ワイドギャップ半導体、パワーデバイスの開発動向

第1部. SiC/GaNパワーデバイスの現状、シリコンIGBTとの比較と今後の課題

(2022年9月15日 10:30〜12:00)

　2020年、コロナウィルスの全世界的な蔓延により、世界各国は人的・経済的に甚大なダメージを受け回復の見通しは全く不透明といった状況にある。しかし、このような中においても、たとえば、地球温暖化ならびに大気汚染対策のための自動車の電動化は人類にとって「待った無」の課題であることに変わりはない。 　最近ではカリフォルニア州が2035年までに州内でのガソリン車の新車販売を禁止するとの発表をするなど、EVシフト化への要求は極めて大きい。EVの性能を決める基幹部品であるパワーデバイスでは、新材料SiC/GaNデバイスの普及が大いに期待されている。しかしながら現状では、性能、信頼性、さらには価格の面で市場の要求に十分応えられているとは言えない。 　本講座では、SiC/GaNパワーデバイスを広く市場に普及するためのポイントは何かについて、強力なライバルであるシリコンIGBTの最新動向を横にらみしながら、わかりやすく解説したい。

1. パワーエレクトロニクス (パワエレ) 、パワーデバイスとは?
   1. パワエレ&パワーデバイスの仕事
   2. パワー半導体の種類と基本構造
   3. パワーデバイスの適用分野
   4. パワーデバイスを使うお客様は何を望んでいるのか?
2. 最新シリコンIGBTの進展と課題
   1. パワーデバイス市場の現在と将来
   2. パワーデバイス (IGBT) 開発のポイント
   3. 最新IGBTを支える技術
   4. 薄ウェハ化の限界
   5. IGBT特性改善の次の一手
   6. 新構造IGBT:逆導通IGBT (RC-IGBT) の誕生
   7. シリコンIGBTの実装技術
3. SiCパワーデバイスの現状と課題
   1. なぜSiCパワーデバイスなのか
   2. 各社はSiC-MOSFETを開発中。なぜSiC-IGBTではないのか?
   3. SiCウェハができるまで
   4. SiC-MOSFET普及拡大のために解決すべき課題
   5. SiC-MOSFET最近のトピックス
   6. SiC-MOSFET内蔵ダイオードのVf劣化とは?
   7. ショットキーバリアダイオード (SBD) 内蔵SiC-MOSFET
4. GaNパワーデバイスの現状と課題
   1. なぜGaNパワーデバイスなのか?
   2. GaNデバイスの構造
   3. SiCとGaNデバイスの狙う市場
   4. GaNパワーデバイスはHEMT構造。その特徴は?
   5. ノーマリ-オフ・ノーマリーオン特性とはなに?
   6. GaN-HEMTの課題
   7. 縦型GaNデバイスの最新動向
5. SiCパワーデバイス高温対応実装技術
   1. 高温動作ができると何がいいのか
   2. SiC-MOSFETモジュール用パッケージ
   3. パワーモジュール動作中の素子破壊例
   4. SiCモジュールに必要な実装技術
• 質疑応答

第2部. ダイヤモンドパワー半導体デバイスの作製とデバイス応用に向けた課題

(2022年9月15日 13:00〜14:30)

　現在、環境・省エネルギーの観点や電気自動車への期待から、エネルギー効率が格段に高くなるワイドギャップ半導体の研究が盛んに行われています。 その中で、ダイヤモンド半導体は最も効率が高い「究極のパワー半導体」です。しかし、これまでは、ダイヤモンド結晶のサイズの問題や半導体デバイスの技術的な問題により、なかなか進展が見られませんでした。ところが、この1,2年で、2インチ径ダイヤモンドウェハを量産できる結晶成長技術や半導体デバイス特性を決めるデバイス作製技術が急速に進展し、「究極のパワー半導体デバイス」が現実味を帯びてきました。 　本セミナーでは、ダイヤモンドの半導体での物性の説明から、急速に進展したダイヤモンドの結晶成長技術とデバイス作製技術をわかりやすく説明いたします。企業、大学の研究開発の現場におられる研究者、技術者から、一般、学生の方まで対象としております。

1. ダイヤモンド半導体物性と社会からの期待
2. ダイヤモンド結晶成長技術
   1. ダイヤモンドCVD成長技術
   2. ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長技術
   3. なぜサファイア基板を用いるか
   4. 今後の課題
3. ダイヤモンド半導体デバイス作製技術
   1. ダイヤモンドのドーピング技術
   2. ダイヤモンドの絶縁膜堆積技術
   3. ダイヤモンドFET作製方法
   4. ダイヤモンドFETの新構造、選択ドーピング構造
   5. ダイヤモンドFETのパワー特性
   6. ダイヤモンドFETの高周波特性
   7. 今後の課題
4. 将来の展望
• 質疑応答

第3部. 酸化ガリウムパワーデバイスの開発動向

(2022年9月15日 14:40〜16:10)

　喫緊の課題である地球温暖化を防ぐために世界中で低炭素社会実現を目指した取り組みが行われています。エレクトロニクス分野では、電力変換の高効率化が必要不可欠であり、そのためにはシリコンデバイスを超える高性能なパワーデバイスが必須です。 　酸化ガリウムは、この次世代パワーデバイスを担うと期待される炭化ケイ素や窒化ガリウム等の材料の一つです。日本発のパワーデバイス材料である酸化ガリウムデバイスは、他2材料よりパワーデバイス開発において後発ですが、その材料特性の持つ利点から炭化ケイ素デバイスや窒化ガリウムデバイスを凌ぐ高効率素子の実現が期待されています。 　さらに、酸化ガリウムは、シリコン同様に融液成長法によりバルク製造が可能なため、安価に大口径単結晶基板を得られる可能性があり、コスト面においても大きなアドバンテージを持つと考えられます。 　本講演では、次世代パワーデバイス材料の物性値の比較から期待される応用分野について紹介し、次にバルク製造技術、エピタキシャル膜成長技術に簡単に触れ、最後に、現在までの日本と海外のデバイス開発の進展について解説します。

1. はじめに
   1. Ga2O3の特徴 (他パワーデバイス材料との比較)
   2. Ga2O3デバイスの応用先
2. Ga2O3エピタキシャル薄膜成長技術
   1. MBE成長
   2. HVPE成長
   3. MOCVD成長
3. Ga2O3トランジスタ開発
   1. 横型フィールドプレートMOSFET
   2. 横型ノーマリーオフMOSFET
   3. 横型高周波MOSFET
   4. 縦型MOSFET
   5. 海外のGa2O3トランジスタ開発動向
4. Ga2O3ショットキーバリアダイオード (SBD) 開発
   1. HVPE成長したドリフト層を有する縦型SBD
   2. 縦型フィールドプレートSBD
   3. 海外のGa2O3ダイオード開発動向
5. まとめ、今後の課題
• 質疑応答