次世代パワーエレクトロニクス内閣府プログラムディレクター大森達夫 1 目次 •パワーエレクトロニクス技術の課題 •国内外の状況 •研究開発概要 •研究開発の全体像 •研究開発内容 •運営体制 •知財・出口戦略 2 パワーエレクトロニクス技術の課題・パワーエレクトロニクスは電気エネルギーの発生・輸送・消費を効率的に行うためのキーテクノロジー輸送運輸（23.6%）業務（19.5%）家庭（14.2%）産業（42.8%）最終エネルギー消費動向発生 100 電力損失 70 Si デバイス次世代パワーエレクトロニクスによる革新 30 24 ‘80 ‘85 ‘90 ‘95 ‘00 ‘05 ‘09 新デバイス ∼ ∼ 消費パワーデバイスの性能変遷 http://www.enecho.meti.go.jp/topics/hakusho/2010energyhtml/2-1-1.html 3 国内外の状況 • パワエレ関連の世界市場は、着実に成長し、今後更に大きな伸びが期待 • しかし競争環境は激化＜欧米では、実用化に向けた緊密な産学開発体制の構築。中国・韓国・台湾の台頭＞欧州 ECPE, ﾌﾗｳﾝﾎｰﾌｧ, IMEC （兆円） ■ ウェハ・装置 ■ パワー半導体 ■ パワーエレクトロニクス機器２０兆円２０１００・機器→ﾃﾞﾊﾞｲｽ→基礎上位からの課題設定・企業ニーズを取り込む産官学連携・モジュール実装など実用化技術・風力用HVDC・人材育成ネットワーク６兆円米国次世代ﾊﾟﾜｴﾚ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ｲﾝｽﾃｨﾁｭｰﾄ現在・先端技術ものづくり国家戦略エネルギーイノベーションによる雇用創出・ WBGデバイス応用加速、特にGaN､ SiC ・ノースカロライナ大,Cree等,7大学18社 2030年パワーエレクトロニクス世界市場予測と世界シェア欧米の研究開発動向 4 研究開発概要目的：省エネルギー化のためのキーテクノロジーであるパワーエレクトロニクスの性能向上や用途と普及の拡大を図り、一層の省エネルギー化の促進と産業競争力の強化を進める 2014 2016 2017 2018 2015 研究開発項目Ⅰ SiCに関する拠点型共通基盤技術開発（高耐圧化、小型化、低損失化、信頼性向上）研究開発項目Ⅱ GaNに関する拠点型共通基盤技術開発（ウエハ及びデバイスの高品質化）研究開発項目Ⅲ 次世代パワーモジュールの応用に関する基盤研究開発 (回路、使いこなし技術）研究開発項目Ⅳ 将来のパワーエレクトロニクスを支える基盤研究開発（新材料、新構造等） 5 研究開発の全体像ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝ・ﾊﾟﾜｴﾚ機器を中心とした事業化領域次世代パワーエレクトロニクス技術開発プロジェクト：経済産業省 H26∼H31 SIP 次世代パワーモジュールの応用に関する研究機器・回路 Ⅲ ・次世代パワーモジュールを使いこなす各種回路やシステム実装技術・応用製品の試作および動作実証次世代SiCモジュールの技術開発 Ⅰ モジュール（実装・部品等）・超小型・高電流密度モジュール技術・高温・高電流密度・高耐圧用材料、部品開発・モジュール設計・信頼性技術次世代SiCデバイスの技術開発デバイスウエハ・エピ材料基盤技術・超高耐圧IGBT, PiNダイオード・新構造ユニポーラデバイス（SJ構造）次世代SiCウエハ・高耐圧デバイス低応力多層厚膜ウエハ・伝導度制御技術新回路、ソフトウエア Ⅳ ・パワープロセッシング技術新材料基盤技術 Ⅱ 次世代GaNﾃﾞﾊﾞｲｽ・縦型パワーデバイス次世代GaNｳｴﾊ・低欠陥・高品質ウエハ・Ga２O３パワーデバイス・ダイヤモンドパワーデバイス新プロセス・評価技術・高品質ゲート絶縁膜・超高感度顕微鏡技術ウエハから機器・回路までの基盤技術開発を行い、次世代パワーエレクトロニクスの適用用途の拡大や普及拡大、性能向上を図り、我が国の産業競争力の強化と省エネルギーを加速させる。 6 SIP「次世代パワーエレクトロニクス」研究開発内容 7 SiCに関する基盤技術開発（研究開発項目Ⅰ） 35mm 2インチ 3インチ ‘03頃 4インチ ‘05頃 •SiC-MOSFET（耐圧1.2kV）は既に市販 •SiCモジュールも市販開始 6インチ ‘12頃 ’90代前半 ’90代後半 SiCウェハ径の変遷更なる高性能化（高耐圧化、小型化、低損失化、信頼性向上）に向けた取り組みが必要 Niマイクロメッキ低抵抗ウェハ pSiCウェハ低抵抗ウェハ、高品質厚膜エピ pSiCデバイス高耐圧SiCスイッチ開発（IGBT、SJ-MOSFET） Ref: T. Kato et al., Mat. Sci. Forum, 778-780(2014)pp.47. 高品質厚膜エピ Ref: N. Kato et al., Mat. Sci. Forum, 778-780(2014)pp.1110. pSiCモジュールゼロストレス接合高温・高周波動作、大電流密度 n+ p +p - nCSL p - n+ p + n - ドリフト層 n バッファー Ref: T. Miyazawa et al., Mat. Sci. Forum, 778-780(2014)pp.135. 低抵抗ウェハ高品質厚膜エピ開発 p コレクタ p+ + 層大電流密度、耐熱モジュール開発コレクタ SJ-MOSFET 高耐圧SiCスイッチ開発 IGBT 8 SIP「次世代パワーエレクトロニクス」採択テーマ（研究開発項目Ⅰ) テーマ名テーマリーダー SiC次世代パワーエレクトロニクスの統合的研究開発奥村元センター長（産総研）実施項目参画機関数次世代SiC ウェハの技術開発企業：14 大学：4 機関：2 ・低抵抗ウェハ産総研、京都大、電中研、昭和電工、・高品質厚膜エピ京セラ、他次世代SiC デバイスの技術開発企業：7 大学：3 機関：1 産総研、京都大、富士電機、東芝、三菱電機、他高耐圧SiCスイッチの開発・IGBT ・SJ-MOSFET 次世代SiC モジュールの技術開発企業：16 大学：3 機関：1 産総研、日産、阪大産研、明電舎、他大電流密度ハイブリッド自動車向けSiC耐熱企業：5 モジュール実装技術の研究開発大学：2 巽宏平教授（早稲田大）機関：1 主な参画機関目標早稲田大、九工大、 HV用インバータ開発トヨタ、デンソー、他 9 GaNに関する基盤技術開発（研究開発項目Ⅱ） GaNの発光デバイスとしての物理現象解明、技術開発は大きく進展上記課題が解決されれば、SiCを超える高性能、高コストパフォーマンスパワエレ技術が実現可能 SIP｢次世代パワーエレクトロニクス｣高品質・大面積・低価格GaNウェハ開発 •アモノサーマル法 •改良HVPE法 GaN縦型デバイスプロセス技術開発 •選択的ドーピング（イオン注入） •MOS界面形成技術・・・ GaN物性解明物性値精密測定 •絶縁破壊電界強度、飽和電子速度・・・ 10 SIP「次世代パワーエレクトロニクス」採択テーマ(研究開発項目Ⅱ) テーマ名テーマリーダー実施項目 GaNウェハ開発 GaN縦型パワーデバイスの基盤技術開発須田淳准教授（京都大）参画機関数企業：2 主な参画機関三菱化学、住友電工目標アモノサーマル法、改良HVPE法・低転位密度 GaN縦型パ企業：3 ワーデバイス/ 機関：1 プロセス開発豊田中研、富士 GaN縦型MOSFET 電機、パナソニッ・耐圧1200V ク、産総研 GaN評価技術京都大、大阪大、名古屋大、北大、福井大、工繊大、東北大、筑波大、大学：8 ・絶縁破壊電界強度の精密測定・移動度の方位・温度・ドーピング濃度依存性測定・MOS界面形成技術開発・イオン注入、エピ再成長技術 11 次世代パワーモジュールの使いこなし技術開発（研究開発項目Ⅲ）次世代パワーモジュールを使用したパワーエレクトロニクス機器とその統合システム実用化技術応用技術 6.6 kV連系用トランスレス電力変換システム（富士電機）高圧直流送電用電力変換システム（三菱電機）高周波加熱ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ直流遮断器（東工大）（山口大）絶縁形DC-DC ｺﾝﾊﾞｰﾀ（東工大）実装・回路制御技術（横国大）基盤要素技術 AC/DC 変換器（名工大）電磁気学的EMC設計法（大阪大）新回路トポロジー、機電一体ｲﾝﾊﾞｰﾀｼｽﾃﾑ、システム出力密度向上（芝浦工大、日産自動車）高密度電力変換器（東工大）超高速モータ用インバータ（北海道大）チョッパ回路 EV モータ駆動用機電一体インバータモータ駆動回路システム（筑波大）マルチレベル変換器（千葉大）受動デバイスの高性能化（首都大学東京） 12 SIP「次世代パワーエレクトロニクス」採択テーマ(研究開発項目Ⅲ) テーマ名テーマリーダー次世代パワーモジュールを使用したパワーエレクトロニクス機器とその統合システムの包括的研究開発赤木泰文教授（東工大）実施項目基盤要素技術参画機関数主な参画機関大学：2 首都大、大阪大目標・高周波受動素子・低EMCモジュール実装・回路・大学：5 千葉大、名工大、・フライングキャパシタ制御技術横国大、筑波大、マルチレベル変換器北大・超高速モータ駆動用インバータ応用技術大学：2 東工大、山口大実用化技術企業：2 三菱電機、富士大学：1 電機、東工大 EVモータ駆動用機電一体インバータの研究開発赤津観准教授（芝浦工大）企業：1 芝浦工大、日産大学：1 ・高効率絶縁型DC-DC コンバータ・ハイブリッド直流遮断器・HVDC用マルチレベル変換器・連系用トランスレス電力変換器 EV用機電一体型インバータ開発 13 新材料、新プロセス・評価技術、新回路技術（研究開発項目Ⅳ）新材料新回路技術パワープロセッシング技術酸化ガリウム（Ga2O3）ダイヤモンド低抵抗基板の可能性特願2012-250529 4インチ単結晶ウェハ 108 比抵抗 [Wcm] 106 n型、リンドープ 104 102 100 p型、ホウ素ドープホッピング伝導新プロセス・評価技術 10-2 10-4 1014 10151016 1017101810191020 10211022 不純物濃度 [cm-3] 革新的界面制御技術高精度界面・表面評価技術ゲート絶縁膜（バルク）熱酸化 SiO2 膜中欠陥 × × × 界面近傍の ×× × 膜中欠陥界面欠陥 Ref: . T. Makino et al., JJAP 53, 05FA12 (2014). Ref: M. Higashiwaki et al., IEDM Tech. Dig., 707-710 (2013). SiC 基板中欠陥 http://www.d-nanodev.riec.tohoku.ac.jp /subcontents/contents_101.html 10-20年後の産業競争力に資する研究開発力強化 14 SIP「次世代パワーエレクトロニクス」採択テーマ(研究開発項目Ⅳ) テーマ名テーマリーダー酸化ガリウムパワーデバイス基盤技術の研究開発東脇正高統括（情通機構）（FS）超高次非線形誘電率顕微鏡法を用いたSiC基板材料及びパワーエレクトロニクス素子の高性能化に資する評価技術の開発参画機関数主な参画機関企業：3 大学：1 機関：1 情通機構、農工大、タムラ製作所、他ノーマリオフ縦型 MOSFET、及びSBD 大学：1 東北大 SiC-MOS界面の電荷状態、キャリア濃度の面内分布精密評価大学：1 東大高移動度、高信頼性 MOS界面開発企業：1 大学：1 機関：2 物材機構、産総研、東工大超低オン抵抗ダイヤモンドパワーデバイス作製要素技術開発大学：2 機関：1 産総研、阪大、低抵抗、高品質ダイ千葉大ヤモンドウェハ大学：6 京都大、千葉工大、東京電機大、他長康雄教授（東北大）（FS）材料科学に基づく4H-SiC上の高品質ゲート絶縁膜形成手法の研究開発喜多浩之准教授（東大）（FS）パワーデバイス用ダイヤモンド合成基盤技術の研究開発小泉聡主幹研究員（物材機構）（FS）ダイヤモンドパワーデバイス用ウェハの研究開発鹿田真一総括研究主幹（産総研）（FS）SiCパワーデバイス応用による低容量小型パワー集積回路開発およびパワープロセッシング技術の研究開発引原隆士教授（京都大）目標パワープロセッシング実現に向けた要素技術開発 15 SIP「次世代パワーエレクトロニクス」運営体制、方針 16 運営体制内閣府大森ＰＤサブＰＤ（東大・堀教授）推進委員会情報共有・連携ＮＥＤＯ知財委員会リーダー会議ワークショップ新プロセス・評価技術新回路・ソフトウエア研究開発項目Ⅲ 新材料基礎基盤機電一体インバータモジュールデバイスウエハパワエレ機器統合システム研究開発項目Ⅱ 基礎技術研究開発項目Ⅰ デバイス向モジュール GaN GaN GaN ウエハ HV SiC SiC SiC 公開シンポ研究開発項目Ⅳ 17 知財・出口戦略 1. 知的財産戦略 • SIPのプロジェクト初期段階において、知的財産取扱規程等の細目を策定 • 本課題を円滑に推進するために知財委員会を設置し、知財取扱に関する最終決定機関とする 2. 技術ロードマップ・出口戦略 • 鉄道、自動車、電力、民生機器・産業用等のニーズ・動向を元に、技術ロードマップを作成（毎年見直しを予定） • ロードマップ作成と共に、次世代パワーエレクトロニクスの出口戦略を検討 3. 標準化 • 各業界団体や海外における規定・標準化の現状調査を実施 • 次世代パワーエレクトロニクスに関わる標準化に対し、オープン・クローズ戦略の検討を行う 18 技術ロードマップ策定活動 l 平成26年度NEDO調査事業にて、市場・技術開発動向の調査に加えて、2030年迄の技術ロードマップ案を検討中。 l 2030年の社会像と、将来実現されるべきアプリケーション（パワエレが適用される最終製品）の要求性能からバックキャストして、最終製品から部材まで一気通貫の目標策定をめざす。パワエレを通じて、サプライチェーンの風通し向上を図る。 Step 1 未来社会像の想定 Step 2 未来のパワエレ適用先の想定 2030年の社会像（例）領域（例）安心・安全社会社会インフラ電力流通基盤の安定性の維持更なる送配電ロスの低減鉄道車両高速化と安全性の両立、省エネと省メンテによる輸出競争力少子高齢化／省力化省エネ・創エネ海外への産業移転･･･課題（例）非接触給電環境負荷の低いモビリティの実現産業機器低コスト・高信頼性・省エネの実現日本の産業競争力の維持･･････ • • Step 3 未来のパワエレアプリの実現に不可欠な性能目標の設定材料（例）性能目標（例） Si 課電寿命○○倍、熱伝導率○倍の達成プロセスルール○○nmへの移行実現 SiC 耐電圧○千V、○○cm2/Vsの達成成長厚み○○mm、歩留まり○％の実現 GaN 本格実用に向けた歩留まり○％の実現ノーマリーオフ動作の容易化･･････機器ユーザ、機器メーカ、デバイスメーカ、学識経験者など産学官の実務者を結集し、オールジャパンでパワエレの適用拡大ターゲットを洗い出す（検討委員会）。当該領域にパワエレを適用する上で必要となる研究開発課題を洗い出す（WG）。 19 まとめ 1. SIP「次世代パワーエレクトロニクス」では計11テーマを採択。各テーマ内では、1年ごとにマイルストーンを設定することで、特に、競合する海外の研究開発動向を見据えた研究計画・目標の見直しを機動的に行う事が出来る体制を構築した。 2. 各テーマ内での研究成果・情報の共有化は勿論であるが、テーマ間での情報共有を積極的に図る事で、研究開発の効率化を図る。そのために、リーダ会議・ワークショップを頻繁に開催するとともに、シンポジウム・国際会議という形で外部への成果発信も積極的に行う。 3. アプリケーションの要求性能からバックキャストした目標設定を目指すためのロードマップを作成し、研究開発計画にフィードバックする。 20