2014年
3.3kV/1.5kA SiC-MOSFETの開発

~個別半導体・他~



SiCはバンドギャップが3.25eVと大きいため、Siと比較し絶縁破壊を生じる電界強度が約10倍大きく、また、真性化温度が高いため高温でも半導体として動作する。これらの性質よりSiCは、高電圧、大電流を扱うパワーデバイス用の半導体に適している。絶縁破壊を生じる電界強度が大きいことのメリットはキロボルト級のパワーデバイスで顕著である。Siでは電気抵抗が大きくなりすぎて実現困難な3.3kV級の耐圧領域においても、SiCを用いればMOSFETを作製できる。SiCを適用することにより、パワーデバイスの二つの損失成分である導通時の損失とスイッチング時の損失がともに小さい3.3kV耐圧のスイッチングデバイスを実現した。

SiCウエハの作製には二千数百℃の昇華法によるバルク結晶成長が必要である。技術的な困難さのためSiCウエハの作製はSiと比較し遅れていたが、1990年代の後半に口径2インチのウエハの入手が可能となり、デバイス開発が活発化した。SiCウエハの品質については、当初問題となっていた大型螺旋転位などのデバイスキラー欠陥の低減、また、エピタキシャル成長層の欠陥の低減も着実に進んでいる。

図1に3.3kV SiC-MOSFETのMOSセル部の断面構造を示す。裏面のドレイン電極から表面のソース電極に電流を流す縦型のプレーナMOSFETである。p型ウエル領域とn型ドリフト層の間に形成されるpn接合により高電圧を保持する。SiC基板にはパワーデバイスに適した4H型ポリタイプを用い、n型ドリフト層をエピタキシャル成長させた。高耐圧SiC-MOSFETの低抵抗化には接合トランジスタ領域(JFET領域)の抵抗低減が有効であり、JFET領域の幅、ドーピング濃度の最適設計を行った。Siと比較しSiCのMOS界面には電子捕獲準位が多く存在し、MOSチャネルの抵抗低減を妨げている。MOSチャネル部のドーピングプロファイル設計、ゲート酸化膜の高温処理などにより電子捕獲準位の影響を軽減し、MOSチャネルの低抵抗化、および、しきい値電圧の安定化を実現した。

三菱電機は3.3kV SiC-MOSFET、SiC-SBDを搭載した3.3kV/1.5kAフルSiCパワーモジュールの開発に成功した。2014年に3.3kV/1.5kAフルSiCパワーモジュールを搭載した鉄道車両用インバーター(図2)を製品化し、2015年に営業運転における大幅な省エネ効果を実証した。

図1 3.3kV SiC-MOSFETのMOSセル部の断面構造
図2 3.3kV/1.5kAフルSiCパワーモジュールを適用した鉄道車両用インバーター
(提供:三菱電機)

【参考文献】
(1) K. Hamada et al., “Investigation of cell structure and doping for low-on-resistance SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistors with blocking voltage of 3300 V”, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 52, 04CP03, 2013.
(2) M. Imaizumi et al., “Remarkable advances in SiC power device technology for ultra high power systems,” in IEDM Tech. Dig., 2013, 6.5.1-6.5.4.
(3) “直流1500V架線対応「フルSiC適用VVVFインバーター装置」採用のお知らせ”、
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2014/pdf/0430.pdf
(4) M. Imaizumi et al., “Characteristics of 600, 1200, and 3300V planer SiC-MOSFETs for energy conversion applications”, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 62, No. 2, pp. 390-395, 2015.
(5) K. Hamada et al., “3.3kV/1500A power modules for the world’s first all-SiC traction inverter”, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 54, 04DP07, 2015.
(6) “東海道新幹線車両向けにフルSiCパワーモジュールを適用した主回路システムを開発”、
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2015/pdf/0625.pdf
(7) “小田急電鉄車両での「フルSiC適用VVVFインバータ装置」実証結果のお知らせ”
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2015/pdf/0622-a.pdf


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rev.001 2016/02/25