SiCパワーデバイスの開発動向 - 公益財団法人科学技 … 100 200 300 400 時間 [nsec]]-400-200 0 200 400 600 800 1000] Di 電流 Di 電圧 V V I I 1200V/60A 1200V/75A

c 2012 ROHM Co.,Ltd. All Rights ReservedConfidential

SiCパワーデバイスの開発動向

ローム株式会社研究開発本部新材料デバイス研究開発センター

2012年7月9日

中村孝


Research & Development Headquarters, New Material Devices R&D Center

Outline

イントロダクション

SiC SBD

SiC SBDの特徴と実用化の現状

SiCトレンチSBD

SiC MOSFET

SiC MOSFETの特徴と実用化の現状

SiCトレンチMOS

SiCパワーモジュール

フルSiCパワーモジュールの商品化

高温動作SiCパワーモジュール

アプリケーション

2/36



3～5％の電力ロスが発生

電力変換における電力損失

スイッチング

損失85％減!! IGBTモジュールと

フルSiCモジュールの比較

Si SiC

Siを超える優れた物性

電力変換時に発生する無駄なエネルギーロスを大幅に削減可能

変電所変圧器送電線

家庭

工場

送電

送電・変圧家電

変換

機器の電源部で最適な電圧・電流に変換

5～10％は電力ロス

交流＇AC（数十万V

交流＇AC（100V

直流＇DC（12～24V,3相交流

交流＇AC（6600V

SiCなら・・・

3/36



パワーデバイスの応用分野

1

5

10

100

500

1000

5000

10000

50000

100000

送配電PE

産業モータ

50

定格電圧(V)

HDD

PPC

DC/DC

ｺﾝﾊﾞｰﾀﾙｰﾀ

ﾉｰﾄPC

定格

電流

(A)

10 50 100 500 1000 5000 10000 50000100000

ディスクリート

モジュール

低耐圧デバイス

中耐圧デバイス

高耐圧デバイス

HEV

EV 電鉄ドライブ

家電機器

ﾊﾟｯｹｰｼﾞｴｱｺﾝ

自動車電装機器

通信機器電源サーバWS

ACアダプタ

SW電源

SiCデバイスのターゲット市場

4/36



ロームのSiCパワー半導体の開発・生産体制 5/36



ロームにおけるSiCデバイス商品ラインナップ

SiC SBD SiC MOSFET SiC パワーモジュール

特徴 ⁃ 逆回復損失を大幅に減らせる

⁃ 特性の温度・電流依存性が小さい

⁃ 低Vf

⁃ 低スイッチング損失

⁃ 面積当たりのオン抵抗が小さい

⁃ フルSiCモジュール(SiC SBD + SiC

MOSFET)

1200V 120A 仕様

6/36



SiC SBD

75A＇研究開発品（ 20A

6A

• ショットキーダイオード構造

• 耐圧クラス 600V/1200V/1700V

• 電流6A、10A、20A、75A(研究開発品)

• 高速リカバリ

• 低オン抵抗 1.0～2.0mWcm2

SBD 1200V/75A (3inchウェハ)

※量産時はレイアウト・ラインナップが変更される場合があります

10A

600V 10Aから国内初量産

7/36



SBD 75A品リカバリー特性比較

Si-FRD SiC-SBD

tｒｒ=113nsQrr=4506nC

trr=32nsQrr=302nC

-80

-40

0

40

80

120

160

200

0 100 200 300 400

時間 [nsec]

電流

[A

]

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

電圧

[V]

Di 電流

Di 電圧

-80

-40

0

40

80

120

160

200

0 100 200 300 400

時間 [nsec]

電流

[A

]

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

電圧

[V]

Di 電流

Di 電圧

VV

II

1200V/75A1200V/60A

リカバリー時の損失を1/10以下に大幅削減

順方向 → 逆方向順方向 → 逆方向

8/36



VF（動作電圧）を下げるアプローチ

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2Forward bias (V)

Forw

ard

curr

ent

(A)

順方向特性 (600V/10A)

Si-FRDSiC-SBD

晴れ

曇り

順方

向電

流(A

)

順方向電圧(V)

① 抵抗を下げる＇青点線（

- 大電流領域ではVF低減効果大- 低電流領域ではVF低減効果小

② 立ち上がり電圧を下げる＇赤点線（

- 大電流領域ではVF低減効果大- 低電流領域でもVF低減効果大

低電流領域での損失低減要求が多い

(例) 太陽光発電→ 曇りの日も発電効率を上げたい

立ち上がり電圧を下げてVF低減が効果的

しかし、立ち上がり電圧が材料特性に依存するので低減は困難

9/36



SiC-SBD I-V 特性のバリアハイト依存性

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0 100 200 300 400 500 600

Vr(V)Ir

(A)

φ =0.85

φ =0.92

φ =1.03

φ =1.13

φ =1.27

0

5

10

15

20

0 0.5 1 1.5 2

Vf(V)

If(A

)

φ =0.85

φ =0.92

φ =1.03

φ =1.13

φ =1.27

金属 N- SiC

φ BN

Metal

・順方向特性・逆方向特性

順方

向電

流(A

)

順方向電圧(V)逆

方向

電流

(A)

逆方向電圧(V)

バリアハイト低減は可能

リー

ク電

流増

大

SBDの場合、材料やプロセスの調整でバリアハイト低減＇立ち上がり電圧低減（は可能＇Si-FRDなどのPNダイオードは不可能（

しかし、背反として逆方向リーク電流が増大してしまいNG

10/36



低VF SiC SBD

リーク電流、リカバリ電流の増加なしでVF低減に成功！量産開始！

(2012年6月6日プレスリリース（

11/36



新構造トレンチSBDの提案

N- SiC (Drift layer )

P SiC

SiC sub.

Metal

Mo SiO2SiO2Schottky Metal


SiC sub.

Metal


従来構造SBD

トレンチSBD

断面構造電界分布＇逆方向（

1e16/cm3

5um

1e16/cm3

5um

新構造デバイス＇トレンチSBD（により大幅なリーク電流低減が実現！

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

0 100 200 300 400 500 600

逆方向電圧(V)

逆方

向電

流(A

)

従来構造SBD

トレンチSBD

5桁

低減

＇立ち上げ電圧を低減した際のリーク電流（

12/36



VR: 600V

IF: 10A

di/dt: 420A/msec

–100 0 100 200

0

10

Time (ns)

Dra

in c

urr

en

t (A

)

PG

L:200mHDiode

RGCm

Vcc

従来構造SBD

トレンチSBD

トレンチSBD 諸特性

アバランシェ耐量 > 2000mJ/cm2

2.5ms/div

VDiode (200V/div)

IDiode (2.0A/div)

PG

L:1mH

DiodeRGCm

Vcc

アバランシェ耐量試験スイッチング特性

トレンチSBD

従来構造SBD：Trr=13.2nsec, Qrr=16.9nC

トレンチSBD：Trr=13.0nsec, Qrr=16.1nC

逆回復電流、アバランシェ耐量は従来構造SBDの特性を維持

13/36



トレンチSBD ～従来デバイスとの比較～


P SiC

SiC sub.

Metal



SiC sub.

Metal


10

100

1 1.5 2 2.5

VF@10A(V)

Trr

(ns)

-SiC トレンチSBD

SiC SBD

従来構造

低導通損失

(Vf:低→損失：小)

低スイッチング損失

(スイッチング時間:短

→損失：小) Si FRD

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Forward bias voltage (V)

Forw

ard

curr

ent

(A)

Si-

-

-

-SiC トレンチSBD

SiC SBD

従来構造

Si FRD

(超高速タイプ)

Si FRD

(高速タイプ)

Trr vs. Vfの比較構造

SiC SBD

従来構造SiC トレンチ SBD

Vf比較 (600V/10Aクラス)

低スイッチング損失を損なうことなく低VF化が実現！

14/36

SiC SBD

ROHM 2G SiC SBDROHM 2G



SiC MOSFET

• プレーナ型 DMOSFET

• 耐圧クラス 600V/1200V

• ゲート駆動電圧 18V

• 高速スイッチング数十ns

• 低オン抵抗 5～7mWcm2@RT

20A

10A

5A600V 5A/10Aから

世界初量産

※量産時はレイアウト・ラインナップが変更される場合があります

40A＇研究開発品（

15/36



2nd Generation SiC MOSFET

BVDSS RDSon P/N パッケージ

1200V 80mW

S2301/S2303 Bare Die

SCH2080KECTO-247

SBD同梱

SCT2090KECTO-247

w/o SBD

SCH series

Drain

Gate

Source

SBDMOSFET

SCT series

Drain

Gate

Source

MOSFET

Inner circuit1st Gen.に比べオン抵抗を29%低減

(2012年6月14日プレスリリース（

16/36



Si, SiCデバイスのVd - Id 特性比較（1200V耐圧）

Comparison of Vd – Id ＇at T=25˚C（ Comparison of Vd – Id ＇at T=125 / 150˚C（

SiC MOSFET

at 150˚C

SiC JFET (Vgs=3V)

SiC JFET

Vgs 3VSiC MOSFET

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5

Vds (V)

Id (

A)

SiC MOSFET(ROHM) (Vgs=18V)

Si SJ-MOS 900V (Vgs=10V)

Si IGBT (Vgs=15V)

ＳｉＣＪＦＥＴ(Vgs=3V)

Si IGBT

Si SJMOS

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5

Vds (V)

Id (

A)

Si IGBT

Si SJMOS

SiC JFET

at 125℃

SiC MOSFET(ROHM) (Vgs=18V)

Si SJ-MOS 900V (Vgs=10V)

Si IGBT (Vgs=15V)

ＳｉＣＪＦＥＴ(Vgs=3V)

SiC MOSFETは他のデバイスの比べ高温でのオン抵抗増加が尐ない

※本データは、ロームにおける同一条件下での評価結果をご参考までに示すものです。

17/36



SiC MOSFETの特徴～スイッチング特性～

100nsec/div 100nsec/div

Si IGBTのターンオフ波形 SiC MOSFETのターンオフ波形

SiC MOSFETはテイル電流がないため、ターンオフ損失の大幅な低減が可能、スイッチングの高速化も可能

18/36



SiC MOSFETの現状

Siデバイスに対し、魅力的なデバイスの開発が必要＇大幅な低オン抵抗化が必要、目標1mΩcm2（

SiC ﾌﾟﾚｰﾅｰMOSFET

Si デバイス(SJ-MOS, IGBT)

性能向上を続いている

⇒トレンチ構造

AIST

AIST

Cree

CreeCree

MitsubishiMitsubishi

Toshiba

DENSO

SiC ALB

ROHM

ROHM

ROHM

ROHM

AIST

AIST

AIST

SiCED

SiCED

SiCED

Cree

Cree

Mitsubishi

Mitsubishi

Toshiba

Purdue

Purdue

DENSO

DENSO

1

10

100

100 1000 10000

耐圧 (V)

特性

オン

抵抗

(m

cm

2) Si limit

4H-SiC limit

■ SiCプレーナーMOSFET

● SiC トレンチMOSFET

▲ SiC JFET (SIT)

19/36



SiC ﾄﾚﾝﾁ MOSFETSiC ﾌﾟﾚｰﾅｰMOSFET

トレンチ構造のメリット

RJFET

Rch

RJFET

Rcont

Repi

Rsub

Rcont

Repi

Rsub

meta

l

p-well

n+p+

SiC n-epi

gate

Rch

RJFET

Rch

Rch が大きい(低いチャネル移動度に起因)

集積化によりRchを大幅に低減可能

構造上 JFET抵抗が存在 JFET領域がない

トレンチ構造により大幅な低オン抵抗化が期待できる

１～２mΩcm2

しかし、SiCは内部電界が大きいため、トレンチ構造で耐圧を維持することが困難

20/36



ダブルトレンチ構造

Poly-Si

SiO2

Metal

N+

PP+

SiC n- Drift layer

SiC sub

Metal

Gate trench

Source trench

Poly-Si

SiO2

Metal

N+

PP+

SiC n- Drift layer

SiC sub

Metal

Gate trench

従来構造ダブルトレンチ構造

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

ドレイン電圧 Vds (V)

ドレ

イン

電流

Id (

mA

) @

Vg

s=

0V Vds = 600 V, Vgs = 0 V

Epi layer : 7.5e15 cm-3, 7mm

25℃

125℃

ダブルトレンチ構造

アバランシェ耐量 (EAV)：

177 mJ(9300 mJ/cm2)

ダブルトレンチ構造により、ゲート底部の電界緩和が可能となり、低抵抗＆高アバランシェ耐量を実現！

175℃

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

-3 -2 -1 0 1 2 3

X-axis (um)

Ele

ctr

ic F

ield

on t

rench b

ott

om

SiC

(M

V/c

m)

-2

0

2

4

6

X-axis (mm)

Y-a

xis

(mm

)

2 0 -2

0

2

4

6

X-axis (mm)

Y-a

xis

(mm

)

2 0

1.5

1.2

0.90.6

0.3

0.0

(MV/cm)

(simulation results on Y = 1.01um)

従来構造ダブルトレンチ構造

21/36



SiCトレンチMOS 諸特性＇ゲート信頼性（

Device : SiC double-trench MOSFETs

Device size: 1.2 x2.4 mm2

DUTs : 22 pcs

Test condition : Vgs = -18V, 150 oC

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

2.9

3.1

3.3

3.5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Time (hours)

Vth

(V

) @

Vds=

10V

,Id=

1m

A

Device : SiC double-trench MOSFETs

Device size: 1.2 x2.4 mm2

DUTs : 150pcs

Jinj : 44 mA/cm2

Temperature: R.T.

QBD (C/cm2)

ln(-

ln(1

-F))

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0.01 0.1 1 10 100

約15C/cm2

m<1 early failure mode

m=1 chance failure mode

m>1 wear-out failure mode

m<0.5

m>10

CCS-TDDB test

±5%

ゲート酸化膜寿命試験ゲートバイアス印加試験

・ゲート酸化膜寿命はSi上酸化膜同等

・ゲート負バイアス印加時も安定したVthを保持

22/36



SiCタブルトレンチMOSFETの特性

チップサイズ : 1.6 mm x 1.6 mm

アクティブ面積: 0.0142 cm2

セルピッチ : 4um x 4um

Rons = 1.41 mWcm2

Vb = 1260V

Rons = 0.79 mWcm2

Vb = 630V

Epi layer: 1.8e16cm-3, 5mm

Epi layer: 7.5e15cm-3, 8mm

Vgs = 18V

Si limit

4H-SiC

limit

ROHM

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1

ドレイン電圧 (V)

ドレ

イン

電流

(A)

0.1

1

10

100

100 1000 10000

耐圧 (V)

特性

オン

抵抗

(mΩ

cm

2)

●SiC トレンチMOSFET

■SiC プレーナーMOSFET

▲ SiC JFET (SIT)

630 V / 0.79 mΩcm2

1260 V / 1.41 mΩcm2

This work

世界最高性能MOSFETを実現！

Si デバイス

23/36



フルSiCパワーモジュール

特徴ハーフブリッジインバータ(SiC-DMOS, SiC-SBD)

定格電圧: 1200V

定格電流: 120A

W: 122mm

D: 45.6mm

H: 17mm


2012年3月量産開始！

SiC SBD

SiC MOSFET

24/36

85% 削減

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100

ゲート抵抗Rg (Ω)

スイ

ッチ

ング

損失

(mJ)

Vds=600V

Id=100A

Vg(on)=18V

Vg(off)=0V

Ta=125oC

Inductive load

A社Si IGBTモジュール

C社Si IGBTモジュール

B社Si IGBTモジュール

ロームフルSiCパワーモジュール

フルSiCパワーモジュールは、最先端のSi-IGBTモジュールに比べ、スイッチング損失を85％削減!!



フルSiCパワーモジュールの能力：駆動最大電流比較

PWM駆動方式Ta=40˚C

Tj=125˚C

ヒートシンク0.19˚C/W

(強制空冷相当)

接触熱抵抗0.07˚C/W

V=600V

力率 1

導通率 0.90

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50

スイッチング周波数 (kHz)

駆動

済大

電流

(Apeak)

他社Si IGBT 200A

他社Si IGBT 100A

ROHM SiC

100A

SiCならばさらに大きな電流を扱える。

SiCモジュールは、より高定格のIGBTモジュールの置き換えが可能。駆動周波数が高いほど、両者の差は顕著になる。


25/36



トランスファーモールドモジュールとケースタイプモジュール

定格電流＇A（

トランスファーモールドタイプ(TPM)

小型

低コスト

ケースタイプ

低内部インダクタンス

大電力

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1000A モジュール(Collaborated with

APEI)

QMET用1200A

モジュール

Si ケースタイプ

1200

Si

TPM

SiC TPM

0

小型400Aモジュール

SiC ケースタイプ

26/36



高温動作ハーフブリッジSiC TPM

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5

順方向電圧 (V)

順方

向電

流(A

)


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5

ドレ

イン

電流

(A)

Vgs = 6V

12V

16V18V

14V

10V

8V

Vd – Id 特性 (@R.T.)

ダイオード特性 (@R.T.)SiC SBD

SiC トレンチMOS回路構成：2in1＇ハーフブリッジ（耐圧：600V

駆動電流：200A※1

容積：11cc

重量：26g

オン抵抗：6.5mW

動作温度：～200oC※2

※1 最大駆動電流値は動作環境に依存。※2 基本動作確認。信頼性・耐久性は評価中。

従来Si IGBTモジュールと比較し、

サイズ・重量： 1/10以下！スイッチング損失： 60%以上低減！

27/36



応用例：パワーモジュール内蔵モーター

モーターインバータなどの電力制御装置

既存システム：モーターと電力制御が別置き

・損失大・サイズ大・ノイズ大

課題

・モータの高温に耐えられない

・大きすぎる

Ｓｉ

・高温で動作可能・小さくできる

ＳｉＣ

解決手段

モジュールをモーターに内蔵

小型

低損失が期待低ノイズ

28/36



高耐熱モジュール応用例～モジュール内蔵EVモータ～

課題・コスト・効率・サイズ・ノイズ

解決

ROHM’s “SiC-QMET”用パワーモジュール(600V/1200A) [SiCトレンチMOS+SiC SBD]

ROHM’s インバータ用SiC パワーモジュール(600V/400A)

140mm

160mm

19mm

モータ

インバータ

QMET

システム

モータと電力制御システムが別置き(ケーブルで接続)

ドレ

イン

電流

(A)


(at 225oC)

低オン抵抗でモータに収まる小型モジュールモータ内が高温でも安定動作

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 210.5 1.5

ドレ

イン

電流

(A)


EV用モータへ応用

SiCトレンチMOS採用でオン抵抗をSiC DMOSの1/3に

既存Si MOSより大幅なオン抵抗低減が可能

0

500

400

300

200

100

0 54321 6

SiCなら225℃でも動作可能

安川電機様との共同開発CEATEC2011出展

コンパクトに内蔵!

29/36

http://intra.yaskawa.co.jp/board/csui/brandpark/ycp-322/image/CI_jpg_data/basic_blue.gif



まとめ

SiCパワーデバイスは電力変換時の電力損失削減に大きく貢献可能で、

今後の電力使用効率向上に期待される。

SiC SBDはSi FRDと比べ、スイッチング損失を大幅に低減できる。SiCトレンチ

SBDを用いることで、スイッチング損失だけではなく導通損失もSi FRDと同等以

下にすることが可能になる。

SiC MOSFETはSi IGBTに比べ、損失低減・高周波化が可能で、2010年に実

用化され、応用が広がりつつある。また、SiCトレンチSiCは特性オン抵抗が

1mWcm2以下を達成し、Siデバイスと桁違いの性能が実証できた。

フルSiCパワーモジュールの商品化が実現。今後の大電力分野でのSiC普及

が加速すると予測される。また、トランスファーモール度を用いた超小型・高温

動作SiCパワーモジュールの試作に成功。

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SiCパワーデバイスの開発動向 - 公益財団法人 科学技 … 100 200 300 400 時間 [nsec]]-400-200 0 200 400 600 800 1000] Di 電流 Di 電圧 V V I I 1200V/60A 1200V/75A

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SiCパワーデバイスの開発動向 - 公益財団法人科学技 … 100 200 300 400 時間 [nsec]]-400-200 0 200 400 600 800 1000] Di 電流 Di 電圧 V V I I 1200V/60A 1200V/75A