35 mm

50 mmWA

FE

R S

IZE

YEAR2008 2010 2012

150 mm

150 mm

100 mm

低抵抗ウェーハ: ~ 10-2 cm (n-type)

半絶縁性ウェーハ: > 1010 cm5

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)

転位線

// c

// c

// c

in {0001}

in {0001}

b : バーガースベクトル

b

nc (n ≥ 3)

1c, (2c)

1/3<1120>

1/3<1120>

1/3<1100>

(部分転位)

密度

0~0.1 cm-2

500 cm-2

3000 cm-2

3000 cm-2

< 1 cm-1

TSD: Threading Screw Dislocation

TED: Threading Edge Dislocation

BPD: Basal Plane Dislocation 6

開発したSiCエピ成長装置

量産用SiCエピタキシャル成長装置の開発

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

ガス： SiH4, C3H8, H2, N2 (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) 4oオフ

エピ成長装置

エピ成長条件

7

1017

0 2 4 6 8 10

Position Number

Dopin

g C

oncentr

ation (

cm

-3)

0

1

2

3

4

5

6

7

Thic

kness (

mm

)

σ/mean：3.82%

σ/mean：0.55%

3“ Wafer

1

2

3

4

5

6 7 8 9

×× ×

××

××

××

× × ××××

×××× × ×× ××

×× ×

××××

× ××× × ××

× × ×××

×× ×× ×× ×

× ×× ×

× ×× ××× ×× ×× × ××

××× × ×××× × × ×

××× × ×× ×× ××× × ×× × × × × × ×

× ×× ×× ××××

×× × ×× × ×

× × ××

×× ××

ConventionalNew Equipment

×・・・VB Faults

SiC SBDの耐圧不良箇所の分布SiCエピウェーハの均一性

… 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

1016

1015

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 %

SiCエピウェーハの品質、均一性改善

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

Voltage rating (V)

100 V 300 V 600 V 1.2 kV 4.5 kV 10 kV 20 kV

SBD

PiN

MOSFET

IGBT, GTO

SBD

MOSFET, JFET

IGBT, GTO

PiN

Si

SiC

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

Near-Future

Target

Challenge

10

1993-1995, 京大

VB = 1750 V

JF = 100 A/cm2 @ 1.0 V

SiCショットキー障壁ダイオード (SBD)

Voltage (V)

Curr

en

t (A

)

2008, ROHM

1200 V – 100 A

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

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

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

12

http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2011/1003-a.html

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

インバータのスイッチング

損失を60％改善

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

変換器電力損失 30％低減体積 40%低減

1700 V / 1200 A

Si IGBT – SiC SBDパワーモジュールの進展

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

http://www.nissan-global.com/JP/NEWS/2008/STORY/080905-02-j.html13

電力系統制御 高圧直流送電 高速車両 高圧電源

SiC半導体による革新

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）

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）

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

A

K

G1

G2

G3

G4

C

E

G

C

E

G

13 kV SiC IGBT

複数のSiサイリスタ 14

超高耐圧SiCバイポーラデバイス

Z1/2, RD1/2, EH6/7センター:

表面から深さ約47 mmの領域で

検出限界(1×1011 cm-3)以下に低減

熱酸化 (1300℃, 5 h) 後のSiC

DLTSスペクトル (n型SiC) Z1/2センター密度の深さ方向分布

0 10 20 30 40 50

1011

1012

1013

Depth From Surface (mm)Z

1/2

Concentr

ation (

cm

-3)

as-grown

10 min1 h

5 h

Detection Limit

熱酸化によるSiC中の深い準位の低減

T. Hiyoshi et al., Appl. Phys. Express 2 (2009), 041101.

100 200 300 400 500 600 700

0

2

4

6

8

10

Temperature (K)

DL

TS

Sig

na

l (f

F) Z1/2

EH6/7

as-grown

after oxidation

(1300oC, 5h)キャリア寿命の増大

t = 0.8 ms → t > 30 ms(as-grown) (after defect elimination)

15

p+-Anode: 1x1018 cm-3

0.8 mm

n+-substrate

SiO2

n- layer: Nd = 4x1014 cm-3

depi = 170 mm

キャリア寿命増大によるPiNダイオードの特性向上

Ron = 97 mcm2 Ron = 38 mcm2

Without Oxidation With Oxidation

微分オン抵抗(Ron)の低減

VB = 11 kV0 5 10 150

20

40

60

80

100

Forward Voltage (V)

Cu

rre

nt D

en

sity (

A/c

m2)

without

oxidation

with

oxidation

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

Single-zoneTwo-zone

Two-zone + SM1

Two-zone + SM2

SM2

SM1

H. Niwa et al., Mater. Sci. Forum, 717-720 (2012), in press.

理論耐圧の90%

以上を達成

18

耐圧のJTEドーズ依存性 (PiNダイオード)

Ron :

35 mcm2

(理論耐圧の81%)

H. Niwa et al., Appl. Phys. Exp. 5 (2012), 064001.

DJTE1 = 1.6x1013 cm-2, DJTE2 = 1.1x1013 cm-2

19

超高耐圧 (> 20 kV) PiNダイオードの実現

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

SiCパワーMOSFETの最先端（産総研）

Dra

in C

urr

en

t (A

)

Curr

en

t D

en

sity (

A/c

m2)

S. Harada et al. IEDM2006, p.906.

K. Fukuda et al. ICSCRM2007, We-2A-1.

1100 V – 4.3 mcm2 (Si face)

n-epilayer

p-epilayer

N+-implanted

n+-substrate

SiO2

n+n+

pp

p+p+

Buried

channel

チャネル長: 1.2 mm

セルピッチ： 12 mm

IEMOSFET

660 V – 1.8 mcm2 (C face)

21

7 mm x 8 mm (active area: 0.4 cm2)

mch = 22 cm2/Vs

Ron = 3.7 mcm2

VDS = 2.58 V @ 200 A (VGS = 20 V)

1200 V – 200 A SiC DMOSFET (Cree)

VB = 1550 V

Lch = 0.5 mm

22

オン抵抗 vs.耐圧特性 (SiCデバイス)

102 103 104

10-3

10-2

10-1 Si limit(unipolar)

SiC limit(unipolar)

Blocking Voltage (V)

Spe

cific

On-R

esis

tance

(

cm

2)

: SiC MOSFET : SiC JFET

Si IGBT

SiC

IGBT?

Ron – VB トレードオフ (2010)

1) MOS移動度の向上

2) 微細化(セル)

SiCパワーMOSFETs:

既にSi IGBTを大きく凌ぐ性能

-低いRon

-高速スイッチング-高温動作

23

2.4 x 4.8 mm2

Si SiC200oC

200oC

SiCパワーMOSFETの量産開始 (ローム)

2010年12月～ 世界初

Normally-OFF

(VTH ~ 3 V)

24

高密度SiCインバータ（三菱電機）

従来のSi

11kWインバータ SiCインバータ

SiCモジュール

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。

体積：約1/4Si-整流部 SiC-インバータ部

耐圧1.2kV

5mm□SiC-MOSFET

耐圧1.2kV

5mm□SiC-SBD

体積：約1.1L

パワー密度：10W/cc

25

SiCインバータによる電力損失低減（三菱電機）

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。

11 kW 出力時の電力損失比較

Siインバータ SiCインバータ

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失

定常損失

電力損失

434 W

130 W

70％減

Tj：125℃キャリア周波数：15kHz

力率：0.8

1970 1980 1990 2000 2010 20200.01

0.1

1

10

100

◎

◎

◎◎◎

××

××

×

● ● ●●●

＋＋

＋

△△

○○

パッケージ電源ユニット電源

ボード電源

汎用インバータ

サイリスタバルブ

エアコン用インバータ

パワー密度（W/cm3)

HEVインバータ

SiC（3.7ｋW)

SiC（11ｋW)

西暦（年）

26

K. Matsui et al. Mater. Sci. Forum, 717-720 (2012), 1233.

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)

27

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)

1 MW級 All SiCインバータ (Cree/Powerex）

28

• High injection mode at low IC due to the lower base doping

• on (0001) Si-face b = 257 on (0001) C-face b = 439

• Highest current gain ever reported

b = 439

First operation of C-face BJTs

with current gain beyond 400

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

VCE (V)

I C (

mA

)

β ～2IB = 0～0.07mA 0.007mA step

10-5 10-4 10-3 10-2 10-10

100

200

300

400

500

Collector Current (A)

Co

mm

on

-Em

itte

rC

urr

en

t G

ain

BJT on (0001)BJT on (000-1)

高電流利得 (b > 400) SiC BJT

H. Miyake et al, IEEE Electron Device Lett. 32 (2011), 841. 29

ネガティブベベルによる接合終端

1 cm x 1 cm

(termination: 600 mm)

VF = 3.8 V @ 100 A

(Ron = 4 mcm2)

12 kV – 100 A SiCサイリスタ (Cree)

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

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）

市販

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

開発

・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

33

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)

市販

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

開発

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

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）

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

35