SiC MOSFETとは

THEME 08 デバイスと回路 · パワー半導体Silicon Carbide MOSFET

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SiC MOSFETとは、炭化ケイ素を基板に使ったMOS型のパワースイッチです。 絶縁破壊電界の高さを薄いドリフト層に変え、MOS構造のまま高い耐圧を実現します。その結果、これまでIGBTが受け持ってきた耐圧帯へ、多数キャリアだけで導通する速い切り替えを持ち込めます。ただしドリフト層の抵抗は材料の物性で決まるので、低抵抗化はそれ以外の区間とゲート酸化膜の作り込みで進み、信頼性ではボディダイオードの扱いが論点になります。

絶縁破壊電界が高いぶん、同じ耐圧を薄いドリフト層で得る

パワーMOSFETの耐圧は、ドリフト層を厚く低濃度にすることで得ます。同じ層が導通時の抵抗でもあるため、耐圧を上げるほどオン抵抗が急に増えます。シリコンでは数百Vを超えたあたりからこの増え方が設計を苦しくするので、高耐圧の領域は少数キャリアを注入するIGBTが受け持ってきました。

炭化ケイ素は絶縁破壊電界がシリコンより高く、同じ電圧に耐えるのに必要なドリフト層が薄くて済みます。層が薄く、濃度を上げられれば、オン抵抗はその分だけ下がります。高耐圧ほど、この差の影響は大きくなります。三菱電機は、SiCを用いれば定格電圧3.3kV以上の高耐圧MOSFETを実現できるとしています¹。

製品は400Vから3300Vまで並び、IGBTと重なる帯は1200V〜3300V

製品の耐圧の帯

SiC MOSFETの耐圧クラスは400 Vから3300 Vまで並び、モジュールで見るとIGBTが650 Vから6500 Vまで広く伸びます。SiCの製品が厚い1200〜3300 Vの帯では、選択肢が2つある状態です。

Infineonは、CoolSiC MOSFETを400V／440V、650V、750V、1200V、1700V、2000V、2300V、3300Vの8段の耐圧クラスで、炭化ケイ素MOSFETモジュール、ディスクリート、ベアダイの3形態で提供しています²。ディスクリートのTO-247の4ピン品は、ソースへの接続をもう1本設けてゲート駆動の基準電位にし（ケルビン接続）、ソースのインダクタンスにかかる電圧降下の影響をなくしています。車載では、HybridPACK Drive CoolSiC MOSFETがAQG-324の認定を受け、180 kWを超える高出力の駆動用インバータ向けに最適化されているとしています。

三菱電機のフルSiCモジュールは定格電圧1200V〜1700V／定格電流75A〜1200A³、HV-SiCパワーモジュールは1700V〜3300V／185A〜1200A、車載向けSiC/Siモジュール J3シリーズは750V〜1300V／350A〜800Aです。同社のIGBTモジュールは650V〜6500Vの帯に広く並んでいます。SiCが現時点で製品として厚いのは1200V〜3300Vの範囲で、重なった帯では選択肢が2つあります。

重なる帯での差は、軽負荷のオン電圧と切り替えの速さ

三菱電機は、3.3kV SiC MOSFETを搭載したモジュールの順方向特性を、同じ有効面積を持つとしたSi IGBTの特性と並べています¹。両者の差が大きいのは、電流の小さい領域です。IGBTはn型の層へ正孔を注入して導通し、この注入される側の電荷を少数キャリアと呼びます。注入が始まるまでに一定の電圧が要るため、電流と電圧の特性には立ち上がり電圧が乗ります。三菱電機は、電流が低い領域では立ち上がり電圧が存在するSi IGBTと比べて、SiC MOSFETのオン電圧が大幅に抑えられているとしています。軽い負荷で動く時間が長い機器ほど、この差が消費電力量の差として積み上がります。

もう一つは切り替えの速さです。SiC MOSFETはユニポーラデバイス（多数キャリアだけで導通する素子）で、少数キャリアの蓄積を伴わず、損失の極めて小さいスイッチングになります。高耐圧のシステムは電流が大きく、電力損失による発熱を許容値以下に抑える必要からキャリア周波数（スイッチング周波数）を低く設定します。三菱電機は、SiC MOSFETを用いることで高いキャリア周波数のシステムが可能になるとしています。周波数が上がれば、変圧器やリアクトルといった受動部品は小さい寸法で足ります。同社は、この高耐圧SiC MOSFETを鉄道車両の駆動用インバータなどへ適用したとしています。

オン抵抗は4区間の足し算で、ドリフト層の分は物性で決まる

オン抵抗の区間と打ち手

電流はチャネル、JFET領域、ドリフト層、SiC基板の4区間を順に通り、オン抵抗はその足し算です。ドリフト層の分は耐圧と物性値で決まり、ほかの3区間がセル縮小、界面アニール、JFETドーピング、薄板化で下げる対象になります。

実物のSiC MOSFETでは、電流はソース電極から、ゲートの下に作られるチャネル（ゲートへ電圧をかけたときだけ電流が通る薄い層）を横切り、隣り合うp型領域に挟まれたJFET領域を縦に抜け、ドリフト層を通り、SiC基板を経てドレイン電極へ届きます。オン抵抗はこの道すじの各区間が持つ抵抗の足し算で、区間ごとに抵抗を下げる手当ては別物です。

三菱電機は、高耐圧のSiC MOSFETはオン抵抗に占めるドリフト層およびJFET領域の抵抗の割合が大きく、ドリフト層の抵抗は耐圧および物性値から決まるため、設計を工夫して低減することは困難だとしています¹。耐圧を保ったままドリフト層の抵抗だけを削る道は、材料の物性が引いた線に当たります。そこで低抵抗化の主戦場はJFET領域の最適化設計になり、JFET領域の設計では抵抗の低減と同時に、信頼性のための最大電界の抑制も要ります¹。短絡故障から素子を守るために短絡電流を抑える設計はオン抵抗の増加を伴い、同社は高耐圧品ではこのバランスを取る設計が必須だとしています。

1200V級では、三菱電機が第二世代のプレーナ型（ウエハの平らな表面にゲートを作る構造）SiC MOSFETについて、JFET領域へのn型イオン注入（JFETドーピング）による抵抗の低減、MOSセルの縮小によるMOSチャネル密度の向上、SiC基板の薄板化を挙げ、これらの改善効果で第一世代と比べオン抵抗を30%以上低減したとしています⁴。3つとも、ドリフト層以外の区間が対象です。同社は2024年時点で、この第二世代プレーナ型を生産し、さまざまなモジュールに載せて製品化しています。SiCへの注入は、ウェーハを500℃程度に加熱して行うことが多い工程です。

抵抗の値どうしを比べるときは、面積で規格化した特性オン抵抗（単位はmΩcm²）を使います。同じ設計でもチップを大きくすれば抵抗は下がるため、構造どうしの比較には面積あたりの値が要ります。三菱電機は、同社のトレンチ型SiC MOSFETの室温での特性オン抵抗が2mΩcm²程度だとしています⁴。同社の比較図では、プレーナ型に対するトレンチ型の低減幅は室温で-50%、150℃で-37%です。パワー半導体の抵抗は温度とともに上がるため、室温の1点だけで機器の発熱を見積もると、150℃側の実測とずれます。

トレンチ型には固有の手当てがあります。同社のトレンチ型は、高電界が集中しやすいトレンチ底部にp型のイオン注入（BPW: Bottom p-well）を行って電界強度を下げ⁴、トレンチ側壁にp型とn型のイオン注入を行ってBPWの電位を一定に保ち、スイッチング時の安定動作を確保しつつ電流経路の抵抗を下げています。

ゲート酸化膜は熱酸化で作れるが、界面にトラップが多く作られる

薄いドリフト層は材料が用意し、残りの区間の抵抗は作り方で決まります。その中心にあるのがゲート絶縁膜です。MOS型のスイッチは、ゲート電極と半導体の間に絶縁膜を挟み、そこへ電圧をかけてチャネルを作ります。SiCはSiと同様の熱酸化プロセス（酸素を含む雰囲気で高温にしてSiO2膜を育てる方法）により、良質なSiO2絶縁膜をウエハの表面に形成できます⁵。三菱電機は、これをSiCデバイスの作製で非常に大きなメリットとしています。SiCを構成する炭素は、熱酸化の際にCOやCO2の形でSiO2から抜けていきます。プレーナ型のSiC MOSFETは、通常この熱酸化SiO2をゲート絶縁膜として製品化されています。

シリコンと異なり、SiCの熱酸化は酸化速度が小さいためプロセスに長時間がかかり、高温を必要とします。酸化速度は結晶面に依存した大きな異方性を持ち、通常デバイスが作られる(0001)Si面で最も遅く、(000-1)C面で最も速いです⁵。トレンチ型SiC MOSFETはSi面とC面に直交する面へゲート酸化膜を作るため、CVD酸化膜を利用するなどの対策が要ります。

SiCとSiO2の界面には、電子と正孔のトラップ（電荷を捕まえて放す欠陥）が多く作られます。この界面トラップは、MOSFETのオン時の抵抗を増加させ、特性に経時変化を生じさせるなど、デバイスの性能に悪影響を与えます。既に広く用いられている対策が、NOやN2Oなど窒素を含むガスの雰囲気で界面をアニールする方法で、これによりSiC/SiO2界面における電子の実効移動度が大きく改善します。アニールの温度は熱酸化と同程度かさらに高く、高温に対応した装置が要ります。

面方位は、酸化速度だけでなくチャネルの通りやすさも左右します。三菱電機は、トレンチ型SiC MOSFETがMOSチャネルを(0001)面と直交する面に作るため、MOSチャネルの実効移動度が比較的大きいことをトレンチ型の利点に挙げています⁴。同じ面方位が、酸化膜を作る側では手間を増やし、電子を走らせる側では抵抗を下げます。

しきい値電圧の安定性は、温度と時間を含む試験で示す

ゲートへ電圧をかけるとチャネルができ、電流が流れ始めます。その流れ始めの電圧がしきい値電圧（Vth）です。界面トラップは電荷を捕まえたり放したりするため、この値は使ううちにずれる可能性を持ちます。そのため安定性は、カタログの1点の数字より、時間と温度を含む試験の形で示されます。

三菱電機は、自社のプレーナ型SiC MOSFETに対して行ったHTGB試験（高温ゲートバイアス試験）の結果を公開しています⁵。試験温度150℃で、ゲートとソースの間へ+20Vまたは-20Vを1000時間印加し続け、個数は22個です。+20V側ではしきい値電圧の変化量が0.1V未満・オン抵抗の変化が3%未満、-20V側では0.06V未満・4%未満でした。温度と時間と電圧と個数がそろって初めて、この数字が意味を持ちます。

より新しい関心事は、高周波のAC電圧をゲートに印加した場合の、しきい値電圧などの電気特性の経時シフトです。SiC/SiO2界面のトラップへの電荷の捕獲や放出が関与する現象で、電圧の掃引でしばしば起きる特性のヒステリシス（往きと復りで値がずれること）とは別に、時間をかけて徐々に特性がドリフトする現象とされています。

三菱電機は、ゲートが関わる特性の安定性はゲート絶縁膜の作製法やデバイス構造や駆動条件に強く依存し、低抵抗と安定性を両立したSiC MOSFETを得るには多くの経験やデータに基づいたプロセスや構造の最適化が必要だとしています。オン抵抗の数字だけで素子を選ぶと、この軸が抜け落ちます。

ボディダイオードに電流が流れると、積層欠陥が広がる

積層欠陥が広がる3段階

基板の基底面転位がドリフト層まで引き継がれ、バイポーラ電流の電子と正孔がそこで捕獲されて再結合します。そのエネルギーで部分転位が動き、広がった積層欠陥が高抵抗の領域になります。

MOSFETの断面には、ソース側のp型領域とドリフト層のn型が接するpn接合が含まれます。ここは逆向きの電圧に対してダイオードとして働き、ボディダイオードと呼ばれます。インバータでは、モーターのような誘導性の負荷から戻ってくる電流の通り道として、この内蔵ダイオードが使われる場面があります。

SiCでは、この通電が素子を痛める場合があります。SiCの結晶には基底面転位（BPD、結晶の基底面に沿って走る線状の欠陥）が存在し、SiCデバイスにバイポーラ電流が流れると、二本の部分転位で囲まれた領域が積層欠陥として拡張し、抵抗の増加などのデバイス特性の劣化を生じさせます⁶。道すじは3段階です。SiC基板中の基底面転位がドリフト層にも引き継がれて存在し、バイポーラ電流によってドリフト層中の電子と正孔が基底面転位に捕獲され、捕獲された電子と正孔が再結合して放出したエネルギーで部分転位が移動し、移動した部分に積層欠陥が形成されます。積層欠陥の領域は高抵抗領域として作用し、そこがさらに電子と正孔を捕獲するため、拡張が続きます。

そのため、オン抵抗の増加は出荷後に進む場合があります。最近の比較的品質の良いSiC結晶での欠陥密度は、マイクロパイプが1cm²あたり1〜10個、転位が1cm²あたり1,000〜10,000個程度です。

対策は、エピの基底面転位の低減とSBDの内蔵

逆方向に電流が流れ始める電圧

三菱電機の逆方向特性では、SBD内蔵品は約1 Vからショットキー電流が流れ始め、ボディダイオードのバイポーラ電流が流れる約2.5 Vより手前で逆方向の電流を引き受けます。

結晶の側では、ドリフト層中の基底面転位はエピ成長の条件を適切に設定することで大幅に低減でき⁶、今日のSiCエピウエハは、適切なバッファー層の形成によってドリフト層中の基底面転位の密度が大幅に低減されています。

素子の側では、電流の通り道を作り替える手があります。三菱電機は、第三世代品としてSBD内蔵SiC MOSFET（ショットキーバリアダイオードをMOSセルの中に組み込んだ構造）を開発し、搭載した最初のモジュールを2024年に製品化したとしています¹。ソース電極とコンタクトを形成している部分の一部にショットキー電極を作り、逆方向の電圧がかかったときにショットキー電流（ユニポーラ電流）を流すことで、ボディダイオードによるバイポーラ電流を抑える構造です。同社の逆方向特性では、通常構造は約2.5Vを超えたところでボディダイオードによるバイポーラ電流が流れ、SBD内蔵品は約1Vからユニポーラのショットキー電流が流れます。同社は、順方向のドレイン電流とドレイン電圧の特性を通常のSiC MOSFETと同等としています。

高耐圧側から先に入った理由について、同社は、チップの並列数が多い高耐圧・大電流のモジュールほどこの欠陥を含む確率が高くなるためとしています。SBD内蔵品ではサージ電流耐量の低さが課題に挙げられていました。同社は、サージ電流が流れた際にのみバイポーラ動作をする独自のMOSセル構造を開発し、この耐量を大きく向上したとしています。

よくある質問（FAQ）

SiC MOSFETとは何ですか？

炭化ケイ素を基板に使ったMOS型のパワースイッチです。シリコンより絶縁破壊電界が高いため、同じ耐圧をより薄いドリフト層で得られます。

薄いドリフト層だと何が良いのですか？

導通時の抵抗が下がります。オン抵抗はドリフト層の厚みと濃度で決まるため、薄く高濃度にできれば同じ耐圧のまま抵抗を減らせます。高耐圧ほどこの差の影響が大きくなります。

なぜ高耐圧域でIGBTと競合するのですか？

シリコンのMOSでは高耐圧のオン抵抗が大きくなりすぎるため、その領域はIGBTが受け持ってきました。SiCはMOSのまま高耐圧を実現するので、多数キャリアの速い切り替えを高耐圧域へ持ち込めます。

どんな耐圧クラスがありますか？

InfineonのCoolSiC MOSFETは、400V／440V、650V、750V、1200V、1700V、2000V、2300V、3300Vの耐圧クラスで並んでいます。

製品の形はどうなっていますか？

InfineonはCoolSiC MOSFETを、炭化ケイ素MOSFETモジュール、ディスクリート、ベアダイの3形態で提供しています。ディスクリートには、ゲート駆動の基準にするソースの端子を別に設けたTO-247の4ピン品があります。

モジュールとしての定格はどのくらいですか？

三菱電機は、フルSiCモジュールを定格電圧1200V〜1700V／定格電流75A〜1200A、HV-SiCパワーモジュールを1700V〜3300V／185A〜1200Aとしています。

オン抵抗はドリフト層の厚みだけで決まりますか？

電流はチャネル、JFET領域、ドリフト層、SiC基板の順に通り、各区間の抵抗が足し合わされます。三菱電機は、高耐圧のSiC MOSFETではオン抵抗に占めるドリフト層とJFET領域の割合が大きく、ドリフト層の抵抗は耐圧と物性値から決まるため設計の工夫で下げるのは困難だとしています。

SiCのゲート酸化膜づくりはどこが難しいのですか？

SiCの熱酸化は酸化速度が小さいため長時間と高温を要し、酸化速度は結晶面に依存して(0001)Si面で最も遅く、(000-1)C面で最も速くなります。さらにSiCとSiO2の界面には電子と正孔のトラップが多く作られ、オン時の抵抗の増加と特性の経時変化の原因になります。

しきい値電圧の安定性はどう確かめますか？

三菱電機は自社のプレーナ型で、150℃でゲートとソースの間に+20Vまたは-20Vを1000時間印加するHTGB試験の結果を公開しています。22個の試験で、しきい値電圧の変化量は+20V側が0.1V未満、-20V側が0.06V未満、オン抵抗の変化はそれぞれ3%未満と4%未満です。

ボディダイオードに電流を流すと何が起きますか？

SiCの結晶にある基底面転位へバイポーラ電流が流れると、捕獲された電子と正孔の再結合エネルギーで部分転位が移動し、積層欠陥が拡張します。積層欠陥の領域は高抵抗領域として作用するため、使ううちにオン抵抗が増えます。三菱電機はショットキーバリアダイオードをMOSセルへ内蔵した構造を対策として公開しています。

トレンチ型SiC MOSFETの利点は何ですか？

三菱電機は、トレンチ型がMOSチャネルを(0001)面と直交する面に作るため実効移動度が比較的大きく、室温での特性オン抵抗が2mΩcm²程度になるとしています。プレーナ型との差は、同社の比較図で室温が-50%、150℃が-37%です。

比較・違いを学ぶ

半導体製造工程の全体像── 工程と装置の全体像

出典

6件を表示

1
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 12. 高耐圧SiCチップ技術（2025年1月）mitsubishielectric.co.jp a b c d e
2
Infineon：Silicon carbide CoolSiC MOSFETsinfineon.com ↩
3
三菱電機：Power Modulesmitsubishielectric.com ↩
4
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 11. 産業用SiCチップ技術（2025年1月）mitsubishielectric.co.jp a b c d
5
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 10. SiCプロセス技術（2）ゲート絶縁膜（2025年1月）mitsubishielectric.co.jp a b c
6
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 5. SiCの結晶欠陥（2025年1月）mitsubishielectric.co.jp a b