炭化ケイ素に代表される第3世代のワイドバンドギャップ半導体は、より高い温度、電圧、周波数環境下でも正常に動作し、消費電力を抑え、耐久性と信頼性を向上させることができる。これにより、次世代の小型化、高速化、低コスト化、高効率化を実現するパワーエレクトロニクス製品の開発において、飛躍的な進歩が期待される。

炭化ケイ素パワーエレクトロニクス技術の進歩と産業化は、高電圧電力システムにおける新たな用途を開拓し、電力システムの変革に大きな影響を与えるでしょう。炭化ケイ素パワーエレクトロニクスデバイスは、優れた高効率、高電圧、高温、高周​​波特性を備えているため、家電製品、モーターの省エネルギー、電気自動車、スマートグリッド、航空宇宙、石油探査、自動化、レーダー、通信などの分野で大きな応用可能性を秘めています。

炭化ケイ素パワーエレクトロニクスデバイス入門

1. 炭化ケイ素（SiC）の定義

炭化ケイ素（SiC）パワーエレクトロニクスデバイスとは、第3世代半導体材料であるSiCを用いたワイドバンドギャップパワーエレクトロニクスデバイスのことです。高温耐性、高周波特性、高効率といった特徴を備えています。デバイスの動作形態によって、SiCパワーエレクトロニクスデバイスは主にパワーダイオードとパワースイッチングトランジスタに分類されます。パワーダイオードには、ジャンクションバリアショットキー（JBS）ダイオード、PiNダイオード、スーパージャンクションダイオードなどがあります。パワースイッチングトランジスタには、主に金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）、ジャンクション電界効果トランジスタ（JFET）、バイポーラスイッチングトランジスタ（BJT）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）、エミッタターンオフサイリスタ（ETO）などがあります。

2. 技術的な利点

炭化ケイ素半導体の優れた特性により、炭化ケイ素をベースとしたパワーエレクトロニクスデバイスは、シリコンデバイスと比較して、以下のような優れた利点を有しています。

（１）オン抵抗が低い。低耐圧（約５０V）では、炭化ケイ素デバイスの比オン抵抗はわずか１．１２μΩで、同種のシリコンデバイスの約１／１００である。高耐圧（約５kV）では、比オン抵抗は２５．９mΩに増加し、同種のシリコンデバイスの約１／３００となる。オン抵抗が低いことで、炭化ケイ素パワーエレクトロニクスデバイスの導通損失が小さくなり、機械全体の効率が向上する。

（２）より高い耐圧を持つ。例えば、市販のシリコンショットキーダイオードの耐圧は通常３０

（３）接合ケースの熱抵抗が低いほど、デバイスの温度上昇が遅くなる。

（４）より高い究極動作温度。炭化ケイ素の極限動作安定性は６００℃を超えることが期待される一方、シリコンデバイスの最大接合温度は１５０℃に過ぎない。

（５）放射線耐性が向上し、航空分野などで使用される放射線遮蔽装置の重量を軽減できる。

（６）安定性が高く、炭化ケイ素デバイスの順方向および逆方向の特性は温度変化によってほとんど変化しない。

（７）低損失。炭化ケイ素デバイスはスイッチング損失が小さく、数十キロワットの電力レベルではシリコンデバイスでは実現が難しい高スイッチング周波数（＞20kHz）で動作できます。

3. 主なカテゴリー

（１）炭化ケイ素ショットキーダイオード

As a unipolar device, Schottky Barrier Diode (SBD) has no additional carrier injection and storage during the conduction process, so there is basically no reverse recovery current. Its turn-off process is very fast and the switching loss is very small. However, the Schottky barrier of silicon is low, the reverse leakage current of silicon SBD is relatively large, and the blocking voltage is low. It can only be used in low-voltage situations of one to two hundred volts. PiN diodes are usually used in situations with higher voltages, but their reverse recovery current is large and switching losses are large. Due to the high critical avalanche breakdown electric field strength of silicon carbide materials, it is relatively easy to produce silicon carbide SBDs with a reverse breakdown voltage exceeding 1000V.

SiCのこうした独自の利点に基づき、Creeなどの半導体デバイスメーカーは、単一デバイスの電流レベルが1～20A、電圧レベルが300V、600V、1200Vの高電圧SiCショットキーダイオード製品を製造しています。表1は、現在の主要な国際的な炭化ケイ素SBDメーカーとその商用デバイスのレベルを示しています。Creeは、最新の1700V電圧レベルの炭化ケイ素SBDを発売したばかりです。高電圧スイッチングアプリケーションでは、SiCショットキーダイオードはほぼ理想的な性能を発揮します。順方向回復電圧がほとんどないため、すぐにオンにすることができます。接合容量とは異なり、蓄積電荷も非常に小さいため、すぐにオフにすることができます。

（２）炭化ケイ素パワートランジスタ

アメリカン・セミサウス社は、炭化ケイ素JFETに関する綿密な研究を行い、現在、世界最大の商用炭化ケイ素JFETデバイス供給企業となっています。同社のSiC JFET製品の最大定格電圧は1700V、最大定格電流は30Aに達します。

シリコンMOSFETの優れた特性と応用実績により、炭化ケイ素MOSFETは炭化ケイ素パワーエレクトロニクスデバイスの研究において最も人気のあるデバイスとなっています。アメリカのCree社は炭化ケイ素MOSFETの研究で先陣を切り、10A/1200Vと20A/1200Vの2つの商用炭化ケイ素MOSFET製品を発売し、世界で唯一商用ディスクリート炭化ケイ素MOSFETを提供するメーカーとなりました。日本のローム株式会社も炭化ケイ素MOSFETの商用化プロセスを積極的に推進しています。これらの初期のSiC NチャネルDMOSFETは主に1200Vアプリケーションを対象としていました。この電圧レベルのSiC MOSFETは、現在のSiデバイスよりも大きな利点があります。

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海外における炭化ケイ素デバイスの開発状況 1. アメリカ合衆国

米国は1997年に策定した「国防科学計画」において、ワイドバンドギャップ半導体の開発目標を明確に定めました。2014年には、オバマ大統領が自ら主導し、次世代パワーエレクトロニクス製造における技術革新をリードするワイドバンドギャップ半導体技術を全面的に支援するため、SiCを代表とする第3世代ワイドバンドギャップ半導体産業アライアンスを設立しました。このアライアンスは現在、連邦政府および地方政府から総額1億4000万ドルの支援を受けています。今後5年間で、ワイドバンドギャップ半導体技術をコスト面で現在のシリコンベースのパワーエレクトロニクス技術と競争力のあるものにし、次世代の省エネルギー、高効率、高出力のパワーエレクトロニクスチップおよびデバイスにすることを目指しています。これにより、家電、産業機器、通信、クリーンエネルギーなど、世界最大規模かつ最も急速に成長している多くの産業市場をリードし、国際競争力を総合的に強化し、高収入の雇用を創出することが期待されています。

2。 日本

日本政府は1998年以来、ワイドバンドギャップ半導体技術の研究に資金提供を続けてきた。2013年には、クリーンエネルギーの新時代を切り開くため、将来のエネルギー削減の50％をSiCデバイスによって達成できると確信し、SiC材料システムを「内閣総理大臣戦略」に盛り込んだ。近年、日本の新エネルギー産業技術総合開発機構（NEDO）は、省エネルギーと効率向上という目標を達成するため、鉄道機関車の回路システム、各種電力交換システム、発電および電気統合型ターボチャージャーの廃熱回収システム、最先端医療機器、加速器の小型化へのSiCパワーモジュールの応用を重点的に研究する、SiCパワーエレクトロニクスデバイスに関する研究計画を開始した。

3。 欧州連合

2014年、欧州連合は、高効率電力システム向けSiC電力技術研究プログラム（SPEED）を3年間（2014～2017年）にわたり開始し、総額18.58万ユーロを投資しました。7カ国の12の研究機関と企業がこの計画に参加しました。この計画の目標は、世界有数のメーカーと研究者を結集し、SiCパワーエレクトロニクスデバイス技術を共同で制覇し、SiCパワーエレクトロニクスデバイス産業チェーン全体の技術的ボトルネックを打破し、再生可能エネルギー分野での幅広い応用を実現することです。2015年、ドイツ連邦研究省は、カールスルーエ工科大学と産業界のパートナーに対し、SiCスイッチングデバイスを用いた高周波電源のエネルギー効率向上に関する研究（資金提供額80万ユーロ）を実施し、産業生産における電源のエネルギー効率向上、エネルギー消費量の削減、CO2排出量の削減を目指しました。03

中国における炭化ケイ素デバイスの開発状況

1. タイコ・ティエンルン

Tyco Tianrunは2011年に設立されました。同社の製品ラインは、基幹技術製品、炭化ケイ素成形製品、および複数の産業ソリューションで構成されています。基幹製品は、炭化ケイ素ショットキーダイオードです。

2015年、タイコ・ティエンルンは3300V/50Aの高出力炭化ケイ素ショットキーダイオード製品の発売を発表した。報道によると、この製品は順方向電圧降下が低く、スイッチング速度が速く、熱伝導性に優れているなどの特徴を持ち、鉄道輸送やスマートグリッドなどのハイエンド分野に適しているという。

報告によると、3300V/50A 高出力シリコンカーバイドショットキーダイオードの標準的な順方向電圧降下は 2.22V (IF=50A、Tj=25℃) および 4.75V (IF=50A、Tj=175℃) です。標準的な逆方向漏れ電流は 120μA (VR=3300V、Tj=25℃)、200μA (VR=3300V、Tj=175℃) です。過酷な電気環境下での信頼性を最大限に高め、-55℃～175℃ の温度範囲で正常に動作します。製品はパッケージなしのベアチップとして提供され、デバイスのパッケージタイプは顧客の要求に応じてカスタマイズできます。

2. 深セン基礎半導体

深センベーシックセミコンダクターは2016年に設立され、炭化ケイ素パワーデバイスの研究開発と産業化に注力しています。深セン第三世代半導体研究所の設立メンバーの一つです。深センベーシックセミコンダクターは長年にわたりSiCパワーデバイスの研究開発に注力してきました。主な製品はSiCダイオード、SiC MOSFET、車載グレードのフルSiC MOSFETモジュールで、新エネルギー発電、新エネルギー車、鉄道輸送、スマートグリッドなどで幅広く使用されています。

Basic Semiconductorが2018年10月に正式発表した1200VシリコンカーバイドMOSFETは、中国企業が独自に設計し、信頼性試験に合格した初の産業グレード製品です。その性能は国際的にトップレベルに達しており、短絡耐時間は6μsにも及びます。

3. 楊潔テクノロジー

Yangjie Technologyは、パワー半導体チップおよびデバイスの製造、集積回路のパッケージングおよびテストの分野における産業開発を専門としています。主な製品は、各種パワー電子デバイスチップ、パワーダイオード、整流ブリッジ、高出力モジュール、DFN/QFN製品、SGTMOS、炭化ケイ素SBD、炭化ケイ素JBSなどです。これらの製品は、民生用電子機器、セキュリティ、産業制御、車載エレクトロニクス、新エネルギーなど、幅広い分野で使用されています。

Yangjie Technologyの公式サイトによると、現在4種類の炭化ケイ素ショットキーモジュールが販売されており、モデルはMB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ、MB40DU12FJです。データシートを見ると、MB200DU01FJモデルは、電気めっき電源、高周波電源、大電流スイッチング電源、逆電池保護、溶接機などの用途に使用できることがわかります。

3. Core glossy and moist

2016年3月に設立されたXinguang Runzeは、第3世代半導体SiCパワーデバイスおよびモジュールの研究開発と製造を専門とするハイテク企業です。2018年9月18日、Xinguangrunze初の国内シリコンカーバイドインテリジェントパワーモジュール（SiCIPM）生産ラインが正式に稼働を開始しました。このプロジェクトは2016年12月に正式に建設が開始されました。生産ラインが安定稼働した後、月間生産規模は30万個、年間生産量は360万個に達すると見込まれています。同社は現在、シリコンカーバイドSBDやシリコンカーバイドMOSFETなどのシリコンカーバイド製品を保有しています。例えば、XGSCS1230SWAはシリコンカーバイドSBDのモデルの一つで、1200Vの電圧要件を満たすことができます。適用シナリオは、スイッチング電源、力率補正、パワーインバータ、無停電電源装置（UPS）、モータ駆動などです。

4. ルイネン・セミコンダクター

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. は、NXP Semiconductors と Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. が設立したハイテク合弁会社です。 Ruineng Semiconductor は、シリコン制御整流器やトライアック、シリコンパワーダイオード、高電圧トランジスタ、炭化ケイ素ダイオードなど、業界をリードする幅広く奥深いバイポーラパワー半導体製品ポートフォリオの開発に注力してきました。同社の炭化ケイ素ダイオードは、主に産業、サーバー、エアコンなどの分野で使用されています。公式ウェブサイトによると、Ruineng Semiconductor は 25 種類の炭化ケイ素ダイオードモデルを保有しており、すべて 650V の電圧要件を満たすことができます。例えば、NXPSC16650B モデルは、力率補正、スイッチング電源、無停電電源装置 (UPS)、太陽光発電インバータ、LED/OLED テレビ、モータードライブなどのシナリオで使用できます。

5. 上海振新電子

Shanghai Zhanxin Electronics is committed to developing cost-effective power chips and module products with silicon carbide power devices as the core, providing complete semiconductor solutions for the miniaturization, efficiency and lightweight of power supplies and electric drive systems.

2017年10月、成熟した量産型6インチプロセス生産ラインにおいて、炭化ケイ素（SiC）MOSFETの製造プロセスが完了しました。ウェハレベルのテスト結果は、各種電気的パラメータが期待を満たしていることを示しており、プロセスおよびデバイス設計のさらなる最適化に向けた確固たる基盤が築かれました。そして2018年5月1日、国内初の6インチSiC MOSFETウェハが正式に誕生しました。

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炭化ケイ素デバイスの代表的な用途 1. 5Gインフラストラクチャ - 通信用電源

通信用電源は、サーバーや基地局の通信におけるエネルギーバンクです。様々な伝送機器に電力を供給し、通信システムの正常な動作を保証します。炭化ケイ素MOSFETの高周波特性により、電源回路内の磁気ユニットが小型軽量化され、電源全体の効率が向上します。また、炭化ケイ素ショットキーダイオードの逆回復特性はほぼゼロであるため、多くのPFC回路において幅広い応用が期待できます。例えば、3kWの高効率通信用電源ブリッジレスインターリーブPFC回路において、650V/10Aの炭化ケイ素ショットキーダイオードを使用することで、全負荷効率95%以上という高い技術要件を満たすことができます。

2.新エネルギー車充電スタンド - 充電スタンド電源モジュール

新エネルギー車産業の急速な発展に伴い、充電ポールへの需要が高まっている。新エネルギー電気自動車においては、充電速度の向上と充電コストの削減が、業界発展における二つの主要な目標となっている。充電ポールの電力モジュールに炭化ケイ素デバイスを用いることで、充電ポールの電力モジュールの高効率化と高出力化を実現でき、充電速度の向上と充電コストの削減につながる。

3. ビッグデータセンター、産業用インターネット - サーバー電源

サーバー電源は、サーバーのエネルギーバンクです。サーバーは、サーバーシステムの正常な動作を保証するために電力を供給します。サーバー電源に炭化ケイ素パワーデバイスを使用することで、サーバー電源の電力密度と効率が向上し、データセンター全体のサイズが縮小し、データセンターの建設コストが削減され、環境効率が向上します。例えば、3kWのサーバー電源モジュールでは、トーテムポールPFCに炭化ケイ素MOSFETを使用することで、サーバー電源の効率を大幅に向上させ、より高い効率要件を満たすことができます。

4．超高電圧－フレキシブル送電用直流遮断器の応用

大規模システムプロジェクトである超高圧（UHV）は、原材料や部品に対する一連の需要を引き起こします。電力デバイスは、送電端のUHV直流送電におけるFACTSフレキシブル送電技術と、変電所端の電力電子変圧器（PET）の主要コンポーネントです。フレキシブル直流送電の主要部品の一つである直流遮断器の信頼性は、送電システム全体の安定性に大きな影響を与えます。従来のシリコンベースのデバイスを使用して直流遮断器を設計するには、複数のサブユニットを直列に接続する必要があります。直流遮断器に高電圧シリコンカーバイドデバイスを使用すると、直列サブユニットの数を大幅に削減できるため、これは業界の研究における重要な方向性となっています。

5. 都市間高速鉄道および都市間鉄道輸送 - 牽引コンバータ、電力電子変圧器、補助コンバータ、補助電源

将来の鉄道輸送では、牽引コンバータやパワーエレクトロニクス電圧コンバータなどのパワーエレクトロニクス機器に対する要求がますます高まるでしょう。炭化ケイ素パワーデバイスを使用することで、これらの機器の電力密度と動作効率を大幅に向上させることができ、鉄道輸送の耐荷重システムの大幅な削減につながります。炭化ケイ素デバイスは、機器のさらなる高効率化と小型化を実現し、鉄道輸送において大きな技術的優位性を持っています。日本の新幹線N700Sは、牽引コンバータに炭化ケイ素パワーデバイスを採用することで、車両重量を大幅に削減し、輸送効率の向上と運行コストの削減を実現しています。

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結論 シリコンカーバイドパワーエレクトロニクスデバイスには、出力が低い、価格が高い、市販品の種類が少ない、高温対応パッケージが不足しているといった問題が依然として存在するものの、シリコンカーバイドパワーエレクトロニクスデバイス技術の研究が継続的に深まるにつれて、これらの問題は徐々に解決されていくでしょう。より多くの、より優れたシリコンカーバイドパワーエレクトロニクスデバイスが市場に投入され、シリコンカーバイドパワーエレクトロニクスデバイスの応用分野は大きく拡大するでしょう。近い将来、シリコンカーバイドパワーデバイスは、様々なコンバータアプリケーションにおいて、電力損失の低減、効率の向上、電力密度の向上を実現する重要なデバイスとなるでしょう。

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