この記事では主に炭化ケイ素ダイオードの応用分野と開発の歴史を紹介し、炭化ケイ素MOS管の分類と構造について詳しく説明します。ケイ素と炭素のみで構成されるのが炭化ケイ素（SiC）で、一般にエメリーとして知られています。炭化ケイ素は鉱物モアッサナイトとして自然界に存在しますが、非常に希少です。しかし、粉末状の炭化ケイ素は1893年以来、研磨剤として大量に生産されています。炭化ケイ素は100年以上研磨剤として使用されており、主に研削砥石やその他の多くの研磨用途に使用されています。



「SiCは、しきい値電圧（VT）に達するまでは高い抵抗値を示します。しきい値電圧に達すると、印加電圧がVTを下回るまで抵抗値は大幅に低下します。この特性を利用したSiCの初期の電気用途としては、配電システムの避雷器（図参照）が挙げられます。」


SiCはバリスタを備えているため、SiCステムを高電圧線と接地の間に接続できます。送電線に落雷があった場合、電源電圧が上昇してSiC避雷器のしきい値電圧（VT）を超え、落雷電流を（送電線ではなく）接地へと誘導・伝達し、被害を防ぎます。しかし、これらのSiC避雷器は送電線の通常の動作電圧で過大な電流を流します。そのため、スパークギャップを直列に接続する必要があります。落雷によって送電線の電圧が上昇すると、スパークギャップがイオン化して電気を流し、SiC避雷器を送電線と接地の間に効果的に接続します。その後、関係者は避雷器に使用されているスパークギャップが信頼できないことを発見しました。材料の劣化、塵埃や塩分の侵入により、必要なときにスパークギャップがアークを発生させなかったり、落雷後にアークを消火できなかったりすることがあります。炭化ケイ素避雷器は、もともとスパークギャップへの依存をなくすために設計されたものですが、その信頼性の高さから、ギャップ付き炭化ケイ素避雷器は、ほとんどが酸化亜鉛コアのギャップレスバリスタに置き換えられています。

パワーエレクトロニクスにおけるSiC

炭化ケイ素から製造される半導体デバイスには、ショットキーダイオード（ショットキーバリアダイオード、SBDとも呼ばれる）、J型電界効果トランジスタ（JFET）、高出力スイッチング用途で使用される電界効果トランジスタなど、多くの種類がある。一部の企業は、炭化ケイ素ショットキーダイオードのベアチップをパワーエレクトロニクスモジュールに適用する試みを始めている。実際、シリコン基板はIGBTパワーモジュールや力率改善回路に広く使用されている。

SiCの利点と欠点

炭化ケイ素をベースとしたパワーエレクトロニクス部品が非常に魅力的な理由の一つは、同じ阻止電圧において、ドーピング密度がシリコンベースのデバイスの約100倍にも達する点にある。これにより、低いオン抵抗で高い阻止電圧を実現できる。オン抵抗が低いことは高出力アプリケーションにとって重要であり、オン抵抗が低減されると発熱量が少なくなり、システムへの熱負荷が軽減され、全体的な効率が向上する。



しかしながら、炭化ケイ素（SiC）をベースとした電子部品の製造にはいくつかの困難があり、欠陥の除去が最も重要な課題となっている。これらの欠陥は、SiC結晶から作られた部品の逆方向障壁特性の低下を招く。結晶品質の問題に加え、二酸化ケイ素とSiCの界面の問題も、SiCベースのパワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラ結晶の開発を阻害している。幸いなことに、製造工程で窒化技術を用いることで、これらの界面問題を引き起こす欠陥を大幅に低減できる。

SiC研磨ディスク

炭化ケイ素は、現在でも多くの産業用途で研磨剤として使用されています。主に電子産業において、光ファイバーの接続前に両端を研磨するための研磨フィルムとして用いられています。これにより、光ファイバーコネクタの表面を滑らかにし、効率的な動作を実現できます。炭化ケイ素は100年以上前から製造されていますが、パワーエレクトロニクス産業で使用されるようになったのはごく最近のことです。その特殊な物理的・電気的特性により、高圧・高温用途において非常に有用です。



今日、炭化ケイ素ダイオードは様々な分野で使用されている。



1. 太陽光発電用インバーター。



炭化ケイ素ダイオードは太陽光発電用ダイオードの基本材料であり、様々な技術指標において従来のバイポーラダイオード技術よりも優れています。炭化ケイ素ダイオードはオン/オフ切り替えが非常に高速で、従来のバイポーラダイオード技術を用いた場合のような逆回復電流が発生しません。逆回復電流の影響を排除することで、炭化ケイ素ダイオードはエネルギー消費量を70%削減し、広い温度範囲で高いエネルギー効率を維持できるため、設計者はシステムの動作周波数を最適化する際の柔軟性を高めることができます。



2. 新エネルギー車用充電器。



車載製品試験に合格したシリコンカーバイドダイオードの耐圧は650ボルトに向上し、設計者や自動車メーカーが求める電圧補償係数の低減に対応できるようになりました。これにより、車載充電式半導体部品の公称電圧と瞬間ピーク電圧の間に十分な安全マージンを確保できます。デュアルチューブダイオードを採用することで、車載充電器のスペース利用効率を最大化し、軽量化を実現しました。

3. スイッチング電源の利点

炭化ケイ素を用いたスイッチング素子は、非常に高速な応答性、高周波動作、ゼロリカバリ特性、温度依存性のない特性を備えています。当社の低インダクタンスRPパッケージを採用することで、これらのダイオードは様々な高速スイッチングダイオード回路や高周波コンバータに使用できます。



4. 産業上の利点。



炭化ケイ素ダイオード：主に大型モーターや産業機器の高周波電力変換器に使用され、高効率、高出力、高周波といった利点をもたらします。

SiCデバイス

まず、SiCデバイスの分類について説明します。



炭化ケイ素金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。



炭化ケイ素電界効果トランジスタは、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注目されているデバイスです。現在、シリコン材料は理論的な性能限界に近づいており、炭化ケイ素パワーデバイスは、高い耐電圧、低損失、高効率といった特長から「理想的なデバイス」とみなされています。しかし、従来のシリコンデバイスと比較すると、性能とコストのバランス、そして高度な技術の必要性が、炭化ケイ素パワーデバイスの開発を促進する鍵となります。



第二に、炭化ケイ素MOSの構造。



N+ソース領域と金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、イオン注入によりN+ドーピングされ、1700℃でアニールされる。もう一つの重要な工程は、炭化ケイ素金属酸化物半導体ゲート酸化膜の形成である。炭化ケイ素にはケイ素原子と炭素原子の両方が存在するため、ゲート誘電体を成長させるには非常に特殊な方法が必要となる。溝構造の利点は以下のとおりである。



炭化ケイ素電界効果トランジスタのトレンチ構造は、炭化ケイ素の特性を最大限に引き出すことができる。



第三に、炭化ケイ素MOSの利点。



一般的に、シリコンIGBTは20kHz以下の周波数でしか動作できません。材料の制約により、高電圧・高周波のシリコンデバイスは実現できません。炭化ケイ素MOSFETは、600Vから10kVまでの広い電圧範囲に適しているだけでなく、単極デバイスとして優れたスイッチング性能も備えています。シリコンIGBTと比較して、炭化ケイ素電界効果トランジスタは、スイッチング回路に電流テールがない場合、スイッチング損失が低く、動作周波数が高くなります。



20kHzの炭化ケイ素MOSFETモジュールの損失は、3kHzのシリコンIGBTモジュールの半分程度であり、50Aの炭化ケイ素モジュールは150Aのシリコンモジュールを代替できる。これは、動作周波数と効率の面で、炭化ケイ素金属酸化物半導体電界効果トランジスタが大きな利点を持っていることを示している。



炭化ケイ素MOSFETの寄生ボディダイオードの逆回復時間trrと逆回復電荷Qrrは非常に小さい。図に示すように、炭化ケイ素MOSFETの寄生ダイオードの逆電荷は、同じ電圧仕様のシリコンベースMOSFETの逆電荷のわずか5%である。ブリッジ回路（特にLLCコンバータが共振周波数以上で動作する場合）では、この指標はデッドタイムとボディダイオードの逆回復による損失とノイズを低減し、スイッチング周波数を向上させる上で非常に重要となる。



第四に、炭化ケイ素MOS管の応用です！



炭化ケイ素MOSFETモジュールは、太陽光発電、風力発電、電気自動車、鉄道輸送などの中・高出力システムへの応用において大きな利点があります。炭化ケイ素デバイスの高電圧、高周波、高効率といった利点は、既存の電気自動車設計におけるデバイス性能の限界を打破することができ、国内外の電気自動車分野における研究開発の焦点となっています。例えば、デンソーとトヨタが共同開発したハイブリッド電気自動車（HEV）および純電気自動車（EV）のパワーコントロールユニット（PCU）には炭化ケイ素MOSFETモジュールが採用されており、体積比を1/5に削減しています。三菱が開発したEVモーター駆動システムでは、SiCMOSFETモジュールを使用してパワー駆動モジュールをモーターに統合し、集積化と小型化を実現しています。近年、炭化ケイ素MOSFETモジュールは国内外の電気自動車に広く採用されることが期待されています。


無錫国京微半導体科技有限公司は、炭化ケイ素（SiC）パワーデバイス、窒化ガリウム（GaN）光電子デバイス、および従来型集積回路の研究開発および産業化に特化したハイテク革新企業です。炭化ケイ素電界効果トランジスタを専門とし、炭化ケイ素ショットキーダイオード、GaNオプトカプラリレー、シングルチップ集積回路などの製品チップの設計、製造、販売を行い、関連製品の総合ソリューション設計に関するサポートサービスを提供しています。本社は江蘇省無錫ハイテク開発区にあり、深圳と香港に研究開発センター、販売サービスサポートセンター、オフィスを構えています。



同社の炭化ケイ素パワーデバイスは、650V/2A-100A、1200V/2A-90A、1700V/5A-80Aなどのシリーズをカバーしています。製品は量産されており、国際ブランドの高度な品質とレベルに完全に匹敵します。全電流、全電圧の炭化ケイ素ショットキーダイオードと炭化ケイ素MOSFETシリーズ製品を次々と発売し、産業グレードと車載グレードの信頼性テストに合格し、その性能は国際的な先進レベルに達しています。これらは、太陽光発電インバータ電源、新エネルギー電気自動車と充電ステーション、スマートグリッド、高周波溶接、鉄道輸送、産業制御専用電源、国防および軍事産業などの分野で使用されています。高速スイッチングと低オン抵抗特性により、高温条件下でも優れた電気特性を発揮し、スイッチング損失を大幅に削減し、コンポーネントを小型、軽量、高効率にし、システム全体の信頼性を向上させ、システムの信頼性を向上させることができます。電気自動車の最大航続距離を10％削減でき、車両全体の重量を約5％削減できるほか、設計上使用される充電ステーションの高温環境下でも安全かつ安定した動作を実現できる。



当社の中核研究開発チームのエンジニアのほとんどは修士号以上の学位を取得しており、多くの博士号取得者がプロジェクト開発を担当しています。当社は科学技術革新と知的財産管理のための標準化されたシステムを確立しており、回路設計、半導体デバイスおよびプロセス設計、信頼性設計、デバイスモデル抽出などにおいて多くのコア技術を蓄積し、国内外で多数の独立発明特許を保有しています。

「結晶化、自己改善、自立を基盤とし、百年にわたる成功を収める」ことが、国にとって最も重要な武器である。当社は従業員に優れた成長環境を提供し、お客様には高品質な製品とサービスを提供いたします。皆様との相互利益となる未来を心より願っております。

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