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SiCパワーデバイス
- 材料・実装技術と応用 -

　東日本大震災による原子力発電所の事故は、世界中の人々に今後のエネルギーに対する考え方を改めさせるきっかけとなりました。この問題に対するアプローチとしてエネルギーをより効率的に利用する技術がますます重要になるということはいうまでもありません。電力問題を解決するためには、自然エネルギーの活用と共にエネルギーを効率的に利用する省エネルギー技術、高効率利用技術、低損失化技術が重要です。電気エネルギーの動力への効率的な変換・制御には半導体からなるパワーデバイスを使った電力変換技術が用いられています。
　SiCは現在主に使われているSiに比べ、バンドギャップが約3倍、絶縁破壊電界が約10倍、電子飽和速度が約2倍、熱伝導度が約3倍というパワーデバイス用半導体材料として優れた物性値を有し次世代材料として注目されています。しかし、ダイオードの出力電流の拡大やFETの開発、高温動作が可能で信頼性の高い実装材料の開発、コストの問題などといった課題もあります。
　本調査レポートは、SiCパワーデバイスに関する最新の技術文献、特許文献を中心とした情報を収集し以下の点に重点を置いてまとめたものです。

★ 技術情報を、SiCの特性、デバイスの材料、製造、技術、応用の5項目に整理し動向を解説。
★ 材料基板の品質改善に関連した出願特許について①結晶欠陥抑制②多結晶化防止③大口径と長尺化④平坦化⑤生産性⑥新規単結晶その他の技術を分類し、課題解決のヒントを提供。
★ SiCデバイス製造におけるイオン注入、電極形成、ゲート形成などの最新のプロセス技術並びに実装技術を紹介。
★ 各種SiCダイオード、トランジスタ、インバータの開発状況と主要メーカーの開発状況を紹介。
★ 自動車、鉄道、情報通信、産業用モーター、家電各業界などの応用分野から解説。


　　　　□体裁　　A4判291ページ
　　　　□定価　71,400円(本体68,000円、消費税3,400円)
　　　　□送料　弊社負担
　　　　□発行　2011年6月

章　目　次

第1章　概論
第2章　SiCデバイス材料技術
第3章　SiCデバイス製造プロセス・実装技術
第4章　SiCデバイス技術
第5章　SiCパワーデバイスの応用
第6章　特許から見たSiC半導体関連技術

 

詳　細　目　次

  頁
第1章　概論 1
　1.1　SiCパワーデバイスへの期待 1
　　1.1.1　パワーデバイスシステムへの適用メリット 1
　　1.1.2　SiCパワーデバイスの展望 3
　　1.1.3　SiCパワーデバイスを適用した次世代パワーエレクトロニクス技術（グリーンパワエレ） 5
　1.2　SiC（炭化ケイ素）とは 8
　　1.2.1　SiC半導体の進歩 8
　　　（1）　パワー半導体デバイス 8
　　　（2）　SiC半導体の進展 9
　　　　①　SiC半導体のはじめ 9
　　　　②　ヘテロエピタキシー法による大面積SiC結晶とステップ制御エピタキシーによる
　　　　　　高品質エピタキシャル成長		 10
　　　　③　各種SiCデバイスの開発 11
　　　　④　SiC半導体の世紀へ 11
　　1.2.2　SiCの特性 13
　　　（1）　はじめに 13
　　　（2）　結晶構造 14
　　　（3）　物性 15
　　　　①　熱的性質 15
　　　　②　化学的性質 16
　　　　③　電気的性質 17
　　　　④　耐放射線性 17
　　　　⑤　力学的・機械的性質 18
　　　（4）　合成法 18
　　　（5）　SiCの特性と応用 18
　　1.2.3　パワーデバイスとしてのSiC 20
　　　（1）　結晶構造とパワーデバイス用基板SiC 20
　　　（2）　SiCパワーデバイスの特徴と適用効果 21
　　1.2.4　SiCセラミックス技術（半導体以外の特性を利用した技術） 21
　　　（1）　高周波熱プラズマCVD法によるSiCナノ粒子 21
　　　　①　製造方法 22
　　　　②　ナノ粒子の特徴 23
　　　　③　応用例 24
　　　（2）　半導体熱処理用高純度SiCセラミックス部材 25
　　　　①　反応焼結SiCの製造方法 25
　　　　②　セラミックス部材の特徴 26
　　　　③　製品例と用途 27
　　　（3）　超大型ファインセラミックス製造技術 27
　　　　①　常圧焼結炭化ケイ素材料の特性と製品例 27
　　　　②　シリコン注入炭化ケイ素材料の特性と製品例 28
　　　（4）　多孔質SiC 29
　　　（5）　高強度反応焼結SiC 30
　　　（6）　SiC複合材 33
　　　　①　SiC/C複合材料 33
　　　　②　3A12O3・2SiO2/SiC複合材料 34
　　　（7）　SiC-ZrB2共晶体 36
　　　（8）　SiCからのグラフェン 38
　　　　①　グラフェン 38
　　　　②　SiC上のグラフェン成長 39
　　　　　（a）　SiCの熱分解によるグラフェンの成長 39
　　　　　（b）　6H-SiC上でのエピタキシャルグラフェン層の成長 42
第2章　SiCデバイス材料技術 45
　2.1　SiCデバイス基板 45
　　2.1.1　SiC基板の材料加工プロセス 45
　　2.1.2　SiC材料開発の現状 47
　　2.1.3　SiCデバイス基板の現状 48
　2.2　SiC単結晶成長技術 50
　　2.2.1　SiC単結晶成長技術の概要 50
　　2.2.2　改良レーリー法（昇華再結晶法） 52
　　　（1）　大口径化技術 54
　　　（2）　多形（ポリタイプ）制御技術 54
　　　（3）　結晶欠陥制御技術 54
　　2.2.3　RAF（Repeated a Face）成長法 56
　　2.2.4　溶液成長法 58
　　　（1）　結晶性と成長速度 59
　　　（2）　多形制御 59
　　　（3）　長尺化 60
　　2.2.5　準安定溶媒エピタキシー法 60
　　　（1）　準安定溶媒エピタキシー法の装置と試料 60
　　　（2）　準安定溶媒エピタキシー法の原理 61
　　　（3）　準安定溶媒エピタキシー法の特徴 62
　　2.2.6　HTCVD法 62
　　2.2.7　プリカーサー法 63
　2.3　SiCエピタキシャル膜成長技術 64
　　2.3.1　エピタキシャル膜成長技術 64
　　　（1）　六方晶単結晶基板上へのホモエピタキシャル成長 64
　　　（2）　 Si基板上への3C-SiCヘテロエピタキシャル成長 66
　　　（3）　低温ヘテロエピタキシャル成長 67
　　2.3.2　エピタキシャル・ウエハ製造装置 68
　　2.3.3　エピタキシャル膜物性 70
　2.4　SiC基板における課題とその対策 72
　　2.4.1　基板開発の現状 72
　　2.4.2　開発事例に見る基板開発の進捗状況 72
　　2.4.3　SiC結晶品質改良の具体例 74
　　　（1）　マイクロパイプ密度低減技術の具体例 74
　　　（2）　エピ膜中の基底面転位密度低減技術の具体例 75
　　2.4.4　SiC基板の超平坦化加工 77
　　　（1）　SiC専用研磨スラリーを用いたCMP（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）法 77
　　　（2）　砥粒内包研磨パッドによるCMP法 79
　　　（3）　CARE（Catalyst Referred Etching：触媒基準エッチング）法 80
　　2.4.5　SiCのダイシング 82
第3章　SiCデバイス製造プロセス・実装技術 85
　3.1　SiC半導体デバイス製造技術の概要 85
　　3.1.1　プロセス技術 85
　　3.1.2　実装技術 86
　3.2　イオン注入技術 86
　　3.2.1　イオン注入 86
　　3.2.2　イオン注入装置 89
　3.3　電極形成技術 91
　　3.3.1　オーミックコンタクト形成 91
　　3.3.2　高耐熱オーミック電極形成技術 91
　　　（1）　電極剥離の様相 92
　　　（2）　C析出抑制の電極形成技術 92
　3.4　ゲート形成技術 94
　　3.4.1　ゲート酸化膜形成技術 94
　　3.4.2　MOCVD法によるゲート絶縁膜 95
　　　（1）　試料作成方法 95
　　　（2）　HfO2/SiC、A12O3/SiC界面の電気的特性 96
　　3.4.3　PECVD法によるゲート絶縁膜 97
　　　（1）　試料作成方法 98
　　　（2）　PECVD法によるゲート絶縁膜の電気的特性 98
　　3.4.4　イットリウムアルミネートによるゲート絶縁膜 100
　　　（1）　試料作成方法 101
　　　（2）　YAlOの電気的特性 101
　　3.4.5　Si02/SiN/SiO2（ONO）ゲート絶縁膜 103
　　　（1）　試料作成方法 103
　　　（2）　絶縁破壊強度、長期信頼性及び高温信頼性 104
　　　（3）　縦型パワーDMOS試作結果 105
　　3.4.6　トレンチ形成技術 106
　　3.4.7　ゲート構造形成技術 109
　3.5　実装技術とパッケージング技術 111
　　3.5.1　SiCの物性とSiCパワーデバイス実装課題 112
　　3.5.2　SiCパワーデバイスのパッケージング技術 114
　　　（1）　パッケージング基本要件 114
　　　（2）　SiCパワーデバイスのパッケージング 115
　　3.5.3　SiCパワーデバイスの実装技術 117
　　3.5.4　SiCパワーデバイス実装構造の評価 118
第4章　SiCデバイス技術 123
　4.1　SiCパワーデバイス作製技術 123
　　4.1.1　SiCの性質とパワーデバイスの優位性 123
　　4.1.2　SiCパワーデバイス作製技術 126
　　4.1.3　SiCパワーデバイスの開発状況 129
　4.2　SiCダイオード 134
　　4.2.1　SiCダイオードの現状と展望 134
　　4.2.2　SBD 135
　　4.2.3　pnダイオード 138
　　4.2.4　PiNダイオード 141
　　4.2.5　ツェナーダイオード 146
　4.3　SiCトランジスタ 148
　　4.3.1　SiCパワートランジスタの現状と展望 148
　　4.3.2　SiC-MOSFET 151
　　　（1）　MOSFETの開発状況 152
　　　（2）　SiC-MOSFETの特性向上 153
　　　（3）　チャージポンピング（CP）法による界面準位密度の測定 158
　　4.3.3　その他のSiC-FET 161
　　　（1）　SEMOSFET 161
　　　（2）　IEMOSFET 163
　　　（3）　JFET 166
　　　（4）　MESFET 169
　　4.3.4　IGBT 171
　　4.3.5　GTOサイリスタ 172
　4.4　インバータ 175
　　4.4.1　インバータ回路 175
　　4.4.2　パワーデバイス用途におけるSiCインバータの展望 177
　　4.4.3　SiC-MOSFETとSiC-SBDを用いたインバータ 181
　　4.4.4　SiC-GTOサイリスタとSiC-ダイオードを用いたインバータ 182
　4.5　各社の開発状況 183
　　4.5.1　関西電力 184
　　4.5.2　住友電工 186
　　4.5.3　デンソー 187
　　4.5.4　東芝 189
　　4.5.5　日立製作所 191
　　4.5.6　富士電機 193
　　4.5.7　三菱電機 193
　　4.5.8　ローム 195
第5章　SiCパワーデバイスの応用 200
　5.1　自動車 200
　　5.1.1　自動車メーカの動き 200
　　5.1.2　自動車用パワーデバイスのニーズとSiCデバイスへの期待 201
　　5.1.3　自動車用パワーモジュールの実装 203
　5.2　鉄道 206
　　5.2.1　鉄道車両用パワーデバイス 206
　　5.2.2　鉄道車両用パワーデバイスのニーズとSiCデバイスへの期待 209
　5.3　電力 211
　　5.3.1　自然エネルギー用パワーデバイス 211
　　5.3.2　電力供給用パワーデバイス 215
　　　（1）　二次電池による電力貯蔵システム 215
　　　（2）　周波数変換システム 216
　　　（3）　電力安定化システム 216
　　5.3.3　原子力発電プラント 218
　　　（1）　加圧軽水炉の計測制御設備の概要とSiC半導体デバイス回路への期待 218
　　　（2）　耐放射線SiC半導体デバイス 220
　　5.3.4　電力システム用パワーデバイス 223
　5.4　情報通信 227
　　5.4.1　通信システムと要求性能 227
　　5.4.2　SiCパワー半導体のデータセンターへの利用 228
　5.5　産業用モータ 231
　　5.5.1　インバータにおけるパワーデバイスの貢献と課題 231
　　5.5.2　SiCパワーデバイスへの期待 233
　5.6　家電 234
　　5.6.1　家電各分野におけるパワーデバイス 234
　　　（1）　調理器分野 235
　　　（2）　家事、空調、冷蔵庫分野 237
　　5.6.2　SiCパワーデバイスへの期待 238
第6章　特許から見たSiC半導体関連技術 241
　6.1　各年度別多件出願者とその動向 241
　　6.1.1　SiC基板に関する技術の特許出願例 245
　　6.1.2　SiCデバイスに関する特許出願例 247
　6.2　2008年から2010年公開特許に見るSiC半導体基板材料 252
　　6.2.1　結晶欠陥抑制 252
　　6.2.2　多結晶化防止 262
　　6.2.3　大口径、長尺化 265
　　6.2.4　研磨を含む平坦化 271
　　6.2.5　生産性 278
　　6.2.6　新規単結晶、その他 286
付属資料　略語表 290
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