SiCパワー半導体がもたらす 電気エネルギーの有効利用 －省エネ効果－

2013.11.8 （日刊工業新聞社） SiCパワー半導体がもたらす 電気エネルギーの有効利用 電気 ネルギ の有効利用 －省エネ効果－ 松波 弘之 （京都大学） １．パワー半導体SiCへの期待 ２ 京都大学の寄与 ステップ制御エピタキシ ２．京都大学の寄与 ー ステップ制御エピタキシー ３．ＳｉＣパワーデバイス技術の進展 ４ 産業機器分野への応用 ４．産業機器分野への応用 ５．グリーンイノベーションに向けて

• 人口、食糧、エネルギー、環境、医療・健康 （ＩＣＴ活用） • 日本の国情 食糧：自給率 ４０％以下（大問題） エネルギー：海外依存度 ８０％以上 （石油依存度 大 － 枯渇、高騰） （地球上で偏在、大資本による戦略） • 電気エネルギー活用 ～４０％ － 増加 • 電気エネルギーの有効利用 → パワーテクノロジー ２１世紀の課題 （２００１年頃の提案）

0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 1 0 8 1 0 9 動作周波数 (Hz) 容量 (V A) IGBT MOSFET POWER-IC BPT GTO THY. 1 DC Transmission Bullet Train UPS Electric Vehicle Switching Power Module Inverter Large Factory Telephone Line Si SiC SiC MOSFET

SiC bipolar device

電力変換 （インバータ：直流→交流）

Si SiC(4H ） _{vs. Si} 禁制帯幅 (eV) _{1.12 3.26 x 3} 電子移動度 (cm2_{/Vs) 1,350 1,000} x 0.8 絶縁破壊電界 (MV/cm) _{0.3 3.0 x 10} 電子飽和速度 (cm/s) _{1.0E+07 2.0E+07 x 2} 熱伝導率 (W/cmK) _{1.5 4.9 x 3} 高電圧 x10 低損失 x100 高周波動作 x10 高温動作 x3 汎用インバータ －高効率 (損失: 1/2～1/10 !） －高出力 －小型 (システム: 1/4～1/10 !) －簡易冷却 (小型ヒートシンク、空冷） SiC パワーデバイスのメリット

n- _n+ n n+ E_c(SiC) デバイス厚さ 電界強度 E_c(Si) Si SiC SiC Si 耐圧：V_B = (E_C W_D)/2 キャリヤ濃度：N_D = (e / q)(E_C / W_D) = 2 e E_C2 _{/ qV} B オン抵抗：_{Ron= WD} / qm_{nND = 4 VB}2 / em nEC3 オン抵抗 R_on,SiC = R_on,Si / 300 ショットキー接触 オーム性接触 E ： SiC: 3.0 MV/cm Si: 0.3 MV/cm c ショットキーダイオードのオン抵抗

gate

MOSFET

(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)

ユニポーラデバイス n- p n+ p n+ _n+ source drain IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) バイポーラデバイス n- p p+ p n+ _n+ source drain gate MOSFET vs. IGBT

SiC半導体の採用による性能向上 －素子・システムレベルにおける試算－ 素子レベル システムレベル ３００ＭＷの変換器の場合 総損失 １１ＭＷ 総損失 ３ＭＷ スナバ損失 リアクトル損失 素子損失 Si SiC 損失 1/3 耐圧３ｋＶのＭＯＳＦＥＴの場合 オン抵抗 1/300 サイズ1/10 Si SiC 高効率化・低損失化の波及効果：  冷却システムの簡易化  システムの小型化・低価格化 _{広範な装置の利用}

家電製品 パワーモジュールでの変換ロス 消費電力の10%に相当 変換ロスを半分にできれば… 年間１８０億kWh (原子力発電所2基分) Siパワーモジュール 低変換効率 … 損失大 空冷必要 … サイズ大 高コスト SiCパワーモジュール 高変換効率 … 省エネ 空冷不要 … 小型化 低価格化 10%のロス 家庭電化製品

インバータが性能を左右 SiCパワーデバイスに期待 1. SiCダイオードの利用 2. SiCトランジスタの利用 富士電機 無停電電源（UPS)

JR西日本車両図鑑 http://www.fun.westjr.co.jp/train/ 新幹線 700系 Si IGBTを用いた コンバータ・インバータ で電力変換 SiCデバイス 高効率化(省エネ) 高周波化(騒音低減) 小型化(冷却簡易化) 列車応用

Inverter ハイブリッド自動車の構成 水冷冷却 p n U V W Si IGBT U V W p n Si ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ Si IGBT Inverterモジュール 熱暴走を防ぐため水冷冷却が必要 … 重量大 Inverterにおける変換ロス … 航続距離減少 高温動作 空冷化 … 重量軽減、燃費向上 低損失 高効率化 … 航続距離の増大 SiCデバイス ハイブリッド車・電気自動車応用

SiC研究の歴史（世界の流れ） 1950～ 高温動作トランジスタ熱望（Ge:～60℃） 1955： Lely法、昇華法活用によるSiC高品質結晶 プロジェクト（米国） オランダ、イギリス、日本で研究 1959： 第1回SiC国際会議（Shockley推奨） 1968: 研究開始（京都大学） SiC/Siヘテロエピ、青色LED 1970～ Lely法の限界、自然核発生利用、小面積基板 Si技術進展、Planar Tr.､MOSFET（～125℃） SiCへの興味減退 1973： 第3回SiC国際会議 （以後 SiC研究 ほとんど停止） Lely法 結晶

格子不整合 20 % 低温バッファ層（炭化法） 基板温度（Ｓｉ融点以下） 再現性確立 1981~ SiH ,C H , H _{4 3 8 2} Si上への３C-SiCのヘテロエピタキシー

反転型ＭOSFET（世界初） 漏洩電流 (格子不整合原因？） アチソン基板上への結晶成長の試み 3C-SiC/6H-SiC ＊3C-SiC on 4-inch Si （2002, U.S.A.） 16年後 ３C-SiC/Si MOSFET 1986 IEEE EDL-7, 692 高温、耐放射線用デバイス、集積回路応用

35 mm 65 m m 10 m m 6H-SiC Acheson法によるSiC 結晶

A C B A B C A C B A C B A B C B A C B A C B A a = 0.305 nm c / n = 0.252 nm … C atom … Si atom A B A B A B A (zincblende) (wurtzite) 3C-SiC 2H-SiC 4H-SiC 6H-SiC 典型的な SiC結晶多形

原料ガス: SiH₄, C₃H₈, H₂ 圧力: 大気圧 温度: 1500oC 成長速度: 2.5 mm/h 不純物ガス: n-型: N₂ p-型: TMA 基板: 6H-SiC (0001) 6H-SiC (000-1) SiC基板上へのSiCのエピタキシャル成長 不規則形状 自然面 （Si, C 面） 複雑積層

表面 モフォロジー 反射 電子線回折 エッチピット オン オフ 6H-SiC 3C-SiC 高品質エピタキシャル成長の実験的証拠

1987

ブレークスルー

6H-SiC 6H-SiC 6H-SiC 3C-SiC SiC ジャスト基板 (0001) (0001) 6H-SiC オフ基板 6H-SiC 2次元核発生 異結晶多形混在 ステップフロー成長 結晶多形伝承 B A B C B B C テラス上： 位置決定に2選択 ステップ端： 一義的位置決定 ステップ制御エピタキシーの概念

8nm 1mm Rms=0.2~0.3nm 100µm Normarski microscope AFM ナノノレベル制御の証拠

A. Itoh, T. Kimoto and H. Matsunami,

Int. Symp. on Power Semiconductor Devices and IC’s Yokohama, 1995

パワーデバイス界に強いインパクト ! Si SBD < 200 V

商品化 Infineon, 2001 1995

エポックメーキング(1)

 Au/6H-SiC Schottky Barrier Diode: 1,1 k V (1993, ICSCRM93)

102 103 104 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Si 4H-SiC Breakdown Voltage (V) Sp e ci fi c O n -R e si st a n ce ( Ω cm 2 ) ■ : SiC MOSFET Cree Purdue Siemens KEP/Cree Siemens Siemens Siemens Northrop μ ch = 1 cm 2 /Vs μ _ch = 10 cm2/Vs μ ch = 100 cm 2 /Vs

drift layer + substrate resistance

KEPCO/Cree Purdue DENSO NCSU ▲ : SiC ACCUFET ●：SiC Schottky n+ _n+ p p n- n+ Source Drain Gate n- p n+ p n+ _n+ Source Drain Gate UMOS DIMOS

Low channel mobility (< 20 cm /Vs)

Large channel resistance !

2

80100 300 500 5 10 50 100 TEMPERATURE, T (K) L O W -F IE L D M O B IL IT Y μ0 (cm 2 /V s) 4H-SiC MOSFET -on (1120) current direction :<1100> :<0001> -～T-2.2 on (0001) ～T2.6 200 81.7 5.6 95.9 0 20 40 60 80 100 120 <0001> <1100> <1100> CHANNEL MOBILITY, m 0 (cm 2 /Vs) on (1120) on (0001) 4H-SiC MOSFET - - 4H-SiC 1999 エポックメーキング(2) (0001) 面 (1120) 面 - チャネル移動度 m ∝ T -2.2 温度特性：抵抗増大 パワーデバイスとして望ましい ソース ドレイン ゲート n+ _n+ p p n- n+ トレンチ MOSFET 15-17 倍 4H-SiC(11-20) MOSFETによる高チャネル移動度

低抵抗ウエーハ: r ~ 0.015 Wcm (n-type) ゼロマイクロパイプ、転位密度： 3,000~6,000 cm-2 100 mm 75 mm 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 25mm 35 mm 50 mm ウエーハ口径 年 2008 2010 2012 Polycrystalline SiC (2,4000_C)

SiC Seed Crystal SiC Bulk Crystal (2,2000_C) Insulation Graphite Porous Graphite 改良レーリー法 (種付け昇華法) 150 mm 150 mm 100 mm SiCウエーハの進展

MOSFET _{SBD ウエーハ}

海外：Infineon(独: SBD JSFET)、Cree（米: SBD MOSFET）、 STMicro(伊: SBD)、Fairchild（スウェーデン: BJT) 国内：ローム(SBD MOSFET)、新日本無線(SBD) 三菱（パワー半導体モジュール: 自動車 鉄道 PVetc.） 市販 海外：GE(米)、GENESiC(米)、UnitedSiC(米)、Northrop(米) 他 国内：産総研、東芝、日立、三菱電機、富士電機、 パナソニック、ローム、住友電工、デンソー、日産、 サンケン、新電元 他 開発 SiCデバイスの市販、開発

2001~

SBD 製品 (Infineon, ROHM, etc.)

300-1,700 V, 6-20 A SBD サンプル / R&D 600-3,000 V, 80-300 A 5.1mm X 5.1mm chip Voltage (V) Current (A) SiC ショットキー ダイオード（SBD)

SiCショットキーダイオードを搭載 した車両用のインバータを開発し 、燃料電池車で走行実験 インバータの効率を20％改善 http://www.nissan-global.com/JP/NEWS/2008/ STORY/080905-02-j.html http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2010/0 824-d.html インバータのスイッチング 損失を60％改善 民生用ルームエアコンにSiC ショットキーダイオードを搭載 (月産 20,000台を予想) Si IGBT – SiC SBDパワーモジュールの進展

従来のSi 11kWインバータ _{SiCインバータ} SiCモジュール SiCデバイスを適用した11kW/400V小型インバータを試作 Siインバータ比1/4の小型化実現 体積：約1/4 Si-整流部 SiC-インバータ部 耐圧1.2kV 5mm□ SiC-MOSFET 耐圧1.2kV 5mm□ SiC-SBD 体積：約1.1L パワー密度：10W/cc 高密度all-SiCインバータ

by courtesy of Mitsubishi Electric 11 kW 出力時の電力損失比較 Siインバータ SiCインバータ ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失 定常損失 電力損失 434 W 130 W 70％減 Tj：125℃ キャリア周波数：15kHz 力率：0.8 1970 1980 1990 2000 2010 2020 0.01 0.1 1 10 100 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ × × × × × ● ● ● ●● ＋ ＋ ＋ △ △ ○○ パッケージ電源 ユニット電源 ボード電源 汎用インバータ サイリスタバルブ エアコン用インバータ パワ ー密度（ W/cm 3 ) HEVインバータ SiC（3.7ｋW) SiC（11ｋW) 西暦（年） 最新成果：９０％減!! SiCインバータによる電力損失低減

T. Nakamura et al, IEDM 2011. 高性能 SiC トレンチ MOSFETs SiC トレンチ MOS 1.6 mWcm2 _{(1050 V)} SiC DMOS 7 mWcm2 _{(1000 V)} Si IGBT ~10 mWcm2 _{(1000 V)} Much lower V_F,

Compared with Si IGBT Chip size: 1.6 mm x 1.6 mm

630 V – 0.79 mWcm2

1260 V – 1.41 mWcm2

最新:

● _{発電から消費までの電力フローの中で電力変換技術の占める役割大} → パワーエレクトロニクスの革新_必須 ● SiCパワーエレクトロニクス技術の確立 → 電力変換器の高効率化 新規分野への導入効果 発電 変換 変換 変換 消費 貯蔵 太陽光発電 データセンター ITインテリジェントビル 鉄道 産業用 モータドライブ スイッチング 電源 風力発電 火力 原子力 水力 次世代電力変換器 （インバータ）の 革新と導入が必要 無停電電源 大規模サーバ ビジネスマシン 変換 ハイブリッドカー 電気自動車 電気エネルギー利用の高効率化、環境負荷低減(HEV/EV等)への要請 大 燃料電池 リチウム電池 SiCパワー半導体による電気エネルギーの有効利用 損失＞～１０％

活用分野 SiCパワー素子の市場規 模(100万個) 2020年における省エネ効果 ＊５₎ 2010年 2020年 導入量 省エネル ギー量 (TWh／年) CO₂排出削 減量 (万t ／年) 原油換算の 省エネル ギー量 (万 kl／年) 電気自動車／ハイブ リッド車／燃料電池車 _2.4＊１） 6～20＊２） _500万台 6.25 229 145 汎用インバータ（モー ター制御） 0.1＊１） 43＊３） _4100万 台 9.96 366 231 CPU電源 1＊１） ₁₀₀＊４） _6500万 台 2.73 100 63 無停電電源装置 （UPS） 0.5＊１） 50＊１） _2300万 台 4.71 173 109 分散電源システム 0.01＊１） ₂＊１） _2002万 kW 3.83 141 89 ＊１）ジェイスターの予測。＊２）日本電動車両協会、「燃料電池自動車に関する調査報告書」の予測を参照。＊３）経済産業省経済産業政策局調査統計部、 「機械統計年報」の予測を参照。＊４）電子情報技術産業協会、「世界の電子機器と半導体市場の中長期展望」の予測を参照。

＊５）エンジニアリング振興協会、「次世代パワー半導体デバイス実用化調査」の予測を参照。 出典：EE Times Japan 2007.5

From ECPE User Forum

ドイツにおける政策を先取りする実施例 １

From ECPE User Forum

1,200 V SiC MOSFET: 40 A at 3 V, 15 V/125 C

ドイツにおける政策を先取りする実施例 ２

２０１１．１ 安川電機 ローム

トルクー回転数

効率９０％以上の確保

システムにおける電力損失低減 1. 地下鉄電車（東京）への搭載 Si IGBT・SiC SBD ハイブリッド・インバータ (1) 電気ブレーキの活用: 22.7％ → 51.0％ (2)電車全体の電力損失: 38.6％ （2012.7.30 － 2012.8.17 平均 ) 2. 高速エレベータへの搭載 all-SiC インバータシステム 全電力損失の低減: 65.0％ Tokyo Metro

１９９４－２００１ ： 「燃焼等制御システム開発」 地域重要プロジェクト（近畿通産局） １９９８－２００２ ： 「超低損失電力素子技術開発」プロジェクト ２００３－２００５ ： 「エネルギー使用合理化技術戦略的開発事業」（提案公募 助成） ２００６－２００８ ： 「パワーエレクトロニクスインバータ基盤技術開発」プロジェクト ２００９－２０１２ ： 「グリーン Ｉ Ｔ」プロジェクト ２００９－２０１３ ： 「最先端研究開発」プロジェクト ２０１０－２０１４ ： 「新材料パワー半導体」プロジェクト 戦略材料：日本の国情に合ったテーマ（エネルギー・環境） 日本が開発をすることの意義 （日本でしかやれない分野） 電気エネルギーの有効利用、省エネ（エネルギーの海外依存大） 石炭、石油使用による環境への負荷低減 ハイブリッド車、プラグイン電気自動車への期待 Power Technology （PT) 早い自立を！ 国家プロジェクトの展開

汎用ｲﾝﾊﾞｰﾀ、ﾊﾟﾜーｺﾝﾃﾞｨｼｮﾅｰ等 中耐圧デバイス（１kV級） ～10W/cm3_{ﾓｼﾞｭｰﾙ} ・ウェハ ６ｲﾝﾁ （昇華法、Ｘ法） ・厚膜・高純度エピ ・ウェハ ４インチ （昇華法） 高耐圧デバイス（５kV級） ～２５W/cm3_{、高温動作（250℃級）} ユニポーラ素子、高信頼 ハイブリッド/電気自動車、高速鉄道 ・ウェハ ８インチ?（昇華法、Ｘ法、Ｙ法） ・超高純度エピ、超高速エピ 2010 2015 2020 2025 年 電力インフラ、スマートグリッド 高耐圧デバイスＲ＆Ｄ 先進ウェハ・エピ R&D 新結晶成長Ｒ＆Ｄ 超高耐圧Ｒ＆Ｄ ＜ _{Technology Driver}＞ 性 能 （ 口 径 、 耐 圧、低 欠 陥、パ ワ ー 密度 ほ か） 超高耐圧（１０kV～） ～５０W/cm3 バイポーラ素子 SiC関連技術 国家プロジェクト

Voltage rating (V) 100 V 300 V 600 V 1.2 kV 4.5 kV 10 kV 20 kV SBD PiN MOSFET IGBT, GTO SBD MOSFET, JFET IGBT, GTO PiN

Si

SiC

SiC unipolar devices: Medium-voltage applications SiC bipolar devices: Ultra high-voltage applications Si vs. SiC, Unipolar vs. Bipolar デバイス

Near-Future Target

Target of this project

Power transmission, HVDC, SVC, Advanced traction, HVPS

Strong needs:

(1) Reduction of power loss and size of conversion systems

(2) Realization of highly-functional and reliable power networks

A K G1 G2 G3 G4 C E G C E G 13 kV SiC IGBT

6,600 V system → 13 kV Power switch/diode

Several Si GTOs

アライアンス （戦略提案） 国（ヒト、モノ、カネの 適切配置、法整備） 産学官 研究・開発グループ 一般人、社会広報 サイエンスコミュニケーション 国際交流 標準化への道 スマートグリッド関連技術 国際標準提案型研究 ロードマップ作成 研究開発取組の俯瞰・相互連携 協調・競争的フェーズの整理 End userのneeds把握 楽しい研究・開発雰囲気 産業界が歓迎する科学技術 裾野を広げる (大学人、若手の参入） 世代間 Technology transfer SiCアライアンス オールジャパン体制

CVCF： 電池対応 UPS

STATCOM： 系統接続 Static Synchronous Compensator

＊SST（Solid State Transformer) 固体変圧器 Power substationで従来の変圧器を置換 高電力・高速スイッチ 入力：AC、DC 出力：AC、DC 電力品質問題を解決 電気機器への電流量低減 グリッド系における伝送損失削減 スマートグリッドにおける供給・需要の制御容易 （分散電源・貯蔵） 電力系統への展開

Nature, Vol.457, 27, November 2008

BEMS HEMS

（FIRST-SiC URL）

発電・変電・送電 ハイブリッド車、ＥＶ _{太陽電池、燃料電池} データセンター 革新的な省電力SiCデバイス 高速鉄道 インバータ家電、照明 ★グリーンイノベーション実現に寄与 ★ 国際競争力の高い新産業分野の創出（予測：2020年に1兆円の市場） 産業用モータ 電源 SiCパワーデバイスが拓く未来

まとめ １．ユニポーラデバイス：市販レベル ショットキーダイオード、JFET、MOSFET モジュール 応用例で、電力損失低減の実績 今後の展開：産業用機器 プロトタイプの試作を経て広い展開を期待 ２．バイポーラデバイス：研究開発段階 pinダイオード、バイポーラトランジスタ、IGBT スマートグリッド SiCパワーデバイス