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発表・掲載日:2013/09/25

16 kVの高電圧に耐えるSiCパワー半導体トランジスタを開発

-低炭素社会に向けた電力の有効利用、省エネルギー化に道筋-

ポイント

  • シリコンでは不可能な10 kV以上の耐電圧を示す炭化ケイ素新型トランジスタを開発
  • 電力ネットワークにおけるスイッチなどの半導体化、次世代スマートグリッド構築による低炭素社会実現、省エネルギー化に貢献
  • 内閣府最先端研究開発支援プログラム(FIRST)「低炭素社会創成へ向けた炭化ケイ素(SiC)革新パワーエレクトロニクス研究開発」の成果

概要

 独立行政法人産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)先進パワーエレクトロニクス研究センター【研究センター長 奥村 元】福田 憲司 総括研究主幹、超高耐圧デバイスチーム 米澤 喜幸 研究チーム長らのグループは、炭化ケイ素(SiC)半導体を用いて、16 kVという超高耐電圧特性を持つ独自構造の絶縁ゲートバイポーラ・トランジスタ(IGBT)を開発した。

 SiC半導体は、優れた物理的・化学的性質を持ち、シリコン(Si)半導体をしのぐ小型で損失の少ないパワーデバイスの実現が可能とされている。しかし、SiC-IGBT作製に必要なp型基板は、SiC基板としては品質が悪くデバイス作製には問題があった。今回、エピタキシャル成長によってp型基板層を作製するフリップ型の技術を用いるとともに、産総研独自の技術であるSiC基板のカーボン面を利用したIE構造を採用することで、スイッチングトランジスタとして10 kV以上の超高耐電圧と低いオン抵抗の両立を図ることができた。

 Siパワー半導体で到達できない10 kV以上の耐電圧と低損失性を持つパワー半導体が開発されたことで、種々の電力ネットワークにおけるスイッチやトランスの半導体化、さらには次世代スマートグリッド構築を通した電力分野での省エネルギー化への道筋が示された。

 この成果は、内閣府の最先端研究開発支援プログラム(FIRST)(2010~2014年度)「低炭素社会創成へ向けた炭化ケイ素(SiC)革新パワーエレクトロニクス研究開発【中心研究者 木本 恒暢 京都大学工学研究科教授】」のもとで達成されたものであり、成果の詳細は、2013年12月9~11日(米国時間)に米国ワシントンD.C.で開催されるIEDM 2013 (International Electron Device Meeting)にて発表される。

試作したSiC-IGBTの特性測定写真
試作したSiC-IGBTの特性測定。IGBT動作を示す発光が観測される。

開発の社会的背景

 現代社会におけるエネルギー消費の増加と電力化率の上昇のもと、エネルギーの有効利用を促進し低炭素社会の実現を目指していくには、電力の変換(直流・交流変換や電圧変換)や制御を担うパワーエレクトロニクス(パワエレ)技術を進展させ、パワエレ電力機器の飛躍的な効率化、小型軽量化、高機能化が求められている。これまでパワエレ電力機器に広く用いられてきたSi 半導体では、IGBTなどのデバイス性能向上によってパワーデバイスとしての低損失化が図られてきたが、そのデバイス性能はSiの材料物性で決まる理論限界に近づきつつあり、今後の大幅な性能向上は望めなくなっている。そこで、次世代半導体材料として、SiC半導体が注目されるようになってきた。SiC半導体は、Si半導体に比べて絶縁破壊を起こす電界強度が10倍、最大の電子走行速度が2倍、熱伝導率が3倍という優れた物性値を持つ。これをパワーデバイスに適用すれば、デバイスの高耐電圧化、高速化が実現できるとともに、熱損失をSiパワーデバイスの10分の1以下に低減できる。さらに、200 ℃以上の高温動作も可能であり、パワーデバイスを搭載した各種の電気機器、システムの大幅な効率向上と小型軽量化が達成できるとされる。

研究の経緯

 産総研では、1970年代から次世代パワー半導体材料としてのSiC半導体の研究に取り組んできたが、その長年の技術的蓄積と最先端の技術開発成果をもとに、オープンイノベーションの理念に基づく産学官連携の技術開発拠点として構築されたつくばイノベーションアリーナ(TIA-nano)にパワーエレクトロニクス技術領域が設定されている。昨今、電力エネルギーの有効活用の観点からパワー半導体への関心が飛躍的に高まっている中、TIA-nanoパワーエレクトロニクス技術領域では、産総研を中心にしてSiCパワエレ関連の多くの企業との共同研究や大型の国家プロジェクトが進行している。主として民生品を対象とする1 kV領域(第1世代)、インフラ系を対象とする5 kV領域(第2世代)、さらには電力送配電への適用を想定した10 kV以上の超高電圧領域(第3世代)の技術開発が同時並行で進められている。第3世代の技術は、デバイス構造の点で第2世代までのMOSFETとは異なり、高耐電圧化しても低いオン抵抗を実現できるIGBTを前提にしたものであり、SiCパワエレの最先端技術牽引役と位置付けられる。このSiC-超高耐電圧デバイス開発は、内閣府の最先端研究開発支援プログラム(FIRST)「低炭素社会創成へ向けた炭化ケイ素(SiC)革新パワーエレクトロニクス研究開発【中心研究者 木本恒暢京都大学工学研究科教授】」として採択され、産総研は国立大学法人 京都大学、一般財団法人 電力中央研究所と共に企業からのプロジェクト参画研究者も結集した開発拠点となっている。

研究の内容

 第3世代技術において、同じデバイス構造を想定した場合、SiCデバイスでは従来のSiデバイスと比べて1桁以上高い耐電圧を得ることができるため、現在のSiパワーデバイスの主流であるIGBT構造を採用することにより、10 kV以上の超高耐電圧パワーデバイスを提供することが可能となる。しかし、1 kV領域のものに比べれば1桁以上厚いエピタキシャル膜が必要となる。

 産総研グループはFIRSTプログラムにおいて、これまでn型高品質SiC基板を用いた超高耐電圧大容量PiNダイオードの研究開発を行い、13 kVの耐電圧と20 A動作を確認した。しかし、10 kVを超える領域の電力機器を実現するためには、ダイオードに加えトランジスタとしてp型SiC基板上に作製するSiC-IGBTが必要となる。現在n型SiC基板に関しては、第1世代の技術応用への期待が高まり6インチの大口径高品質基板が市販されるようになっている。しかしp型SiC基板に関しては、n型基板に比べて結晶欠陥密度が高く、厚いエピタキシャル膜およびその上にデバイス作製が可能な高品質のp型基板が欠如していた。

 今回産総研グループは、デバイス品質の結晶作製に用いられるエピタキシャル成長によってp型基板を作製するフリップ型の基板作製方法、および過去のSiCパワーデバイスの研究開発において開発したIE構造を採用し、超高耐電圧性と低オン抵抗性を併せ持つSiC-IGBT作製を試みた。

 図1に、通常のp型基板上のIGBT構造と今回作製したIGBT構造を示す。高品質p型基板をエピタキシャル成長で得るために、図1に示すようなフリップ型の基板作製を試みた。

 (1)高品質のn基板上に、まず超高耐圧性能を実現するのに必要な厚いn型層をエピタキシャル成長させ、その上にp型基板層をエピタキシャル成長させる。
 (2)上下逆転(フリップ)させ、n型基板を取り去り、エピタキシャル成長した部分を自立させる。

 さらにIGBTの制御電極(ゲート)形成では、移動度の高いカーボン面の特徴を生かせるIE構造をフリップさせたn型層の上部に作製した。IE構造では、ゲート電極直下の部分(チャネル)にエピタキシャル成長した結晶面を用いることで、通常のイオン注入による形成法に比べて高いチャネル移動度を得ることができる。

従来型IGBTとフリップ型IGBTの構造の違いの図
図1 従来型IGBTとフリップ型IGBTの構造の違い

 IGBTデバイス構造の試作には、TIA-nanoパワーエレクトロニクス領域のコア施設であるSiCデバイス専用試作ラインを用いた。また、SiC厚膜のエピタキシャル成長には株式会社東京エレクトロンの協力を得た。試作の結果、3 mm角のSiC-IGBTチップで耐電圧16 kV、オン抵抗11.3 mΩcm2と世界最高レベルの超高耐電圧パワーデバイス特性を確認できた。

 このようなSiデバイスでは達成できない超高耐電圧スイッチングトランジスタの実現により、送配電系を中心として電力ネットワークにおける機械的スイッチや大容量トランスの半導体化による高信頼化、小型軽量化、そしてそれらのインテリジェント化を次世代スマートグリッド構築に生かすことにより、電力分野での省エネルギー化、高機能化が大きく進展すると期待される。

今後の予定

 さらなるp型基板高品質化とデバイス作製プロセス技術の進展によって大面積、大電流の超高耐電圧SiC-IGBTを開発していくとともに、スイッチング電力損失低減を進めていく。また他機関、企業とも連携し、大容量電力変換に必要な大電流、高温対応パッケージング技術などの周辺技術開発を信頼性も含めて加速し、次世代スマートグリッドなどの基幹構成要素である10 kV超級の高機能低損失電力機器の実現を目指していく。


用語の説明

◆炭化ケイ素(SiC)
炭素(C)とケイ素(Si)からなる化合物半導体。シリコン(Si)と比べ、絶縁破壊電界、飽和電子速度、熱伝導度といったパワーデバイスの特性向上につながる物性値が大きい。パワーデバイスに応用した場合、同じデバイス構造でSiデバイスより1桁高い耐電圧が得られるにもかかわらず同等のオン抵抗となる他、デバイス自身の高温動作も可能となるため、次世代のパワーデバイス用材料として期待されている。[参照元へ戻る]
◆絶縁ゲートバイポーラ・トランジスタ(IGBT)
構造としては、縦型のMOSFET構造のドレイン側にドレイン層とは異なる伝導型(【用語の説明】内のp型、n型を参照)の半導体層(コレクタ)を加えた構造のトランジスタ。電子伝導に加えて正孔注入が低オン抵抗化に寄与するバイポーラトランジスタとスイッチング機能の制御が電圧によって行えるMOSFETの利点を併せ持ったトランジスタである。実用上、高電圧領域で使用できる電圧駆動のトランジスタが実現したことの意義は大きい。[参照元へ戻る]
◆パワーデバイス
電圧・電流・周波数を変換・制御するために用いられる一群の半導体デバイス(ダイオードやトランジスタ)をパワーデバイスという。通常、耐電圧とオン抵抗という互いにトレードオフ関係にある二つの指標で性能が示される。耐電圧は高いほど、オン抵抗は低いほど高性能であるが、通常は耐電圧が高くなるとオン抵抗も高くなる。構造的には、MOSFETやIGBTなどのトランジスタ、PiNダイオードなどがある。[参照元へ戻る]
◆p型、n型
半導体結晶における電気伝導の型のことである。マイナスの電荷を持つ電子が電流を担う場合をn型、プラスの電荷を持つ正孔(ホール)が電流を担う場合をp型と称する。半導体結晶中の不純物の種類によってこの導電型が決まる。SiCデバイスを作製するSiC基板にもあてはまり、n型基板は窒素、p型基板はアルミニウムを高濃度に添加して作製する。[参照元へ戻る]
◆エピタキシャル成長
SiCデバイスを作製するには、制御された厚み、不純物濃度のSiC単結晶薄膜を単結晶基板上に堆積する必要がある。単結晶基板上に、その基板の結晶方位に対してある特定の方位に膜が結晶成長することをエピタキシャル成長という。そして、この成長様式で作製した膜のことをエピタキシャル膜という。[参照元へ戻る]
◆カーボン面
Si基板と異なり、結晶の対称性の違いからSiC基板には裏表が存在する。SiCの構成元素の一つであるSiが最表面に出ている面がシリコン面、Cが最表面に出ている面がカーボン面である。SiCデバイスにおいて、デバイス化プロセス条件の広さから通常はシリコン面が使われるが、カーボン面を使うと電子の走行特性(移動度)が向上することが知られている。[参照元へ戻る]
◆IE構造
ゲート形成にイオン注入とエピタキシャル薄膜成長を組み合わせた構造のこと。従来のSiCパワーMOSFETでは、表面近くにイオン注入でp型領域とn型領域を形成するが、このゲート電極下層の酸化膜と接することになるp型領域は、アルミニウムをイオン注入した後に1600 ℃以上の高温で熱処理が施される。この際に、熱処理前は平坦であったSiC表面からSi原子が蒸発するため、表面が荒れて凹凸が大きくなる。ここを流れる電子は凹凸部分に衝突して散乱し、その結果、電子の流れが阻害されて移動度が低くなり、デバイス全体の抵抗値も高くなる。この問題を解決するため、産総研では独自にIEMOS(Implantation and Epitaxial MOSFET)と呼ばれるデバイスを開発した。IEMOSでは、上記のp型領域の表面をエピタキシャル成長で形成するため、1600 ℃以上の高温での熱処理が必要なく平坦な状態を維持できる。その結果、電子の流れが良くなって高い移動度が得られるため、もともと高い移動度が期待されるカーボン面の活用と相まってデバイス全体の抵抗値を極めて低くすることができた。今回の成果では、このIEMOSのゲート構造であるIE構造をSiC-IGBTのゲート形成に採用した。[参照元へ戻る]
スイッチングトランジスタ
電力変換/制御機器の中に用いられるパワー半導体トランジスタは、その電力変換回路中で電気的なスイッチとして働く。このためこれらのトランジスタはスイッチングトランジスタと呼ばれる。[参照元へ戻る]
◆最先端研究開発支援プログラム(FIRST)
2009年度に内閣府/総合科学技術会議によって創設された新しいタイプの研究開発支援プログラム。新たな知を創造する基礎研究から出口を見据えた研究開発まで、さまざまな分野およびステージを対象とした、3~5年で世界のトップを目指した先端的研究を推進することにより、産業、安全保障などの分野における我が国の中長期的な国際的競争力、底力の強化を図るとともに、研究開発成果の国民および社会への確かな還元を図ることを目的とした、「研究者最優先」の研究支援制度。研究期間は2010年3月~2014年3月。日本全体で広範な分野から30研究課題が採択され、中心研究者の強い裁量権、研究支援機関の設定、研究資金の年度繰越(予算の基金化)などの斬新なプロジェクト運営のしくみが取り入れられた。
<http://www8.cao.go.jp/cstp/sentan/>参照 [参照元へ戻る]
◆つくばイノベーションアリーナ(TIA-nano)
産総研、独立行政法人 物質・材料研究機構、国立大学法人 筑波大学、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構が中核となり、経団連とも連携して、世界的に魅力あるナノテクノロジー研究拠点をつくば研究学園都市に造り上げようとする取り組み。主要企業・大学との連携網を広げ、産学官に開かれた融合拠点として、ナノテクノロジーの産業化と人材育成を一体的に推進している。現在、ナノエレクトロニクス、パワーエレクトロニクスをはじめとする6つのコア研究領域、3つのコアインフラが設定されている。
<http://tia-nano.jp>参照 [参照元へ戻る]
◆MOSFET
金属/酸化膜/半導体電界効果トランジスタ(Metal/Oxide/Semiconductor Field Effect Transistor)。LSIやメモリーの中のトランジスタにも用いられている。金属/酸化膜/半導体の3層構造からなる制御電極(ゲート)の電圧によってその直下のチャネル部分の導通状態を変え、トランジスタの入力電極(ソース)と出力電極(ドレイン)の間のスイッチング状態(オン状態:導通状態とオフ状態:遮断状態)を制御する。LSIなどでは基板の表側にソース、ドレイン、ゲートが配置される横型構造であるが、パワーデバイスではドレインが基板の裏側に配置される縦形構造が一般的である。[参照元へ戻る]
◆PiNダイオード
p型半導体層とn型半導体層を接合させたダイオード。電流を一方向にしか流さない整流作用を持つ。[参照元へ戻る]

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