SiC MOSFETとは
SiC MOSFETとは、従来のSi基板ではなく、化合物半導体であるSiC (シリコンカーバイド) 基板を使用したMOSFETのことです。
電界効果トランジスタの1種であるMOSFETの半導体基板の材料としています。MOSFETは、オンとオフのスイッチングや、増幅器などの用途に使用されます。材料として用いる半導体基板に化合物半導体であるSiCを用いることによって、従来のSi MOSFETと比較して電圧を印加した状態での抵抗値を低減することができます。
その結果、ターンオフ時のスイッチング損失やパワー動作時の電力損失を小さく抑えることが可能です。半導体チップの性能向上やトランジスタ動作時に必要となる冷却能力を小さくすることできるため、製品自体の小型化につながります。
SiC MOSFETの使用用途
SiC MOSFETは、パワーエレクトロニクスの分野の電子機器などの、リレーやスイッチング電源、イメージセンサなどの多くの半導体製品で使用されています。SiC MOSFETを採用することによって、スイッチングのオフ時の損失低減から高速のスイッチングが可能となるため、通信機器にも使用されるケースが多いです。
SiC MOSFETを選定する際は、製品アプリケーションの動作状態、すなわち絶対最大定格や電気的特性、パッケージの使用やサイズなどを考慮する必要があります。
SiC MOSFETの原理
SiC MOSFETは、同程度の耐圧を維持しながらも、低いON抵抗やターンオフ時の低損失な動作ができるMOSFETの構造を実現できます。これは、Si基板と比較して約3倍のバンドギャップエネルギーと約10倍の破壊電界強度の物性値を有するSiC基板を材料に用いたトランジスタであるがゆえに、活性層の層厚を薄くできるためです。
SiC MOSFETは、p型半導体とn型半導体が積層された構造をしています。通常は、p型半導体の上にn型半導体が積層しており、n型半導体にはドレインとソースの電極、n型半導体の間には酸化絶縁層とゲートの電極が取り付けられています。また、ボディのシリコンウェーハには化合物半導体であるSiC (シリコンカーバイト) がエピ基板として使用されています。
MOSFETではゲートにプラスの電圧を印加することで、ソースとドレインの間に電流が流れます。この際、シリコンウェーハにSiCを利用しているSiC MOSFETは、Siのみを利用しているMOSFETに比べて、ソースとドレインの間の電圧や電流を大きくしても動作させることが可能です。半導体の不純物の濃度を上げられるため、損失の低減や小型化が可能となっています。
SiC MOSFETのその他情報
1. SiC MOSFETとIGBTとのすみ分け
IGBTは、通常のSi MOSFETでは対応が困難な大パワー領域での使用用途に用いられるトランジスタですが、昨今この領域にSiC MOSFETデバイスが用いられるようになってきています。理由は、SiCのバンドギャップエネルギーが大きいことにより、IGBTと比較して高温動作が可能なためです。また、IGBTの場合の後段のバイポーラトランジスタのスイッチング損失が大きいという課題をクリアできることも理由として挙げられます。
以前はSiCエピ基板が小口径であり、量産性やコスト面で厳しい状況でした。しかし、最近では8インチ対応が可能になっており、量産性や価格も改善されている状況にあります。
比較的大きな10kWを超える大電力を扱うアプリケーション、例えば電気自動車 (EV) 用途や発電システム用途、住宅用電力用途などに積極的に活用されています。
2. SiCデバイスとGaNデバイスの違い
SiCと並んで注目されているワイドバンドギャップ半導体に、GaN (窒化ガリウム) があります。GaNはSiCと比較してもさらにバンドギャップエネルギーが大きく、絶縁破壊強度も大きなデバイスであり、研究機関を中心に活発な研究がなされています。
GaNは一般にSi基板上にGaNの活性層を形成する構造であるため、SiC MOSFETほどの大出力用途には対応が厳しいです。市場では、1KW相当の電力を扱うアプリケーションで比較的検討がなされています。例をあげると、5G基地局向けの高パワーアンプ用途やPCやUSBを介したバッテリーの充電用途でよく用いられています。
GaNデバイスもSiC MOSFETと同様に高温動作が可能であり、冷却機器や過度な排熱構造を必要としないため、小型のPC電源アダプターとして、昨今広く普及するに至っています。
参考文献
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/sic/sic_what3
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjournal/125/1/125_1_25/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejias/125/3/125_3_229/_pdf