産総研ら,SiCを用いた次世代トランジスタ構造を開発

産業技術総合研究所(産総研)は,富士電機,住友電気工業,トヨタ自動車,東芝,三菱電機との共同で,炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた1.2kV耐電圧(耐圧)クラスの縦型スーパージャンクション(SJ)MOSFETを開発し,SiCトランジスタの世界最小オン抵抗を達成した(ニュースリリース)。

エネルギーの有効利用を促進し低炭素社会の実現を目指していくには,電力の変換(直流・交流変換や電圧変換)や制御を担うパワーエレクトロニクス技術を進展させ,パワーエレクトロニクス電力機器を飛躍的に高効率化,小型軽量化、高機能化することが求められている。SiCは,パワーデバイスの小型化や高効率化に有利な物性をもつため,次世代型パワーデバイスの有望な材料として期待されている。

n型ピラーとp型ピラーの繰り返しからなるSJ構造は,シリコン(Si)トランジスタではオン抵抗の低減効果が実証されているが,SiCトランジスタへの適用はSJ構造の作製が困難なため進んでいなかった。

今回研究グループは,n型エピタキシャル成長とp型イオン注入を繰り返してピラーを積み上げていくマルチエピタキシャル法に,産総研がIE-MOSFETの開発で得たノウハウを応用することで,狭いピッチのSJ構造を精度良く形成できた。MOSFETのp型領域と繋がるように,8段の多層膜からなるp型ピラーが,横方向にズレなく垂直に形成された。

次に,今回開発したSJ構造のMOSFETを既存のトレンチゲート型MOSFETと組み合わせ,実使用を想定して,さまざまな評価を行ない,1.2kV耐圧クラスのトレンチゲート型SJ-MOSFETの製品化の可能性を検証した。

この結果,SJ-UMOSFETは高出力で動作しても自己発熱によるオン抵抗の増加が少ないことが分かった。また,モーターなどの負荷が事故などで短絡した際,通電状態のままデバイスに高電圧がかかって破壊に至るまでの時間を表す負荷短絡耐量は,SJ構造の有無にかかわらずほぼ同等で,SJ構造による安全性の低下は見られなかったという。

次いでSJ構造によるオン抵抗低減効果を検証した。今回,狭いピッチのSJ構造が作製できるようになったため,SJ構造に合わせてMOSFETセルピッチを大きくする必要がなく,低オン抵抗に最適化できた。狭いピッチのSJ構造と低オン抵抗MOSFETの両方の効果によって耐圧1170Vでオン抵抗0.63mΩcm2という同耐圧レベルのSiC-MOSFETでは世界最小オン抵抗を達成できた。

このように,比較的低い耐圧である1.2kV耐圧クラスでSiC-MOSFETへのSJ構造適用が有効であることが明らかとなった。研究グループは今後,今回の研究により,SiCの適用が期待される電気自動車の電力システムの一層の小型化・高効率化や,新たな電力システムの創出への貢献が期待されるとしている。

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