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» 2012年12月11日 17時06分 UPDATE

パワー半導体 SiCデバイス:SiC-MOSFETの課題克服へ、新材料を用いたゲート絶縁膜で信頼性を向上 (1/2)

SiC-MOSFETの量産採用に向けた課題の1つとして挙げられているのが、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜に起因する動作時の信頼性の低さだ。大阪大学と京都大学、ローム、東京エレクトロンは、AlON(アルミニウム酸窒化物)を用いたゲート絶縁膜によって、SiC-MOSFETの信頼性を高める技術を開発した。

[朴尚洙,MONOist]
トレンチ構造に均一に成膜したアルミニウム酸窒化物のゲート絶縁膜

 次世代パワー半導体として期待されているSiC(シリコンカーバイド)デバイス。SiCデバイスは、シリコン(Si)を用いたパワー半導体と比べて、動作時の損失が小さく、高温でも安定動作が可能で、絶縁破壊電圧が10倍に達するといった特徴を備えている。

 このため、サーバの電源やエアコン、太陽光発電システムのパワーコンディショナ、電気自動車(EV)用急速充電器、鉄道の電力変換装置などの電力効率を高める用途で、徐々に採用が広がっている。

sp_121211sic_01.jpgsp_121211sic_02.jpg SiCデバイスの特徴。左の図は、SiとSiCの物性を比較したもの。右の図では、SiC-MOSFETが、SiベースのMOSFETよりも損失を大幅に低減できることを示している。(クリックで拡大) 出典:大阪大学、京都大学、ローム、東京エレクトロン

量産採用が進まないSiC-MOSFET

 ただし、これらの採用事例では、整流素子であるSiC-SBD(ショットキーバリアダイオード)が用いられていることがほとんどだ。既存の電力変換装置の中核デバイスであるSiベースのIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を代替する、スイッチング素子のSiC-MOSFETについては限定的な採用にとどまっている。

 SiC-MOSFETの採用が進まない理由は2つある。1つは、SiC-MOSFETの価格が高いことだ。SiC-SBDは、量産時の歩留まりが改善されるとともに、多くの企業の参入によって価格が低下しているが、SiC-MOSFETは歩留まりが低い上に、参入企業もSiC-SBDほど多くはない。

 もう1つの理由は、ゲート酸化膜として用いている酸化シリコン(SiO2)に起因するエネルギー損失と信頼性の低下である。酸化シリコンは、Siデバイスと同様に熱酸化法で成膜できるため、SiC-MOSFETの製造プロセスにも採用されている。しかし、SiC-MOSFETの動作時に印加される電界は、酸化シリコンの下側にあるSiC基板の3MV/cmに対して、酸化シリコンは2倍以上の7〜8MV/cmに達する。このため、動作時の信頼性が低下してしまうのである。これに、酸化シリコンの成膜時に発生する膜表面のラフネス、SiC基板上に存在する結晶欠陥が加わって、さらに信頼性が低下してしまうのだ。

SiC-MOSFETのゲート絶縁膜として用いている酸化シリコンの課題 SiC-MOSFETのゲート絶縁膜として用いている酸化シリコンの課題(クリックで拡大) 出典:大阪大学、京都大学、ローム、東京エレクトロン

 特に、EVやハイブリッド車(HEV)のインバータにSiCデバイスを適用するには、自動車メーカーが求めるコスト低減と長期信頼性を実現する必要がある。しかし、SiC-MOSFETは、現時点においてどちらについても自動車メーカーの要求をクリアできていない。コスト削減は、6インチSiCウェーハの導入によって一定のめどがつきつつあるものの、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜に起因する信頼性低下は、引き続き大きな課題となっていた。

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