筑波大学

次世代自動車に欠かせない先進パワー半導体SiCパワーデバイスの技術動向とその応用

１．次世代自動車にＳｉＣパワーデバイスを搭載するご利益

　パワーエレクトロニクスによる電力制御は、パワーデバイスによる低抵抗・高速スイッチング技術によって成り立っており、パワーデバイスの性能が電力制御の性能を左右すると言っても過言ではない。そんな中、より一層の性能向上に向け、シリコン（Ｓｉ）よりもバンドギャップが大きいワイドバンドギャップパワー半導体デバイスに大きな期待が寄せられている。

　ワイドバンドギャップ半導体にはいくつかの種類があるが、パワーデバイス向けの材料として注目されているのは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などがある。これらの材料を適用することで、ユニポーラ動作でも高耐圧特性を示しつつオン動作時の導通抵抗が低減でき、かつスイッチング損失の低減も可能となる。

　図１は１２００Ｖ　ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉ−ＩＧＢＴのターンオフ波形比較である。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴではターンオフ時のテール電流がないためスイッチング損失はＳｉ−ＩＧＢＴに対し約６０％以上低減できるとの報告もある。さらにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉＣショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を使ってターンオンすると、ＳｉＣ−ＳＢＤがユニポーラデバイスであるため、その逆回復電流が極めて小さいことから、ターンオン損失もＳｉ−ＩＧＢＴにくらべ格段に小さくなることが知られている。

　現在ＳｉＣならびにＧａＮパワーデバイスが市場に展開され始めているが、その構造はＳｉＣが��ＳｉＣ　ｏｎ　ＳｉＣ�≠ｪ主流であるのに対し、ＧａＮデバイスが��ＧａＮ　ｏｎ　Ｓｉ�≠ﾆなっている。
　これは図２に示すように、��ＧａＮ　ｏｎ　Ｓｉ�″\造ではＳｉ上に直接ＧａＮ成膜が困難であるため高抵抗Ｂｕｆｆｅｒ層を間に挟む必要があるためである。そのためＧａＮデバイスは横型デバイス構造をとらざるを得えない。

　しかしながらＳｉＣは、現状パワーデバイス市場の大半を占めているＳｉ−ＭＯＳＦＥＴならびにＳｉ−ＩＧＢＴと同様に縦型構造デバイスが実現でき、よって耐圧１０００Ｖ以上、電流１００Ａ以上の高電圧・大電流用途に適用が可能となる。

　これにより、次世代自動車に搭載される５０ｋ―１００ｋＷ程度の大容量モーターを制御することが可能となるため、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）内の昇圧コンバータやインバータ用素子にはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが適用されることとなる。そしてこのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、低導通抵抗・低スイッチング損失特性さらには高温動作が可能であることから、ＰＣＵ内の冷却部品や受動部品の一層の小型化実現が期待されている。

　自動車の走行燃費向上を決める最も大きな要因として車両の空気抵抗（ＣＤ値）があることが知られている（１）。つまり車両構造の改善が走行燃費向上に大きく寄与するため、ＳｉＣパワーデバイス適用によるＰＣＵの小型化実現には、この車両構造改善のための設計の自由度の向上とこれによる低空気抵抗（ＣＤ）化が実現できるというメリットがある。

２．ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴデバイスの最新技術動向

　ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、高耐圧素子においても低オン抵抗でしかもスイッチング速度が速くできるということが大きな特徴となる。しかし、ＳｉＣ特有の素子作成プロセスによりＭＯＳ界面移動度の向上ならびにゲート電極周りの長期信頼性の確保が困難であるという課題があった。最近になり、ゲート酸化プロセス技術や表面荒れ低減技術の進歩によりこの長期信頼性は大幅に向上し、その結果ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴも自動車車載市場に展開されるようになった。たとえば、１６年３月に本田技研工業が発表した新型燃料電池車（ＦＣＶ）（図３参照）はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴモジュールを搭載し（２）、またトヨタ自動車は２０年にＳｉＣパワーデバイスを適用したＰＣＵを搭載した新型ハイブリッドカーの実用化を発表している（３）。

　ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの車載用途への最大のアピールポイントは前述のようにＰＣＵの小型化の実現であり、そのため今後はより一層の低損失化を目指すため、プレーナーゲート構造からより微細なセル構造を実現できるトレンチゲート構造へ移行していくと考えられる。

　しかしながら、ＳｉＣを使ってのトレンチＭＯＳＦＥＴの実現にはＳｉＣデバイス特有の設計が必要となる。これは、ＳｉＣがＳｉに比べ約１０倍の破壊電界強度を有することから、たとえば図４に示すようにトレンチゲート底部、さらにトレンチゲートよりも深い場所にｐ層を同時に設ける構造にする必要があり、これによりゲート酸化膜に印加される電界を大きく低減するトレンチＭＯＳＦＥＴの実現に成功した（４）。これはＳｉＣトレンチＭＯＳＦＥＴ特有の設計技術である。これにより耐圧１２００Ｖで低オン抵抗、さらに高信頼性特性を同時に有する素子を実現した。

　また最近では、前記トレンチＭＯＳＦＥＴにＳＢＤを内蔵し１チップ化した新構造ＭＯＳＦＥＴも発表された（図５参照）（５）　。この新型素子は内蔵ＳＢＤをインバータ回路内のフリーホイーリングダイオードとして活用することで、逆回復損失の低減ならびにダイオードＶｆ劣化防止による信頼性の向上、さらにはインバータ回路内の半導体素子数の低減によるコストダウンを目指したものである。このように、より低損失で高信頼性特性実現を目指したＳｉＣトレンチＭＯＳＦＥＴの開発は今後一層盛んになると思われ、次世代自動車だけでなく新幹線をはじめとした新型高速鉄道用途（図６参照）（６）　へもその応用範囲は広がっていくと思われる。

【参考文献】

１）　山本真義、「ＳｉＣ／ＧａＮを中心とした自動車用パワーエレクトロニクスの最新技術動向」　エレクトロニクス実装学会　パワーエレクトロニクス研究会　公開研究会　２０１７年３月２１日
２）　本田技研工業社株式会社ホームページ
３）　トヨタ自動車株式会社ホームページ
４）　Ｔ．Ｋｏｊｉｍａ　ｅｔ　ａｌ，　　“Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｂｏｔｔｏｍ　Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｎ　４Ｈ−ＳｉＣ　ＵＭＯＳＦＥＴｓ”，　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２０１５　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　２０１５，　ｐｐ．９４８−９４９　（２０１５）．
５）　Ｙ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ　ｅｔ　ａｌ，　“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｈｅｉｇｈｔ　ｏｎ　４Ｈ−ＳｉＣ　ｍ−ｆａｃｅ　｛１−１００｝　ｆｏｒ　ＳＢＤ−Ｗａｌｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｔｒｅｎｃｈ　ＭＯＳＦＥＴ　（Ｓｗｉｔｃｈ−ＭＯＳ）”　，Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２０１６　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　２０１６，　ｐｐ．５６９−５７０　（２０１６）．
６）東海旅客鉄道株式会社ホームページ

　＜岩室憲幸：筑波大学　数理物質系　物理工学域　教授＞