特集：SiCパワー・デバイス
量産が本格化するSiCパワー・デバイス

SiCパワー・デバイスの量産に乗り出す半導体メーカーが、ここにきて相次いでいる。先行したドイツInfineon Technologies社、伊仏合弁のSTMicroelectronics社、米Cree社に続いて、2010年4月に日本企業では初めてロームがSiCパワー・デバイスの一つであるショットキー・バリア・ダイオード(SBD)の出荷を開始。このほか新日本無線、三菱電機も2010年秋からSiC SBDの量産出荷を予定している。

SiCパワー・デバイスを製品化する動きが加速しているのは、地球温暖化対策の一環として「省エネ」を進めるために、電気・電子機器における電力損失を抑えることが、機器メーカーの重要な課題の一つとして浮上してきたことがある。SiCパワー・デバイスの基本材料であるSiC(シリコン・カーバイド)は、Si(シリコン)の約10倍と高い絶縁破壊強度、約3倍と広いバンド・ギャップ、約3倍の熱伝導率と優れた特性を備える。このため、従来のSiを使ったパワー・デバイスをSiCパワー・デバイスに置き換えることで、回路で発生する電力損失を大幅に削減できる。
そのうえ、電気自動車やハイブリッド車といった次世代自動車、エアコンをはじめとする白物家電、太陽光発電システムや風力発電システムなど再生可能エネルギー関連システム、産業用機器などSiCパワー・デバイスの用途は幅広い(図A)。今後、SiCパワー・デバイスの市場は、大きく成長する可能性を秘めていることから、いま多くの半導体メーカーが、続々とこの市場に参入している。いち早くSBDを製品化した半導体メーカーは、引き続きSBDの製品展開を進める一方で、回路を構成するうえで欠かせないスイッチング素子であるMOS FET、さらにSiC SBDやSiC MOS FETを組み合わせたパワー・モジュールなど様々なSiCパワー・デバイスの製品化にも乗り出す見込みだ。
実はSiCパワー・デバイスの先駆けとなるSBDが最初に製品化されたのは2001年のことである。ところが、この当時は量産ラインに投入できる品質のSiCウエーハを提供できるメーカーが極めて限られていたことからウエーハが高価だった。しかも品質管理が難しかったことから生産時の歩留まりが思うように上がらなかったこともあり、Siを使ったデバイスの10倍といわれるほどSiC SBDは高額だった。このため、どうしても用途が限られており、市場が広がる兆しがなかなか見えなかった。

こうした状況が変わり始めたのは2008年ころからだ。当初問題になっていた「マイクロパイプ(中空貫通欠陥)」と呼ばれる欠陥がほとんど見られない高品質のSiCウエーハを供給できるメーカーが続々と市場に参入。同時に、製造技術が進歩したことで生産時の歩留まりも高まってきた。これとともにSiC SBDの価格が下がりはじめ、いよいよSiCパワー・デバイスの市場が立ち上がる機運が高まってきた。
本格的な量産に乗り出す半導体メーカーの間では、SiCウエーハの大口径化も大きな焦点となっている。ウエーハが大きくなると、1回の処理で製造できるチップの数を増やせるので、1チップ当たりの製造コストを削減できるからだ。ただし、ウエーハが大きくなるほど、品質を維持するのが難しくなる。現状では直径3インチ～4インチのウエーハを使っている半導体メーカーが主流だが、さらに大口径の6インチ・ウエーハの供給もまもなく始まる見込みである。

日本の半導体メーカーの中で、いち早くSiCパワー・デバイスの製品化に乗り出したローム。同社は、ショットキー・バリア・ダイオード(SBD)を皮切りにSiCパワー・デバイスの製品展開を積極的に進める考えだ(図1)。

同社が提供するSiCパワー・デバイスの第1弾製品が2010年4月から出荷を始めたSBD「SCS110Aシリーズ」である(図2)。まず最大定格600V(VRM:せん頭逆電圧)の製品を提供。順次品種を増やす予定だ。「汎用品のラインアップを揃えるほか、個々のお客様のニーズに応じたカスタム品を提供する準備も整えています」(同社ディスクリート・モジュール生産本部 SiCチーム チームリーダーの伊野和英氏)。

同シリーズの逆回復時間(Trr)は約15nsecと、S(i シリコン)を使った従来のファスト・リカバリ・ダイオード(FRD)の約半分以下である。これによってリカバリ時に生じる損失を約3分の1に低減できる。このため、インバータ回路、コンバータ回路、PFC(力率改善回路)に使われているSi FRDをSiC SBDに置き換えれば、回路の発熱量を格段に抑えられる。そのうえ、SiCは温度に対する特性変化が極めて少ないうえ、高温でも安定して動作するので、Si FRDを使った場合に比べてヒートシンクなど冷却用の周辺部品を小型化できるという利点ももたらす。「これによってシステム・コスト低減を図れる可能性があります」(伊野氏)。
しかもSCS110Aシリーズは、Si FRDだけでなく既存のSiC SBDと比較しても優れた特性を実現している。例えば、順方向電圧(VF)を1.5V(10A時、標準)に抑えるとともに、温度特性も改善、動作時の抵抗を20%低減した。「これによって、従来品のSiC SBD以上の効率改善が期待できます」(伊野氏)
同社は、SBDに続いて、2010年中にSiC MOS FETを発売する。「耐圧600Vで定格電流5Aの製品を発売。その後、2011年夏までに耐圧600Vと耐圧1200Vのそれぞれについて定格電流が20Aまでの製品をシリーズ展開する予定です」（伊野氏）。SBDとスイッチング素子のMOS FETが揃えば、コンバータやインバータの基本回路が、SiCパワー・デバイスで構成できるようになる。これを契機にSiCパワー・デバイスの需要が一気に広がる可能性がある。同社は、SiC MOS FETの展開と並行して、SiCパワー・モジュールの製品化も進める予定だ。
SiCパワー・デバイスに関する同社の取り組みで見逃せないのは、2009年10月にSiCウエーハ・メーカーのドイツSiCrystal社をグループ会社に加え、SiCウエーハからデバイス・モジュールまで一貫した製造・開発体制を築いていることである。こうした体制を持つSiCパワー・デバイス・メーカーは他になかなか見当たらない。「製品の安定供給やデバイスの性能向上を図るうえで有利です」（伊野氏）。いよいよSiCパワー・デバイスの市場が本格的に立ち上がる機運が高まってきた。こうした中で積極的にSiCパワー・デバイスを展開するロームの動きから目が離せない。