SiCパワーデバイスとは？ SiC半導体
1.SiC材料の物性と特徴
SiC（シリコンカーバイド）はシリコン (Si) と炭素 (C) で構成される化合物半導体材料です。
絶縁破壊電界強度がSiの10倍、バンドギャップがSiの3倍と優れているだけでなくデバイス作製に必要なp型、n型の制御が広い範囲で可能であることなどから、Siの限界を超えるパワーデバイス用材料として期待されています。
SiCには様々なポリタイプ （結晶多系）が存在し、それぞれ物性値が異なります。
パワーデバイス向けには4H-SiCが最適とされています。
| Properties | Si | 4H-SiC | GaAs | GaN |
|---|---|---|---|---|
| Crystal Structure | Diamond | Hexagonal | Zincblende | Hexagonal |
| Energy Gap: EG(eV) | 1.12 | 3.26 | 1.43 | 3.5 |
| Electron Mobility: μN(cm2/VS) | 1400 | 900 | 8500 | 1250 |
| Hole Mobility: μP(cm2/VS) | 500 | 100 | 400 | 200 |
| Breakdown Field: EB(V/cm)×106 | 0.3 | 3 | 0.4 | 3 |
| Thermal Conductivity (W/cm°C) | 1.5 | 4.9 | 0.5 | 1.3 |
| Saturation Drift Velocity: VS(cm/s)×107 | 1 | 2.7 | 2 | 2.7 |
| Relative Dielectric Constant: εS | 11.8 | 9.7 | 12.8 | 9.5 |
| p. n Control | ○ | ○ | ○ | △ |
| Thermal Oxide | ○ | ○ | × | × |
2. パワーデバイスとしての特徴
SiCは絶縁破壊電界強度がSiと比べ約10倍高いことから、600V～数千Vの高耐圧パワーデバイスをSiデバイスと比較して高い不純物濃度かつ薄い膜厚のドリフト層で作製することができます。
高耐圧パワーデバイスの抵抗成分のほとんどはこのドリフト層の抵抗であるので、SiCでは単位面積当たりのオン抵抗が非常に低い高耐圧デバイスを実現できることになります。
理論上は同じ耐圧であればSiと比較して1/300に面積あたりのドリフト層抵抗を低減できます。
Siでは高耐圧化に伴うオン抵抗の増大を改善するためにIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの少数キャリアデバイス（バイポーラデバイス）が主に用いられてきましたが、スイッチング損失が大きいという問題があり、その結果発生する発熱によって高周波駆動には限界がありました。
SiCでは高速なデバイス構造である多数キャリアデバイス（ショットキーバリアダイオードやMOSFET）で高耐圧を実現できますので「高耐圧」、「低オン抵抗」、「高速」の3者を同時に実現できます。
またバンドギャップがSiの約3倍広いため、高温においても動作可能なパワーデバイスを実現できます。
