三菱電機ら,ノイズの影響を受けにくいSiC半導体の動作原理を考案

三菱電機と東京大学は,パワーエレクトロニクス機器に搭載されるSiCパワー半導体素子において,外部からの電磁ノイズの影響を受けにくい動作原理を世界で初めて考案した(ニュースリリース)。

パワーエレクトロニクス機器の,さらなる高効率化・小型化・高信頼性化に応えるため,パワー半導体モジュールの素子に従来のSiパワー半導体素子に比べ抵抗が低い,SiCパワー半導体素子を採用する動きが加速している。

昨年,研究グループは,SiCパワー半導体素子において,電子の流れをゲート酸化膜とSiCとの界面下に存在する電荷から遠ざけることで電子散乱を抑制し,界面下の抵抗を低減できることを世界で初めて解明した。

今回,この知見に基づき,ゲート酸化膜との界面から通電領域を離して形成するために,界面近傍に硫黄元素を加えた。従来から用いられている窒素やリンなどとは異なり,硫黄元素はSiC結晶内で電子を放出しにくい,すなわち,電子を捕獲しやすい性質があることに着目した。これにより,ゲート酸化膜に沿う方向に流れる電子の一部が硫黄元素に捕獲され,電気伝導に寄与しなくなることを確認した。

この現象をもとに素子に加えた硫黄元素の分布を最適化することにより,SiCパワー半導体素子のスイッチング動作開始時の制御電圧を高くする動作原理を世界で初めて考案した。評価用素子を作製し,ゲート酸化膜とSiCとの界面近傍における電子散乱について磁場を用いた半導体評価技術による測定・検証を行ない,SiCパワー半導体素子の特性と合わせて解析することで,想定した動作を確認したという。

SiCパワー半導体素子を動作させるためには,制御電圧を印加して電気伝導に必要な電子をゲート酸化膜とSiCとの界面近傍に誘起させることが必要。硫黄元素を加えることで一部の電子が捕獲されるので,電気伝導に必要な電子をより多く供給するためには,印加する制御電圧を従来よりもさらに大きくしなければならない。

これは,スイッチング動作時など電気伝導が始まる動作開始電圧を増加させる効果をもたらし,外部からSiCパワー半導体素子に印加される電磁ノイズによる素子の誤動作抑制につながるという。今回,SiCパワー半導体素子において,素子抵抗を増加させることなく,2.5Vから4.0Vとより高い動作開始電圧が得られることをそれぞれ実証した。

今回,低い素子抵抗を維持したまま,素子のスイッチング動作開始電圧が増加することを実証した。電磁ノイズの影響を受けにくくなり,SiCパワー半導体素子の誤動作が低減することで,パワーエレクトロニクス機器の信頼性向上に貢献するとしている。

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