低損失パワー半導体用の高品質SiC 単結晶膜 の高速製造技術を確立 · 2016. 4. 3. · 2015.5.12 1プレスリリース資料（電中研、デンソー、昭和電工）

2015.5.12 プレスリリース資料（電中研、デンソー、昭和電工） 1

低損失パワー半導体用の高品質SiC 単結晶膜 の高速製造技術を確立

～電力中央研究所、デンソー、昭和電工が技術開発～

2015年5月12日

一般財団法人電力中央研究所、株式会社デンソー、昭和電工株式会社 （協力者：トヨタ自動車株式会社、株式会社豊田中央研究所）

2015.5.12 プレスリリース資料（電中研、デンソー、昭和電工） 2

本日のご紹介内容

1. 研究開発成果のポイント

2. パワー半導体の概要

3. SiCパワー半導体開発のねらい

4. 高品質SiC単結晶膜の高速製造技術の開発

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研究開発成果のポイント

一般財団法人電力中央研究所（以下、電中研）、（株）デンソー（以下、デンソー）、 昭和電工（株）（以下、昭和電工）は、新しい低損失パワー半導体用の素材であるSiC 単結晶膜の高品質・高速製造技術を共同で開発した。 （研究協力者として、車載仕様への助言、評価をトヨタ自動車（株）（以下、トヨタ） 、 （株）豊田中央研究所（以下、豊田中研）より受けて、技術開発を進めた）

(1)株式会社ニューフレアテクノロジーとの共同開発により、直径150ミリメートル ウェハ対応の新型の枚葉式SiC単結晶膜製造装置を開発した。（国際会議ICSCRM2013で報告済）

(2)高品質SiC単結晶膜の高速製造技術の開発を進め、高い均一性と低い欠陥密度を有する高品質SiC単結晶膜を高い成膜速度で製造できる技術の開発に成功した。これにより、膜厚10マイクロメートル換算で、1装置で1日あたり100枚の直径150ミリメートル・高品質SiC単結晶膜の製造が可能となった。また、製造装置内の消耗部品の高耐久化や、メンテナンス頻度の低減など、量産化、低コスト化のための技術も高めた。

(3)今後、高品質SiC単結晶膜の製造に本技術を適用し、車載向けSiCパワー半導体の早期実用化に向けた開発と、高耐電圧・低損失SiCパワー半導体の電力系統への適用を目指す。

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1. 研究開発成果のポイント

2. パワー半導体の概要

3. SiCパワー半導体開発のねらい

4. 高品質SiC単結晶膜の高速製造技術の開発

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パワー半導体の概要

単結晶ウエハ（現状はシリコン単結晶）

パワー半導体 （ダイオード、トランジ スタ、サイリスタなど）

ＩＨ 機器

エコ キュート

ｲﾝﾊﾞｰﾀ （半導体電力 変換装置） 搭載機器

電流のオン、 オフを制御

単結晶ウェハを微細加工してパワー半導体が作られ、 インバータなどの電力変換回路に搭載される

微細加工

回路搭載

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パワー半導体による電力制御

変電所

発電所

交流/直流

無効電力補償

直流/交流

太陽電池 交流/直流

需要家 ループコントローラ

直流送電

発電所

需要家

燃料電池

風力発電

変電所

50/60Hz変換

無停電電源

パワー半導体による電力制御機器

二次電池

揚水発電

発電から消費まで、パワー半導体による多段の電力制御 が行われるため、パワー半導体の高効率化は重要課題

交流/交流

モータ 制御

家電 機器

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本日のご紹介内容

1. 研究開発成果のポイント

2. パワー半導体の概要

3. SiCパワー半導体開発のねらい

4. 高品質SiC単結晶膜の高速製造技術の開発

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SiCパワー半導体の特徴

・SiCパワー半導体は次世代のパワー半導体 ・従来型シリコンパワー半導体に比べて、損失1/10、耐電圧2.5倍、 駆動周波数10倍、動作温度100℃高のポテンシャル

SiCは シリコンと炭素の化合物 （Silicon Carbide）

低損失（シリコン比）

耐電圧

高周波駆動

高温動作 シリ コン

SiC 1

1/10

>20 ｷﾛﾎﾞﾙﾄ

8ｷﾛ ﾎﾞﾙﾄ

100ｷﾛﾍﾙﾂ

10ｷﾛ ﾍﾙﾂ

150℃ 250℃

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SiCパワー半導体の車載へのメリット

HV燃費の大幅向上、PCUの専用冷却系廃止と小型化

②低損失 ⇒ 燃費向上、PCU小型化 ⇒ 専用冷却系の廃止 （エンジン冷却水共用）

⇒ 将来的な空冷化

①高温動作

専用冷却系

シリコンインバータ ＳｉＣインバータ

インバータ体格：1/4 素子数：1/3

シリコン素子 ＳｉＣ素子

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SiCパワー半導体の電力系統応用へのメリット

直流送電、50/60Hz 周波数変換、無効電力補償、 再生可能エネ連系における電力損失低減

Siサイリスタバルブ (1.4ｷﾞｶﾞﾜｯﾄ直流送電設備) http://www.toshiba.co.jp/sis/tands/window/products /system/index_j.htmより

素子 8ｷﾛﾎﾞﾙﾄSi素子

(サイリスタ) 20ｷﾛﾎﾞﾙﾄSiC素子

(IGBT)

直列数 60段 25段

オン電圧 312ﾎﾞﾙﾄ

(5.2ﾎﾞﾙﾄ×60段) 90ﾎﾞﾙﾄ

(3.6ﾎﾞﾙﾄ×25段)

オン損失 1.75ﾒｶﾞﾜｯﾄ

(312ﾎﾞﾙﾄ×5600ｱﾝﾍﾟｱ) 0.50ﾒｶﾞﾜｯﾄ

(90ﾎﾞﾙﾄ×5600ｱﾝﾍﾟｱ)

最先端研究開発支援プログラム 「SiC革新パワーエレクトロニクスの研究開発」最終成果報告会資料より

±250ｷﾛﾎﾞﾙﾄ 直流送電 → 20ｷﾛﾎﾞﾙﾄSiC素子で電力損失71ﾊﾟｰｾﾝﾄ減

パワー半導体 （光サイリスタ）

http://dbnst.nii.ac.jp /pro/detail/1381

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各社におけるこれまでのSiCパワー半導体開発

電中研 デンソー 昭和電工

1980年代から国内外でSiC材料技術や素子技術の開発が進展。 最近、一部の家電機器、産業機器、鉄道において、SiCパワー半導体が実用化。

1990年代初頭より、SiCパワー半導体の電力系統適用を目指し、高電圧に耐えることができる高品質かつ厚膜のSiC単結晶膜の高速製造技術の基礎研究を推進。 2000-2014には、最先端研究開発支援プログラムでの超高耐電圧SiC素子開発に参加。

1980年代から基礎研究を始め、1992年から豊田中央研究所と共同で高品質単結晶薄膜、単結晶ウエハ技術開発を推進。 車載向けのSiCパワー半導体の開発に本薄膜単結晶膜を用いて技術開発。

2005年に、産業技術総合研究所、電中研との3者の独自技術、共同研究成果を活用し、LLPエシキャットジャパンを設立。 2008年にエシキャットジャパンより事業譲渡を受け、現在は国内最大規模でSiC単結晶膜を生産。

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SiC単結晶膜製造技術の課題

HVや、電力系統へのSiCパワー半導体の適用に向けては、高い均一性、低い欠陥密度を有する高品質なSiC単結晶膜を高速に製造するための生産技術に課題が残されていた。

高品質化 生産性の向上

単結

晶膜

の生

産コ

スト

チップサイズ （ミリメートル角）

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1 欠陥密度0.1 cm-2

0 1 2 3 4 5 8 9 10 6 7

20

40

60

80

100

0 11

1 cm-2

3 cm-2

10 cm-2

35 cm-2

100 cm-2

HV用PCU、 電力用素子

目標

現状

・直径150ミﾘﾒｰﾄﾙｳｪﾊ ・設備償却費 ・ランニングコスト ・労務費

1 2 3 4

現状

目標

生産性 (1時間あたりの処理枚数) 素

子歩

留ま

り (％

）

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本日のご紹介内容

1. 研究開発成果のポイント

2. パワー半導体の概要

3. SiCパワー半導体開発のねらい

4. 高品質SiC単結晶膜の高速製造技術の開発

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高品質・高速SiC単結晶膜製造技術開発への取り組み

電中研の基礎技術、デンソーの高品位化技術、 昭和電工の量産技術を持ち寄って、共同研究開発を実施

SiC単結晶膜の 量産技術

高品質・高速 SiC単結晶膜製造技術

昭和電工

電中研

高速SiC成膜、欠陥低減 の基礎技術

高品位SiC基板、 高品質結晶成長炉技術

デンソー

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共同研究開発成果-1（新型装置の開発）

（株）ニューフレアテクノロジーとの共同開発により、 高い生産性を有する新型のSiC単結晶膜製造装置を開発

新型・枚葉式SiC単結晶膜 製造装置の外観写真 新型・枚葉式SiC単結晶膜製造装置の模式図

(3) 高温ウェハ搬送 （搬送時間短縮）

自動ウェハ搬送モジュール

原料ガス

成膜チャンバ

φ150mm SiCウェハ

(1) 高速成膜 （成膜時間短縮）

(2) 急速加熱・降温 （加熱時間短縮）

(1)-(3)の効果によって、2チャンバ構成で、直径150ミリ メートルのSiCウェハを毎時4枚（1日あたり100枚）で高速処理できる装置を実現。

国際会議ICSCRM2013で報告

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共同研究開発成果-2（成膜速度の向上）

ウェハ高速回転の効果を利用して、1時間あたり50マイクロメートル以上の高い成膜速度を実現（従来比5-10倍）

~2x

成膜チャンバ内の圧力 (ミリバール)

成膜

速度

(マイクロメートル毎

時)

10

20

30

40

50

60

50 100 200 500 1000

高速回転による 成膜速度の増大効果 （2倍以上）

ウェハ高速回転あり （回転数: 毎分1000回）

ウェハ高速回転なし （回転数: 毎分50回）

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共同研究開発成果-3（均一性の向上）

成膜条件の改良により、高い均一性（従来比3倍） を有する直径150ミリメートルSiC単結晶膜を実現

ウエハ中心からの距離 (ミリメートル)

1立

方セ

ンチ

メー

トル

あ

たり

のドー

ピン

グ密

度 直径150ミリメートルSiC単結晶膜のドーピング密度分布

成膜速度： 1時間あたり 54マイクロメートル

ウエハ中心からの距離 (ミリメートル)

直径150ミリメートルSiC単結晶膜の膜厚分布 膜厚

(マ

イクロメートル

)

膜厚均一性: 1.5パーセント

ドーピング密度均一性: 3.9パーセント

#膜厚、ドーピング密度の均一性の値は、標準偏差を平均値で割った値で、膜厚は外周3ミリメートル、外周6 ミリメートル範囲を除外したもの。

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共同研究開発成果-4（欠陥密度の低減）

成膜における欠陥制御により、低い欠陥密度（従来比1/5以下） を有する高品位SiC単結晶膜を実現

欠陥密度（表面欠陥）: 1センチメートル四方あたり0.006個 (複数枚での平均0.02個以下)

発光解析による検査結果 （直径75ミリメートルSiC単結晶膜）

欠陥密度（積層欠陥）: 1センチメートル四方あたり0.05個

高品位基板を使用してSiC単結晶膜を成膜

表面欠陥: ダウン フォール、立方晶 欠陥によるもの 積層欠陥

光学式表面検査装置による検査結果 （直径150ミリメートルSiC単結晶膜）

2015.5.12 プレスリリース資料（電中研、デンソー、昭和電工）

現行の国家プロジェクト*1に参加しつつ、電力系統用の高耐電圧・低損失SiCパワー半導体の開発を推進

*1 SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）／次世代パワーエレクトロニクス

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今後の技術展開

高品位SiC単結晶膜の製造に本技術を適用

車載応用でのSiCパワー半導体の早期実用化に向けた開発を加速

大電流容量が求められるモジュール向けに、本開発技術の適用を目指す