SiCパワーデバイスの開発と最新動向

普及に向けたデバイスプロセスと実装技術

第1 章　SiC パワーデバイス最新技術と今後の展開

　1.　シリコンパワーデバイスの最新動向
　　1.1　シリコンMOSFET の最新動向
　　1.2　シリコンIGBT の最新動向
　2.　SiC パワーデバイス開発の現状と将来動向
　　2.1　ワイドバンドギャップ半導体の特徴
　　2.2　SiC-MOSFET かSiC-IGBT か
　　2.3　SiC-MOSFET デバイス,プロセスの課題
　3.　SiC パワーデバイスを支える周辺技術

第2 章　SiC トランジスタ要素技術と最新動向

　第1 節　超低損失SiC トレンチMOSFET
　　1.　トレンチエッチングプロセス
　　2.　MOS 界面電気的特性の面方位依存性
　　3.　トレンチ底部電界緩和構造
　　4.　超低損失化

　第2 節　ノーマリーオフ型SiC-MOSFET
　　1.　SiC-MOSFET の基本設計
　　2.　ゲート酸化膜特性
　　　2.1　チャネル移動度
　　　2.2　しきい値電圧
　　　2.3　しきい値電圧安定性
　　　2.4　ゲートリーク電流
　　　2.5　信頼性
　　3.　DIMOSFET
　　4.　IEMOSFET
　　5.　IEMOSFET の特性

　第3 節　電流センス機能搭載SiC-MOSFET
　　1.　電流センス機能搭載SiC-MOSFET の作製
　　2.　電流センス機能搭載SiC-MOSFET の電気特性
　　3.　SiC-IPM 技術

　第4 節　MOS 界面欠陥の低減技術と高品質化
　　1.　POCl3 アニールしたMOS デバイスの作製
　　2.　POCl3 アニールによるMOS 界面特性の改善
　　3.　POCl3 アニールした酸化膜の絶縁破壊特性と信頼性
　　4.　NO アニールとPOCl3 アニールの組み合わせ効果
　　　4.1　NO とPOCl3 アニールの組み合わせ処理をしたMOS デバイスの界面特性
　　　4.2　NO とPOCl3 アニールの組み合わせ処理による酸化膜への電子注入耐性の向上

　第5 節　SiC パワーデバイスの欠陥解析・観察技術
　　1.　SiC 結晶評価技術
　　2.　結晶欠損解析技術
　　　2.1　イメージングPL 法及びTEM 観察の組み合わせによる4H-SiC エピタキシャル層の結晶欠陥評価
　　　2.2　イメージングPL 法と放射光X 線トポグラフ法の組み合わせによる4H-SiC エピタキシャル層の欠結晶陥評価
　　3.　SiC パワーデバイスの物性評価技術
　　　3.1　顕微ラマン分光法による4H-SiC MOSFET の応力評価
　　　3.2　カソードルミネッセンス(CL)法による4H-SiC MOSFETのイオン注入誘起欠陥の評価
　　4.　素子接合界面評価技術
　　5.　今後の課題・展望

　第6 節　SiC ゲート絶縁膜の高信頼性化
　　1.　SiC ゲート絶縁膜形成技術とSiC MOS 特性
　　　1.1　熱酸化法と堆積法
　　　1.2　熱酸化法とSiC MOS 界面特性
　　　1.3　SiC ゲート絶縁膜信頼性の形成法依存
　　　　1.3.1　高温ドライ酸化により形成されたSiC ゲート絶縁膜信頼性
　　　　1.3.2　SiC ゲート絶縁膜形成後の窒化処理及び水素処理の効果
　　2.　SiC ゲート絶縁膜信頼性評価技術
　　　2.1　SiC ゲート絶縁膜信頼性評価に関する問題点
　　　2.2　面積スケーリング則を用いたSiC ゲート絶縁膜信頼性評価
　　　2.3　SiC ゲート絶縁膜の絶縁破壊要因
　　　2.4　発光解析による絶縁破壊箇所の同定
　　　2.5　CMP 研磨によるSiC ウエハ表面平坦化の効果

　第7 節　SiC-JFET
　　1.　SiC-JFET の特徴
　　　1.1　アドバンテージ及びディスアドバンテージ
　　　1.2　ピンチオフ電圧(VPI)とオン抵抗(RON*A)
　　　1.3　静特性
　　2.　カスコード接続
　　　2.1　カスコード接続の原理
　　　2.2　JFET の直接駆動
　　　2.3　静特性
　　　2.4　動特性
　　　2.5　サマリー
　　3.　パワー密度へのアプローチ
　　　3.1　電流密度とパワー密度
　　　3.2　回路構成
　　　3.3　パワー密度及び効率
　　4. 今後の課題及び動向

　第8 節　RESURF 型JFET
　　1.　RESURF 型FET の構造
　　2.　RESURF 型FET の作製プロセス
　　3.　RESURF 型FET の特性
　　　3.1　静特性
　　　3.2　動特性
　　4.　まとめと今後の展開

　第9 節　SiC-GCT
　　1.　要素技術
　　　1.1　素子構造
　　　1.2　電界緩和構造
　　　1.3　ライフタイム制御
　　2.　静特性
　　　2.1　出力特性
　　　2.2　耐電圧特性
　　3.　動特性
　　4.　耐量
　　　4.1　可制御オン電流
　　　4.2　サージオン電流
　　5.　SiCGT 信頼性
　　6.　SiCGT の適用装置

第3 章　SiC ダイオード要素技術と最新動向

　第1 節　1200 V,600 V クラスSiC-SBD
　　1.　素子構造
　　2.　静特性
　　3.　動特性
　　4.　インバータ回路としての損失改善効果
　　5.　アバランシェ耐量
　　6.　長期信頼性

　第2 節　SiC-PiN ダイオード
　　1.　SiC-PiN ダイオードの要素技術(工程プロセス等)
　　2.　高耐電圧化技術
　　3.　PiN ダイオードの電気特性評価技術
　　4.　今後の課題と展望

　第3 節　SiC ショットキーバリアダイオードの電流-電圧特性
　　1.　SiC ショットキーバリアダイオード(SiC-SBD)
　　2.　SiC-SBD の電流-電圧特性のモデル化と理論式
　　3.　高温,高電界での電流-電圧特性および直流特性
　　4.　SiC-SBD の高耐圧化,大面積化,課題
　　5.　SiC-SBD の電流電圧特性と応用

　第4節　陽極酸化欠陥抑制法によるn型4H-SiCショットキーダイオードの整流特性改善
　　1.　陽極酸化欠陥抑制法(PDA)の原理
　　2.　PDA による効果
　　　2.1　実験手法
　　　2.2　実験結果

第4 章　SiC パワーモジュール要素技術と最新動向

　第1 節　SiC-PiN ダイオードとSi-IEGT のハイブリッドペアモジュール
　　1.　構造
　　2.　電気特性
　　　2.1　静特性
　　　2.2　動特性
　　　2.3　スイッチング損失の低減効果
　　3.　大電力変換器への適用効果

　第2 節　200℃動作SiC スイッチングモジュール
　　1.　SiC モジュール構造
　　　1.1　形状検討
　　　1.2　SiC チップ/DBC 回路基板接合材料
　　　1.3　DBC 回路基板/Cu ヒートスプレッダ接合材料
　　　1.4　各部温度検討
　　2.　実装プロセスフロー
　　3.　接合評価
　　4.　高温環境試験
　　5.　まとめ

第5 章　実装部材の特性

　第1 節　SiC パワーモジュール向け耐熱絶縁封止材料
　　1.　SiC パワー半導体を想定した封止材料の開発
　　2.　SiC パワー半導体用封止材「ナノテクレジン BYX-001G」「ナノテクレジン BYX-001」の材料特性
　　　2.1　熱重量減少-示唆熱分析法(TG-DTA)を用いた「BYX-001G」の耐熱評価
　　　　2.1.1　不活性ガスフロー下におけるTG-DTA
　　　　2.1.2　エアーフロー下におけるTG-DTA
　　　　2.1.3　小澤法によるBYX-001G の短熱分解機構に関する考察
　　　2.2　高分解能29Si-NMR(核磁気共鳴)を用いた「BYX-001G」の耐熱性評価
　　　2.3　高温保持における「BYX-001G」の熱重量減少,硬さ,外観形状の変化に関する評価
　　　　2.3.1　「BYX-001G」の定温保持後の熱重量減少に関する評価
　　　　2.3.2　「BYX-001G」の定温保持後の硬さ,外観変化に関する評価
　　　2.4　「BYX-001」の絶縁性に関する評価
　　3.　「ナノテクレジン BYX-001G」「ナノテクレジン BYX-001」で封止したパワーモジュール実装品の高温耐熱性の評価
　　　3.1　Si-IGBT を用いた6 in 1 箱型モジュールの信頼性試験

　第2 節　SiC パワーデバイス向け放熱部材
　　1.　パワーモジュールに用いられる放熱部材
　　　1.1　パワーデバイスの構造と放熱部材
　　　1.2　放熱部材の特徴比較
　　　1.3　Tj を決める要因
　　2.　SiC における課題と対応策
　　　2.1　 SiC の適正Tj
　　　2.2　放熱部材に要求される耐熱性
　　　2.3　封止樹脂の熱伝導率

第6 章　SiC 単結晶成長技術

　第1 節　SiC 単結晶成長技術の開発動向
　　1.　SiC 単結晶開発の現状
　　2.　SiC 単結晶のデバイスへの応用と結晶欠陥

　第2 節　SiC 結晶の溶液成長技術
　　1.　結晶成長方法
　　　1.1　溶液成長の基礎
　　　1.2　TSSG(Top-seeded solution growth)法
　　2.　SiC 溶液成長の現状
　　　2.1　高品質化
　　　2.2　高速成長
　　　2.3　多形制御
　　　2.4　大型化に向けた技術(雑晶抑制,成長表面平坦化など)
　　　2.5　その他の試み

　第3 節　昇華再結晶法による大口径SiC 単結晶ウェハ製造技術
　　1.　大口径SiC 単結晶成長法としての昇華再結晶法
　　2.　4H-SiC 単結晶成長の安定化
　　3.　相転移現象としてのSiC 単結晶成長の理解
　　4.　大口径SiC 単結晶ウェハの転位欠陥低減化

第7 章　SiC 結晶の切断・研磨技術

　第1 節　SiC 単結晶ウェハのスライシング技術
　　1.　SiC 単結晶のスライシング
　　　1.1　マルチワイヤソーの加工方式比較
　　　1.2　固定砥粒方式による加工の特長
　　2.　SiC 単結晶スライシングの課題
　　　2.1　高精度加工への対応
　　　2.2　高能率加工への対応
　　　2.3　ピースコスト削減への対応
　　3.　課題に対する対応事例
　　　3.1　高精度加工技術
　　　　3.1.1　適正で均一な研削力
　　　　3.1.2　ワイヤの高速走行
　　　　3.1.3　高い熱剛性
　　　　3.1.4　高剛性ゴニオメータの採用
　　　　3.1.5　多様な可変制御機能
　　　3.2　高能率加工技術
　　　　3.2.1　高速バック& フォース
　　　　3.2.2　加工熱への対応
　　　3.3　ピースコスト削減技術
　　　　3.3.1　ワイヤの滑り防止
　　　　3.3.2　ワイヤのねじれ防止
　　　　3.3.3　クーラント供給量,性状の安定化
　　　　3.3.4　ワイヤ張力変動の低減
　　　4.　加工事例

　第2 節　SiC ウェハの研磨技術
　　1.　SiC ウェハ研磨の概要
　　2.　代表的な加工法と特徴
　　　2.1　ラップ加工
　　　2.2　研削加工
　　　2.3　CMP
　　3.　加工面の評価
　　　3.1　加工変質層の特徴と評価手法
　　4.　SiC ウェハの研磨技術における今後の課題

　第3 節　単結晶SiC 基板の紫外光支援加工
　　1.　光化学の概要と応用
　　2.　紫外光支援加工における単結晶SiC 基板の加工モデル
　　3.　紫外光支援加工によるSiC 単結晶の鏡面加工
　　　3.1　実験方法および実験条件
　　　3.2　紫外光照射による効果の検証
　　　3.3　CeO2 粒子を使用したSiC 単結晶の鏡面研磨

　第4 節　SiC 単結晶の酸化剤援用研磨
　　1.　酸化還元電位・pH と研磨性能
　　　1.1　研磨試験方法
　　　1.2　研磨試験結果
　　　1.3　考察
　　2.　セリア砥粒による酸化剤援用研磨
　　　2.1　試験方法
　　　　　2.1.1　研磨試験方法
　　　　　2.1.2　砥粒の表面分析方法
　　　2.2　試験結果と考察
　　　　　2.2.1　研磨試験の結果と考察
　　　　　2.2.2　砥粒の表面分析の結果と考察
　　3.　セリア砥粒による酸化剤援用研磨のメカニズムとまとめ

　第5 節　SiC 基板表面の原子レベル平坦化技術
　　1.　触媒表面基準エッチング(CAtalyst-Referred Etching;CARE)法
　　2.　CARE 平坦化加工装置
　　3.　平坦化加工表面粗さ
　　　3.1　顕微干渉計による評価
　　　3.2　原子間力顕微鏡による評価
　　　3.3　走査トンネル顕微鏡による評価
　　　3.4　電子顕微鏡による評価
　　4.　平坦化加工速度
　　　4.1　オフ角依存性
　　　4.2　圧力依存性
　　　4.3　回転数依存性
　　　4.4　高加工速度条件における平坦化実験

第8 章　SiC のエピタキシャル成長技術

　第1 節　SiC エピタキシャル成長と巨大ステップバンチングの生成メカニズム
　　1.　SiC エピ成長のための条件
　　2.　巨大ステップバンチングの生成メカニズム
　　　2.1　4H-SiC におけるGSB の発生条件
　　　2.2　GSB 発生メカニズムの検討
　　　2.3　Schwoebel 効果
　　　2.4　クラスター効果

　第2 節　厚膜SiC エピタキシャル成長と欠陥制御
　　1.　高速,厚膜 4H-SiC エピ成長
　　2.　欠陥評価と低減技術
　　　2.1　点欠陥
　　　2.2　拡張欠陥

第9 章　SiC パワーデバイスの応用展開

　第1 節　太陽光発電システム・パワーコンディショナへの応用展開
　　1.　SiC-MOSFET のスイッチング特性
　　2.　効率特性
　　3.　雑音端子電圧特性
　　4.　放射電界強度特性
　　5.　EMI ノイズ対策例

　第2 節　次世代高圧電力変換システムの応用展開
　　1.　SiC デバイスの次世代高圧電力変換システムへの適用効果
　　2.　一次電圧13.8 kV,二次電圧465√3V の単相1 MVA 半導体変圧器
　　　2.1　SiC を用いた10 kV MOSFET およびダイオードの特性
　　　2.2　モジュールの構成
　　　2.3　単相変圧器の試験特性
　　3.　FREEDM システム
　　4.　SiC インバータの長時間運転特性
　　5.　まとめ