産業技術総合研究所(産総研)は、同所先進パワーエレクトロニクス研究センター SiCパワーデバイスチームの原田信介氏らのグループは、富士電機との共同研究で、炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた1200V(ボルト)耐電圧(耐圧)クラスのトランジスタである縦型MOSFETとして、低いオン抵抗と内蔵ダイオードの高い信頼性を両立した独自構造のデバイス(SWITCH-MOS:SBD-Wall Integrated Trench MOS)を開発し、量産レベルの試作品で性能を実証したことを発表した。

  • 今回開発されたトランジスタ(SWITCH-MOS)の断面模式図

    今回開発されたトランジスタ(SWITCH-MOS)の断面模式図

エネルギーの有効利用を促進し低炭素社会を実現するには、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(パワエレ)技術を進展させ、パワエレ電力機器を飛躍的に効率化、小型軽量化、高機能化することが求められている。特に自動車産業では、HEV/EVの普及が加速度的に進むと見込まれ、モーター制御に用いられる1200V耐圧クラスのパワーモジュールの高効率化、小型化が重要である。

これまでのパワーモジュールは、Si(シリコン)デバイスのIGBTやダイオードが使われてきたが、デバイス性能はSiの材料物性で決まる理論限界に近づきつつある。ワイドギャップ半導体であるSiCは高い絶縁破壊電界強度などパワーデバイスの小型化、高効率化に有利な物性をもつためSiCデバイスを用いたパワーモジュールの開発が求められていた。

  • 今回開発されたデバイスSWITCH-MOSの順方向電流ストレス後のフォトルミネッセンス像

    今回開発されたデバイスSWITCH-MOSの順方向電流ストレス後のフォトルミネッセンス像

産総研はSiCパワーデバイスの量産試作ラインを整備し、民活型共同研究体「つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション(TPEC)」を発足させ、SiCパワーデバイスの量産試作技術開発に関する共同研究を推進してきた。富士電機との共同研究では、これまで独自構造のSiCパワーMOSFET(トランジスタ)として、第1世代のプレーナー型MOSFET(IE-MOSFET)、第2世代のトレンチ型MOSFET(IE-UMOSFET)を開発し、量産試作を実証してきている。

今回は、SiCパワーデバイスのボリュームゾーンと目される1200 Vクラスでの高性能化、高機能化を目指し、IE-UMOSFETを基本構造としたSBD内蔵タイプのデバイス開発を行った。

開発したSWITCH-MOSは、トレンチ型MOSFETにトレンチSBDを内蔵することで、1200 Vクラスの低い耐圧デバイスでも高い信頼性が実証できた。これまでの技術では1200V耐圧クラスでは困難であったSiC-MOSFETとSiC-SBDの一体化が、量産試作レベルで実証できたことから、今後はハイブリッド電気自動車(HEV)/電気自動車(EV)の電力変換システムでの使用が期待されるオールSiCモジュールの市場導入が大幅に前進すると期待される。

研究グループは、企業での事業化を念頭に企業連携をさらに強化し、デバイス構造多層化などの複雑化や製造プロセスの高度化を進めると同時に、パッケージング技術などの周辺技術開発も進めるとしている。