次世代パワーエレクトロニクスの課題と評価技術

商品説明

趣旨

2020年に始まった全世界的なコロナウィルスの蔓延により,世界各国は人的ならびに経済的に甚大なダメージを受けた。ワクチン接種が進み,2022年になってようやくその回復の光明が見えてきたものの,コロナ後の見通しは未だ不透明といった状況下にある。そんな中,近年地球温暖化の進行速度が加速していると言われており,それを受けパリ協定に代表されるように国際社会共通の課題として世界の平均温度上昇を抑える取り組みが始まった。我が国においても,「2050年カーボンニュートラル,脱炭素社会の実現を目指す」との方針を示すなど,この難しい課題を前倒しで解決することが極めて重要になってきた。そしてこの課題解決を実現するキーテクノロジーのひとつがパワーエレクトロニクスであり,パワー半導体デバイスである。パワーエレクトロニクスによる電力制御は,パワー半導体による低導通抵抗・高速スイッチング技術によって成り立っており,パワー半導体の性能が電力制御の性能を左右すると言っても過言ではない。今後パワーエレクトロニクス装置のより一層の高性能化を実現するためには,次世代パワー半導体材料である炭化ケイ素(SiC),窒化ガリウム(GaN),酸化ガリウム(Ga2O3),さらにはダイヤモンドに代表されるワイドバンドギャップ半導体,ならびにそれら材料の特長を十分引き出すことのできる,回路・実装技術の実用化が必要不可欠であることは言うまでもない。
2022年7月現在,全世界的に半導体不足が叫ばれている。この半導体不足の理由はいくつかあるが,大きな理由として,たとえばCO2排出実質ゼロを目指した自動車の電動化(xEV化)に伴う半導体需要の急拡大がある。これにより最近ではパワー半導体の需給も逼迫していると言われている。今後は、コロナ禍で落ち込んだ自動車生産等の急回復を睨み、パワー半導体はその需要拡大の新たな機会が巡ってきそうな状況にある。最近発表されたある会社の調査結果によると,パワー半導体の世界市場は2022年から2030年の今後8年で約2.6倍に拡大すると言われており,ここに次世代パワー半導体が入り込み需要の拡大をけん引したいところである。しかし同調査報告によれば, 新材料パワーデバイスは2022年の約1250億円から2030年に1兆円を超える規模になるものの,依然シリコンパワー半導体が多くを占めており,例えば2030年では全パワー半導体市場に占めるシリコンパワー半導体の比率は80%以上である,と予測している。
このような状況を打破すべく,次世代パワー半導体の製品化を見据えた研究開発が近年非常に活発である。本書『次世代パワーエレクトロニクスの課題と評価技術』では,現在の主役であるシリコンパワー半導体,ならびに次世代パワーエレクトロニクスの中心となるワイドバンドギャップ材料による次世代パワー半導体デバイスを軸に編集された。半導体結晶からデバイス設計,プロセス装置,高耐熱実装技術だけでなく,その材料特性,デバイス特性等の最新評価技術,さらには最先端シミュレーション技術についても詳細に紹介している。今後の伸長が大いに期待できる車載機器や通信機器応用だけでなく,家電・鉄道を含めた産業機器への展開を視野に詳細に解説しており幅広い内容を網羅することができた。脱炭素社会の実現に向けて次世代パワー半導体デバイスの普及をいかに拡大させるか,本書が役立つことを大いに期待したい。
(岩室憲幸「はじめに」)

発刊にあたって

著者

岩室憲幸 / 筑波大学
田中敦之 / 名古屋大学
東脇正高 / 情報通信研究機構
梅沢仁 / 産業技術総合研究所
大谷昇 / 関西学院大学
栗本浩平 / (株)日本製鋼所
包全喜 / (株)日本製鋼所　
三川豊 / 三菱ケミカル(株)
嶋紘平 / 東北大学
石黒徹 / 東北大学
秩父重英 / 東北大学
嘉数誠 / 佐賀大学
横尾秀和 / (株)アルバック
會田英雄 / 長岡技術科学大学
土肥俊郎 / 九州大学名誉教授,埼玉大学名誉教授,(株)Doi Laboratory
迫秀樹 / (株)東レリサーチセンター
杉江隆一 / (株)東レリサーチセンター
赤堀誠至 / (株)東レリサーチセンター
松村浩司 / (株)東レリサーチセンター
染谷満 / 産業技術総合研究所
小島一信 / 大阪大学
嶋紘平 / 東北大学
藤井高志 / 立命館大学
池本裕 / (株)クオルテック
光崎尚利 / (株)クオルテック
小柴悠資 / (株)クオルテック
山中毅 / (株)クオルテック
今田敬宏　 / (株)クオルテック
小松泰之 / (株)クオルテック
坂口真司 / (株)クオルテック
寺戸祐介 / (株)クオルテック
東尚希 / (株)クオルテック
兒玉仁史 / (株)クオルテック
植木竜佑 / (株)クオルテック
大矢怜史 / (株)クオルテック
高橋昭雄 / 横浜国立大学、横浜市立大学
加藤光章 / (株)東芝
牛流章弘 / (株)東芝
加納明 / (株)東芝
高尾和人 / (株)東芝
泉聡志 / 東京大学
廣畑賢治 / (株)東芝
田中聡 / 産業技術総合研究所、住友電気工業(株)、(株)シルバコ・ジャパン
関末崇行 / アンシス・ジャパン(株)
武田亮 / キーサイト・テクノロジー・インターナショナル(同)
佐々木広明 / キーサイト・テクノロジー(株)
林和延 / 日置電機(株)
飯島匠 / 日置電機(株)
小林宏企 / 日置電機(株)
向山大索 / ルビコン(株)
齋藤知充 / イリソ電子工業(株)
田中仁 / イリソ電子工業(株)

内容紹介

第1章　次世代パワーデバイスの動向と技術課題
第1節　シリコン, SiCパワーデバイス
1.　はじめに
1.1　パワーエレクトロニクス・パワーデバイス
1.2　パワーデバイスの役割
1.3　パワーデバイスの主役:パワーMOSFETとIGBT
2.　Siパワーデバイス
2.1　パワーMOSFET
2.2　IGBT
3.　SiCパワーデバイス
3.1　SiCの特徴
3.2　SiC JBSダイオード
3.3　SiC MOSFET
3.4　高耐熱ならびに高速スイッチング特性を実現するための実装技術
3.5　次世代SiC MOSFET
3.6　より使いやすいSiC MOSFET実現を目指して

第2節　GaNパワーデバイスの動向と技術課題
1.　はじめに
2.　ここ3～4年での動向
3.　技術課題
3.1　まだ課題として認識されていないような課題
3.2　できたとしたらGaNパワーデバイスにとって役立つはずだが、まだ実現していない課題
3.2.1　イオン注入p 層
3.3　できることはわかってきた(いるがコスト(費用や時間等)がかかりすぎることが課題となっているもの
3.3.1　基板
3.3.2　GaN基板加工
3.4　ある程度確立はされてきたが、課題があるのかどうかまだ十分には調べられていないこと
3.4.1　MISトランジスタ用ゲート絶縁膜
3.4.2　ドリフト層エピタキシャル成長
3.4.3　結晶欠陥の検出と評価
4.　今後の展望

第3節　Ga2O3パワーデバイス
1.　はじめに
2.　パワーデバイス用途に重要なGa2O3物性
3.　Ga2O3単結晶バルク融液成長技術
4.　Ga2O3薄膜エピタキシャル成長技術
5.　Ga2O3ダイオード
5.1　Ga2O3ショットキーバリアダイオード
5.2　ヘテロ接合p-nダイオード
6.　Ga2O3トランジスタ
6.1　横型Ga2O3FET
6.2　縦型Ga2O3FET
7. Ga2O3デバイスの実用化への課題
8.　おわりに

第4節　ダイヤモンドエレクトロニクス
1.　はじめに
2.　ダイヤモンド半導体の特徴
3.　ダイヤモンドウェハ開発
4.　ダイヤモンドデバイス開発
4.1　ダイオード
4.2　スイッチングデバイス
5.　課題と評価技術
6.　まとめ

第2章　次世代パワーデバイス・基板・材料の評価・解析技術
第1節　大口径SiC単結晶基板の量産と結晶欠陥
1.　はじめに
2.　昇華再結晶法によるSiC単結晶成長
3.　SiC単結晶のその他の結晶成長方法
4.　SiC単結晶中に存在する結晶欠陥
5.　SiC単結晶成長中の基底面転位の発生メカニズム
6.　おわりに

第2節　大口径・高純度GaN単結晶基板の量産法と結晶評価
1.　はじめに
2.　アモノサーマル法による結晶成長
2.1　アモノサーマル法について
2.2　アモノサーマル法に用いるオートクレーブの課題
2.3　低圧酸性アモノサーマル(LPAAT)法について
3.　結晶品質評価
3.1　SCAAT GaN結晶
3.2　LPAAT(SCAAT-LP)GaN結晶
4.　結言

第3節　次世代パワー半導体Ga2O3の結晶欠陥とデバイス特性に与える影響
1.　はじめに
2.　実験方法
2.1　X線トポグラフィー (XRT)
2.2　エミッション顕微鏡
3.　エッチピットの分類
3.1　EFG結晶(010)面方位
3.2　EFG(001)面方位
4.　欠陥のSBDデバイス特性への影響
4.1　転位とSBDリーク電流との関係―EFG(010)面上SBDに関する初期の研究結果
4.2　エミッション顕微鏡観察―最近の結果
4.2.1　EFG(001)基板上SBD
4.2.2　HVPE(001)面上SBD―多孔質粒子に由来する多結晶欠陥
4.2.3　HVPE(001)SBD―マイクロ粒子(パウダー)に由来した積層欠陥
4.2.4　HVPE(001)SBD―探針接触による
4.2.5　HVPE(001)SBD―ライン状の表面欠陥-転位網表面欠陥
5.　まとめ

第4節　SiCパワーデバイス用イオン注入装置
1.　はじめに
2.　SiCパワーデバイスプロセス
2.1　イオン注入時のプロセス温度
2.2　イオン注入後のアニールプロセス
2.3　高エネルギー注入
3.　高スループットと搬送信頼性
4.　最後に

第5節　GaN基板の超精密加工・洗浄と評価技術
1.　はじめに
2.　難加工単結晶基板加工のポイント
3.　GaN基板製造の基礎プロセス
4.　GaN基板の洗浄プロセスにおける検討事項
5.　GaN基板加工に関わる評価技術
6.　おわりに

第6節　次世代パワーデバイスの分析・評価技術
1.　はじめに
2.　二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS)
2.1　D-SIMSを用いたSiC基板の深さ方向分布評価
2.2　NanoSIMSを用いたSiC MOSFETの断面分布評価
3.　カソードルミネッセンス法(Cathodoluminescence: CL)
3.1　Si IGBTのライフタイムキラー欠陥評価
3.2　SiC MOSFETのイオン注入欠陥評価
3.3　GaN HEMTのイオン注入欠陥評価
4.　透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope: TEM)
4.1　GaN HEMTのAlGaN/GaN界面評価
4.2　DPC-STEM法を用いた接合界面評価
5.　走査型静電容量顕微鏡(Scanning Capacitance Microscope: SCM)
5.1　SiC MOSFETのキャリア分布評価
5.2　GaN HEMTのAlGaN/GaNのキャリア分布評価

第7節　SiC-MOSデバイスのしきい値電圧変動とその評価技術
1.　はじめに
2.　正のDC電圧ストレスによるしきい値電圧変動(PBTI)評価
3.　負のDC電圧ストレスによるしきい値電圧変動(NBTI)評価
4.　AC電圧ストレスによるしきい値電圧変動評価
5.　まとめと今後の展望

第8節　全方位フォトルミネセンス(ODPL)分光法を用いたGaN自立結晶の評価
1.　はじめに
2.　全方位フォトルミネセンス(ODPL)法
2.1　 ODPL法概説
2.2　吸収率(β)および外部量子効率(η)測定
2.3　双峰性スペクトルの解釈
2.4　吸収領域(E>E_abs)を基準にしたIQEの決定
3.　応用例:GaN結晶中の炭素不純物濃度の推定
4.　まとめ

第9節　テラヘルツエリプソメトリーによるSiC、GaNの電気特性評価
1.　はじめに
2.　THz周波数帯を用いた電気特性測定
2.1　Drude Model
2.2　時間領域分光エリプソメトリー
3.　THz-TDSE技術の現状
4.　THz-TDSEによる電気特性測定の紹介
4.1　GaN単結晶の測定
4.2　SiC単結晶の測定
5.　THz-TDSEを用いた新しい取り組み
5.1　SiCエピタキシャル膜バッファー層の厚さと電気特性測定
5.2　SiCのイオン注入層の電気特性測定
6.　まとめ

第3章　次世代パワーモジュール・構成材料、パワエレ製品・周辺材料の高信頼化と評価・解析技術
第1節　次世代パワーデバイスの信頼性技術と故障解析技術
1.　次世代パワーデバイスの信頼性技術
1.1　パワーデバイスについて
1.2　パワーデバイスの一般的な信頼性試験について
1.2.1　高温動作寿命試験(高温逆バイアス試験)・高温高湿バイアス寿命試験
1.2.2　温度サイクル試験・熱衝撃試験
1.2.3　その他の信頼性試験
1.3　パワーデバイス特有のパワーサイクル試験について
1.4　正確なパワーサイクス評価のためには
1.4.1　評価で考慮すべき事項
1.4.2　システムによるサージノイズ:試験通電オン時
1.4.3　システムによるサージノイズ:試験通電オン時
1.4.4　試験の制御方法
1.4.5　Tj測定
1.4.6　熱抵抗測定
1.4.7　ダイボンド材や樹脂材料
1.4.8　クラック以外の劣化現象
2.　次世代パワーデバイスの故障解析技術
2.1　次世代パワーデバイスの評価解析について
2.2　初動調査
2.3　非破壊検査
2.3.1　X線検査装置/X線CT検査装置
2.3.2　走査超音波顕微鏡(C-SAM)
2.4　故障箇所推定
2.4.1　ロックイン赤外線発熱解析(LIT:Lock-In Thermal Emission)
2.4.2　OBIRCH解析
2.5　物理解析
2.5.1　断面研磨からの解析から結晶方位解析
2.5.2　FIBを使用した断面試料作成
3.根本原因の追及。今後懸念される劣化現象(サーモマイグレーション)

第2節　次世代パワーデバイス実装材料の評価技術
1.　はじめに
2.　パワーデバイスモジュールの技術動向と実装材料
3.　パワーモジュール実装材料評価用プラットフォーム
4.　SiCパワーモジュール用実装材料の信頼性評価
5.　封止樹脂の開発
6.　各種実装材料に特化した評価
7.　プラットフォームの高信頼化
8.　結果と今後の方針

第3節　電気・熱・応力連成モデルによるSiCパワーモジュールの評価・解析
1.　まえがき
2.　温度・応力と電気抵抗の関係
2.1　四点曲げ試験
2.2　四点曲げ構造解析
2.3　モジュール構造解析
3.　温度・応力と電気抵抗の関係
3.1　回路モデル
3.2　解析結果
4.　むすび

第4節　有限要素法を活用した高耐熱・長寿命SiCパワーモジュールの信頼性向上技術
1.　はじめに
2.高耐熱・高信頼性化に向けたFEMの活用例と課題
2.1　チップ下面でのはんだクラックの解析
2.2　ワイヤ接合部でのリフトオフの解析
2.3　高耐熱モジュールの解析時の課題
3.　高耐熱・長寿命SiCモジュールの開発　～ 産総研でのFEM活用例 ～
3.1　チップ上面へのCTE緩衝板接合構造の開発
3.2　有限要素法によるCTE緩衝板接合構造の最適化　～ 接合部の応力解析への適用 ～
3.3　材料評価手法の活用例
3.3.1　Cu焼結材を用いたCTE緩衝板接合の機械的強度の評価
3.3.2　CTE緩衝板接合による過渡熱抵抗の低減効果
4.　パワーサイクル試験結果とその分析
4.1　パワーサイクル試験結果
4.2　故障発生部の分析
5.　まとめ

第5節　次世代パワーデバイス開発におけるTCADシミュレーションの活用
1.　はじめに
2.　TCADについて
2.1　TCADの目的
2.2　TCADの分類
2.2.1　プロセス・シミュレーション
2.2.2　デバイス・シミュレーション
3.　パワーデバイスでのTCADシミュレーション活用事例
3.1　GaN Super HFETの解析
3.2　SiCデバイスのトレンチ形状による影響解析
3.3　Si-IGBT短絡耐量解析
4.　まとめ

第6節　次世代パワーエレクトロニクスにおけるシミュレーション技術
1.　はじめに
2.　パワーデバイスの熱解析
3.　電源システムの熱設計と評価
4.　次世代パワーエレクトロニクス設計のための統合評価技術
4.1　モデル縮約による複数領域の結合
4.2　GPUを用いた高速計算技術
4.3　汎用ツール連携の動向
5.　まとめ

第7節　次世代パワーデバイスの特性評価と高周波化したパワエレ回路シミュレーション
1.　はじめに
2.　高精度デバイスモデルとモデルパラメータ用のデバイス特性評価
2.1　IV特性評価
2.2　CV特性評価
2.3　Sパラメータ評価
2.4　オン状態CV特性評価
2.5　高出力IV
2.6　モデルパラメータ抽出用ソフト
3.　動特性評価
4.　正確なWBGデバイス回路シミュレーション
4.1　正確なWBGデバイス回路シミュレーションを実現するソリューション例
5.　おわりに

第8節　EVモータ,インバータ開発のための電力測定
1.　はじめに
2.　xEVにおけるパワートレイン構成
3.　モータ,インバータ開発における課題
4.　インバータ・モータの電力・効率・損失測定
4.1　インバータ入力電力の高精度測定
4.2　インバータ出力電力の高精度測定
4.2.1　電流センサによる大電流の測定
4.2.2　位相誤差の影響
4.2.3　エイリアシングの影響
4.3　モータ出力の高精度測定
5.　まとめ

第9節　パワエレ用コンデンサ技術と車載用コンデンサの解析
1.　はじめに
2.　誘電体特性について
3.　コンデンサのインピーダンス
3.1　コンデンサ電極部の抵抗
3.2　コンデンサ誘電体部のインピーダンス
3.3　コンデンサの寄生インダクタンス
3.4　コンデンサの等価回路
3.5　コンデンサのインピーダンス実測値との比較
4.　コンデンサの損失計算と内部温度推定
4.1　フーリエ級数によるコンデンサ発熱量計算
4.2　伝熱解析
5.　駆動用インバータ平滑コンデンサについて
5.1　メタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサが使用される理由
5.2　駆動用インバータ平滑コンデンサの解析
5.2.1　モジュール外観と内部素子構造
5.2.2　電気的特性
5.2.3　コンデンサ素子の解体調査
5.2.4　バスバー
5.2.5　パッケージング

第10節　IGBT接合の課題と高耐振IGBT用コネクタの開発
1.　はじめに
2.　IGBTの組立(接続)課題
2.1　 従来技術
2.2　従来技術の課題
2.3　従来技術の課題に対する対応
2.3.1　 課題解決へのアプローチ
2.3.2　フローティングコネクタとは
3.　コネクタ接続における課題点
3.1　 課題の概要
3.2　セットが抱える課題　基板共振
3.2.1　 課題
3.2.2　原理・特徴
3.2.3　課題対策・効果
3.3　コネクタが抱える課題①　コネクタの固有周波数
3.3.1　課題
3.3.2　原理・特徴
3.3.3　課題対策・効果
3.4　コネクタが抱える課題②　接点保持
3.4.1　課題
3.4.2　原理・特徴
3.4.3　課題対策・効果
4.　まとめ