SICダイオードとは
SICダイオードとは、シリコン (Si) と炭素 (C) からなる化合物半導体の基本素子の1つです。
SICはSi (シリコン) と比較して絶縁破壊強度が約10倍、バンドギャップが約3倍あり、より高耐圧で小型の電気回路素子を作ることが可能です。この特性を活かしてSICを用いたパワー半導体の開発が進められています。SICダイオードは、SICパワー半導体の代表例であり、ディスクリート (単体) 品として製造されている他、モジュールに組み込まれインバーターやコンバータ、IGBT等で使用されています。
特に、SICのショットキーバリアダイオード (英: Schottky Barrier Diode) は、順方向電圧を小さくしながら小型で高耐圧・高効率なスイッチング動作が可能な素子を作れることから、近年注目されている高性能なダイオードです。
その一方で、SICのウエハはSiのウエハと比較すると結晶を成長させるのが難しく、SICを加工して半導体素子を作るのもSiと比較して難しいと言われています。そのため、SICダイオードはSiダイオードを全て置き換えるのではなく、用途によって使い分けをしながら適用範囲を拡大して行くと予想されています。
SICダイオードの使用用途
SICダイオードは、電気自動車のインバータとして積極的に採用されています。電気自動車に搭載するインバーターにSICダイオードを使用することで、より少ない消費電力で、より遠くまで走れるようになります。
また、電車は消費電力が少なくなることが電気代の節約につながります。SICダイオードを使用した機器の導入はイニシャルコストは高くなりますが、運用コストの削減を実現しやすいです。東海道新幹線の最新車両ではSICダイオードを利用したインバーターが搭載されています。
SICダイオードを使用したパワーデバイスは、小型・軽量でかつ高電圧・高電流を扱えるうえ、高周波数の動作においても効率の低下が少ないのが利点です。今後は、SICダイオードの価格が安くなるに従って、消費電力の大きな機器から順に導入が進むと予想されています。
なお、SICと同じように新世代のパワーデバイスとして、GaN (窒化ガリウム) を素材とした半導体も注目されています。SiCとGaNの住みわけは、SiCがより高電圧・高出力を要する機器に、GaNはより高周波数で動作する機器に使用するのが一般的です。
SICダイオードの原理
SIC製ダイオードは従来のSi製ダイオードと比較してより高い電圧や電流に耐え、より高い動作温度に耐えることができます。これは、ベースとなるSICウエハーの物性が、Siウエハーと比較して優れているからです。
具体的には、SICはSiと比較すると、バンドギャップ、絶縁破壊電界強度、熱伝導度が大きくなります。バンドギャップは、Siの1.12 (eV) に対して、SiCは3.26 (eV) 、絶縁破壊電界強度はSiの0.3 (MV/cm) に対して、SICは2.5 (MV/cm) 、熱伝導度は、Siの1.5 (W/(cm・K) ) に対して、SICは4.9 (W/ (cm・K) ) とそれぞれに優れた値を示しています。
なお、SICウエハーの結晶構造には様々なタイプがありますが、パワーデバイスとして優れた特性を持つのは、4H-SiCと呼ばれる構造をもつもので、上記の値もこれに該当します。
SICダイオードの種類
SICダイオードには、SiCショットキ―バリアダイオードとSICpn接合ダイオード等の種類があります。基本構造はSiダイオードと同じですが、同じ大きさの電圧・電流を扱うのであれば、SICダイオードの方が小型になります。
1. SICショットキーバリアダイオード
構造としては、SICに金属がショットキー接続している形です。電子の移動によって電流が発生する仕組みになっています。
高速性と高耐圧が特徴的なダイオードです。高速性だけで言えば従来のSiダイオードも優れていましたが、SICショットキーバリアダイオードはSiの約10倍の絶縁破壊電圧を持っている点で優れています。1,000Vを超える電圧に対応する製品の製作も可能となっています。
2. SICpn接合ダイオード
構造としては、pn接合を利用しています。SICショットキーバリアダイオード以上の高耐圧と低抵抗が特徴です。これは、n型層に少数キャリアとして正孔が蓄積していくためです。
参考文献
https://techweb.rohm.co.jp/knowledge/sic/s-sic/03-s-sic/4968
file:///C:/Users/karug/Downloads/application_note_ja_20190404.pdf
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/sic/sic_what2