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
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
スイッチング損失
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