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 (mcm2) 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 (mcm2) 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 mcm2 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 (mcm2) 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 mcm2 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 mcm2 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 mcm2 1260 V – 1.41 mcm2 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 mcm2 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 mcm2) 24 16 kV – 15 mcm2 (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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