交差点にあるSiCデバイス:次世代半導体産業における継続的な技術的課題の中で急速な進歩
May 28, 2025
ⅰ。炭化シリコン（原文）
安定した化学的特性、高い熱伝導率、熱膨張係数が低く、優れた耐摩耗性により、炭化シリコン（SIC）は、研磨剤としての従来の使用をはるかに超えています。たとえば、SICパウダーは、摩耗抵抗を強化し、サービス寿命を1〜2回延長するために、特別なプロセスを介してタービンインペラまたはシリンダーライナーの内面に適用できます。 SICから作られた高品質の耐火物材料は、優れた熱衝撃耐性、体積の減少、軽量、機械的強度が高いことを示し、大きな省エネの利点をもたらします。
低悪性度の炭化シリコン（約85％SICを含む）は、鉄鋼メーキングの優れたデオキシ酸剤として機能し、製錬プロセスの促進、化学組成制御の促進、全体的な鋼品質の向上です。さらに、SICは、シリコン炭化物加熱要素（SICロッド）の製造に広く使用されています。
炭化シリコンは非常に硬い材料であり、MOHSの硬度は9.5で、ダイヤモンド（10）にのみ秒です。それは優れた熱伝導率を持ち、高温で優れた酸化耐性を持つ半導体です。
ⅱ。シリコンカーバイドデバイスの利点
現在、炭化シリコン（SIC）は、開発中の最も成熟したワイドバンドギャップ（WBG）半導体材料です。世界中の国々は、SICの研究に大きな重点を置いており、その進歩を促進するために多額のリソースを投資しています。
米国、ヨーロッパ、日本、その他は、SICの国家レベルの開発戦略を確立しています。グローバルエレクトロニクス業界の主要なプレーヤーは、SIC半導体デバイスの開発にも多額の投資を行っています。
従来のシリコンベースのデバイスと比較して、SICベースのコンポーネントは次の利点を提供します。
1。高電圧機能
炭化シリコンデバイスは、同等のシリコンデバイスの最大10倍の電圧に耐えます。たとえば、SIC Schottkyダイオードは、最大2400 Vの分解電圧をサポートできます。SICベースのフィールド効果トランジスタ（FET）は、管理可能な抵抗を維持しながら、数十キロボルトで動作できます。
2。高周波性能
（元のテキストでは提供されていませんが、必要に応じて補足できます。）
3。高温操作
従来のSIデバイスが理論的パフォーマンスの制限に近づいているため、SICパワーデバイスは、高い故障電圧、低スイッチング損失、優れた効率のために理想的な候補と見なされます。
ただし、SICパワーデバイスの広範な採用は、パフォーマンスとコストのバランス、および高度な製造プロセスの高い需要を満たす能力に依存します。
現在、低電力SICデバイスは、実験室の研究から商業生産に移行しています。ただし、SICウェーハは比較的高価であり、従来の半導体材料と比較してより高い欠陥密度に苦しんでいます。
ⅲ。最も広く視聴されているSIC MOSデバイス
1。SIC-MOSFET
SIC-MOSFET（炭化シリコン金属酸化物 - 陰導体フィールド効果トランジスタ）は、現在、SIC材料システム内で最も集中的に研究されている電子デバイスです。顕著なブレークスルーは、クリー（米国）やROHM（日本）などの大手企業によって行われています。
典型的なSIC-MOSFET構造では、N+ソース領域とPウェルの両方がイオン着床を使用して形成され、その後、高温（〜1700°C）でアニーリングしてドーパントを活性化します。 SIC-Mosfet製造の重要なプロセスの1つは、酸化ゲート層の形成です。炭化シリコンはSiとCの両方の原子で構成されていることを考えると、ゲート誘電体の成長には特殊な酸化物成長技術が必要です。
トレンチ構造対平面構造
TrenchタイプのSIC-Mosfetアーキテクチャは、従来の平面設計よりもSIC材料のパフォーマンスの利点を最大化します。この構造により、電流密度が高く、抵抗が低く、電界分布が改善されます。
2。sic-mosfetsの利点
通常、従来のシリコンIGBTは20 kHz未満で動作します。本質的な材料の制限により、シリコンベースのデバイスでは高電圧および高周波動作を実現することは困難です。
対照的に、SIC-Mosfetは、600 Vから10 kVを超える幅広い電圧アプリケーションに適しており、ユニポーラデバイスとして優れたスイッチング特性を示しています。
シリコンIGBTと比較して、SIC-Mosfets Offer：
- 切り替え中のゼロテール電流、
- スイッチング損失の低下、
- 動作周波数が大幅に高くなります。
たとえば、20 kHzのSIC-MOSFETモジュールは、3 kHzシリコンIGBTモジュールの電力損失の半分を示すことができます。 A 50 A SICモジュールは、150 A SIモジュールを効果的に置き換えることができ、効率と高周波性能の利点を強調します。
さらに、SIC-Mosfetsのボディダイオードには、超高速リバースリカバリ特性があり、以下が特徴です。
- 非常に短い逆回復時間（TRR）、
- 非常に低い逆回復料金（QRR）。
たとえば、同じ定格電流と電圧（例えば、900 V）で、SIC-MosfetのボディダイオードのQRRは、シリコンベースのMOSFETの5％にすぎません。これは、ブリッジタイプの回路（共鳴を超えて動作するLLC共鳴コンバーターなど）にとって特に有益です。
- デッドタイムの要件を削減し、
- ダイオード回復による損失と騒音を最小限に抑え、
- 効率が向上して、より高いスイッチング周波数を有効にします。
3。SIC-Mosfetのアプリケーション
SIC-MOSFETモジュールは、次のことを含む、中〜高電力エネルギーシステムの実質的な利点を示しています。
- 太陽光発電（PV）インバーター、
- 風力発電機、
- 電気自動車（EV）、
- 鉄道牽引システム。
SICデバイスは、高電圧、高周波、高効率の属性のおかげで、従来のシリコンデバイスがパフォーマンスボトルネックに到達したEVパワートレインデザインのブレークスルーを可能にします。
顕著な例は次のとおりです。
- DensoとToyotaは、SIC-Mosfetモジュールを利用して、ハイブリッド電気自動車（HEV）およびバッテリー電気自動車（EV）用のパワーコントロールユニット（PCU）を共同開発しました。これらのシステムは、体積が5倍減少することを達成しました。
- Mitsubishi Electricは、完全に統合されたモーターとインバーターを備えたSIC-MosfetベースのEVモータードライブシステムを開発し、小型化とシステムの統合を実現しました。
予測によると、SIC-Mosfetモジュールは、2018年から2020年の間に世界的に電気自動車の広範な採用が見られると予想されていました。
ⅳ。シリコンカーバイドショットキーダイオード（SIC SBD）
1。デバイス構造
炭化シリコンのショットキーダイオードは、逆漏れ電流を効果的に減少させ、高電圧ブロッキング能力を向上させるジャンクションバリアショットキー（JBS）構造を採用しています。この構造は、低い前方電圧降下と高いスイッチング速度の利点を組み合わせています。
2。SIC Schottky Diodesの利点
ユニポーラデバイスとして、SIC Schottkyダイオードは、従来のシリコン高速回復ダイオード（SI FRD）と比較して、優れた逆回復特性を提供します。順方向伝導から逆ブロックに切り替えるとき、SICダイオードは展示します。
- ゼロ近くの逆回復電流：逆回復時間は通常20ns未満です。たとえば、600V/10A SIC SBDは10ns未満を達成できます。
- 高いスイッチング周波数機能：効率が向上し、大幅に高い周波数で動作を可能にします。
- 正の温度係数：抵抗は温度とともに増加し、デバイスが並列動作とシステムの安全性と信頼性の向上により適しています。
- 温度全体の安定したスイッチング性能：熱応力の下では、スイッチング特性が一貫したままです。
- 最小限のスイッチング損失：高効率アプリケーションに最適です。
3。アプリケーション
SIC Schottky Diodesは、次のような中程度から高出力アプリケーションで広く使用されています。
- 電源の切り替え（SMPS）
- 力率補正（PFC）回路
- 無停電電源（UPS）
- 太陽光インバーターと再生可能エネルギーシステム
従来のSI FRDをPFC回路でSIC SBDに置き換えると、効率を維持しながら、300kHzを超える周波数で動作することができます。対照的に、Si FRDは100kHzを超える大幅な効率低下を経験します。また、より高い周波数操作により、インダクタなどのパッシブコンポーネントのサイズも削減され、PCB全体の体積を30％以上縮小します。
ⅴ。炭化シリコン（原文）はどのように見なされていますか？
炭化シリコンは、画期的なワイドバンドギャップ半導体材料および第3世代の半導体の主要な代表として広く認識されています。それは、その優れた物理的および電気的特性で賞賛されています。
1。材料の優位性
- ワイドバンドギャップ（3.09 eV）：シリコンの2.8倍幅が広く、ブレークダウン電圧が高くなります。
- 高分解電界（3.2 mV/cm）：シリコンの5.3倍で、はるかに薄いドリフト層が可能になります。
- 高い熱伝導率（4.9 w/cm・k）：シリコンの3.3倍で、より良い熱散逸を促進します。
- 強い放射線抵抗と高キャリア密度：極端な環境に適しています。
2。電気性能
SICデバイスは、シリコンのカウンターパートと比較して、パフォーマンスを劇的に改善します。
- ドリフト領域は、同じ電圧定格のシリコンの領域よりも1桁薄くなる可能性があります。
- ドーピング濃度は、最大2桁高くなる可能性があります。
- 単位面積あたりの抵抗は、最大100倍低いです。
- 熱発生は大幅に減少し、伝導とスイッチングの損失の低下に貢献します。
- 通常、動作周波数は、シリコンデバイスの頻度よりも10倍以上高いです。
- SICデバイスは、最大400°Cまでの温度で機能し、コンパクトパッケージの高電流と電圧を処理することができます。
最近の進歩により、SICベースのIGBTやその他のパワーデバイスを生産することが可能になりました。これらの特性により、SICは次世代のパワーエレクトロニクスにとって理想的な材料になります。
ⅵ。炭化シリコン（SIC）デバイスの現在の開発状況
1。技術的なパラメーター
たとえば、Schottkyダイオードの電圧評価は250Vから1000Vを超えるものに増加していますが、チップ領域は減少しています。ただし、現在の評価はまだ数十アンペアです。動作温度は180°Cに向上しましたが、これはまだ理論的な最大600°Cからはほど遠いものです。前方の電圧低下は、シリコンデバイスのそれと比較可能である理想よりも少ないものではありません。
2。市場価格
SICデバイスはおよそです5〜6倍高価です同等のシリコンベースのデバイスよりも。
ⅶ。 SICデバイスの開発における課題
さまざまなレポートに基づいて、主要な課題は、一般的に解決できるデバイスの原則や構造設計ではなく、製造プロセスにあります。ここにいくつかの重要な問題があります：
1。SICウェーハの微細構造欠陥
大きな欠陥はマイクロパイプで、肉眼でも見えます。これらの欠陥が結晶の成長で完全に排除されるまで、SICを高出力の電子デバイスに使用することは困難です。高品質のウェーハはマイクロパイプ密度を15cm⁻²未満に低下させましたが、産業用途では、直径100 mmを超えるウェーハを要求し、マイクロパイプ密度は0.5cm⁻²未満です。
2。エピタキシャル成長の効率が低い
SICホモエピタキシーは、通常、1500°Cを超える温度で化学蒸気堆積（CVD）を介して行われます。昇華の問題により、温度は1800°Cを超えることはできず、成長率が低くなります。液相のエピタキシーは、温度が低く、成長率が高いことを可能にしますが、収量は低いままです。
3。ドーピングプロセスの課題
従来の拡散ドーピングは、その拡散温度が高いため、SICには適していません。これにより、SIO₂層のマスキング能力とSIC自体の安定性が損なわれます。特にアルミニウムを使用したP型ドーピングには、イオン移植が必要です。
ただし、アルミニウムイオンは、重大な格子損傷と不十分な活性化を引き起こし、上昇した基質温度での着床とそれに続く高温アニーリングが必要です。これにより、表面分解、SI原子昇華、およびその他の問題につながる可能性があります。ドーパントの選択、アニーリング温度、およびプロセスパラメーターの最適化はまだ進行中です。
4。オームの接触を形成するのが難しい
抵抗率が10°ω・cm²を下回る抵抗率を持つオームの接触を作成することが重要です。 NiとAlは通常使用されますが、100°Cを超える熱安定性が低いことに苦しんでいます。 Al/Ni/w/Auなどの複合電極は、100時間最大600°Cまで熱安定性を改善できますが、接触抵抗率は高いままで（〜10⁻³ω・Cm²）、信頼性の高いOhmic接触を達成するのが困難になります。
5。補助材料の耐熱性
SICチップは600°Cで動作できますが、電極、はんだ、パッケージ、断熱材などのサポート材料は、多くの場合、このような高温に耐えられず、システム全体のパフォーマンスを制限します。
注：これらは選択された例です。他の多くの製造課題（トレンチエッチング、エッジ終了のパッシベーション、SIC MOSFETSのゲート酸化物界面の信頼性など）は、理想的な解決策がありません。業界は、これらの問題のいくつかについてまだコンセンサスに達しておらず、SICパワーデバイスの急速な発展を大幅に妨げています。
ⅷ。 SICデバイスがまだ広く採用されていない理由
SICデバイスの利点は、早くも1960年代に認識されました。しかし、特に製造における多くの技術的課題により、広範な採用は遅れています。今日でも、SICの主要な産業用途は、研磨剤（Carborundum）のままです。
SICは制御可能な圧力で溶けませんが、約2500°Cで昇華します。つまり、バルク結晶の成長は蒸気相から始まる必要があります。これは、シリコンの成長よりもはるかに複雑なプロセスです（SIは〜1400°Cで溶けます）。商業的成功に対する最大の障害の1つは、パワー半導体デバイスに適したSIC基質がないことです。
シリコンの場合、単結晶基板（ウェーハ）を容易に入手でき、大規模生産の基盤です。 1970年代後半に大型エリアSIC基質（修正されたLELY法）を栽培する方法は開発されましたが、これらの基質はマイクロパイプの欠陥に苦しみました。
高電圧PN接合部に浸透する単一のマイクロパイプは、ブロッキング機能を破壊する可能性があります。過去3年間で、Micropipe密度は1mm²あたり数万から数十 /mm²に低下しました。その結果、デバイスのサイズは数mm²のみに制限されており、最大定格電流は数アンペアしかありません。
SICパワーデバイスが商業的に実行可能になる前に、基質品質のさらなる改善が不可欠です。
ⅸ。 SICウェーハとマイクロパイプ密度の進行
最近の進歩は、光電子デバイスのSICが許容される品質に達し、生産収量と信頼性が物質的な欠陥によって妨げられなくなったことを示しています。 MOSFETやSchottky Diodesなどの高周波ユニポーラデバイスの場合、マイクロパイプ密度はほとんど制御されていますが、収穫量はわずかに影響します。
高電圧、高出力デバイスの場合、SIC材料は、欠陥密度をさらに減らすためにさらに2年間の開発が必要です。現在の課題にもかかわらず、SICが21世紀で最も有望な半導体材料の1つであることは間違いありません。
ⅹ。関連製品