Vol.3 No.4 2010

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研究論文:SiC半導体のパワーデバイス開発と実用化への戦略(荒井)−266−Synthesiology Vol.3 No.4(2010)図12 「ハイテクものづくり」プロジェクト(本文参照)における全PERC技術(ウェハ−デバイスー変換器)によるトータルソリューションのデモンストレーション3.2.3 素子の大容量化・高信頼化とウェハ品質実用化を目指したパワーデバイスの実証には、数十Aから100 Aクラスのチップを必要とする。2005年の段階で、ショットキーバリアダイオードにおいては大容量化の報告が始まっていたが、スイッチング素子では開発が遅れていた。この事実は、ウェハ品質(結晶欠陥等)が重要な要因と考えられた。省エネルギー先導研究の成果を踏まえ、「インバータ」プロジェクトでは、100 A級の大容量チップを実現するウェハ品質を明らかにすることを目標とした。現状では単結晶基板は約1万/cm2の結晶欠陥(転位)を持っていたため、素子の大容量化とMOSの信頼性について、これまで真向から取り組まれていなかった結晶欠陥との相関を明確にする課題に取り組んだ。産総研において高いポテンシャルを持つ放射光を用いた結晶欠陥評価手法を軸として活用した。結論から言えば、ある種の結晶欠陥の低減は望ましいが、デバイスを作製する結晶基板上に形成されるエピタキシャル薄膜の成長技術(エピ成長時に発生する表面欠陥の極小化、結晶欠陥種の変換法等)の高度化と、デバイスプロセス(チャネル移動度と信頼性の両立するゲート酸化膜形成法、高温イオン注入と活性化プロセス等)の工夫により、現状の結晶品質でもデバイス応用展開へのステップを切れるとの結論を得た。3.2.4 変換器設計手法の構築と高パワー密度化への適用パワーエレクトロニクス機器は使われる動作条件、環境がさまざまで、これまでの開発では試行錯誤的手法でその最適化が図られることが多い。求められるデバイスの性能も用途によって重点が異なる。特にSiCパワーデバイスでは、大容量・高耐圧の条件で高速スイッチングさせるため、デバイスの性能を最大限に活用するためのデバイス・回路−受動部品−変換器構成の統合的設計手法が重要になる(図13)。例えば高周波化が進むとそれまで考慮しなくてもよかった浮遊容量や浮遊リアクタンスの影響が顕在化するので、その評価と低減が必要である。産総研では先行的にデバイスシミュレーション、フィルター性能、制御手法等からなる回路統合設計方法を開発し、「インバータ」プロジェクトにおいて「変換器損失統合設計シミュレータ」として展開した。開発した低損失SiC-MOSFETの試作評価と合わせて、50 W/cm3の高パワー密度を実現する条件を明らかにした。3.3 産総研時代(2008年~)の戦略と成果−実用化のボトルネック解消へ向けて−2008年以降産総研では、ウェハ、デバイス、変換器において原理実証を終えたものはそれぞれ下流での実証研究へと進めているが、この流れはSiC実用化にとって重要なアプローチである。この時期産総研は、さらに研究開発の螺旋を一段上がったところで必要な、より高度な目標を持つ基盤研究、さらにこの分野の発展に貢献する先行研究を合わせて進めることを目標に掲げた。「インバータ」プロジェクにおける企業による14 kVAインバータの損失の70 %低減の実証と、集中研究方式による現状の結晶品質でのデバイス応用への展開可能性を踏まえて、2008年度からは、グリーンITプロジェクトの枠組みのなかで「次世代パワーエレクトロニクス基盤研究開発」(2008~2011年度)がスタートした。そこでは、(株)日立製作所および三菱電機(株)による応用を明確に定めたパワーエレクトロニクス機器の実証開発と、産総研が三度目の集中研究方式で高パワー密度を目標にした基盤技術開発(超低損失デバイス開発と高パワー密度変換器のプロトタイプ実証)を進めている。ウェハ技術の開発では、2007年末に国産の4インチウェ統合設計データベース設計情報電磁解析構造解析熱解析最適化統合損失素子主回路制御回路フィルター回路回路統合設計プラットフォームシステム統合設計プラットフォーム受動部品高温動作信頼性3次元実装実装コア技術設計プラットフォーム高温電極形成統合設計図13 電力変換器の統合設計の概念図素子−フィルター(磁性体)−制御の統合損失をシミュレーションして、回路設計において損失の最適化を図れる。受動部品のデータベースと構造要因を統合して、変換器統合損失設計シミュレーションが可能となる。実証実験チョッパー回路モータ駆動-発電実験昇華法インゴットSiC粉末エピタキシャル成長エピタキシャルウェハ切断研磨バルクウェハダイシングボンディング実装デバイス回路試作イオン注入ドライエッチメタル蒸着高速熱アニールデバイスチップ(MOSFET、 SBD etc.)IEMOS 10Aゲート回路ゲート回路SiC-MOSSiC-MOSSiC-SBDSiC-SBD200 µmSourceSourceGateGate 100 µm100 µm2-inch1 µm0001 nm1 nm0.5 nm0.5 nm

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