V - ローム

Confidential
c 2014 ROHM Co.,Ltd. All Rights Reserved
2014. 10. 8 CEATEC JAPAN
SiCパワーデバイスの
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
SiCパワーデバイスの特徴
特性オン抵抗 vs. 耐圧
10
Si
1
0.1
10
100
SiC
1000
10000
Blocking Voltage (V)
高耐圧
低オン抵抗
Conversion Capacity (VA)
高耐電圧化
低損失化
On-Resistance (mcm2)
100
10
9
10
8
10
7
10
6
DC Transmission
Large Factory
SiC
Bullet Train
10
10
10
5
UPS
THY. GTO
Si
4
Inverter
Electric
Vehicle
IGBT
BJT
Telephone
Line
Switching
Power Module
POWER-IC MOSFET
3
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
Operating Frequency (Hz)
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
3
SiCウェーハの進展
WAFER SIZE
150 mm
100 mm
150 mm
100 mm
75 mm
50 mm
35 mm
25mm
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: > 1010 cm
4
SiCエピウェーハの品質、均一性改善
SiC SBDの耐圧不良箇所の分布
×・・・VB Faults
7
1017
σ/mean：0.55%
6
5
4
1016
σ/mean：3.82%
3
1
2
6
7
3
8
2
9
4
3“ Wafer
1015 0
Thickness (mm)
Doping Concentration (cm-3)
SiCエピウェーハの均一性
×
×
×
×
×
×
××××
×
××
×
×
× ××
×
×
×
× ×
×××
×
×
×
××
× ××
×
××
×
×
1
5
×
× ××
× ××
××
×
×
×
×
×
×
××
××
×
××
× ××
××
×
×× ×
×
×
×
×××
×
××
×
×
××
×
×
×
× × ×
×
×
×
×
× × × ×× ××
××
××
×
×
×
× ×
× × ×
×
××
××
×
×
×
×
×
0
2
4
6
8
Position Number
3~4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 %
10
New Equipment
Conventional
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少
… ready for production
5
パワーデバイス： Si vs. SiC (vs. GaN)
SBD
PiN
Si
MOSFET
IGBT, GTO
Production
Started.
Challenges
SBD
PiN
GaN
MOSFET, JFET
BJT, IGBT, GTO
GaN HEMT
100 V
300 V
600 V
1.2 kV
4.5 kV
10 kV
SiC
20 kV
Voltage rating (V)
SiCユニポーラデバイス: 600 V ~ 6 kV 応用
SiCバイポーラデバイス: > 6 kV 応用
6
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
7
パワーダイオード: SBD & PiN
ショットキー障壁ダイオード
PiNダイオード
ohmic
contact
アノード電極
表面保護膜
Schottky contact passivation
ショットキー電極
表面保護膜
passivation
p+型層
p+-type
anode
p
p
JTE領域
termination
n型ドリフト層
n-type drift layer
n 型基板
n+-type
substrate
+
ohmic
contact
オーム性電極
ユニポーラ型デバイス
・高速スイッチング
・高耐圧素子でオン抵抗大
p
p
JTE領域
n型耐圧維持層(i層) termination
n-type voltage-blocking layer
n+型基板
n+-type
substrate
ohmic
contact
カソード電極
バイポーラ型デバイス
・逆回復特性(SW遅い)
・高耐圧素子でもオン抵抗小
(伝導度変調効果)
8
SiCショットキー障壁ダイオード (SBD)
1993-1995, 京大
2008, ROHM
JF = 100 A/cm2 @ 1.0 V
Current (A)
1200 V – 100 A
VB = 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)
9
スイッチング特性の比較: Si PiN vs. SiC SBD
ダイオード
高速Si PiN (1200 V)
IDiode
IDiode
Reverse
Recovery
Loss
スイッチ(Si IGBT)
SiC SBD (1200 V)
No Reverse
Recovery
Loss
IIGBT
IIGBT
Loss
Loss
by courtesy of Dr. D. Stephani, SiCED
SiC SBD：スイッチング損失を大幅に低減
→ 高周波化が可能 → 機器のコンパクト化
10
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
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（営業運転開始）
1700 V / 1200 A
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
変換器
消費電力 38%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
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2011/1003-a.html
http://www.nissan-global.com/JP/NEWS/2008/STORY/080905-02-j.html
11
SiC PiNダイオード (超高耐圧応用)
特性オン抵抗 vs. 耐圧
Current Density (A/cm2)
1 kV SBD
On-Resistance (mcm2)
100
500
10
400
1
Si
300
SiC
0.1
10
100
10 kV
PiN
1000
200
10000
Blocking Voltage (V)
100
デバイスを高耐圧化する
と、オン抵抗が急増
少数キャリア注入による伝導度変調効果
を活用するバイポーラデバイスが有望
10 kV SBD
0
1
2
3
4
Forward Voltage (V)
12
超高耐圧 (> 20 kV) SiC PiNダイオード
p+型アノード
改良型空間変調JTE
n型エピ成長層
(268 μm, 1~2x1014 cm-3)
n+型カソード
Von = 4.75 V @ 100 A/cm2
Ron,diff = 10.7 mcm2
1x10-3
耐電圧 > 26.9 kV
N. Kaji et al., ICSCRM 2013, Tu-1A-2.
13
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
14
SiCパワーMOSFETのオン抵抗
DIMOSFET
n+
p
Source
RJFET
nRDrift
RCh R
S
n+
p
Channel
On-state Resistance (mcm2)
Gate
SiO2
100
10
Si-MOSFET
SiC-MOSFET
1
Si drift limit
0.1
n+
RSub
10
SiC drift limit
100
1000
Blocking Voltage (V)
10000
Drain
オン抵抗 RON = RS + RCh + RJFET + RDrift + RSub
15
100
4H-SiC
(1120), N2O
80
NA
~1x1016
cm-3
60
(0001)C, N2O
40
(0001)Si, N2O
20
0
(0001)Si, wet O2
5
10
15
Gate Voltage (V)
20
25
Effective Channel Mobility (cm 2/Vs)
N2O酸化の試み
2
Effective Channel Mobility (cm /Vs)
MOSFETチャネル移動度の向上 (1)
100
4H-SiC MOSFET
80
(1120)
60
40
(0001)C
20
(0001)Si
0
1016
1017
1018
Doping Concentration of p-Body (cm -3)
meff: (1120) > (0001)C > (0001)Si (N2O) > (0001)Si (O2)
T. Kimoto et al. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005), p.1213.
16
MOSFETチャネル移動度の向上 (2)
mFE
(0001)
(0001)
Thermal Depo Thermal Depo
N2O
NO
29
37
28
38
39
46
(0001)Si 「Si面」
c
(1120) 「A面」
「C面」 (0001)C
108
108
110
112
・熱酸化 + NO窒化
・酸化膜堆積 + NO窒化
・ (1120)面の活用
によりチャネル移動度向上
a3
a1
38
44
(1120)
Thermal Depo
a2
SiパワーMOSFETに対する優位性を
確保するには十分、しかし、本来なら
300~400 cm2/Vs 出るはず、、、
17
1200 V – 200 A SiC DMOSFET (Cree)
VDS = 2.58 V @ 200 A (VGS = 20 V)
Lch = 0.5 mm
Ron = 3.7 mcm2
7 mm x 8 mm (active area: 0.4 cm2)
mch = 22 cm2/Vs
VB = 1550 V
18
低損失SiCパワーMOSFET (ローム)
プレーナ型DMOSFET
トレンチ型MOSFET
1 mcm2 の壁
を突破
SiC Trench
MOSFET
Drain Current (A/cm2)
300
Loss reduction
SiC Planar
DMOSFET
200
Si IGBT
100
0
Si SuperJunction
MOSFET
630 V – 0.79 mcm2
1260 V – 1.41 mcm2
0.5
1.0
Drain Voltage (V)
1.5
T. Nakamura et al., IEDM 2011.
19
オン抵抗 vs. 耐圧特性 (SiCデバイス)
Ron – VB トレードオフ (2013)
2
Specific On-Resistance (cm )
: SiC MOSFET
-1
10
Si limit
(unipolar)
: SiC JFET
Si IGBT
SiC
IGBT?
10-2
10-3
102
1) MOS移動度の向上
2) 微細化(セル)
SiC limit
(unipolar)
103
Blocking Voltage (V)
104
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
20
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 mm2
Normally-OFF
(VTH ~ 3 V)
Si
SiC
200oC
200oC
21
大容量All-SiCパワーモジュール (三菱電機)
SiC MOSFETs + SiC SBDs
電車 (小田急)
高速エレベータ
SiC power module
Control Unit
Elevator
1200 V - 1200 A SiCモジュール
3300 V - 1500 A SiCモジュール
65% 電力損失低減
40% 体積低減
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2013/0226.html
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2014/0430.html
20-36% 消費電力低減
80% 体積低減
22
超高耐圧(> 20 kV) SiCバイポーラトランジスタ
20mm
100mm
500mm
Ni/Ti/Al
60mm 88mm 352mm
n+-SiC emitter
2x1019 cm-3
1.2 mm
Ni/Ti/Al
20mm
polyimide
Ni/Ti/Al
SiO2 passivation
p+-SiC base, 1x1018 cm-3, 0.35 mm
JTE2 JTE1
n--SiC collector
2.3x1014 cm-3, 186 mm
Space-modulated
JTE
n+-SiC buffer 1x1018 cm-3, 8 mm / n-SiC 8o off-axis substrate
1
IB = 120 mA
0.006
IB = 80 mA
0.004
IB = 40 mA
0.002
0
0
10
20
30
40
VCEO = 23500 V
(system limit)
Ileak = 0.1 mA
0.8
0.6
0.4
0.2
Leakage Current (mA)
Forward Current (A)
IB = 20 mA step,  = 63
Ron_sp = 321 mcm2
0.008
(理論耐圧の90%)
max = 63
Ni
0.01
VCEO > 23.5 kV
0
5000 10000 15000 20000 25000
Collector Voltage (V)
H. Miyake et al, IEEE Electron Device Lett. 33 (2012), 1598.
23
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)
VF = 3.8 V @ 100 A
(Ron = 4 mcm2)
24
16 kV – 15 mcm2 (20 A) SiC IGBT (nチャネル)
14.8 mm
n(implanted)
25
JFET Width
Charge Storage Layer
250
@ 20A
n+
p+
p- (epitaxial)
p+ (implanted)
200
15V
20
ICE(A)
n+
p- (epitaxial)
+
p (implanted)
Emiter
30V 25V
Von = 6.5 V
20V
150
15
10V
100
10
Vf = 5.2 V
@100A/cm2
n- drift
5
JCE (A/cm2)
Gate
Emitter
p+
30
50
VGE = 0V, 5V
0
n- buffer Layer
0
0
2
4
p++ Collector
Collector
6
8
10
12
14
16
VCE(V)
5.3mm角IGBT DBC組後耐圧
5.E-06
・Von =6.5 V @ 20A
・RonAdiff = 15 mΩcm2
・VB = 16.7 kV
4.E-06
Y. Yonezawa et al, IEDM 2013, #6.6.
-1.E-06
Ice(mA)
3.E-06
2.E-06
1.E-06
2.E-21
0
5000
10000
Vce (V)
15000
20000
25
5 kV, 250oCのスイッチング動作実証
13kV級SiC IGBT + PiNダイオード
ターンオン特性
ターンオフ特性
VCE
IC
VCE
2 ms
IC
2 ms
250oCの高温で5 kV, > 20 Aのスイッチングを初めて実証
26
課題：デバイスキラー欠陥密度
デバイス歩留まり: Y = exp(– DA)
D: デバイスキラー欠陥密度 (cm-2)
A: デバイス面積 (cm2)
2
Current (A) (J = 200 A/cm )
Device Yield (%)
100
80
101
102
D = 0.1 cm-2
future
present
D = 1 cm-2 Density of
60
40
device-killing
defects:
< 0.1 cm-2
D = 10 cm-2
D = 100 cm-2
20
0 0
10
101
2
Device Area (mm )
102
27
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
28
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：新日鉄住金マテリアルズ、昭和電工（エピ）
・主力は４インチ（間もなく６インチに移行）
・エピウェハの市販はCree、Dow Corning、昭和電工、
ASCATRON、Epiworldなど
開発
海外：上記の事業化企業
国内：産総研、デンソー、トヨタ自動車他
29
SiCデバイスの市販、開発
市販
海外：Infineon (SBD, JFET)、Cree (SBD, MOSFET)、
STMicro (SBD)、Fairchild (BJT)
国内：ローム (SBD, MOSFET)、三菱電機 (SBD, MOSFET)
富士電機、新日本無線
開発
海外：GE(米)、GeneSiC(米)、UnitedSiC(米)、Northrop
(米)、ARL(米)、ABB(スイス) 他
国内：産総研、東芝、日立、パナソニック、住友電工、
デンソー、トヨタ、日産、本田技研、新電元他
30
SiCパワー半導体の大型プロジェクト (国内)
・最先端研究開発支援プログラム (内閣府、2009-2013)
・新材料パワー半導体 (経産省、2010-2014)
・戦略的イノベーション創造プログラム
(内閣府-NEDO、2014-2018)
「次世代パワーエレクトロニクス」
(SiCウェハ、デバイス、モジュール、回路、システム)
・スーパークラスタープログラム (JST、2013-2017)
「クリーン・低環境負荷社会を実現する高効率エネルギ
ー利用システムの構築」
(SiCパワーデバイスの基礎研究および社会実装)
31
SiCパワー半導体の大型プロジェクト (海外)
米国：
・ Next Generation Power Electronics Manufacturing
(Technology) Institute for WBG Semiconductors
(DOE, 2014-2018?) ← Obama大統領の政策
… Cree, NCSUなど約150億円
・ New York Power Electronics
Manufacturing Consortium
(NY州, 2014-2018?)
… GE, IBMなど約500億円
欧州：
SPEED (EU, 2014-2017) … Infineon, ABBなど
韓国、中国でもプロジェクト進行中
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
33
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
1. ショットキーダイオード量産: 600~1700 V – 10~50 A
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
量産: 600~1700 V – 10~35 A
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
R&D
超高耐圧応用
基礎研究の進展（欠陥低減など）
34

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