SiC GaNデバイスの大電流化のトレンド SiC、 GaNデバイスの大電流化

「パワーエレクトロニクスインバータ基盤技
術開発プロジェクト」
（事後評価）第１回分科会 資料５－２（２）
５．プロジェクトの概要説明
５．１ 事業の位置づけ・必要性
５ ２ 研究開発マネジメント
５．２
５．３ 研究開発成果
５ ４ 実用化の見通し
５．４
１／２７
公開
３．研究開発マネージメントについて
SiC GaNデバイスの大電流化のトレンド
SiC、
電流容
容量 /Ch
hip (A)
1000
100
プロジェクト
開始時点
PiN
SBD
MOSFET
JFET(SIT)
GaN-HEMT
ロ ム
ローム
TDI(USA)
ABB
Cree
デンソー 三菱電
ローム
NorthrupGrumman
古河電工
SemiSouth
松下
デンソー
古河電工
Cree
電中研
SiCLAB
D i l
Daimler
SiCLAB
SiCED
Cree
SiCED
SiCED
Cree
Cree
SiCED Rockwell
Cree & Auburn
三菱電
Rutgers Univ.
10
日立
SiCED
東芝
SiCED SiCEDサンケン
1
SiCED
日立
‘98
98
ユーディナ
Cree
デンソー
‘96
東芝
Cree
SiCED
0.1
AIST ロームSiCED
‘00
‘02
‘04
04
‘06
06
‘08
オールSiCパワーデバイスによる変換器の低損失化の実証
チップ当たりの電流容量が100Aを超えるスイッチング素子の開発
世界的にみて未開拓なSiCパワーデバイスの信頼性のR&D
事業原簿 １－２頁
２／２７
公開
３．研究開発マネージメントについて
変換
換容量（定
定格電圧x電流
流） (kV
VA)
電圧 電流容量のトレンド予想
電圧，電流容量のトレンド予想
2.5kV,100A
1.2kV,200A
(64 mm2)
100
5.0kV,100A
3 3kV 150A
3.3kV,150A
(100 mm2)
1.2kV,70A
600V,100A
(36 mm2)
10
キラー
ー欠陥密
密度(cm
m-2)
1000
10
1
600V,10A
(4 mm2)
1
0.1
‘02 ‘04 ‘06 ‘08 2010
2020
SiCパワーデバイスの本格的な実用化には結晶の品質の見極めが早急の課題
事業原簿 １－２頁
３／２７
３．研究開発マネージメントについて
公開
電力変換器のパワー密度のロードマップ
電力変換器のパワ
密度のロ ドマップ
10
SiCインバータ
＋
サイリスタバルブ
△
ボード電源
×
1
＋
＋
パ
パワー密
密度（W//cm3)
100
汎用インバータ ×
01
0.1
×
ユニット電源
◎× ●
0.01 ◎
1970
◎
◎
◎
1980
×
●
●
△
○
○
HEVインバータ
エアコン用インバータ
● ●
パッケージ電源
大橋弘通、IEEJ, Vol.122,No.3, pp.168-171,2002
大橋弘通、セラミックス､40 [1]､pp.29-33,2005
1990
2000
2010
2020
電力変換器のパワー密度（大きさの指標）はこの３０年で２桁向上した。
変換器のコストパフォーマンスの指標ともいえる。
事業原簿 7頁
４／２７
公開
３．研究開発マネージメントについて
2030年までのＳｉＣデバイス適用による省エネ効果予測
２０３０年までのSiCデバイス化の省エネ効果予測
万ｋｌ／年＜
万
＜原油換
換算＞
6000
5000
工業用モータのイン
バータ化による効果
4000
コジェネ等（燃料電池
含む）
3000
新エネルギー（太陽
光発電用等）
2000
無停電電源
1000
コンピ
コンピュータ関連
タ関連
20
30
年
20
25
年
20
20
年
HEV/EV
20
15
年
20
10
年
0
（参考）家電合計
(年）
（汎用インバータによるインバータ化効果を入れた場合）
≪次世代省エネデバイス≫（NEDO省エネローリングのFED再委託調査）
事業原簿 ３－４頁
５／２７
３．研究開発マネージメントについて
公開
プロジェクトの目標・成果と実用化展開
プロジェクトの目標
成果と実用化展開
特定アプリでの実用化に向
けての実証
低炭素社会を
実現する真の
実用化
次世代パワーエレクトロニクス
基盤技術開発（０９～１２）
①SiCインバータの優位性の実証（伊丹サイト）
１４kVAインバータユニット損失７０％減少
デバイス・変換器の
可能性の実証 基盤
可能性の実証・基盤
ウエハの大口径・高品質化の見通しの共有（FED)
SiC実用化
のトリレンマ
のトリレン
の解決
事業原簿 ７頁
２００６
②・デバイス性能（大容量、高信頼）を可能とする
(
SiCウエハ品質の明確化(１００A/チップ）
・SiC変換器の可能性の明確化（５０/cm3）
（つくばサイト）
２００７
２００８
２００９
６／２７
公開
３．研究開発マネージメントについて
プロジェクト体制
プロジェクトリーダ（荒井和雄）
プロジェクト技術委員会
プロジェクト業務委員会
AIST, FED, 三菱
つくばサイト参画機関
外部有識者
AIST, FED, 三菱
つくばサイト参画機関
推進連絡会議
AIST, FED, 三菱
発明審査会
ウェハ調達委員会
•ＰＬ，ＡＩＳT、FED、三菱
•（関連参画機関）
•ＰＬ，つくばサイト、伊丹サイト
技術委員会 ン
•技術委員会メンバー
伊丹サイト
ウェハ品質
評価管理室
つくばサイト
つくばサイト運営会議
･PL＋つくばサイト参加機関
グループリーダ会議
･PL+つくばサイトグループリーダ
三菱電機
素子協
産総研
共同研究
開発技術
出向、兼務
事業原簿 １５－１６頁
東芝、日立、沖電気、
富士電機AT、シャープ
日産
再委託・共同実施
電中研
阪大、東工大
共同実施
首都大、千葉大、
JAXA、NIMS
３．研究開発成果について
７／２７
公開
研究開発項目① ：
高効率・高密度インバータユニット技術開発
事業原簿 ２９頁
８／２７
公開
３．研究開発成果について
開発の内容
９／２７
事業原簿 ２９頁
公開
３．研究開発成果について
14ｋVA小型SiCインバータユニット
小型 イ バ タ
ト
ＳｉＣインバーターユニットで世界最高の電力損失70%減を実証
（Siインバータユニット比）
体積1/4
434W
電力損
損失
70％減
130W
ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失
パワ 密度
パワー密度
10 W/cm3
Ｓｉインバーター
（11ｋW)
事業原簿 ２９頁
ＳｉＣインバ タ
ＳｉＣインバーター
１４ｋVA（１１ｋW)
定常損失
Ｓｉインバーター
ＳｉＣインバーター
11ｋＷ出力時の電力損失
１０／２７
公開
３．研究開発成果について
インバータのパワー密度トレンドと本プロジェクト達成値
（年）
事業原簿 ２９頁
３．研究開発成果について
１１／２７
公開
研究開発項目② ：
高効率・高密度インバータ革新的高度化技術開発
事業原簿 ６－１０頁
１２／２７
公開
３．研究開発成果について
適時、適宜な情報の共有とダイナミックな研究展開
低損失インバータ実証
(伊丹サイト）
・低損失・大容量素子
短絡耐量 高速制御
・短絡耐量・高速制御
ウェハ品質
４インチ
プロセス
デバイス性能
（大容量化、 MOS信頼性）
（つくばサイト）
・低損失素子
低損失素子
・耐圧・リーク電流
耐圧 リ ク電流
・ゲート移動度
・TZDB・TDDB・・
・デバイス結晶面
インバータの高パワー
密度化（つくばサイト）
・損失統合設計シミュレータ
事業原簿 ８－９頁
３．研究開発成果について
・バルク結晶欠陥種・密度
ルク結晶欠陥種 密度
・研磨面仕上げ
・エピ起因欠陥
・欠陥分布（空間相関、電界相関）
・幾何学的形状（そり、うねり・・・）
・残留不純物
・プロセス欠陥
プロセス改良
・プロセス改良
ウエハ
の供給元
（バルク、
エピ）
評価手法（つくばサイト）
・SR－X-ray
SR X
トポ/TEM
・カンデラ
・エミッション顕微鏡
・PL(JAXA)/EBIC(NIMS)
・SIMS
・・・・
１３／２７
公開
SiCウェハ欠陥とデバイス性能阻害要因の関係解明の具体的方法
ウ
欠陥とデバイ 性能阻害要因 関係解明 具体的方法
事業原簿 ８－９頁
１４／２７
公開
３．研究開発成果について
5mm□（100A級）SBDの作製
2 inch
Cキャップ法による表面荒れ抑制
（H20春期加速案件）
Cキャップ法
従来法
10-107-0478(500℃, C付アニール, アッシャー) JBS
07-0250(500℃, C付アニール)
Current [A]
100
Rms =
0.42nm
10-5
10-6
50
0
0
Rms =
6.04nm
10-2
10-3
10-4
5.0mm□JBS(RT)
2 5 □SBD(RT)
2.5mm□SBD(RT)
2.5mm□SBD(200℃)
2.5mm□JBS(RT)
2.5mm□JBS(200℃)
0.5
1
1.5
2
2.5
Forward Bias Voltage [V]
3
10-7
10-8
10-9
-1500
-1000
-500
1200V 5mm□JBS
で歩留まり：25%
歩留まり
0
SBD : Schottky Barrier Diode
JBS : Junction Barrier Schottky
１５／２７
事業原簿 ２８頁
公開
３．研究開発成果について
DIMOS不良解析TEGによるキラー欠陥同定(1)
DIMOS不良解析TEGによるキラ
欠陥同定(1)
2.75mm□素子での
(
)
耐圧歩留まり(1000V)：30%
Leakagge Current [A] (10-4[A]] = 10-2[A/cm2])
PiN接合TEG(評価素子)を用いて
不良要因を解析
不良素子の分類わけ
-4
10
130
46
-5
10
26
86
109 121
-6
10
2:
1:
4:
119129
-7
10
3:
-8
10
7
-9
10
3491
57
132
104
61
5 良品
5:
70
83
53
76
-10
10
Nd-Na distribution
-11
10
-12
10
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Reverse Voltage [V]
A構造
１. 低耐圧（＜３００
低耐圧（＜３００V
V）
２. 中電圧（～５００
中電圧（～５００V
V）から大きなリーク電流は
あるが、耐圧は高い。
３. 低電圧から中程度のリーク電流はあるが、
低電圧から中程度のリ ク電流はあるが
耐圧は高い。
４. リーク電流は低いが、耐圧が若干低い。
５. 良品
事業原簿 ９－１０
１６／２７
公開
３．研究開発成果について
DIMOSにおけるリーク電流と転位密度
おける
ク電流と転位密度
（構造Ａ）
A社
社 欠陥多数
10
-8
-10
10
-12
10
-14
10
10
10
-6
-6
10
Leakage Cu
urrent [A]
10
B社
社
-4
-4
Leakage Cu
urrent [A]
Leakage Cu
urrent [A]
10
A社
社 標準品
-4
-8
10
-10
10
-12
10
400
800
Blocking Voltage [V]
10
1200
-10
10
-12
10
10
0
400
800
1200
1600
Blocking Voltage [V]
TSD=4000-6000cm
TSD=4000
6000cm-22
-8
10
-14
-14
0
-6
10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Blocking Voltage [V]
300 1000 0
300-1000,
0-3000cm
3000cm-22
100 200 0
100-200,
0-1200cm
1200cm-22
転位密度の高いウエハでは、
リ ク電流の大きい素子が多数みられる
リーク電流の大きい素子が多数みられる。
１７／２７
事業原簿 ３１－３２頁
公開
３．研究開発成果について
DIMOSにおける転位密度と歩留まり
リーク電流によって規定される
耐圧歩留りとTSD密度との関係
100
Yie
eld [%]
歩留り（％
歩
％）
90
5mm角素子
(歩留り定義
1mA/cm2)
80
70
60
1mm□素子から5mm□、
8.5mm□の
高温でのリーク電流を予想
50
40
30
8.5mm角素子
(歩留り定義
1mA/cm2)
20
10
0
0
2
4
6
8
10
-2
-2）
TSD density [cm ]
螺旋転位密度（cm
事業原簿 ３１－３２頁
3
12 14x10
リーク電流で定義される耐圧不良には転位
欠陥（螺旋転位）密度を4000/cm2以下にす
る必要有り
→市販されているSiC基板でＯＫ
１８／２７
公開
３．研究開発成果について
酸化膜破壊と各種ウェハ欠陥
ref-500m5-11
ref-500m5-11
破壊箇所
ref-500m3-32
キャロット
ref-500m3-32
破壊箇所
螺旋転位
表面
スクラッチ
破壊箇所
シャローピット
ref-150m5-25
ref-150m5-25
酸化方法：DRY@1350℃
基底面転位
熱酸化膜に対する欠陥の影響
•基底面転位：×
•螺旋転位：×
•転位を伴わないピット：○
転位を伴わないピ ト ○
•（再表面の）スクラッチ：○
•ダウンフォール：×
•三角欠陥：×
三角欠陥 ×
•キャロット：○
１９／２７
事業原簿 ３０頁
公開
３．研究開発成果について
大 積
大面積チップ(5mm□)での酸化膜の信頼性
プ
酸 膜 信頼性 (TDDB)
Si面
C面
14
10
●
ウ エ
DD=11,048/cm2
1E+16
●
絶 縁 破 壊 時 間 [秒 ]＠ 63％ 累 積 破 壊 確 率
1E+18
A
ハ
：
ウエハB：DD=2,257/cm2
1E+14
1E+12
1E+10
30 years
1E+08
5mm Square
12
TD
DDB Life T
Time(sec)
1E+20
1E+06
10000
10
10
10
30 years
8
10
106
4
10
100
2
10
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ゲート電界強度 [MV/cm]
10
11
12
2
3
4
5
6
Electric Field(MV/cm)
市販のSiCウェハでも、
市販
ウ
も
5mm□チップで信頼性寿命は30年を越えると推定
事業原簿 ３３－３４頁
7
２０／２７
公開
３．研究開発成果について
Ｃ面酸化膜の信頼性
真性破壊が主であるので破壊寿命は面積にほとんど依存しない。
外挿により5mm角までの素子で30年以上の寿命を確認した。
２１／２７
事業原簿 ３３－３４頁
公開
３．研究開発成果について
損失統合設計ツールによる50W/cm
損失統合設計ツ
ルによる50W/cm3の見通しへのアプロ
の見通しへのアプローチ
チ
高温実装
信頼性データ
構造パラメータ
・回路構造定数・放熱器
システムNW
シミュレータ
シミ
レ タ
変換器仕様
-容量
-電圧・電流
-周波数
周波数
-寸法
-Ls, Cs
-熱抵抗
素子高温
信頼性データ
素子パラメータ
（MOSFET, HEMT、SBD）
-IV特性
-CV特性
-SWパターン
-ゲイン
ゲイン
磁性体材料
パラメータ
変換器統合設計シミュレータ
-放熱器
-LCフィルタ
-DCリンクC
変換器体積計算
-DMノイズ、CMノイズ
-外部ノイズ、内部ノイズ
発生ノイズ推定
パワー密度予測
事業原簿 ６－１４頁
高速制御
DCリンクC
-導通損、SW損
-鉄損、銅損
変換器損失計算
50W/ccの
条件の定量
的見通しの
明確化
-メジャーループ
-ロスマップ
２２／２７
公開
３．研究開発成果について
50W/cm3 実現への見通し試算例
パワー密
密度（冷却体
体のみ） (W
W/cc)
統合損失設計ミュレータ
試作データ
100
90
80
70
> 50 W/cc
60
50
計算条件
40
200℃
30
150℃
20
100℃
10
0
1
2
1.8mΩcm2
@ 25℃
3
4
2.7mΩcm
2
7mΩcm2
@ 25℃
事業原簿 ４１頁
5
6
7
8
175℃
125℃
9 10 11 12 13 14 15
Ron·S (mΩcm2)
4mΩcm
4
Ω 2
@ 25℃
回路
三相インバータ
三相インバ
タ
SiC-MOSFET耐圧
600V
SiC-MOSFET電流密度
200A/cm2
スイッチング周波数
20kHz
冷却方式
片面強制空冷
50W/ccを実現するためのMOSFET試作の目指す方向
2以下の素子のTj=200℃
Î 室温オン抵抗2.7mΩcm
室
抵抗
以
素子
℃
安定動作化
試作実績
２３／２７
「パワーエレクトロニクスインバータ基盤技
術開発プロジェクト」
（事後評価）第１回分科会 資料５－２（２）
５．プロジェクトの概要説明
５．１ 事業の位置づけ・必要性
５．２ 研究開発マネジメント
５．３ 研究開発成果
５．４ 実用化の見通し
２４／２７
４．実用化の見通しについて
公開
目標・成果と展開
技術課題
技
アプローチと成果内容
果
ウェハ品質管理：カンデラによる欠陥分析などの評価
ウェハ
・X線トポ評価技術開発と欠陥種分類法を確立
評価手法
達成した目標
標
展開
展
各種手法の
確立
・欠陥評価
の標準化
プロセス技術開発：高品質エピ技術、酸化/POA,活性
化アニール（カーボンキャップ）など
・5mm□JBS-SBDで１００A/チップ実証、高歩留り可能
・PIN
PIN：イオン注入密度，電界強度,金属不純物の影響
イオン注入密度 電界強度 金属不純物の影響
・DIMOS：高品質ウエハなら現状で高歩留り可能
デバイス
大容量化
：JFET領域上の酸化膜破壊→転位よりプロセス肝要
市販レベルの転位欠陥密度の基板でも、エピキラー欠陥発
生させずにウエハを作製できれば、５ｍｍ□１００A級可能
生させずにウ
ハを作製できれば、５ｍｍ□１００A級可能
デバイス
100A/チップ
の条件の
明確化
・Si面MOS信頼性：→高移動度と信頼性の両立
：エピ欠陥はキラー欠陥、TEDは深刻でない
：エピ層にピットを出さないプロセスの構築重要
・C面MOS信頼性：高移動度と高信頼性の実用可能展開
： Si面より結晶欠陥に鈍感
： エピ欠陥はキラー欠陥→５mm□OK
高信頼化
実用素子の
ゲート信頼
性の明確化
統合設計技術：開発済みCADの高度化
・低オン抵抗デバイス：0.1Ω/10A級MOSFET(～１ｋV）作成
・高パワー密度設計法：低損失/高温動作電力変換器条件提示
変換器
高パワー密度化
・高温実装：要素技術の実例と重要性
高機能技術：高速連携変換器設計例
・高機能技術：高速連携変換器設計例
50W/cm3の
可能性の
明確化
共通横串技術
２５／２７
事業原簿 ３６－４２頁
・欠陥精密
評価
・微量金属
不純物評価
など
・高信頼・
低オン抵抗
デバ
デバイス
高温デバ
・高温デバ
イス信頼性
と実装技術
・30W/cm3
変換器の
実証
公開
４．実用化の見通しについて
実用化を担保するSiCウェハの大口径化と高品質化のトレンド
実用化を担保するSiCウ
の大口径化と高品質化のトレンド
200
平均マイ
イクロパイ
イプ密度 cm-2
100
3-inch
2 inch
2-inch
4-inch
結晶欠陥を抑え込
む高品質エピ技術
50
20
35mm
10
5
2
1
Ｃｒｅｅ資料
1997
1998
バイポーラ素子
順方向電流劣化
（BPDが原因）
1999
2000 2001
エピ成長による
結晶欠陥の変換
C面オフ角なし
エピ成長
RAF法
４インチ
（低転位
実用化開始
結晶成長法）
2002 2003 2004 2005 2006 2007
本プロジェクトによるウエハの安定購入と品質・実用化情報の提供により、国内ウエハメーカーにおいて、ウエハ口径の拡大、品質の
向上が著しい 実用化の最低口径４インチ高品質ウエハが実現し 事業化の見通し デバイスキラー欠陥の解明とエピによる欠陥変
向上が著しい。実用化の最低口径４インチ高品質ウエハが実現し、事業化の見通し。デバイスキラー欠陥の解明とエピによる欠陥変
換技術との併用により、実用化へ
の確実なステップが切れる見通し。
事業原簿 ４５－４７頁
２６／２７
４．実用化の見通しについて
公開
知財と標準化 及び 成果の普及
（３）知的財産権、成果の普及
H18
H19
H20
計
０
５
９
１４件
論文（査読付き）
２（１）
１0（１0）
２７（２７）
３９件
研究発表・講演
４
２９
４８
８１件
受賞実績
０
０
２
２件
新聞・雑誌等への掲載
１
２
１
４件
展示会への出展
０
１
２
３件
特許出願
※ ： 平成２１年度７月２０日現在
平成 年度 月 日現在
事業原簿 ４３頁
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