SiCパワーデバイスの開発動向

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
中村 孝
2012年7月9日
Confidential
c 2012 ROHM Co.,Ltd. All Rights Reserved
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
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2/36
電力変換における電力損失
送電
交流＇AC（
数十万V
変電所
変圧器
送電線
交流＇AC（
6600V
3/36
家庭
交流＇AC（
100V
送電・変圧
変換
直流＇DC（
12～24V,
3相交流
家電
工場
機器の電源部で
最適な電圧・電流に変換
3～5％の電力ロスが発生
5～10％は電力ロス
SiCなら・・・
Si
スイッチング
損失
SiC
Siを超える優れた物性
85％減!!
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
IGBTモジュールと
フルSiCモジュールの比較
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パワーデバイスの応用分野
4/36
高耐圧デバイス
100000
50000
中耐圧デバイス
10000
定格電流(A)
5000
1000
送配電PE
低耐圧デバイス
HEV
EV
500
50
10
5
1
10
SiCデバイスの
ターゲット市場
産業モータ
ﾊﾟｯｹｰｼﾞ
ｴｱｺﾝ
100
電鉄ドライブ
モジュール
DC/DC 自動車電装機器
ｺﾝﾊﾞｰﾀ
ﾙｰﾀ
ﾉｰﾄPC
HDD
PPC
50
家電機器
通信機器電源
100
SW電源
サーバWS
ACアダプタ
500
1000
定格電圧(V)
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ディスクリート
5000 10000
50000100000
ロームのSiCパワー半導体の開発・生産体制
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5/36
ロームにおけるSiCデバイス商品ラインナップ
SiC SBD
特徴
SiC MOSFET
⁃ 逆回復損失を大幅に減 ⁃ 低スイッチング損失
らせる
⁃ 面積当たりのオン抵抗
が小さい
⁃ 特性の温度・電流依存
性が小さい
⁃ 低Vf
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6/36
SiC パワーモジュール
⁃ フルSiCモジュール
(SiC SBD + SiC
MOSFET)
1200V 120A 仕様
SiC SBD
•
•
•
•
•
7/36
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)
600V 10Aから
国内初量産
75A
＇研究開発品（
20A
10A
6A
※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
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SBD 75A品リカバリー特性比較
Di 電流
Di 電圧
160
V
200
800
160
600
120
400
40
200
0
0
I
-40
-80
0
100
200
時間 [nsec]
300
逆方向
1000
Di 電流
Di 電圧
800
600
V
80
400
40
200
0
-200
-40
-400
-80
400
順方向 →
0
I
-200
-400
0
100
200
時間 [nsec]
300
400
SiC-SBD 1200V/75A
1200V/60A
trr=32ns
tｒｒ=113ns
リカバリー時の損失を
Qrr=302nC
Qrr=4506nC
1/10以下に大幅削減
Si-FRD
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電圧 [V]
80
電圧 [V]
電流 [A]
120
1000
電流 [A]
順方向 → 逆方向
200
8/36
VF（動作電圧）を下げるアプローチ
9/36
順方向特性 (600V/10A)
10
① 抵抗を下げる ＇青点線（
順方向電流(A)
current (A)
Forward
Si-FRD
- 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
SiC-SBD
8
6
② 立ち上がり電圧を下げる ＇赤点線（
晴れ
- 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
4
2
低電流領域での損失低減要求が多い
曇り
0
0
0.5
1
1.5
Forward bias (V)
順方向電圧(V)
2
(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
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SiC-SBD I-V 特性のバリアハイト依存性
10/36
φ BN
・逆方向特性
・順方向特性
15
1.E+00
=0.85
=0.92
=1.03
=1.13
=1.27
φ
φ
φ
φ
φ
1.E-01
バリアハイト低減は可能
10
5
1.E-02
1.E-03
=0.85
=0.92
=1.03
=1.13
=1.27
Metal
金属
N- SiC
500
600
リーク電流増大
φ
φ
φ
φ
φ
逆方向電流(A)
Ir(A)
順方向電流(A)
If(A)
20
1.E-04
1.E-05
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-10
0
0
0.5
1
1.5
2
Vf(V)
順方向電圧(V)
0
100
200
300
400
Vr(V)
逆方向電圧(V)
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
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低VF SiC SBD
11/36
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（
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新構造トレンチSBDの提案
12/36
断面構造
Schottky
Mo Metal
1e16/cm3
5um
従来構造SBD
電界分布＇逆方向（
SiO2
SiO2
N- SiC (Drift layer )
SiC sub.
Metal
Schottky
Mo Metal
1e16/cm3
5um
トレンチSBD
SiO2
SiO2
P SiC
N- SiC (Drift layer )
SiC sub.
Metal
1E+00
1E-02
1E-03
1E-04
従来構造SBD
5桁低減
逆方向電流(A)
1E-01
1E-05
1E-06
トレンチSBD
1E-07
＇立ち上げ電圧を低減した際のリーク電流（
1E-08
1E-09
0
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！
100
200
300
400
500
600
逆方向電圧(V)
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トレンチSBD 諸特性
13/36
アバランシェ耐量試験
スイッチング特性
Drain current (A)
10
Diode
VR: 600V
IF: 10A
di/dt: 420A/msec
0
Cm
RG
L:1mH
VDiode (200V/div)
L:200mH
IDiode (2.0A/div)
Vcc
RG
Cm
Diode
PG
PG
従来構造SBD
トレンチSBD
–100
0
100
Time (ns)
200
2.5ms/div
従来構造SBD：Trr=13.2nsec, Qrr=16.9nC
トレンチSBD：Trr=13.0nsec, Qrr=16.1nC
トレンチSBD
アバランシェ耐量 > 2000mJ/cm2
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
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Vcc
トレンチSBD ～従来デバイスとの比較～
構造
14/36
Trr vs. Vfの比較
SiO2
SiO
Schottky
Mo Metal
2
SiO2
N- SiC (Drift layer )
P SiC
N- SiC (Drift layer )
SiC sub.
SiC sub.
Metal
Metal
SiC SBD
従来構造
100
SiO2
低スイッチング損失
(スイッチング時間:短
→損失：小)
Trr(ns)
Schottky
Mo Metal
SiC トレンチ SBD
Vf比較 (600V/10Aクラス)
SiC トレンチ
SBD
10
SiC SBD
従来構造
低導通損失
(Vf:低→損失：小)
SiC トレンチ
SBD
9
Si FRD
Forward current (A)
8
10
7
Si FRD
(高速タイプ)
6
5
1
SiC SBD
ROHM 2G
1.5
2
SiC SBD
VF@10A(V)
2.5
ROHM 2G
4
3
Si
Si-FRD
(超高速タイプ)
2
-SiC SBD
1
従来構造
0
0
0.5
1
1.5
Forward bias voltage (V)
2
2.5
低スイッチング損失を損なうことなく
低VF化が実現！
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SiC MOSFET
•
•
•
•
•
15/36
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
10A
40A
＇研究開発品（
20A
5A
600V 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
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2nd Generation SiC MOSFET
1st Gen.に比べオン抵抗を29%低減
BVDSS
1200V
RDSon
80mW
P/N
パッケージ
S2301/S2303
Bare Die
SCH2080KEC
TO-247
SBD同梱
SCT2090KEC
TO-247
w/o SBD
16/36
Inner circuit
SCH series
Drain
Gate
Source
MOSFET
SBD
SCT series
Drain
Gate
(2012年6月14日 プレスリリース（
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Source
MOSFET
Si, SiCデバイスのVd - Id 特性比較（1200V耐圧）
Comparison of Vd – Id ＇at T=25˚C（
25
20
Comparison of Vd – Id ＇at T=125 / 150˚C（
25
SiC JFET
Vgs 3V
SiC MOSFET
17/36
Si IGBT
SiC MOSFET
at 150˚C
20
Si SJMOS
15
Id (A)
Id (A)
Si SJMOS
Si IGBT
10
SiCＪＦＥＴ(Vgs=3V)
JFET (Vgs=3V)
ＳｉＣ
1
2
3
4
SiC MOSFET(ROHM) (Vgs=18V)
Si SJ-MOS 900V (Vgs=10V)
Si IGBT (Vgs=15V)
5
ＳｉＣ ＪＦＥＴ(Vgs=3V)
0
0
0
SiC JFET
at 125℃
10
SiC MOSFET(ROHM) (Vgs=18V)
Si SJ-MOS 900V (Vgs=10V)
Si IGBT (Vgs=15V)
5
15
0
5
1
2
3
4
5
Vds (V)
Vds (V)
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。
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SiC MOSFETの特徴 ～スイッチング特性～
Si IGBTのターンオフ波形
100nsec/div
18/36
SiC MOSFETのターンオフ波形
100nsec/div
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
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SiC MOSFETの現状
19/36
100
■ SiCプレーナーMOSFET
● SiC トレンチMOSFET
▲ SiC JFET (SIT)
Si デバイス
(SJ-MOS, IGBT)
性能向上を続いている
SiCED
特性オン抵抗 (mcm2)
Cree
Mitsubishi
Cree
Si limit
Toshiba
Purdue
SiCED
Cree
SiCED
AIST
DENSO
Mitsubishi
Cree
DENSO
Purdue
AIST
Toshiba
ROHM
DENSO
Mitsubishi
Mitsubishi
AIST
Cree
10
SiC ﾌﾟﾚｰﾅｰMOSFET
4H-SiC limit
Siデバイスに対し、
魅力的な
デバイスの開発が必要
ROHM
ROHM
SiC ALB
AIST
ROHM
1
100
AIST
1000
耐圧 (V)
10000
＇大幅な低オン抵抗化が必
要、目標1mΩcm2（
⇒トレンチ構造
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トレンチ構造のメリット
SiC ﾌﾟﾚｰﾅｰMOSFET
Rch が大きい
(低いチャネル移動度に起因)
meta
l
gate
p+ n+
p-well
SiC n-epi
20/36
SiC ﾄﾚﾝﾁ MOSFET
集積化によりRchを大幅に低減可能
Rch
Rch
RJFET
１～２mΩcm2
Rcont
Repi
Rsub
RJFET
構造上 JFET抵抗が存在
Rch
Rcont
Repi
Rsub
RJFET
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
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
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ダブルトレンチ構造
SiO2
SiO2
N+
Poly-Si
Poly-Si
P
P+
Gate
trench
P
Source
trench
SiC n- Drift layer
Gate
trench
SiC n- Drift layer
SiC sub
SiC sub
Metal
Metal
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
ダブルトレンチ構造
0
0
Y-axis (mm)
Metal
従来構造
4.0
Y-axis (mm)
Metal
N+
P+
ドレイン電流 Id (mA) @ Vgs=0V
ダブルトレンチ構造
Electric Field on trench bottom SiC (MV/cm)
従来構造
21/36
2
4
6
-2
0
4
6
-2
2
(MV/cm)
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
0.0
2
0
2
X-axis (mm)
X-axis (mm)
1.0
0.5
0.0
-3
(simulation results on Y = 1.01um)
-2
-1
0
1
2
3
X-axis (um)
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
Vds = 600 V, Vgs = 0 V
Epi layer : 7.5e15 cm-3, 7mm
ダブルトレンチ構造
25℃
125℃
アバランシェ耐量 (EAV)：
177 mJ
(9300 mJ/cm2)
0
200
175℃
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！
400 600 800 1000 1200 1400
ドレイン電圧 Vds (V)
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SiCトレンチMOS 諸特性＇ゲート信頼性（
ゲート酸化膜寿命試験
ゲートバイアス印加試験
3.5
Vth (V) @Vds=10V,Id=1mA
2
約15C/cm2
1
0
ln(-ln(1-F))
22/36
m<1 early failure mode
m=1 chance failure mode
m>1 wear-out failure mode
-1
-2
m<0.5
3.3
3.1
2.9
2.7
±5%
2.5
2.3
2.1
1.9
1.7
-3
1.5
m>10
0
-4
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Time (hours)
CCS-TDDB test
-5
0.01
0.1
1
10
100
QBD (C/cm2)
Device : SiC double-trench MOSFETs
Device size: 1.2 x2.4 mm2
DUTs : 150pcs
Jinj : 44 mA/cm2
Temperature: R.T.
Device : SiC double-trench MOSFETs
Device size: 1.2 x2.4 mm2
DUTs : 22 pcs
Test condition : Vgs = -18V, 150 oC
・ 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
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SiCタブルトレンチMOSFETの特性
23/36
Si デバイス
100
5
3
特性オン抵抗 (mΩcm2)
Rons = 0.79 mWcm2
Vb = 630V
4
ドレイン電流 (A)
●SiC トレンチMOSFET
■SiC プレーナーMOSFET
▲ SiC JFET (SIT)
Rons = 1.41 mWcm2
Vb = 1260V
2
Vgs = 18V
1
10
Si limit
ROHM
1
1260 V / 1.41 mΩcm2
Epi layer: 1.8e16cm-3, 5mm
Epi layer: 7.5e15cm-3, 8mm
0
0
0.5
ドレイン電圧 (V)
4H-SiC
limit
630 V / 0.79 mΩcm2
1
This work
0.1
100
1000
耐圧 (V)
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
世界最高性能MOSFETを実現！
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10000
フルSiCパワーモジュール
2012年3月量産開始！
60
Vds=600V
Id=100A
Vg(on)=18V
Vg(off)=0V
Ta=125oC
Inductive load
SiC MOSFET
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
スイッチング損失 (mJ)
50
W: 122mm
D: 45.6mm
H: 17mm
24/36
40
A社
Si IGBTモジュール
B社
Si IGBTモジュール
30
20
85% 削減
10
C社
Si IGBTモジュール
ローム
フルSiCパワーモジュール
SiC SBD
0
1
10
100
ゲート抵抗Rg (Ω)
※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。
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!!
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フルSiCパワーモジュールの能力：駆動最大電流比較
25/36
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。
250
PWM駆動方式
Ta=40˚C
Tj=125˚C
他社
Si IGBT 200A
駆動済大電流 (Apeak)
200
ROHM SiC
100A
他社
Si IGBT 100A
150
ヒートシンク
0.19˚C/W
(強制空冷相当)
100
接触熱抵抗
0.07˚C/W
50
SiCな ら ば さ ら に 大 き な
電流を扱える。
V=600V
力率 1
導通率 0.9
0
0
10
20
30
40
50
スイッチング周波数 (kHz)
※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。
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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
トランスファー
モールドタイプ(TPM)
ケースタイプ
小型
低内部インダクタンス
低コスト
大電力
小型
400Aモジュール
SiC ケースタイプ
SiC TPM
Si
TPM
0
1000A モジュール QMET用
(Collaborated with 1200A
APEI)
モジュール
Si ケースタイプ
100
200
300
400
500
600
定格電流＇A（
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700
800
900
1000
1200
26/36
高温動作ハーフブリッジSiC TPM
27/36
ドレイン電流 (A)
Vd – Id 特性 (@R.T.)
回路構成：2in1＇ハーフブリッジ（
耐圧：600V
SiC SBD 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！
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12V
10V
8V
Vgs = 6V
0
1
2
3
4
ドレイン電圧 (V)
5
ダイオード特性 (@R.T.)
順方向電流 (A)
SiC トレンチMOS
18V 16V
14V
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
順方向電圧 (V)
4
5
応用例：パワーモジュール内蔵モーター
28/36
課題
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
インバータなどの
電力制御装置
・ノイズ大
モーター
Ｓｉ
解決手段
・モータの高温に耐えられない
・大きすぎる
モジュールをモーターに内蔵
小型
低損失
低ノイズ
ＳｉＣ
が期待
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・高温で動作可能
・小さくできる
高耐熱モジュール応用例 ～モジュール内蔵EVモータ～
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ROHM’s “SiC-QMET”用パワーモジュール
(600V/1200A) [SiCトレンチMOS+SiC SBD]
EV用モータへ応用
140mm
19mm
QMET
システム
160mm
モータ
ROHM’s インバータ用
SiC パワーモジュール
(600V/400A)
課題
インバータ
・コスト
・効率
・サイズ
・ノイズ
解決
コンパクトに内蔵!
モータと電力制御システムが別置き
(ケーブルで接続)
モータ内が高温でも安定動作
低オン抵抗でモータに収まる小型モジュール
500
SiCトレンチMOS採用でオン
抵抗をSiC DMOSの1/3に
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
既存Si MOSより大幅なオン抵抗
低減が可能
0.5
1
1.5
ドレイン電圧 (V)
ドレイン電流 (A)
ドレイン電流 (A)
100
90
SiCなら225℃でも動作可能
400
300
200
(at 225oC)
100
0
0
2
CEATEC2011出展
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1
2
3
4
ドレイン電圧 (V)
5
6
安川電機様との
共同開発
まとめ
30/36
 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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