世界初、低抵抗SiCトレンチMOSFETの大幅な大容量化に成功！
単チップで300A駆動に成功し、電力変換用SiCモジュール実現へ大きく前進！

京都大学大学院工学研究科 木本 恒暢 教授とローム株式会社の研究グループは、従来は大電流化が難しいとされていたSiC(シリコンカーバイド：炭化珪素)を用いた大面積トレンチゲート縦型MOSFETで、大幅な大電流化を実現、単チップ300A駆動に成功しました。このチップの開発により、これまでSiデバイスでしか実現できていなかった大電流電力変換モジュールへの、SiCデバイス適用の可能性が大きく広がり、省エネ時代を支える技術として大きく前進しました。
今回の開発成果は、結晶欠陥の低減による大面積化（従来のチップ面積3mm角から4.8mm角）と、トレンチゲート構造による低オン抵抗化（従来の3mm角のものに比べさらに約20%低減）の実現によるもので、Siデバイスの電流容量に大きく近づいたことにより、従来のSiデバイスをSiCデバイスに置き換えるだけで電力変換モジュールの大幅な小型化と高効率化ができる目途をつけたと言えます。

近年、パワーエレクトロニクスの分野では電力変換時に半導体デバイスで消費される損失が問題となっており、エコロジーの観点からもさらなる低損失化を目指して、Siよりも材料物性の優れたSiCによるパワーデバイス開発が活発になってきています。ロームではこれまで、SiC プレーナー構造MOSFETをさらに低オン抵抗化するために、SiCトレンチ構造MOSFETの開発に取り組んでおり、3mm角で100A駆動に成功しています。しかしながら、電気自動車、送電、鉄道などの電力変換用モジュールでは、最低でも600A前後の電流容量が必要とされ、現在は200〜300Aを出力可能な1cm角を越えるSiパワーデバイスの大面積チップ数個を並列接続して必要な電流容量を得ています。これをSiCデバイスで置き換えるためには、Siデバイスと同等の電流容量に近づける必要がありました。電力変換モジュール等に使う半導体の大電流化には、オン抵抗の低減とチップの大面積化が必要ですが、SiCデバイスは低オン抵抗化については優れた特性を持っているものの、面積を大きくするにつれてデバイス不良の原因となる結晶欠陥が増加することが大面積化の障害となっていました。そのため、これまで数百Aを得るためには多数のチップを並列接続する必要があり、配線する上で実用的ではありませんでした。
今回ロームでは、エピ工程におけるプロセス技術の改善により、ウエハに存在する結晶欠陥の悪影響を大幅に低減、チップ面積を従来の約2.5倍に拡大できる技術を確立しました。（従来3mm角→4.8mm角）加えて、デバイスの耐圧構造の改善により、オン抵抗の20%低減にも成功しました。
こうした改善の結果、電流容量を従来の100Aから300Aへと大幅に大容量化することができました。 今回開発した技術により、世界的に急速な普及が予想されるハイブリッド車・電気自動車や、送電、鉄道などの分野に用いられている大電流Siパワーデバイスを、より低損失なSiCデバイスに置き換えられる可能性が大きく広がり、エネルギー問題、地球環境問題という観点からも世界に大きく貢献できると考えられます。

今後のスケジュールとしては、評価用サンプルを来春を目途に出荷し、顧客の評価を得ながら早期実用化に向けた信頼性や量産性の検証、改善を行うとともに、更なるオン抵抗の低減、耐圧の向上（目標：1mΩ･cm²、1200V）を進めてまいります。

なお、今回の成果の一部は、文部科学省知的クラスター創成事業　京都環境ナノクラスター（中核機関　財団法人京都高度技術研究所）における研究成果の活用によるものです。

■今回開発した大面積SiC トレンチMOSFETのオン特性（左）チップ写真（右）

■今回開発した大面積SiC トレンチMOSFETのL負荷スイッチング波形（左）測定回路（右）

■語句の説明

• SiC（シリコンカーバイド：炭化珪素）
  バンドギャップがシリコンの約3倍で、絶縁破壊電界が約10倍、熱伝導率が約3倍というすぐれた物性値を持つ化合物半導体であり、これらの特性がパワーデバイス応用と高温動作に適している。
• MOSFET（Metal−Oxide−Semiconductor Field　Effect　Transistorの略)
  金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタのことで、FETの中では最も一般的に使用されている構造である。スイッチング素子として使われる。
• パワーエレクトロニクス
  電力（パワー）を半導体デバイス（エレクトロニクス）を用いて都合の良い形態に変換し、自由に制御する技術である。家庭用の電気製品から、産業、鉄道、電力などのシステムに適用されており、現代の生活に無くてはならない存在である。
  ※正田英介　楠本一幸　パワーエレクトロニクス　オーム社
• ハイブリッド車
  内燃機関と電動機を組み合わせた動力源を持ち、状況に応じて単独、あるいは複数と、電力源を変えて走行する自動車のこと。総合効率が電気自動車や燃料電池自動車と同程度であり、環境負荷の低い実用車として注目されている。
• 電気自動車
  電力により推進する自動車。二次電池（稀に一次電池）を動力源とし、外部からの充電または電池交換により走行用の電力を得る自動車。
• オン抵抗
  パワー素子の動作時の抵抗値。パワーMOSFETの性能を左右する最も重要なパラメータで、値が小さいほうが高性能である。
• SBD（ｼｮｯﾄｷｰ ﾊﾞﾘｱ ﾀﾞｲｵｰﾄﾞSchottoky Barrier Diode　の略）
  金属と半導体を接触させることでｼｮｯﾄｷｰ接合が形成され、整流性（ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ特性）が得られることを利用したﾀﾞｲｵｰﾄﾞ。少数キャリア蓄積効果が無く高速性に優れているという特徴を持つ
• プレーナー型構造
  プレーナーは平面を意味する。チップ表面にMOSFETのゲートを形成した構造。
• トレンチ型構造
  トレンチは溝を意味する。チップ表面に溝（トレンチ）を形成し、その側壁にMOSFETのゲートを形成した構造。プレーナー型MOSFETに構造上存在するJFET抵抗が存在せず、プレーナー構造よりも微細化が可能なため、SiC材料本来の性能に近いオン抵抗が期待できる。
• JFET抵抗（接合型電界効果トランジスタ　Junction Field Effect Transistor 抵抗の略）
  JFETはPNP接合(またはNPN接合)の空乏層の広がりで電流を制御するトランジスタ。
  プレーナー型では隣接するセル間に寄生的にJFET が形成され抵抗成分となる。