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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
2012年7月9日
中村 孝
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Research & Development Headquarters, New Material Devices R&D Center
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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3~5%の電力ロスが発生
電力変換における電力損失
スイッチング
損失85%減!! IGBTモジュールと
フルSiCモジュールの比較
Si SiC
Siを超える優れた物性
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
変電所変圧器送電線
家庭
工場
送電
送電・変圧家電
変換
機器の電源部で最適な電圧・電流に変換
5~10%は電力ロス
交流'AC(数十万V
交流'AC(100V
直流'DC(12~24V,3相交流
交流'AC(6600V
SiCなら・・・
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パワーデバイスの応用分野
1
5
10
100
500
1000
5000
10000
50000
100000
送配電PE
産業モータ
50
定格電圧(V)
HDD
PPC
DC/DC
コンバータルータ
ノートPC
定格
電流
(A)
10 50 100 500 1000 5000 10000 50000100000
ディスクリート
モジュール
低耐圧デバイス
中耐圧デバイス
高耐圧デバイス
HEV
EV 電鉄ドライブ
家電機器
パッケージエアコン
自動車電装機器
通信機器電源サーバWS
ACアダプタ
SW電源
SiCデバイスのターゲット市場
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ロームのSiCパワー半導体の開発・生産体制 5/36
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ロームにおけるSiCデバイス商品ラインナップ
SiC SBD SiC MOSFET SiC パワーモジュール
特徴 ⁃ 逆回復損失を大幅に減らせる
⁃ 特性の温度・電流依存性が小さい
⁃ 低Vf
⁃ 低スイッチング損失
⁃ 面積当たりのオン抵抗が小さい
⁃ フルSiCモジュール(SiC SBD + SiC
MOSFET)
1200V 120A 仕様
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SiC SBD
75A'研究開発品( 20A
6A
• 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)
※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
10A
600V 10Aから国内初量産
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SBD 75A品リカバリー特性比較
Si-FRD SiC-SBD
trr=113nsQrr=4506nC
trr=32nsQrr=302nC
-80
-40
0
40
80
120
160
200
0 100 200 300 400
時間 [nsec]
電流
[A
]
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
電圧
[V]
Di 電流
Di 電圧
-80
-40
0
40
80
120
160
200
0 100 200 300 400
時間 [nsec]
電流
[A
]
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
電圧
[V]
Di 電流
Di 電圧
VV
II
1200V/75A1200V/60A
リカバリー時の損失を1/10以下に大幅削減
順方向 → 逆方向 順方向 → 逆方向
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VF(動作電圧)を下げるアプローチ
0
2
4
6
8
10
0 0.5 1 1.5 2Forward bias (V)
Forw
ard
curr
ent
(A)
順方向特性 (600V/10A)
Si-FRDSiC-SBD
晴れ
曇り
順方
向電
流(A
)
順方向電圧(V)
① 抵抗を下げる '青点線(
- 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
② 立ち上がり電圧を下げる '赤点線(
- 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
低電流領域での損失低減要求が多い
(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
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
0 100 200 300 400 500 600
Vr(V)Ir
(A)
φ =0.85
φ =0.92
φ =1.03
φ =1.13
φ =1.27
0
5
10
15
20
0 0.5 1 1.5 2
Vf(V)
If(A
)
φ =0.85
φ =0.92
φ =1.03
φ =1.13
φ =1.27
金属 N- SiC
φ BN
Metal
・順方向特性 ・逆方向特性
順方
向電
流(A
)
順方向電圧(V)逆
方向
電流
(A)
逆方向電圧(V)
バリアハイト低減は可能
リー
ク電
流増
大
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
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
N- SiC (Drift layer )
P SiC
SiC sub.
Metal
Mo SiO2SiO2Schottky Metal
N- SiC (Drift layer )
SiC sub.
Metal
Mo SiO2SiO2Schottky Metal
従来構造SBD
トレンチSBD
断面構造 電界分布'逆方向(
1e16/cm3
5um
1e16/cm3
5um
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!
1E-09
1E-08
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
0 100 200 300 400 500 600
逆方向電圧(V)
逆方
向電
流(A
)
従来構造SBD
トレンチSBD
5桁
低減
'立ち上げ電圧を低減した際のリーク電流(
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VR: 600V
IF: 10A
di/dt: 420A/msec
–100 0 100 200
0
10
Time (ns)
Dra
in c
urr
en
t (A
)
PG
L:200mHDiode
RGCm
Vcc
従来構造SBD
トレンチSBD
トレンチSBD 諸特性
アバランシェ耐量 > 2000mJ/cm2
2.5ms/div
VDiode (200V/div)
IDiode (2.0A/div)
PG
L:1mH
DiodeRGCm
Vcc
アバランシェ耐量試験スイッチング特性
トレンチSBD
従来構造SBD:Trr=13.2nsec, Qrr=16.9nC
トレンチSBD:Trr=13.0nsec, Qrr=16.1nC
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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トレンチSBD ~従来デバイスとの比較~
N- SiC (Drift layer )
P SiC
SiC sub.
Metal
Mo SiO2SiO2Schottky Metal
N- SiC (Drift layer )
SiC sub.
Metal
Mo SiO2SiO2Schottky Metal
10
100
1 1.5 2 2.5
VF@10A(V)
Trr
(ns)
-SiC トレンチSBD
SiC SBD
従来構造
低導通損失
(Vf:低→損失:小)
低スイッチング損失
(スイッチング時間:短
→損失:小) Si FRD
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Forward bias voltage (V)
Forw
ard
curr
ent
(A)
Si-
-
-
-SiC トレンチSBD
SiC SBD
従来構造
Si FRD
(超高速タイプ)
Si FRD
(高速タイプ)
Trr vs. Vfの比較構造
SiC SBD
従来構造SiC トレンチ SBD
Vf比較 (600V/10Aクラス)
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 SBD
ROHM 2G SiC SBDROHM 2G
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SiC MOSFET
• 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
20A
10A
5A600V 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
40A'研究開発品(
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2nd Generation SiC MOSFET
BVDSS RDSon P/N パッケージ
1200V 80mW
S2301/S2303 Bare Die
SCH2080KECTO-247
SBD同梱
SCT2090KECTO-247
w/o SBD
SCH series
Drain
Gate
Source
SBDMOSFET
SCT series
Drain
Gate
Source
MOSFET
Inner circuit1st Gen.に比べオン抵抗を29%低減
(2012年6月14日 プレスリリース(
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Si, SiCデバイスのVd - Id 特性比較(1200V耐圧)
Comparison of Vd – Id 'at T=25˚C( Comparison of Vd – Id 'at T=125 / 150˚C(
SiC MOSFET
at 150˚C
SiC JFET (Vgs=3V)
SiC JFET
Vgs 3VSiC MOSFET
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5
Vds (V)
Id (
A)
SiC MOSFET(ROHM) (Vgs=18V)
Si SJ-MOS 900V (Vgs=10V)
Si IGBT (Vgs=15V)
SiC JFET(Vgs=3V)
Si IGBT
Si SJMOS
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5
Vds (V)
Id (
A)
Si IGBT
Si SJMOS
SiC JFET
at 125℃
SiC MOSFET(ROHM) (Vgs=18V)
Si SJ-MOS 900V (Vgs=10V)
Si IGBT (Vgs=15V)
SiC JFET(Vgs=3V)
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~
100nsec/div 100nsec/div
Si IGBTのターンオフ波形 SiC MOSFETのターンオフ波形
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
Siデバイスに対し、魅力的なデバイスの開発が必要'大幅な低オン抵抗化が必要、目標1mΩcm2(
SiC プレーナーMOSFET
Si デバイス(SJ-MOS, IGBT)
性能向上を続いている
⇒トレンチ構造
AIST
AIST
Cree
CreeCree
MitsubishiMitsubishi
Toshiba
DENSO
SiC ALB
ROHM
ROHM
ROHM
ROHM
AIST
AIST
AIST
SiCED
SiCED
SiCED
Cree
Cree
Mitsubishi
Mitsubishi
Toshiba
Purdue
Purdue
DENSO
DENSO
1
10
100
100 1000 10000
耐圧 (V)
特性
オン
抵抗
(m
cm
2) Si limit
4H-SiC limit
■ SiCプレーナーMOSFET
● SiC トレンチMOSFET
▲ SiC JFET (SIT)
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SiC トレンチ MOSFETSiC プレーナーMOSFET
トレンチ構造のメリット
RJFET
Rch
RJFET
Rcont
Repi
Rsub
Rcont
Repi
Rsub
meta
l
p-well
n+p+
SiC n-epi
gate
Rch
RJFET
Rch
Rch が大きい(低いチャネル移動度に起因)
集積化によりRchを大幅に低減可能
構造上 JFET抵抗が存在 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
1~2mΩcm2
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
Poly-Si
SiO2
Metal
N+
PP+
SiC n- Drift layer
SiC sub
Metal
Gate trench
Source trench
Poly-Si
SiO2
Metal
N+
PP+
SiC n- Drift layer
SiC sub
Metal
Gate trench
従来構造 ダブルトレンチ構造
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
ドレイン電圧 Vds (V)
ドレ
イン
電流
Id (
mA
) @
Vg
s=
0V Vds = 600 V, Vgs = 0 V
Epi layer : 7.5e15 cm-3, 7mm
25℃
125℃
ダブルトレンチ構造
アバランシェ耐量 (EAV):
177 mJ(9300 mJ/cm2)
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!
175℃
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
-3 -2 -1 0 1 2 3
X-axis (um)
Ele
ctr
ic F
ield
on t
rench b
ott
om
SiC
(M
V/c
m)
-2
0
2
4
6
X-axis (mm)
Y-a
xis
(mm
)
2 0 -2
0
2
4
6
X-axis (mm)
Y-a
xis
(mm
)
2 0
1.5
1.2
0.90.6
0.3
0.0
(MV/cm)
(simulation results on Y = 1.01um)
従来構造 ダブルトレンチ構造
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SiCトレンチMOS 諸特性'ゲート信頼性(
Device : SiC double-trench MOSFETs
Device size: 1.2 x2.4 mm2
DUTs : 22 pcs
Test condition : Vgs = -18V, 150 oC
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Time (hours)
Vth
(V
) @
Vds=
10V
,Id=
1m
A
Device : SiC double-trench MOSFETs
Device size: 1.2 x2.4 mm2
DUTs : 150pcs
Jinj : 44 mA/cm2
Temperature: R.T.
QBD (C/cm2)
ln(-
ln(1
-F))
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
0.01 0.1 1 10 100
約15C/cm2
m<1 early failure mode
m=1 chance failure mode
m>1 wear-out failure mode
m<0.5
m>10
CCS-TDDB test
±5%
ゲート酸化膜寿命試験 ゲートバイアス印加試験
・ 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
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
Rons = 1.41 mWcm2
Vb = 1260V
Rons = 0.79 mWcm2
Vb = 630V
Epi layer: 1.8e16cm-3, 5mm
Epi layer: 7.5e15cm-3, 8mm
Vgs = 18V
Si limit
4H-SiC
limit
ROHM
0
1
2
3
4
5
0 0.5 1
ドレイン電圧 (V)
ドレ
イン
電流
(A)
0.1
1
10
100
100 1000 10000
耐圧 (V)
特性
オン
抵抗
(mΩ
cm
2)
●SiC トレンチMOSFET
■SiC プレーナーMOSFET
▲ SiC JFET (SIT)
630 V / 0.79 mΩcm2
1260 V / 1.41 mΩcm2
This work
世界最高性能MOSFETを実現!
Si デバイス
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フルSiCパワーモジュール
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
W: 122mm
D: 45.6mm
H: 17mm
※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。
2012年3月量産開始!
SiC SBD
SiC MOSFET
24/36
85% 削減
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100
ゲート抵抗Rg (Ω)
スイ
ッチ
ング
損失
(mJ)
Vds=600V
Id=100A
Vg(on)=18V
Vg(off)=0V
Ta=125oC
Inductive load
A社Si IGBTモジュール
C社Si IGBTモジュール
B社Si IGBTモジュール
ロームフルSiCパワーモジュール
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
PWM駆動方式Ta=40˚C
Tj=125˚C
ヒートシンク0.19˚C/W
(強制空冷相当)
接触熱抵抗0.07˚C/W
V=600V
力率 1
導通率 0.90
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50
スイッチング周波数 (kHz)
駆動
済大
電流
(Apeak)
他社Si IGBT 200A
他社Si IGBT 100A
ROHM SiC
100A
SiCならばさらに大きな電流を扱える。
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。
※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
定格電流'A(
トランスファーモールドタイプ(TPM)
小型
低コスト
ケースタイプ
低内部インダクタンス
大電力
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
1000A モジュール(Collaborated with
APEI)
QMET用1200A
モジュール
Si ケースタイプ
1200
Si
TPM
SiC TPM
0
小型400Aモジュール
SiC ケースタイプ
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高温動作ハーフブリッジSiC TPM
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 1 2 3 4 5
順方向電圧 (V)
順方
向電
流(A
)
ドレイン電圧 (V)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 1 2 3 4 5
ドレ
イン
電流
(A)
Vgs = 6V
12V
16V18V
14V
10V
8V
Vd – Id 特性 (@R.T.)
ダイオード特性 (@R.T.)SiC SBD
SiC トレンチMOS回路構成:2in1'ハーフブリッジ(耐圧:600V
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!
27/36
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応用例:パワーモジュール内蔵モーター
モーターインバータなどの電力制御装置
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・ノイズ大
課題
・モータの高温に耐えられない
・大きすぎる
Si
・高温で動作可能・小さくできる
SiC
解決手段
モジュールをモーターに内蔵
小型
低損失 が期待低ノイズ
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c 2012 ROHM Co.,Ltd. All Rights ReservedConfidential
Research & Development Headquarters, New Material Devices R&D Center
高耐熱モジュール応用例 ~モジュール内蔵EVモータ~
課題・コスト・効率・サイズ・ノイズ
解決
ROHM’s “SiC-QMET”用パワーモジュール(600V/1200A) [SiCトレンチMOS+SiC SBD]
ROHM’s インバータ用SiC パワーモジュール(600V/400A)
140mm
160mm
19mm
モータ
インバータ
QMET
システム
モータと電力制御システムが別置き(ケーブルで接続)
ドレ
イン
電流
(A)
ドレイン電圧 (V)
(at 225oC)
低オン抵抗でモータに収まる小型モジュール モータ内が高温でも安定動作
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
00 210.5 1.5
ドレ
イン
電流
(A)
ドレイン電圧 (V)
EV用モータへ応用
SiCトレンチMOS採用でオン抵抗をSiC DMOSの1/3に
既存Si MOSより大幅なオン抵抗低減が可能
0
500
400
300
200
100
0 54321 6
SiCなら225℃でも動作可能
安川電機様との共同開発CEATEC2011出展
コンパクトに内蔵!
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まとめ
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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